A block SPP algorithm for multidimensional tridiagonal equations with optimal message vector length

A parallel strategy for solving multidimensional tridiagonal equations is investigated in this paper. We present in detail an improved version of single parallel partition (SPP) algorithm in conjunction with message vectorization, which aggregates several communication messages into one to reduce the communication cost. We show the resulting block SPP can achieve good speedup for a wide range of message vector length (MVL), especially when the number of grid points in the divided direction is large. Instead of only using the largest possible MVL, we adopt numerical tests and modeling analysis to determine an optimal MVL so that significant improvement in speedup can be obtained.

Constitutive plasma membrane targeting and microdomain localization of Dok5 studied by single-molecule microscopy

In the present study, single-molecule fluorescence microscopy was used to examine the characteristics of plasma membrane targeting and microdomain localization of enhanced yellow fluorescent protein (eYFP)-tagged wild-type Dok5 and its variants in living Chinese hamster ovary (CHO) cells. We found that Dok5 can target constitutively to the plasma membrane, and the PH domain is essential for this process. Furthermore, single-molecule trajectories analysis revealed that Dok5 can constitutively partition into microdomain on the plasma membrane. Finally, the potential mechanism of microdomain localization of Dok5 was discussed. This study provided insights into the characteristics of plasma membrane targeting and microdomain localization of Dok5 in living CHO cells. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Topics in quantum gravity

We study some aspects of conformal field theory, wormhole physics and two-dimensional random surfaces. Inspite of being rather different, these topics serve as examples of the issues that are involved, both at high and low energy scales, in formulating a quantum theory of gravity. In conformal field theory we show that fusion and braiding properties can be used to determine the operator product coefficients of the non-diagonal Wess-Zumino-Witten models. In wormhole physics we show how Coleman's proposed probability distribution would result in wormholes determining the value of ^θQCD. We attempt such a calculation and find the most probable value of ^θQCD to be π. This hints at a potential conflict with nature. In random surfaces we explore the behaviour of conformal field theories coupled to gravity and calculate some partition functions and correlation functions. Our results throw some light on the transition that is believed to occur when the central charge of the matter theory gets larger than one.

Development and Application of Embedding Methods for the Simulation of Large Chemical Systems

The high computational cost of correlated wavefunction theory (WFT) calculations has motivated the development of numerous methods to partition the description of large chemical systems into smaller subsystem calculations. For example, WFT-in-DFT embedding methods facilitate the partitioning of a system into two subsystems: a subsystem A that is treated using an accurate WFT method, and a subsystem B that is treated using a more efficient Kohn-Sham density functional theory (KS-DFT) method. Representation of the interactions between subsystems is non-trivial, and often requires the use of approximate kinetic energy functionals or computationally challenging optimized effective potential calculations; however, it has recently been shown that these challenges can be eliminated through the use of a projection operator. This dissertation describes the development and application of embedding methods that enable accurate and efficient calculation of the properties of large chemical systems.

Chapter 1 introduces a method for efficiently performing projection-based WFT-in-DFT embedding calculations on large systems. This is accomplished by using a truncated basis set representation of the subsystem A wavefunction. We show that naive truncation of the basis set associated with subsystem A can lead to large numerical artifacts, and present an approach for systematically controlling these artifacts.

Chapter 2 describes the application of the projection-based embedding method to investigate the oxidative stability of lithium-ion batteries. We study the oxidation potentials of mixtures of ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) by using the projection-based embedding method to calculate the vertical ionization energy (IE) of individual molecules at the CCSD(T) level of theory, while explicitly accounting for the solvent using DFT. Interestingly, we reveal that large contributions to the solvation properties of DMC originate from quadrupolar interactions, resulting in a much larger solvent reorganization energy than that predicted using simple dielectric continuum models. Demonstration that the solvation properties of EC and DMC are governed by fundamentally different intermolecular interactions provides insight into key aspects of lithium-ion batteries, with relevance to electrolyte decomposition processes, solid-electrolyte interphase formation, and the local solvation environment of lithium cations.

