Heat flow for Yang-Mills-Higgs fields, part I

The Yang-Mills-Higgs field generalizes the Yang-Mills field. The authors establish the local existence and uniqueness of the weak solution to the heat flow for the Yang-Mills-Higgs field in a vector bundle over a compact Riemannian 4-manifold, and show that the weak solution is gauge-equivalent to a smooth solution and there are at most finite singularities at the maximum existing time.

Modeling of heat transfer in fluidized-bed coating of cylinders

A numerical model of heat transfer in fluidized-bed coating of solid cylinders is presented. By defining suitable dimensionless parameters, the governing equations and its associated initial and boundary conditions are discretized using the method of orthogonal collocation and the resulting ordinary differential equations simultaneously solved for the dimensionless coating thickness and wall temperatures. Parametric Studies showed that the dimensionless coating thickness and wall temperature depend on the relative heat capacities of the polymer powder and object, the latent heat of fusion and the size of the cylinder. Model predictions for the coating thickness and wall temperature compare reasonably well with numerical predictions and experimental coating data in the literature and with our own coating experiments using copper cylinders immersed in nylon-11 and polyethylene powders. (C) 2001 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Two estimates concerning asymptotics of the minimizations of a Ginzburg-Landau functional

We prove two asymptotical estimates for minimizers of a Ginzburg-Landau functional of the form integral(Omega) [1/2 \del u\(2) + 1/4 epsilon(2) (1 - \u\(2))(2) W (x)] dx.

Topological methods for some boundary value problems

We establish existence of solutions for a finite difference approximation to y = f(x, y, y ') on [0, 1], subject to nonlinear two-point Sturm-Liouville boundary conditions of the form g(i)(y(i),y ' (i)) = 0, i = 0, 1, assuming S satisfies one-sided growth bounds with respect to y '. (C) 2001 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Solution techniques for transport problems involving steep concentration gradients: application to noncatalytic fluid solid reactions

Some efficient solution techniques for solving models of noncatalytic gas-solid and fluid-solid reactions are presented. These models include those with non-constant diffusivities for which the formulation reduces to that of a convection-diffusion problem. A singular perturbation problem results for such models in the presence of a large Thiele modulus, for which the classical numerical methods can present difficulties. For the convection-diffusion like case, the time-dependent partial differential equations are transformed by a semi-discrete Petrov-Galerkin finite element method into a system of ordinary differential equations of the initial-value type that can be readily solved. In the presence of a constant diffusivity, in slab geometry the convection-like terms are absent, and the combination of a fitted mesh finite difference method with a predictor-corrector method is used to solve the problem. Both the methods are found to converge, and general reaction rate forms can be treated. These methods are simple and highly efficient for arbitrary particle geometry and parameters, including a large Thiele modulus. (C) 2001 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

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.

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.

Bipedal Locomotion: A Fractional CPG for Generating Patterns

Proceedings of the 10th Conference on Dynamical Systems Theory and Applications

Integration methods in dynamic analysis

"Series title: Springerbriefs in applied sciences and technology, ISSN 2191-530X"

Modeling and simulation of population balances for particulate processes

This work focuses on the modeling and numerical approximations of population balance equations (PBEs) for the simulation of different phenomena occurring in process engineering. The population balance equation (PBE) is considered to be a statement of continuity. It tracks the change in particle size distribution as particles are born, die, grow or leave a given control volume. In the population balance models the one independent variable represents the time, the other(s) are property coordinate(s), e.g., the particle volume (size) in the present case. They typically describe the temporal evolution of the number density functions and have been used to model various processes such as granulation, crystallization, polymerization, emulsion and cell dynamics. The semi-discrete high resolution schemes are proposed for solving PBEs modeling one and two-dimensional batch crystallization models. The schemes are discrete in property coordinates but continuous in time. The resulting ordinary differential equations can be solved by any standard ODE solver. To improve the numerical accuracy of the schemes a moving mesh technique is introduced in both one and two-dimensional cases ...

Lifelong dynamics of human CD4+CD25+ regulatory T cells: insights from in vivo data and mathematical modeling.

Despite their limited proliferation capacity, regulatory T cells (T(regs)) constitute a population maintained over the entire lifetime of a human organism. The means by which T(regs) sustain a stable pool in vivo are controversial. Using a mathematical model, we address this issue by evaluating several biological scenarios of the origins and the proliferation capacity of two subsets of T(regs): precursor CD4(+)CD25(+)CD45RO(-) and mature CD4(+)CD25(+)CD45RO(+) cells. The lifelong dynamics of T(regs) are described by a set of ordinary differential equations, driven by a stochastic process representing the major immune reactions involving these cells. The model dynamics are validated using data from human donors of different ages. Analysis of the data led to the identification of two properties of the dynamics: (1) the equilibrium in the CD4(+)CD25(+)FoxP3(+)T(regs) population is maintained over both precursor and mature T(regs) pools together, and (2) the ratio between precursor and mature T(regs) is inverted in the early years of adulthood. Then, using the model, we identified three biologically relevant scenarios that have the above properties: (1) the unique source of mature T(regs) is the antigen-driven differentiation of precursors that acquire the mature profile in the periphery and the proliferation of T(regs) is essential for the development and the maintenance of the pool; there exist other sources of mature T(regs), such as (2) a homeostatic density-dependent regulation or (3) thymus- or effector-derived T(regs), and in both cases, antigen-induced proliferation is not necessary for the development of a stable pool of T(regs). This is the first time that a mathematical model built to describe the in vivo dynamics of regulatory T cells is validated using human data. The application of this model provides an invaluable tool in estimating the amount of regulatory T cells as a function of time in the blood of patients that received a solid organ transplant or are suffering from an autoimmune disease.