Phenomenological approach to nonlinear Langevin equations

In this paper we address the problem of consistently constructing Langevin equations to describe fluctuations in nonlinear systems. Detailed balance severely restricts the choice of the random force, but we prove that this property, together with the macroscopic knowledge of the system, is not enough to determine all the properties of the random force. If the cause of the fluctuations is weakly coupled to the fluctuating variable, then the statistical properties of the random force can be completely specified. For variables odd under time reversal, microscopic reversibility and weak coupling impose symmetry relations on the variable-dependent Onsager coefficients. We then analyze the fluctuations in two cases: Brownian motion in position space and an asymmetric diode, for which the analysis based in the master equation approach is known. We find that, to the order of validity of the Langevin equation proposed here, the phenomenological theory is in agreement with the results predicted by more microscopic models

The problem of physical coordinates in predictive Hamiltonian systems

In the Hamiltonian formulation of predictive relativistic systems, the canonical coordinates cannot be the physical positions. The relation between them is given by the individuality differential equations. However, due to the arbitrariness in the choice of Cauchy data, there is a wide family of solutions for these equations. In general, those solutions do not satisfy the condition of constancy of velocities moduli, and therefore we have to reparametrize the world lines into the proper time. We derive here a condition on the Cauchy data for the individuality equations which ensures the constancy of the velocities moduli and makes the reparametrization unnecessary.

Analysis of linear networks with inconsistent initial conditions

This paper presents a new method to analyze timeinvariant linear networks allowing the existence of inconsistent initial conditions. This method is based on the use of distributions and state equations. Any time-invariant linear network can be analyzed. The network can involve any kind of pure or controlled sources. Also, the transferences of energy that occur at t=O are determined, and the concept of connection energy is introduced. The algorithms are easily implemented in a computer program.

Stochastic delay equations with non-negativity constraints driven by fractional Brownian motion

In this note we prove an existence and uniqueness result for the solution of multidimensional stochastic delay differential equations with normal reflection. The equations are driven by a fractional Brownian motion with Hurst parameter H > 1/2. The stochastic integral with respect to the fractional Brownian motion is a pathwise Riemann¿Stieltjes integral.

Cyclicity versus center problem

We prove that there are one-parameter families of planar differential equations for which the center problem has a trivial solution and on the other hand the cyclicity of the weak focus is arbitrarily high. We illustrate this phenomenon in several examples for which this cyclicity is computed.

Algorithm to determine the intersection curves between bezier surfaces by the solution of multivariable polynomial system and the differential marching method

The determination of the intersection curve between Bézier Surfaces may be seen as the composition of two separated problems: determining initial points and tracing the intersection curve from these points. The Bézier Surface is represented by a parametric function (polynomial with two variables) that maps a point in the tridimensional space from the bidimensional parametric space. In this article, it is proposed an algorithm to determine the initial points of the intersection curve of Bézier Surfaces, based on the solution of polynomial systems with the Projected Polyhedral Method, followed by a method for tracing the intersection curves (Marching Method with differential equations). In order to allow the use of the Projected Polyhedral Method, the equations of the system must be represented in terms of the Bernstein basis, and towards this goal it is proposed a robust and reliable algorithm to exactly transform a multivariable polynomial in terms of power basis to a polynomial written in terms of Bernstein basis .

Stochastic approximation methods in stochastic optimization

Stochastic approximation methods for stochastic optimization are considered. Reviewed the main methods of stochastic approximation: stochastic quasi-gradient algorithm, Kiefer-Wolfowitz algorithm and adaptive rules for them, simultaneous perturbation stochastic approximation (SPSA) algorithm. Suggested the model and the solution of the retailer's profit optimization problem and considered an application of the SQG-algorithm for the optimization problems with objective functions given in the form of ordinary differential equation.

Problèmes de premier passage et de commande optimale pour des chaînes de Markov à temps discret.

