Dynamical analysis of the global warming

Global warming is a major concern nowadays. Weather conditions are changing, and it seems that human activity is one of the main causes. In fact, since the beginning of the industrial revolution, the burning of fossil fuels has increased the nonnatural emissions of carbon dioxide to the atmosphere. Carbon dioxide is a greenhouse gas that absorbs the infrared radiation produced by the reflection of the sunlight on the Earth’s surface, trapping the heat in the atmosphere. Global warming and the associated climate changes are being the subject of intensive research due to their major impact on social, economic, and health aspects of human life. This paper studies the global warming trend in the perspective of dynamical systems and fractional calculus, which is a new standpoint in this context. Worldwide distributed meteorological stations and temperature records for the last 100 years are analysed. It is shown that the application of Fourier transforms and power law trend lines leads to an assertive representation of the global warming dynamics and a simpler analysis of its characteristics.

Application of integer and fractional models in electrochemical systems

This paper describes the use of integer and fractional electrical elements, for modelling two electrochemical systems. A first type of system consists of botanical elements and a second type is implemented by electrolyte processes with fractal electrodes. Experimental results are analyzed in the frequency domain, and the pros and cons of adopting fractional-order electrical components for modelling these systems are compared.

Symbolic fractional dynamics

Fractional dynamics reveals long range memory properties of systems described by means of signals represented by real numbers. Alternatively, dynamical systems and signals can adopt a representation where states are quantified using a set of symbols. Such signals occur both in nature and in man made processes and have the potential of a aftermath as relevant as the classical counterpart. This paper explores the association of Fractional calculus and symbolic dynamics. The results are visualized by means of the multidimensional technique and reveal the association between the fractal dimension and one definition of fractional derivative.

A fractional approach to the Fermi-Pasta-Ulam problem

This paper studies the Fermi-Pasta-Ulam problem having in mind the generalization provided by Fractional Calculus (FC). The study starts by addressing the classical formulation, based on the standard integer order differential calculus and evaluates the time and frequency responses. A first generalization to be investigated consists in the direct replacement of the springs by fractional elements of the dissipative type. It is observed that the responses settle rapidly and no relevant phenomena occur. A second approach consists of replacing the springs by a blend of energy extracting and energy inserting elements of symmetrical fractional order with amplitude modulated by quadratic terms. The numerical results reveal a response close to chaotic behaviour.

Fractional calculus: a survey of useful formulas

This paper presents a survey of useful, established formulas in Fractional Calculus, systematically collected for reference purposes.

On development of fractional calculus during the last fifty years

Fractional calculus generalizes integer order derivatives and integrals. During the last half century a considerable progress took place in this scientific area. This paper addresses the evolution and establishes an assertive measure of the research development.

Science metrics on fractional calculus development since 1966

During the last fifty years the area of Fractional Calculus verified a considerable progress. This paper analyzes and measures the evolution that occurred since 1966.

Fractional order modelling of zero length column desorption response for adsorbents with variable particle sizes

This manuscript analyses the data generated by a Zero Length Column (ZLC) diffusion experimental set-up, for 1,3 Di-isopropyl benzene in a 100% alumina matrix with variable particle size. The time evolution of the phenomena resembles those of fractional order systems, namely those with a fast initial transient followed by long and slow tails. The experimental measurements are best fitted with the Harris model revealing a power law behavior.

Fractional generalization of memristor and higher order elements

Fractional calculus generalizes integer order derivatives and integrals. Memristor systems generalize the notion of electrical elements. Both concepts were shown to model important classes of phenomena. This paper goes a step further by embedding both tools in a generalization considering complex-order objects. Two complex operators leading to real-valued results are proposed. The proposed class of models generate a broad universe of elements. Several combinations of values are tested and the corresponding dynamical behavior is analyzed.

