Analysis of the domain of applicability of an algorithm for a resources system selection problem for Distributed/Agile/Virtual Enterprises integration

The process of resources systems selection takes an important part in Distributed/Agile/Virtual Enterprises (D/A/V Es) integration. However, the resources systems selection is still a difficult matter to solve in a D/A/VE, as it is pointed out in this paper. Globally, we can say that the selection problem has been equated from different aspects, originating different kinds of models/algorithms to solve it. In order to assist the development of a web prototype tool (broker tool), intelligent and flexible, that integrates all the selection model activities and tools, and with the capacity to adequate to each D/A/V E project or instance (this is the major goal of our final project), we intend in this paper to show: a formulation of a kind of resources selection problem and the limitations of the algorithms proposed to solve it. We formulate a particular case of the problem as an integer programming, which is solved using simplex and branch and bound algorithms, and identify their performance limitations (in terms of processing time) based on simulation results. These limitations depend on the number of processing tasks and on the number of pre-selected resources per processing tasks, defining the domain of applicability of the algorithms for the problem studied. The limitations detected open the necessity of the application of other kind of algorithms (approximate solution algorithms) outside the domain of applicability founded for the algorithms simulated. However, for a broker tool it is very important the knowledge of algorithms limitations, in order to, based on problem features, develop and select the most suitable algorithm that guarantees a good performance.

Caracteritació de models funcionals d'àmfores romanes mitjançant Finite Element Analysis

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada al Laboratory of Archaeometry del National Centre of Scientific Research “Demokritos” d’Atenes, Grècia, entre juny i setembre 2006. Aquest estudi s’emmarca dins d’un context més ampli d’estudi del canvi tecnològic que es documenta en la producció d’àmfores de tipologia romana durant els segles I aC i I dC en els territoris costaners de Catalunya. Una part d’aquest estudi contempla el càlcul de les propietats mecàniques d’aquestes àmfores i la seva avaluació en funció de la tipologia amforal, a partir de l’Anàlisi d’Elements Finits (AEF). L’AEF és una aproximació numèrica que té el seu origen en les ciències d’enginyeria i que ha estat emprada per estimar el comportament mecànic d’un model en termes, per exemple, de deformació i estrès. Així, un objecte, o millor dit el seu model, es dividit en sub-dominis anomenats elements finits, als quals se’ls atribueixen les propietats mecàniques del material en estudi. Aquests elements finits estan connectats formant una xarxa amb constriccions que pot ser definida. En el cas d’aplicar una força determinada a un model, el comportament de l’objecte pot ser estimat mitjançant el conjunt d’equacions lineals que defineixen el rendiment dels elements finits, proporcionant una bona aproximació per a la descripció de la deformació estructural. Així, aquesta simulació per ordinador suposa una important eina per entendre la funcionalitat de ceràmiques arqueològiques. Aquest procediment representa un model quantitatiu per predir el trencament de l’objecte ceràmic quan aquest és sotmès a diferents condicions de pressió. Aquest model ha estat aplicat a diferents tipologies amforals. Els resultats preliminars mostren diferències significatives entre la tipologia pre-romana i les tipologies romanes, així com entre els mateixos dissenys amforals romans, d’importants implicacions arqueològiques.

Optimal exponent heat balance and refined integral methods applied to Stefan problems

When using a polynomial approximating function the most contentious aspect of the Heat Balance Integral Method is the choice of power of the highest order term. In this paper we employ a method recently developed for thermal problems, where the exponent is determined during the solution process, to analyse Stefan problems. This is achieved by minimising an error function. The solution requires no knowledge of an exact solution and generally produces significantly better results than all previous HBI models. The method is illustrated by first applying it to standard thermal problems. A Stefan problem with an analytical solution is then discussed and results compared to the approximate solution. An ablation problem is also analysed and results compared against a numerical solution. In both examples the agreement is excellent. A Stefan problem where the boundary temperature increases exponentially is analysed. This highlights the difficulties that can be encountered with a time dependent boundary condition. Finally, melting with a time-dependent flux is briefly analysed without applying analytical or numerical results to assess the accuracy.

