Um método SN híbrido direto para cálculos de sistemas combustível-moderador em geometria unidimensional

Desenvolvemos nesta dissertação um método híbrido direto para o cálculo do fator de desvantagem e descrição da distribuição do fluxo de nêutrons em sistemas combustível-moderador. Na modelagem matemática, utilizamos a equação de transporte de Boltzmann independente do tempo, considerando espalhamento linearmente anisotrópico no modelo monoenergético e espalhamento isotrópico no modelo multigrupo, na formulação de ordenadas discretas (SN), em geometria unidimensional. Desenvolvemos nesta dissertação um método híbrido direto para o cálculo do fator de desvantagem e descrição da distribuição do fluxo de nêutrons em sistemas combustível-moderador. Na modelagem matemática, utilizamos a equação de transporte de Boltzmann independente do tempo, considerando espalhamento linearmente anisotrópico no modelo monoenergético e espalhamento isotrópico no modelo multigrupo, na formulação de ordenadas discretas (SN), em geometria unidimensional. Descrevemos uma análise espectral das equações de ordenadas discretas (SN)a um grupo e a dois grupos de energia, onde seguimos uma analogia com o método de Case. Utilizamos, neste método, quadraturas angulares diferentes no combustível (NC) e no moderador (NM), onde em geral assumimos que NC > NM . Condições de continuidade especiais que acoplam os fluxos angulares que emergem do combustível (moderador) e incidem no moderador (combustível), foram utilizadas com base na equivalência entre as equações SN e PN-1, o que caracteriza a propriedade híbrida do modelo proposto. Sendo um método híbrido direto, utilizamos as NC + NM equações lineares e algébricas constituídas pelas (NC + NM)/2 condições de contorno reflexivas e (NC + NM)/2 condições de continuidade para determinarmos as NC + NM constantes. Com essas constantes podemos calcular os valores dos fluxos angulares e dos fluxos escalares em qualquer ponto do domínio. Apresentamos resultados numéricos para ilustrar a eficiência e a precisão do método proposto.

Datu-trafikoaren monitorizazio-sistemetarako aplikatutako ereduen ebaluazio-erreminta baten diseinua eta garapena

[EU]Lan honetan, software diseinu bat sortu nahi da, zeinaren bidez datu-trafikoen monitorizazio sistemak aztertzeko garatu den eredu matematiko bat ebaluatuko den. Eredu horrentzat interfaze bat egin beharko da, eta interfaze horrek esandako eredua ebaluatzeko softwareaz gain, software gehiago biltzeko ahalmena eduki beharko du. Horrela, ikertzaileek Trafikoa Monitorizatzeko Sistemak aztertzeko sortzen diren eredu matematikoak sistema bakarra erabiliz ebaluatu ahalko dute ahalik eta modu errazenean.

Robust Control of Evolutionary Dynamics

The application of principles from evolutionary biology has long been used to gain new insights into the progression and clinical control of both infectious diseases and neoplasms. This iterative evolutionary process consists of expansion, diversification and selection within an adaptive landscape - species are subject to random genetic or epigenetic alterations that result in variations; genetic information is inherited through asexual reproduction and strong selective pressures such as therapeutic intervention can lead to the adaptation and expansion of resistant variants. These principles lie at the center of modern evolutionary synthesis and constitute the primary reasons for the development of resistance and therapeutic failure, but also provide a framework that allows for more effective control.

A model system for studying the evolution of resistance and control of therapeutic failure is the treatment of chronic HIV-1 infection by broadly neutralizing antibody (bNAb) therapy. A relatively recent discovery is that a minority of HIV-infected individuals can produce broadly neutralizing antibodies, that is, antibodies that inhibit infection by many strains of HIV. Passive transfer of human antibodies for the prevention and treatment of HIV-1 infection is increasingly being considered as an alternative to a conventional vaccine. However, recent evolution studies have uncovered that antibody treatment can exert selective pressure on virus that results in the rapid evolution of resistance. In certain cases, complete resistance to an antibody is conferred with a single amino acid substitution on the viral envelope of HIV.