Dualidade na teoria de Landau-Ginzburg da supercondutividade

Neste trabalho abordamos a teoria de Ginzburg-Landau da supercondutividade (teoria GL). Apresentamos suas origens, características e resultados mais importantes. A idéia fundamental desta teoria e descrever a transição de fase que sofrem alguns metais de uma fase normal para uma fase supercondutora. Durante uma transição de fase em supercondutores do tipo II é característico o surgimento de linhas de fluxo magnético em determinadas regiões de tamanho finito chamadas comumente de vórtices. A dinâmica destas estruturas topológicas é de grande interesse na comunidade científica atual e impulsiona incontáveis núcleos de pesquisa na área da supercondutividade. Baseado nisto estudamos como essas estruturas topológicas influenciam em uma transição de fase em um modelo bidimensional conhecido como modelo XY. No modelo XY vemos que os principais responsáveis pela transição de fase são os vórtices (na verdade pares de vórtice-antivórtice). Villain, observando este fato, percebeu que poderia tornar explícita a contribuição desses defeitos topológicos na função de partição do modelo XY realizando uma transformação de dualidade. Este modelo serve como inspiração para a proposta deste trabalho. Apresentamos aqui um modelo baseado em considerações físicas sobre sistemas de matéria condensada e ao mesmo tempo utilizamos um formalismo desenvolvido recentemente na referência [29] que possibilita tornar explícita a contribuição dos defeitos topológicos na ação original proposta em nossa teoria. Após isso analisamos alguns limites clássicos e finalmente realizamos as flutuações quânticas visando obter a expressão completa da função correlação dos vórtices o que pode ser muito útil em teorias de vórtices interagentes (dinâmica de vórtices).

Some properties of the coefficients of cyclotomic polynomials

An explicit formula is obtained for the coefficients of the cyclotomic polynomial F_n(x), where n is the product of two distinct odd primes. A recursion formula and a lower bound and an improvement of Bang’s upper bound for the coefficients of F_n(x) are also obtained, where n is the product of three distinct primes. The cyclotomic coefficients are also studied when n is the product of four distinct odd primes. A recursion formula and upper bounds for its coefficients are obtained. The last chapter includes a different approach to the cyclotomic coefficients. A connection is obtained between a certain partition function and the cyclotomic coefficients when n is the product of an arbitrary number of distinct odd primes. Finally, an upper bound for the coefficients is derived when n is the product of an arbitrary number of distinct and odd primes.

The global optimization of phase-incoherent signals

The problem of global optimization of M phase-incoherent signals in N complex dimensions is formulated. Then, by using the geometric approach of Landau and Slepian, conditions for optimality are established for N = 2 and the optimal signal sets are determined for M = 2, 3, 4, 6, and 12.

The method is the following: The signals are assumed to be equally probable and to have equal energy, and thus are represented by points ṡ_i, i = 1, 2, …, M, on the unit sphere S₁ in C^N. If W_ik is the halfspace determined by ṡ_i and ṡ_k and containing ṡ_i, i.e. W_ik = {ṙϵC^N:| ≥ | ˂ṙ, ṡ_k˃|}, then the Ʀ_i = ∩/k≠i W_ik, i = 1, 2, …, M, the maximum likelihood decision regions, partition S₁. For additive complex Gaussian noise ṅ and a received signal ṙ = ṡ_ie^jϴ + ṅ, where ϴ is uniformly distributed over [0, 2π], the probability of correct decoding is P_C = 1/π^N ∞/ʃ/0 r^2N-1e^-(r2+1)U(r)dr, where U(r) = 1/M M/Ʃ/i=1 Ʀ_i ʃ/∩ S₁ I₀(2r | ˂ṡ, ṡ_i˃|)dσ(ṡ), and r = ǁṙǁ.

For N = 2, it is proved that U(r) ≤ ʃ/C_α I₀(2r|˂ṡ, ṡ_i˃|)dσ(ṡ) – 2K/M. h(1/2K [Mσ(C_α)-σ(S₁)]), where C_α = {ṡϵS₁:|˂ṡ, ṡ_i˃| ≥ α}, K is the total number of boundaries of the net on S₁ determined by the decision regions, and h is the strictly increasing strictly convex function of σ(C_α∩W), (where W is a halfspace not containing ṡ_i), given by h = ʃ/C_α∩W I₀ (2r|˂ṡ, ṡ_i˃|)dσ(ṡ). Conditions for equality are established and these give rise to the globally optimal signal sets for M = 2, 3, 4, 6, and 12.

