Design of neuro-fuzzy models by evolutionary and gradient-based algorithms

All systems found in nature exhibit, with different degrees, a nonlinear behavior. To emulate this behavior, classical systems identification techniques use, typically, linear models, for mathematical simplicity. Models inspired by biological principles (artificial neural networks) and linguistically motivated (fuzzy systems), due to their universal approximation property, are becoming alternatives to classical mathematical models. In systems identification, the design of this type of models is an iterative process, requiring, among other steps, the need to identify the model structure, as well as the estimation of the model parameters. This thesis addresses the applicability of gradient-basis algorithms for the parameter estimation phase, and the use of evolutionary algorithms for model structure selection, for the design of neuro-fuzzy systems, i.e., models that offer the transparency property found in fuzzy systems, but use, for their design, algorithms introduced in the context of neural networks. A new methodology, based on the minimization of the integral of the error, and exploiting the parameter separability property typically found in neuro-fuzzy systems, is proposed for parameter estimation. A recent evolutionary technique (bacterial algorithms), based on the natural phenomenon of microbial evolution, is combined with genetic programming, and the resulting algorithm, bacterial programming, advocated for structure determination. Different versions of this evolutionary technique are combined with gradient-based algorithms, solving problems found in fuzzy and neuro-fuzzy design, namely incorporation of a-priori knowledge, gradient algorithms initialization and model complexity reduction.

Mathematical modelling of supercritical CO2 extraction of volatile oils from aromatic plants

The modelling of the experimental data of the extraction of the volatile oil from six aromatic plants (coriander, fennel, savoury, winter savoury, cotton lavender and thyme) was performed using five mathematical models, based on differential mass balances. In all cases the extraction was internal diffusion controlled and the internal mass transfer coefficienty (k(s)) have been found to change with pressure, temperature and particle size. For fennel, savoury and cotton lavender, the external mass transfer and the equilibrium phase also influenced the second extraction period, since k(s) changed with the tested flow rates. In general, the axial dispersion coefficient could be neglected for the conditions studied, since Peclet numbers were high. On the other hand, the solute-matrix interaction had to be considered in order to ensure a satisfactory description of the experimental data.

Soil sampling design and sampling techniques for soil properties monitoring – common difficulties related to forest soils

Mathematical models and statistical analysis are key instruments in soil science scientific research as they can describe and/or predict the current state of a soil system. These tools allow us to explore the behavior of soil related processes and properties as well as to generate new hypotheses for future experimentation. A good model and analysis of soil properties variations, that permit us to extract suitable conclusions and estimating spatially correlated variables at unsampled locations, is clearly dependent on the amount and quality of data and of the robustness techniques and estimators. On the other hand, the quality of data is obviously dependent from a competent data collection procedure and from a capable laboratory analytical work. Following the standard soil sampling protocols available, soil samples should be collected according to key points such as a convenient spatial scale, landscape homogeneity (or non-homogeneity), land color, soil texture, land slope, land solar exposition. Obtaining good quality data from forest soils is predictably expensive as it is labor intensive and demands many manpower and equipment both in field work and in laboratory analysis. Also, the sampling collection scheme that should be used on a data collection procedure in forest field is not simple to design as the sampling strategies chosen are strongly dependent on soil taxonomy. In fact, a sampling grid will not be able to be followed if rocks at the predicted collecting depth are found, or no soil at all is found, or large trees bar the soil collection. Considering this, a proficient design of a soil data sampling campaign in forest field is not always a simple process and sometimes represents a truly huge challenge. In this work, we present some difficulties that have occurred during two experiments on forest soil that were conducted in order to study the spatial variation of some soil physical-chemical properties. Two different sampling protocols were considered for monitoring two types of forest soils located in NW Portugal: umbric regosol and lithosol. Two different equipments for sampling collection were also used: a manual auger and a shovel. Both scenarios were analyzed and the results achieved have allowed us to consider that monitoring forest soil in order to do some mathematical and statistical investigations needs a sampling procedure to data collection compatible to established protocols but a pre-defined grid assumption often fail when the variability of the soil property is not uniform in space. In this case, sampling grid should be conveniently adapted from one part of the landscape to another and this fact should be taken into consideration of a mathematical procedure.

