A Skyrme-like model with an exact BPS bound

We propose a new Skyrme-like model with fields taking values on the sphere S3 or, equivalently, on the group SU(2). The action of the model contains a quadratic kinetic term plus a quartic term which is the same as that of the Skyrme-Faddeev model. The novelty of the model is that it possess a first order Bogomolny type equation whose solutions automatically satisfy the second order Euler-Lagrange equations. It also possesses a lower bound on the static energy which is saturated by the Bogomolny solutions. Such Bogomolny equation is equivalent to the so-called force free equation used in plasma and solar Physics, and which possesses large classes of solutions. An old result due to Chandrasekhar prevents the existence of finite energy solutions for the force free equation on the entire three- dimensional space R3. We construct new exact finite energy solutions to the Bogomolny equations for the case where the space is the three-sphere S3, using toroidal like coordinates.

A variational approach to camera motion smoothing

[EN] In this paper we study a variational problem derived from a computer vision application: video camera calibration with smoothing constraint. By video camera calibration we meanto estimate the location, orientation and lens zoom-setting of the camera for each video frame taking into account image visible features. To simplify the problem we assume that the camera is mounted on a tripod, in such case, for each frame captured at time t , the calibration is provided by 3 parameters : (1) P(t) (PAN) which represents the tripod vertical axis rotation, (2) T(t) (TILT) which represents the tripod horizontal axis rotation and (3) Z(t) (CAMERA ZOOM) the camera lens zoom setting. The calibration function t -> u(t) = (P(t),T(t),Z(t)) is obtained as the minima of an energy function I[u] . In thIs paper we study the existence of minima of such energy function as well as the solutions of the associated Euler-Lagrange equations.

3-D geometry reconstruction using a color image stereo pair and partial differential equations

[EN] In this work, we present a new model for a dense disparity estimation and the 3-D geometry reconstruction using a color image stereo pair. First, we present a brief introduction to the 3-D Geometry of a camera system. Next, we propose a new model for the disparity estimation based on an energy functional. We look for the local minima of the energy using the associate Euler-Langrage partial differential equations. This model is a generalization to color image of the model developed in, with some changes in the strategy to avoid the irrelevant local minima. We present some numerical experiences of 3-D reconstruction, using this method some real stereo pairs.

Dense disparity map estimation respecting image discontinuities

[EN] We present an energy based approach to estimate a dense disparity map from a set of two weakly calibrated stereoscopic images while preserving its discontinuities resulting from image boundaries. We first derive a simplified expression for the disparity that allows us to estimate it from a stereo pair of images using an energy minimization approach. We assume that the epipolar geometry is known, and we include this information in the energy model. Discontinuities are preserved by means of a regularization term based on the Nagel-Enkelmann operator. We investigate the associated Euler-Lagrange equation of the energy functional, and we approach the solution of the underlying partial differential equation (PDE) using a gradient descent method The resulting parabolic problem has a unique solution. In order to reduce the risk to be trapped within some irrelevant local minima during the iterations, we use a focusing strategy based on a linear scalespace. Experimental results on both synthetic and real images arere presented to illustrate the capabilities of this PDE and scale-space based method.

A variational approach to 3D geometry reconstruction from two or multiple views

[EN] In the last years we have developed some methods for 3D reconstruction. First we began with the problem of reconstructing a 3D scene from a stereoscopic pair of images. We developed some methods based on energy functionals which produce dense disparity maps by preserving discontinuities from image boundaries. Then we passed to the problem of reconstructing a 3D scene from multiple views (more than 2). The method for multiple view reconstruction relies on the method for stereoscopic reconstruction. For every pair of consecutive images we estimate a disparity map and then we apply a robust method that searches for good correspondences through the sequence of images. Recently we have proposed several methods for 3D surface regularization. This is a postprocessing step necessary for smoothing the final surface, which could be afected by noise or mismatch correspondences. These regularization methods are interesting because they use the information from the reconstructing process and not only from the 3D surface. We have tackled all these problems from an energy minimization approach. We investigate the associated Euler-Lagrange equation of the energy functional, and we approach the solution of the underlying partial differential equation (PDE) using a gradient descent method.

