Grupos de lie de matrices reales o complejos

Como la historia lo viene diciendo, en general los resultados importantes y trascendentales en Matemática son los capaces de vincular dos estructuras, en su esencia, totalmente distintas. En el año 1973, el matemático Noruego Marius Sophus Lie (1849-1925) estudiando propiedades de soluciones de sistemas de ecuaciones diferenciales, dio origen a las ideas que conformaron la hoy denominada Teoría de Lie, la cual plantea la relación entre geometría, álgebra y la topología, este matemático creó en gran parte la teoría de la simetría continua, y la aplicó al estudio de la geometría y las ecuaciones diferenciales. Con aportes posteriores de los matemáticos Weyl, Cartan, Chevalley, Killing, Harish Chandra y otros estructuran la teoría de Lie, se presentan en este trabajo de investigación las nociones básicas que subyacen en dicha teoría. En los primeros trabajos de Sophus Lie, la idea subyacente era construir una teoría de grupos continuos, que complementara la ya existente teoría de grupos.

Sparse time-frequency data analysis : a multi-scale approach

In this work, we further extend the recently developed adaptive data analysis method, the Sparse Time-Frequency Representation (STFR) method. This method is based on the assumption that many physical signals inherently contain AM-FM representations. We propose a sparse optimization method to extract the AM-FM representations of such signals. We prove the convergence of the method for periodic signals under certain assumptions and provide practical algorithms specifically for the non-periodic STFR, which extends the method to tackle problems that former STFR methods could not handle, including stability to noise and non-periodic data analysis. This is a significant improvement since many adaptive and non-adaptive signal processing methods are not fully capable of handling non-periodic signals. Moreover, we propose a new STFR algorithm to study intrawave signals with strong frequency modulation and analyze the convergence of this new algorithm for periodic signals. Such signals have previously remained a bottleneck for all signal processing methods. Furthermore, we propose a modified version of STFR that facilitates the extraction of intrawaves that have overlaping frequency content. We show that the STFR methods can be applied to the realm of dynamical systems and cardiovascular signals. In particular, we present a simplified and modified version of the STFR algorithm that is potentially useful for the diagnosis of some cardiovascular diseases. We further explain some preliminary work on the nature of Intrinsic Mode Functions (IMFs) and how they can have different representations in different phase coordinates. This analysis shows that the uncertainty principle is fundamental to all oscillating signals.

Matrices y sistemas de ecuaciones lineales

En este libro, en su primera parte, es estudia e identifica la estructura de una ecuación lineal, y su gráfica en dos y tres variables. En la segunda parte del contenido se expone la teoría del álgebra matricial, que posteriormente será utilizada en la tercera parte para resolver sistemas de ecuaciones lineales; en este sentido, el lector podrá darse cuenta de las bondades de los métodos que se desarrollarán y las aplicaciones que se pueden plantear y resolver con los métodos gaussianos desarrollados en el álgebra lineal. Igualmente, se presentará el uso del MATLAB para la solución de sistemas de ecuaciones lineales y operaciones con matrices, empleando el computador. En la segunda parte del contenido se expone la teoría del álgebra matricial, que posteriormente será utilizada en la tercera parte para resolver sistemas de ecuaciones lineales; en este sentido, el lector podrá darse cuenta de las bondades de los métodos que se desarrollarán y las aplicaciones que se pueden plantear y resolver con los métodos gaussianos desarrollados en el álgebra lineal. Igualmente, se presentará el uso del MATLAB para la solución de sistemas de ecuaciones lineales y operaciones con matrices, empleando el computador.

