Les TIC a l'ensenyament de la modelització matemàtica en Ciències Econòmiques i en Ciències Experimentals

Aquest projecte proposa materials didàctics per a un nou plantejament de les assignatures de Matemàtiques dels primers cursos de Ciències Empresarials i d'Enginyeria Tècnica, més acord amb el procés de convergència europea, basat en la realització de projectes que anomenem “Tallers de Modelització Matemàtica” (TMM) en els quals: (1) Els alumnes parteixen de situacions i problemes reals per als quals han de construir per sí mateixos els models matemàtics més adients i, a partir de la manipulació adequada d’aquests models, poden obtenir la informació necessària per donar-los resposta. (2) El treball de construcció, experimentació i avaluació dels models es realitza amb el suport de la calculadora simbòlica Wiris i del full de càlcul Excel com a instruments “normalitzats” del treball matemàtic d’estudiants i professors. (3) S’adapten els programes de les assignatures de matemàtiques de primer curs per tal de poder-les associar a un petit nombre de Tallers que parteixen de situacions adaptades a cada titulació. L’assignatura de Matemàtiques per a les Ciències Empresarials s’articula entorn de dos tallers independents: “Matrius de transició” pel que fa a l’àlgebra lineal i “Previsió de vendes” per a la modelització funcional en una variable. L’assignatura de Matemàtiques per a l’Enginyeria s’articula entorn d’un únic taller, “Models de poblacions”, que abasta la majoria de continguts del curs: successions i models funcionals en una variable, àlgebra lineal i equacions diferencials. Un conjunt d’exercicis interactius basats en la calculadora simbòlica WIRIS (Wiris-player) serveix de suport per al treball tècnic imprescindible per al desenvolupament de les dues assignatures. L’experimentació d’aquests tallers durant 2 cursos consecutius (2006/07 i 2007/08) en dues universitats catalanes (URL i UAB) ha posat en evidència tant els innegables avantatges del nou dispositiu docent per a l’aprenentatge dels estudiants, així com les restriccions institucionals que actualment dificulten la seva gestió i difusió.

Performance Analysis of Two Quantum Reaction Dynamics Codes: Time-Dependent and Time-Independent Strategies

The computer simulation of reaction dynamics has nowadays reached a remarkable degree of accuracy. Triatomic elementary reactions are rigorously studied with great detail on a straightforward basis using a considerable variety of Quantum Dynamics computational tools available to the scientific community. In our contribution we compare the performance of two quantum scattering codes in the computation of reaction cross sections of a triatomic benchmark reaction such as the gas phase reaction Ne + H2+ %12. NeH++ H. The computational codes are selected as representative of time-dependent (Real Wave Packet [ ]) and time-independent (ABC [ ]) methodologies. The main conclusion to be drawn from our study is that both strategies are, to a great extent, not competing but rather complementary. While time-dependent calculations advantages with respect to the energy range that can be covered in a single simulation, time-independent approaches offer much more detailed information from each single energy calculation. Further details such as the calculation of reactivity at very low collision energies or the computational effort related to account for the Coriolis couplings are analyzed in this paper.

Performance Analysis of Two Quantum Reaction Dynamics Codes: Time-Dependent and Time-Independent Strategies

The computer simulation of reaction dynamics has nowadays reached a remarkable degree of accuracy. Triatomic elementary reactions are rigorously studied with great detail on a straightforward basis using a considerable variety of Quantum Dynamics computational tools available to the scientific community. In our contribution we compare the performance of two quantum scattering codes in the computation of reaction cross sections of a triatomic benchmark reaction such as the gas phase reaction Ne + H2+ %12. NeH++ H. The computational codes are selected as representative of time-dependent (Real Wave Packet [ ]) and time-independent (ABC [ ]) methodologies. The main conclusion to be drawn from our study is that both strategies are, to a great extent, not competing but rather complementary. While time-dependent calculations advantages with respect to the energy range that can be covered in a single simulation, time-independent approaches offer much more detailed information from each single energy calculation. Further details such as the calculation of reactivity at very low collision energies or the computational effort related to account for the Coriolis couplings are analyzed in this paper.

Clones sous-maximaux inf-réductibles

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Una secuencia didáctica para un concepto unificador en un curso de álgebra lineal de un programa de formación a la ingeniería

