Modelli Input-Output: un'analisi simultanea di shock domanda e offerta

La tesi analizza il modello Input-Output, introdotto da Leontief nel 1936, per studiare la reazione dei sistemi industriali di Germania, Spagna ed Italia alle restrizioni imposte dai governi per limitare la diffusione della pandemia da COVID-19. Si studiano le economie considerando gli scambi tra i settori produttivi intermedi e la domanda finale. La formulazione originale del modello necessita diverse modifiche per descrivere realisticamente le reti di produzione e comunque non è del tutto esaustiva in quanto si ipotizza che la produttività dei sistemi sia sempre tale da soddisfare pienamente la domanda che giunge per il prodotto emesso. Perciò si introduce una distinzione tra le variabili del problema, assumendo che alcune componenti di produzione siano indipendenti dalla richiesta e che altre componenti siano endogene. Le soluzioni di questo sistema tuttavia non sempre risultano appartenenti al dominio di definizione delle variabili. Dunque utilizzando tecniche di programmazione lineare, si osservano i livelli massimi di produzione e domanda corrisposta in un periodo di crisi anche quando i sistemi non raggiungono questa soglia poiché non pienamente operativi. Si propongono diversi schemi di razionamento per distribuire tra i richiedenti i prodotti emessi: 1) programma proporzionale in base alle domande di tutti i richiedenti; 2) programma proporzionale in base alle richieste, con precedenza ai settori intermedi; 3) programma prioritario in cui vengono riforniti i settori intermedi in base alla dimensione dell’ordine; 4) programma prioritario con fornitura totale degli ordini e ordine di consegna casuale. I risultati ottenuti dipendono dal modello di fornitura scelto, dalla dimensione dello shock cui i settori sono soggetti e dalle proprietà della rete industriale, descritta come grafo pesato.

Reti neurali "physics-informed" per modelli epidemiologici

La malattia COVID-19 associata alla sindrome respiratoria acuta grave da coronavirus 2 (SARS-CoV-2) ha rappresentato una grave minaccia per la salute pubblica e l’economia globale sin dalla sua scoperta in Cina, nel dicembre del 2019. Gli studiosi hanno effettuato numerosi studi ed in particolar modo l’applicazione di modelli epidemiologici costruiti a partire dai dati raccolti, ha permesso la previsione di diversi scenari sullo sviluppo della malattia, nel breve-medio termine. Gli obiettivi di questa tesi ruotano attorno a tre aspetti: i dati disponibili sulla malattia COVID-19, i modelli matematici compartimentali, con particolare riguardo al modello SEIJDHR che include le vaccinazioni, e l’utilizzo di reti neurali ”physics-informed” (PINNs), un nuovo approccio basato sul deep learning che mette insieme i primi due aspetti. I tre aspetti sono stati dapprima approfonditi singolarmente nei primi tre capitoli di questo lavoro e si sono poi applicate le PINNs al modello SEIJDHR. Infine, nel quarto capitolo vengono riportati frammenti rilevanti dei codici Python utilizzati e i risultati numerici ottenuti. In particolare vengono mostrati i grafici sulle previsioni nel breve-medio termine, ottenuti dando in input dati sul numero di positivi, ospedalizzati e deceduti giornalieri prima riguardanti la città di New York e poi l’Italia. Inoltre, nell’indagine della parte predittiva riguardante i dati italiani, si è individuato un punto critico legato alla funzione che modella la percentuale di ricoveri; sono stati quindi eseguiti numerosi esperimenti per il controllo di tali previsioni.

