Efficient certification of feasibility and objective value of linear programs and its applications

The use of linear programming in various areas has increased with the significant improvement of specialized solvers. Linear programs are used as such to model practical problems, or as subroutines in algorithms such as formal proofs or branch-and-cut frameworks. In many situations a certified answer is needed, for example the guarantee that the linear program is feasible or infeasible, or a provably safe bound on its objective value. Most of the available solvers work with floating-point arithmetic and are thus subject to its shortcomings such as rounding errors or underflow, therefore they can deliver incorrect answers. While adequate for some applications, this is unacceptable for critical applications like flight controlling or nuclear plant management due to the potential catastrophic consequences. We propose a method that gives a certified answer whether a linear program is feasible or infeasible, or returns unknown'. The advantage of our method is that it is reasonably fast and rarely answers unknown'. It works by computing a safe solution that is in some way the best possible in the relative interior of the feasible set. To certify the relative interior, we employ exact arithmetic, whose use is nevertheless limited in general to critical places, allowing us to rnremain computationally efficient. Moreover, when certain conditions are fulfilled, our method is able to deliver a provable bound on the objective value of the linear program. We test our algorithm on typical benchmark sets and obtain higher rates of success compared to previous approaches for this problem, while keeping the running times acceptably small. The computed objective value bounds are in most of the cases very close to the known exact objective values. We prove the usability of the method we developed by additionally employing a variant of it in a different scenario, namely to improve the results of a Satisfiability Modulo Theories solver. Our method is used as a black box in the nodes of a branch-and-bound tree to implement conflict learning based on the certificate of infeasibility for linear programs consisting of subsets of linear constraints. The generated conflict clauses are in general small and give good rnprospects for reducing the search space. Compared to other methods we obtain significant improvements in the running time, especially on the large instances.

Mobi - kids - rischio di tumori cerebrali ed esposizione a campi a radiofrequenza nei bambini e negli adolescenti

Introduzione. Il rapido e globale incremento dell’utilizzo dei telefoni cellulari da parte degli adolescenti e dei bambini ha generato un considerevole interesse circa i possibili effetti sulla salute dell’esposizione a campi elettromagnetici a radiofrequenza. Perciò è stato avviato lo studio internazionale caso-controllo Mobi-kids, all’interno del quale si colloca quello italiano condotto in 4 Regioni (Piemonte, Lombardia, Toscana, Emilia-Romagna). Obiettivi. Lo studio ha come obiettivo quello di valutare la stima del rischio degli effetti potenzialmente avversi di queste esposizioni sul sistema nervoso centrale nei bambini e negli adolescenti. Materiali e Metodi. La popolazione include tutte le persone di età compresa tra 10 e 24 anni residenti nelle 4 Regioni, con una diagnosi confermata di neoplasia cerebrale primitiva, diagnosticata durante il periodo di studio (3 anni). Sono stati selezionati due controlli - ospedalizzati per appendicite acuta - per ciascun caso. I controlli sono stati appaiati individualmente a ciascun caso per età, sesso e residenza del caso. Risultati. In Italia sono stati intervistati a Giugno 2014, 106 casi e 191 controlli. In Emilia-Romagna i casi reclutati sono stati fino ad ora 21 e i controlli 20, con una rispondenza del’81% e dell’65% rispettivamente. Dei 41 soggetti totali, il 61% era di sesso maschile con un’età media generale pari a 16,5 (±4,5) anni. Inoltre il 44% degli intervistati proveniva dalla classe di età più giovane (10-14). In merito allo stato di appaiamento, nella nostra Regione sono state effettuate 7 triplette (33%) - 1 caso e 2 controlli - e 6 doppiette (29%) - 1 caso ed 1 controllo. Conclusioni. Nonostante le varie difficoltà affrontate data la natura del progetto, l’esperienza maturata fin ad ora ha comunque portato alla fattibilità dello studio e porterà probabilmente a risultati che contribuiranno alla comprensione dei potenziali rischi di neoplasie cerebrali associati all'uso di telefoni cellulari tra i giovani.