Nous considérons des processus de diffusion, définis par des équations différentielles stochastiques, et puis nous nous intéressons à des problèmes de premier passage pour les chaînes de Markov en temps discret correspon- dant à ces processus de diffusion. Comme il est connu dans la littérature, ces chaînes convergent en loi vers la solution des équations différentielles stochas- tiques considérées. Notre contribution consiste à trouver des formules expli- cites pour la probabilité de premier passage et la durée de la partie pour ces chaînes de Markov à temps discret. Nous montrons aussi que les résultats ob- tenus convergent selon la métrique euclidienne (i.e topologie euclidienne) vers les quantités correspondantes pour les processus de diffusion. En dernier lieu, nous étudions un problème de commande optimale pour des chaînes de Markov en temps discret. L’objectif est de trouver la valeur qui mi- nimise l’espérance mathématique d’une certaine fonction de coût. Contraire- ment au cas continu, il n’existe pas de formule explicite pour cette valeur op- timale dans le cas discret. Ainsi, nous avons étudié dans cette thèse quelques cas particuliers pour lesquels nous avons trouvé cette valeur optimale.

Identifikation spezieller Funktionen, die durch Rodriguesformeln gegeben sind

Es ist allgemein bekannt, dass sich zwei gegebene Systeme spezieller Funktionen durch Angabe einer Rekursionsgleichung und entsprechend vieler Anfangswerte identifizieren lassen, denn computeralgebraisch betrachtet hat man damit eine Normalform vorliegen. Daher hat sich die interessante Forschungsfrage ergeben, Funktionensysteme zu identifizieren, die über ihre Rodriguesformel gegeben sind. Zieht man den in den 1990er Jahren gefundenen Zeilberger-Algorithmus für holonome Funktionenfamilien hinzu, kann die Rodriguesformel algorithmisch in eine Rekursionsgleichung überführt werden. Falls die Funktionenfamilie überdies hypergeometrisch ist, sogar laufzeiteffizient. Um den Zeilberger-Algorithmus überhaupt anwenden zu können, muss es gelingen, die Rodriguesformel in eine Summe umzuwandeln. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Umwandlung einer Rodriguesformel in die genannte Normalform für den kontinuierlichen, den diskreten sowie den q-diskreten Fall vollständig. Das in Almkvist und Zeilberger (1990) angegebene Vorgehen im kontinuierlichen Fall, wo die in der Rodriguesformel auftauchende n-te Ableitung über die Cauchysche Integralformel in ein komplexes Integral überführt wird, zeigt sich im diskreten Fall nun dergestalt, dass die n-te Potenz des Vorwärtsdifferenzenoperators in eine Summenschreibweise überführt wird. Die Rekursionsgleichung aus dieser Summe zu generieren, ist dann mit dem diskreten Zeilberger-Algorithmus einfach. Im q-Fall wird dargestellt, wie Rekursionsgleichungen aus vier verschiedenen q-Rodriguesformeln gewonnen werden können, wobei zunächst die n-te Potenz der jeweiligen q-Operatoren in eine Summe überführt wird. Drei der vier Summenformeln waren bislang unbekannt. Sie wurden experimentell gefunden und per vollständiger Induktion bewiesen. Der q-Zeilberger-Algorithmus erzeugt anschließend aus diesen Summen die gewünschte Rekursionsgleichung. In der Praxis ist es sinnvoll, den schnellen Zeilberger-Algorithmus anzuwenden, der Rekursionsgleichungen für bestimmte Summen über hypergeometrische Terme ausgibt. Auf dieser Fassung des Algorithmus basierend wurden die Überlegungen in Maple realisiert. Es ist daher sinnvoll, dass alle hier aufgeführten Prozeduren, die aus kontinuierlichen, diskreten sowie q-diskreten Rodriguesformeln jeweils Rekursionsgleichungen erzeugen, an den hypergeometrischen Funktionenfamilien der klassischen orthogonalen Polynome, der klassischen diskreten orthogonalen Polynome und an der q-Hahn-Klasse des Askey-Wilson-Schemas vollständig getestet werden. Die Testergebnisse liegen tabellarisch vor. Ein bedeutendes Forschungsergebnis ist, dass mit der im q-Fall implementierten Prozedur zur Erzeugung einer Rekursionsgleichung aus der Rodriguesformel bewiesen werden konnte, dass die im Standardwerk von Koekoek/Lesky/Swarttouw(2010) angegebene Rodriguesformel der Stieltjes-Wigert-Polynome nicht korrekt ist. Die richtige Rodriguesformel wurde experimentell gefunden und mit den bereitgestellten Methoden bewiesen. Hervorzuheben bleibt, dass an Stelle von Rekursionsgleichungen analog Differential- bzw. Differenzengleichungen für die Identifikation erzeugt wurden. Wie gesagt gehört zu einer Normalform für eine holonome Funktionenfamilie die Angabe der Anfangswerte. Für den kontinuierlichen Fall wurden umfangreiche, in dieser Gestalt in der Literatur noch nie aufgeführte Anfangswertberechnungen vorgenommen. Im diskreten Fall musste für die Anfangswertberechnung zur Differenzengleichung der Petkovsek-van-Hoeij-Algorithmus hinzugezogen werden, um die hypergeometrischen Lösungen der resultierenden Rekursionsgleichungen zu bestimmen. Die Arbeit stellt zu Beginn den schnellen Zeilberger-Algorithmus in seiner kontinuierlichen, diskreten und q-diskreten Variante vor, der das Fundament für die weiteren Betrachtungen bildet. Dabei wird gebührend auf die Unterschiede zwischen q-Zeilberger-Algorithmus und diskretem Zeilberger-Algorithmus eingegangen. Bei der praktischen Umsetzung wird Bezug auf die in Maple umgesetzten Zeilberger-Implementationen aus Koepf(1998/2014) genommen. Die meisten der umgesetzten Prozeduren werden im Text dokumentiert. Somit wird ein vollständiges Paket an Algorithmen bereitgestellt, mit denen beispielsweise Formelsammlungen für hypergeometrische Funktionenfamilien überprüft werden können, deren Rodriguesformeln bekannt sind. Gleichzeitig kann in Zukunft für noch nicht erforschte hypergeometrische Funktionenklassen die beschreibende Rekursionsgleichung erzeugt werden, wenn die Rodriguesformel bekannt ist.