Modelling the Halo mass number counts in modified gravity cosmological scenarios

In this Thesis work we investigate some of different cosmological background scenarios using one of the main probes used in cosmology: the halo mass function. The observed abundance of galaxy clusters (or similarly DM haloes) can indeed be compared to its theoretical predictions to derive fundamental constrains on the cosmological scenario assumed. Given the importance of exploring and constraining models degenerate with the ΛCDM one, we test the applicability of some notable halo mass function models to these scenarios. To this purpose, we made use of the DUSTGRAIN-pathfinder N-body simulations, which assume cosmological scenarios that include modified gravity in the form of f(R) models and massive neutrinos. We carried on the analysis of 3 simulation snapshots at different redshifts, z = 0, 0.5, 1, building multiple samples of dark matter haloes by applying different overdensity thresholds during the procedure of halo identification. We started our analysis by considering the halo mass function model introduced by Despali et al. (2016), who proposed a parametrization that encapsulates the effect of the different halo mass definitions and the relative evolution with the redshift. We calibrated the main parameters of this relation by using the ΛCDM halo catalogues extracted from the DUSTGRAIN-pathfinder simulations, fitting the measured halo abundances at all redshifts and density thresholds. Afterwards we tested the same model parametrization with halo catalogues extracted from the simulations implementing both modified gravity and massive neutrinos. We repeated therefore the calibration procedure on these data to search for discrepancies with respect to the ΛCDM model. Finally we focused the analysis on the cosmological models implementing modified gravity only. We took our ΛCDM calibrated halo mass function and we modified it with the additional f (R) gravity form proposed by Gupta et al. (2022).

Nuovi modelli di business nel Web 3.0

Il Web 3.0 è un'estensione del web come lo conosciamo oggi basata sulla blockchain e che ha permesso negli ultimi anni lo sviluppo della Token Economy. I token e gli smart contract sono gli strumenti che permettono di creare nuovi modelli di business tokenizzati. Questa tesi ha lo scopo di capire quale sia il legame tra lo sviluppo delle tecnologie del Web 3.0 e i modelli di business che ne derivano, andando a individuare i modelli imprenditoriali più noti, la loro value proposition e le complicazioni ad essi associate.

Modelli di traffico per la formazione della congestione su una rete stradale

A partire dagli anni ’50 furono sviluppati numerosi modelli con l’intento di studiare i fenomeni connessi al traffico. Alcuni di essi riuscirono non solo a spiegare i fenomeni per i quali erano stati ideati ma misero in evidenza altre caratteristiche tipiche dei sistemi dinamici, come la presenza di cicli di isteresi e cambiamenti nella distribuzione dei tempi di percorrenza in situazioni di congestione. Questo lavoro si propone di verificare la validità di un modello semplificato ideato per mettere in luce i comportamenti tipici di un sistema di traffico, in particolare le congestioni che si vengono a creare sulla rete stradale. Tale modello è stato implementato per mezzo della libreria C++ Traffic Flow Dynamics Model, reperibile al link https://github.com/Grufoony/TrafficFlowDynamicsModel. Ai fini dello studio sono stati utilizzati i Diagrammi Fondamentali Macroscopici, particolari diagrammi che mettono in relazione gli osservabili principali di un network stradale quali velocità, densità e flusso. Variando il carico immesso nella rete stradale è stato possibile studiare il sistema in diversi regimi: carico costante, carico piccato e carico periodico. Mediante questi studi sono emerse diverse proprietà tipiche di ogni regime e, per alcuni di essi, è stata verificate e giustificate la presenza di uno o più cicli di isteresi. In ultimo è stata effettuata una breve analisi ad-hoc volta a evidenziare i cambiamenti nella distribuzione dei tempi di percorrenza in relazione al regime di traffico considerato.

