Agents Based Algorithms for Design Parameter Estimation in Contaminant Transport Inverse Problems

A considerable amount of work has been dedicated on the development of analytical solutions for flow of chemical contaminants through soils. Most of the analytical solutions for complex transport problems are closed-form series solutions. The convergence of these solutions depends on the eigen values obtained from a corresponding transcendental equation. Thus, the difficulty in obtaining exact solutions from analytical models encourages the use of numerical solutions for the parameter estimation even though, the later models are computationally expensive. In this paper a combination of two swarm intelligence based algorithms are used for accurate estimation of design transport parameters from the closed-form analytical solutions. Estimation of eigen values from a transcendental equation is treated as a multimodal discontinuous function optimization problem. The eigen values are estimated using an algorithm derived based on glowworm swarm strategy. Parameter estimation of the inverse problem is handled using standard PSO algorithm. Integration of these two algorithms enables an accurate estimation of design parameters using closed-form analytical solutions. The present solver is applied to a real world inverse problem in environmental engineering. The inverse model based on swarm intelligence techniques is validated and the accuracy in parameter estimation is shown. The proposed solver quickly estimates the design parameters with a great precision.

A semi-analytical solution for multilayer diffusion in a composite medium consisting of a large number of layers

Diffusion in a composite slab consisting of a large number of layers provides an ideal prototype problem for developing and analysing two-scale modelling approaches for heterogeneous media. Numerous analytical techniques have been proposed for solving the transient diffusion equation in a one-dimensional composite slab consisting of an arbitrary number of layers. Most of these approaches, however, require the solution of a complex transcendental equation arising from a matrix determinant for the eigenvalues that is difficult to solve numerically for a large number of layers. To overcome this issue, in this paper, we present a semi-analytical method based on the Laplace transform and an orthogonal eigenfunction expansion. The proposed approach uses eigenvalues local to each layer that can be obtained either explicitly, or by solving simple transcendental equations. The semi-analytical solution is applicable to both perfect and imperfect contact at the interfaces between adjacent layers and either Dirichlet, Neumann or Robin boundary conditions at the ends of the slab. The solution approach is verified for several test cases and is shown to work well for a large number of layers. The work is concluded with an application to macroscopic modelling where the solution of a fine-scale multilayered medium consisting of two hundred layers is compared against an “up-scaled” variant of the same problem involving only ten layers.

Group Beliefs : Studies on the Nature and Logic of Collective Doxastic Attitudes

This thesis studies the nature and logic of collective doxastic attitudes, or what is referred to in ordinary language as "group beliefs". Beliefs and other intentional attitudes are attributed to groups and collections of people, and such attributions are used to explain and predict the actions of groups. The thesis develops an understanding of group beliefs as voluntarily adopted views or acceptances rather than as ordinary beliefs. Such an understanding can provide new answers to questions concerning collective knowledge and justification of group beliefs, and it allows developing modal logics with collective doxastic and epistemic notions. The thesis consists of six articles. The first three articles are philosophical studies concerned with the nature of group beliefs. The last three articles are logical studies that aim at developing proof-theoretical calculi for reasoning about collective doxastic attitudes.

Knowledge through Discussion : An Interpretation of Epistemology in Plato's Meno

According to Meno s paradox we cannot inquire into what we do not know because we do not know what we are inquiring into. There are many ways to interpret the paradox but the central issue about our ability to reach truth is a profound one. In the dialogue Meno, Plato presents the paradox and an outline of a solution which enables us to reach knowledge (epistēmē) through philosophical discussion. During the last century Meno has often been considered transitional between Socratic thinking and Plato s own philosophy, and thus the dialogue has not been adequately interpreted as an integrated whole. Therefore the distinctive epistemology of the dialogue has not gained due notice. In this thesis the dialogue is analysed as an integrated whole and the philosophical interpretation also takes into account its dramatic features. The thesis emphasises the role of language and definitions in acquiring knowledge. Among the results concerning these subjects is a new interpretation of Socrates s defintion of shape (schēma). The theory of anamnēsis all learning is recollection in the Meno is argued to answer the paradox philosophically although Plato s presentation also contains playful and ironic elements. The background of the way Plato presents his case is that he appreciated the fact that no argument can plausibly demonstrate that argumentation is able to reach truth. In the Meno, Plato makes the earliest explicit distinction between knowledge and true belief in the history of Western philosophy. He also gives a definition of knowledge which is the basis of the so called classical definition of knowledge as justified true belief. In the Meno, true beliefs become knowledge when someone ties them down by reasoning about the explanation. The analysis of the epistemology of the dialogue from this perspective gives an interpretation which integrates the central concepts of the epistemology in the dialogue elenchos, anamnēsis and hypothetical inquiry into a unified whole which contains a plausible argument according to which the ignorant can reach knowledge through discussion. The conception that emerges by such an analysis is interesting both from the point of view of current interests and that of the history of philosophy. The method of knowledge acquisition in the Meno can, for example, be seen as a predecessor of modern scientific methods. The Meno is the earliest Greek mathematical text that has survived in its original form. The analysis presented in the thesis of the geometric passages in the dialogue provides new results both concerning Socrates s geometry lesson with the slave and the example presenting the hypothetical method. Concerning the latter, a new interpretation is presented. Keywords: anamnēsis, epistēmē, knowledge, Meno s paradox, Plato

