The changing face and role of CACSD

Computer Aided Control Engineering involves three parallel streams: Simulation and modelling, Control system design (off-line), and Controller implementation. In industry the bottleneck problem has always been modelling, and this remains the case - that is where control (and other) engineers put most of their technical effort. Although great advances in software tools have been made, the cost of modelling remains very high - too high for some sectors. Object-oriented modelling, enabling truly re-usable models, seems to be the key enabling technology here. Software tools to support control systems design have two aspects to them: aiding and managing the work-flow in particular projects (whether of a single engineer or of a team), and provision of numerical algorithms to support control-theoretic and systems-theoretic analysis and design. The numerical problems associated with linear systems have been largely overcome, so that most problems can be tackled routinely without difficulty - though problems remain with (some) systems of extremely large dimensions. Recent emphasis on control of hybrid and/or constrained systems is leading to the emerging importance of geometric algorithms (ellipsoidal approximation, polytope projection, etc). Constantly increasing computational power is leading to renewed interest in design by optimisation, an example of which is MPC. The explosion of embedded control systems has highlighted the importance of autocode generation, directly from modelling/simulation products to target processors. This is the 'new kid on the block', and again much of the focus of commercial tools is on this part of the control engineer's job. Here the control engineer can no longer ignore computer science (at least, for the time being). ©2006 IEEE.

Contraction and observer design on cones

We consider the problem of positive observer design for positive systems defined on solid cones in Banach spaces. The design is based on the Hilbert metric and convergence properties are analyzed in the light of the Birkhoff theorem. Two main applications are discussed: positive observers for systems defined in the positive orthant, and positive observers on the cone of positive semi-definite matrices with a view on quantum systems. © 2011 IEEE.

Consensus in non-commutative spaces

Convergence analysis of consensus algorithms is revisited in the light of the Hilbert distance. The Lyapunov function used in the early analysis by Tsitsiklis is shown to be the Hilbert distance to consensus in log coordinates. Birkhoff theorem, which proves contraction of the Hilbert metric for any positive homogeneous monotone map, provides an early yet general convergence result for consensus algorithms. Because Birkhoff theorem holds in arbitrary cones, we extend consensus algorithms to the cone of positive definite matrices. The proposed generalization finds applications in the convergence analysis of quantum stochastic maps, which are a generalization of stochastic maps to non-commutative probability spaces. ©2010 IEEE.

Scattering poles near the real axis for two strictly convex obstacles

Iantchenko, A., (2007) 'Scattering poles near the real axis for two strictly convex obstacles', Annales of the Institute Henri Poincar? 8 pp.513-568 RAE2008

Design of Scheduling Algorithms Using Game Theoretic Ideas

Scheduling a set of jobs over a collection of machines to optimize a certain quality-of-service measure is one of the most important research topics in both computer science theory and practice. In this thesis, we design algorithms that optimize {\em flow-time} (or delay) of jobs for scheduling problems that arise in a wide range of applications. We consider the classical model of unrelated machine scheduling and resolve several long standing open problems; we introduce new models that capture the novel algorithmic challenges in scheduling jobs in data centers or large clusters; we study the effect of selfish behavior in distributed and decentralized environments; we design algorithms that strive to balance the energy consumption and performance.

The technically interesting aspect of our work is the surprising connections we establish between approximation and online algorithms, economics, game theory, and queuing theory. It is the interplay of ideas from these different areas that lies at the heart of most of the algorithms presented in this thesis.

The main contributions of the thesis can be placed in one of the following categories.

1. Classical Unrelated Machine Scheduling: We give the first polygorithmic approximation algorithms for minimizing the average flow-time and minimizing the maximum flow-time in the offline setting. In the online and non-clairvoyant setting, we design the first non-clairvoyant algorithm for minimizing the weighted flow-time in the resource augmentation model. Our work introduces iterated rounding technique for the offline flow-time optimization, and gives the first framework to analyze non-clairvoyant algorithms for unrelated machines.