KAM theory for conformally symplectic systems

We present a KAM theory for some dissipative systems (geometrically, these are conformally symplectic systems, i.e. systems that transform a symplectic form into a multiple of itself). For systems with n degrees of freedom depending on n parameters we show that it is possible to find solutions with n-dimensional (Diophantine) frequencies by adjusting the parameters. We do not assume that the system is close to integrable, but we use an a-posteriori format. Our unknowns are a parameterization of the solution and a parameter. We show that if there is a sufficiently approximate solution of the invariance equation, which also satisfies some explicit non–degeneracy conditions, then there is a true solution nearby. We present results both in Sobolev norms and in analytic norms. The a–posteriori format has several consequences: A) smooth dependence on the parameters, including the singular limit of zero dissipation; B) estimates on the measure of parameters covered by quasi–periodic solutions; C) convergence of perturbative expansions in analytic systems; D) bootstrap of regularity (i.e., that all tori which are smooth enough are analytic if the map is analytic); E) a numerically efficient criterion for the break–down of the quasi–periodic solutions. The proof is based on an iterative quadratically convergent method and on suitable estimates on the (analytical and Sobolev) norms of the approximate solution. The iterative step takes advantage of some geometric identities, which give a very useful coordinate system in the neighborhood of invariant (or approximately invariant) tori. This system of coordinates has several other uses: A) it shows that for dissipative conformally symplectic systems the quasi–periodic solutions are attractors, B) it leads to efficient algorithms, which have been implemented elsewhere. Details of the proof are given mainly for maps, but we also explain the slight modifications needed for flows and we devote the appendix to present explicit algorithms for flows.

Local optima networks of hard combinatorial landscapes

Combinatorial optimization involves finding an optimal solution in a finite set of options; many everyday life problems are of this kind. However, the number of options grows exponentially with the size of the problem, such that an exhaustive search for the best solution is practically infeasible beyond a certain problem size. When efficient algorithms are not available, a practical approach to obtain an approximate solution to the problem at hand, is to start with an educated guess and gradually refine it until we have a good-enough solution. Roughly speaking, this is how local search heuristics work. These stochastic algorithms navigate the problem search space by iteratively turning the current solution into new candidate solutions, guiding the search towards better solutions. The search performance, therefore, depends on structural aspects of the search space, which in turn depend on the move operator being used to modify solutions. A common way to characterize the search space of a problem is through the study of its fitness landscape, a mathematical object comprising the space of all possible solutions, their value with respect to the optimization objective, and a relationship of neighborhood defined by the move operator. The landscape metaphor is used to explain the search dynamics as a sort of potential function. The concept is indeed similar to that of potential energy surfaces in physical chemistry. Borrowing ideas from that field, we propose to extend to combinatorial landscapes the notion of the inherent network formed by energy minima in energy landscapes. In our case, energy minima are the local optima of the combinatorial problem, and we explore several definitions for the network edges. At first, we perform an exhaustive sampling of local optima basins of attraction, and define weighted transitions between basins by accounting for all the possible ways of crossing the basins frontier via one random move. Then, we reduce the computational burden by only counting the chances of escaping a given basin via random kick moves that start at the local optimum. Finally, we approximate network edges from the search trajectory of simple search heuristics, mining the frequency and inter-arrival time with which the heuristic visits local optima. Through these methodologies, we build a weighted directed graph that provides a synthetic view of the whole landscape, and that we can characterize using the tools of complex networks science. We argue that the network characterization can advance our understanding of the structural and dynamical properties of hard combinatorial landscapes. We apply our approach to prototypical problems such as the Quadratic Assignment Problem, the NK model of rugged landscapes, and the Permutation Flow-shop Scheduling Problem. We show that some network metrics can differentiate problem classes, correlate with problem non-linearity, and predict problem hardness as measured from the performances of trajectory-based local search heuristics.

Analysis of a finite volume method for a cross-diffusion model in population dynamics

The main goal of this paper is to propose a convergent finite volume method for a reactionâeuro"diffusion system with cross-diffusion. First, we sketch an existence proof for a class of cross-diffusion systems. Then the standard two-point finite volume fluxes are used in combination with a nonlinear positivity-preserving approximation of the cross-diffusion coefficients. Existence and uniqueness of the approximate solution are addressed, and it is also shown that the scheme converges to the corresponding weak solution for the studied model. Furthermore, we provide a stability analysis to study pattern-formation phenomena, and we perform two-dimensional numerical examples which exhibit formation of nonuniform spatial patterns. From the simulations it is also found that experimental rates of convergence are slightly below second order. The convergence proof uses two ingredients of interest for various applications, namely the discrete Sobolev embedding inequalities with general boundary conditions and a space-time $L^1$ compactness argument that mimics the compactness lemma due to Kruzhkov. The proofs of these results are given in the Appendix.