The challenges in uncovering resistance mechanisms and designing effective combination strategies to control evolutionary processes and prevent therapeutic failure apply more broadly. We are motivated by two questions: Can we predict the evolution to resistance by characterizing genetic alterations that contribute to modified phenotypic fitness? Given an evolutionary landscape and a set of candidate therapies, can we computationally synthesize treatment strategies that control evolution to resistance?

To address the first question, we propose a mathematical framework to reason about evolutionary dynamics of HIV from computationally derived Gibbs energy fitness landscapes -- expanding the theoretical concept of an evolutionary landscape originally conceived by Sewall Wright to a computable, quantifiable, multidimensional, structurally defined fitness surface upon which to study complex HIV evolutionary outcomes.

To design combination treatment strategies that control evolution to resistance, we propose a methodology that solves for optimal combinations and concentrations of candidate therapies, and allows for the ability to quantifiably explore tradeoffs in treatment design, such as limiting the number of candidate therapies in the combination, dosage constraints and robustness to error. Our algorithm is based on the application of recent results in optimal control to an HIV evolutionary dynamics model and is constructed from experimentally derived antibody resistant phenotypes and their single antibody pharmacodynamics. This method represents a first step towards integrating principled engineering techniques with an experimentally based mathematical model in the rational design of combination treatment strategies and offers predictive understanding of the effects of combination therapies of evolutionary dynamics and resistance of HIV. Preliminary in vitro studies suggest that the combination antibody therapies predicted by our algorithm can neutralize heterogeneous viral populations despite containing resistant mutations.

A novel method to design flexible URAs

Aperture patterns play a vital role in coded aperture imaging ( CAI) applications. In recent years, many approaches were presented to design optimum or near-optimum aperture patterns. Uniformly redundant arrays (URAs) are, undoubtedly, the most successful for constant sidelobe of their periodic autocorrelation function. Unfortunately, the existing methods can only be used to design URAs with a limited number of array sizes and fixed autocorrelation sidelobe-to-peak ratios. In this paper, we present a novel method to design more flexible URAs. Our approach is based on a searching program driven by DIRECT, a global optimization algorithm. We transform the design question to a mathematical model, based on the DIRECT algorithm, which is advantageous for computer implementation. By changing determinative conditions, we obtain two kinds of types of URAs, including the filled URAs which can be constructed by existing methods and the sparse URAs which have never been mentioned by other authors as far as we know. Finally, we carry out an experiment to demonstrate the imaging performance of the sparse URAs.

Eutrophication in the River Meuse

The severe problems caused by large phytoplankton populations in the River Meuse date back to the beginning of the 1980s. However, no clear relationship can be established between an increase of algal growth and dissolved nutrient concentrations, at least in the Belgian part of the river. Most probably, plankton algae start developing in France, utilizing large inputs of phosphorus from some of the tributaries: this point will be investigated further, as well as the effect of a reduction in the releases of phosphorus. A mathematical model helps to understand the main factors which control algal growth: underwater light, temperature, discharge and grazing by zooplankton. The last is a major loss process in summer and, as shown by recent observations, may trigger a seasonal succession leading to dominance by large phytoplankton taxa. With regard to water quality, eutrophication is a major problem in drinking-water treatment (filter clogging, etc.) and large numbers of decomposing algae may adversely affect the oxygen budget of the river. On the other hand, algal photosynthesis is the most important oxygen source at periods of low discharge, and reduced algal production may result in dramatic oxygen decreases in heavily polluted stretches of the river.

A tool for better management of water quality during periods of algal blooms: the case of the River Oise

Like other rivers in the Paris area, the Oise is subject to important seasonal algal blooms. This eutrophication generates notable problems for the production of drinking-water from a treatment plant on the river at Méry. A mathematical model has been developed to simulate variation in water quality in a pre-treatment storage basin, and another model is currently being adapted to model the River Oise. Integration of the two models should provide a comprehensive tool for predicting variations of phytoplankton and water-quality parameters associated with algal blooms. This will be a decision-aid for optimizing control of the treatment process for providing potable water.