Methodological approaches to estimate human population exposure to chemical substances

The public awareness that chemical substances are present ubiquitously in the environment, can be assumed through the diet and can exhibit various health effects, is very high in Europe and Italy. National and international institutions are called to provide figures on the magnitude, frequency, and duration of the population exposure to chemicals, including both natural or anthropogenic substances, voluntarily added to consumers’ good or accidentally entering the production chains. This thesis focuses broadly on how human population exposure to chemicals can be estimated, with particular attention to the methodological approaches and specific focus on dietary exposure assessment and biomonitoring. From the results obtained in the different studies collected in this thesis, it has been pointed out that when selecting the approach to use for the estimate of the exposure to chemicals, several different aspects must be taken into account: the nature of the chemical substance, the population of interest, clarify if the objective is to assess chronic or acute exposure, and finally, take into account the quality and quantity of data available in order to specify and quantify the uncertainty of the estimate.

Propagazione di luce in mezzi disordinati: Misure di trasporto diffusivo tramite imaging stazionario

Nel presente lavoro di tesi è stato effettuato uno studio del trasporto di luce in sistemi diffusivi. Per effettuare tale studio è stato allestito un apparato sperimentale ottimizzato per acquisire profili di trasmissione risolti spazialmente di campioni con geometria a slab. Tramite delle misure su un campione diffusivo di riferimento è stato valutato il funzionamento dell’apparato e sono stati effettuati dei test per ottimizzare il procedimento di misurazione. L’apparato è stato poi impiegato per condurre un’analisi del trasporto in un altro sistema disordinato particolarmente interessante, una scaglia di scarafaggio bianco Chyphochilus. Questa specie presenta una bianchezza unica in natura, per via della particolare struttura ottica insita nelle sue scaglie. Le misure effettuate su questo campione hanno rivelato la presenza di anisotropia di trasporto, elemento che potrebbe rivestire un ruolo centrale nelle eccezionali proprietà macroscopiche della scaglia. Sia l’analisi sul campione diffusivo che sulla scaglia di Chyphochilus dimostrano come l’apparato messo a punto permetta di investigare le proprietà microscopiche e strutturali del processo di trasporto di luce, consentendo di stimare il grado di anisotropia dei sistemi esaminati. L’intero lavoro di tesi è stato svolto presso il laboratorio Europeo di Spettroscopia Non-lineare LENS di Firenze all’interno dell’attività di ricerca del gruppo di ottica dei sistemi complessi di Diederik Wiersma. Il campione di scaglia di Chyphochilus è stato fornito dal prof. Peter Vukusic dell’Università di Exeter, UK.

Confronto tra stime GPS e SAR di deformazioni del suolo e di ritardi troposferici

Il Global Positioning System (GPS) e l’Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) sono due tecniche osservative di grande importanza che utilizzano segnali nel campo delle microonde. Questa tesi intende contribuire a sviluppare una base di confronto tra i risultati derivati da queste due tecniche osservative. Una parte del lavoro riguarda uno studio delle deformazioni del suolo, in particolare, la stima dei movimenti verticali e di quelli che riguardano la componente Est della posizione delle stazioni. Un secondo ambito di ricerca è invece focalizzato alla determinazione del ritardo introdotto, nella propagazione dei segnali GPS e SAR, dal loro passaggio in atmosfera. In particolare, si è studiato l’effetto della componente umida della troposfera.

Sviluppo di mezzi e sistemi di sorveglianza e monitoraggio dei ditteri culicidi di importanza sanitaria

