The Herglotz variational problem on spheres and its optimal control approach

The main goal of this paper is to extend the generalized variational problem of Herglotz type to the more general context of the Euclidean sphere S^n. Motivated by classical results on Euclidean spaces, we derive the generalized Euler-Lagrange equation for the corresponding variational problem defined on the Riemannian manifold S^n. Moreover, the problem is formulated from an optimal control point of view and it is proved that the Euler-Lagrange equation can be obtained from the Hamiltonian equations. It is also highlighted the geodesic problem on spheres as a particular case of the generalized Herglotz problem.

Problems in Algebraic Vision

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

Multiphase modeling of melting / solidification with high density variations using XFEM

La modélisation de la cryolite, utilisée dans la fabrication de l’aluminium, implique plusieurs défis, notament la présence de discontinuités dans la solution et l’inclusion de la difference de densité entre les phases solide et liquide. Pour surmonter ces défis, plusieurs éléments novateurs ont été développés dans cette thèse. En premier lieu, le problème du changement de phase, communément appelé problème de Stefan, a été résolu en deux dimensions en utilisant la méthode des éléments finis étendue. Une formulation utilisant un multiplicateur de Lagrange stable spécialement développée et une interpolation enrichie a été utilisée pour imposer la température de fusion à l’interface. La vitesse de l’interface est déterminée par le saut dans le flux de chaleur à travers l’interface et a été calculée en utilisant la solution du multiplicateur de Lagrange. En second lieu, les effets convectifs ont été inclus par la résolution des équations de Stokes dans la phase liquide en utilisant la méthode des éléments finis étendue aussi. Troisièmement, le changement de densité entre les phases solide et liquide, généralement négligé dans la littérature, a été pris en compte par l’ajout d’une condition aux limites de vitesse non nulle à l’interface solide-liquide pour respecter la conservation de la masse dans le système. Des problèmes analytiques et numériques ont été résolus pour valider les divers composants du modèle et le système d’équations couplés. Les solutions aux problèmes numériques ont été comparées aux solutions obtenues avec l’algorithme de déplacement de maillage de Comsol. Ces comparaisons démontrent que le modèle par éléments finis étendue reproduit correctement le problème de changement phase avec densités variables.

T-duality without isometry via extended gauge symmetries of 2D sigma models

Target space duality is one of the most profound properties of string theory. However it customarily requires that the background fields satisfy certain invariance conditions in order to perform it consistently; for instance the vector fields along the directions that T-duality is performed have to generate isometries. In the present paper we examine in detail the possibility to perform T-duality along non-isometric directions. In particular, based on a recent work of Kotov and Strobl, we study gauged 2D sigma models where gauge invariance for an extended set of gauge transformations imposes weaker constraints than in the standard case, notably the corresponding vector fields are not Killing. This formulation enables us to follow a procedure analogous to the derivation of the Buscher rules and obtain two dual models, by integrating out once the Lagrange multipliers and once the gauge fields. We show that this construction indeed works in non-trivial cases by examining an explicit class of examples based on step 2 nilmanifolds.