Dividing population genetic distance data with the software Partitioning Optimization with Restricted Growth Strings (PORGS): an application for Chinook salmon (Oncorhynchus tshawytscha), Vancouver Island, British Columbia

A new method of finding the optimal group membership and number of groupings to partition population genetic distance data is presented. The software program Partitioning Optimization with Restricted Growth Strings (PORGS), visits all possible set partitions and deems acceptable partitions to be those that reduce mean intracluster distance. The optimal number of groups is determined with the gap statistic which compares PORGS results with a reference distribution. The PORGS method was validated by a simulated data set with a known distribution. For efficiency, where values of n were larger, restricted growth strings (RGS) were used to bipartition populations during a nested search (bi-PORGS). Bi-PORGS was applied to a set of genetic data from 18 Chinook salmon (Oncorhynchus tshawytscha) populations from the west coast of Vancouver Island. The optimal grouping of these populations corresponded to four geographic locations: 1) Quatsino Sound, 2) Nootka Sound, 3) Clayoquot +Barkley sounds, and 4) southwest Vancouver Island. However, assignment of populations to groups did not strictly reflect the geographical divisions; fish of Barkley Sound origin that had strayed into the Gold River and close genetic similarity between transferred and donor populations meant groupings crossed geographic boundaries. Overall, stock structure determined by this partitioning method was similar to that determined by the unweighted pair-group method with arithmetic averages (UPGMA), an agglomerative clustering algorithm.

An Accounting of the Sources of Steller Sea Lion, Eumetopias jubatus, Mortality

During 1991–2000, the west-are additional mortalities that fueled the ern stock of Steller sea lions, Eumetopias decline. We tabulated the levels of reported jubatus, declined at 5.03% (SE = 0.25%) anthropogenic sources of mortality (sub- per year, statistically significant rates (P < sistence, incidental take in fisheries, and 0.10) in all but the eastern Aleutian Islands research), estimated another (illegal shoot-region. The greatest rates of declines oc-ing), then approximated levels of predation curred in the eastern and central Gulf of Alas-(killer whales and sharks). We attempted to ka and the western Aleutian Islands (> 8.2% partition the various sources of “additional” per year). Using a published correction mortalities as anthropogenic and as addifactor, we estimated the total non-pup pop-tional mortality including some predation. ulation size in Alaska of the western stock We classified 436 anthropogenic mortalities of Steller sea lions to be about 33,000 ani-and 769 anthropogenic plus some predation mals. Based on a published life table and mortalities as “mortality above replace-the current rate of decline, we estimate that ment”; this accounted for 26% and 46% of the total number of mortalities of non-pup the estimated total level of “mortality above Steller sea lions during 1991–2000 was replacement”, respectively. The remaining about 6,383 animals; of those, 4,718 (74%) mortality (74% and 54%, respectively) was are mortalities that would have occurred if not attributed to a specific cause and may be the population were stable, and 1,666 (26%) the result of nutritional stress.

Beluga, Delphinapterus leucas, Habitat Associations in Cook Inlet, Alaska

A review of available information describing habitat associations for belugas, Delphinapterus leucas, in Cook Inlet was undertaken to complement population assessment surveys from 1993-2000. Available data for physical, biological, and anthropogenic factors in Cook Inlet are summarized followed by a provisional description of seasonal habitat associations. To summarize habitat preferences, the beluga summer distribution pattern was used to partition Cook Inlet into three regions. In general, belugas congregate in shallow, relatively warm, low-salinity water near major river outflows in upper Cook Inlet during summer (defined as their primary habitat), where prey availability is comparatively high and predator occurrence relatively low. In winter, belugas are seen in the central inlet, but sightings are fewer in number, and whales more dispersed compared to summer. Belugas are associated with a range of ice conditions in winter, from ice-free to 60% ice-covered water. Natural catastrophic events, such as fires, earthquakes, and volcanic eruptions, have had no reported effect on beluga habitat, although such events likely affect water quality and, potentially, prey availability. Similarly, although sewage effluent and discharges from industrial and military activities along Cook Inlet negatively affect water quality, analyses of organochlorines and heavy metal burdens indicate that Cook Inlet belugas are not assimilating contaminant loads greater than any other Alaska beluga stocks. Offshore oil and gas activities and vessel traffic are high in the central inlet compared with other Alaska waters, although belugas in Cook Inlet seem habituated to these anthropogenic factors. Anthropogenic factors that have the highest potential negative impacts on belugas include subsistence hunts (not discussed in this report), noise from transportation and offshore oil and gas extraction (ship transits and aircraft overflights), and water quality degradation (from urban runoff and sewage treatment facilities). Although significant impacts from anthropogenic factors other than hunting are not yet apparent, assessment of potential impacts from human activities, especially those that may effect prey availability, are needed.