Nel corso degli ultimi anni le problematiche legate al ruolo vettore delle zanzare stanno emergendo sia per quanto riguarda l’uomo che gli animali allevati e selvatici. Diversi arbovirus come West Nile, Chikungunya, Usutu e Dengue, possono facilmente spostarsi a livello planetario ed essere introdotti anche nei nostri territori dove possono dare avvio a episodi epidemici. Le tecniche di monitoraggio e sorveglianza dei Culicidi possono essere convenientemente utilizzate per il rilevamento precoce dell’attività virale sul territorio e per la stima del rischio di epidemie al fine dell’adozione delle opportune azioni di Sanità Pubblica. Io scopo della ricerca del dottorato è inserito nel contesto dei temi di sviluppo del Piano regionale sorveglianza delle malattie trasmesse da vettori in Emilia Romagna. La ricerca condotta è inquadrata prevalentemente sotto l’aspetto entomologico applicativo di utilizzo di dispositivi (trappole) che possano catturare efficacemente possibili insetti vettori. In particolare questa ricerca è stata mirata allo studio comparativo in campo di diversi tipi di trappole per la cattura di adulti di zanzara, cercando di interpretare i dati per capire un potenziale valore di efficacia/efficienza nel rilevamento della circolazione virale e come supporto alla pianificazione della rete di sorveglianza dal punto di vista operativo mediante dispositivi adeguati alle finalità d’indagine. Si è cercato di trovare un dispositivo idoneo, approfondendone gli aspetti operativi/funzionali, ai fini di cattura del vettore principale del West Nile Virus, cioè la zanzara comune, da affiancare all’unica tipologia di trappola usata in precedenza. Le prove saranno svolte sia in campo che presso il laboratorio di Entomologia Medica Veterinaria del Centro Agricoltura Ambiente “G. Nicoli” di Crevalcore, in collaborazione con il Dipartimento di Scienze e Tecnologie Agroambientali della Facoltà di Agraria dell’Università di Bologna.

Condensazione di Bose-Einstein in trappole ottiche

Questo lavoro di tesi si occupa dello studio del fenomeno di condensazione di Bose-Einstein sia da un punto di vista teorico che, in maniera più accennata, da quello pratico-sperimentale; risulta pertanto strutturato in due parti. La prima è incentrata sull'analisi prettamente teorico-matematica dell'argomento, e si apre con l'introduzione dell'opportuno apparato formale atto alla trattazione della statistica quantistica; a tal proposito vengono definiti gli operatori di densità. Quindi viene affrontato il problema dell'indistinguibilità degli enti quantistici e del conseguente carattere di simmetria delle funzioni d'onda, individuando così la differenza tra particelle fermioniche e bosoniche. Di queste ultime vengono largamente studiate la statistica cui essere rispondono e le loro principali caratteristiche termodinamiche. Infine, viene analizzato il caso specifico del gas ideale di Bose, trattato nei limiti del continuo e termodinamico; è nel corso di questa trattazione che emerge il fenomeno di transizione chiamato condensazione di Bose-Einstein, di cui vengono ampiamente studiate le proprietà. La seconda parte, invece, è volta all'analisi delle tecniche sperimentali utilizzate per la realizzazione della condensazione, in particolare le trappole ottiche di dipolo; dopo averne studiato le caratteristiche, vengono illustrate alcune tecniche di raffreddamento di atomi intrappolati. Il lavoro si conclude con la trattazione delle principali tecniche diagnostiche e di riconoscimento del condensato.

Proprietà nucleari di sorgenti di alta potenza e il modello unificato

Questo lavoro di tesi si è concentrato sulla ricerca di una relazione tra la potenza nucleare e quella estesa di oggetti denominati “radiogalassie”. Essi sono tra gli oggetti più potenti dell'universo. Al momento la spiegazione di una tale emissione di potenza è giustificata tramite il modello unificato degli AGN (Active Galactic Nuclei). Tramite la sopra citata relazione tra la potenza nucleare e quella estesa è possibile dare una prova sperimentale del modello unificato degli AGN, inoltre si andranno ad investigare in maniera quantitativa l'angolo di vista e la velocità di emissione di alcuni oggetti di particolare potenza.