Mathematical model for HIV dynamics in HIV-specific helper cells

In this paper we study a delay mathematical model for the dynamics of HIV in HIV-specific CD4 + T helper cells. We modify the model presented by Roy and Wodarz in 2012, where the HIV dynamics is studied, considering a single CD4 + T cell population. Non-specific helper cells are included as alternative target cell population, to account for macrophages and dendritic cells. In this paper, we include two types of delay: (1) a latent period between the time target cells are contacted by the virus particles and the time the virions enter the cells and; (2) virus production period for new virions to be produced within and released from the infected cells. We compute the reproduction number of the model, R0, and the local stability of the disease free equilibrium and of the endemic equilibrium. We find that for values of R0<1, the model approaches asymptotically the disease free equilibrium. For values of R0>1, the model approximates asymptotically the endemic equilibrium. We observe numerically the phenomenon of backward bifurcation for values of R0⪅1. This statement will be proved in future work. We also vary the values of the latent period and the production period of infected cells and free virus. We conclude that increasing these values translates in a decrease of the reproduction number. Thus, a good strategy to control the HIV virus should focus on drugs to prolong the latent period and/or slow down the virus production. These results suggest that the model is mathematically and epidemiologically well-posed.

Population demography and the evolution of helping behaviors.

Limited dispersal may favor the evolution of helping behaviors between relatives as it increases their relatedness, and it may inhibit such evolution as it increases local competition between these relatives. Here, we explore one way out of this dilemma: if the helping behavior allows groups to expand in size, then the kin-competition pressure opposing its evolution can be greatly reduced. We explore the effects of two kinds of stochasticity allowing for such deme expansion. First, we study the evolution of helping under environmental stochasticity that may induce complete patch extinction. Helping evolves if it results in a decrease in the probability of extinction or if it enhances the rate of patch recolonization through propagules formed by fission of nonextinct groups. This mode of dispersal is indeed commonly found in social species. Second, we consider the evolution of helping in the presence of demographic stochasticity. When fecundity is below its value maximizing deme size (undersaturation), helping evolves, but under stringent conditions unless positive density dependence (Allee effect) interferes with demographic stochasticity. When fecundity is above its value maximizing deme size (oversaturation), helping may also evolve, but only if it reduces negative density-dependent competition.

Analytical modelling of bacterial migration and accumulation with rate-limited sorption in discrete fractures

An analytical model for bacterial accumulation in a discrete fractllre has been developed. The transport and accumlllation processes incorporate into the model include advection, dispersion, rate-limited adsorption, rate-limited desorption, irreversible adsorption, attachment, detachment, growth and first order decay botl1 in sorbed and aqueous phases. An analytical solution in Laplace space is derived and nlln1erically inverted. The model is implemented in the code BIOFRAC vvhich is written in Fortran 99. The model is derived for two phases, Phase I, where adsorption-desorption are dominant, and Phase II, where attachment-detachment are dominant. Phase I ends yvhen enollgh bacteria to fully cover the substratllm have accllillulated. The model for Phase I vvas verified by comparing to the Ogata-Banks solution and the model for Phase II was verified by comparing to a nonHomogenous version of the Ogata-Banks solution. After verification, a sensitiv"ity analysis on the inpllt parameters was performed. The sensitivity analysis was condllcted by varying one inpllt parameter vvhile all others were fixed and observing the impact on the shape of the clirve describing bacterial concentration verSllS time. Increasing fracture apertllre allovvs more transport and thus more accllffilliation, "Vvhich diminishes the dllration of Phase I. The larger the bacteria size, the faster the sllbstratum will be covered. Increasing adsorption rate, was observed to increase the dllration of Phase I. Contrary to the aSSllmption ofllniform biofilm thickness, the accllffilliation starts frOll1 the inlet, and the bacterial concentration in aqlleous phase moving towards the olitiet declines, sloyving the accumulation at the outlet. Increasing the desorption rate, redllces the dliration of Phase I, speeding IIp the accllmlilation. It was also observed that Phase II is of longer duration than Phase I. Increasing the attachment rate lengthens the accliffililation period. High rates of detachment speeds up the transport. The grovvth and decay rates have no significant effect on transport, althollgh increases the concentrations in both aqueous and sorbed phases are observed. Irreversible adsorption can stop accllillulation completely if the vallIes are high.