Bernoulli correction to viscous losses: Radial flow between two parallel discs

For a massless fluid (density = 0), the steady flow along a duct is governed exclusively by viscous losses. In this paper, we show that the velocity profile obtained in this limit can be used to calculate the pressure drop up to the first order in density. This method has been applied to the particular case of a duct, defined by two plane-parallel discs. For this case, the first-order approximation results in a simple analytical solution which has been favorably checked against numerical simulations. Finally, an experiment has been carried out with water flowing between the discs. The experimental results show good agreement with the approximate solution

Essays in macro finance and monetary economics

Les questions abordées dans les deux premiers articles de ma thèse cherchent à comprendre les facteurs économiques qui affectent la structure à terme des taux d'intérêt et la prime de risque. Je construis des modèles non linéaires d'équilibre général en y intégrant des obligations de différentes échéances. Spécifiquement, le premier article a pour objectif de comprendre la relation entre les facteurs macroéconomiques et le niveau de prime de risque dans un cadre Néo-keynésien d'équilibre général avec incertitude. L'incertitude dans le modèle provient de trois sources : les chocs de productivité, les chocs monétaires et les chocs de préférences. Le modèle comporte deux types de rigidités réelles à savoir la formation des habitudes dans les préférences et les coûts d'ajustement du stock de capital. Le modèle est résolu par la méthode des perturbations à l'ordre deux et calibré à l'économie américaine. Puisque la prime de risque est par nature une compensation pour le risque, l'approximation d'ordre deux implique que la prime de risque est une combinaison linéaire des volatilités des trois chocs. Les résultats montrent qu'avec les paramètres calibrés, les chocs réels (productivité et préférences) jouent un rôle plus important dans la détermination du niveau de la prime de risque relativement aux chocs monétaires. Je montre que contrairement aux travaux précédents (dans lesquels le capital de production est fixe), l'effet du paramètre de la formation des habitudes sur la prime de risque dépend du degré des coûts d'ajustement du capital. Lorsque les coûts d'ajustement du capital sont élevés au point que le stock de capital est fixe à l'équilibre, une augmentation du paramètre de formation des habitudes entraine une augmentation de la prime de risque. Par contre, lorsque les agents peuvent librement ajuster le stock de capital sans coûts, l'effet du paramètre de la formation des habitudes sur la prime de risque est négligeable. Ce résultat s'explique par le fait que lorsque le stock de capital peut être ajusté sans coûts, cela ouvre un canal additionnel de lissage de consommation pour les agents. Par conséquent, l'effet de la formation des habitudes sur la prime de risque est amoindri. En outre, les résultats montrent que la façon dont la banque centrale conduit sa politique monétaire a un effet sur la prime de risque. Plus la banque centrale est agressive vis-à-vis de l'inflation, plus la prime de risque diminue et vice versa. Cela est due au fait que lorsque la banque centrale combat l'inflation cela entraine une baisse de la variance de l'inflation. Par suite, la prime de risque due au risque d'inflation diminue. Dans le deuxième article, je fais une extension du premier article en utilisant des préférences récursives de type Epstein -- Zin et en permettant aux volatilités conditionnelles des chocs de varier avec le temps. L'emploi de ce cadre est motivé par deux raisons. D'abord des études récentes (Doh, 2010, Rudebusch and Swanson, 2012) ont montré que ces préférences sont appropriées pour l'analyse du prix des actifs dans les modèles d'équilibre général. Ensuite, l'hétéroscedasticité est une caractéristique courante des données économiques et financières. Cela implique que contrairement au premier article, l'incertitude varie dans le temps. Le cadre dans cet article est donc plus général et plus réaliste que celui du premier article. L'objectif principal de cet article est d'examiner l'impact des chocs de volatilités conditionnelles sur le niveau et la dynamique des taux d'intérêt et de la prime de risque. Puisque la prime de risque est constante a l'approximation d'ordre deux, le modèle est résolu par la méthode des perturbations avec une approximation d'ordre trois. Ainsi on obtient une prime de risque qui varie dans le temps. L'avantage d'introduire des chocs de volatilités conditionnelles est que cela induit des variables d'état supplémentaires qui apportent une contribution additionnelle à la dynamique de la prime de risque. Je montre que l'approximation d'ordre trois implique que les primes de risque ont une représentation de type ARCH-M (Autoregressive Conditional Heteroscedasticty in Mean) comme celui introduit par Engle, Lilien et Robins (1987). La différence est que dans ce modèle les paramètres sont structurels et les volatilités sont des volatilités conditionnelles de chocs économiques et non celles des variables elles-mêmes. J'estime les paramètres du modèle par la méthode des moments simulés (SMM) en utilisant des données de l'économie américaine. Les résultats de l'estimation montrent qu'il y a une évidence de volatilité stochastique dans les trois chocs. De plus, la contribution des volatilités conditionnelles des chocs au niveau et à la dynamique de la prime de risque est significative. En particulier, les effets des volatilités conditionnelles des chocs de productivité et de préférences sont significatifs. La volatilité conditionnelle du choc de productivité contribue positivement aux moyennes et aux écart-types des primes de risque. Ces contributions varient avec la maturité des bonds. La volatilité conditionnelle du choc de préférences quant à elle contribue négativement aux moyennes et positivement aux variances des primes de risque. Quant au choc de volatilité de la politique monétaire, son impact sur les primes de risque est négligeable. Le troisième article (coécrit avec Eric Schaling, Alain Kabundi, révisé et resoumis au journal of Economic Modelling) traite de l'hétérogénéité dans la formation des attentes d'inflation de divers groupes économiques et de leur impact sur la politique monétaire en Afrique du sud. La question principale est d'examiner si différents groupes d'agents économiques forment leurs attentes d'inflation de la même façon et s'ils perçoivent de la même façon la politique monétaire de la banque centrale (South African Reserve Bank). Ainsi on spécifie un modèle de prédiction d'inflation qui nous permet de tester l'arrimage des attentes d'inflation à la bande d'inflation cible (3% - 6%) de la banque centrale. Les données utilisées sont des données d'enquête réalisée par la banque centrale auprès de trois groupes d'agents : les analystes financiers, les firmes et les syndicats. On exploite donc la structure de panel des données pour tester l'hétérogénéité dans les attentes d'inflation et déduire leur perception de la politique monétaire. Les résultats montrent qu'il y a évidence d'hétérogénéité dans la manière dont les différents groupes forment leurs attentes. Les attentes des analystes financiers sont arrimées à la bande d'inflation cible alors que celles des firmes et des syndicats ne sont pas arrimées. En effet, les firmes et les syndicats accordent un poids significatif à l'inflation retardée d'une période et leurs prédictions varient avec l'inflation réalisée (retardée). Ce qui dénote un manque de crédibilité parfaite de la banque centrale au vu de ces agents.