Privileged Words and Sturmian Words

This dissertation has two almost unrelated themes: privileged words and Sturmian words. Privileged words are a new class of words introduced recently. A word is privileged if it is a complete first return to a shorter privileged word, the shortest privileged words being letters and the empty word. Here we give and prove almost all results on privileged words known to date. On the other hand, the study of Sturmian words is a well-established topic in combinatorics on words. In this dissertation, we focus on questions concerning repetitions in Sturmian words, reproving old results and giving new ones, and on establishing completely new research directions. The study of privileged words presented in this dissertation aims to derive their basic properties and to answer basic questions regarding them. We explore a connection between privileged words and palindromes and seek out answers to questions on context-freeness, computability, and enumeration. It turns out that the language of privileged words is not context-free, but privileged words are recognizable by a linear-time algorithm. A lower bound on the number of binary privileged words of given length is proven. The main interest, however, lies in the privileged complexity functions of the Thue-Morse word and Sturmian words. We derive recurrences for computing the privileged complexity function of the Thue-Morse word, and we prove that Sturmian words are characterized by their privileged complexity function. As a slightly separate topic, we give an overview of a certain method of automated theorem-proving and show how it can be applied to study privileged factors of automatic words. The second part of this dissertation is devoted to Sturmian words. We extensively exploit the interpretation of Sturmian words as irrational rotation words. The essential tools are continued fractions and elementary, but powerful, results of Diophantine approximation theory. With these tools at our disposal, we reprove old results on powers occurring in Sturmian words with emphasis on the fractional index of a Sturmian word. Further, we consider abelian powers and abelian repetitions and characterize the maximum exponents of abelian powers with given period occurring in a Sturmian word in terms of the continued fraction expansion of its slope. We define the notion of abelian critical exponent for Sturmian words and explore its connection to the Lagrange spectrum of irrational numbers. The results obtained are often specialized for the Fibonacci word; for instance, we show that the minimum abelian period of a factor of the Fibonacci word is a Fibonacci number. In addition, we propose a completely new research topic: the square root map. We prove that the square root map preserves the language of any Sturmian word. Moreover, we construct a family of non-Sturmian optimal squareful words whose language the square root map also preserves.This construction yields examples of aperiodic infinite words whose square roots are periodic.

All-regime Lagrangian-Remap numerical schemes for the gas dynamics equations. Applications to the large friction and low Mach coefficients

In this talk, we propose an all regime Lagrange-Projection like numerical scheme for the gas dynamics equations. By all regime, we mean that the numerical scheme is able to compute accurate approximate solutions with an under-resolved discretization with respect to the Mach number M, i.e. such that the ratio between the Mach number M and the mesh size or the time step is small with respect to 1. The key idea is to decouple acoustic and transport phenomenon and then alter the numerical flux in the acoustic approximation to obtain a uniform truncation error in term of M. This modified scheme is conservative and endowed with good stability properties with respect to the positivity of the density and the internal energy. A discrete entropy inequality under a condition on the modification is obtained thanks to a reinterpretation of the modified scheme in the Harten Lax and van Leer formalism. A natural extension to multi-dimensional problems discretized over unstructured mesh is proposed. Then a simple and efficient semi implicit scheme is also proposed. The resulting scheme is stable under a CFL condition driven by the (slow) material waves and not by the (fast) acoustic waves and so verifies the all regime property. Numerical evidences are proposed and show the ability of the scheme to deal with tests where the flow regime may vary from low to high Mach values.

The SOPHIE search for northern extrasolar planets: X. Detection and characterization of giant planets by the dozen

We present new radial velocity measurements of eight stars that were secured with the spectrograph SOPHIE at the 193 cm telescope of the Haute-Provence Observatory. The measurements allow detecting and characterizing new giant extrasolar planets. The host stars are dwarfs of spectral types between F5 and K0 and magnitudes of between 6.7 and 9.6; the planets have minimum masses Mp sin i of between 0.4 to 3.8 MJup and orbitalperiods of several days to several months. The data allow only single planets to be discovered around the first six stars (HD 143105, HIP 109600, HD 35759, HIP 109384, HD 220842, and HD 12484), but one of them shows the signature of an additional substellar companion in the system. The seventh star, HIP 65407, allows the discovery of two giant planets that orbit just outside the 12:5 resonance in weak mutual interaction. The last star, HD 141399, was already known to host a four-planet system; our additional data and analyses allow new constraints to be set on it. We present Keplerian orbits of all systems, together with dynamical analyses of the two multi-planet systems. HD 143105 is one of the brightest stars known to host a hot Jupiter, which could allow numerous follow-up studies to be conducted even though this is not a transiting system. The giant planets HIP 109600b, HIP 109384b, and HD 141399c are located in the habitable zone of their host star.

On the rotation of co-orbital bodies in eccentric orbits

We investigate the resonant rotation of co-orbital bodies in eccentric and planar orbits. We develop a simple analytical model to study the impact of the eccentricity and orbital perturbations on the spin dynamics. This model is relevant in the entire domain of horseshoe and tadpole orbit, for moderate eccentricities. We show that there are three different families of spin-orbit resonances, one depending on the eccentricity, one depending on the orbital libration frequency, and another depending on the pericenter's dynamics. We can estimate the width and the location of the different resonant islands in the phase space, predicting which are the more likely to capture the spin of the rotating body. In some regions of the phase space the resonant islands may overlap, giving rise to chaotic rotation.