Statistical potentials for evolutionary studies

Les séquences protéiques naturelles sont le résultat net de l’interaction entre les mécanismes de mutation, de sélection naturelle et de dérive stochastique au cours des temps évolutifs. Les modèles probabilistes d’évolution moléculaire qui tiennent compte de ces différents facteurs ont été substantiellement améliorés au cours des dernières années. En particulier, ont été proposés des modèles incorporant explicitement la structure des protéines et les interdépendances entre sites, ainsi que les outils statistiques pour évaluer la performance de ces modèles. Toutefois, en dépit des avancées significatives dans cette direction, seules des représentations très simplifiées de la structure protéique ont été utilisées jusqu’à présent. Dans ce contexte, le sujet général de cette thèse est la modélisation de la structure tridimensionnelle des protéines, en tenant compte des limitations pratiques imposées par l’utilisation de méthodes phylogénétiques très gourmandes en temps de calcul. Dans un premier temps, une méthode statistique générale est présentée, visant à optimiser les paramètres d’un potentiel statistique (qui est une pseudo-énergie mesurant la compatibilité séquence-structure). La forme fonctionnelle du potentiel est par la suite raffinée, en augmentant le niveau de détails dans la description structurale sans alourdir les coûts computationnels. Plusieurs éléments structuraux sont explorés : interactions entre pairs de résidus, accessibilité au solvant, conformation de la chaîne principale et flexibilité. Les potentiels sont ensuite inclus dans un modèle d’évolution et leur performance est évaluée en termes d’ajustement statistique à des données réelles, et contrastée avec des modèles d’évolution standards. Finalement, le nouveau modèle structurellement contraint ainsi obtenu est utilisé pour mieux comprendre les relations entre niveau d’expression des gènes et sélection et conservation de leur séquence protéique.

The psychophysics of decision making in a two-direction random dot motion target selection task

La tâche de kinématogramme de points aléatoires est utilisée avec le paradigme de choix forcé entre deux alternatives pour étudier les prises de décisions perceptuelles. Les modèles décisionnels supposent que les indices de mouvement pour les deux alternatives sont encodés dans le cerveau. Ainsi, la différence entre ces deux signaux est accumulée jusqu’à un seuil décisionnel. Cependant, aucune étude à ce jour n’a testé cette hypothèse avec des stimuli contenant des mouvements opposés. Ce mémoire présente les résultats de deux expériences utilisant deux nouveaux stimuli avec des indices de mouvement concurrentiels. Parmi une variété de combinaisons d’indices concurrentiels, la performance des sujets dépend de la différence nette entre les deux signaux opposés. De plus, les sujets obtiennent une performance similaire avec les deux types de stimuli. Ces résultats supportent un modèle décisionnel basé sur l’accumulation des indices de mouvement net et suggèrent que le processus décisionnel peut intégrer les signaux de mouvement à partir d’une grande gamme de directions pour obtenir un percept global de mouvement.

