Noisy Monte Carlo: convergence of Markov chains with approximate transition kernels

Monte Carlo algorithms often aim to draw from a distribution π by simulating a Markov chain with transition kernel P such that π is invariant under P. However, there are many situations for which it is impractical or impossible to draw from the transition kernel P. For instance, this is the case with massive datasets, where is it prohibitively expensive to calculate the likelihood and is also the case for intractable likelihood models arising from, for example, Gibbs random fields, such as those found in spatial statistics and network analysis. A natural approach in these cases is to replace P by an approximation Pˆ. Using theory from the stability of Markov chains we explore a variety of situations where it is possible to quantify how ’close’ the chain given by the transition kernel Pˆ is to the chain given by P . We apply these results to several examples from spatial statistics and network analysis.

Reducing noise associated with the Monte Carlo Independent Column Approximation for weather forecasting models

The Monte Carlo Independent Column Approximation (McICA) is a flexible method for representing subgrid-scale cloud inhomogeneity in radiative transfer schemes. It does, however, introduce conditional random errors but these have been shown to have little effect on climate simulations, where spatial and temporal scales of interest are large enough for effects of noise to be averaged out. This article considers the effect of McICA noise on a numerical weather prediction (NWP) model, where the time and spatial scales of interest are much closer to those at which the errors manifest themselves; this, as we show, means that noise is more significant. We suggest methods for efficiently reducing the magnitude of McICA noise and test these methods in a global NWP version of the UK Met Office Unified Model (MetUM). The resultant errors are put into context by comparison with errors due to the widely used assumption of maximum-random-overlap of plane-parallel homogeneous cloud. For a simple implementation of the McICA scheme, forecasts of near-surface temperature are found to be worse than those obtained using the plane-parallel, maximum-random-overlap representation of clouds. However, by applying the methods suggested in this article, we can reduce noise enough to give forecasts of near-surface temperature that are an improvement on the plane-parallel maximum-random-overlap forecasts. We conclude that the McICA scheme can be used to improve the representation of clouds in NWP models, with the provision that the associated noise is sufficiently small.

Non-LTE Monte Carlo radiative transfer. II. Nonisothermal solutions for viscous Keplerian disks

We discuss the basic hydrodynamics that determines the density structure of the disks around hot stars. Observational evidence supports the idea that these disks are Keplerian (rotationally supported) gaseous disks. A popular scenario in the literature, which naturally leads to the formation of Keplerian disks, is the viscous decretion model. According to this scenario, the disks are hydrostatically supported in the vertical direction, while the radial structure is governed by the viscous transport. This suggests that the temperature is one primary factor that governs the disk density structure. In a previous study we demonstrated, using three-dimensional non-LTE Monte Carlo simulations, that viscous Keplerian disks can be highly nonisothermal. In this paper we build on our previous work and solve the full problem of the steady state nonisothermal viscous diffusion and vertical hydrostatic equilibrium. We find that the self-consistent solution departs significantly from the analytic isothermal density, with potentially large effects on the emergent spectrum. This implies that nonisothermal disk models must be used for a detailed modeling of Be star disks.

The combined effect of copper and low pH on antioxidant defenses and biochemical parameters in neotropical fish pacu, Piaractus mesopotamicus (Holmberg, 1887)

Copper sulfate is widely used in aquaculture. Exposure to this compound can be harmful to fish, resulting in oxidative metabolism alterations and gill tissue damage. Pacu, Piaractus mesopotamicus, (wt = 43.4 +/- A 3.35 g) were distributed in experimental tanks (n = 10; 180 l) and exposed for 48 h to control (without copper addition), 0.4Cu (0.4 mg l(-1)), 0CupH (without copper addition, pH = 5.0) and 0.4CupH (0.4 mg l(-1), pH = 5.0). In liver and red muscle, the superoxide dismutase (SOD) was responsive to the increases in the aquatic copper. The plasmatic intermediary metabolites and hematological variables in the fish of group 0.4Cu were similar to those of the control group. Conversely, the exposure to 0.4CupH caused an increase in the plasmatic lactate, number of red blood cells (RBC) and hemoglobin (Hb). Plasmatic copper concentration [Cu(p)] increased in group 0.4Cu and 0.4CupH, which is higher in group 0.4CupH, suggests an effect of water pH on the absorbed copper. Exposure to 0.4Cu and 0.4CupH resulted in a reduction in the Na(+)/K(+)-ATPase activity and an increase in metallothionein (MT) in the gills. Exposure to 0CupH caused a decrease in glucose and pyruvate concentrations and an increase in RBC, Hb, and the branchial Na(+)/K(+)-ATPase activity. These responses suggest that the fish triggered mechanisms to revert the blood acidosis, save energy and increase the oxygen uptake. MT was an effective biomarker, responding to copper in different pHs and dissolved oxygen. Combined-factors caused more significant disturbance in the biomarkers than single-factors.