Formulação lagrangiana para sistemas dissipativos através do cálculo fracionário

Neste trabalho, generalizamos o Princípio da Mínima Ação proposto por Riewe para sistemas não conservativos, contendo forças dissipativas lineares dependentes de derivadas temporais de qualquer ordem. A Ação generalizada é construída a partir de funções Lagrangianas dependentes de derivadas de ordem inteira e fracionária. Diferente de outras formulações, o uso de derivadas fracionárias permite a construção de Lagrangianas físicas para sistemas não conservativos. Uma Lagrangiana é dita física se fornece relações fisicamente consistentes para o momentum e o Hamiltoniano do sistema. Neste Princípio da Mínima Ação generalizado, as equações de movimento são obtidas a partir da equação de Euler-Lagrange e, tomando-se o limite indo à zero para o intervalo de tempo definindo a Ação. Finalmente, como exemplo de aplicação, formulamos pela primeira vez uma Lagrangiana física para o problema da carga pontual acelerada.

Integrales elípticas. Con notas históricas

Integrales elípticas con notas históricas, presenta los resultados matemáticos más importantes de este tipo de integrales. Primero se enuncian ciertos problemas históricos referentes al tema y que ejemplifican las especies de Legendre. El punto central de la discusión es la ecuación diferencial fundamental de Euler, cuya solución se da en la identidad de Lagrange. En la parte final del texto se muestran aplicaciones e interpretaciones geométricas de dicha ecuación. La colección lecciones de matemáticas, iniciativa del departamento de ciencias básicas de la universidad de Medellín, a través de su grupo de investigación SUMMA, incluye en cada número la exposición detallada de un tema matemático, tratado con mayor profundidad que en un curso regular. Las temáticas incluyen: álgebra, trigonometría, cálculo, estadística y probabilidades, álgebra lineal, métodos lineales y numéricos, historia de las matemáticas, geometría, matemáticas puras y aplicadas, ecuaciones diferenciales y empleo de distintos softwares para la enseñanza de las matemáticas.

Funciones de varias variables y sus derivadas. Con aplicaciones a la administración, a las Ciencias Sociales y a la Economía

Funciones de varias variables y sus derivadas con aplicaciones a la administración, las Ciencias Sociales y la Economía es una lección en la que, además de los conceptos fundamentales fe funciones de varias variables, se construyen gráficas en dos y tres dimensiones, algunas de ellas utilizando software matemático; de igual manera, se muestran aplicaciones de funciones de producción, costo y demanda, curvas de indiferencia e isocuantas, aplicaciones a la administración, las ciencias sociales y la economía de la diferencia total, análisis marginal, costo promedio marginal, tasa marginal de sustitución, artículos sustitutos y complementarios, y finalmente, se le da importancia al planteamiento de problemas de optimización empleando los multiplicadores de Lagrange.

Visualización y pensamiento matemático

La propuesta didáctica que mostramos en este curso fue desarrollada en un libro dirigido a profesores y continuada en un artículo más en profundidad (Cantoral y Montiel, 2001 y 2003) Dicha propuesta nace en una aproximación teórica de naturaleza sistémica que denominamos socioepistemología. En términos generales, la propuesta trata de una forma particular de entender a la visualización de las funciones, aunque en este escrito nos ocuparemos en particular y sólo como un ejemplo, de la construcción del polinomio de interpolación de Lagrange mediante estrategias de visualización. No abordamos aspectos del tratamiento curricular de los polinomios de Lagrange y de las concepciones que los “alumnos desarrollan en su paso por la universidad, sino que presentamos una propuesta didáctica basada en la visualización y en el desarrollo del pensamiento matemático del concepto de función. En nuestra opinión, esta propuesta favorece la evolución de las concepciones entre los alumnos.

Optimización de una Función de Utilidad Para un Hogar Promedio de El Salvador.

