Productivity change using growth accounting and frontier-based approaches:evidence from a Monte Carlo analysis

This study presents some quantitative evidence from a number of simulation experiments on the accuracy of the productivitygrowth estimates derived from growthaccounting (GA) and frontier-based methods (namely data envelopment analysis-, corrected ordinary least squares-, and stochastic frontier analysis-based malmquist indices) under various conditions. These include the presence of technical inefficiency, measurement error, misspecification of the production function (for the GA and parametric approaches) and increased input and price volatility from one period to the next. The study finds that the frontier-based methods usually outperform GA, but the overall performance varies by experiment. Parametric approaches generally perform best when there is no functional form misspecification, but their accuracy greatly diminishes otherwise. The results also show that the deterministic approaches perform adequately even under conditions of (modest) measurement error and when measurement error becomes larger, the accuracy of all approaches (including stochastic approaches) deteriorates rapidly, to the point that their estimates could be considered unreliable for policy purposes.

Monte Carlo and molecular dynamics simulations of methane in potassium montmorillonite clay hydrates at elevated pressures and temperatures

The structure and dynamics of methane in hydrated potassium montmorillonite clay have been studied under conditions encountered in sedimentary basin and compared to those of hydrated sodium montmorillonite clay using computer simulation techniques. The simulated systems contain two molecular layers of water and followed gradients of 150 barkm-1 and 30 Kkm-1 up to a maximum burial depth of 6 km. Methane particle is coordinated to about 19 oxygen atoms, with 6 of these coming from the clay surface oxygen. Potassium ions tend to move away from the center towards the clay surface, in contrast to the behavior observed with the hydrated sodium form. The clay surface affinity for methane was found to be higher in the hydrated K-form. Methane diffusion in the two-layer hydrated K-montmorillonite increases from 0.39×10-9 m2s-1 at 280 K to 3.27×10-9 m2s-1 at 460 K compared to 0.36×10-9 m2s-1 at 280 K to 4.26×10-9 m2s-1 at 460 K in Na-montmorillonite hydrate. The distributions of the potassium ions were found to vary in the hydrates when compared to those of sodium form. Water molecules were also found to be very mobile in the potassium clay hydrates compared to sodium clay hydrates. © 2004 Elsevier Inc. All All rights reserved.

Monte Carlo Random Walk Simulations Based on Distributed Order Differential Equations with Applications to Cell Biology

Mathematics Subject Classification: 65C05, 60G50, 39A10, 92C37

Accuracy and optimal sampling in Monte Carlo solution of population balance equations

Implementation of a Monte Carlo simulation for the solution of population balance equations (PBEs) requires choice of initial sample number (N0), number of replicates (M), and number of bins for probability distribution reconstruction (n). It is found that Squared Hellinger Distance, H2, is a useful measurement of the accuracy of Monte Carlo (MC) simulation, and can be related directly to N0, M, and n. Asymptotic approximations of H2 are deduced and tested for both one-dimensional (1-D) and 2-D PBEs with coalescence. The central processing unit (CPU) cost, C, is found in a power-law relationship, C= aMNb0, with the CPU cost index, b, indicating the weighting of N0 in the total CPU cost. n must be chosen to balance accuracy and resolution. For fixed n, M × N0 determines the accuracy of MC prediction; if b > 1, then the optimal solution strategy uses multiple replications and small sample size. Conversely, if 0 < b < 1, one replicate and a large initial sample size is preferred. © 2015 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 61: 2394–2402, 2015

Comparison between Numerical and Simulation Methods for Age-dependent Branching Models with Immigration

2000 Mathematics Subject Classification: primary: 60J80, 60J85, secondary: 62M09, 92D40

Trimmed Likelihood Estimation of the Parameters of the Generalized Extreme Value Distributions: a Monte-Carlo Study

2000 Mathematics Subject Classification: Primary 62F35; Secondary 62P99

Variational Markov chain Monte Carlo for Bayesian smoothing of non-linear diffusions

In this paper we develop set of novel Markov Chain Monte Carlo algorithms for Bayesian smoothing of partially observed non-linear diffusion processes. The sampling algorithms developed herein use a deterministic approximation to the posterior distribution over paths as the proposal distribution for a mixture of an independence and a random walk sampler. The approximating distribution is sampled by simulating an optimized time-dependent linear diffusion process derived from the recently developed variational Gaussian process approximation method. The novel diffusion bridge proposal derived from the variational approximation allows the use of a flexible blocking strategy that further improves mixing, and thus the efficiency, of the sampling algorithms. The algorithms are tested on two diffusion processes: one with double-well potential drift and another with SINE drift. The new algorithm's accuracy and efficiency is compared with state-of-the-art hybrid Monte Carlo based path sampling. It is shown that in practical, finite sample applications the algorithm is accurate except in the presence of large observation errors and low to a multi-modal structure in the posterior distribution over paths. More importantly, the variational approximation assisted sampling algorithm outperforms hybrid Monte Carlo in terms of computational efficiency, except when the diffusion process is densely observed with small errors in which case both algorithms are equally efficient. © 2011 Springer-Verlag.