Integrable evolution equations in time-dependent domains

We discuss the implementation of a method of solving initial boundary value problems in the case of integrable evolution equations in a time-dependent domain. This method is applied to a dispersive linear evolution equation with spatial derivatives of arbitrary order and to the defocusing nonlinear Schrödinger equation, in the domain l(t)

Planning rigid body motions using elastic curves

This paper tackles the problem of computing smooth, optimal trajectories on the Euclidean group of motions SE(3). The problem is formulated as an optimal control problem where the cost function to be minimized is equal to the integral of the classical curvature squared. This problem is analogous to the elastic problem from differential geometry and thus the resulting rigid body motions will trace elastic curves. An application of the Maximum Principle to this optimal control problem shifts the emphasis to the language of symplectic geometry and to the associated Hamiltonian formalism. This results in a system of first order differential equations that yield coordinate free necessary conditions for optimality for these curves. From these necessary conditions we identify an integrable case and these particular set of curves are solved analytically. These analytic solutions provide interpolating curves between an initial given position and orientation and a desired position and orientation that would be useful in motion planning for systems such as robotic manipulators and autonomous-oriented vehicles.

A similarity solution for a shock reflection problem in isentropic gas dynamics

A one-dimensional shock-reflection test problem in the case of slab, cylindrical, or spherical symmetry is discussed. The differential equations for a similarity solution are derived and solved numerically in conjunction with the Rankie-Hugoniot shock relations.

Similarity solutions of the shallow water equations

A one-dimensional shock (bore) reflection problem is discussed for the two-dimensional shallow water equations with cylindrical symmetry. The differential equations for a similarity solution are derived and solved numerically in conjunction with the Rankine-Hugoniot shock relations.

On a class of nonselfadjoint periodic boundary value problems with discrete real spectrum

In a previous paper (J. of Differential Equations, Vol. 249 (2010), 3081-3098) we examined a family of periodic Sturm-Liouville problems with boundary and interior singularities which are highly non-self-adjoint but have only real eigenvalues. We now establish Schatten class properties of the associated resolvent operator.