On the fast Lanczos method for computation of eigenvalues of Hankel matrices using multiprecision arithmetics

The use of the fast Fourier transform (FFT) accelerates Lanczos tridiagonalisation method for Hankel and Toeplitz matrices by reducing the complexity of matrix-vector multiplication. In multiprecision arithmetics, the FFT has overheads that make it less competitive compared with alternative methods when the accuracy is over 10000 decimal places. We studied two alternative Hankel matrix-vector multiplication methods based on multiprecision number decomposition and recursive Karatsuba-like multiplication, respectively. The first method was uncompetitive because of huge precision losses, while the second turned out to be five to 14 times faster than FFT in the ranges of matrix sizes up to n = 8192 and working precision of b = 32768 bits we were interested in. We successfully applied our approach to eigenvalues calculations to studies of spectra of matrices that arise in research on Riemann zeta function. The recursive matrix-vector multiplication significantly outperformed both the FFT and the traditional multiplication in these studies.

Enhanced Ex Vivo expansion of human hematopoietic progenitors on native and spin coated acellular matrices prepared from bone marrow stromal cells

The extracellular microenvironment in bone marrow (BM) is known to regulate the growth and differentiation of hematopoietic stem and progenitor cells (HSPC). We have developed cell-free matrices from a BM stromal cell line (HS-5), which can be used as substrates either in native form or as tissue engineered coatings, for the enhanced ex vivo expansion of umbilical cord blood (UCB) derived HSPC. The physicochemical properties (surface roughness, thickness, and uniformity) of native and spin coated acellular matrices (ACM) were studied using scanning and atomic force microscopy (SEM and AFM). Lineage-specific expansion of HSPC, grown on these substrates, was evaluated by immunophenotypic (flow cytometry) and functional (colony forming) assays. Our results show that the most efficient expansion of lineage-specific HSPC occurred on spin coated ACM. Our method provides an improved protocol for ex vivo HSPC expansion and it offers a system to study the in vivo roles of specific molecules in the hematopoietic niche that influence HSPC expansion.

Collaborative filtering via sparse Markov random fields

Recommender systems play a central role in providing individualized access to information and services. This paper focuses on collaborative filtering, an approach that exploits the shared structure among mind-liked users and similar items. In particular, we focus on a formal probabilistic framework known as Markov random fields (MRF). We address the open problem of structure learning and introduce a sparsity-inducing algorithm to automatically estimate the interaction structures between users and between items. Item-item and user-user correlation networks are obtained as a by-product. Large-scale experiments on movie recommendation and date matching datasets demonstrate the power of the proposed method.

A fast non-smooth nonnegative matrix factorization for learning sparse representation

Nonnegative matrix factorization (NMF) is a hot topic in machine learning and data processing. Recently, a constrained version, non-smooth NMF (NsNMF), shows a great potential in learning meaningful sparse representation of the observed data. However, it suffers from a slow linear convergence rate, discouraging its applications to large-scale data representation. In this paper, a fast NsNMF (FNsNMF) algorithm is proposed to speed up NsNMF. In the proposed method, it first shows that the cost function of the derived sub-problem is convex and the corresponding gradient is Lipschitz continuous. Then, the optimization to this function is replaced by solving a proximal function, which is designed based on the Lipschitz constant and can be solved through utilizing a constructed fast convergent sequence. Due to the usage of the proximal function and its efficient optimization, our method can achieve a nonlinear convergence rate, much faster than NsNMF. Simulations in both computer generated data and the real-world data show the advantages of our algorithm over the compared methods.

A dedicated greedy pursuit algorithm for sparse spectral representation of music sound

A dedicated algorithm for sparse spectral representation of music sound is presented. The goal is to enable the representation of a piece of music signal as a linear superposition of as few spectral components as possible, without affecting the quality of the reproduction. A representation of this nature is said to be sparse. In the present context sparsity is accomplished by greedy selection of the spectral components, from an overcomplete set called a dictionary. The proposed algorithm is tailored to be applied with trigonometric dictionaries. Its distinctive feature being that it avoids the need for the actual construction of the whole dictionary, by implementing the required operations via the fast Fourier transform. The achieved sparsity is theoretically equivalent to that rendered by the orthogonal matching pursuit (OMP) method. The contribution of the proposed dedicated implementation is to extend the applicability of the standard OMP algorithm, by reducing its storage and computational demands. The suitability of the approach for producing sparse spectral representation is illustrated by comparison with the traditional method, in the line of the short time Fourier transform, involving only the corresponding orthonormal trigonometric basis.