Problèmes de commande optimale stochastique généralisés

Cette thèse est divisée en deux grands chapitres, dont le premier porte sur des problèmes de commande optimale en dimension un et le deuxième sur des problèmes en dimension deux ou plus. Notons bien que, dans cette thèse, nous avons supposé que le facteur temps n'intervient pas. Dans le premier chapitre, nous calculons, au début, l'équation de programmation dynamique pour la valeur minimale F de l'espérance mathématique de la fonction de coût considérée. Ensuite, nous utilisons le théorème de Whittle qui est applicable seulement si une condition entre le bruit blanc v et les termes b et q associés à la commande est satisfaite. Sinon, nous procédons autrement. En effet, un changement de variable transforme notre équation en une équation de Riccati en G= F', mais sans conditions initiales. Dans certains cas, à partir de la symétrie des paramètres infinitésimaux et de q, nous pouvons en déduire le point x' où G(x')=0. Si ce n'est pas le cas, nous nous limitons à des bonnes approximations. Cette même démarche est toujours possible si nous sommes dans des situations particulières, par exemple, lorsque nous avons une seule barrière. Dans le deuxième chapitre, nous traitons les problèmes en dimension deux ou plus. Puisque la condition de Whittle est difficile à satisfaire dans ce cas, nous essayons de généraliser les résultats du premier chapitre. Nous utilisons alors dans quelques exemples la méthode des similitudes, qui permet de transformer le problème en dimension un. Ensuite, nous proposons une nouvelle méthode de résolution. Cette dernière linéarise l'équation de programmation dynamique qui est une équation aux dérivées partielles non linéaire. Il reste à la fin à trouver les conditions initiales pour la nouvelle fonction et aussi à vérifier que les n expressions obtenues pour F sont équivalentes.