Collimation of a D-D Neutron Generator for Clinical Implementation of Neutron Stimulated Emission Computed Tomography: a Monte Carlo Study

This work is an investigation into collimator designs for a deuterium-deuterium (DD) neutron generator for an inexpensive and compact neutron imaging system that can be implemented in a hospital. The envisioned application is for a spectroscopic imaging technique called neutron stimulated emission computed tomography (NSECT).

Previous NSECT studies have been performed using a Van-de-Graaff accelerator at the Triangle Universities Nuclear Laboratory (TUNL) in Duke University. This facility has provided invaluable research into the development of NSECT. To transition the current imaging method into a clinically feasible system, there is a need for a high-intensity fast neutron source that can produce collimated beams. The DD neutron generator from Adelphi Technologies Inc. is being explored as a possible candidate to provide the uncollimated neutrons. This DD generator is a compact source that produces 2.5 MeV fast neutrons with intensities of 1012 n/s (4π). The neutron energy is sufficient to excite most isotopes of interest in the body with the exception of carbon and oxygen. However, a special collimator is needed to collimate the 4π neutron emission into a narrow beam. This work describes the development and evaluation of a series of collimator designs to collimate the DD generator for narrow beams suitable for NSECT imaging.

A neutron collimator made of high-density polyethylene (HDPE) and lead was modeled and simulated using the GEANT4 toolkit. The collimator was designed as a 52 x 52 x 52 cm3 HDPE block coupled with 1 cm lead shielding. Non-tapering (cylindrical) and tapering (conical) opening designs were modeled into the collimator to permit passage of neutrons. The shape, size, and geometry of the aperture were varied to assess the effects on the collimated neutron beam. Parameters varied were: inlet diameter (1-5 cm), outlet diameter (1-5 cm), aperture diameter (0.5-1.5 cm), and aperture placement (13-39 cm). For each combination of collimator parameters, the spatial and energy distributions of neutrons and gammas were tracked and analyzed to determine three performance parameters: neutron beam-width, primary neutron flux, and the output quality. To evaluate these parameters, the simulated neutron beams are then regenerated for a NSECT breast scan. Scan involved a realistic breast lesion implanted into an anthropomorphic female phantom.

This work indicates potential for collimating and shielding a DD neutron generator for use in a clinical NSECT system. The proposed collimator designs produced a well-collimated neutron beam that can be used for NSECT breast imaging. The aperture diameter showed a strong correlation to the beam-width, where the collimated neutron beam-width was about 10% larger than the physical aperture diameter. In addition, a collimator opening consisting of a tapering inlet and cylindrical outlet allowed greater neutron throughput when compared to a simple cylindrical opening. The tapering inlet design can allow additional neutron throughput when the neck is placed farther from the source. On the other hand, the tapering designs also decrease output quality (i.e. increase in stray neutrons outside the primary collimated beam). All collimators are cataloged in measures of beam-width, neutron flux, and output quality. For a particular NSECT application, an optimal choice should be based on the collimator specifications listed in this work.

Resonance Energy Transfer-Based Molecular Switch Designed Using a Systematic Design Process Based on Monte Carlo Methods and Markov Chains

A RET network consists of a network of photo-active molecules called chromophores that can participate in inter-molecular energy transfer called resonance energy transfer (RET). RET networks are used in a variety of applications including cryptographic devices, storage systems, light harvesting complexes, biological sensors, and molecular rulers. In this dissertation, we focus on creating a RET device called closed-diffusive exciton valve (C-DEV) in which the input to output transfer function is controlled by an external energy source, similar to a semiconductor transistor like the MOSFET. Due to their biocompatibility, molecular devices like the C-DEVs can be used to introduce computing power in biological, organic, and aqueous environments such as living cells. Furthermore, the underlying physics in RET devices are stochastic in nature, making them suitable for stochastic computing in which true random distribution generation is critical.

In order to determine a valid configuration of chromophores for the C-DEV, we developed a systematic process based on user-guided design space pruning techniques and built-in simulation tools. We show that our C-DEV is 15x better than C-DEVs designed using ad hoc methods that rely on limited data from prior experiments. We also show ways in which the C-DEV can be improved further and how different varieties of C-DEVs can be combined to form more complex logic circuits. Moreover, the systematic design process can be used to search for valid chromophore network configurations for a variety of RET applications.