A PDE model for computing the optical flow

[EN] In this paper we present a new model for optical flow calculation using a variational formulation which preserves discontinuities of the flow much better than classical methods. We study the Euler-Lagrange equations asociated to the variational problem. In the case of quadratic energy, we show the existence and uniqueness of the corresponding evolution problem. Since our method avoid linearization in the optical flow constraint, it can recover large displacement in the scene. We avoid convergence to irrelevant local minima by embedding our method into a linear scale-space framework and using a focusing strategy from coarse to fine scales.

Reconstrucción 3-D a partir de un par estéreo de imágenes en color utilizando ecuaciones en derivadas parciales

[ES] En este trabajo proponemos un nuevo modelo para el cálculo de la disparidad y la reconstrucción 3-D a partir de un sistema estéreo compuesto por 2 imágenes en color. Proponemos un nuevo modelo para el cálculo de la disparidad basado en un criterio de energía. Para calcular los mínimos de este funcional de energía utilizamos la ecuación en derivadas parciales de Euler-Langrage asociada. Este modelo es una extensión a imágenes color del modelo desarrollado en "L. Alvarez, R. Deriche, J. Sánchez and J. Weickert, Dense disparity map estimation respecting image discontinuities : A PDE and Scale-Space Based Approach. INRIA Rapport de Recherche Nº 3874, 2000". Con algunos cambios en la estrategia parav evitar caer en mínimos locales de la energía. Por último presentamos algunas experiencias numéricas de la reconstrucción 3-D obtenida con este método en algunos pares estéreos de imágenes reales.

Dynamic analysis of piled foundations in stratified soils by a BEM-FEM model

[EN] 3D BEM-FEM coupling model is used to study the dynamic behavior of piled foundations in elastic layered soils in presenceof a rigid bedrock. Piles are modelled by FEM as beams according to the Bernoulli hpothesis, and every layer of the soil is modelled by BEM as a cointinuum, semi-infinite, isotropic, homogeneous, linear, viscoelastic medium.

BEM-FEM coupling model for the dynamic analysis of piles and pile groups

[EN] This paper shows a BEM-FEM coupling model for the time harmonic dynamic analysis of piles and pile groups embeddes in an elastic half-space. Piles are modelled using Finite Elements (FEM) as a beam according to the Bernoulli hypothesis, while the soil modelled using  Boundary Elements (BEM) as a continuum, semi-infinite, isotropic, homogeneous or zoned homogeneous, linear, viscoelastic medium.

Bayesian Analysis of Linear Inverse Problems with Applications in Economics and Finance

In my PhD thesis I propose a Bayesian nonparametric estimation method for structural econometric models where the functional parameter of interest describes the economic agent's behavior. The structural parameter is characterized as the solution of a functional equation, or by using more technical words, as the solution of an inverse problem that can be either ill-posed or well-posed. From a Bayesian point of view, the parameter of interest is a random function and the solution to the inference problem is the posterior distribution of this parameter. A regular version of the posterior distribution in functional spaces is characterized. However, the infinite dimension of the considered spaces causes a problem of non continuity of the solution and then a problem of inconsistency, from a frequentist point of view, of the posterior distribution (i.e. problem of ill-posedness). The contribution of this essay is to propose new methods to deal with this problem of ill-posedness. The first one consists in adopting a Tikhonov regularization scheme in the construction of the posterior distribution so that I end up with a new object that I call regularized posterior distribution and that I guess it is solution of the inverse problem. The second approach consists in specifying a prior distribution on the parameter of interest of the g-prior type. Then, I detect a class of models for which the prior distribution is able to correct for the ill-posedness also in infinite dimensional problems. I study asymptotic properties of these proposed solutions and I prove that, under some regularity condition satisfied by the true value of the parameter of interest, they are consistent in a "frequentist" sense. Once I have set the general theory, I apply my bayesian nonparametric methodology to different estimation problems. First, I apply this estimator to deconvolution and to hazard rate, density and regression estimation. Then, I consider the estimation of an Instrumental Regression that is useful in micro-econometrics when we have to deal with problems of endogeneity. Finally, I develop an application in finance: I get the bayesian estimator for the equilibrium asset pricing functional by using the Euler equation defined in the Lucas'(1978) tree-type models.