The ionic basis of frequency selectivity in hair cells of the bullfrog's sacculus

Hair cells from the bull frog's sacculus, a vestibular organ responding to substrate-borne vibration, possess electrically resonant membrane properties which maximize the sensitivity of each cell to a particular frequency of mechanical input. The electrical resonance of these cells and its underlying ionic basis were studied by applying gigohm-seal recording techniques to solitary hair cells enzymatically dissociated from the sacculus. The contribution of electrical resonance to frequency selectivity was assessed from microelectrode recordings from hair cells in an excised preparation of the sacculus.

Electrical resonance in the hair cell is demonstrated by damped membrane-potential oscillations in response to extrinsic current pulses applied through the recording pipette. This response is analyzed as that of a damped harmonic oscillator. Oscillation frequency rises with membrane depolarization, from 80-160 Hz at resting potential to asymptotic values of 200-250 Hz. The sharpness of electrical tuning, denoted by the electrical quality factor, Q_e, is a bell-shaped function of membrane voltage, reaching a maximum value around eight at a membrane potential slightly positive to the resting potential.

In whole cells, three time-variant ionic currents are activated at voltages more positive than -60 to -50 mV; these are identified as a voltage-dependent, non-inactivating Ca current (I_ca), a voltage-dependent, transient K current (I_a), and a Ca-dependent K current (I_c). The C channel is identified in excised, inside-out membrane patches on the basis of its large conductance (130-200 pS), its selective permeability to Kover Na or Cl, and its activation by internal Ca ions and membrane depolarization. Analysis of open- and closed-lifetime distributions suggests that the C channel can assume at least two open and three closed kinetic states.

Exposing hair cells to external solutions that inhibit the Ca or C conductances degrades the electrical resonance properties measured under current-clamp conditions, while blocking the A conductance has no significant effect, providing evidence that only the Ca and C conductances participate in the resonance mechanism. To test the sufficiency of these two conductances to account for electrical resonance, a mathematical model is developed that describes I_ca, I_c, and intracellular Ca concentration during voltage-clamp steps. I_ca activation is approximated by a third-order Hodgkin-Huxley kinetic scheme. Ca entering the cell is assumed to be confined to a small submembrane compartment which contains an excess of Ca buffer; Ca leaves this space with first-order kinetics. The Ca- and voltage-dependent activation of C channels is described by a five-state kinetic scheme suggested by the results of single-channel observations. Parameter values in the model are adjusted to fit the waveforms of I_ca and I_c evoked by a series of voltage-clamp steps in a single cell. Having been thus constrained, the model correctly predicts the character of voltage oscillations produced by current-clamp steps, including the dependencies of oscillation frequency and Q_e on membrane voltage. The model shows quantitatively how the Ca and C conductances interact, via changes in intracellular Ca concentration, to produce electrical resonance in a vertebrate hair cell.

四程放大自动准直系统数学模型研究

针对高功率激光装置四程放大系统的特点,利用矩阵光学原理,建立了四程放大准直系统的数学模型;基于此模型,设计了四程放大系统的准直调整方案;得出了近、远场偏移量与调整量关系的解析解.

Efeitos do controle da jaqueira, Artocarpus heterophyllus L., sobre a comunidade de pequenos mamíferos e a rede de dispersão de sementes na Ilha Grande, RJ