Triple- and quadruple-escape peaks in HPGe detectors: Experimental observation and Monte Carlo simulation

The triple- and quadruple-escape peaks of 6.128 MeV photons from the (19)F(p,alpha gamma)(16)O nuclear reaction were observed in an HPGe detector. The experimental peak areas, measured in spectra projected with a restriction function that allows quantitative comparison of data from different multiplicities, are in reasonably good agreement with those predicted by Monte Carlo simulations done with the general-purpose radiation-transport code PENELOPE. The behaviour of the escape intensities was simulated for some gamma-ray energies and detector dimensions; the results obtained can be extended to other energies using an empirical function and statistical properties related to the phenomenon. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Extending the use of canonical and microcanonical Monte Carlo algorithms to spin models

We describe the canonical and microcanonical Monte Carlo algorithms for different systems that can be described by spin models. Sites of the lattice, chosen at random, interchange their spin values, provided they are different. The canonical ensemble is generated by performing exchanges according to the Metropolis prescription whereas in the microcanonical ensemble, exchanges are performed as long as the total energy remains constant. A systematic finite size analysis of intensive quantities and a comparison with results obtained from distinct ensembles are performed and the quality of results reveal that the present approach may be an useful tool for the study of phase transitions, specially first-order transitions. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Modelling water adsorption on Au(210) surfaces: II. Monte Carlo simulations

Canonical Monte Carlo simulations for the Au(210)/H(2)O interface, using a force field recently proposed by us, are reported. The results exhibit the main features normally observed in simulations of water molecules in contact with different noble metal surfaces. The calculations also assess the influence of the surface topography on the structural aspects of the adsorbed water and on the distribution of the water molecules in the direction normal to the metal surface plane. The adsorption process is preferential at sites in the first layer of the metal. The analysis of the density profiles and dipole moment distributions points to two predominant orientations. Most of the molecules are adsorbed with the molecular plane parallel to surface, while others adsorb with one of the O-H bonds parallel to the surface and the other bond pointing towards the bulk liquid phase. There is also evidence of hydrogen bond formation between the first and second solvent layers at the interface. (c) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Chinese Basic Pension Substitution Rate: A Monte Carlo Demonstration of the Individual Account Model

At the end of 2005, the State Council of China passed ”The Decision on adjusting the Individual Account of Basic Pension System”, which adjusted the individual account in the 1997 basic pension system. In this essay, we will analyze the adjustment above, and use Life Annuity Actuarial Theory to establish the basic pension substitution rate model. Monte Carlo simulation is also used to prove the rationality of the model. Some suggestions are put forward associated with the substitution rate according to the current policy.

Maine and the Hartford Convention: The Impact of the War of 1812 on the Politics of Maine and Massachusetts

The question of why the New England Federalists failed to force a confrontation with the national government has been a continuing historical controversy. I feel that the vigorous stance of the New England Democratic-Republicans particularly in Maine (then a part of Massachusetts), to radical Federalist schemes acted to restrain their opponents. In the final analysis my argument is that New England could not act without Maine. To paraphrase Federalist George Herbert of Ellsworth, on such a slender thread do the destinies of nations hang.

Clonagem, caracterização e expressão de cDNAs similares a calreticulina e paramiosina isolados de glândula salivar do carrapato Boophilus microplus (Canestrini, 1887)

O carrapato Boophilus microplus é um dos mais importantes ectoparasitas dos rebanhos bovinos, estando em todas as áreas tropicais e subtropicais entre o paralelo 32 °N e 32 °S, abrangendo regiões que se dedicam à pecuária na América, África, Ásia e Oceania. O controle do carrapato B. microplus é realizado principalmente com o uso de acaricidas, entretanto devido a crescente preocupação com os problemas criados pela poluição química do ambiente, ao alto custo e toxicidade das drogas e ao aparecimento de carrapatos resistentes aos acaricidas, alternativas para o controle do B. microplus devem ser encontradas. A sobrevivência dos carrapatos depende grandemente da sua capacidade de evadir o sistema imunológico dos hospedeiros, portanto antígenos da glândula salivar poderiam ser alvos para intervenção imunoprofilática. Neste trabalho foram isolados cDNAs não previamente descritos correspondentes a antígenos presentes na glândula salivar. cDNAs que codificam para proteínas similares a paramiosina e calreticulina foram seqüenciados, expressos em Escherichia coli e as proteínas recombinantes purificadas, tendo sido produzidos soros policlonais contra as proteínas recombinantes em coelhos. As seqüências foram caracterizadas e alinhamentos múltiplos com outras seqüências foram determinados. O gene da calreticulina mostrou ser expresso em todos os estágios e tecidos testados, tanto em experimentos de RT-PCR quanto de Western blot, tendo sido demonstrado também a sua secreção pela saliva. Análise filogenética indica o agrupamento do gene de B. microplus com seqüências de outros artrópodos. Soros de bovinos infestados não reconhecem a calreticulina recombinante, apesar dela ser reconhecida pelo soro de cães infestados pelo carrapato Rhippicephalus sanguineus. A paramiosina mostrou-se, em ensaios de Western blot, também estar presente em todos os estágios testados, porém não na saliva. A paramiosina recombinante foi capaz de ligar colágeno e IgGs. Ambas as proteínas correspondem a proteínas multi-funcionais possivelmente envolvidas na imunomodulação do hospedeiro, tendo sido sugeridas como imunógenos protetores contra outros parasitas.

