Bayesian feedback versus Markovian feedback in a two-level atom

We compare two different approaches to the control of the dynamics of a continuously monitored open quantum system. The first is Markovian feedback, as introduced in quantum optics by Wiseman and Milburn [Phys. Rev. Lett. 70, 548 (1993)]. The second is feedback based on an estimate of the system state, developed recently by Doherty and Jacobs [Phys. Rev. A 60, 2700 (1999)]. Here we choose to call it, for brevity, Bayesian feedback. For systems with nonlinear dynamics, we expect these two methods of feedback control to give markedly different results. The simplest possible nonlinear system is a driven and damped two-level atom, so we choose this as our model system. The monitoring is taken to be homodyne detection of the atomic fluorescence, and the control is by modulating the driving. The aim of the feedback in both cases is to stabilize the internal state of the atom as close as possible to an arbitrarily chosen pure state, in the presence of inefficient detection and other forms of decoherence. Our results (obtained without recourse to stochastic simulations) prove that Bayesian feedback is never inferior, and is usually superior, to Markovian feedback. However, it would be far more difficult to implement than Markovian feedback and it loses its superiority when obvious simplifying approximations are made. It is thus not clear which form of feedback would be better in the face of inevitable experimental imperfections.

Modelling the activated sludge flocculation process combining laser light diffraction particle sizing and population balance modelling (PBM)

A technique based on laser light diffraction is shown to be successful in collecting on-line experimental data. Time series of floc size distributions (FSD) under different shear rates (G) and calcium additions were collected. The steady state mass mean diameter decreased with increasing shear rate G and increased when calcium additions exceeded 8 mg/l. A so-called population balance model (PBM) was used to describe the experimental data, This kind of model describes both aggregation and breakage through birth and death terms. A discretised PBM was used since analytical solutions of the integro-partial differential equations are non-existing. Despite the complexity of the model, only 2 parameters need to be estimated: the aggregation rate and the breakage rate. The model seems, however, to lack flexibility. Also, the description of the floc size distribution (FSD) in time is not accurate.

The nonexistence of spurious solutions to discrete, two-point boundary value problems

We investigate difference equations which arise as discrete approximations to two-point boundary value problems for systems of second-order, ordinary differential equations. We formulate conditions under which all solutions to the discrete problem satisfy certain a priori bounds which axe independent of the step-size. As a result, the nonexistence of spurious solutions are guaranteed. Some existence and convergence theorems for solutions to the discrete problem are also presented. (C) 2002 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

The Galilean turn in population ecology

The standard mathematical models in population ecology assume that a population's growth rate is a function of its environment. In this paper we investigate an alternative proposal according to which the rate of change of the growth rate is a function of the environment and of environmental change. We focus on the philosophical issues involved in such a fundamental shift in theoretical assumptions, as well as on the explanations the two theories offer for some of the key data such as cyclic populations. We also discuss the relationship between this move in population ecology and a similar move from first-order to second-order differential equations championed by Galileo and Newton in celestial mechanics.

Large amplitude vibration of thermo-electro-mechanically stressed FGM laminated plates

This paper presents a large amplitude vibration analysis of pre-stressed functionally graded material (FGM) laminated plates that are composed of a shear deformable functionally graded layer and two surface-mounted piezoelectric actuator layers. Nonlinear governing equations of motion are derived within the context of Reddy's higher-order shear deformation plate theory to account for transverse shear strain and rotary inertia. Due to the bending and stretching coupling effect, a nonlinear static problem is solved first to determine the initial stress state and pre-vibration deformations of the plate that is subjected to uniform temperature change, in-plane forces and applied actuator voltage. By adding an incremental dynamic state to the pre-vibration state, the differential equations that govern the nonlinear vibration behavior of pre-stressed FGM laminated plates are derived. A semi-analytical method that is based on one-dimensional differential quadrature and Galerkin technique is proposed to predict the large amplitude vibration behavior of the laminated rectangular plates with two opposite clamped edges. Linear vibration frequencies and nonlinear normalized frequencies are presented in both tabular and graphical forms, showing that the normalized frequency of the FGM laminated plate is very sensitive to vibration amplitude, out-of-plane boundary support, temperature change, in-plane compression and the side-to-thickness ratio. The CSCF and CFCF plates even change the inherent hard-spring characteristic to soft-spring behavior at large vibration amplitudes. (C) 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.

