A multiple scattering problem

The present work deals with the problem of the interaction of the electromagnetic radiation with a statistical distribution of nonmagnetic dielectric particles immersed in an infinite homogeneous isotropic, non-magnetic medium. The wavelength of the incident radiation can be less, equal or greater than the linear dimension of a particle. The distance between any two particles is several wavelengths. A single particle in the absence of the others is assumed to scatter like a Rayleigh-Gans particle, i.e. interaction between the volume elements (self-interaction) is neglected. The interaction of the particles is taken into account (multiple scattering) and conditions are set up for the case of a lossless medium which guarantee that the multiple scattering contribution is more important than the self-interaction one. These conditions relate the wavelength λ and the linear dimensions of a particle a and of the region occupied by the particles D. It is found that for constant λ/a, D is proportional to λ and that |Δχ|, where Δχ is the difference in the dielectric susceptibilities between particle and medium, has to lie within a certain range.

The total scattering field is obtained as a series the several terms of which represent the corresponding multiple scattering orders. The first term is a single scattering term. The ensemble average of the total scattering intensity is then obtained as a series which does not involve terms due to products between terms of different orders. Thus the waves corresponding to different orders are independent and their Stokes parameters add.

The second and third order intensity terms are explicitly computed. The method used suggests a general approach for computing any order. It is found that in general the first order scattering intensity pattern (or phase function) peaks in the forward direction Θ = 0. The second order tends to smooth out the pattern giving a maximum in the Θ = π/2 direction and minima in the Θ = 0 , Θ = π directions. This ceases to be true if ka (where k = 2π/λ) becomes large (> 20). For large ka the forward direction is further enhanced. Similar features are expected from the higher orders even though the critical value of ka may increase with the order.

The first order polarization of the scattered wave is determined. The ensemble average of the Stokes parameters of the scattered wave is explicitly computed for the second order. A similar method can be applied for any order. It is found that the polarization of the scattered wave depends on the polarization of the incident wave. If the latter is elliptically polarized then the first order scattered wave is elliptically polarized, but in the Θ = π/2 direction is linearly polarized. If the incident wave is circularly polarized the first order scattered wave is elliptically polarized except for the directions Θ = π/2 (linearly polarized) and Θ = 0, π (circularly polarized). The handedness of the Θ = 0 wave is the same as that of the incident whereas the handedness of the Θ = π wave is opposite. If the incident wave is linearly polarized the first order scattered wave is also linearly polarized. The second order makes the total scattered wave to be elliptically polarized for any Θ no matter what the incident wave is. However, the handedness of the total scattered wave is not altered by the second order. Higher orders have similar effects as the second order.

If the medium is lossy the general approach employed for the lossless case is still valid. Only the algebra increases in complexity. It is found that the results of the lossless case are insensitive in the first order of k_imD where k_im = imaginary part of the wave vector k and D a linear characteristic dimension of the region occupied by the particles. Thus moderately extended regions and small losses make (k_imD)² ≪ 1 and the lossy character of the medium does not alter the results of the lossless case. In general the presence of the losses tends to reduce the forward scattering.

Structure theorems for noncommutative complete local rings

If R is a ring with identity, let N(R) denote the Jacobson radical of R. R is local if R/N(R) is an artinian simple ring and ∩N(R)ⁱ = 0. It is known that if R is complete in the N(R)-adic topology then R is equal to (B)_n, the full n by n matrix ring over B where E/N(E) is a division ring. The main results of the thesis deal with the structure of such rings B. In fact we have the following.

If B is a complete local algebra over F where B/N(B) is a finite dimensional normal extension of F and N(B) is finitely generated as a left ideal by k elements, then there exist automorphisms g_i,...,g_k of B/N(B) over F such that B is a homomorphic image of B/N[[x₁,…,x_k;g₁,…,g_k]] the power series ring over B/N(B) in noncommuting indeterminates x_i, where x_ib = g_i(b)x_i for all b ϵ B/N.

Another theorem generalizes this result to complete local rings which have suitable commutative subrings. As a corollary of this we have the following. Let B be a complete local ring with B/N(B) a finite field. If N(B) is finitely generated as a left ideal by k elements then there exist automorphisms g₁,…,g_k of a v-ring V such that B is a homomorphic image of V [[x₁,…,x_k;g₁,…,g_k]].

In both these results it is essential to know the structure of N(B) as a two sided module over a suitable subring of B.