Il concetto di funzione. Una proposta didattica di approccio coordinato fra matematica e fisica

Da anni l’insegnamento “trasmissivo” delle scienze è messo in discussione e le ricerche condotte su grandi numeri di studenti di diverso livello scolare ne stanno dimostrando la scarsa efficacia. Si è cercato di documentare e interpretare le difficoltà esistenti per trovare soluzioni che garantiscano un apprendimento significativo. Il lavoro di tesi cerca di mettere a punto una proposta efficace per una formazione iniziale su un concetto matematico significativo: la funzione. Il percorso che presentiamo si sviluppa a partire da un’esperienza didattica in una terza secondaria inferiore in cui il passaggio dalla fase percettiva a quella più formale è affiancato dalla rappresentazione grafica relativa al moto del proprio corpo. L’attività ha permesso di avvicinare gli studenti ai fenomeni partendo da situazioni reali, di indagare le regolarità dei grafici, interpretare la relazione tra le grandezze e ha permesso a ciascuno di costruirsi un modello intuitivo. La proposta didattica si rivolge agli studenti più grandi del biennio della secondaria superiore ed è risultato abbastanza naturale adattare le prime fasi alla pre-sperimentazione. Si introduce la dipendenza lineare tra due variabili associandola ad un grafico rettilineo e si definisce la relazione che lega le variabili spazio temporali. Il passaggio al concetto di limite viene delineato attraverso l’ingrandimento e l’approssimazione della curva senza necessariamente introdurre rigore e formalismo ma sottolineando la finezza del significato matematico e il senso del procedimento. Tale proposta è un intreccio di contenuti matematici e fisici che avvicina gli studenti allo studio e alla comprensione della realtà di cui fanno parte.

Determination of effective charge of flexible polyelectrolytes by light scattering

The most important property controlling the physicochemical behaviour of polyelectrolytes and their applicability in different fields is the charge density on the macromolecular chain. A polyelectrolyte molecule in solution may have an effective charge density which is smaller than the actual charge density determined from its chemical structure. In the present work an attempt has been made to quantitatively determine this effective charge density of a model polyelectrolyte by using light scattering techniques. Flexible linear polyelectrolytes with a Poly(2-Vinylpyridine) (2-PVP) backbone are used in the present study. The polyelectrolytes are synthesized by quaternizing the pyridine groups of 2-PVP by ethyl bromide to different quaternization degrees. The effect of the molar mass, degree of quaternization and solvent polarity on the effective charge is studied. The results show that the effective charge does not vary much with the polymer molar mass or the degree of quaternization. But a significant increase in the effective charge is observed when the solvent polarity is increased. The results do not obey the counterion condensation theory proposed by Manning. Based on the very low effective charges determined in this study, a new mechanism for the counterion condensation phenomena from a specific polyelectrolyte-counterion interaction is proposed

Riabilitazione e miglioramento sismico di un edificio residenziale colpito dal sisma dell'Emilia

Nella tesi che si presenta si è determinata la riduzione percentuale di vulnerabilità sismica di un edificio residenziale, sito a Reggiolo (RE), in seguito ad interventi di riabilitazione e miglioramento sismico con l'introduzione di setti e travi di coronamento in cemento armato. Il punto di partenza è l'analisi delle caratteristiche geometriche dell'edificio, ottenute mediante gli elaborati originali, e le caratteristiche meccaniche dei materiali che compongono la struttura, ottenute mediante prove in situ distruttive e non distruttive. Il punto successivo è stato la creazione di un modello numerico dell'edificio pre-intervento utilizzando il programma commerciale PROSAP, su cui si è eseguita un'analisi dinamica lineare con spettro di progetto da cui si sono determinare le principali criticità e inadeguatezze della struttura nei confronti di un carico sismico. Lo studio è passato alla struttura post-intervento modellando la presenza dei setti verticali e delle travi di coronamento. Dal confronto fra l'analisi dinamica lineare pre e post-intervento si è dedotto un elevato miglioramento sismico con passaggio da un indice di vulnerabilità iniziale pari a 0.02 ad un indice post-intervento pari a 1. Per validare numericamente questi risultati si è eseguita una analisi statica non lineare (pushover) dell'edificio pre-intervento.

Still/moving images. Il rapporto dialettico tra cinema e fotografia nelle pratiche artistiche contemporanee.