Correlazione tra viscosita del cioccolato e parametri di processo e di prodotto

Lo sviluppo di questa tesi è stato quello di analizzare diversi campioni di pasta di cacao e di cioccolato liquido prelevati, rispettivamente, dai tank prima del dosaggio degli ingredienti e dal preleva campioni della conca fine concaggio. Le analisi di viscosità effettuate sui campioni hanno l’obiettivo di determinare la causa della variazione di viscosità in una particolare ricetta di cioccolato. La viscosità è una proprietà che può essere influenzata da numerosi fattori, perciò è difficile tenere sempre in considerazione tutte le variabili. Ciò che ho riscontrato durante questa ricerca è stato il fatto che la viscosità del cioccolato viene influenzata, o comunque dipende, dalla viscosità della pasta cacao. Un altro fattore importante è la distribuzione particellare del cioccolato; questa ipotesi origina dal fatto che si hanno viscosità diverse delle conche a parità di altre variabili come l’umidità, la temperatura, la percentuale in grassi o l’aggiunta di lecitina. Questo ulteriore fattore di grandezza delle particelle necessita l’ottimizzazione dei parametri di raffinazione per poter ottenere sempre la stessa distribuzione e può dipendere dalla variabilità delle materie prime (pasta cacao) o dalle dimensioni dello zucchero. I diversi fattori che possono essere presi in considerazione per la variabilità della viscosità sono la distribuzione particellare dello zucchero, che può determinare la presenza o l’assenza di grumi all’interno del cioccolato, la viscosità della materia prima della pasta cacao e la presenza di una percentuale troppo elevata di umidità o di grasso. Ci possono anche essere fattori di processo che alterano la corretta produzione del cioccolato, come il controllo non adeguato delle impostazioni degli strumenti che comporterebbe temperature o velocità scorrette di produzione, oppure la variazione della sequenza di dosaggio che consiste nell’aggiunta di un ingrediente prima o dopo di quando viene richiesto dalla specifica ricetta di quel cioccolato.

Valutazione del rischio ed analisi di affidabilità della modellazione numerica del comportamento espansivo di terreni argillosi

Il lavoro di tesi presentato ha come obiettivo la valutazione delle potenzialità del metodo di risk assessment per la stima dei rischi nel campo della progettazione geotecnica. In particolare, è stata approfondita l’applicazione dei metodi di trattamento dell’incertezza alla modellazione numerica di terreni caratterizzati da alcune tipologie di argille, il cui comportamento, al variare del grado di saturazione, può oscillare tra ritiro e rigonfiamento, provocando dissesti alle strutture sovrastanti. Ai modelli numerici creati sono stati associati dei modelli probabilistici sui quali sono state eseguite delle analisi di affidabilità associate a parametri del terreno opportunamente scelti in funzione dell’influenza sul meccanismo espansivo del suolo. È stata scelta come soglia, e dunque come stato limite, per il calcolo della probabilità di fallimento, il movimento massimo caratteristico del terreno ottenuto applicando il metodo di Mitchell per i due fenomeni. Questo metodo è adottato nelle Australian Standards, uno dei riferimenti scientifici più rilevanti per la progettazione su suoli espansivi, nonché normativa vigente in Australia, territorio ricco di argille attive. Le analisi hanno permesso di condurre alcune riflessioni circa la conservatività dei termini da normativa, fondati su approcci di carattere puramente deterministico, mostrando come a piccole variazioni plausibili degli input nel modello numerico, si possano ottenere variazioni discutibili nei risultati, illustrando così i vantaggi che comporta il trattamento dell’incertezza sui dati.

Lo studio dell'ammasso globulare NGC1835 nella Grande Nube di Magellano

La distribuzione del valore del raggio di core rispetto all’età cronologica per gli ammassi globulari della Grande Nube di Magellano (LMC) appare alquanto peculiare, poiché tutti gli ammassi più giovani sono caratterizzati da un raggio di core limitato, mentre quelli più vecchi presentano un ampio intervallo di valori. Questo comportamento, noto come “size-age conundrum”, è stato recentemente attribuito ad un diverso livello di evoluzione dinamica degli ammassi più vecchi, con i sistemi con valori elevati del raggio di core dinamicamente più giovani rispetto a quelli con configurazioni più compatte. È attesa dunque un’anticorrelazione tra il valore del raggio di core e l’età dinamica. Questo lavoro di tesi è stato indirizzato allo studio del sistema NGC1835, un ammasso globulare vecchio e compatto della LMC in grado di fornire un’ulteriore conferma del nuovo scenario. Grazie ad immagini ad alta risoluzione acquisite tramite HST è stato possibile studiarne la popolazione stellare, la struttura, l’età cronologica e il grado di evoluzione dinamica. La stima della sua età cronologica (t=12.5±1 Gyr) ha confermato che si tratta di un sistema stellare molto antico, che si è formato all’epoca di formazione della LMC. Il profilo di densità e di brillanza superficiale sono stati utilizzati per derivare le principali caratteristiche strutturali dell’ammasso, come il raggio di core rc e il raggio a metà massa rh. Infine l’età dinamica è stata calcolata tramite il parametro A+, che misura il grado di segregazione radiale delle Blue Straggler Stars. NGC1835 è risultato l’ammasso più compatto (rc=3.60’’) e dinamicamente evoluto (A+=0.28±0.04) finora studiato nella LMC e, inserendosi con precisione all’interno dell’anticorrelazione aspettata tra il raggio di core e A+, ha ulteriormente supportato lo scenario secondo cui il livello di compattezza di un sistema dipende dal suo stadio di evoluzione dinamica.