Fractional order modelling of fractional-order holds

Discrete time control systems require sample- and-hold circuits to perform the conversion from digital to analog. Fractional-Order Holds (FROHs) are an interpolation between the classical zero and first order holds and can be tuned to produce better system performance. However, the model of the FROH is somewhat hermetic and the design of the system becomes unnecessarily complicated. This paper addresses the modelling of the FROHs using the concepts of Fractional Calculus (FC). For this purpose, two simple fractional-order approximations are proposed whose parameters are estimated by a genetic algorithm. The results are simple to interpret, demonstrating that FC is a useful tool for the analysis of these devices.

Multidimensional scaling analysis of fractional systems

This paper investigates the use of multidimensional scaling in the evaluation of fractional system. Several algorithms are analysed based on the time response of the closed loop system under the action of a reference step input signal. Two alternative performance indices, based on the time and frequency domains, are tested. The numerical experiments demonstrate the feasibility of the proposed visualization method.

The effect of fractional order in variable structure control

This paper studies fractional variable structure controllers. Two cases are considered namely, the sliding reference model and the control action, that are generalized from integer into fractional orders. The test bed consists in a mechanical manipulator and the effect of the fractional approach upon the system performance is evaluated. The results show that fractional dynamics, both in the switching surface and the control law are important design algorithms in variable structure controllers.

Memória de longo prazo nos retornos acionistas dos índices de referência da euronext, implicações para a hipótese de mercados eficientes e contributo fractal para aperfeiçoamento do capital asset pricing model