Tra le plurime conseguenze dell’avvento del digitale, la riarticolazione dei rapporti tra immagine statica e immagine in movimento è certamente una delle più profonde. Sintomatica dei cambiamenti in atto sia nei film studies sia nella storia dell’arte, tale riarticolazione richiede un ripensamento dei confini disciplinari tradizionali entro cui il cinema e la fotografia sono stati affrontati come oggetti di studio separati e distinti. Nell’adottare un approccio molteplice, volto a comprendere prospettive provenienti dalla New Film History e dalla media archaeology, dalla teoria dell’arte e dagli studi visuali, questo lavoro esplora l’esistenza di una relazione dialettica tra il cinema e la fotografia intesa in modo duplice: come tensione costitutiva tra due media indissolubilmente connessi – non tanto in considerazione di un medesimo principio realistico di rappresentazione quanto, piuttosto, in virtù di uno scambio incessante nella modellizzazione di categorie quali il tempo, il movimento, l’immobilità, l’istante, la durata; come istanza peculiare della pratica artistica contemporanea, paradigma di riferimento nella produzione estetica di immagini. La tesi si suddivide in tre capitoli. Il primo si concentra sul rapporto tra l’immobilità e il movimento dell’immagine come cifra in grado di connettere l’estetica delle attrazioni e la cronofotografia a una serie di esperienze filmiche e artistiche prodotte nei territori delle avanguardie. Il secondo capitolo considera l’emergenza, dagli anni Novanta, di pratiche artistiche in cui l’incontro intermediale tra film e fotografia fornisce modelli di analisi volti all’indagine dell’attuale condizione estetica e tecnologica. Il terzo offre una panoramica critica su un caso di studio, la GIF art. La GIF è un formato digitale obsoleto che consente di produrre immagini che appaiono, simultaneamente, come fisse e animate; nel presente lavoro, la GIF è discussa come un medium capace di contraddire i confini attraverso cui concepiamo l’immagine fissa e in movimento, suggerendo, inoltre, un possibile modello di pensiero storico-cronologico anti-lineare.

Outcome a lungo termine dei pazienti pediatrici con rene singolo. Valutazione di marker laboratoristici e strumentali di danno renale

Obiettivi: valutare in pazienti con rene singolo congenito la correlazione tra il filtrato glomerulare misurato con il DTPA (DTPA-VFG) e 1) marker laboratoristici di danno renale (creatinina, cistatinaC, proteinuria) 2) formule per stimare il filtrato glomerulare 3) parametri di valutazione della crescita renale ecografica. Materiali e metodi: Sono stati arruolati 118 pazienti con rene singolo congenito tra 0 e 18 anni. Sono stati valutati a ogni visita altezza, creatinina, cistatinaC, proteinuria e lunghezza ecografica renale. E’ stato calcolato il filtrato stimato con formule basate sulla creatinina (Schwartz), sulla cistatina C (Zappitelli, Filler, Grubb e Bokenkamp) e su entrambe (equazione di Zappitelli). La crescita renale è stata valutata come rapporto lunghezza ecografica/altezza corporea (USL/H), differenza percentuale tra lunghezza renale misurata e attesa per età (delta%) e presenza o meno d’ipertrofia compensatoria. In 74 bambini è stata misurata la DTPA-VFG. Risultati: Il follow-up è di 2.1 ± 0.9 anni. Il 65% sono maschi. Nessun paziente ha sviluppato danno renale cronico. La media del DTPA-VFG era di 135±44ml/min/1.73m², il valore medio della creatinina 0.47±0.17mg/dl e di cistatinaC di 1±0.4mg/L. La lunghezza ecografica renale media era di 100±17 mm, il rapporto USL/H medio di 0.8±0,1 e il delta% di 1,13±11,4, il 66% presentava ipertrofia renale. Le uniche correlazioni significative con DTPA-VFG sono inversa con la creatinina (p=<.001) e lineare con USL/H (p=<.001). Discussione: Lo studio ha mostrato che come per altre nefrouropatie, la creatina e l’ecografia renale siano due strumenti validi per il follow-up dei pazienti con rene singolo congenito. Il limite principale è dovuto al fatto che nessuno dei pazienti ha sviluppato danno renale cronico e pertanto non è stato possibile stabilire dei cutt-off di rischio per parametri quali USL/H.

