Frontiers of finance: Evolution and efficient markets

In this review article, we explore several recent advances in the quantitative modeling of financial markets. We begin with the Efficient Markets Hypothesis and describe how this controversial idea has stimulated a number of new directions of research, some focusing on more elaborate mathematical models that are capable of rationalizing the empirical facts, others taking a completely different tack in rejecting rationality altogether. One of the most promising directions is to view financial markets from a biological perspective and, specifically, within an evolutionary framework in which markets, instruments, institutions, and investors interact and evolve dynamically according to the “law” of economic selection. Under this view, financial agents compete and adapt, but they do not necessarily do so in an optimal fashion. Evolutionary and ecological models of financial markets is truly a new frontier whose exploration has just begun.

Blood flow and oxygen delivery to human brain during functional activity: Theoretical modeling and experimental data

Coupling of cerebral blood flow (CBF) and cerebral metabolic rate for oxygen (CMRO2) in physiologically activated brain states remains the subject of debates. Recently it was suggested that CBF is tightly coupled to oxidative metabolism in a nonlinear fashion. As part of this hypothesis, mathematical models of oxygen delivery to the brain have been described in which disproportionately large increases in CBF are necessary to sustain even small increases in CMRO2 during activation. We have explored the coupling of CBF and oxygen delivery by using two complementary methods. First, a more complex mathematical model was tested that differs from those recently described in that no assumptions were made regarding tissue oxygen level. Second, [15O] water CBF positron emission tomography (PET) studies in nine healthy subjects were conducted during states of visual activation and hypoxia to examine the relationship of CBF and oxygen delivery. In contrast to previous reports, our model showed adequate tissue levels of oxygen could be maintained without the need for increased CBF or oxygen delivery. Similarly, the PET studies demonstrated that the regional increase in CBF during visual activation was not affected by hypoxia. These findings strongly indicate that the increase in CBF associated with physiological activation is regulated by factors other than local requirements in oxygen.

Antigenic variation and the within-host dynamics of parasites.

Many parasites exhibit antigenic variation within their hosts. We use mathematical models to investigate the dynamical interaction between an antigenically varying parasite and the host's immune system. The models incorporate antigenic variation in the parasite population and the generation of immune responses directed against (i) antigens specific to individual parasite variants and (ii) antigens common to all the parasite variants. Analysis of the models allows us to evaluate the relative importance of variant-specific and cross-reactive immune responses in controlling the parasite. Early in the course of infection within the host, when parasite diversity is below a defined threshold value (the value is determined by the biological properties of the parasite and of the host's immune response), the variant-specific immune responses are predominant. Later, when the parasite diversity is high, the cross-reactive immune response is largely responsible for controlling the parasitemia. It is argued that increasing antigenic diversity leads to a switch from variant-specific to cross-reactive immune responses. These simple models mimic various features of observed infections recorded in the experimental literature, including an initial peak in parasitemia, a long and variable duration of infection with fluctuating parasitemia that ends with either the clearance of the parasite or persistent infection.

Older plasma lipoproteins are more susceptible to oxidation: a linking mechanism for the lipid and oxidation theories of atherosclerotic cardiovascular disease.

Increases in plasma cholesterol are associated with progressive increases in the risk of atherosclerotic cardiovascular disease. In humans plasma cholesterol is contained primarily in apolipoprotein B-based low density lipoprotein (LDL). Cells stop making the high-affinity receptor responsible for LDL removal as they become cholesterol replete; this slows removal of LDL from plasma and elevates plasma LDL. As a result of this delayed uptake, hypercholesterolemic individuals not only have more LDL but have significantly older LDL. Oxidative modification of LDL enhances their atherogenicity. This study sought to determine whether increased time spent in circulation, or aging, by lipoprotein particles altered their susceptibility to oxidative modification. Controlled synchronous production of distinctive apolipoprotein B lipoproteins (yolk-specific very low density lipoproteins; VLDLy) with a single estrogen injection into young turkeys was used to model LDL aging in vivo. VLDLy remained in circulation for at least 10 days. Susceptibility to oxidation in vitro was highly dependent on lipoprotein age in vivo. Oxidation, measured as hexanal release from n-6 fatty acids in VLDLy, increased from 13.3 +/- 5.5 nmol of 2-day-old VLDLy per ml, to 108 +/- 17 nmol of 7-day-old VLDLy per ml. Oxidative instability was not due to tocopherol depletion or conversion to a more unsaturated fatty acid composition. These findings establish mathematically describable linkages between the variables of LDL concentration and LDL oxidation. The proposed mathematical models suggest a unified investigative approach to determine the mechanisms for acceleration of atherosclerotic cardiovascular disease risk as plasma cholesterol rises.

Complexity, contingency, and criticality.

Complexity originates from the tendency of large dynamical systems to organize themselves into a critical state, with avalanches or "punctuations" of all sizes. In the critical state, events which would otherwise be uncoupled become correlated. The apparent, historical contingency in many sciences, including geology, biology, and economics, finds a natural interpretation as a self-organized critical phenomenon. These ideas are discussed in the context of simple mathematical models of sandpiles and biological evolution. Insights are gained not only from numerical simulations but also from rigorous mathematical analysis.

Dynamics of maize endosperm development and DNA endoreduplication.

