Modelagem Matemática e Análise de Modelos Matemáticos na Educação Matemática

In this paper we present two studies, the first one completed and the second one in development, which are based in teaching approaches that propose the qualitative study of mathematical models as a strategy for the teaching and learning of mathematical concepts. These teaching approaches focus on subjects from Higher Education such as Introduction to Ordinary Differential Equations and Topics of Differential and Integral Calculus. We denominate this common aspect of the teaching approaches as Model Analysis and in a preliminary level we relate it with Mathematical Modeling. Furthermore, we discuss some questions related with the choice of the theme and the role of Digital Technologies when Model Analysis is applied.

Método primal-dual de pontos interiores aplicado ao problema de despacho econômico e ambiental

Este artigo traz os resultados obtidos através do estudo e da aplicação do Método Primal-Dual Previsor-Corretor de Pontos Interiores para Problema de Programação Quadr´atica convexa a um Problema de Despacho Econômico (PDE) e a um Problema Multiobjetivo de Despacho Econômico e Ambiental (DEA). O primeiro problema busca determinar a solução ótima aproximada, minimizando os custos dos combustíveis empregados na geração termoelétrica de energia e satisfazendo as restrições operacionais. Já o segundo é solucionado através do Método da Soma Ponderada, que apresenta um balanceamento entre o problema de otimização dos custos e o problema de emissão de poluentes. Ao final do artigo, um algoritmo para cada problema é proposto e implementado computacionalmente utilizando o software Borland C++ Builder 6.0. Os testes foram realizados utilizando um PDE de 13 geradores e um DEA de 06 geradores e os resultados obtidos demonstram a eficiˆencia dos m´etodos quando comparados a outros encontrados na literatura.

Introdução à teoria de Poincaré-Bendixson para campos de vetores planares

O Teorema de Poincaré-Bendixson é um resultado muito importante no estudo de Sistemas Dinâmicos, pois ele estabelece para quais tipos de conjunto limite as trajetórias de um campo de vetores em IR2 deve convergir. Neste trabalho vamos abordar a Funç˜ao do primeiro Retorno de Poincaré, além de discutir a estabilidade de Ciclos Limites e provar o Teorema de Poincaré-Bendixson.

Sobre a estabilidade estrutural e regularizações de campos de vetores descontínuos

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Cálculo fracionário aplicado em dinâmica tumoral: método da Transformada Diferencial generalizada

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Estrutura algébrica dos modelos integráveis

Pós-graduação em Física - IFT

Continuity of Lyapunov functions and of energy level for generalized gradient semigroup

The global attractor of a gradient-like semigroup has a Morse decomposition. Associated to this Morse decomposition there is a Lyapunov function (differentiable along solutions)-defined on the whole phase space- which proves relevant information on the structure of the attractor. In this paper we prove the continuity of these Lyapunov functions under perturbation. On the other hand, the attractor of a gradient-like semigroup also has an energy level decomposition which is again a Morse decomposition but with a total order between any two components. We claim that, from a dynamical point of view, this is the optimal decomposition of a global attractor; that is, if we start from the finest Morse decomposition, the energy level decomposition is the coarsest Morse decomposition that still produces a Lyapunov function which gives the same information about the structure of the attractor. We also establish sufficient conditions which ensure the stability of this kind of decomposition under perturbation. In particular, if connections between different isolated invariant sets inside the attractor remain under perturbation, we show the continuity of the energy level Morse decomposition. The class of Morse-Smale systems illustrates our results.

Boundedness of solutions of retarded functional differential equations with variable impulses via generalized ordinary differential equations

In this paper, we give sufficient conditions for the uniform boundedness and uniform ultimate boundedness of solutions of a class of retarded functional differential equations with impulse effects acting on variable times. We employ the theory of generalized ordinary differential equations to obtain our results. As an example, we investigate the boundedness of the solution of a circulating fuel nuclear reactor model.

Combinatorial-topological framework for the analysis of global dynamics

We discuss an algorithmic framework based on efficient graph algorithms and algebraic-topological computational tools. The framework is aimed at automatic computation of a database of global dynamics of a given m-parameter semidynamical system with discrete time on a bounded subset of the n-dimensional phase space. We introduce the mathematical background, which is based upon Conley's topological approach to dynamics, describe the algorithms for the analysis of the dynamics using rectangular grids both in phase space and parameter space, and show two sample applications. (C) 2012 American Institute of Physics. [http://dx.doi.org/10.1063/1.4767672]

Odd homoclinic orbits for a second order Hamiltonian system

The aim of this paper is to find an odd homoclinic orbit for a class of reversible Hamiltonian systems. The proof is variational and it employs a version of the concentration compactness principle of P. L. Lions in a lemma due to Struwe.