2. Polytope Scheduling Problem: To capture the multidimensional nature of the scheduling problems that arise in practice, we introduce Polytope Scheduling Problem (\psp). The \psp problem generalizes almost all classical scheduling models, and also captures hitherto unstudied scheduling problems such as routing multi-commodity flows, routing multicast (video-on-demand) trees, and multi-dimensional resource allocation. We design several competitive algorithms for the \psp problem and its variants for the objectives of minimizing the flow-time and completion time. Our work establishes many interesting connections between scheduling and market equilibrium concepts, fairness and non-clairvoyant scheduling, and queuing theoretic notion of stability and resource augmentation analysis.

3. Energy Efficient Scheduling: We give the first non-clairvoyant algorithm for minimizing the total flow-time + energy in the online and resource augmentation model for the most general setting of unrelated machines.

4. Selfish Scheduling: We study the effect of selfish behavior in scheduling and routing problems. We define a fairness index for scheduling policies called {\em bounded stretch}, and show that for the objective of minimizing the average (weighted) completion time, policies with small stretch lead to equilibrium outcomes with small price of anarchy. Our work gives the first linear/ convex programming duality based framework to bound the price of anarchy for general equilibrium concepts such as coarse correlated equilibrium.

K-Theory of non-linear projective toric varieties

We define a category of quasi-coherent sheaves of topological spaces on projective toric varieties and prove a splitting result for its algebraic K-theory, generalising earlier results for projective spaces. The splitting is expressed in terms of the number of interior lattice points of dilations of a polytope associated to the variety. The proof uses combinatorial and geometrical results on polytopal complexes. The same methods also give an elementary explicit calculation of the cohomology groups of a projective toric variety over any commutative ring.

Quelques théorèmes ergodiques pour des suites de fonctions

Le théorème ergodique de Birkhoff nous renseigne sur la convergence de suites de fonctions. Nous nous intéressons alors à étudier la convergence en moyenne et presque partout de ces suites, mais dans le cas où la suite est une suite strictement croissante de nombres entiers positifs. C’est alors que nous définirons les suites uniformes et étudierons la convergence presque partout pour ces suites. Nous regarderons également s’il existe certaines suites pour lesquelles la convergence n’a pas lieu. Nous présenterons alors un résultat dû en partie à Alexandra Bellow qui dit que de telles suites existent. Finalement, nous démontrerons une équivalence entre la notion de transformatiuon fortement mélangeante et la convergence d'une certaine suite qui utilise des “poids” qui satisfont certaines propriétés.

Brisure de symétrie par la réduction des groupes de Lie simples à leurs sous-groupes de Lie réductifs maximaux

Dans ce travail, nous exploitons des propriétés déjà connues pour les systèmes de poids des représentations afin de les définir pour les orbites des groupes de Weyl des algèbres de Lie simples, traitées individuellement, et nous étendons certaines de ces propriétés aux orbites des groupes de Coxeter non cristallographiques. D'abord, nous considérons les points d'une orbite d'un groupe de Coxeter fini G comme les sommets d'un polytope (G-polytope) centré à l'origine d'un espace euclidien réel à n dimensions. Nous introduisons les produits et les puissances symétrisées de G-polytopes et nous en décrivons la décomposition en des sommes de G-polytopes. Plusieurs invariants des G-polytopes sont présentés. Ensuite, les orbites des groupes de Weyl des algèbres de Lie simples de tous types sont réduites en l'union d'orbites des groupes de Weyl des sous-algèbres réductives maximales de l'algèbre. Nous listons les matrices qui transforment les points des orbites de l'algèbre en des points des orbites des sous-algèbres pour tous les cas n<=8 ainsi que pour plusieurs séries infinies des paires d'algèbre-sous-algèbre. De nombreux exemples de règles de branchement sont présentés. Finalement, nous fournissons une nouvelle description, uniforme et complète, des centralisateurs des sous-groupes réguliers maximaux des groupes de Lie simples de tous types et de tous rangs. Nous présentons des formules explicites pour l'action de tels centralisateurs sur les représentations irréductibles des algèbres de Lie simples et montrons qu'elles peuvent être utilisées dans le calcul des règles de branchement impliquant ces sous-algèbres.