Euclidean Distance Between Haar Orthogonal and Gaussian Matrices

In this work, we study a version of the general question of how well a Haar-distributed orthogonal matrix can be approximated by a random Gaussian matrix. Here, we consider a Gaussian random matrix (Formula presented.) of order n and apply to it the Gram–Schmidt orthonormalization procedure by columns to obtain a Haar-distributed orthogonal matrix (Formula presented.). If (Formula presented.) denotes the vector formed by the first m-coordinates of the ith row of (Formula presented.) and (Formula presented.), our main result shows that the Euclidean norm of (Formula presented.) converges exponentially fast to (Formula presented.), up to negligible terms. To show the extent of this result, we use it to study the convergence of the supremum norm (Formula presented.) and we find a coupling that improves by a factor (Formula presented.) the recently proved best known upper bound on (Formula presented.). Our main result also has applications in Quantum Information Theory.

IMPROVED SAMPLE INTRODUCTION SYSTEMS FOR INDUCTIVELY COUPLED PLASMA OPTICAL EMISSION SPECTROMETRY AND THEIR APPLICATION TO THE ANALYSIS OF SIMPLE AND COMPLEX MATRICES

The objective of this thesis is to explore new and improved methods for greater sample introduction efficiency and enhanced analytical performance with inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES). Three projects are discussed in which the capabilities and applications of ICP-OES are expanded: 1. In the first project, a conventional ultrasonic nebuliser was modified to replace the heater/condenser with an infrared heated pre-evaporation tube. In continuation from previous works with pre-evaporation, the current work investigated the effects of heating with infrared block and rope heaters on two different ICP-OES instruments. Comparisons were made between several methods and setups in which temperatures were varied. By monitoring changes to sensitivity, detection limit, precision, and robustness, and analyzing two certified reference materials, a method with improved sample introduction efficiency and comparable analytical performance to a previous method was established. 2. The second project involved improvements to a previous work in which a multimode sample introduction system (MSIS) was modified by inserting a pre-evaporation tube between the MSIS and torch. The new work focused on applying an infrared heated ceramic rope for pre-evaporation. This research was conducted in all three MSIS modes (nebulisation mode, hydride generation mode, and dual mode) and on two different ICP-OES instruments, and comparisons were made between conventional setups in terms of sensitivity, detection limit, precision, and robustness. By tracking both hydride-forming and non-hydride forming elements, the effects of heating in combination with hydride generation were probed. Finally, optimal methods were validated by analysis of two certified reference materials. 3. A final project was completed in collaboration with ZincNyx Energy Solutions. This project sought to develop a method for the overall analysis of a 12 M KOH zincate fuel, which is used in green energy backup systems. By employing various techniques including flow injection analysis and standard additions, a final procedure was formulated for the verification of K concentration, as well as the measurement of additives (Al, Fe, Mg, In, Si), corrosion products (such C from CO₃²¯), and Zn particles both in and filtered from solution. Furthermore, the effects of exposing the potassium zincate electrolyte fuel to air were assessed.

Sparse representation for face images.

This thesis address issues for face recognition with multi-view face images. Several effective methods are proposed and compared with current state of the art. A novel framework that generalises existing sparse representation-based methods in order to exploit the sharing information to against pose variations of face images is proposed.

Applications of perceptual sparse representation (Spikegram) for copyright protection of audio signals