Semilinear functional difference equations with infinite delay

We obtain boundedness and asymptotic behavior of solutions for semilinear functional difference equations with infinite delay. Applications to Volterra difference equations with infinite delay are shown. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

A uniqueness theorem for the determination of sources in the Germain–Lagrange plate equation

We prove a uniqueness result related to the Germain–Lagrange dynamic plate differential equation. We consider the equation {∂2u∂t2+△2u=g⊗f,in ]0,+∞)×R2,u(0)=0,∂u∂t(0)=0, where uu stands for the transverse displacement, ff is a distribution compactly supported in space, and g∈Lloc1([0,+∞)) is a function of time such that g(0)≠0g(0)≠0 and there is a T0>0T0>0 such that g∈C1[0,T0[g∈C1[0,T0[. We prove that the knowledge of uu over an arbitrary open set of the plate for any interval of time ]0,T[]0,T[, 0

Pullback exponential attractors for evolution processes in Banach spaces: properties and applications

This article is a continuation of our previous work [5], where we formulated general existence theorems for pullback exponential attractors for asymptotically compact evolution processes in Banach spaces and discussed its implications in the autonomous case. We now study properties of the attractors and use our theoretical results to prove the existence of pullback exponential attractors in two examples, where previous results do not apply.

Estudo da solidificação equiaxial utilizando o modelo do campo de fases tridimensional.

Este trabalho apresenta um estudo da solidificação de metais puros utilizando o modelo de campo de fases. O modelo é utilizado para simular a solidificação com o intuito de obter a morfologia da interface sólido-líquido sob diversas condições de transferência de calor. Foram realizados testes de validação comparando as morfologias da interface sólido-líquido obtida com as morfologias apresentadas em trabalhos anteriores para os casos bi e tridimensionais. O modelo do campo de fases adotado consiste principalmente de duas equações diferenciais: uma para calcular a variável de campo de fases e outra para calcular o campo de temperaturas. As equações foram solucionadas numericamente para um oitavo do domínio devido a simetria do problema. Os cálculos do modelo indicam que um sólido esférico com um raio inicial menor que o raio crítico de nucleação refunde. Entretanto uma esfera de raio maior cresce. Quando o sólido inicial cresce em uma malha numérica relativamente grosseira, a forma do sólido desvia da forma esférica devido perturbações na interface sólido-líquido. Quando a malha é refinada, as perturbações não são detectadas; contudo, quando introduzidas artificialmente as perturbações crescem e distorcem o formato esférico.

Modelagem e simulação de reator de cultivo de microalgas tipo \"open pond\".

Mudança climática é um processo global, real e inequívoco. Para sua mitigação, a substituição de combustíveis fósseis por energias renováveis está sendo cada vez mais empregada. Devido à rápida velocidade de crescimento das microalgas, seu cultivo é visto como uma das alternativas mais promissoras para a produção de biocombustíveis. No presente trabalho, foi elaborado um modelo matemático fenomenológico que descreve o crescimento da microalga Chlorella vulgaris. Este modelo foi validado através de experimentos realizados em um reator piloto com capacidade de 1000 L tipo \"open pond\" (reator de raias) aberto ao ambiente, em condições não-axênicas. A variação de concentração devida à evaporação e/ou adição de água foi levada em conta no modelo. O modelo matemático desenvolvido, contendo dois parâmetros ajustáveis, descreve a variação da concentração de biomassa em função do tempo sob condições variáveis de luminosidade e temperatura. Os parâmetros ajustáveis são q (constante para conversão de intensidade luminosa em crescimento fotossintético, em klux-1 min-1) e Imax (limite máximo de intensidade luminosa, em klux). Previamente ao projeto do reator, foram realizados experimentos em reator de laboratório (utilizando a metodologia Taguchi) com o objetivo de determinar quais os fatores mais críticos para o crescimento da espécie de microalga selecionada e que, por isso, deveriam ser controlados com maior precisão. Além disso, foi analisada teoricamente a relevância da consideração do transporte de massa de CO2 no processo. Como este transporte é muito mais lento, a resistência controladora do processo é o crescimento fotossintético. Após a construção do reator piloto, foram realizados dois experimentos preliminares (os quais serviram para aperfeiçoar o aparato e o procedimento experimental) e três experimentos definitivos, registrando-se dados ambientais (temperatura, intensidade luminosa e pH) e de concentração ao longo do tempo. Utilizando os dados de temperatura e luminosidade em função do tempo como entrada, os parâmetros q e Imax otimizados foram ajustados às curvas de concentração versus tempo de cada experimento. Para tal foram desenvolvidos programas de integração de equações diferenciais e de otimização escritos em ambiente Scilab®. Verificou-se que, apesar da variabilidade devida às condições ambientais dos experimentos, obteve-se boa aderência dos dados simulados aos experimentais. Uma análise estatística dos parâmetros q e Imax calculados em cada experimento forneceu coeficientes de variação para estes parâmetros de 17 % e 5 %, respectivamente. Concluiu-se, portanto, que o modelo matemático desenvolvido neste trabalho pode ser empregado para prever o desempenho de um reator de raias em condições ambientais variáveis, bastando para isto o ajuste de dois parâmetros.