Biologia populacional e classificação etária do roedor subterrâneo Tuco-Tuco Ctenomys minutus Nehring, 1887 (Rodentia, Ctenomyidae) na planície costeira do Rio Grande do Sul, Brasil

O roedor subterrâneo tuco-tuco Ctenomys minutus (Rodentia, Ctenomyidae) habita campos arenosos da Planície Costeira do RS. Esta espécie é uma das cinco existentes no Rio Grande do Sul (Brasil), ocorrendo desde o Farol de Santa Marta (SC) até São José do Norte (RS). O objetivo deste trabalho foi descrever a biologia populacional de C. minutus e desenvolver um método para classificação etária individual que utilize medidas corporais de fácil obtenção em campo. Foram realizadas 22 campanhas de amostragens em 14 meses em três locais de amostragem. Foram capturados 191 animais (73 machos e 118 fêmeas) e foram obtidas 39 recapturas ao longo do estudo. Os animais foram capturados com armadilhas Oneida Victor nº 0, anestesiados, marcados e soltos após serem tomadas medidas corporais de peso, comprimento total, comprimento da cauda e largura do dente incisivo. Durante os trabalhos, foram registradas evidências de atividade nas tocas, indicadas pelo bloqueio das aberturas das tocas após a colocação das armadilhas. Foi desenvolvido um método de classificação etária com base em diagramas de dispersão de pontos entre medidas corporais e sua associação com estado reprodutivo de fêmeas. Os resultados demonstram que a utilização de pelo menos duas medidas corporais, associadas às informações de estado reprodutivo permite a construção de um diagrama consistente com os dados biológicos obtidos em campo. Com base nesta constatação, é proposto o Diagrama de Classificação Etária que pode ser utilizado para quaisquer duas medidas, associado a dados de estado reprodutivo, podendo ser adaptado para outras espécies de tuco-tucos Entretanto, o método deve ser aperfeiçoado para machos, possivelmente a partir de informações sobre estruturas reprodutivas internas. As classes etárias utilizadas foram jovem, subadulto e adulto. As fêmeas foram classificadas quanto ao estado reprodutivo em não perfurada, perfurada, cicatrizada e prenhe. O estado reprodutivo de machos não foi determinado porque estes não possuem testículos aparentes. A população de C. minutus estudada foi composta por 84,8 % de adultos, 9,4 % de subadultos e 5,8 % de jovens, com razão sexual nas fases jovem e subadulta de 1:1 e na fase adulta de 0,5 machos:1 fêmea. Há uma época preferencial de acasalamento nos meses de inverno e de nascimentos no final do inverno e primavera. Entretanto, ocorrem indivíduos com atividade reprodutiva durante todas as estações do ano, porém em menor número. Ctenomys minutus atinge a maturidade sexual com aproximadamente seis ou sete meses de idade, com o comprimento do corpo por volta de 155 mm e a partir de 170 mm todos os indivíduos são considerados adultos. Os machos tendem a ser mais pesados que fêmeas de mesmo comprimento, principalmente a partir de 150 mm de comprimento de corpo. O tamanho aproximado de primeira maturação (início da fase adulta) é de 155 mm de comprimento do corpo Com dados de captura-marcação-recaptura foi demonstrado que esta espécie pode viver até aproximadamente três anos. Ctenomys minutus é uma espécie solitária, que compartilha as galerias somente para o acasalamento e durante o cuidado das crias. Aparentemente, os machos não participam do cuidado da prole, uma vez que somente fêmeas foram capturadas na mesma toca que jovens. O menor número mínimo de indivíduos na população de um local de amostragem foi de 20 indivíduos (setembro/2001) e o maior foi de 39 indivíduos (março/2002). A densidade absoluta encontrada em cada dia de amostragem foi de no mínimo sete indivíduos/ha (janeiro/2002) e de no máximo 15 indivíduos/ha (setembro/2002). Não foram detectadas diferenças sazonais no padrão de atividade (IAp), nem no número mínimo de indivíduos na população ou na densidade absoluta (indivíduos/ha) da população estudada.