The nonexistence of spurious solutions to discrete, two-point boundary value problems

We investigate difference equations which arise as discrete approximations to two-point boundary value problems for systems of second-order, ordinary differential equations. We formulate conditions under which all solutions to the discrete problem satisfy certain a priori bounds which axe independent of the step-size. As a result, the nonexistence of spurious solutions are guaranteed. Some existence and convergence theorems for solutions to the discrete problem are also presented. (C) 2002 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

The uniqueness of solutions to discrete, victor, two-point boundary value problems

Difference equations which may arise as discrete approximations to two-point boundary value problems for systems of second-order, ordinary differential equations are investigated and conditions are formulated under which solutions to the discrete problem are unique. Some existence, uniqueness implies existence, and convergence theorems for solutions to the discrete problem are also presented.

Aproximação numérica – analítica para a modelagem da conversão termoquímica de combustíveis sólidos

Um algoritmo numérico foi criado para apresentar a solução da conversão termoquímica de um combustível sólido. O mesmo foi criado de forma a ser flexível e dependente do mecanismo de reação a ser representado. Para tanto, um sistema das equações características desse tipo de problema foi resolvido através de um método iterativo unido a matemática simbólica. Em função de não linearidades nas equações e por se tratar de pequenas partículas, será aplicado o método de Newton para reduzir o sistema de equações diferenciais parciais (EDP’s) para um sistema de equações diferenciais ordinárias (EDO’s). Tal processo redução é baseado na união desse método iterativo à diferenciação numérica, pois consegue incorporar nas EDO’s resultantes funções analíticas. O modelo reduzido será solucionado numericamente usando-se a técnica do gradiente bi-conjugado (BCG). Tal modelo promete ter taxa de convergência alta, se utilizando de um número baixo de iterações, além de apresentar alta velocidade na apresentação das soluções do novo sistema linear gerado. Além disso, o algoritmo se mostra independente do tamanho da malha constituidora. Para a validação, a massa normalizada será calculada e comparada com valores experimentais de termogravimetria encontrados na literatura, , e um teste com um mecanismo simplificado de reação será realizado.

Measuring and Controlling the Chaotic Motion of Profits

The study of economic systems has generated deep interest in exploring the complexity of chaotic motions in economy. Due to important developments in nonlinear dynamics, the last two decades have witnessed strong revival of interest in nonlinear endogenous business chaotic models. The inability to predict the behavior of dynamical systems in the presence of chaos suggests the application of chaos control methods, when we are more interested in obtaining regular behavior. In the present article, we study a specific economic model from the literature. More precisely, a system of three ordinary differential equations gather the variables of profits, reinvestments and financial flow of borrowings in the structure of a firm. Firstly, using results of symbolic dynamics, we characterize the topological entropy and the parameter space ordering of kneading sequences, associated with one-dimensional maps that reproduce significant aspects of the model dynamics. The analysis of the variation of this numerical invariant, in some realistic system parameter region, allows us to quantify and to distinguish different chaotic regimes. Finally, we show that complicated behavior arising from the chaotic firm model can be controlled without changing its original properties and the dynamics can be turned into the desired attracting time periodic motion (a stable steady state or into a regular cycle). The orbit stabilization is illustrated by the application of a feedback control technique initially developed by Romeiras et al. [1992]. This work provides another illustration of how our understanding of economic models can be enhanced by the theoretical and numerical investigation of nonlinear dynamical systems modeled by ordinary differential equations.

