Topological strings, double affine Hecke algebras, and exceptional knot homology

In this thesis, we consider two main subjects: refined, composite invariants and exceptional knot homologies of torus knots. The main technical tools are double affine Hecke algebras ("DAHA") and various insights from topological string theory.

In particular, we define and study the composite DAHA-superpolynomials of torus knots, which depend on pairs of Young diagrams and generalize the composite HOMFLY-PT polynomials from the full HOMFLY-PT skein of the annulus. We also describe a rich structure of differentials that act on homological knot invariants for exceptional groups. These follow from the physics of BPS states and the adjacencies/spectra of singularities associated with Landau-Ginzburg potentials. At the end, we construct two DAHA-hyperpolynomials which are closely related to the Deligne-Gross exceptional series of root systems.

In addition to these main themes, we also provide new results connecting DAHA-Jones polynomials to quantum torus knot invariants for Cartan types A and D, as well as the first appearance of quantum E6 knot invariants in the literature.

像差对星间激光通信相互对准误差的影响

We analyze mutual alignment errors due to wave-front aberrations. To solve the central obscured problem, we introduce modified Zernike polynomials, which are a set of complete orthogonal polynomials. It is found that different aberrations have different effects on mutual alignment errors. Some aberrations influence only the line of sight, while some aberrations influence both the line of sight and the intensity distributions. (c) 2005 Optical Society of America

Symmetric representation of an integral domain over a subdomain

Let F(θ) be a separable extension of degree n of a field F. Let Δ and D be integral domains with quotient fields F(θ) and F respectively. Assume that Δ ᴝ D. A mapping φ of Δ into the n x n D matrices is called a Δ/D rep if (i) it is a ring isomorphism and (ii) it maps d onto dI_n whenever d ϵ D. If the matrices are also symmetric, φ is a Δ/D symrep.

Every Δ/D rep can be extended uniquely to an F(θ)/F rep. This extension is completely determined by the image of θ. Two Δ/D reps are called equivalent if the images of θ differ by a D unimodular similarity. There is a one-to-one correspondence between classes of Δ/D reps and classes of Δ ideals having an n element basis over D.

The condition that a given Δ/D rep class contain a Δ/D symrep can be phrased in various ways. Using these formulations it is possible to (i) bound the number of symreps in a given class, (ii) count the number of symreps if F is finite, (iii) establish the existence of an F(θ)/F symrep when n is odd, F is an algebraic number field, and F(θ) is totally real if F is formally real (for n = 3 see Sapiro, “Characteristic polynomials of symmetric matrices” Sibirsk. Mat. Ž. 3 (1962) pp. 280-291), and (iv) study the case D = Z, the integers (see Taussky, “On matrix classes corresponding to an ideal and its inverse” Illinois J. Math. 1 (1957) pp. 108-113 and Faddeev, “On the characteristic equations of rational symmetric matrices” Dokl. Akad. Nauk SSSR 58 (1947) pp. 753-754).

The case D = Z and n = 2 is studied in detail. Let Δ’ be an integral domain also having quotient field F(θ) and such that Δ’ ᴝ Δ. Let φ be a Δ/Z symrep. A method is given for finding a Δ’/Z symrep ʘ such that the Δ’ ideal class corresponding to the class of ʘ is an extension to Δ’ of the Δ ideal class corresponding to the class of φ. The problem of finding all Δ/Z symreps equivalent to a given one is studied.

Some generalizations of commutativity for linear transformations on a finite dimensional vector space