Sur une classe de structures kählériennes généralisées toriques

Cette thèse concerne le problème de trouver une notion naturelle de «courbure scalaire» en géométrie kählérienne généralisée. L'approche utilisée consiste à calculer l'application moment pour l'action du groupe des difféomorphismes hamiltoniens sur l'espace des structures kählériennes généralisées de type symplectique. En effet, il est bien connu que l'application moment pour la restriction de cette action aux structures kählériennes s'identifie à la courbure scalaire riemannienne. On se limite à une certaine classe de structure kählériennes généralisées sur les variétés toriques notée $DGK_{\omega}^{\mathbb{T}}(M)$ que l'on reconnaît comme étant classifiées par la donnée d'une matrice antisymétrique $C$ et d'une fonction réelle strictement convexe $\tau$ (ayant un comportement adéquat au voisinage de la frontière du polytope moment). Ce point de vue rend évident le fait que toute structure kählérienne torique peut être déformée en un élément non kählérien de $DGK_{\omega}^{\mathbb{T}}(M)$, et on note que cette déformation à lieu le long d'une des classes que R. Goto a démontré comme étant libre d'obstruction. On identifie des conditions suffisantes sur une paire $(\tau,C)$ pour qu'elle donne lieu à un élément de $DGK_{\omega}^{\mathbb{T}}(M)$ et on montre qu'en dimension 4, ces conditions sont également nécessaires. Suivant l'adage «l'application moment est la courbure» mentionné ci-haut, des formules pour des notions de «courbure scalaire hermitienne généralisée» et de «courbure scalaire riemannienne généralisée» (en dimension 4) sont obtenues en termes de la fonction $\tau$. Enfin, une expression de la courbure scalaire riemannienne généralisée en termes de la structure bihermitienne sous-jacente est dégagée en dimension 4. Lorsque comparée avec le résultat des physiciens Coimbra et al., notre formule suggère un choix canonique pour le dilaton de leur théorie.

L’infini dans la théorie ergodique

En mécanique statistique, un système physique est représenté par un système mécanique avec un très grand nombre de degrés de liberté. Ce qui est expérimentalement accessible, croit-on, se limite à des moyennes temporelles sur de longues périodes. Or, il est bien connu qu’un système physique tend vers un équilibre thermodynamique. Ainsi, les moyennes temporelles censées représenter les résultats de mesure doivent être indépendantes du temps. C’est pourquoi elles sont associées à des temps infinis. Ces moyennes sont par contre difficilement analysables, et c’est pourquoi la moyenne des phases est utilisée. La justification de l’égalité de la moyenne temporelle infinie et de la moyenne des phases est le problème ergodique. Ce problème, sous une forme ou une autre, a fait l’objet d’études de la part de Boltzmann (1868 ; 1872), les Ehrenfest (1912), Birkhoff (1831), Khinchin (1949), et bien d’autres, jusqu’à devenir une théorie à part entière en mathématique (Mackey 1974). Mais l’introduction de temps infinis pose des problèmes physiques et philosophiques d’importance. En effet, si l’infini a su trouver une nouvelle place dans les mathématiques cantoriennes, sa place en physique n’est pas aussi assurée. Je propose donc de présenter les développements conceptuels entourant la théorie ergodique en mécanique statistique avant de me concentrer sur les problèmes épistémologiques que soulève la notion d’infini dans ces mêmes développements.