Etiikan tutkimuksen funktio Aristoteleella ja Nikomakhoksen etiikan tulkintaperinteet

Käytännöllisen filosofian historian alaan kuuluva Pro Gradu -tutkielmani pyrkii vastaamaan kysymykseen, mikä on etiikan tutkimuksen funktio Aristoteleen Nikomakhoksen etiikassa. Tarkastelen Nikomakhoksen etiikan tulkintaperinteitä ja erityisesti Aristoteleen etiikan egoistisesta perusluonteesta käytyä keskustelua. Tutkimuksessa kyysenalaistan oletuksen, että etiikan teorian funktio Aristoteleella olisi ollut sama kuin mikä se modernissa etiikassa on. Tutkimuksessani totean antiikin etiikan ja modernin moraalikäsityksen erot ja tuon esiin sen, kuinka helposti modernit Aristoteles-kommentaattorit lankeavat anakronismiin. Tämä tulee esiin egoismi-keskustelussa ja siinä, millaisia asioita keskustelun osapuolet vaativat Aristoteleen etiikalta tai olettavat etiikan teorian sisältävän. Keskustelu Aristoteleen etiikan egoismista toimii esimerkkinä, jonka kautta valoitetaan modernien tulkintaperinteiden ongelmia. Tutkimuksessa päädytään kumoamaan ongelmallisena tulkintaperinne, jonka mukaan Aristoteleen eettinen naturalismi voisi tarjota rationaalisen perustan etiikalle. Myös perinteinen käsitys Aristoteleen etiikan teorian funktiosta hylätään ja päädytään esittämään että Aristoteleen etiikka on perusluonteeltaan erottamatonta politiikasta ja antiikin kreikan kaupunkivaltion poliittisesta rakenteesta. Tämän johdosta kyseenalaistetaan vakavasti mahdollisuus soveltaa Aristoteleen etiikkaa moderniin maailmaan. Johtopäätöksenä on, että Nikomakhoksen etiikka on enemmänkin lainsäätäjille/valtiomiehille (tai sellaiseksi aikoville) suunnattua asiantuntijakirjallisuutta kuin yksityiselle ihmiselle hänen omassa elämässään vastauksia tarjoava opas. Etiikan teorian tarkoituksena on näyttää lainsäätäjille kokonaiskuva, mihin suuntaan heidän tulisi lainsäädännöllään kansalaisia ohjata.