L’introduction aux concepts unificateurs dans l’enseignement des mathématiques privilégie typiquement l’approche axiomatique. Il n’est pas surprenant de constater qu’une telle approche tend à une algorithmisation des tâches pour augmenter l’efficacité de leur résolution et favoriser la transparence du nouveau concept enseigné (Chevallard, 1991). Cette réponse classique fait néanmoins oublier le rôle unificateur du concept et n’encourage pas à l’utilisation de sa puissance. Afin d’améliorer l’apprentissage d’un concept unificateur, ce travail de thèse étudie la pertinence d’une séquence didactique dans la formation d’ingénieurs centrée sur un concept unificateur de l’algèbre linéaire: la transformation linéaire (TL). La notion d’unification et la question du sens de la linéarité sont abordées à travers l’acquisition de compétences en résolution de problèmes. La séquence des problèmes à résoudre a pour objet le processus de construction d’un concept abstrait (la TL) sur un domaine déjà mathématisé, avec l’intention de dégager l’aspect unificateur de la notion formelle (Astolfi y Drouin, 1992). À partir de résultats de travaux en didactique des sciences et des mathématiques (Dupin 1995; Sfard 1991), nous élaborons des situations didactiques sur la base d’éléments de modélisation, en cherchant à articuler deux façons de concevoir l’objet (« procédurale » et « structurale ») de façon à trouver une stratégie de résolution plus sûre, plus économique et réutilisable. En particulier, nous avons cherché à situer la notion dans différents domaines mathématiques où elle est applicable : arithmétique, géométrique, algébrique et analytique. La séquence vise à développer des liens entre différents cadres mathématiques, et entre différentes représentations de la TL dans les différents registres mathématiques, en s’inspirant notamment dans cette démarche du développement historique de la notion. De plus, la séquence didactique vise à maintenir un équilibre entre le côté applicable des tâches à la pratique professionnelle visée, et le côté théorique propice à la structuration des concepts. L’étude a été conduite avec des étudiants chiliens en formation au génie, dans le premier cours d’algèbre linéaire. Nous avons mené une analyse a priori détaillée afin de renforcer la robustesse de la séquence et de préparer à l’analyse des données. Par l’analyse des réponses au questionnaire d’entrée, des productions des équipes et des commentaires reçus en entrevus, nous avons pu identifier les compétences mathématiques et les niveaux d’explicitation (Caron, 2004) mis à contribution dans l’utilisation de la TL. Les résultats obtenus montrent l’émergence du rôle unificateur de la TL, même chez ceux dont les habitudes en résolution de problèmes mathématiques sont marquées par une orientation procédurale, tant dans l’apprentissage que dans l’enseignement. La séquence didactique a montré son efficacité pour la construction progressive chez les étudiants de la notion de transformation linéaire (TL), avec le sens et les propriétés qui lui sont propres : la TL apparaît ainsi comme un moyen économique de résoudre des problèmes extérieurs à l’algèbre linéaire, ce qui permet aux étudiants d’en abstraire les propriétés sous-jacentes. Par ailleurs, nous avons pu observer que certains concepts enseignés auparavant peuvent agir comme obstacles à l’unification visée. Cela peut ramener les étudiants à leur point de départ, et le rôle de la TL se résume dans ces conditions à révéler des connaissances partielles, plutôt qu’à guider la résolution.

ISIS reading group

Reading group on diverse topics of interest for the Information: Signals, Images, Systems (ISIS) Research Group of the School of Electronics and Computer Science, University of Southampton.

Diagonalization and Jordan Normal Form – motivation through Maple

Following an introduction to the diagonalization of matrices, one of the more difficult topics for students to grasp in linear algebra is the concept of Jordan normal form. In this note, we show how the important notions of diagonalization and Jordan normal form can be introduced and developed through the use of the computer algebra package Maple®.

Communicability across evolving networks

Many natural and technological applications generate time ordered sequences of networks, defined over a fixed set of nodes; for example time-stamped information about ‘who phoned who’ or ‘who came into contact with who’ arise naturally in studies of communication and the spread of disease. Concepts and algorithms for static networks do not immediately carry through to this dynamic setting. For example, suppose A and B interact in the morning, and then B and C interact in the afternoon. Information, or disease, may then pass from A to C, but not vice versa. This subtlety is lost if we simply summarize using the daily aggregate network given by the chain A-B-C. However, using a natural definition of a walk on an evolving network, we show that classic centrality measures from the static setting can be extended in a computationally convenient manner. In particular, communicability indices can be computed to summarize the ability of each node to broadcast and receive information. The computations involve basic operations in linear algebra, and the asymmetry caused by time’s arrow is captured naturally through the non-mutativity of matrix-matrix multiplication. Illustrative examples are given for both synthetic and real-world communication data sets. We also discuss the use of the new centrality measures for real-time monitoring and prediction.

Random orthogonal matrix simulation

This paper introduces a method for simulating multivariate samples that have exact means, covariances, skewness and kurtosis. We introduce a new class of rectangular orthogonal matrix which is fundamental to the methodology and we call these matrices L matrices. They may be deterministic, parametric or data specific in nature. The target moments determine the L matrix then infinitely many random samples with the same exact moments may be generated by multiplying the L matrix by arbitrary random orthogonal matrices. This methodology is thus termed “ROM simulation”. Considering certain elementary types of random orthogonal matrices we demonstrate that they generate samples with different characteristics. ROM simulation has applications to many problems that are resolved using standard Monte Carlo methods. But no parametric assumptions are required (unless parametric L matrices are used) so there is no sampling error caused by the discrete approximation of a continuous distribution, which is a major source of error in standard Monte Carlo simulations. For illustration, we apply ROM simulation to determine the value-at-risk of a stock portfolio.

On rank, underdetermined systems and consistency

The concepts of rank, underdetermined systems and consistency in linear algebra are discussed in the context of a puzzle. The article begins with a specific example, moving on to a generalization of the example and then to the general n x n case. As well as providing a solution of the puzzle, the article aims to provide students with a greater understanding of these abstract ideas in linear algebra through the study of the puzzle.

On the stability radius of a generalized state-space system

The concept of “distance to instability” of a system matrix is generalized to system pencils which arise in descriptor (semistate) systems. Difficulties arise in the case of singular systems, because the pencil can be made unstable by an infinitesimal perturbation. It is necessary to measure the distance subject to restricted, or structured, perturbations. In this paper a suitable measure for the stability radius of a generalized state-space system is defined, and a computable expression for the distance to instability is derived for regular pencils of index less than or equal to one. For systems which are strongly controllable it is shown that this measure is related to the sensitivity of the poles of the system over all feedback matrices assigning the poles.

Regularization of time-varying descriptor systems by the asvd

We study linear variable coefficient control problems in descriptor form. Based on a behaviour approach and the general theory for linear differential algebraic systems we give the theoretical analysis and describe numerically stable methods to determine the structural properties of the system.