Spectral and variational characterizations of solutions to semilinear eigenvalue problems

Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit einer Klasse von nichtlinearen Eigenwertproblemen mit Variationsstrukturin einem reellen Hilbertraum. Die betrachteteEigenwertgleichung ergibt sich demnach als Euler-Lagrange-Gleichung eines stetig differenzierbarenFunktionals, zusätzlich sei der nichtlineare Anteil desProblems als ungerade und definit vorausgesetzt.Die wichtigsten Ergebnisse in diesem abstrakten Rahmen sindKriterien für die Existenz spektral charakterisierterLösungen, d.h. von Lösungen, deren Eigenwert gerade miteinem vorgegeben variationellen Eigenwert eines zugehörigen linearen Problems übereinstimmt. Die Herleitung dieserKriterien basiert auf einer Untersuchung kontinuierlicher Familien selbstadjungierterEigenwertprobleme und erfordert Verallgemeinerungenspektraltheoretischer Konzepte.Neben reinen Existenzsätzen werden auch Beziehungen zwischenspektralen Charakterisierungen und denLjusternik-Schnirelman-Niveaus des Funktionals erörtert.Wir betrachten Anwendungen auf semilineareDifferentialgleichungen (sowieIntegro-Differentialgleichungen) zweiter Ordnung. Diesliefert neue Informationen über die zugehörigenLösungsmengen im Hinblick auf Knoteneigenschaften. Diehergeleiteten Methoden eignen sich besonders für eindimensionale und radialsymmetrische Probleme, während einTeil der Resultate auch ohne Symmetrieforderungen gültigist.