Exámenes resueltos de matemáticas III LADE

En la asignatura de Matemáticas III, en la Licenciatura en Administración y Dirección de Empresas, se complementan los estudios de Algebra Lineal introducidos en Matemáticas I y se estudian en profundidad los problemas de programación lineal, imprescindibles en estos estudios. En la primera parte de esta asignatura se aborda el problema de la diagonalización de matrices y el estudio de las formas cuadráticas. La segunda parte de la asignatura se dedica a la programación lineal, incidiendo especialmente en el análisis gráfico de este tipo de tipo de problemas y en el método simplex, que permite resolver estos problemas cuando el número de variables aumenta. Así mismo, se insiste en el correcto planteamiento de estos problemas y en el análisis de sensibilidad. Todos estos conceptos son necesarios en los estudios de Administración y Dirección de Empresas (LADE). Esta publicación recoge la resolución de todos los exámenes propuestos en la asignatura de Matemáticas III, Licenciatura en Administración y Dirección de Empresas, en la Facultad de Ciencias Económicas y Empresariales de la UPV\EHU entre los cursos 2001-2002 y 2009-2010. Los exámenes están dispuestos en el orden en que se realizaron, esto es, los últimos que aparecen son los más recientes.

Forma canónica de Kronecker

Este libro trata de explicar con claridad y sencillez la forma canónica de Kronecker de haces de matrices para la relación de equivalencia estricta. El tema es importante para los ingenieros, físicos, químicos, economistas y otros científicos que estudian sistemas lineales con control, por lo que una introducción asequible y rigurosa se echa de menos. También esperamos que el libro sea de utilidad para los matemáticos en un segundo curso de álgebra lineal como complemento natural del estudio de la forma canónica de Jordan. La forma canónica de Kronecker es llamada igualmente de Weierstrass-Kronecker, ya que Weierstrass desarrolla la teoría de los divisores elementales y Kronecker la de los índices minimales. Desde un punto de vista epistemológico e histórico deben relacionarse estas teorías con el estudio geométrico de los haces de cónicas y cuádricas para la formación del estudiante de matemáticas. Este libro no intenta establecer estas conexiones. Al lector que desee proseguir en los precedentes históricos le recomendamos el libro sobre historia de las matemáticas de Bourbaki y también artículos de Robert Thompson, Frank Uhlig y otros en la revista Linear Algebra and Its Applications en los años 1980.

Structural Synthesis of 3-DoF Spatial Fully Parallel Manipulators

In this paper, the architectures of three degrees of freedom (3-DoF) spatial, fully parallel manipulators (PMs), whose limbs are structurally identical, are obtained systematically. To do this, the methodology followed makes use of the concepts of the displacement group theory of rigid body motion. This theory works with so-called 'motion generators'. That is, every limb is a kinematic chain that produces a certain type of displacement in the mobile platform or end-effector. The laws of group algebra will determine the actual motion pattern of the end-effector. The structural synthesis is a combinatorial process of different kinematic chains' topologies employed in order to get all of the 3-DoF motion pattern possibilities in the end-effector of the fully parallel manipulator.

Uma análise dos esquemas de dígitos verificadores usados no Brasil

Neste trabalho discutimos vários sistemas de dígitos verificadores utilizados no Brasil, muitos deles semelhantes a esquemas usados mundialmente, e fazemos uma análise da sua capacidade de detectar os diversos tipos de erros que são comuns na entrada de dados em sistemas computacionais. A análise nos mostra que os esquemas escolhidos constituem decisões subotimizadas e quase nunca obtêm a melhor taxa de detecção de erros possível. Os sistemas de dígitos verificadores são baseados em três teorias da álgebra: aritmética modular, teoria de grupos e quasigrupos. Para os sistemas baseados em aritmética modular, apresentamos várias melhorias que podem ser introduzidas. Desenvolvemos um novo esquema ótimo baseado em aritmética modular base 10 com três permutações para identificadores de tamanho maior do que sete. Descrevemos também o esquema Verhoeff, já antigo, mas pouquíssimo utilizado e que também é uma alternativa de melhoria para identificadores de tamanho até sete. Desenvolvemos ainda, esquemas ótimos para qualquer base modular prima que detectam todos os tipos de erros considerados. A dissertação faz uso ainda de elementos da estatística, no estudo das probabilidades de detecção de erros e de algoritmos, na obtenção de esquemas ótimos.

Práticas colaborativas no ensino de funções: uma aplicação no Programa de Educação de Jovens e Adultos do município do Rio de Janeiro