Chaque année, le piratage mondial de la musique coûte plusieurs milliards de dollars en pertes économiques, pertes d’emplois et pertes de gains des travailleurs ainsi que la perte de millions de dollars en recettes fiscales. La plupart du piratage de la musique est dû à la croissance rapide et à la facilité des technologies actuelles pour la copie, le partage, la manipulation et la distribution de données musicales [Domingo, 2015], [Siwek, 2007]. Le tatouage des signaux sonores a été proposé pour protéger les droit des auteurs et pour permettre la localisation des instants où le signal sonore a été falsifié. Dans cette thèse, nous proposons d’utiliser la représentation parcimonieuse bio-inspirée par graphe de décharges (spikegramme), pour concevoir une nouvelle méthode permettant la localisation de la falsification dans les signaux sonores. Aussi, une nouvelle méthode de protection du droit d’auteur. Finalement, une nouvelle attaque perceptuelle, en utilisant le spikegramme, pour attaquer des systèmes de tatouage sonore. Nous proposons tout d’abord une technique de localisation des falsifications (‘tampering’) des signaux sonores. Pour cela nous combinons une méthode à spectre étendu modifié (‘modified spread spectrum’, MSS) avec une représentation parcimonieuse. Nous utilisons une technique de poursuite perceptive adaptée (perceptual marching pursuit, PMP [Hossein Najaf-Zadeh, 2008]) pour générer une représentation parcimonieuse (spikegramme) du signal sonore d’entrée qui est invariante au décalage temporel [E. C. Smith, 2006] et qui prend en compte les phénomènes de masquage tels qu’ils sont observés en audition. Un code d’authentification est inséré à l’intérieur des coefficients de la représentation en spikegramme. Puis ceux-ci sont combinés aux seuils de masquage. Le signal tatoué est resynthétisé à partir des coefficients modifiés, et le signal ainsi obtenu est transmis au décodeur. Au décodeur, pour identifier un segment falsifié du signal sonore, les codes d’authentification de tous les segments intacts sont analysés. Si les codes ne peuvent être détectés correctement, on sait qu’alors le segment aura été falsifié. Nous proposons de tatouer selon le principe à spectre étendu (appelé MSS) afin d’obtenir une grande capacité en nombre de bits de tatouage introduits. Dans les situations où il y a désynchronisation entre le codeur et le décodeur, notre méthode permet quand même de détecter des pièces falsifiées. Par rapport à l’état de l’art, notre approche a le taux d’erreur le plus bas pour ce qui est de détecter les pièces falsifiées. Nous avons utilisé le test de l’opinion moyenne (‘MOS’) pour mesurer la qualité des systèmes tatoués. Nous évaluons la méthode de tatouage semi-fragile par le taux d’erreur (nombre de bits erronés divisé par tous les bits soumis) suite à plusieurs attaques. Les résultats confirment la supériorité de notre approche pour la localisation des pièces falsifiées dans les signaux sonores tout en préservant la qualité des signaux. Ensuite nous proposons une nouvelle technique pour la protection des signaux sonores. Cette technique est basée sur la représentation par spikegrammes des signaux sonores et utilise deux dictionnaires (TDA pour Two-Dictionary Approach). Le spikegramme est utilisé pour coder le signal hôte en utilisant un dictionnaire de filtres gammatones. Pour le tatouage, nous utilisons deux dictionnaires différents qui sont sélectionnés en fonction du bit d’entrée à tatouer et du contenu du signal. Notre approche trouve les gammatones appropriés (appelés noyaux de tatouage) sur la base de la valeur du bit à tatouer, et incorpore les bits de tatouage dans la phase des gammatones du tatouage. De plus, il est montré que la TDA est libre d’erreur dans le cas d’aucune situation d’attaque. Il est démontré que la décorrélation des noyaux de tatouage permet la conception d’une méthode de tatouage sonore très robuste. Les expériences ont montré la meilleure robustesse pour la méthode proposée lorsque le signal tatoué est corrompu par une compression MP3 à 32 kbits par seconde avec une charge utile de 56.5 bps par rapport à plusieurs techniques récentes. De plus nous avons étudié la robustesse du tatouage lorsque les nouveaux codec USAC (Unified Audion and Speech Coding) à 24kbps sont utilisés. La charge utile est alors comprise entre 5 et 15 bps. Finalement, nous utilisons les spikegrammes pour proposer trois nouvelles méthodes d’attaques. Nous les comparons aux méthodes récentes d’attaques telles que 32 kbps MP3 et 24 kbps USAC. Ces attaques comprennent l’attaque par PMP, l’attaque par bruit inaudible et l’attaque de remplacement parcimonieuse. Dans le cas de l’attaque par PMP, le signal de tatouage est représenté et resynthétisé avec un spikegramme. Dans le cas de l’attaque par bruit inaudible, celui-ci est généré et ajouté aux coefficients du spikegramme. Dans le cas de l’attaque de remplacement parcimonieuse, dans chaque segment du signal, les caractéristiques spectro-temporelles du signal (les décharges temporelles ;‘time spikes’) se trouvent en utilisant le spikegramme et les spikes temporelles et similaires sont remplacés par une autre. Pour comparer l’efficacité des attaques proposées, nous les comparons au décodeur du tatouage à spectre étendu. Il est démontré que l’attaque par remplacement parcimonieux réduit la corrélation normalisée du décodeur de spectre étendu avec un plus grand facteur par rapport à la situation où le décodeur de spectre étendu est attaqué par la transformation MP3 (32 kbps) et 24 kbps USAC.