Let L be the algebra of all linear transformations on an n-dimensional vector space V over a field F and let A, B, ƐL. Let A_i+1 = A_iB - BA_i, i = 0, 1, 2,…, with A = A_o. Let f_k (A, B; σ) = A_2K+1 - ^σ1^A2K-1 ^{+ σ}2^A2K-3 -… +(-1)^Kσ_KA₁ where σ = (σ₁, σ₂,…, σ_K), σ_i belong to F and K = k(k-1)/2. Taussky and Wielandt [Proc. Amer. Math. Soc., 13(1962), 732-735] showed that f_n(A, B; σ) = 0 if σ_i is the i^th elementary symmetric function of (β₄- β_s)², 1 ≤ r ˂ s ≤ n, i = 1, 2, …, N, with N = n(n-1)/2, where β₄ are the characteristic roots of B. In this thesis we discuss relations involving f_k(X, Y; σ) where X, Y Ɛ L and 1 ≤ k ˂ n. We show: 1. If F is infinite and if for each X Ɛ L there exists σ so that f_k(A, X; σ) = 0 where 1 ≤ k ˂ n, then A is a scalar transformation. 2. If F is algebraically closed, a necessary and sufficient condition that there exists a basis of V with respect to which the matrices of A and B are both in block upper triangular form, where the blocks on the diagonals are either one- or two-dimensional, is that certain products X₁, X₂…X_r belong to the radical of the algebra generated by A and B over F, where X_i has the form f₂(A, P(A,B); σ), for all polynomials P(x, y). We partially generalize this to the case where the blocks have dimensions ≤ k. 3. If A and B generate L, if the characteristic of F does not divide n and if there exists σ so that f_k(A, B; σ) = 0, for some k with 1 ≤ k ˂ n, then the characteristic roots of B belong to the splitting field of g_k(w; σ) = w^2K+1 - σ₁w^2K-1 + σ₂w^2K-3 - …. +(-1)^K σ_Kw over F. We use this result to prove a theorem involving a generalized form of property L [cf. Motzkin and Taussky, Trans. Amer. Math. Soc., 73(1952), 108-114]. 4. Also we give mild generalizations of results of McCoy [Amer. Math. Soc. Bull., 42(1936), 592-600] and Drazin [Proc. London Math. Soc., 1(1951), 222-231].

Geometrical effects on the resonance absorption of neutrons

An investigation was conducted to estimate the error when the flat-flux approximation is used to compute the resonance integral for a single absorber element embedded in a neutron source.

The investigation was initiated by assuming a parabolic flux distribution in computing the flux-averaged escape probability which occurs in the collision density equation. Furthermore, also assumed were both wide resonance and narrow resonance expressions for the resonance integral. The fact that this simple model demonstrated a decrease in the resonance integral motivated the more detailed investigation of the thesis.

An integral equation describing the collision density as a function of energy, position and angle is constructed and is subsequently specialized to the case of energy and spatial dependence. This equation is further simplified by expanding the spatial dependence in a series of Legendre polynomials (since a one-dimensional case is considered). In this form, the effects of slowing-down and flux depression may be accounted for to any degree of accuracy desired. The resulting integral equation for the energy dependence is thus solved numerically, considering the slowing down model and the infinite mass model as separate cases.

From the solution obtained by the above method, the error ascribable to the flat-flux approximation is obtained. In addition to this, the error introduced in the resonance integral in assuming no slowing down in the absorber is deduced. Results by Chernick for bismuth rods, and by Corngold for uranium slabs, are compared to the latter case, and these agree to within the approximations made.

Estimation of catalyst activity profiles and deactivation parameters from reactor operating data with applications to naphtha reforming

Techniques are developed for estimating activity profiles in fixed bed reactors and catalyst deactivation parameters from operating reactor data. These techniques are applicable, in general, to most industrial catalytic processes. The catalytic reforming of naphthas is taken as a broad example to illustrate the estimation schemes and to signify the physical meaning of the kinetic parameters of the estimation equations. The work is described in two parts. Part I deals with the modeling of kinetic rate expressions and the derivation of the working equations for estimation. Part II concentrates on developing various estimation techniques.

Part I: The reactions used to describe naphtha reforming are dehydrogenation and dehydroisomerization of cycloparaffins; isomerization, dehydrocyclization and hydrocracking of paraffins; and the catalyst deactivation reactions, namely coking on alumina sites and sintering of platinum crystallites. The rate expressions for the above reactions are formulated, and the effects of transport limitations on the overall reaction rates are discussed in the appendices. Moreover, various types of interaction between the metallic and acidic active centers of reforming catalysts are discussed as characterizing the different types of reforming reactions.

Part II: In catalytic reactor operation, the activity distribution along the reactor determines the kinetics of the main reaction and is needed for predicting the effect of changes in the feed state and the operating conditions on the reactor output. In the case of a monofunctional catalyst and of bifunctional catalysts in limiting conditions, the cumulative activity is sufficient for predicting steady reactor output. The estimation of this cumulative activity can be carried out easily from measurements at the reactor exit. For a general bifunctional catalytic system, the detailed activity distribution is needed for describing the reactor operation, and some approximation must be made to obtain practicable estimation schemes. This is accomplished by parametrization techniques using measurements at a few points along the reactor. Such parametrization techniques are illustrated numerically with a simplified model of naphtha reforming.