Atualmente observa-se uma expressiva perda de biodiversidade global resultante de atividades antrópicas, sendo a introdução de espécies exóticas uma das mais impactantes. A jaqueira Artocarpus heterophyllus é uma espécie exótica introduzida no Brasil durante o período colonial, sendo considerada invasora em diversas localidades. Na Mata Atlântica invade áreas de mata aberta e de borda, habitualmente associadas a ambientes antrópicos. Na Ilha Grande é encontrada em grande abundância em decorrência do histórico de ocupação humana. Para compreender como a mastofauna responde a presença da jaqueira, o Laboratório de Ecologia de Mamíferos da Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ) vem desenvolvendo um estudo ao longo de seis anos nos arredores da Vila Dois Rios, localizada na face oceânica da Ilha Grande. A partir dos resultados prévios iniciou-se uma segunda etapa do estudo no mesmo local que buscou avaliar diferentes métodos de controle das jaqueiras. O presente estudo é uma continuação direta desses dois trabalhos anteriores e teve como objetivo acompanhar as respostas da comunidade de pequenos mamíferos no período imediatamente posterior ao controle. Durante 18 meses foram amostradas bimestralmente 18 grades, 10 aonde foi efetuado o controle das jaqueiras e 8 aonde não foi constatada a presença desta árvore. Em cada grade foram colocadas 11 armadilhas de captura viva sendo banana a isca utilizada. Os mamíferos capturados foram medidos e suas fezes coletadas. A quantidade de jacas em cada área também foi anotada bimensalmente. As fezes foram analisadas em laboratório e as sementes encontradas identificadas. Os resultados obtidos indicam que a influência de A. heterophyllus sobre a estrutura da comunidade de pequenos mamíferos foi menor após o tratamento de controle. A única espécie que parece ainda responder a abundância de jaqueiras é o roedor Trinomys dimidiatus, que apresentou densidades mais elevadas nas áreas em tratamento, porém mais próximas a resultados obtidos para espécies congêneres em áreas pouco antropizadas. Utilizando uma abordagem de redes complexas observamos que, embora T. dimidiatus seja a espécie mais abundante em termos de número de indivíduos, o gambá Didelphis aurita parece ser a espécie de mamífero mais importante para dispersão de sementes nativas, aparecendo como espécie com maior número de conexões com espécies de sementes nas redes contruídas para as áreas sem jaqueiras e com jaqueiras antes e após o tratamento. Finalmente, a partir dos dados obtidos criamos um modelo matemático para a população de T. dimidiatus dos arredores da Vila Dois Rios, baseado em um crescimento logístico. Os resultados do modelo proposto se mostraram correlacionados com os dados de abundância reais, de modo que ele parece ser um simulador adequado da população local.

Simulações de problemas inversos com aplicações em engenharia nuclear usando técnicas de transporte de partículas neutras monoenergéticas na formulação unidimensional de ordenadas discretas

Neste trabalho, três técnicas para resolver numericamente problemas inversos de transporte de partículas neutras a uma velocidade para aplicações em engenharia nuclear são desenvolvidas. É fato conhecido que problemas diretos estacionários e monoenergéticos de transporte são caracterizados por estimar o fluxo de partículas como uma função-distribuição das variáveis independentes de espaço e de direção de movimento, quando os parâmetros materiais (seções de choque macroscópicas), a geometria, e o fluxo incidente nos contornos do domínio (condições de contorno), bem como a distribuição de fonte interior são conhecidos. Por outro lado, problemas inversos, neste trabalho, buscam estimativas para o fluxo incidente no contorno, ou a fonte interior, ou frações vazio em barras homogêneas. O modelo matemático usado tanto para os problemas diretos como para os problemas inversos é a equação de transporte independente do tempo, a uma velocidade, em geometria unidimensional e com o espalhamento linearmente anisotrópico na formulação de ordenadas discretas (SN). Nos problemas inversos de valor de contorno, dado o fluxo emergente em um extremo da barra, medido por um detector de nêutrons, por exemplo, buscamos uma estimativa precisa para o fluxo incidente no extremo oposto. Por outro lado, nos problemas inversos SN de fonte interior, buscamos uma estimativa precisa para a fonte armazenada no interior do domínio para fins de blindagem, sendo dado o fluxo emergente no contorno da barra. Além disso, nos problemas inversos SN de fração de vazio, dado o fluxo emergente em uma fronteira da barra devido ao fluxo incidente prescrito no extremo oposto, procuramos por uma estimativa precisa da fração de vazio no interior da barra, no contexto de ensaios não-destrutivos para aplicações na indústria. O código computacional desenvolvido neste trabalho apresenta o método espectronodal de malha grossa spectral Greens function (SGF) para os problemas diretos SN em geometria unidimensional para gerar soluções numéricas precisas para os três problemas inversos SN descritos acima. Para os problemas inversos SN de valor de contorno e de fonte interior, usamos a propriedade da proporcionalidade da fuga de partículas; ademais, para os problemas inversos SN de fração de vazio, oferecemos a técnica a qual nos referimos como o método físico da bissecção. Apresentamos resultados numéricos para ilustrar a precisão das três técnicas, conforme descrito nesta tese.