Implementação paralela de um código de elementos finitos em 2D para as Equações de Navier-Stokes para fluidos incompressíveis com transporte de escalares.

O estudo do fluxo de água e do transporte escalar em reservatórios hidrelétricos é importante para a determinação da qualidade da água durante as fases iniciais do enchimento e durante a vida útil do reservatório. Neste contexto, um código de elementos finitos paralelo 2D foi implementado para resolver as equações de Navier-Stokes para fluido incompressível acopladas a transporte escalar, utilizando o modelo de programação de troca de mensagens, a fim de realizar simulações em um ambiente de cluster de computadores. A discretização espacial é baseada no elemento MINI, que satisfaz as condições de Babuska-Brezzi (BB), que permite uma formulação mista estável. Todas as estruturas de dados distribuídos necessárias nas diferentes fases do código, como pré-processamento, solução e pós-processamento, foram implementadas usando a biblioteca PETSc. Os sistemas lineares resultantes foram resolvidos usando o método da projeção discreto com fatoração LU por blocos. Para aumentar o desempenho paralelo na solução dos sistemas lineares, foi empregado o método de condensação estática para resolver a velocidade intermediária nos vértices e no centróide do elemento MINI separadamente. Os resultados de desempenho do método de condensação estática com a abordagem da solução do sistema completo foram comparados. Os testes mostraram que o método de condensação estática apresenta melhor desempenho para grandes problemas, às custas de maior uso de memória. O desempenho de outras partes do código também são apresentados.

Análise de desempenho dos algoritmos Apriori e Fuzzy Apriori na extração de regras de associação aplicados a um Sistema de Detecção de Intrusos.

A extração de regras de associação (ARM - Association Rule Mining) de dados quantitativos tem sido pesquisa de grande interesse na área de mineração de dados. Com o crescente aumento das bases de dados, há um grande investimento na área de pesquisa na criação de algoritmos para melhorar o desempenho relacionado a quantidade de regras, sua relevância e a performance computacional. O algoritmo APRIORI, tradicionalmente usado na extração de regras de associação, foi criado originalmente para trabalhar com atributos categóricos. Geralmente, para usá-lo com atributos contínuos, ou quantitativos, é necessário transformar os atributos contínuos, discretizando-os e, portanto, criando categorias a partir dos intervalos discretos. Os métodos mais tradicionais de discretização produzem intervalos com fronteiras sharp, que podem subestimar ou superestimar elementos próximos dos limites das partições, e portanto levar a uma representação imprecisa de semântica. Uma maneira de tratar este problema é criar partições soft, com limites suavizados. Neste trabalho é utilizada uma partição fuzzy das variáveis contínuas, que baseia-se na teoria dos conjuntos fuzzy e transforma os atributos quantitativos em partições de termos linguísticos. Os algoritmos de mineração de regras de associação fuzzy (FARM - Fuzzy Association Rule Mining) trabalham com este princípio e, neste trabalho, o algoritmo FUZZYAPRIORI, que pertence a esta categoria, é utilizado. As regras extraídas são expressas em termos linguísticos, o que é mais natural e interpretável pelo raciocício humano. Os algoritmos APRIORI tradicional e FUZZYAPRIORI são comparado, através de classificadores associativos, baseados em regras extraídas por estes algoritmos. Estes classificadores foram aplicados em uma base de dados relativa a registros de conexões TCP/IP que destina-se à criação de um Sistema de Detecção de Intrusos.

