On the Cesari fixed point method in a Banach space

In a paper published in 1961, L. Cesari [1] introduces a method which extends certain earlier existence theorems of Cesari and Hale ([2] to [6]) for perturbation problems to strictly nonlinear problems. Various authors ([1], [7] to [15]) have now applied this method to nonlinear ordinary and partial differential equations. The basic idea of the method is to use the contraction principle to reduce an infinite-dimensional fixed point problem to a finite-dimensional problem which may be attacked using the methods of fixed point indexes.

The following is my formulation of the Cesari fixed point method:

Let B be a Banach space and let S be a finite-dimensional linear subspace of B. Let P be a projection of B onto S and suppose Г≤B such that pГ is compact and such that for every x in PГ, P^-1x∩Г is closed. Let W be a continuous mapping from Г into B. The Cesari method gives sufficient conditions for the existence of a fixed point of W in Г.

Let I denote the identity mapping in B. Clearly y = Wy for some y in Г if and only if both of the following conditions hold:

(i) Py = PWy.

(ii) y = (P + (I - P)W)y.

Definition. The Cesari fixed paint method applies to (Г, W, P) if and only if the following three conditions are satisfied:

(1) For each x in PГ, P + (I - P)W is a contraction from P^-1x∩Г into itself. Let y(x) be that element (uniqueness follows from the contraction principle) of P^-1x∩Г which satisfies the equation y(x) = Py(x) + (I-P)Wy(x).

(2) The function y just defined is continuous from PГ into B.

(3) There are no fixed points of PWy on the boundary of PГ, so that the (finite- dimensional) fixed point index i(PWy, int PГ) is defined.

Definition. If the Cesari fixed point method applies to (Г, W, P) then define i(Г, W, P) to be the index i(PWy, int PГ).

The three theorems of this thesis can now be easily stated.

Theorem 1 (Cesari). If i(Г, W, P) is defined and i(Г, W, P) ≠0, then there is a fixed point of W in Г.

Theorem 2. Let the Cesari fixed point method apply to both (Г, W, P₁) and (Г, W, P₂). Assume that P₂P₁=P₁P₂=P₁ and assume that either of the following two conditions holds:

(1) For every b in B and every z in the range of P₂, we have that ‖b=P₂b‖ ≤ ‖b-z‖

(2)P₂Г is convex.

Then i(Г, W, P₁) = i(Г, W, P₂).

Theorem 3. If Ω is a bounded open set and W is a compact operator defined on Ω so that the (infinite-dimensional) Leray-Schauder index i_LS(W, Ω) is defined, and if the Cesari fixed point method applies to (Ω, W, P), then i(Ω, W, P) = i_LS(W, Ω).

Theorems 2 and 3 are proved using mainly a homotopy theorem and a reduction theorem for the finite-dimensional and the Leray-Schauder indexes. These and other properties of indexes will be listed before the theorem in which they are used.

On the uniqueness of singular solutions to boundary-initial value problems in linear elastodynamics

This investigation deals with certain generalizations of the classical uniqueness theorem for the second boundary-initial value problem in the linearized dynamical theory of not necessarily homogeneous nor isotropic elastic solids. First, the regularity assumptions underlying the foregoing theorem are relaxed by admitting stress fields with suitably restricted finite jump discontinuities. Such singularities are familiar from known solutions to dynamical elasticity problems involving discontinuous surface tractions or non-matching boundary and initial conditions. The proof of the appropriate uniqueness theorem given here rests on a generalization of the usual energy identity to the class of singular elastodynamic fields under consideration.