Neural network modelling of the wave-structure interaction processes

This thesis presents a new Artificial Neural Network (ANN) able to predict at once the main parameters representative of the wave-structure interaction processes, i.e. the wave overtopping discharge, the wave transmission coefficient and the wave reflection coefficient. The new ANN has been specifically developed in order to provide managers and scientists with a tool that can be efficiently used for design purposes. The development of this ANN started with the preparation of a new extended and homogeneous database that collects all the available tests reporting at least one of the three parameters, for a total amount of 16’165 data. The variety of structure types and wave attack conditions in the database includes smooth, rock and armour unit slopes, berm breakwaters, vertical walls, low crested structures, oblique wave attacks. Some of the existing ANNs were compared and improved, leading to the selection of a final ANN, whose architecture was optimized through an in-depth sensitivity analysis to the training parameters of the ANN. Each of the selected 15 input parameters represents a physical aspect of the wave-structure interaction process, describing the wave attack (wave steepness and obliquity, breaking and shoaling factors), the structure geometry (submergence, straight or non-straight slope, with or without berm or toe, presence or not of a crown wall), or the structure type (smooth or covered by an armour layer, with permeable or impermeable core). The advanced ANN here proposed provides accurate predictions for all the three parameters, and demonstrates to overcome the limits imposed by the traditional formulae and approach adopted so far by some of the existing ANNs. The possibility to adopt just one model to obtain a handy and accurate evaluation of the overall performance of a coastal or harbor structure represents the most important and exportable result of the work.

Sviluppo di metodologie innovative di supporto decisionale alla progettazione basate su indicatori di prestazione

Il progetto di ricerca è finalizzato allo sviluppo di una metodologia innovativa di supporto decisionale nel processo di selezione tra alternative progettuali, basata su indicatori di prestazione. In particolare il lavoro si è focalizzato sulla definizione d’indicatori atti a supportare la decisione negli interventi di sbottigliamento di un impianto di processo. Sono stati sviluppati due indicatori, “bottleneck indicators”, che permettono di valutare la reale necessità dello sbottigliamento, individuando le cause che impediscono la produzione e lo sfruttamento delle apparecchiature. Questi sono stati validati attraverso l’applicazione all’analisi di un intervento su un impianto esistente e verificando che lo sfruttamento delle apparecchiature fosse correttamente individuato. Definita la necessità dell’intervento di sbottigliamento, è stato affrontato il problema della selezione tra alternative di processo possibili per realizzarlo. È stato applicato alla scelta un metodo basato su indicatori di sostenibilità che consente di confrontare le alternative considerando non solo il ritorno economico degli investimenti ma anche gli impatti su ambiente e sicurezza, e che è stato ulteriormente sviluppato in questa tesi. Sono stati definiti due indicatori, “area hazard indicators”, relativi alle emissioni fuggitive, per integrare questi aspetti nell’analisi della sostenibilità delle alternative. Per migliorare l’accuratezza nella quantificazione degli impatti è stato sviluppato un nuovo modello previsionale atto alla stima delle emissioni fuggitive di un impianto, basato unicamente sui dati disponibili in fase progettuale, che tiene conto delle tipologie di sorgenti emettitrici, dei loro meccanismi di perdita e della manutenzione. Validato mediante il confronto con dati sperimentali di un impianto produttivo, si è dimostrato che tale metodo è indispensabile per un corretto confronto delle alternative poiché i modelli esistenti sovrastimano eccessivamente le emissioni reali. Infine applicando gli indicatori ad un impianto esistente si è dimostrato che sono fondamentali per semplificare il processo decisionale, fornendo chiare e precise indicazioni impiegando un numero limitato di informazioni per ricavarle.