The uniqueness of solutions to discrete, victor, two-point boundary value problems

Difference equations which may arise as discrete approximations to two-point boundary value problems for systems of second-order, ordinary differential equations are investigated and conditions are formulated under which solutions to the discrete problem are unique. Some existence, uniqueness implies existence, and convergence theorems for solutions to the discrete problem are also presented.

Aproximação numérica – analítica para a modelagem da conversão termoquímica de combustíveis sólidos

Um algoritmo numérico foi criado para apresentar a solução da conversão termoquímica de um combustível sólido. O mesmo foi criado de forma a ser flexível e dependente do mecanismo de reação a ser representado. Para tanto, um sistema das equações características desse tipo de problema foi resolvido através de um método iterativo unido a matemática simbólica. Em função de não linearidades nas equações e por se tratar de pequenas partículas, será aplicado o método de Newton para reduzir o sistema de equações diferenciais parciais (EDP’s) para um sistema de equações diferenciais ordinárias (EDO’s). Tal processo redução é baseado na união desse método iterativo à diferenciação numérica, pois consegue incorporar nas EDO’s resultantes funções analíticas. O modelo reduzido será solucionado numericamente usando-se a técnica do gradiente bi-conjugado (BCG). Tal modelo promete ter taxa de convergência alta, se utilizando de um número baixo de iterações, além de apresentar alta velocidade na apresentação das soluções do novo sistema linear gerado. Além disso, o algoritmo se mostra independente do tamanho da malha constituidora. Para a validação, a massa normalizada será calculada e comparada com valores experimentais de termogravimetria encontrados na literatura, , e um teste com um mecanismo simplificado de reação será realizado.

Measuring and Controlling the Chaotic Motion of Profits

The study of economic systems has generated deep interest in exploring the complexity of chaotic motions in economy. Due to important developments in nonlinear dynamics, the last two decades have witnessed strong revival of interest in nonlinear endogenous business chaotic models. The inability to predict the behavior of dynamical systems in the presence of chaos suggests the application of chaos control methods, when we are more interested in obtaining regular behavior. In the present article, we study a specific economic model from the literature. More precisely, a system of three ordinary differential equations gather the variables of profits, reinvestments and financial flow of borrowings in the structure of a firm. Firstly, using results of symbolic dynamics, we characterize the topological entropy and the parameter space ordering of kneading sequences, associated with one-dimensional maps that reproduce significant aspects of the model dynamics. The analysis of the variation of this numerical invariant, in some realistic system parameter region, allows us to quantify and to distinguish different chaotic regimes. Finally, we show that complicated behavior arising from the chaotic firm model can be controlled without changing its original properties and the dynamics can be turned into the desired attracting time periodic motion (a stable steady state or into a regular cycle). The orbit stabilization is illustrated by the application of a feedback control technique initially developed by Romeiras et al. [1992]. This work provides another illustration of how our understanding of economic models can be enhanced by the theoretical and numerical investigation of nonlinear dynamical systems modeled by ordinary differential equations.

An Extension of Gompertzian Growth Dynamics Weibull and Frechet Models

In this work a new probabilistic and dynamical approach to an extension of the Gompertz law is proposed. A generalized family of probability density functions, designated by Beta* (p, q), which is proportional to the right hand side of the Tsoularis-Wallace model, is studied. In particular, for p = 2, the investigation is extended to the extreme value models of Weibull and Frechet type. These models, described by differential equations, are proportional to the hyper-Gompertz growth model. It is proved that the Beta* (2, q) densities are a power of betas mixture, and that its dynamics are determined by a non-linear coupling of probabilities. The dynamical analysis is performed using techniques of symbolic dynamics and the system complexity is measured using topological entropy. Generally, the natural history of a malignant tumour is reflected through bifurcation diagrams, in which are identified regions of regression, stability, bifurcation, chaos and terminus.