Esse trabalho apresenta uma experiência com o Ensino Colaborativo (EC) no Programa de Educação de Jovens e Adultos em uma escola da rede municipal de ensino do Rio de Janeiro. Ele visa dar ferramentas ao docente que possibilitem o uso do Ensino Colaborativo, além de explicar e estruturar o uso dessa prática colaborativa no ensino de matemática. O trabalho mostra também um estudo comparativo entre duas turmas do Ensino de Jovens e Adultos de um colégio do munícipio do Rio de Janeiro, na qual o EC foi utilizado em apenas uma delas, e esse estudo, visa caracterizar as diferenças entre o EC e o ensino tradicional. O fato de ter desenvolvido esse estudo do EC no Ensino de Jovens e Adultos se deu pelo fato de ser uma modalidade de ensino cujo público, historicamente, apresenta algumas dificuldades no processo de aprendizagem e também por se tratar de uma modalidade de ensino na qual a diversidade de experiências se torna um diferencial para o desenvolvimento da prática colaborativa. As atividades propostas visam criar um ambiente propício para que a interação entre os alunos e entre professor e aluno(s) ocorra. Cada estudante deve ser capaz de confrontar ideias, dividir conhecimentos e desenvolver ou adquirir habilidades, ou seja, cada um deve buscar o seu desenvolvimento e também o de todos que estão a sua volta. Ao aliar a prática colaborativa com o ensino de funções, foi possível introduzir o conceito básico de função e mostrar aos discentes as diferentes formas de representar uma função e de que maneira o conceito de função está ligado a diversas áreas do conhecimento. Espera-se que com esse trabalho qualquer pessoa que deseje utilizar o Ensino Colaborativo, sinta-se encorajado e embasado para desenvolver tópicos do programa de Matemática utilizando essa prática pedagógica. É importante destacar que todas as estruturações sugeridas podem e devem ser adaptadas a cada realidade e às suas peculiaridades, pois além de ser uma prática que visa melhorar o processo de ensino aprendizagem, o EC pode ser usado como uma ferramenta de análise que permite a todos os indivíduos participantes ter um melhor entendimento da sociedade na qual estão inseridos

Construção de quadrados mágicos pelo método do passo uniforme

Lehmer (1929) analisa matematicamente o método do passo uniforme para construção de quadrados mágicos de ordem impar. Ele divide sua análise em várias etapas. Na primeira delas, envolvendo a discussão de condições necessárias e suficientes para o preenchimento do quadrado pelo método, o autor afirma que se dois números guardarem entre si uma certa relação, eles serão designados a ocupar a mesma célula do quadrado causando seu não preenchimento. A análise do preenchimento pelo método do passo uniforme envolve a resolução de um sistema linear módulo n. Nesse trabalho, discutimos o comportamento das soluções desse sistema quando o método falha no preenchimento. Como consequência, concluímos que números que guardam a relação mencionada nunca ocupam a mesma célula. A análise das condições necessárias e suficientes para obter quadrados mágicos segundo a definição de Lehmer (1929) envolve a resolução de equações de congruências lineares a duas variáveis. Nesse trabalho, detalhamos os resultados de Lehmer (1929). A análise das condições necessárias e suficientes para obtenção de quadrados mágicos, como são reconhecidos usualmente, também envolve a resolução de equações de congruências lineares a duas variáveis. Discutimos o comportamento das soluções dessas equações para obter diagonais principais mágicas. Como consequência, mostramos que diagonais principais mágicas são obtidas se e somente se as coordenadas iniciais guardarem certas relações

Optimal H2 order-one reduction by solving eigenproblems for polynomial equations

A method is given for solving an optimal H2 approximation problem for SISO linear time-invariant stable systems. The method, based on constructive algebra, guarantees that the global optimum is found; it does not involve any gradient-based search, and hence avoids the usual problems of local minima. We examine mostly the case when the model order is reduced by one, and when the original system has distinct poles. This case exhibits special structure which allows us to provide a complete solution. The problem is converted into linear algebra by exhibiting a finite-dimensional basis for a certain space, and can then be solved by eigenvalue calculations, following the methods developed by Stetter and Moeller. The use of Buchberger's algorithm is avoided by writing the first-order optimality conditions in a special form, from which a Groebner basis is immediately available. Compared with our previous work the method presented here has much smaller time and memory requirements, and can therefore be applied to systems of significantly higher McMillan degree. In addition, some hypotheses which were required in the previous work have been removed. Some examples are included.

Real time feature-based facial tracking using Lie algebras

We have developed a novel human facial tracking system that operates in real time at a video frame rate without needing any special hardware. The approach is based on the use of Lie algebra, and uses three-dimensional feature points on the targeted human face. It is assumed that the roughly estimated facial model (relative coordinates of the three-dimensional feature points) is known. First, the initial feature positions of the face are determined using a model fitting technique. Then, the tracking is operated by the following sequence: (1) capture the new video frame and render feature points to the image plane; (2) search for new positions of the feature points on the image plane; (3) get the Euclidean matrix from the moving vector and the three-dimensional information for the points; and (4) rotate and translate the feature points by using the Euclidean matrix, and render the new points on the image plane. The key algorithm of this tracker is to estimate the Euclidean matrix by using a least square technique based on Lie algebra. The resulting tracker performed very well on the task of tracking a human face.