Dynamik orographischer Bannerwolken

Der Begriff "Bannerwolke" bezeichnet ein eindrucksvolles Phänomen aus dem Bereich der Gebirgsmeteorologie. Bannerwolken können gelegentlich im Hochgebirge im Bereich steiler Bergspitzen oder langgezogener Bergrücken, wie z.B. dem Matterhorn in den Schweizer Alpen oder dem Zugspitzgrat in den Bayrischen Alpen beobachtet werden. Der Begriff bezeichnet eine Banner- oder Fahnen-ähnliche Wolkenstruktur, welche an der windabgewandten Seite des Berges befestigt zu sein scheint, während die windzugewandte Seite vollkommen wolkenfrei ist. Bannerwolken fanden bislang, trotz ihres relativ häufigen Auftretens in der wissenschaftlichen Literatur kaum Beachtung. Entsprechend wenig ist über ihren Entstehungsmechanismus und insbesondere die relative Bedeutung dynamischer gegenüber thermodynamischer Prozesse bekannt. In der wissenschaftlichen Literatur wurden bislang 3 unterschiedliche Mechanismen postuliert, um die Entstehung von Bannerwolken zu erklären. Demnach entstehen Bannerwolken durch (a) den Bernoulli-Effekt, insbesondere durch die lokale adiabatische Kühlung hervorgerufen durch eine Druckabnahme entlang quasi-horizontal verlaufender, auf der windzugewandten Seite startender Trajektorien, (b) durch isobare Mischung bodennaher kälterer Luft mit wärmerer Luft aus höheren Schichten, oder (c) durch erzwungene Hebung im aufsteigenden Ast eines Leerotors. Ziel dieser Arbeit ist es, ein besseres physikalisches Verständnis für das Phänomen der Bannerwolke zu entwickeln. Das Hauptaugenmerk liegt auf dem dominierenden Entstehungsmechanismus, der relativen Bedeutung dynamischer und thermodynamischer Prozesse, sowie der Frage nach geeigneten meteorologischen Bedingungen. Zu diesem Zweck wurde ein neues Grobstruktursimulations (LES)-Modell entwickelt, welches geeignet ist turbulente, feuchte Strömungen in komplexem Terrain zu untersuchen. Das Modell baut auf einem bereits existierenden mesoskaligen (RANS) Modell auf. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das neue Modell ausführlich gegen numerische Referenzlösungen und Windkanal-Daten verglichen. Die wesentlichen Ergebnisse werden diskutiert, um die Anwendbarkeit des Modells auf die vorliegende wissenschaftliche Fragestellung zu überprüfen und zu verdeutlichen. Die Strömung über eine idealisierte pyramidenförmige Bergspitze wurde für Froude-Zahlen Fr >> 1 sowohl auf Labor- als auch atmosphärischer Skala mit und ohne Berücksichtigung der Feuchtephysik untersucht. Die Simulationen zeigen, dass Bannerwolken ein primär dynamisches Phänomen darstellen. Sie entstehen im Lee steiler Bergspitzen durch dynamisch erzwungene Hebung. Die Simulationen bestätigen somit die Leerotor-Theorie. Aufgrund des stark asymmetrischen, Hindernis-induzierten Strömungsfeldes können Bannerwolken sogar im Falle horizontal homogener Anfangsbedingungen hinsichtlich Feuchte und Temperatur entstehen. Dies führte zu der neuen Erkenntnis, dass zusätzliche leeseitige Feuchtequellen, unterschiedliche Luftmassen in Luv und Lee, oder Strahlungseffekte keine notwendige Voraussetzung für die Entstehung einer Bannerwolke darstellen. Die Wahrscheinlichkeit der Bannerwolkenbildung steigt mit zunehmender Höhe und Steilheit des pyramidenförmigen Hindernisses und ist in erster Näherung unabhängig von dessen Orientierung zur Anströmung. Simulationen mit und ohne Berücksichtigung der Feuchtephysik machen deutlich, dass thermodynamische Prozesse (insbes. die Umsetzung latenter Wärme) für die Dynamik prototypischer (nicht-konvektiver) Bannerwolken zweitrangig ist. Die Verstärkung des aufsteigenden Astes im Lee und die resultierende Wolkenbildung, hervorgerufen durch die Freisetzung latenter Wärme, sind nahezu vernachlässigbar. Die Feuchtephysik induziert jedoch eine Dipol-ähnliche Struktur im Vertikalprofil der Brunt-Väisälä Frequenz, was zu einem moderaten Anstieg der leeseitigen Turbulenz führt. Es wird gezeigt, dass Gebirgswellen kein entscheidendes Ingredienz darstellen, um die Dynamik von Bannerwolken zu verstehen. Durch eine Verstärkung der Absinkbewegung im Lee, haben Gebirgswellen lediglich die Tendenz die horizontale Ausdehnung von Bannerwolken zu reduzieren. Bezüglich geeigneter meteorologischer Bedingungen zeigen die Simulationen, dass unter horizontal homogenen Anfangsbedingungen die äquivalentpotentielle Temperatur in der Anströmung mit der Höhe abnehmen muss. Es werden 3 notwendige und hinreichende Kriterien, basierend auf dynamischen und thermodynamischen Variablen vorgestellt, welche einen weiteren Einblick in geeignete meteorologische Bedingungen geben.