Queues with inter- ruption in Random/ Markovian Environment

In many situations probability models are more realistic than deterministic models. Several phenomena occurring in physics are studied as random phenomena changing with time and space. Stochastic processes originated from the needs of physicists.Let X(t) be a random variable where t is a parameter assuming values from the set T. Then the collection of random variables {X(t), t ∈ T} is called a stochastic process. We denote the state of the process at time t by X(t) and the collection of all possible values X(t) can assume, is called state space

Coordinating Inventory Control and Pricing Strategies with Random Demand and Fixed Ordering Cost: the Infinite Horizon Case

We analyze an infinite horizon, single product, periodic review model in which pricing and production/inventory decisions are made simultaneously. Demands in different periods are identically distributed random variables that are independent of each other and their distributions depend on the product price. Pricing and ordering decisions are made at the beginning of each period and all shortages are backlogged. Ordering cost includes both a fixed cost and a variable cost proportional to the amount ordered. The objective is to maximize expected discounted, or expected average profit over the infinite planning horizon. We show that a stationary (s,S,p) policy is optimal for both the discounted and average profit models with general demand functions. In such a policy, the period inventory is managed based on the classical (s,S) policy and price is determined based on the inventory position at the beginning of each period.

Los conceptos de salud financiera, riesgo y epidemiología en los estados financieros de las compañías del sector de extracción de petróleo crudo y gas natural en Colombia

El presente proyecto tiene como objeto identificar cuáles son los conceptos de salud, enfermedad, epidemiología y riesgo aplicables a las empresas del sector de extracción de petróleo y gas natural en Colombia. Dado, el bajo nivel de predicción de los análisis financieros tradicionales y su insuficiencia, en términos de inversión y toma de decisiones a largo plazo, además de no considerar variables como el riesgo y las expectativas de futuro, surge la necesidad de abordar diferentes perspectivas y modelos integradores. Esta apreciación es pertinente dentro del sector de extracción de petróleo y gas natural, debido a la creciente inversión extranjera que ha reportado, US$2.862 millones en el 2010, cifra mayor a diez veces su valor en el año 2003. Así pues, se podrían desarrollar modelos multi-dimensional, con base en los conceptos de salud financiera, epidemiológicos y estadísticos. El termino de salud y su adopción en el sector empresarial, resulta útil y mantiene una coherencia conceptual, evidenciando una presencia de diferentes subsistemas o factores interactuantes e interconectados. Es necesario mencionar también, que un modelo multidimensional (multi-stage) debe tener en cuenta el riesgo y el análisis epidemiológico ha demostrado ser útil al momento de determinarlo e integrarlo en el sistema junto a otros conceptos, como la razón de riesgo y riesgo relativo. Esto se analizará mediante un estudio teórico-conceptual, que complementa un estudio previo, para contribuir al proyecto de finanzas corporativas de la línea de investigación en Gerencia.

Caracterización de la relación estratégica comunitaria y la salud financiera en empresas de mercados emergentes