Vers une compréhension mécanistique de la biocatalyse des composés pharmaceutiques dans des matrices complexes par traitement fongique (Trametes hirsuta)

La présence des contaminants organiques dans l’environnement est une problématique aux enjeux aussi bien scientifiques que politiques. Le caractère diffus et continu (différentes et multiples sources) de cette contamination ne permet pas à ces molécules biologiquement actives d’être soumises à une législation. Ces molécules, pouvant être très récalcitrantes, ne sont pas systématiquement éliminées par les systèmes de traitement des eaux conventionnels. Actuellement, de nouveaux procédés biotechnologiques basés sur des enzymes extracellulaires (e.g. Laccase) ou des champignons lignivores permettent l’élimination des composés les plus récalcitrants. Notre compréhension des mécanismes impliqués dans cette élimination reste incomplète. En effet, la biosorption et l’activité des enzymes extracellulaire sont les mécanismes les plus souvent mis en avant pour expliquer l’efficacité des procédés d’élimination fongique, mais ne sont pas capables d’expliquer les performances obtenues pour certains composés pharmaceutiques. Ces lacunes dans nos connaissances sur les mécanismes responsables de l’élimination fongique des contaminants organiques sont un frein à la pleine exploitation de ces procédés de traitement. De plus, il est forcé d’admettre qu’un grand nombre de travaux portant sur l’élimination fongique de contaminants organiques ont été réalisés dans des conditions de hautes concentrations, qui peuvent être peu représentatives des matrices environnementales. Ainsi, les effets observés à plus forte concentration peuvent etre le résultat dû au stress de l’organisme au contact des contaminants (toxicités). Cette thèse adresse deux questions ; ainsi quelle est l’influence des concentrations traces sur de tels procédés ? Et comment expliquer l’élimination de certains contaminants organiques lors des traitements fongiques ? Afin d’apporter des éléments de réponse sur les mécanismes mis en jeux lors de l’élimination fongique, les travaux présentés ici ont été réalisés sur un modèle de champignon lignivore connu pour ses propriétés en bioremediation. Dans un premier temps, un développement analytique permettant la quantification d’une sélection de contaminants organiques à l’état de traces a été réalisé. Cette méthode a permis d’effectuer des analyses de ces molécules à partir d’un seul échantillon environnemental de faible biomasse et à partir d’une seule injection instrumentale. Les résultats de cette thèse démontrent que l’élimination fongique de contaminants organiques résulte de mécanismes plus complexes que précédemment décrits. Notamment, la dégradation est fortement dépendante d’une étape initiale d’internalisation du contaminant par l’organisme ciblé et de la dégradation intracellulaire. Les mécanismes impliqués peuvent ainsi donnés lieux à des réactions de conjugaison intracellulaire des molecules (glucuronide, glutathione). Les résultats démontrent également que ces procédés d’élimination fongique sont efficaces sur une large gamme de concentration en contaminants organiques. Cependant, les faibles concentrations modifient les propriétés physico-chimiques et biologiques de l’organisme testé (i.e. un changement de la morphologie et du profil de la production enzymatique). La réponse biologique n’étant pas directement proportionnelle a l’exposition en contaminant. Cette étude a permis d’accroitre notre compréhension des mécanismes impliqués dans la dégradation fongique de contaminants organiques. Ceci ouvre la voie à de nouvelles études portant sur les interactions entre processus intra — et extracellulaires. Cette thèse contribue également à l’amélioration des connaissances en offrant des outils de compréhension nécessaire à l’optimisation et au développement du potentiel de ces procédés biotechnologiques (ciblage et role des enzymes réeellement impliquées dans les réactions de biocatalyse).