Following this extension of the conventional uniqueness theorem, we turn to a further relaxation of the customary smoothness hypotheses and allow the displacement field to be differentiable merely in a generalized sense, thereby admitting stress fields with square-integrable unbounded local singularities, such as those encountered in the presence of focusing of elastic waves. A statement of the traction problem applicable in these pathological circumstances necessitates the introduction of "weak solutions'' to the field equations that are accompanied by correspondingly weakened boundary and initial conditions. A uniqueness theorem pertaining to this weak formulation is then proved through an adaptation of an argument used by O. Ladyzhenskaya in connection with the first boundary-initial value problem for a second-order hyperbolic equation in a single dependent variable. Moreover, the second uniqueness theorem thus obtained contains, as a special case, a slight modification of the previously established uniqueness theorem covering solutions that exhibit only finite stress-discontinuities.

On the Lyapunov transformation for stable matrices

The matrices studied here are positive stable (or briefly stable). These are matrices, real or complex, whose eigenvalues have positive real parts. A theorem of Lyapunov states that A is stable if and only if there exists H ˃ 0 such that AH + HA* = I. Let A be a stable matrix. Three aspects of the Lyapunov transformation L_A :H → AH + HA* are discussed.

1. Let C₁ (A) = {AH + HA* :H ≥ 0} and C₂ (A) = {H: AH+HA* ≥ 0}. The problems of determining the cones C₁(A) and C₂(A) are still unsolved. Using solvability theory for linear equations over cones it is proved that C₁(A) is the polar of C₂(A*), and it is also shown that C₁ (A) = C₁(A^-1). The inertia assumed by matrices in C₁(A) is characterized.

2. The index of dissipation of A was defined to be the maximum number of equal eigenvalues of H, where H runs through all matrices in the interior of C₂(A). Upper and lower bounds, as well as some properties of this index, are given.

3. We consider the minimal eigenvalue of the Lyapunov transform AH+HA*, where H varies over the set of all positive semi-definite matrices whose largest eigenvalue is less than or equal to one. Denote it by ψ(A). It is proved that if A is Hermitian and has eigenvalues μ₁ ≥ μ₂…≥ μ_n ˃ 0, then ψ(A) = -(μ₁-μ_n)²/(4(μ₁ + μ_n)). The value of ψ(A) is also determined in case A is a normal, stable matrix. Then ψ(A) can be expressed in terms of at most three of the eigenvalues of A. If A is an arbitrary stable matrix, then upper and lower bounds for ψ(A) are obtained.

Optical properties of a square-lattice photonic crystal within the partial bandgap

Optical properties of a two-dimensional square-lattice photonic crystal are systematically investigated within the partial bandgap through anisotropic characteristics analysis and numerical simulation of field pattern. Using the plane-wave expansion method and Hellmann-Feynman theorem, the relationships between the incident and refracted angles for both phase and group velocities are calculated to analyze light propagation from air to photonic crystals. Three kinds of flat slab focusing are summarized and demonstrated by numerical simulations using the multiple scattering method. (c) 2007 Optical Society of America

光通过纳米颗粒随机散射体透射光强的计算及分析

光通过随机散射体后透射光强的估算,对于提取散射体内部无法直接测量或者无法直接观察的信息至关重要。在分析平行光束通过纳米圆形颗粒随机散射体出射面上光强组成的基础上推导了透射光强的计算公式,并指出多重散射理论、一阶多重散射理论和朗伯比尔定律在一定近似程度上可以相对精确地估算透射光强。这三种方法的估算结果之间会出现四种相对关系。根据这些相对关系,分析了光在散射体内部传输时散射过程的特征以及各种散射过程对出射面光强的贡献大小。

Charge and spin transport in graphene devices

170 p.

LD侧面泵浦固体激光器泵浦光分布模拟

利用Gauss光束通过光学系统的变换规律,将激光二极管阵列发出的光作为Gauss光束处理.应用矩阵光学方法,解析分析与数值模拟相结合,给出了激光二极管阵列侧面泵浦棒状固体激光介质内泵浦光的强度分布.比较了侧面环绕激光二极管阵列数量不同时泵浦光分布的均匀性;以及考虑准直系统后,不同准直透镜焦距时,晶体内泵浦光半径的大小;同时针对泵浦光在晶体内聚焦时的情况进行了简单讨论.将半解析法与光线追迹法所得结果进行了比较,二者十分相近,但前者计算要简单得多.