El presente proyecto, se planteó una necesidad clara por satisfacer. Las organizaciones hoy en día, necesitan nuevas herramientas que permitan predecir y minimizar riesgos de mercado, con el fin de mejorar su desempeño, su competitividad, su salud financiera y sobre todo, ser más perdurables en ambientes caóticos e inestables. Se planteó un objetivo claro a cumplir, cómo pueden las empresas mejorar su relación con los consumidores y sus comunidades, con el fin de, identificar factores que impacten positivamente la salud financiera de las organizaciones. Es pertinente, el estudio de la salud financiera en empresas de mercados emergentes y los impactos en la implementación de diferentes estrategias comunitarias para establecer métodos que minimicen los riesgos y mejoren el desempeño empresarial. Para cumplir la propuesta planteada, fue necesario abarcar diferentes fuentes de información relacionadas a temas financieros y de mercadeo. Se buscó, tomar ejemplos, teorías y modelos ya implementados en estudios similares y con objetivos en común, relacionados a: uso de indicadores financieros, valoración corporativa, valoración de los estados financieros, diagnóstico de la salud financiera, el uso de estrategias de mercadeo relacional, la fidelización de clientes y el uso de estrategias comunitarias. Además, fue necesaria la búsqueda de empresas en los mercados emergentes de Brasil y Colombia, que representan el tipo de muestra deseada para desarrollar el estudio y sus objetivos. A dicha empresa, se le realizará una serie de estudios para poder satisfacer las necesidades planteadas en el presente proyecto. Por medio de dichos estudios, se pretende identificar relaciones en el uso de estrategias comunitarias y sus impactos en la salud financiera de las organizaciones. Es importante, identificar factores de riesgo y de protección para prevenir impactos negativos o potencializar aquellos que beneficien a las empresas. Con lo anterior, será posible obtener pruebas o herramientas que mejoren los procesos de toma de decisiones de alta dirección, la formulación de directrices en estrategia corporativa y definición de ventajas competitivas de la organización. Se pretende, brindar una aproximación a nuevos conocimientos y enfoques de estudios, expuestos en el proyecto, para mejorar la ciencia de la gestión, el desempeño y la perdurabilidad empresarial en mercados emergentes. El proyecto, tomó como fuente de estudio, el banco Brasileño Itau Unibanco Holding S.A. que representa de la mejor forma, el tipo de muestra necesaria para poder cumplir con los objetivos planteados. El banco, tienen presencia en la región bastante importante y sigue con metas de expansión e internacionalización. Además de eso, es considerado el banco privado más grande de Brasil, el cuarto mayor de Chile y la quinta institución financiera de Colombia. Ha sido ganador, de varios galardones y reconocimiento por sus buenas practicas, su enfoque hacia la sostenibilidad, la sociedad, el buen ambiente y los derechos. El proyecto, culminó demostrando que efectivamente el uso de estrategias comunitarias tiene un impacto importante en la imagen corporativa, la reputación y como consecuencia, en la estabilidad financiera. Se evidenció, también, el desempeño del banco Itau Unibanco Holding del año 2013, donde, se aplicaron diferentes estudios, indicadores y demás, que demostraron un buen resultado, y por ende, una fuerte posición y salud financiera. Adicionalmente, se mostraron diferentes tipos de estrategias que el banco usa hoy en día dirigidas a las comunidades, evidenciando ejemplos en Brasil y en Chile y describiendo los proyectos, los programas o las estrategias que el banco usa para aportar a la comunidad, ser parte de la sociedad, mejorar su imagen, aumentar su reputación, profundizar en la caracterización de las necesidades de sus consumidores y revertir todo lo anterior en mejores soluciones, mejores productos y mejores formas de relacionamiento. Dicha integración en el ambiente y en el entorno de sus consumidores impacta de buena manera los resultados financieros y permite que la posición en el mercado se mantenga fuerte y firme.

Ecuaciones diferenciales estocásticas con condición final y soluciones de viscosidad de EDPS semilineales de segundo orden

El objetivo de este documento es recopilar algunos resultados clasicos sobre existencia y unicidad ´ de soluciones de ecuaciones diferenciales estocasticas (EDEs) con condici ´ on final (en ingl ´ es´ Backward stochastic differential equations) con particular enfasis en el caso de coeficientes mon ´ otonos, y su cone- ´ xion con soluciones de viscosidad de sistemas de ecuaciones diferenciales parciales (EDPs) parab ´ olicas ´ y el´ıpticas semilineales de segundo orden.