Um novo gerador central de padrões de locomoção para geração de trajectórias em tempo real de robôs quadrúpedes

Neste trabalho estuda-se a geração de trajectórias em tempo real de um robô quadrúpede. As trajectórias podem dividir-se em duas componentes: rítmica e discreta. A componente rítmica das trajectórias é modelada por uma rede de oito osciladores acoplados, com simetria 4 2 Z  Z . Cada oscilador é modelado matematicamente por um sistema de Equações Diferenciais Ordinárias. A referida rede foi proposta por Golubitsky, Stewart, Buono e Collins (1999, 2000), para gerar os passos locomotores de animais quadrúpedes. O trabalho constitui a primeira aplicação desta rede à geração de trajectórias de robôs quadrúpedes. A derivação deste modelo baseia-se na biologia, onde se crê que Geradores Centrais de Padrões de locomoção (CPGs), constituídos por redes neuronais, geram os ritmos associados aos passos locomotores dos animais. O modelo proposto gera soluções periódicas identificadas com os padrões locomotores quadrúpedes, como o andar, o saltar, o galopar, entre outros. A componente discreta das trajectórias dos robôs usa-se para ajustar a parte rítmica das trajectórias. Este tipo de abordagem é útil no controlo da locomoção em terrenos irregulares, em locomoção guiada (por exemplo, mover as pernas enquanto desempenha tarefas discretas para colocar as pernas em localizações específicas) e em percussão. Simulou-se numericamente o modelo de CPG usando o oscilador de Hopf para modelar a parte rítmica do movimento e um modelo inspirado no modelo VITE para modelar a parte discreta do movimento. Variou-se o parâmetro g e mediram-se a amplitude e a frequência das soluções periódicas identificadas com o passo locomotor quadrúpede Trot, para variação deste parâmetro. A parte discreta foi inserida na parte rítmica de duas formas distintas: (a) como um offset, (b) somada às equações que geram a parte rítmica. Os resultados obtidos para o caso (a), revelam que a amplitude e a frequência se mantêm constantes em função de g. Os resultados obtidos para o caso (b) revelam que a amplitude e a frequência aumentam até um determinado valor de g e depois diminuem à medida que o g aumenta, numa curva quase sinusoidal. A variação da amplitude das soluções periódicas traduz-se numa variação directamente proporcional na extensão do movimento do robô. A velocidade da locomoção do robô varia com a frequência das soluções periódicas, que são identificadas com passos locomotores quadrúpedes.

Robôs quadrúpedes: geração de trajectórias em tempo real usando sistemas dinâmicos não-lineares