Um novo gerador central de padrões de locomoção para geração de trajectórias em tempo real de robôs quadrúpedes

Neste trabalho estuda-se a geração de trajectórias em tempo real de um robô quadrúpede. As trajectórias podem dividir-se em duas componentes: rítmica e discreta. A componente rítmica das trajectórias é modelada por uma rede de oito osciladores acoplados, com simetria 4 2 Z  Z . Cada oscilador é modelado matematicamente por um sistema de Equações Diferenciais Ordinárias. A referida rede foi proposta por Golubitsky, Stewart, Buono e Collins (1999, 2000), para gerar os passos locomotores de animais quadrúpedes. O trabalho constitui a primeira aplicação desta rede à geração de trajectórias de robôs quadrúpedes. A derivação deste modelo baseia-se na biologia, onde se crê que Geradores Centrais de Padrões de locomoção (CPGs), constituídos por redes neuronais, geram os ritmos associados aos passos locomotores dos animais. O modelo proposto gera soluções periódicas identificadas com os padrões locomotores quadrúpedes, como o andar, o saltar, o galopar, entre outros. A componente discreta das trajectórias dos robôs usa-se para ajustar a parte rítmica das trajectórias. Este tipo de abordagem é útil no controlo da locomoção em terrenos irregulares, em locomoção guiada (por exemplo, mover as pernas enquanto desempenha tarefas discretas para colocar as pernas em localizações específicas) e em percussão. Simulou-se numericamente o modelo de CPG usando o oscilador de Hopf para modelar a parte rítmica do movimento e um modelo inspirado no modelo VITE para modelar a parte discreta do movimento. Variou-se o parâmetro g e mediram-se a amplitude e a frequência das soluções periódicas identificadas com o passo locomotor quadrúpede Trot, para variação deste parâmetro. A parte discreta foi inserida na parte rítmica de duas formas distintas: (a) como um offset, (b) somada às equações que geram a parte rítmica. Os resultados obtidos para o caso (a), revelam que a amplitude e a frequência se mantêm constantes em função de g. Os resultados obtidos para o caso (b) revelam que a amplitude e a frequência aumentam até um determinado valor de g e depois diminuem à medida que o g aumenta, numa curva quase sinusoidal. A variação da amplitude das soluções periódicas traduz-se numa variação directamente proporcional na extensão do movimento do robô. A velocidade da locomoção do robô varia com a frequência das soluções periódicas, que são identificadas com passos locomotores quadrúpedes.

Robôs quadrúpedes: geração de trajectórias em tempo real usando sistemas dinâmicos não-lineares

A geração de trajectórias de robôs em tempo real é uma tarefa muito complexa, não existindo ainda um algoritmo que a permita resolver de forma eficaz. De facto, há controladores eficientes para trajectórias previamente definidas, todavia, a adaptação a variações imprevisíveis, como sendo terrenos irregulares ou obstáculos, constitui ainda um problema em aberto na geração de trajectórias em tempo real de robôs. Neste trabalho apresentam-se modelos de geradores centrais de padrões de locomoção (CPGs), inspirados na biologia, que geram os ritmos locomotores num robô quadrúpede. Os CPGs são modelados matematicamente por sistemas acoplados de células (ou neurónios), sendo a dinâmica de cada célula dada por um sistema de equações diferenciais ordinárias não lineares. Assume-se que as trajectórias dos robôs são constituídas por esta parte rítmica e por uma parte discreta. A parte discreta pode ser embebida na parte rítmica, (a.1) como um offset ou (a.2) adicionada às expressões rítmicas, ou (b) pode ser calculada independentemente e adicionada exactamente antes do envio dos sinais para as articulações do robô. A parte discreta permite inserir no passo locomotor uma perturbação, que poderá estar associada à locomoção em terrenos irregulares ou à existência de obstáculos na trajectória do robô. Para se proceder á análise do sistema com parte discreta, será variado o parâmetro g. O parâmetro g, presente nas equações da parte discreta, representa o offset do sinal após a inclusão da parte discreta. Revê-se a teoria de bifurcação e simetria que permite a classificação das soluções periódicas produzidas pelos modelos de CPGs com passos locomotores quadrúpedes. Nas simulações numéricas, usam-se as equações de Morris-Lecar e o oscilador de Hopf como modelos da dinâmica interna de cada célula para a parte rítmica. A parte discreta é modelada por um sistema inspirado no modelo VITE. Medem-se a amplitude e a frequência de dois passos locomotores para variação do parâmetro g, no intervalo [-5;5]. Consideram-se duas formas distintas de incluir a parte discreta na parte rítmica: (a) como um (a.1) offset ou (a.2) somada nas expressões que modelam a parte rítmica, e (b) somada ao sinal da parte rítmica antes de ser enviado às articulações do robô. No caso (a.1), considerando o oscilador de Hopf como dinâmica interna das células, verifica-se que a amplitude e frequência se mantêm constantes para -50.2. A extensão do movimento varia de forma directamente proporcional à amplitude. No caso das equações de Morris-Lecar, quando a componente discreta é embebida (a.2), a amplitude e a frequência aumentam e depois diminuem para - 0.170.5 Pode concluir-se que: (1) a melhor forma de inserção da parte discreta que menos perturbação insere no robô é a inserção como offset; (2) a inserção da parte discreta parece ser independente do sistema de equações diferenciais ordinárias que modelam a dinâmica interna de cada célula. Como trabalho futuro, é importante prosseguir o estudo das diferentes formas de inserção da parte discreta na parte rítmica do movimento, para que se possa gerar uma locomoção quadrúpede, robusta, flexível, com objectivos, em terrenos irregulares, modelada por correcções discretas aos padrões rítmicos.