Não existe uma definição única de processo de memória de longo prazo. Esse processo é geralmente definido como uma série que possui um correlograma decaindo lentamente ou um espectro infinito de frequência zero. Também se refere que uma série com tal propriedade é caracterizada pela dependência a longo prazo e por não periódicos ciclos longos, ou que essa característica descreve a estrutura de correlação de uma série de longos desfasamentos ou que é convencionalmente expressa em termos do declínio da lei-potência da função auto-covariância. O interesse crescente da investigação internacional no aprofundamento do tema é justificado pela procura de um melhor entendimento da natureza dinâmica das séries temporais dos preços dos ativos financeiros. Em primeiro lugar, a falta de consistência entre os resultados reclama novos estudos e a utilização de várias metodologias complementares. Em segundo lugar, a confirmação de processos de memória longa tem implicações relevantes ao nível da (1) modelação teórica e econométrica (i.e., dos modelos martingale de preços e das regras técnicas de negociação), (2) dos testes estatísticos aos modelos de equilíbrio e avaliação, (3) das decisões ótimas de consumo / poupança e de portefólio e (4) da medição de eficiência e racionalidade. Em terceiro lugar, ainda permanecem questões científicas empíricas sobre a identificação do modelo geral teórico de mercado mais adequado para modelar a difusão das séries. Em quarto lugar, aos reguladores e gestores de risco importa saber se existem mercados persistentes e, por isso, ineficientes, que, portanto, possam produzir retornos anormais. O objetivo do trabalho de investigação da dissertação é duplo. Por um lado, pretende proporcionar conhecimento adicional para o debate da memória de longo prazo, debruçando-se sobre o comportamento das séries diárias de retornos dos principais índices acionistas da EURONEXT. Por outro lado, pretende contribuir para o aperfeiçoamento do capital asset pricing model CAPM, considerando uma medida de risco alternativa capaz de ultrapassar os constrangimentos da hipótese de mercado eficiente EMH na presença de séries financeiras com processos sem incrementos independentes e identicamente distribuídos (i.i.d.). O estudo empírico indica a possibilidade de utilização alternativa das obrigações do tesouro (OT’s) com maturidade de longo prazo no cálculo dos retornos do mercado, dado que o seu comportamento nos mercados de dívida soberana reflete a confiança dos investidores nas condições financeiras dos Estados e mede a forma como avaliam as respetiva economias com base no desempenho da generalidade dos seus ativos. Embora o modelo de difusão de preços definido pelo movimento Browniano geométrico gBm alegue proporcionar um bom ajustamento das séries temporais financeiras, os seus pressupostos de normalidade, estacionariedade e independência das inovações residuais são adulterados pelos dados empíricos analisados. Por isso, na procura de evidências sobre a propriedade de memória longa nos mercados recorre-se à rescaled-range analysis R/S e à detrended fluctuation analysis DFA, sob abordagem do movimento Browniano fracionário fBm, para estimar o expoente Hurst H em relação às séries de dados completas e para calcular o expoente Hurst “local” H t em janelas móveis. Complementarmente, são realizados testes estatísticos de hipóteses através do rescaled-range tests R/S , do modified rescaled-range test M - R/S e do fractional differencing test GPH. Em termos de uma conclusão única a partir de todos os métodos sobre a natureza da dependência para o mercado acionista em geral, os resultados empíricos são inconclusivos. Isso quer dizer que o grau de memória de longo prazo e, assim, qualquer classificação, depende de cada mercado particular. No entanto, os resultados gerais maioritariamente positivos suportam a presença de memória longa, sob a forma de persistência, nos retornos acionistas da Bélgica, Holanda e Portugal. Isto sugere que estes mercados estão mais sujeitos a maior previsibilidade (“efeito José”), mas também a tendências que podem ser inesperadamente interrompidas por descontinuidades (“efeito Noé”), e, por isso, tendem a ser mais arriscados para negociar. Apesar da evidência de dinâmica fractal ter suporte estatístico fraco, em sintonia com a maior parte dos estudos internacionais, refuta a hipótese de passeio aleatório com incrementos i.i.d., que é a base da EMH na sua forma fraca. Atendendo a isso, propõem-se contributos para aperfeiçoamento do CAPM, através da proposta de uma nova fractal capital market line FCML e de uma nova fractal security market line FSML. A nova proposta sugere que o elemento de risco (para o mercado e para um ativo) seja dado pelo expoente H de Hurst para desfasamentos de longo prazo dos retornos acionistas. O expoente H mede o grau de memória de longo prazo nos índices acionistas, quer quando as séries de retornos seguem um processo i.i.d. não correlacionado, descrito pelo gBm(em que H = 0,5 , confirmando- se a EMH e adequando-se o CAPM), quer quando seguem um processo com dependência estatística, descrito pelo fBm(em que H é diferente de 0,5, rejeitando-se a EMH e desadequando-se o CAPM). A vantagem da FCML e da FSML é que a medida de memória de longo prazo, definida por H, é a referência adequada para traduzir o risco em modelos que possam ser aplicados a séries de dados que sigam processos i.i.d. e processos com dependência não linear. Então, estas formulações contemplam a EMH como um caso particular possível.

From local to global importance measures of uncertainty propagation in composite structures

The influence of uncertainties of input parameters on output response of composite structures is investigated in this paper. In particular, the effects of deviations in mechanical properties, ply angles, ply thickness and on applied loads are studied. The uncertainty propagation and the importance measure of input parameters are analysed using three different approaches: a first-order local method, a Global Sensitivity Analysis (GSA) supported by a variance-based method and an extension of local variance to estimate the global variance over the domain of inputs. Sample results are shown for a shell composite laminated structure built with different composite systems including multi-materials. The importance measures of input parameters on structural response based on numerical results are established and discussed as a function of the anisotropy of composite materials. Needs for global variance methods are discussed by comparing the results obtained from different proposed methodologies. The objective of this paper is to contribute for the use of GSA techniques together with low expensive local importance measures.

An introduction to the fractional continuous-time linear systems

A brief introduction to the fractional continuous-time linear systems is presented. It will be done without needing a deep study of the fractional derivatives. We will show that the computation of the impulse and step responses is very similar to the classic. The main difference lies in the substitution of the exponential by the Mittag-Leffler function. We will present also the main formulae defining the fractional derivatives.