A geração de trajectórias de robôs em tempo real é uma tarefa muito complexa, não existindo ainda um algoritmo que a permita resolver de forma eficaz. De facto, há controladores eficientes para trajectórias previamente definidas, todavia, a adaptação a variações imprevisíveis, como sendo terrenos irregulares ou obstáculos, constitui ainda um problema em aberto na geração de trajectórias em tempo real de robôs. Neste trabalho apresentam-se modelos de geradores centrais de padrões de locomoção (CPGs), inspirados na biologia, que geram os ritmos locomotores num robô quadrúpede. Os CPGs são modelados matematicamente por sistemas acoplados de células (ou neurónios), sendo a dinâmica de cada célula dada por um sistema de equações diferenciais ordinárias não lineares. Assume-se que as trajectórias dos robôs são constituídas por esta parte rítmica e por uma parte discreta. A parte discreta pode ser embebida na parte rítmica, (a.1) como um offset ou (a.2) adicionada às expressões rítmicas, ou (b) pode ser calculada independentemente e adicionada exactamente antes do envio dos sinais para as articulações do robô. A parte discreta permite inserir no passo locomotor uma perturbação, que poderá estar associada à locomoção em terrenos irregulares ou à existência de obstáculos na trajectória do robô. Para se proceder á análise do sistema com parte discreta, será variado o parâmetro g. O parâmetro g, presente nas equações da parte discreta, representa o offset do sinal após a inclusão da parte discreta. Revê-se a teoria de bifurcação e simetria que permite a classificação das soluções periódicas produzidas pelos modelos de CPGs com passos locomotores quadrúpedes. Nas simulações numéricas, usam-se as equações de Morris-Lecar e o oscilador de Hopf como modelos da dinâmica interna de cada célula para a parte rítmica. A parte discreta é modelada por um sistema inspirado no modelo VITE. Medem-se a amplitude e a frequência de dois passos locomotores para variação do parâmetro g, no intervalo [-5;5]. Consideram-se duas formas distintas de incluir a parte discreta na parte rítmica: (a) como um (a.1) offset ou (a.2) somada nas expressões que modelam a parte rítmica, e (b) somada ao sinal da parte rítmica antes de ser enviado às articulações do robô. No caso (a.1), considerando o oscilador de Hopf como dinâmica interna das células, verifica-se que a amplitude e frequência se mantêm constantes para -50.2. A extensão do movimento varia de forma directamente proporcional à amplitude. No caso das equações de Morris-Lecar, quando a componente discreta é embebida (a.2), a amplitude e a frequência aumentam e depois diminuem para - 0.170.5 Pode concluir-se que: (1) a melhor forma de inserção da parte discreta que menos perturbação insere no robô é a inserção como offset; (2) a inserção da parte discreta parece ser independente do sistema de equações diferenciais ordinárias que modelam a dinâmica interna de cada célula. Como trabalho futuro, é importante prosseguir o estudo das diferentes formas de inserção da parte discreta na parte rítmica do movimento, para que se possa gerar uma locomoção quadrúpede, robusta, flexível, com objectivos, em terrenos irregulares, modelada por correcções discretas aos padrões rítmicos.

Fractional model for malaria transmission under control strategies

We study a fractional model for malaria transmission under control strategies.Weconsider the integer order model proposed by Chiyaka et al. (2008) in [15] and modify it to become a fractional order model. We study numerically the model for variation of the values of the fractional derivative and of the parameter that models personal protection, b. From observation of the figures we conclude that as b is increased from 0 to 1 there is a corresponding decrease in the number of infectious humans and infectious mosquitoes, for all values of α. This means that this result is invariant for variation of fractional derivative, in the values tested. These results are in agreement with those obtained in Chiyaka et al.(2008) [15] for α = 1.0 and suggest that our fractional model is epidemiologically wellposed.

Local fractional variational iteration and decomposition methods for wave equation on cantor sets within local fractional operators

We perform a comparison between the fractional iteration and decomposition methods applied to the wave equation on Cantor set. The operators are taken in the local sense. The results illustrate the significant features of the two methods which are both very effective and straightforward for solving the differential equations with local fractional derivative.

On a generalized Laguerre operational matrix of fractional integration

A new operationalmatrix of fractional integration of arbitrary order for generalized Laguerre polynomials is derived.The fractional integration is described in the Riemann-Liouville sense.This operational matrix is applied together with generalized Laguerre tau method for solving general linearmultitermfractional differential equations (FDEs).Themethod has the advantage of obtaining the solution in terms of the generalized Laguerre parameter. In addition, only a small dimension of generalized Laguerre operational matrix is needed to obtain a satisfactory result. Illustrative examples reveal that the proposedmethod is very effective and convenient for linear multiterm FDEs on a semi-infinite interval.

Fractional order calculus: basic concepts and engineering applications

The fractional order calculus (FOC) is as old as the integer one although up to recently its application was exclusively in mathematics. Many real systems are better described with FOC differential equations as it is a well-suited tool to analyze problems of fractal dimension, with long-term “memory” and chaotic behavior. Those characteristics have attracted the engineers' interest in the latter years, and now it is a tool used in almost every area of science. This paper introduces the fundamentals of the FOC and some applications in systems' identification, control, mechatronics, and robotics, where it is a promissory research field.