Modelli matematici nella crescita e nel trattamento dei tumori

Questa tesi tratta di alcuni semplici modelli matematici, formulati in termini di equazioni differenziali ordinarie, riguardanti la crescita dei tumori e possibili trattamenti per contrastarla. Nel primo capitolo viene data un'introduzione sulla stabilità dei punti di equilibrio di sistemi di equazioni differenziali ordinarie, mentre nel secondo capitolo vengono affrontati e confrontati tre modelli ad una equazione: il modello esponenziale, il modello logistico e il modello di Gompertz. Si introducono poi due modelli a due equazioni differenziali: uno riguardante l'angiogenesi a due compartimenti e l'altro riguardante un modello lineare-quadratico applicato alla radiobiologia. Viene fatto poi un accenno ad un modello con equazioni alle derivate parziali. Infine, nell'ultimo capitolo, viene introdotto un modello a tre equazioni differenziali ordinarie a tre compartimenti in cui viene studiata l'interazione tra tre popolazioni di cellule: cellule immunitarie effettrici, cellule ospiti e cellule tumorali.

LA MEMORIA SEMANTICA: analisi della letteratura e modelli qualitativi

La memoria semantica, e la sua correlazione con il linguaggio, sono alla base di molti studi di neuroscienze cognitive e della formulazione di diverse teorie volte a comprendere la loro organizzazione, le unità neurali coinvolte e i meccanismi di apprendimento. In passato si cercava di rispondere a queste domande attraverso lo studio anatomico di lesioni della corteccia cerebrale in relazione al danno mnemonico che ne derivava per andare ad ipotizzare in quale area del cervello una determinata informazione veniva immagazzinata. Ricerche sempre più recenti hanno introdotto nel metodo di studio strumenti ed apparecchiature volte ad aiutare l’indagine e la ricerca, in modo da poter osservare e visualizzare quale area della corteccia viene attivata o disattivata in funzione ad uno specifico stimolo esterno. Infatti, l’attenzione dei ricercatori sui sintomi dei disturbi e sui disturbi stessi della memoria semantica, ha dato luce a molti aspetti importanti riguardo i meccanismi cerebrali fondamentali per la funzione corretta di tale memoria. Nel corso degli anni quindi attraverso questi studi sono stati sviluppati diversi modelli teorici con lo scopo di analizzare e studiare i meccanismi alla base delle diverse memorie, in questo caso della memoria semantica. È grazie a questi modelli che si può cercare di comprendere come la conoscenza del significato di parole e concetti sia immagazzinata nel sistema nervoso e successivamente utilizzata. Pertanto, si esaminano i modelli computazionali tradizionali nell'ambito dei modelli di rete (basati su associazioni libere), dei modelli di caratteristiche (basati su norme di generazione di proprietà) e dei modelli distributivi, discutendo il loro contributo a importanti dibattiti in letteratura sulla rappresentazione della conoscenza e apprendimento. Inoltre, si valuta come i moderni modelli computazionali, ad esempio modelli basati sul recupero, stanno rivisitando il tradizionale concetto di memoria "statica".