Eigenschaften chromatischer Polynome

Die Berechnung des 1912 von Birkhoff eingeführten chromatischen Polynoms eines Graphen stellt bekanntlich ein NP-vollständiges Problem dar. Dieses gilt somit erst recht für die Verallgemeinerung des chromatischen Polynoms zum bivariaten chromatischen Polynom nach Dohmen, Pönitz und Tittmann aus dem Jahre 2003. Eine von Averbouch, Godlin und Makowsky 2008 vorgestellte Rekursionsformel verursacht durch wiederholte Anwendung im Allgemeinen einen exponentiellen Rechenaufwand. Daher war das Ziel der vorliegenden Dissertation, Vereinfachungen zur Berechnung des bivariaten chromatischen Polynoms spezieller Graphentypen zu finden. Hierbei wurden folgende Resultate erzielt: Für Vereinigungen von Sternen, für vollständige Graphen, aus welchen die Kanten von Sternen mit paarweise voneinander verschiedenen Ecken gelöscht wurden, für spezielle Splitgraphen und für vollständig partite Graphen konnten rekursionsfreie Gleichungen zur Berechnung des bivariaten chromatischen Polynoms mit jeweils linear beschränkter Rechenzeit gefunden werden. Weiterhin werden Möglichkeiten der Reduktion allgemeiner Splitgraphen, bestimmter bipartiter Graphen sowie vollständig partiter Graphen vorgestellt. Bei letzteren erweist sich eine hierbei gefundene Rekursionsformel durch eine polynomiell beschränkte Laufzeit als effektive Methode. Ferner konnte in einem Abschnitt zu Trennern in Graphen gezeigt werden, dass der Spezialfall der trennenden Cliquen, welcher im univariaten Fall sehr einfach ist, im bivariaten Fall sehr komplexe Methoden erfordert. Ein Zusammenhang zwischen dem bivariaten chromatischen Polynom und dem Matchingpolynom wurde für vollständige Graphen, welchen die Kanten von Sternen mit paarweise voneinander verschiedenen Ecken entnommen wurden, sowie für Bicliquen hergestellt. Die vorliegende Dissertation liefert darüber hinaus auch einige Untersuchungen zum trivariaten chromatischen Polynom, welches auf White (2011) zurückgeht und eine weitere Verallgemeinerung des bivariaten chromatischen Polynoms darstellt. Hierbei konnte gezeigt werden, dass dessen Berechnung selbst für einfache Graphentypen schon recht kompliziert ist. Dieses trifft sogar dann noch zu, wenn man die einzelnen Koeffizienten als bivariate Polynome abspaltet und einzeln berechnet. Abschließend stellt die Arbeit zu vielen Resultaten Implementierungen mit dem Computeralgebrasystem Mathematica bereit, welche zahlreiche Möglichkeiten zu eigenständigen Versuchen bieten.

Informational Aesthetics Measures

The Birkhoff aesthetic measure of an object is the ratio between order and complexity. Informational aesthetics describes the interpretation of this measure from an information-theoretic perspective. From these ideas, the authors define a set of ratios based on information theory and Kolmogorov complexity that can help to quantify the aesthetic experience

Recurrence and higher ergodic properties for quenched random Lorentz tubes in dimension bigger than two

We consider the billiard dynamics in a non-compact set of ℝ d that is constructed as a bi-infinite chain of translated copies of the same d-dimensional polytope. A random configuration of semi-dispersing scatterers is placed in each copy. The ensemble of dynamical systems thus defined, one for each global realization of the scatterers, is called quenched random Lorentz tube. Under some fairly general conditions, we prove that every system in the ensemble is hyperbolic and almost every system is recurrent, ergodic, and enjoys some higher chaotic properties.

Partial spectral projected gradient method with active-set strategy for linearly constrained optimization

A method for linearly constrained optimization which modifies and generalizes recent box-constraint optimization algorithms is introduced. The new algorithm is based on a relaxed form of Spectral Projected Gradient iterations. Intercalated with these projected steps, internal iterations restricted to faces of the polytope are performed, which enhance the efficiency of the algorithm. Convergence proofs are given and numerical experiments are included and commented. Software supporting this paper is available through the Tango Project web page: http://www.ime.usp.br/similar to egbirgin/tango/.

Birkhoffian Systems in Infinite Dimensional Manifolds

We generalize the theory of Kobayashi and Oliva (On the Birkhoff Approach to Classical Mechanics. Resenhas do Instituto de Matematica e Estatistica da Universidade de Sao Paulo, 2003) to infinite dimensional Banach manifolds with a view towards applications in partial differential equations.