The Forbidden Quantum Adder

Quantum information provides fundamentally different computational resources than classical information. We prove that there is no unitary protocol able to add unknown quantum states belonging to different Hilbert spaces. This is an inherent restriction of quantum physics that is related to the impossibility of copying an arbitrary quantum state, i.e., the no-cloning theorem. Moreover, we demonstrate that a quantum adder, in absence of an ancillary system, is also forbidden for a known orthonormal basis. This allows us to propose an approximate quantum adder that could be implemented in the lab. Finally, we discuss the distinct character of the forbidden quantum adder for quantum states and the allowed quantum adder for density matrices.

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.

Estudio de la recepción fija y portátil de la televisión digital mediante el uso de la tecnología LDM.

[Es]En este Trabajo de Fin de Grado se estudia el comportamiento de LDM (Layered Division Multiplexing) para la radiodifusión digital terrestre en los casos de recepción fijo y portátil. Para ello, se adapta un programa que recrea, de la forma más fiel posible, la capa física del sistema LDM. Este programa consta de múltiples parámetros que determinan las características de funcionamiento del sistema. Una vez adaptado, el programa se utiliza para simular el comportamiento del sistema en diferentes entornos de trabajo o canales (Gauss, Rice y Rayleigh) consiguiendo unos resultados que nos permiten evaluar las prestaciones del sistema en cada entorno.

Pata contractions and coupled type fixed points

A new coupled fixed point theorem related to the Pata contraction for mappings having the mixed monotone property in partially ordered complete metric spaces is established. It is shown that the coupled fixed point can be unique under some extra suitable conditions involving mid point lower or upper bound properties. Also the corresponding convergence rate is estimated when the iterates of our function converge to its coupled fixed point.

Redução de dimensionalidade em equilíbrio de fases fluidas

Atualmente, existem modelos matemáticos capazes de preverem acuradamente as relações entre propriedades de estado; e esta tarefa é extremamente importante no contexto da Engenharia Química, uma vez que estes modelos podem ser empregados para avaliar a performance de processos químicos. Ademais, eles são de fundamental importância para a simulação de reservatórios de petróleo e processos de separação. Estes modelos são conhecidos como equações de estado, e podem ser usados em problemas de equilíbrios de fases, principalmente em equilíbrios líquido-vapor. Recentemente, um teorema matemático foi formulado (Teorema de Redução), fornecendo as condições para a redução de dimensionalidade de problemas de equilíbrios de fases para misturas multicomponentes descritas por equações de estado cúbicas e regras de mistura e combinação clássicas. Este teorema mostra como para uma classe bem definidade de modelos termodinâmicos (equações de estado cúbicas e regras de mistura clássicas), pode-se reduzir a dimensão de vários problemas de equilíbrios de fases. Este método é muito vantajoso para misturas com muitos componentes, promovendo uma redução significativa no tempo de computação e produzindo resultados acurados. Neste trabalho, apresentamos alguns experimentos numéricos com misturas-testes usando a técnica de redução para obter pressões de ponto de orvalho sob especificação de temperaturas.

Density-potential mapping in the standard and quantum electrodynamical time-dependent density functional theory

131 p.

Biomimetic Cloning of Quantum Observables

We propose a bio-inspired sequential quantum protocol for the cloning and preservation of the statistics associated to quantum observables of a given system. It combines the cloning of a set of commuting observables, permitted by the no-cloning and no-broadcasting theorems, with a controllable propagation of the initial state coherences to the subsequent generations. The protocol mimics the scenario in which an individual in an unknown quantum state copies and propagates its quantum information into an environment of blank qubits Finally, we propose a realistic experimental implementation of this protocol in trapped ions.

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.