Métodos sem malha: aplicações do Método de Galerkin sem elementos e do Método de Interpolação de Ponto em casos estruturais.

Apesar de serem intensamente estudados em muitos países que caminham na vanguarda do conhecimento, os métodos sem malha ainda são pouco explorados pelas universidades brasileiras. De modo a gerar uma maior difusão ou, para a maioria, fazer sua introdução, esta dissertação objetiva efetuar o entendimento dos métodos sem malha baseando-se em aplicações atinentes à mecânica dos sólidos. Para tanto, são apresentados os conceitos primários dos métodos sem malha e o seu desenvolvimento histórico desde sua origem no método smooth particle hydrodynamic até o método da partição da unidade, sua forma mais abrangente. Dentro deste contexto, foi investigada detalhadamente a forma mais tradicional dos métodos sem malha: o método de Galerkin sem elementos, e também um método diferenciado: o método de interpolação de ponto. Assim, por meio de aplicações em análises de barras e chapas em estado plano de tensão, são apresentadas as características, virtudes e deficiências desses métodos em comparação aos métodos tradicionais, como o método dos elementos finitos. É realizado ainda um estudo em uma importante área de aplicação dos métodos sem malha, a mecânica da fratura, buscando compreender como é efetuada a representação computacional da trinca, com especialidade, por meio dos critérios de visibilidade e de difração. Utilizando-se esses critérios e os conceitos da mecânica da fratura, é calculado o fator de intensidade de tensão através do conceito da integral J.

Aplicação da equação de Poisson-Boltzmann modificada em sistemas biológicos: análise da partição iônica em um eritrócito

Neste trabalho, a partição iônica e o potencial de membrana em um eritrócito são analisados via equação de Poisson-Boltzmann modificada, considerando as interações não eletrostáticas presentes entre os íons e macromoléculas, assim como, o potencial β. Este potencial é atribuído à diferença de potencial químico de referência entre os meios intracelular e extracelular e ao transporte ativo de íons. O potencial de Gibbs-Donnan via equação de Poisson-Boltzmann na presença de carga fixa em um sistema contendo uma membrana semipermeável também é estudado. O método de aproximação paraboloide em elementos finitos em um sistema estacionário e unidimensionalé aplicado para resolver a equação de Poisson-Boltzmann em coordenadas cartesianas e esféricas. O parâmetro de dispersão relativo às interações não eletrostáticas écalculado via teoria de Lifshitz. Os resultados em relação ao potencial de Gibbs-Donnan mostram-se adequados, podendo ser calculado pela equação de Poisson-Boltzmann. No sistema contendo um eritrócito, quando o potencial β é considerado igual a zero, não se verifica a diferença iônica observada experimentalmente entre os meios intracelular e extracelular. Dessa forma, os potenciais não eletrostáticos calculados via teoria de Lifshitz têm apenas uma pequena influência no que se refere à alta concentração de íon K+ no meio intracelular em relação ao íon Na+

Efficient sampling of atomic configurational spaces.

We describe a method to explore the configurational phase space of chemical systems. It is based on the nested sampling algorithm recently proposed by Skilling (AIP Conf. Proc. 2004, 395; J. Bayesian Anal. 2006, 1, 833) and allows us to explore the entire potential energy surface (PES) efficiently in an unbiased way. The algorithm has two parameters which directly control the trade-off between the resolution with which the space is explored and the computational cost. We demonstrate the use of nested sampling on Lennard-Jones (LJ) clusters. Nested sampling provides a straightforward approximation for the partition function; thus, evaluating expectation values of arbitrary smooth operators at arbitrary temperatures becomes a simple postprocessing step. Access to absolute free energies allows us to determine the temperature-density phase diagram for LJ cluster stability. Even for relatively small clusters, the efficiency gain over parallel tempering in calculating the heat capacity is an order of magnitude or more. Furthermore, by analyzing the topology of the resulting samples, we are able to visualize the PES in a new and illuminating way. We identify a discretely valued order parameter with basins and suprabasins of the PES, allowing a straightforward and unambiguous definition of macroscopic states of an atomistic system and the evaluation of the associated free energies.