We also describe a feasibility study for a technique used to control the orientation of chromophores attached to DNA. Being able to control the orientation can expand the design space for RET networks because it provides another parameter to tune their collective behavior. While results showed limited control over orientation, the analysis required the development of a mathematical model that can be used to determine the distribution of dipoles in a given sample of chromophore constructs. The model can be used to evaluate the feasibility of other potential orientation control techniques.

Modélisation incrémentale par méthode bayésienne

Les modèles incrémentaux sont des modèles statistiques qui ont été développés initialement dans le domaine du marketing. Ils sont composés de deux groupes, un groupe contrôle et un groupe traitement, tous deux comparés par rapport à une variable réponse binaire (le choix de réponses est « oui » ou « non »). Ces modèles ont pour but de détecter l’effet du traitement sur les individus à l’étude. Ces individus n’étant pas tous des clients, nous les appellerons : « prospects ». Cet effet peut être négatif, nul ou positif selon les caractéristiques des individus composants les différents groupes. Ce mémoire a pour objectif de comparer des modèles incrémentaux d’un point de vue bayésien et d’un point de vue fréquentiste. Les modèles incrémentaux utilisés en pratique sont ceux de Lo (2002) et de Lai (2004). Ils sont initialement réalisés d’un point de vue fréquentiste. Ainsi, dans ce mémoire, l’approche bayésienne est utilisée et comparée à l’approche fréquentiste. Les simulations sont e ectuées sur des données générées avec des régressions logistiques. Puis, les paramètres de ces régressions sont estimés avec des simulations Monte-Carlo dans l’approche bayésienne et comparés à ceux obtenus dans l’approche fréquentiste. L’estimation des paramètres a une influence directe sur la capacité du modèle à bien prédire l’effet du traitement sur les individus. Nous considérons l’utilisation de trois lois a priori pour l’estimation des paramètres de façon bayésienne. Elles sont choisies de manière à ce que les lois a priori soient non informatives. Les trois lois utilisées sont les suivantes : la loi bêta transformée, la loi Cauchy et la loi normale. Au cours de l’étude, nous remarquerons que les méthodes bayésiennes ont un réel impact positif sur le ciblage des individus composant les échantillons de petite taille.

Modélisation incrémentale par méthode bayésienne

Les modèles incrémentaux sont des modèles statistiques qui ont été développés initialement dans le domaine du marketing. Ils sont composés de deux groupes, un groupe contrôle et un groupe traitement, tous deux comparés par rapport à une variable réponse binaire (le choix de réponses est « oui » ou « non »). Ces modèles ont pour but de détecter l’effet du traitement sur les individus à l’étude. Ces individus n’étant pas tous des clients, nous les appellerons : « prospects ». Cet effet peut être négatif, nul ou positif selon les caractéristiques des individus composants les différents groupes. Ce mémoire a pour objectif de comparer des modèles incrémentaux d’un point de vue bayésien et d’un point de vue fréquentiste. Les modèles incrémentaux utilisés en pratique sont ceux de Lo (2002) et de Lai (2004). Ils sont initialement réalisés d’un point de vue fréquentiste. Ainsi, dans ce mémoire, l’approche bayésienne est utilisée et comparée à l’approche fréquentiste. Les simulations sont e ectuées sur des données générées avec des régressions logistiques. Puis, les paramètres de ces régressions sont estimés avec des simulations Monte-Carlo dans l’approche bayésienne et comparés à ceux obtenus dans l’approche fréquentiste. L’estimation des paramètres a une influence directe sur la capacité du modèle à bien prédire l’effet du traitement sur les individus. Nous considérons l’utilisation de trois lois a priori pour l’estimation des paramètres de façon bayésienne. Elles sont choisies de manière à ce que les lois a priori soient non informatives. Les trois lois utilisées sont les suivantes : la loi bêta transformée, la loi Cauchy et la loi normale. Au cours de l’étude, nous remarquerons que les méthodes bayésiennes ont un réel impact positif sur le ciblage des individus composant les échantillons de petite taille.