Optimisation de l’extraction de lumière de scintillation dans les matrices de détecteurs pixellisés pour des applications en tomographie d’émission par positrons (TEP) et en tomodensitométrie (TDM)

Résumé : Les performances de détecteurs à scintillation, composés d’un cristal scintillateur couplé à un photodétecteur, dépendent de façon critique de l’efficacité de la collecte et de l’extraction des photons de scintillation du cristal vers le capteur. Dans les systèmes d’imagerie hautement pixellisés (e.g. TEP, TDM), les scintillateurs doivent être arrangés en matrices compactes avec des facteurs de forme défavorables pour le transport des photons, au détriment des performances du détecteur. Le but du projet est d’optimiser les performances de ces détecteurs pixels par l'identification des sources de pertes de lumière liées aux caractéristiques spectrales, spatiales et angulaires des photons de scintillation incidents sur les faces des scintillateurs. De telles informations acquises par simulation Monte Carlo permettent une pondération adéquate pour l'évaluation de gains atteignables par des méthodes de structuration du scintillateur visant à une extraction de lumière améliorée vers le photodétecteur. Un plan factoriel a permis d'évaluer la magnitude de paramètres affectant la collecte de lumière, notamment l'absorption des matériaux adhésifs assurant l'intégrité matricielle des cristaux ainsi que la performance optique de réflecteurs, tous deux ayant un impact considérable sur le rendement lumineux. D'ailleurs, un réflecteur abondamment utilisé en raison de ses performances optiques exceptionnelles a été caractérisé dans des conditions davantage réalistes par rapport à une immersion dans l'air, où sa réflectivité est toujours rapportée. Une importante perte de réflectivité lorsqu'il est inséré au sein de matrices de scintillateurs a été mise en évidence par simulations puis confirmée expérimentalement. Ceci explique donc les hauts taux de diaphonie observés en plus d'ouvrir la voie à des méthodes d'assemblage en matrices limitant ou tirant profit, selon les applications, de cette transparence insoupçonnée.

Demography of a deep-sea lantern shark (Etmopterus spinax) caught in trawl fisheries of the northeastern Atlantic: Application of Leslie matrices with incorporated uncertainties

The deep-sea lantern shark Etmopterus spinax occurs in the northeast Atlantic on or near the bottoms of the outer continental shelves and slopes, and is regularly captured as bycatch in deep-water commercial fisheries. Given the lack of knowledge on the impacts of fisheries on this species, a demographic analysis using age-based Leslie matrices was carried out. Given the uncertainties in the mortality estimates and in the available life history parameters, several different scenarios, some incorporating stochasticity in the life history parameters (using Monte Carlo simulation), were analyzed. If only natural mortality were considered, even after introducing uncertainties in all parameters, the estimated population growth rate (A) suggested an increasing population. However, if fishing mortality from trawl fisheries is considered, the estimates of A either indicated increasing or declining populations. In these latter cases, the uncertainties in the species reproductive cycle seemed to be particularly relevant, as a 2-year reproductive cycle indicated a stable population, while a longer (3-year cycle) indicated a declining population. The estimated matrix elasticities were in general higher for the survivorship parameters of the younger age classes and tended to decrease for the older ages. This highlights the susceptibility of this deep-sea squaloid to increasing fishing mortality, emphasizing that even though this is a small-sized species, it shows population dynamics patterns more typical of the larger-sized and in general more vulnerable species. (C) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.