Multilevel Domain Decomposition Algorithms for Monolithic Fluid-Structure Interaction Problems with Application to Haemodynamics

Finite element techniques for solving the problem of fluid-structure interaction of an elastic solid material in a laminar incompressible viscous flow are described. The mathematical problem consists of the Navier-Stokes equations in the Arbitrary Lagrangian-Eulerian formulation coupled with a non-linear structure model, considering the problem as one continuum. The coupling between the structure and the fluid is enforced inside a monolithic framework which computes simultaneously for the fluid and the structure unknowns within a unique solver. We used the well-known Crouzeix-Raviart finite element pair for discretization in space and the method of lines for discretization in time. A stability result using the Backward-Euler time-stepping scheme for both fluid and solid part and the finite element method for the space discretization has been proved. The resulting linear system has been solved by multilevel domain decomposition techniques. Our strategy is to solve several local subproblems over subdomain patches using the Schur-complement or GMRES smoother within a multigrid iterative solver. For validation and evaluation of the accuracy of the proposed methodology, we present corresponding results for a set of two FSI benchmark configurations which describe the self-induced elastic deformation of a beam attached to a cylinder in a laminar channel flow, allowing stationary as well as periodically oscillating deformations, and for a benchmark proposed by COMSOL multiphysics where a narrow vertical structure attached to the bottom wall of a channel bends under the force due to both viscous drag and pressure. Then, as an example of fluid-structure interaction in biomedical problems, we considered the academic numerical test which consists in simulating the pressure wave propagation through a straight compliant vessel. All the tests show the applicability and the numerical efficiency of our approach to both two-dimensional and three-dimensional problems.

Estimation of Quasi-Rational DSGE Models

Small-scale dynamic stochastic general equilibrium have been treated as the benchmark of much of the monetary policy literature, given their ability to explain the impact of monetary policy on output, inflation and financial markets. One cause of the empirical failure of New Keynesian models is partially due to the Rational Expectations (RE) paradigm, which entails a tight structure on the dynamics of the system. Under this hypothesis, the agents are assumed to know the data genereting process. In this paper, we propose the econometric analysis of New Keynesian DSGE models under an alternative expectations generating paradigm, which can be regarded as an intermediate position between rational expectations and learning, nameley an adapted version of the "Quasi-Rational" Expectatations (QRE) hypothesis. Given the agents' statistical model, we build a pseudo-structural form from the baseline system of Euler equations, imposing that the length of the reduced form is the same as in the `best' statistical model.

Untersuchungen zur Genauigkeit adaptiver unstetiger Galerkin-Simulationen mit Hilfe von Luftblasen-Testfällen

Allgemein erlaubt adaptive Gitterverfeinerung eine Steigerung der Effizienz numerischer Simulationen ohne dabei die Genauigkeit des Ergebnisses signifikant zu verschlechtern. Es ist jedoch noch nicht erforscht, in welchen Bereichen des Rechengebietes die räumliche Auflösung tatsächlich vergröbert werden kann, ohne die Genauigkeit des Ergebnisses signifikant zu beeinflussen. Diese Frage wird hier für ein konkretes Beispiel von trockener atmosphärischer Konvektion untersucht, nämlich der Simulation von warmen Luftblasen. Zu diesem Zweck wird ein neuartiges numerisches Modell entwickelt, das auf diese spezielle Anwendung ausgerichtet ist. Die kompressiblen Euler-Gleichungen werden mit einer unstetigen Galerkin Methode gelöst. Die Zeitintegration geschieht mit einer semi-implizite Methode und die dynamische Adaptivität verwendet raumfüllende Kurven mit Hilfe der Funktionsbibliothek AMATOS. Das numerische Modell wird validiert mit Hilfe einer Konvergenzstudie und fünf Standard-Testfällen. Eine Methode zum Vergleich der Genauigkeit von Simulationen mit verschiedenen Verfeinerungsgebieten wird eingeführt, die ohne das Vorhandensein einer exakten Lösung auskommt. Im Wesentlichen geschieht dies durch den Vergleich von Eigenschaften der Lösung, die stark von der verwendeten räumlichen Auflösung abhängen. Im Fall einer aufsteigenden Warmluftblase ist der zusätzliche numerische Fehler durch die Verwendung der Adaptivität kleiner als 1% des gesamten numerischen Fehlers, wenn die adaptive Simulation mehr als 50% der Elemente einer uniformen hoch-aufgelösten Simulation verwendet. Entsprechend ist die adaptive Simulation fast doppelt so schnell wie die uniforme Simulation.