Analisi dei parametri spinopelvici sul piano coronale nella patologia giunzionale lombare distale in pazienti con scoliosi

La scoliosi è una delle patologie più importanti che affliggono la colonna vertebrale, che può essere trattata chirurgicamente con un intervento di fissazione posteriore per ripristinare l’allineamento della colonna vertebrale sul piano coronale. Questa chirurgia ha al momento un alto tasso di fallimento. Una delle principali complicazioni che portano al fallimento è l’insorgenza di patologia giunzionale lombare distale. In letteratura l’influenza dello sbilanciamento coronale non è stata ancora sufficientemente approfondita. Per questo, l’obiettivo di questo studio è quello di verificare l’esistenza di possibili correlazioni tra i parametri spinopelvici nel piano coronale e l’incidenza della patologia giunzionale distale nella regione lombare. Sono stati selezionati tutti i pazienti affetti da scoliosi che sono stati sottoposti a fissazione spinale strumentata nel 2017 e 2018 all’Istituto Ortopedico Rizzoli. Questi pazienti sono stati poi divisi in due gruppi, un gruppo di controllo che comprendeva 66 pazienti e un gruppo di 31 pazienti che hanno presentato patologia giunzionale distale, andando così incontro a revisione. In entrambi i gruppi sono stati estratti i dati demografici dei pazienti e sono stati misurati i parametri spinopelvici su radiografie in ortostatismo in proiezione anteroposteriore sia precedentemente che successivamente all’intervento di fissazione; per i pazienti affetti da patologia giunzionale distale sono state esaminate anche le radiografie precedenti alla revisione. L'analisi dei risultati di questo studio ha consentito di ipotizzare possibili correlazioni tra il fallimento di un intervento di fissazione spinale e alcune caratteristiche del paziente, quali età, BMI, sbilanciamento coronale , deviazione della vertebra apice e ampiezza (misurata secondo il metodo di Cobb) delle curve scoliotiche.

Studio di modelli a raggi per Superfici Intelligenti Riconfigurabili

In questa trattazione viene presentato lo studio di un modello a raggi che permette di simulare il comportamento macroscopico delle Superfici Intelligenti. L’ottimizzazione del canale radio, in particolare dell’ambiente di propagazione, si rivela fondamentale per la futura introduzione del 6G. Per la pianificazione della propagazione in ambienti ampi, risulta necessario implementare modelli di simulazione. I modelli a raggi possono essere integrati più facilmente all’interno di algoritmi per le previsioni di campo computazionalmente efficienti, come gli algoritmi di Ray Tracing. Nell’elaborato si è analizzato il comportamento del modello, con riferimento a tre funzioni tipiche realizzate da una Superficie Intelligente: il riflettore anomalo, la lente focalizzante e la lente defocalizzante. Attraverso una griglia di ricevitori è stato calcolato il campo dell’onda nelle varie configurazioni. Infine, si sono confrontati i risultati ottenuti con quelli del modello elettromagnetico.

Identificazione parametrica di un modello viscoelastico della meccanica respiratoria