A medida e as escalas de avaliação da saúde das populações neonatais e pediátricas : estudo de simulação de Monte Carlo com variáveis ordinais

A investigação na área da saúde e a utilização dos seus resultados tem funcionado como base para a melhoria da qualidade de cuidados, exigindo dos profissionais de saúde conhecimentos na área específica onde desempenham funções, conhecimentos em metodologia de investigação que incluam as técnicas de observação, técnicas de recolha e análise de dados, para mais facilmente serem leitores capacitados dos resultados da investigação. Os profissionais de saúde são observadores privilegiados das respostas humanas à saúde e à doença, podendo contribuir para o desenvolvimento e bem-estar dos indivíduos muitas vezes em situações de grande vulnerabilidade. Em saúde infantil e pediatria o enfoque está nos cuidados centrados na família privilegiando-se o desenvolvimento harmonioso da criança e jovem, valorizando os resultados mensuráveis em saúde que permitam determinar a eficácia das intervenções e a qualidade de saúde e de vida. No contexto pediátrico realçamos as práticas baseadas na evidência, a importância atribuída à pesquisa e à aplicação dos resultados da investigação nas práticas clínicas, assim como o desenvolvimento de instrumentos de mensuração padronizados, nomeadamente as escalas de avaliação, de ampla utilização clínica, que facilitam a apreciação e avaliação do desenvolvimento e da saúde das crianças e jovens e resultem em ganhos em saúde. A observação de forma sistematizada das populações neonatais e pediátricas com escalas de avaliação tem vindo a aumentar, o que tem permitido um maior equilíbrio na avaliação das crianças e também uma observação baseada na teoria e nos resultados da investigação. Alguns destes aspetos serviram de base ao desenvolvimento deste trabalho que pretende dar resposta a 3 objetivos fundamentais. Para dar resposta ao primeiro objetivo, “Identificar na literatura científica, os testes estatísticos mais frequentemente utilizados pelos investigadores da área da saúde infantil e pediatria quando usam escalas de avaliação” foi feita uma revisão sistemática da literatura, que tinha como objetivo analisar artigos científicos cujos instrumentos de recolha de dados fossem escalas de avaliação, na área da saúde da criança e jovem, desenvolvidas com variáveis ordinais, e identificar os testes estatísticos aplicados com estas variáveis. A análise exploratória dos artigos permitiu-nos verificar que os investigadores utilizam diferentes instrumentos com diferentes formatos de medida ordinal (com 3, 4, 5, 7, 10 pontos) e tanto aplicam testes paramétricos como não paramétricos, ou os dois em simultâneo, com este tipo de variáveis, seja qual for a dimensão da amostra. A descrição da metodologia nem sempre explicita se são cumpridas as assunções dos testes. Os artigos consultados nem sempre fazem referência à distribuição de frequência das variáveis (simetria/assimetria) nem à magnitude das correlações entre os itens. A leitura desta bibliografia serviu de suporte à elaboração de dois artigos, um de revisão sistemática da literatura e outro de reflexão teórica. Apesar de terem sido encontradas algumas respostas às dúvidas com que os investigadores e os profissionais, que trabalham com estes instrumentos, se deparam, verifica-se a necessidade de desenvolver estudos de simulação que confirmem algumas situações reais e alguma teoria já existente, e trabalhem outros aspetos nos quais se possam enquadrar os cenários reais de forma a facilitar a tomada de decisão dos investigadores e clínicos que utilizam escalas de avaliação. Para dar resposta ao segundo objetivo “Comparar a performance, em termos de potência e probabilidade de erro de tipo I, das 4 estatísticas da MANOVA paramétrica com 2 estatísticas da MANOVA não paramétrica quando se utilizam variáveis ordinais correlacionadas, geradas aleatoriamente”, desenvolvemos um estudo de simulação, através do Método de Monte Carlo, efetuado no Software R. O delineamento do estudo de simulação incluiu um vetor com 3 variáveis dependentes, uma variável independente (fator com três grupos), escalas de avaliação com um formato de medida com 3, 4, 5, e 7 pontos, diferentes probabilidades marginais (p1 para distribuição simétrica, p2 para distribuição assimétrica positiva, p3 para distribuição assimétrica negativa e p4 para distribuição uniforme) em cada um dos três grupos, correlações de baixa, média e elevada magnitude (r=0.10, r=0.40, r=0.70, respetivamente), e seis dimensões de amostras (n=30, 60, 90, 120, 240, 300). A análise dos resultados permitiu dizer que a maior raiz de Roy foi a estatística que apresentou estimativas de probabilidade de erro de tipo I e de potência de teste mais elevadas. A potência dos testes apresenta comportamentos diferentes, dependendo da distribuição de frequência da resposta aos itens, da magnitude das correlações entre itens, da dimensão da amostra e do formato de medida da escala. Tendo por base a distribuição de frequência, considerámos três situações distintas: a primeira (com