Testing Isotropy and a related Random Walk problem

One comes across directions as the observations in a number of situations. The first inferential question that one should answer when dealing with such data is, “Are they isotropic or uniformly distributed?” The answer to this question goes back in history which we shall retrace a bit and provide an exact and approximate solution to this so-called “Pearson’s Random Walk” problem.

Approximations to the scattering of water waves by steep topography

A new method is developed for approximating the scattering of linear surface gravity waves on water of varying quiescent depth in two dimensions. A conformal mapping of the fluid domain onto a uniform rectangular strip transforms steep and discontinuous bed profiles into relatively slowly varying, smooth functions in the transformed free-surface condition. By analogy with the mild-slope approach used extensively in unmapped domains, an approximate solution of the transformed problem is sought in the form of a modulated propagating wave which is determined by solving a second-order ordinary differential equation. This can be achieved numerically, but an analytic solution in the form of a rapidly convergent infinite series is also derived and provides simple explicit formulae for the scattered wave amplitudes. Small-amplitude and slow variations in the bedform that are excluded from the mapping procedure are incorporated in the approximation by a straightforward extension of the theory. The error incurred in using the method is established by means of a rigorous numerical investigation and it is found that remarkably accurate estimates of the scattered wave amplitudes are given for a wide range of bedforms and frequencies.

Efficient shock capturing for isentropic flows using arithmetic averaging

A shock capturing scheme is presented for the equations of isentropic flow based on upwind differencing applied to a locally linearized set of Riemann problems. This includes the two-dimensional shallow water equations using the familiar gas dynamics analogy. An average of the flow variables across the interface between cells is required, and this average is chosen to be the arithmetic mean for computational efficiency, leading to arithmetic averaging. This is in contrast to usual ‘square root’ averages found in this type of Riemann solver where the computational expense can be prohibitive. The scheme is applied to a two-dimensional dam-break problem and the approximate solution compares well with those given by other authors.

An efficient numerical method for compressible flows of a real gas using arithmetic averaging

An efficient numerical method is presented for the solution of the Euler equations governing the compressible flow of a real gas. The scheme is based on the approximate solution of a specially constructed set of linearised Riemann problems. An average of the flow variables across the interface between cells is required, and this is chosen to be the arithmetic mean for computational efficiency, which is in contrast to the usual square root averaging. The scheme is applied to a test problem for five different equations of state.

An efficient numerical scheme for the Euler equations

A finite difference scheme based on flux difference splitting is presented for the solution of the Euler equations for the compressible flow of an ideal gas. A linearised Riemann problem is defined, and a scheme based on numerical characteristic decomposition is presented for obtaining approximate solutions to the linearised problem. An average of the flow variables across the interface between cells is required, and this average is chosen to be the arithmetic mean for computational efficiency, leading to arithmetic averaging. This is in contrast to the usual ‘square root’ averages found in this type of Riemann solver, where the computational expense can be prohibitive. The method of upwind differencing is used for the resulting scalar problems, together with a flux limiter for obtaining a second order scheme which avoids nonphysical, spurious oscillations. The scheme is applied to a shock tube problem and a blast wave problem. Each approximate solution compares well with those given by other schemes, and for the shock tube problem is in agreement with the exact solution.

An efficient numerical scheme for the two-dimensional shallow water equations using arithmetic averaging

A finite difference scheme based on flux difference splitting is presented for the solution of the two-dimensional shallow water equations of ideal fluid flow. A linearised problem, analogous to that of Riemann for gas dynamics is defined, and a scheme, based on numerical characteristic decomposition is presented for obtaining approximate solutions to the linearised problem, and incorporates the technique of operator splitting. An average of the flow variables across the interface between cells is required, and this average is chosen to be the arithmetic mean for computational efficiency leading to arithmetic averaging. This is in contrast to usual ‘square root’ averages found in this type of Riemann solver, where the computational expense can be prohibitive. The method of upwind differencing is used for the resulting scalar problems, together with a flux limiter for obtaining a second order scheme which avoids nonphysical, spurious oscillations. An extension to the two-dimensional equations with source terms is included. The scheme is applied to the one-dimensional problems of a breaking dam and reflection of a bore, and in each case the approximate solution is compared to the exact solution of ideal fluid flow. The scheme is also applied to a problem of stationary bore generation in a channel of variable cross-section. Finally, the scheme is applied to two other dam-break problems, this time in two dimensions with one having cylindrical symmetry. Each approximate solution compares well with those given by other authors.