Proficiency, Attitude and Conventions in Minority Languages

In this paper we study a simple mathematical model of a bilingual community in which all agents are f luent in the majority language but only a fraction of the population has some degree of pro ficiency in the minority language. We investigate how different distributions of pro ficiency, combined with the speaker´attitudes towards or against the minority language, may infl uence its use in pair conversations.

Kautxu birziklatuzko materialek inpaktura duten erantzunaren simulazioa.

[EU]Ondorengo lanean ingeniaritzaren eremuan aurkitzen den eginkizunik garrantzitsuenetako bat egingo da: material berri bat karakterizatu. Hau da, errealitatean ikusten duguna era matematiko batean idatzi, edo beste era batean esanda, modelo matematiko bat lortu. Jorratuko den materiala kautxu birziklatua izango da, pneumatiko zaharretatik abiatuz egiten dena. Material honek, besteak beste, hurrengo abantailak ditu: produzitzeko erraza (beraz, prezio ekonomikoak, lehengaiak hondakin solidoak direla ikusita) eta inpakturako erantzun ona. Kautxu hau, beste erabileren artean, segurtasun-errailetan erabiltzen da, moto-gidariak ebaketetatik babesteko. Modelo matematikoa edo konstitutiboa lortzeko, lege hiperelastiko eta biskoelastikoetatik abiatuz, portaera bisko-hiperelastikorako lege bat proposatuko da. Lege hau deformazio handietarako eta deformazio abiadura handietarako aplikatu egingo da. Honen oinarria aurreko urteetan eskola honetako beste ikasleek eginiko gradu eta karrera amaierako lanak izango dira. Behin hau izanda, elementu finituetako software baten bidez simulatuko da, eta emaitza numerikoak esperimentalekin alderatuko dira. Honen bidez, modeloa hobetu ahal izango dugu, zehaztasun gehiago lortzeko asmoz.

Modelling Lipid Competition Dynamics in Heterogeneous Protocell Populations

Recent experimental work in the field of synthetic protocell biology has shown that prebiotic vesicles are able to 'steal' lipids from each other. This phenomenon is driven purely by asymmetries in the physical state or composition of the vesicle membranes, and, when lipid resource is limited, translates directly into competition amongst the vesicles. Such a scenario is interesting from an origins of life perspective because a rudimentary form of cell-level selection emerges. To sharpen intuition about possible mechanisms underlying this behaviour, experimental work must be complemented with theoretical modelling. The aim of this paper is to provide a coarse-grain mathematical model of protocell lipid competition. Our model is capable of reproducing, often quantitatively, results from core experimental papers that reported distinct types vesicle competition. Additionally, we make some predictions untested in the lab, and develop a general numerical method for quickly solving the equilibrium point of a model vesicle population.

Problemas inversos em processos difusivos com retenção

Um Estudo para a solução numérica do modelo de difusão com retenção, proposta por Bevilacqua et al. (2011), é apresentado, bem como uma formulação implícita para o problema inverso para a estimativa dos parâmetros envolvidos na formulação matemática do modelo. Através de um estudo minucioso da análise de sensibilidade e do cálculo do coeficiente de correlação de Pearson, são identificadas as chances de se obter sucesso na solução do problema inverso através do método determinístico de Levenberg-Marquardt e dos métodos estocásticos Algoritmo de Colisão de Partículas (Particle Collision Algorithm - PCA) e Evolução Diferencial (Differential Evolution - DE). São apresentados os resultados obtidos através destes três métodos de otimização para três casos de conjunto de parâmetros. Foi observada uma forte correlação entre dois destes três parâmetros, o que dificultou a estimativa simultânea dos mesmos. Porém, foi obtido sucesso nas estimativas individuais de cada parâmetro. Foram obtidos bons resultados para os fatores que multiplicam os termos diferenciais da equação que modela o fenômeno de difusão com retenção.