Bipedal Locomotion: A Fractional CPG for Generating Patterns

Proceedings of the 10th Conference on Dynamical Systems Theory and Applications

Comparison of different numerical methods for the solution of the time-fractional reaction-diffusion equation with variable diffusion coefficient

In this work we perform a comparison of two different numerical schemes for the solution of the time-fractional diffusion equation with variable diffusion coefficient and a nonlinear source term. The two methods are the implicit numerical scheme presented in [M.L. Morgado, M. Rebelo, Numerical approximation of distributed order reaction- diffusion equations, Journal of Computational and Applied Mathematics 275 (2015) 216-227] that is adapted to our type of equation, and a colocation method where Chebyshev polynomials are used to reduce the fractional differential equation to a system of ordinary differential equations

Integration methods in dynamic analysis

"Series title: Springerbriefs in applied sciences and technology, ISSN 2191-530X"

Modeling and simulation of population balances for particulate processes

This work focuses on the modeling and numerical approximations of population balance equations (PBEs) for the simulation of different phenomena occurring in process engineering. The population balance equation (PBE) is considered to be a statement of continuity. It tracks the change in particle size distribution as particles are born, die, grow or leave a given control volume. In the population balance models the one independent variable represents the time, the other(s) are property coordinate(s), e.g., the particle volume (size) in the present case. They typically describe the temporal evolution of the number density functions and have been used to model various processes such as granulation, crystallization, polymerization, emulsion and cell dynamics. The semi-discrete high resolution schemes are proposed for solving PBEs modeling one and two-dimensional batch crystallization models. The schemes are discrete in property coordinates but continuous in time. The resulting ordinary differential equations can be solved by any standard ODE solver. To improve the numerical accuracy of the schemes a moving mesh technique is introduced in both one and two-dimensional cases ...

Contact melting of a three-dimensional phase change material on a flat substrate

In this paper a model is developed to describe the three dimensional contact melting process of a cuboid on a heated surface. The mathematical description involves two heat equations (one in the solid and one in the melt), the Navier-Stokes equations for the flow in the melt, a Stefan condition at the phase change interface and a force balance between the weight of the solid and the countering pressure in the melt. In the solid an optimised heat balance integral method is used to approximate the temperature. In the liquid the small aspect ratio allows the Navier-Stokes and heat equations to be simplified considerably so that the liquid pressure may be determined using an igenfunction expansion and finally the problem is reduced to solving three first order ordinary differential equations. Results are presented showing the evolution of the melting process. Further reductions to the system are made to provide simple guidelines concerning the process. Comparison of the solutions with experimental data on the melting of n-octadecane shows excellent agreement.

Lifelong dynamics of human CD4+CD25+ regulatory T cells: insights from in vivo data and mathematical modeling.