probabilidades marginais p1,p1,p4 e p4,p4,p1) em que as estimativas da potência eram muito baixas, nos diferentes cenários; a segunda situação (com probabilidades marginais p2,p3,p4; p1,p2,p3 e p2,p2,p3) em que a magnitude das potências é elevada, nas amostras com dimensão superior ou igual a 60 observações e nas escalas com 3, 4,5 pontos e potências de magnitude menos elevada nas escalas com 7 pontos, mas com a mesma ma magnitude nas amostras com dimensão igual a 120 observações, seja qual for o cenário; a terceira situação (com probabilidades marginais p1,p1,p2; p1,p2,p4; p2,p2,p1; p4,p4,p2 e p2,p2,p4) em que quanto maiores, a intensidade das correlações entre itens e o número de pontos da escala, e menor a dimensão das amostras, menor a potência dos testes, sendo o lambda de Wilks aplicado às ordens mais potente do que todas as outra s estatísticas da MANOVA, com valores imediatamente a seguir à maior raiz de Roy. No entanto, a magnitude das potências dos testes paramétricos e não paramétricos assemelha-se nas amostras com dimensão superior a 90 observações (com correlações de baixa e média magnitude), entre as variáveis dependentes nas escalas com 3, 4 e 5 pontos; e superiores a 240 observações, para correlações de baixa intensidade, nas escalas com 7 pontos. No estudo de simulação e tendo por base a distribuição de frequência, concluímos que na primeira situação de simulação e para os diferentes cenários, as potências são de baixa magnitude devido ao facto de a MANOVA não detetar diferenças entre grupos pela sua similaridade. Na segunda situação de simulação e para os diferentes cenários, a magnitude das potências é elevada em todos os cenários cuja dimensão da amostra seja superior a 60 observações, pelo que é possível aplicar testes paramétricos. Na terceira situação de simulação, e para os diferentes cenários quanto menor a dimensão da amostra e mais elevada a intensidade das correlações e o número de pontos da escala, menor a potência dos testes, sendo a magnitude das potências mais elevadas no teste de Wilks aplicado às ordens, seguido do traço de Pillai aplicado às ordens. No entanto, a magnitude das potências dos testes paramétricos e não paramétricos assemelha-se nas amostras com maior dimensão e correlações de baixa e média magnitude. Para dar resposta ao terceiro objetivo “Enquadrar os resultados da aplicação da MANOVA paramétrica e da MANOVA não paramétrica a dados reais provenientes de escalas de avaliação com um formato de medida com 3, 4, 5 e 7 pontos, nos resultados do estudo de simulação estatística” utilizaram-se dados reais que emergiram da observação de recém-nascidos com a escala de avaliação das competências para a alimentação oral, Early Feeding Skills (EFS), o risco de lesões da pele, com a Neonatal Skin Risk Assessment Scale (NSRAS), e a avaliação da independência funcional em crianças e jovens com espinha bífida, com a Functional Independence Measure (FIM). Para fazer a análise destas escalas foram realizadas 4 aplicações práticas que se enquadrassem nos cenários do estudo de simulação. A idade, o peso, e o nível de lesão medular foram as variáveis independentes escolhidas para selecionar os grupos, sendo os recém-nascidos agrupados por “classes de idade gestacional” e por “classes de peso” as crianças e jovens com espinha bífida por “classes etárias” e “níveis de lesão medular”. Verificou-se um bom enquadramento dos resultados com dados reais no estudo de simulação.

Anisotropic seismic tomography with the reversible jump Markov chain Monte Carlo

The established isotropic tomographic models show the features of subduction zones in terms of seismic velocity anomalies, but they are generally subjected to the generation of artifacts due to the lack of anisotropy in forward modelling. There is evidence for the significant influence of seismic anisotropy in the mid-upper mantle, especially for boundary layers like subducting slabs. As consequence, in isotropic models artifacts may be misinterpreted as compositional or thermal heterogeneities. In this thesis project the application of a trans-dimensional Metropolis-Hastings method is investigated in the context of anisotropic seismic tomography. This choice arises as a response to the important limitations introduced by traditional inversion methods which use iterative procedures of optimization of a function object of the inversion. On the basis of a first implementation of the Bayesian sampling algorithm, the code is tested with some cartesian two-dimensional models, and then extended to polar coordinates and dimensions typical of subduction zones, the main focus proposed for this method. Synthetic experiments with increasing complexity are realized to test the performance of the method and the precautions for multiple contexts, taking into account also the possibility to apply seismic ray-tracing iteratively. The code developed is tested mainly for 2D inversions, future extensions will allow the anisotropic inversion of seismological data to provide more realistic imaging of real subduction zones, less subjected to generation of artifacts.