Custo efetividade do uso do Peguinterferon alfa 2a combinado com Ribavirina no tratamento de respondedores virológicos lentos coinfectados com VHC/HIV

No mundo, as hepatites decorrentes de infecções virais têm sido uma das grandes preocupações em saúde pública devido a seu caráter crônico, curso assintomático e pela sua capacidade de determinar a perda da função hepática. Com o uso em larga escala de medicamentos antirretrovirais, a doença hepática relacionada à infecção pelo vírus da hepatite C (VHC) contribuiu para uma mudança radical na história natural da infecção pelo vírus da imunodeficiência humana (HIV). Não se sabe ao certo o peso da coinfecção VHC/HIV no Brasil, mas evidências apontam que independentemente da região geográfica, esses indivíduos apresentam maiores dificuldades em eliminar o VHC após o tratamento farmacológico, quando comparados a monoinfectados. No âmbito do SUS, o tratamento antiviral padrão para portadores do genótipo 1 do VHC e do HIV é a administração de peguinterferon associado à Ribavirina. Quanto ao período de tratamento e aos indivíduos que devem ser incluídos, os dois protocolos terapêuticos mais recentes possuem divergências. A diretriz mais atual preconiza o tratamento de indivíduos respondedores precoces somados a respondedores virológicos lentos, enquanto a diretriz imediatamente anterior exclui na 12 semana indivíduos que não respondem completamente. Com base nessa divergência, esse estudo objetivou avaliar o custo-efetividade do tratamento contra o VHC em indivíduos portadores do genótipo 1, coinfectados com o HIV, virgens de tratamento antiviral, não cirróticos e imunologicamente estabilizados, submetidos às regras de tratamento antiviral estabelecidos pelas duas mais recentes diretrizes terapêuticas direcionadas ao atendimento pelo SUS. Para tal, foi elaborado um modelo matemático de decisão, baseado em cadeias de Markov, que simulou a progressão da doença hepática mediante o tratamento e não tratamento. Foi acompanhada uma coorte hipotética de mil indivíduos homens, maiores de 40 anos. Adotou-se a perspectiva do Sistema Único de Saúde, horizonte temporal de 30 anos e taxa de desconto de 5% para os custos e consequências clínicas. A extensão do tratamento para respondedores lentos proporcionou incremento de 0,28 anos de vida ajustados por qualidade (QALY), de 7% de sobrevida e aumento de 60% no número de indivíduos que eliminaram o VHC. Além dos esperados benefícios em eficácia, a inclusão de respondedores virológicos lentos mostrou-se uma estratégia custo-efetiva ao alcançar um incremental de custo efetividade de R$ 44.171/QALY, valor abaixo do limiar de aceitabilidade proposto pela Organização Mundial da Saúde OMS - (R$ 63.756,00/QALY). A análise de sensibilidade demonstrou que as possíveis incertezas contidas no modelo são incapazes de alterar o resultado final, evidenciando, assim, a robustez da análise. A inclusão de indivíduos coinfectados VHC/HIV respondedores virológicos lentos no protocolo de tratamento apresenta-se, do ponto de vista fármaco-econômico, como uma estratégia com relação de custoefetividade favorável para o Sistema Único de Saúde. Sua adoção é perfeitamente compatível com a perspectiva do sistema, ao retornar melhores resultados em saúdeassociados a custos abaixo de um teto orçamentário aceitável, e com o da sociedade, ao evitar em maior grau, complicações e internações quando comparado à não inclusão.