Despite their limited proliferation capacity, regulatory T cells (T(regs)) constitute a population maintained over the entire lifetime of a human organism. The means by which T(regs) sustain a stable pool in vivo are controversial. Using a mathematical model, we address this issue by evaluating several biological scenarios of the origins and the proliferation capacity of two subsets of T(regs): precursor CD4(+)CD25(+)CD45RO(-) and mature CD4(+)CD25(+)CD45RO(+) cells. The lifelong dynamics of T(regs) are described by a set of ordinary differential equations, driven by a stochastic process representing the major immune reactions involving these cells. The model dynamics are validated using data from human donors of different ages. Analysis of the data led to the identification of two properties of the dynamics: (1) the equilibrium in the CD4(+)CD25(+)FoxP3(+)T(regs) population is maintained over both precursor and mature T(regs) pools together, and (2) the ratio between precursor and mature T(regs) is inverted in the early years of adulthood. Then, using the model, we identified three biologically relevant scenarios that have the above properties: (1) the unique source of mature T(regs) is the antigen-driven differentiation of precursors that acquire the mature profile in the periphery and the proliferation of T(regs) is essential for the development and the maintenance of the pool; there exist other sources of mature T(regs), such as (2) a homeostatic density-dependent regulation or (3) thymus- or effector-derived T(regs), and in both cases, antigen-induced proliferation is not necessary for the development of a stable pool of T(regs). This is the first time that a mathematical model built to describe the in vivo dynamics of regulatory T cells is validated using human data. The application of this model provides an invaluable tool in estimating the amount of regulatory T cells as a function of time in the blood of patients that received a solid organ transplant or are suffering from an autoimmune disease.

S-system parameter estimation for noisy metabolic profiles using newton-flow analysis.

Biochemical systems are commonly modelled by systems of ordinary differential equations (ODEs). A particular class of such models called S-systems have recently gained popularity in biochemical system modelling. The parameters of an S-system are usually estimated from time-course profiles. However, finding these estimates is a difficult computational problem. Moreover, although several methods have been recently proposed to solve this problem for ideal profiles, relatively little progress has been reported for noisy profiles. We describe a special feature of a Newton-flow optimisation problem associated with S-system parameter estimation. This enables us to significantly reduce the search space, and also lends itself to parameter estimation for noisy data. We illustrate the applicability of our method by applying it to noisy time-course data synthetically produced from previously published 4- and 30-dimensional S-systems. In addition, we propose an extension of our method that allows the detection of network topologies for small S-systems. We introduce a new method for estimating S-system parameters from time-course profiles. We show that the performance of this method compares favorably with competing methods for ideal profiles, and that it also allows the determination of parameters for noisy profiles.

Neutralizing antibodies in Multiple Sclerosis a model-based analysis of Interferon beta signaling pathway in macrophages

Multiple Sclerosis is the most common non-traumatic cause of neurologicaldisability in young people. There is no cure yet, and until recently, few long-termtherapies existed. Interferon beta (IFNβ) was the first treatment, and remains the mostcommonly prescribed. One of the most significant problems of IFNβ therapy is theproduction of drug specific antibodies. Up to 45% of patients develop neutralizingantibodies (NAbs) to IFNβ products. The neutralizing antibody binds to the biologicalagent preventing its interaction with its receptor, inhibiting the biological action of theprotein, which abrogates the clinical efficacy of IFNβ treatment. Interferon-betamediates its response by binding to its high affinity cell surface receptor and initiatingthe JAK/STAT signalling cascade. In this project we have analyzed the IFNβ signalingpathway in macrophages when neutralizing antibodies are present. The response tothis pathway after IFNβ stimulation shows a transient oscillatory rhythm of STAT1phosphorylation, which varies as NAbs concentration increases. To improve ourunderstanding of that behavior, we extended an existing mathematical model based onnonlinear ordinary differential equations of JAK/STAT pathway by including IFN-NAbassociation and IFN-activation receptor. Combining our theoretical model withexperimental data we could study the role of neutralizing antibodies on the molecularresponse and determine its lifetime after cytokine stimulation.