To determine long term catalyst utilization and regeneration policies, it is necessary to estimate catalyst deactivation parameters from the the current operating data. For a first order deactivation model with a monofunctional catalyst or with a bifunctional catalyst in special limiting circumstances, analytical techniques are presented to transform the partial differential equations to ordinary differential equations which admit more feasible estimation schemes. Numerical examples include the catalytic oxidation of butene to butadiene and a simplified model of naphtha reforming. For a general bifunctional system or in the case of a monofunctional catalyst subject to general power law deactivation, the estimation can only be accomplished approximately. The basic feature of an appropriate estimation scheme involves approximating the activity profile by certain polynomials and then estimating the deactivation parameters from the integrated form of the deactivation equation by regression techniques. Different bifunctional systems must be treated by different estimation algorithms, which are illustrated by several cases of naphtha reforming with different feed or catalyst composition.

New doubly periodic waves of the (2+1)-dimensional double sine-Gordon equation

New exact solutions of the (2 + 1)-dimensional double sine-Gordon equation are studied by introducing the modified mapping relations between the cubic nonlinear Klein-Gordon system and double sine-Gordon equation. Two arbitrary functions are included into the Jacobi elliptic function solutions. New doubly periodic wave solutions are obtained and displayed graphically by proper selections of the arbitrary functions.

Manual de mecánica teórica

Índice: - Formulación Lagrangiana. - Formulación Hamiltoniana. - Ecuación de Hamilton-Jacobi. - Teoría de Perturbaciones. - Sistemas Continuos. - Mecánica y Geometría Diferencia

Implementação paralela do algoritmo iterativo de busca do parâmetro de regularização ótimo para o funcional de Tikhonov no problema de restauração de imagens

O uso de técnicas com o funcional de Tikhonov em processamento de imagens tem sido amplamente usado nos últimos anos. A ideia básica nesse processo é modificar uma imagem inicial via equação de convolução e encontrar um parâmetro que minimize esse funcional afim de obter uma aproximação da imagem original. Porém, um problema típico neste método consiste na seleção do parâmetro de regularização adequado para o compromisso entre a acurácia e a estabilidade da solução. Um método desenvolvido por pesquisadores do IPRJ e UFRJ, atuantes na área de problemas inversos, consiste em minimizar um funcional de resíduos através do parâmetro de regularização de Tikhonov. Uma estratégia que emprega a busca iterativa deste parâmetro visando obter um valor mínimo para o funcional na iteração seguinte foi adotada recentemente em um algoritmo serial de restauração. Porém, o custo computacional é um fator problema encontrado ao empregar o método iterativo de busca. Com esta abordagem, neste trabalho é feita uma implementação em linguagem C++ que emprega técnicas de computação paralela usando MPI (Message Passing Interface) para a estratégia de minimização do funcional com o método de busca iterativa, reduzindo assim, o tempo de execução requerido pelo algoritmo. Uma versão modificada do método de Jacobi é considerada em duas versões do algoritmo, uma serial e outra em paralelo. Este algoritmo é adequado para implementação paralela por não possuir dependências de dados como de Gauss-Seidel que também é mostrado a convergir. Como indicador de desempenho para avaliação do algoritmo de restauração, além das medidas tradicionais, uma nova métrica que se baseia em critérios subjetivos denominada IWMSE (Information Weighted Mean Square Error) é empregada. Essas métricas foram introduzidas no programa serial de processamento de imagens e permitem fazer a análise da restauração a cada passo de iteração. Os resultados obtidos através das duas versões possibilitou verificar a aceleração e a eficiência da implementação paralela. A método de paralelismo apresentou resultados satisfatórios em um menor tempo de processamento e com desempenho aceitável.

Helmholtz Fermi surface harmonics: an efficient approach for treating anisotropic problems involving Fermi surface integrals

We present a new efficient numerical approach for representing anisotropic physical quantities and/or matrix elements defined on the Fermi surface (FS) of metallic materials. The method introduces a set of numerically calculated generalized orthonormal functions which are the solutions of the Helmholtz equation defined on the FS. Noteworthy, many properties of our proposed basis set are also shared by the FS harmonics introduced by Philip B Allen (1976 Phys. Rev. B 13 1416), proposed to be constructed as polynomials of the cartesian components of the electronic velocity. The main motivation of both approaches is identical, to handle anisotropic problems efficiently. However, in our approach the basis set is defined as the eigenfunctions of a differential operator and several desirable properties are introduced by construction. The method is demonstrated to be very robust in handling problems with any crystal structure or topology of the FS, and the periodicity of the reciprocal space is treated as a boundary condition for our Helmholtz equation. We illustrate the method by analysing the free-electron-like lithium (Li), sodium (Na), copper (Cu), lead (Pb), tungsten (W) and magnesium diboride (MgB2)