Kantin käsitys ystävyydestä ja rakkaudesta

Tässä tutkielmassa tarkastellaan Immanuel Kantin käsitystä ideaalista ystävyydestä. Tarkoituksena oli ratkaista sen olemassa olo rakkauden vastavuoroisuuden perusteella. Ystävyys on ollut antiikista lähtien filosofialle merkittävä ongelma. Immanuel Kant käsittelee ystävyyttä kahdessa teoksessaan The Metaphysics of Morals ja Lectures on Ethics. Kantin ystävyyskäsitys sisältää neljä erilaista ystävyyden lajia. Ne ovat tarveystävyys, esteettinen ystävyys, intiimiystävyys ja ideaali ystävyys. Tarveystävyys perustuu hyödyn tavoittelulle. Esteettisellä ystävyydellä tarkoitetaan nautintoja hakevaa ystävyyttä. Intiimiystävyys on luonteen ystävyyttä. Ideaali ystävyys on Kantin käsitys täydellisestä ystävyydestä. Ideaalissa ystävyydessä niin kuin intiimiystävyydessä tärkeintä on keskusteleminen. Rakkauden tasapainon selvittämiseksi tutustuttiin Kantin käsityksiin rakkaudesta. Rakkauden lajeja Kantilta esittelin viisi. Niiden lisäksi onnellisuus oli tunne, joka vaikutti ystävyyden muodostumiseen. Rakkauden lajeja ovat itserakkaus, eros, agape, philia ja amor benevolentiae. Itserakkaus on itsensä rakastamista. Eros on intohimoa korostava rakkauden laji. Se kuuluu avioliittoon, ei ystävyyteen. Agape tunnetaan lähimmäisenrakkautena. Philia eroaa agapesta siten, että se on kiinnostunut joistain rakastettavista piirteistä toisessa yksilössä. Amor benevolentiae on hyväntahtoisuuden osoittamista. Rakkaus, joka ystävien välillä ilmeni vastavuoroisena, vahvistui lajiltaan philiaksi. Vastavuoroisuus ystävien kesken vaatii ajan ja paikan. Vastavuoroisuutta vaikeuttaa epävarmuus siitä. Vastavuoroisuudesta on saatava runsaasti todisteita. Todisteita saadaan tavoilla, jotka ystävät ymmärtävät. Ymmärtäminen edellyttää yhteisiä viestintäkeinoja. Kun tarpeeksi toisiinsa luottavat ystävät keskustelevat keskenään, he myös muovaavat toistensa persoonia. Silloin he tekevät toisistaan rakastettavampia. Tutkimukseni perusteella ideaali ystävyys on mahdollinen. Vastavuoroisuus rakkaudessa onnistuu, jos ystävät muokkaavat toisiaan. Ideaali ystävyys on molemminpuolisen kehittymisen tulos, jolloin ystävät tekevät toisistaan itsensä kaltaisia ja pystyvät rakastamaan toista kuin itseään.

Elämän jatkumo Leibnizillä

Leeuwenhoekin kokeilut mikroskoopilla 1600-luvun lopulla olivat G. W. Leibnizille suuri innoituksen lähde. Monadologia-teoksessaan Leibniz hehkutti keksinnön merkitystä ja antoi ymmärtää, että sillä löydetyt pikkuruiset eliöt todistivat hänen metafyysisen pluralisminsa oikeaksi. Hänen mukaansa "huomataan, että pienimmässäkin osasessa ainetta on kokonainen elävien olioiden, eläinten, entelekhioiden ja sielujen maailma." Näin Leibnizin ajatus elämän jatkumosta sai uutta pontta. Keksinnön vaikutus näkyy myös Leibnizin teoksessa Uusia esseitä inhimillisestä ymmärryksestä, jossa hän esittelee pienet perseptiot, joita voidaan pitää tietoteoreettisena vastineena pieneliöille. Tarkastelen esitelmässäni Leibnizin reaktioita mikroskooppiin ja sen antamaan uuteen kuvaan elämästä ja keskustelen joistakin Leibnizin filosofian piirteistä, joissa voidaan huomata uuden keksinnön vaikutusta.

An exact analysis for vibration of simply-supported homogeneous and laminated thick rectangular plates

A three-dimensional linear, small deformation theory of elasticity solution by the direct method is developed for the free vibration of simply-supported, homogeneous, isotropic, thick rectangular plates. The solution is exact and involves determining a triply infinite sequence of eigenvalues from a doubly infinite set of closed form transcendental equations. As no restrictions are placed on the thickness variation of stresses or displacements, this formulation yields a triply infinite spectrum of frequencies, instead of only one doubly infinite spectrum by thin plate theory and three doubly infinite spectra by Mindlin's thick plate theory. Further, the present analysis yields symmetric thickness modes which neither of the approximate theories can identify. Some numerical results from the two approximate theories are compared with those from the present solution and some important conclusions regarding the effect of the assumptions made in the approximate theories are drawn. The thickness variations of stresses and displacements are also discussed. The analysis is readily extended for laminated plates of isotropic materials. Numerical results are also given for three-ply laminates, and are used to assess the accuracy of thin plate theory predictions for laminates. Extension to general lateral surface conditions and forced vibrations is indicated.