La ventilazione meccanica è un utile strumento per far fronte a patologie respiratorie, ma per avere un risultato ottimale è necessario impostare il ventilatore in modo personalizzato, al fine di rispettare la meccanica respiratoria di ogni paziente. Per far questo si possono utilizzare modelli della meccanica respiratoria dello specifico paziente, i cui parametri devono essere identificati a partire dalla conoscenza di variabili misurabili al letto del paziente. Schranz et al. hanno proposto l’utilizzo di un nuovo metodo, il Metodo Integrale Iterativo, la cui efficacia è stata valutata confrontandone le prestazioni con quelle di altre tecniche consolidate di identificazione parametrica: regressione lineare multipla, algoritmi iterativi e metodo integrale. Tutti questi metodi sono stati applicati ad un modello viscoelastico del secondo ordine della meccanica respiratoria utilizzando sia dati simulati sia dati clinici. Da questa analisi comparata è emerso che nel caso di simulazioni prive di rumore quasi tutti i metodi sono risultati efficaci, seppur con tempi di calcolo diversi; mentre nel caso più realistico con la sovrapposizione del disturbo l’affidabilità ha subito un ridimensionamento notevole in quasi tutti i casi, fatta eccezione per il metodo Simplex Search (SSM) e il Metodo Integrale Iterativo (IIM). Entrambi hanno fornito approssimazioni soddisfacenti con errori minimi, ma la prestazione di IIM è stata decisamente superiore in termini di velocità (fino a 50 volte più rapido) e di indipendenza dai parametri iniziali. Il metodo SSM, infatti, per dare buoni risultati necessita di una stima iniziale dei parametri, dalla quale far partire l’iterazione. Data la sua natura iterativa, IIM ha invece dimostrato di poter arrivare a valori realistici dei parametri anche in caso di condizioni iniziali addirittura fuori dal range fisiologico. Per questo motivo il Metodo IIM si pone come un utile strumento di supporto alla ventilazione meccanica controllata.

Studio e analisi termo-strutturale di modelli stampati 3D FDM per materiali polimerici

A fianco ai metodi più tradizionali, fin ora utilizzati, le tecnologie additive hanno subito negli ultimi anni una notevole evoluzione nella produzione di componenti. Esse permettono un ampio di range di applicazioni utilizzando materiali differenti in base al settore di applicazione. In particolare, la stampa 3D FDM (Fused Deposition Modeling) rappresenta uno dei processi tecnologici additivi più diffusi ed economicamente più competitivi. Le tempistiche e le richieste industriali obbligano sempre di più i progettisti ad uno studio predittivo delle problematiche che si possono incontrare in fare produttiva. In ambito strutturale questo è già da diversi anni la norma per componenti realizzati con tecnologia tradizionale. In ambito termico, invece, si procede ancora troppo spesso per tentativi seguendo l’esperienza del singolo. Per questo motivo, è necessario uno studio approfondito e un metodo per caratterizzare i transitori termici. Per fare ciò è necessario introdurre un modello semplificativo attraverso l’uso su un provino cilindrico. Questa semplice geometria permette di mettere in relazione la soluzione analitica, la soluzione approssimata agli elementi finiti e la soluzione sperimentale. Una volta ottenuti questi risultati sarà poi possibile, mantenendo invariati il ciclo termico e le caratteristiche termo-strutturali del materiale, modificare a piacimento la geometria per analizzare un qualsiasi componente. Questo approccio permette quindi di realizzare delle analisi FEM sui componenti da stampare e di predirne i gradienti termici e le deformazioni a partire dalle caratteristiche del materiale, della geometria e del ciclo termico a cui sono sottoposti. Permettendo così di valutare in modo preventivo e predittivo problematiche di stabilità geometrica e strutturale.

Algoritmi di ottimizzazione per la pianificazione delle attività di un satellite

L'obiettivo principale di molti problemi industriali è tipicamente massimizzare i profitti o minimizzare costi o tempi di produzione. Questi problemi sono detti "di ottimizzazione" poiché bisogna ottimizzare determinati processi o attività attraverso decisioni che portino alla soluzione ottima del problema. Il giusto utilizzo di modelli matematici può condurre, tramite l'utilizzo di algoritmi esatti, alla soluzione ottima di un problema di questo tipo. Queste tecniche sono spesso basate su l'enumerazione completa di tutte le possibili soluzioni e ciò potrebbe pertanto richiedere una quantità di calcoli talmente elevata da renderle di fatto inutilizzabili. Per risolvere problemi di grandi dimensioni vengono quindi utilizzati i cosiddetti algoritmi euristici, i quali non assicurano di trovare la soluzione ottima del problema, ma promettono di trovarne una di buona qualità. In questa tesi vengono analizzati, sviluppati e confrontati entrambi gli approcci, attraverso l'analisi di un problema reale che richiede la pianificazione delle attività di un satellite.