Robust design optimization of gas turbine compression systems

Gas turbine compression systems are required to perform adequately over a range of operating conditions. Complexity has encouraged the conventional design process for compressors to focus initially on one operating point, usually the most commonor arduous, to draw up an outline design. Generally, only as this initial design is refined is its offdesign performance assessed in detail. Not only does this necessarily introduce a potentially costly and timeconsuming extra loop in the design process, but it also may result in a design whose offdesign behavior is suboptimal. Aversion of nonintrusive polynomial chaos was previously developed in which a set of orthonormal polynomials was generated to facilitate a rapid analysis of robustness in the presence of generic uncertainties with good accuracy. In this paper, this analysis method is incorporated in real time into the design process for the compression system of a three-shaft gas turbine aeroengine. This approach to robust optimization is shown to lead to designs that exhibit consistently improved system performance with reduced sensitivity to offdesign operation.

Teoria de controle ótimo com aplicações a sistemas biológicos

Neste trabalho apresentamos as etapas para a utilização do método da Programação Dinâmica, ou Princípio de Otimização de Bellman, para aplicações de controle ótimo. Investigamos a noção de funções de controle de Lyapunov (FCL) e sua relação com a estabilidade de sistemas autônomos com controle. Uma função de controle de Lyapunov deverá satisfazer a equação de Hamilton-Jacobi-Bellman (H-J-B). Usando esse fato, se uma função de controle de Lyapunov é conhecida, será então possível determinar a lei de realimentação ótima; isto é, a lei de controle que torna o sistema globalmente assintóticamente controlável a um estado de equilíbrio. Como aplicação, apresentamos uma modelagem matemática adequada a um problema de controle ótimo de certos sistemas biológicos. Este trabalho conta também com um breve histórico sobre o desenvolvimento da Teoria de Controle de forma a ilustrar a importância, o progresso e a aplicação das técnicas de controle em diferentes áreas ao longo do tempo.

Avaliação dos algoritmos de Picard-Krylov e Newton-Krylov na solução da equação de Richards

A engenharia geotécnica é uma das grandes áreas da engenharia civil que estuda a interação entre as construções realizadas pelo homem ou de fenômenos naturais com o ambiente geológico, que na grande maioria das vezes trata-se de solos parcialmente saturados. Neste sentido, o desempenho de obras como estabilização, contenção de barragens, muros de contenção, fundações e estradas estão condicionados a uma correta predição do fluxo de água no interior dos solos. Porém, como a área das regiões a serem estudas com relação à predição do fluxo de água são comumente da ordem de quilômetros quadrados, as soluções dos modelos matemáticos exigem malhas computacionais de grandes proporções, ocasionando sérias limitações associadas aos requisitos de memória computacional e tempo de processamento. A fim de contornar estas limitações, métodos numéricos eficientes devem ser empregados na solução do problema em análise. Portanto, métodos iterativos para solução de sistemas não lineares e lineares esparsos de grande porte devem ser utilizados neste tipo de aplicação. Em suma, visto a relevância do tema, esta pesquisa aproximou uma solução para a equação diferencial parcial de Richards pelo método dos volumes finitos em duas dimensões, empregando o método de Picard e Newton com maior eficiência computacional. Para tanto, foram utilizadas técnicas iterativas de resolução de sistemas lineares baseados no espaço de Krylov com matrizes pré-condicionadoras com a biblioteca numérica Portable, Extensible Toolkit for Scientific Computation (PETSc). Os resultados indicam que quando se resolve a equação de Richards considerando-se o método de PICARD-KRYLOV, não importando o modelo de avaliação do solo, a melhor combinação para resolução dos sistemas lineares é o método dos gradientes biconjugados estabilizado mais o pré-condicionador SOR. Por outro lado, quando se utiliza as equações de van Genuchten deve ser optar pela combinação do método dos gradientes conjugados em conjunto com pré-condicionador SOR. Quando se adota o método de NEWTON-KRYLOV, o método gradientes biconjugados estabilizado é o mais eficiente na resolução do sistema linear do passo de Newton, com relação ao pré-condicionador deve-se dar preferência ao bloco Jacobi. Por fim, há evidências que apontam que o método PICARD-KRYLOV pode ser mais vantajoso que o método de NEWTON-KRYLOV, quando empregados na resolução da equação diferencial parcial de Richards.