Topeliaaninen usko : Kirjailija Sakari Topelius uskontokasvattajana

ABSTRACT The author Zacharias Topelius as a religious educator The present study concerns the author Zacharias Topelius (1818-98) as a religious educator. The study´s main questions are as follows: What is the theological and pedagogical content of Topelius books and how is his religious instruction linked with the history of his time. The primary sources are his educational books Naturens bok (The Book of the Nature, 1856), Boken om vårt land (The Book of our Land, 1875) and Evangelium för Barnen (Gospel for Children, 1893), as well as his storybooks Läsning för barn I-VIII (Reading for Children I-VIII, 1865-96). The dissertation concerns the his-tory of religious education. Its primary method is background-based systematic analy-sis. In Topelius children s books the view of God is characterised both as an omnipresent spirit and as Providence, who guides world history according to his plan. In addition to Lutheranism this view is also influenced by Nationalism and Romanticism. The theological content of the books emphasises instruction in Christian life that is natural to normative children s books. Topelius strongly expresses the importance of a personal relationship to God, an idealistic Christian view of one s fellow man and of one s own nation as well as the value of nature conservation. The books of Topelius were some of the first educational works on nature preservation in Finland. The didactic quality of Topelius children s books was high for 19th century Finland. Their main emphasis in terms of educational goals is on civilisation (Bildung), self-awareness, national solidarity and living idealism. The pedagogical argumentation is mostly based on theological, historical, social and rational reasoning. The primary principles in Topelius teaching are Christian nationalism, idealistic harmony and the agrarian bourgeois. Christian nationalism is the main element of Topelius religious education. He considers the fatherland as a God-given project and the taking care of it as a part of holy service. Idealistic harmony is seen as the comprehensive development of one s character in the sense of romantic idealism. The agrarian bourgeois principle combines the Finnish peasant tradition with the values of 19th century modern bourgeois culture. I have named Topelius vision of religious education the Christian national project of civilisation (Bildung). Its main theses are home, religion and fatherland. The author himself strongly believed in this vision and never questioned it despite its national chauvinism and theological inconsistency. The religious ideology represented in Topelius educational works and storybooks was popular among pedagogues during the whole era of the Finnish folk school. It fit per-fectly with the Christian national discourse stemming from 19th century ideological ten-dencies. Due to their appropriate content combined with their practical language and pedagogical methods, the books were popular both at school and in the home for a long period of time. Therefore the books of Topelius aptly symbolise the religious education of their time and manifest their author s pedagogical talent as a national religious educator and as a populariser of Christian nationalism. Topelius books have had a lasting influence on Finnish religiosity. Key words: Topelius, theology, religion, education, nationalism and national project

Generalizations and Models in Ecology : Lawlikeness, Invariance, Stability, and Robustness

The question at issue in this dissertation is the epistemic role played by ecological generalizations and models. I investigate and analyze such properties of generalizations as lawlikeness, invariance, and stability, and I ask which of these properties are relevant in the context of scientific explanations. I will claim that there are generalizable and reliable causal explanations in ecology by generalizations, which are invariant and stable. An invariant generalization continues to hold or be valid under a special change called an intervention that changes the value of its variables. Whether a generalization remains invariant during its interventions is the criterion that determines whether it is explanatory. A generalization can be invariant and explanatory regardless of its lawlike status. Stability deals with a generality that has to do with holding of a generalization in possible background conditions. The more stable a generalization, the less dependent it is on background conditions to remain true. Although it is invariance rather than stability of generalizations that furnishes us with explanatory generalizations, there is an important function that stability has in this context of explanations, namely, stability furnishes us with extrapolability and reliability of scientific explanations. I also discuss non-empirical investigations of models that I call robustness and sensitivity analyses. I call sensitivity analyses investigations in which one model is studied with regard to its stability conditions by making changes and variations to the values of the model s parameters. As a general definition of robustness analyses I propose investigations of variations in modeling assumptions of different models of the same phenomenon in which the focus is on whether they produce similar or convergent results or not. Robustness and sensitivity analyses are powerful tools for studying the conditions and assumptions where models break down and they are especially powerful in pointing out reasons as to why they do this. They show which conditions or assumptions the results of models depend on. Key words: ecology, generalizations, invariance, lawlikeness, philosophy of science, robustness, explanation, models, stability