En esta investigación se esboza una breve historia de cómo y porque surge la teoría de la elección racional, además de exponer los principios generales aplicables a las Ciencias que estudian el comportamiento de la interacción humana, es decir, las Ciencias Sociales. Dichos principios se recogen en economía bajo la rama conocida como microeconomía, específicamente en la teoría de la conducta del consumidor. Es por ello que esta teoría es el pilar fundamental de esta investigación. Dicha teoría se retoma para poder aplicarla al hogar salvadoreño promedio visto como la unidad de consumo dentro de la economía, ya que con la teoría de la conducta del consumidor es posible medir su bienestar (conocida en microeconomía como utilidad) a través la variable proxy consumo mediante la estimación de una función de consumo. Para ello se realizó un diagnóstico del consumo de los hogares salvadoreños en el que se determinó la importancia que tienen en la dinámica económica del país, resultando ser el que mayor peso tiene respecto a los diferentes componentes que conforman el Producto Interno Bruto (PIB). Para tal propósito se realizan tres ejercicios: El primero es una comparación gráfica de cada componente con el PIB a nivel de tasas de crecimiento, en el segundo ejercicio se determinó el porcentaje de contribución de cada componente en el crecimiento del PIB, mientras que en el tercero se realiza una regresión simple para conocer el grado de correlación que tiene cada componente con el PIB. Dicho diagnóstico también permitió conocer la estructura de consumo de los hogares, y cómo esta se ve afectada por los niveles de ingreso e inflación, se determina en grado de importancia de mayor a menor la siguiente estructura de cestas de bienes y consumo constituido por: Alimentos, servicios de vivienda, educación, bienes y servicios diversos, y, salud. Se construyeron las gráficas de Engels y Demanda-Precio para cada canasta de bienes y servicios, con el objetivo de conocer el comportamiento que ha tenido el consumidor ante los precios y los ingresos. Una vez conocida la estructura de consumo se procedió a estimar la función de utilidad del hogar salvadoreño, mediante el método de regresión lineal múltiple, la cual toma la forma de una función del tipo Cobb-Douglas. Estimada la función de utilidad el siguiente que se realizó fue optimizar los niveles de consumo, por el método de los multiplicadores de Lagrange, lo que permitió realizar comparaciones entre los niveles observados de consumo y los niveles óptimos que el hogar puede haber realizado de acuerdo a sus niveles de consumo, lo que revela que los hogares se encuentran consumiendo por debajo de sus niveles óptimos. Bajo un escenario en donde los hogares logren optimizar su consumo, el nivel de bienestar más alto se encuentra en el año 2000 y para alcanzar dicho nivel de utilidad en el año 2013 los hogares necesitan tener ingresos de $672 aproximadamente. Lo anterior se realizó bajo un contexto sin impuestos de ningún tipo, sin embargo, al considerar el impuesto sobre la renta, el óptimo del consumidor sufre un impacto negativo entre el 3% y 5% En base a lo expuesto se presentan algunas recomendaciones atinentes al cuido del bienestar de los hogares.

Corrigendum to “The envelope theorem for multiobjective convex programming via contingent derivatives” [J. Math. Anal. Appl. 372 (1) (2010) 197–207]

The aim of this note is to formulate an envelope theorem for vector convex programs. This version corrects an earlier work, “The envelope theorem for multiobjective convex programming via contingent derivatives” by Jiménez Guerra et al. (2010) [3]. We first propose a necessary and sufficient condition allowing to restate the main result proved in the alluded paper. Second, we introduce a new Lagrange multiplier in order to obtain an envelope theorem avoiding the aforementioned error.

Sensitivity Analysis in Convex Optimization through the Circatangent Derivative

The main goal of this paper is to analyse the sensitivity of a vector convex optimization problem according to variations in the right-hand side. We measure the quantitative behavior of a certain set of Pareto optimal points characterized to become minimum when the objective function is composed with a positive function. Its behavior is analysed quantitatively using the circatangent derivative for set-valued maps. Particularly, it is shown that the sensitivity is closely related to a Lagrange multiplier solution of a dual program.