Microscopia multimodal prática: registro automático de imagens de microscopia ótica e de microscopia eletrônica de varredura

A discriminação de fases que são praticamente indistinguíveis ao microscópio ótico de luz refletida ou ao microscópio eletrônico de varredura (MEV) é um dos problemas clássicos da microscopia de minérios. Com o objetivo de resolver este problema vem sendo recentemente empregada a técnica de microscopia colocalizada, que consiste na junção de duas modalidades de microscopia, microscopia ótica e microscopia eletrônica de varredura. O objetivo da técnica é fornecer uma imagem de microscopia multimodal, tornando possível a identificação, em amostras de minerais, de fases que não seriam distinguíveis com o uso de uma única modalidade, superando assim as limitações individuais dos dois sistemas. O método de registro até então disponível na literatura para a fusão das imagens de microscopia ótica e de microscopia eletrônica de varredura é um procedimento trabalhoso e extremamente dependente da interação do operador, uma vez que envolve a calibração do sistema com uma malha padrão a cada rotina de aquisição de imagens. Por esse motivo a técnica existente não é prática. Este trabalho propõe uma metodologia para automatizar o processo de registro de imagens de microscopia ótica e de microscopia eletrônica de varredura de maneira a aperfeiçoar e simplificar o uso da técnica de microscopia colocalizada. O método proposto pode ser subdividido em dois procedimentos: obtenção da transformação e registro das imagens com uso desta transformação. A obtenção da transformação envolve, primeiramente, o pré-processamento dos pares de forma a executar um registro grosseiro entre as imagens de cada par. Em seguida, são obtidos pontos homólogos, nas imagens óticas e de MEV. Para tal, foram utilizados dois métodos, o primeiro desenvolvido com base no algoritmo SIFT e o segundo definido a partir da varredura pelo máximo valor do coeficiente de correlação. Na etapa seguinte é calculada a transformação. Foram empregadas duas abordagens distintas: a média ponderada local (LWM) e os mínimos quadrados ponderados com polinômios ortogonais (MQPPO). O LWM recebe como entradas os chamados pseudo-homólogos, pontos que são forçadamente distribuídos de forma regular na imagem de referência, e que revelam, na imagem a ser registrada, os deslocamentos locais relativos entre as imagens. Tais pseudo-homólogos podem ser obtidos tanto pelo SIFT como pelo método do coeficiente de correlação. Por outro lado, o MQPPO recebe um conjunto de pontos com a distribuição natural. A análise dos registro de imagens obtidos empregou como métrica o valor da correlação entre as imagens obtidas. Observou-se que com o uso das variantes propostas SIFT-LWM e SIFT-Correlação foram obtidos resultados ligeiramente superiores aos do método com a malha padrão e LWM. Assim, a proposta, além de reduzir drasticamente a intervenção do operador, ainda possibilitou resultados mais precisos. Por outro lado, o método baseado na transformação fornecida pelos mínimos quadrados ponderados com polinômios ortogonais mostrou resultados inferiores aos produzidos pelo método que faz uso da malha padrão.

Implementação paralelizada de métodos de resolução de sistemas algébricos na simulação de reservatórios de gás

Desde a década de 1960, devido à pertinência para a indústria petrolífera, a simulação numérica de reservatórios de petróleo tornou-se uma ferramenta usual e uma intensa área de pesquisa. O principal objetivo da modelagem computacional e do uso de métodos numéricos, para a simulação de reservatórios de petróleo, é o de possibilitar um melhor gerenciamento do campo produtor, de maneira que haja uma maximização na recuperação de hidrocarbonetos. Este trabalho tem como objetivo principal paralelizar, empregando a interface de programação de aplicativo OpenMP (Open Multi-Processing), o método numérico utilizado na resolução do sistema algébrico resultante da discretização da equação que descreve o escoamento monofásico em um reservatório de gás, em termos da variável pressão. O conjunto de equações governantes é formado pela equação da continuidade, por uma expressão para o balanço da quantidade de movimento e por uma equação de estado. A Equação da Difusividade Hidráulica (EDH), para a variável pressão, é obtida a partir deste conjunto de equações fundamentais, sendo então discretizada pela utilização do Método de Diferenças Finitas, com a escolha por uma formulação implícita. Diferentes testes numéricos são realizados a fim de estudar a eficiência computacional das versões paralelizadas dos métodos iterativos de Jacobi, Gauss-Seidel, Sobre-relaxação Sucessiva, Gradientes Conjugados (CG), Gradiente Biconjugado (BiCG) e Gradiente Biconjugado Estabilizado (BiCGStab), visando a uma futura aplicação dos mesmos na simulação de reservatórios de gás. Ressalta-se que a presença de heterogeneidades na rocha reservatório e/ou às não-linearidades presentes na EDH para o escoamento de gás aumentam a necessidade de métodos eficientes do ponto de vista de custo computacional, como é o caso de estratégias usando OpenMP.