Modelos de presupuestación de capital en finanzas corporativas y utilidad de los mismos

La siguiente investigación describe una aproximación teórica al tema de los modelos de presupuestación de capital, el objetivo fundamental se basa en comprender su enfoque e importancia al momento de tomar decisiones de inversión por parte de los directores de una empresa, así como de prever los efectos de esta en un futuro. Al respecto, y sobre la base de que los modelos de presupuestación de capital son herramientas para analizar posibles erogaciones de capital por parte de una empresa, es necesario para efectos del presente proyecto de investigación, definir sus diferentes modelos desde lo teórico y metodológico, explicando los diferentes conceptos relacionados con el tema. Así mismo, se explican algunos de los indicadores financieros utilizados en las compañías para medir y estimar la “salud financiera” de la empresa, además de puntualizar su impacto en la perdurabilidad de las entidades, lo cual permite dar una visión más general sobre la importancia que trasciende de los indicadores financieros, generando un impacto positivo en la evolución o crecimiento de la organización. En complemento, la investigación aborda la presupuestación de capital de manera particular aplicado en la gestión empresarial, sean estas privadas o públicas (estatal y gubernamental). En este sentido, se abordan conceptos elaborados por diferentes académicos en los que se exponen algunas aproximaciones respecto al posible mejoramiento de la presupuestación para los sectores a los que pertenecen determinadas entidades. Finalmente, se presenta de manera explícita las conclusiones que surgieron a lo largo de la construcción del documento de investigación, con el fin de dar cumplimiento concreto al objetivo general del trabajo, el cual constituye una respuesta a la pregunta de investigación que se enunciará en el desarrollo del documento.

Desenvolupament d'un sistema expert com a eina per a una millor gestió de la qualitat de les aigües fluvials

Avui en dia no es pot negar el fet que els humans són un component més de les conques fluvials i que la seva activitat afecta enormement la qualitat de les aigües. A nivell europeu, l'elevada densitat de població situada en les conques fluvials ha comportat un increment de la mala qualitat de les seves aigües fluvials. En les darreres dècades l'increment de les càrregues de nutrients en els sistemes aquàtics ha esdevingut un problema prioritari a solucionar per les administracions competents en matèria d'aigua. La gestió dels ecosistemes fluvials no és una tasca fàcil. Els gestors es troben amb què són sistemes molt complexos, donada l'estreta relació existent entre els ecosistemes fluvials i els ecosistemes terrestres que drenen. Addicionalment a la complexitat d'aquests sistemes es troba la dificultat associada de la gestió o control de les entrades de substàncies contaminants tant de fonts puntuals com difoses. Per totes aquestes raons la gestió de la qualitat de les aigües fluvials esdevé una tasca complexa que requereix un enfocament multidisciplinar. Per tal d'assolir aquest enfocament diverses eines han estat utilitzades, des de models matemàtics fins a sistemes experts i sistemes de suport a la decisió. Però, la major part dels esforços han estat encarats cap a la resolució de problemes de reduïda complexitat, fent que molts dels problemes ambientals complexos, com ara la gestió dels ecosistemes fluvials, no hagin estat vertaderament tractats. Per tant, es requereix l'aplicació d'eines que siguin de gran ajuda en els processos de presa de decisions i que incorporin un ampli coneixement heurístic i empíric: sistemes experts i sistemes de suport a la decisió. L'òptima gestió de la qualitat de l'aigua fluvial requereix una aproximació integrada i multidisciplinar, que pot ésser aconseguida amb una eina intel·ligent construïda sobre els conceptes i mètodes del raonament humà. La present tesi descriu la metodologia desenvolupada i aplicada per a la creació i construcció d'un Sistema Expert, així com el procés de desenvolupament d'aquest Sistema Expert, com el principal mòdul de raonament d'un Sistema de Suport a la Decisió Ambiental. L'objectiu principal de la present tesi ha estat el desenvolupament d'una eina d'ajuda en el procés de presa de decisions dels gestors de l'aigua en la gestió de trams fluvials alterats antròpicament per tal de millorar la qualitat de la seva aigua fluvial. Alhora, es mostra el funcionament de l'eina desenvolupada a través de dos casos d'estudi. Els resultats derivats del Sistema Expert desenvolupat, implementat i presentat en la present tesi mostren que aquests sistemes poden ésser eines útils per a millorar la gestió dels ecosistemes fluvials.