Pala kakusta : tulonjaon oikeudenmukaisuus modernissa poliittisessa filosofiassa

Pro gradu -tutkielmani käsittelee tulonjaon oikeudenmukaisuuteen liittyviä kysymyksiä viime vuosikymmenien poliittisessa filosofiassa. Työni tutkimuskohteena ovat erilaiset distribuutiomallit ja redistribuution oikeutus. Lähtökohtanani työssäni toimi John Rawlsin aloittama keskustelu distributiivisesta oikeudenmukaisuudesta. Rawlsin teos A Theory of Justice (1971) toimi modernin tulonjaon oikeudenmukaisuus-keskustelun lähtölaukauksena. Rawlsin näkemyksien pääkommentaattoreina työssäni toimivat G.A Cohen, Robert Nozick, Michael Walzer, Thomas Nagel, Liam Murphy ja Thomas Pogge. Tutkimukseni tarkoituksena on tutkia yhteiskunnallisen tulonjaon oikeudenmukaisuutta. Käsittelen kysymyksiä siitä kuinka yhteiskunnalliset hyvät tulisi jakaa ja millaisia tulisi olla niiden rakenteellisten ratkaisujen, jotka mahdollistavat oikeudenmukai- sen yhteiskunnan. Toinen tärkeä kysymys työssäni on, kuinka voimme oikeuttaa jo kertaalleen jaetun uudelleenjakamisen eli redistribuution, ilman että kajoamme yksilöiden perusoikeuksiin. Tutkin työssäni distribuutioon ja redistribuutioon liittyvien näkemysten suhdetta niihin arvoihin, joita länsimaiset liberalismiin ja demokratiaan sitoutuneet yhteiskunnat korostavat, kuten ihmisten perusoikeudet, riittävä toimeentulo ja vapaus. Millaisilla tulonjakoon liittyvillä keinolla voimme päästä lähemmäksi kyseisten arvoja toteutumista yhteiskunnissamme? Tällöin kuvaan astuu myös kysymys lähtökohtien ja lopputuloksen oikeudenmukaisuuden merkityksestä. Voimmeko muutella toteutettua distribuutiota redistribuution avulla, jos emme saa aikaan niitä tuloksia, joita olimme toivoneet? Työni lopussa kysyn: jos toteamme, että meidän tulisi pyrkiä kohti oikeudenmukaisempaa tulonjakoa kansallisvaltioiden sisällä, niin miten tämän tulisi vaikuttaa näkemyksiimme kansainvälisestä tulonjaosta? Tutkimuksessani selvisi, että on vaikea löytää moraalisia perusteita sille, miksi yhteiskunnissamme ei tulisi pyrkiä kohti tasa- arvoisempaa tulonjakoa. Markkinoiden vapautta ja absoluuttisia omistusoikeuksia korostavilla näkemyksillä ei ole moraalisesti kestäviä perusteita, minkä vuoksi niihin vetoaminen ei ole riittävä syy olla puuttumatta tulonjakoon oikeudenmukaisuuden näkökulmasta. Länsimaisissa yhteiskunnissa arvopohjanamme ovat ihmis- ja kansalaisoikeudet. Samoin on linjattu, että yhteis- kuntaan kuuluu alueita, jotka eivät toimi markkinapohjaisesti. Yhteiskunnan puuttuminen tulonjakoon ei itsessään loukkaa kenenkään perusoikeuksia Redistribuutio on osa samaa prosessia kuin distribuutio. Mitään distribuutiota on vaikea pitää abso- luuttisena, eikä mikään distribuutio pysy muuttumattomana. Näin ollen redistribuutio jatkaa samaa oikeudenmukaisen jaon pyrkimystä, mikä ilmeni aikaisemmassa jaossa. Asioiden uudelleenjakaminen hyvästä syystä ei ole itsessään moraalisesti kestämätöntä. Verotusta on vaikea pitää moraalisena ongelmana, sillä verotus linkittyy yhteiskunnissamme samaan rakenteeseen kuin omistusoikeudet. Näin ollen samalla kun yhteiskunta takaa omistusoikeudet, se varaa myös oikeuden puuttua tulonjakoon.

A Possible and Necessary Consistency Proof

After Gödel's incompleteness theorems and the collapse of Hilbert's programme Gerhard Gentzen continued the quest for consistency proofs of Peano arithmetic. He considered a finitistic or constructive proof still possible and necessary for the foundations of mathematics. For a proof to be meaningful, the principles relied on should be considered more reliable than the doubtful elements of the theory concerned. He worked out a total of four proofs between 1934 and 1939. This thesis examines the consistency proofs for arithmetic by Gentzen from different angles. The consistency of Heyting arithmetic is shown both in a sequent calculus notation and in natural deduction. The former proof includes a cut elimination theorem for the calculus and a syntactical study of the purely arithmetical part of the system. The latter consistency proof in standard natural deduction has been an open problem since the publication of Gentzen's proofs. The solution to this problem for an intuitionistic calculus is based on a normalization proof by Howard. The proof is performed in the manner of Gentzen, by giving a reduction procedure for derivations of falsity. In contrast to Gentzen's proof, the procedure contains a vector assignment. The reduction reduces the first component of the vector and this component can be interpreted as an ordinal less than epsilon_0, thus ordering the derivations by complexity and proving termination of the process.