Endosperm development in Zea mays is characterized by a period of intense mitotic activity followed by a period in which mitosis is essentially eliminated and the cell cycle becomes one of alternating S and G phases, leading to endoreduplication of the nuclear DNA. The endosperm represents a significant contribution to the grain yield of maize; thus, methods that facilitate the study of cellular kinetics may be useful in discerning cellular and molecular components of grain yield. Two mathematical models have been developed to describe the kinetics of endosperm growth. The first describes the kinetics of mitosis during endosperm development; the second describes the kinetics of DNA endoreduplication during endosperm development. The mitotic model is a modification of standard growth curves. The endoreduplication model is composed of six differential equations that represent the progression of nuclei from one DNA content to another during the endoreduplication process. Total nuclei number per endosperm and the number of 3C, 6C, 12C, 24C, 48C, and 96C nuclei per endosperm (C is the haploid DNA content per nucleus) for inbred W64A from 8 to 18 days after pollination were determined by flow cytometry. The results indicate that the change in number of nuclei expressed as a function of the number of days after pollination is the same from one yearly crop to another. These data were used in the model to determine the endosperm growth rate, the maximum nuclei number per endosperm, and transition rates from one C value to the next higher C value. The kinetics of endosperm development are reasonably well represented by the models. Thus, the models provide a means to quantify the complex pattern of endosperm development.

Modelo numérico mecanobiológico para a obtenção da matriz de rigidez estrutural e da densidade mineral na remodelagem óssea

Neste trabalho é proposto um modelo mecanobiológico de remodelagem óssea para a estimativa de variações, provocadas por perturbações mecânicas ou biológicas, na matriz de rigidez estrutural da escala macroscópica e na densidade mineral em uma região do osso. Na cooperação entre as áreas da saúde e da engenharia, como nos estudos estruturais de biomecânica no sistema esquelético, as propriedades mecânicas dos materiais devem ser conhecidas, entretanto os ossos possuem uma constituição material altamente complexa, dinâmica e variante entre indivíduos. Sua dinâmica decorre dos ciclos de absorção e deposição de matriz óssea na remodelagem óssea, a qual ocorre para manter a integridade estrutural do esqueleto e adaptá-lo aos estímulos do ambiente, sejam eles biológicos, químicos ou mecânicos. Como a remodelagem óssea pode provocar alterações no material do osso, espera-se que suas propriedades mecânicas também sejam alteradas. Na literatura científica há modelos matemáticos que preveem a variação da matriz de rigidez estrutural a partir do estímulo mecânico, porém somente os modelos mais recentes incluíram explicitamente processos biológicos e químicos da remodelagem óssea. A densidade mineral óssea é um importante parâmetro utilizado no diagnóstico de doenças ósseas na área médica. Desse modo, para a obtenção da variação da rigidez estrutural e da densidade mineral óssea, propõe-se um modelo numérico mecanobiológico composto por cinco submodelos: da dinâmica da população de células ósseas, da resposta das células ao estímulo mecânico, da porosidade óssea, da densidade mineral óssea e, baseado na Lei de Voigt para materiais compósitos, da rigidez estrutural. Os valores das constantes das equações dos submodelos foram obtidos de literatura. Para a solução das equações do modelo, propõe-se uma implementação numérica e computacional escrita em linguagem C. O método de Runge-Kutta-Dorman-Prince, cuja vantagem consiste no uso de um passo de solução variável, é utilizado no modelo para controlar o erro numérico do resultado do sistema de equações diferenciais. Foi realizada uma avaliação comparativa entre os resultados obtidos com o modelo proposto e os da literatura dos modelos de remodelagem óssea recentes. Conclui-se que o modelo e a implementação propostos são capazes de obter variações da matriz de rigidez estrutural macroscópica e da densidade mineral óssea decorrentes da perturbação nos parâmetros mecânicos ou biológicos do processo de remodelagem óssea.

Stability and sensitivity analysis of Be-CoDiS, an epidemiological model to predict the spread of human diseases between countries. Validation with data from the 2014-16 West African Ebola Virus Disease epidemic.

Ebola virus disease is a lethal human and primate disease that requires a particular attention from the international health authorities due to important recent outbreaks in some Western African countries and isolated cases in European and North-America continents. Regarding the emergency of this situation, various decision tools, such as mathematical models, were developed to assist the authorities to focus their efforts in important factors to eradicate Ebola. In a previous work, we have proposed an original deterministic spatial-temporal model, called Be-CoDiS (Between-Countries Disease Spread), to study the evolution of human diseases within and between countries by taking into consideration the movement of people between geographical areas. This model was validated by considering numerical experiments regarding the 2014-16 West African Ebola Virus Disease epidemic. In this article, we propose to perform a stability analysis of Be-CoDiS. Our first objective is to study the equilibrium states of simplified versions of this model, limited to the cases of one an two countries, and to determine their basic reproduction ratios. Then, in order to give some recommendations for the allocation of resources used to control the disease, we perform a sensitivity analysis of those basic reproduction ratios regarding the model parameters. Finally, we validate the obtained results by considering numerical experiments based on data from the 2014-16 West African Ebola Virus Disease epidemic.

Estudo da solidificação equiaxial utilizando o modelo do campo de fases tridimensional.

Este trabalho apresenta um estudo da solidificação de metais puros utilizando o modelo de campo de fases. O modelo é utilizado para simular a solidificação com o intuito de obter a morfologia da interface sólido-líquido sob diversas condições de transferência de calor. Foram realizados testes de validação comparando as morfologias da interface sólido-líquido obtida com as morfologias apresentadas em trabalhos anteriores para os casos bi e tridimensionais. O modelo do campo de fases adotado consiste principalmente de duas equações diferenciais: uma para calcular a variável de campo de fases e outra para calcular o campo de temperaturas. As equações foram solucionadas numericamente para um oitavo do domínio devido a simetria do problema. Os cálculos do modelo indicam que um sólido esférico com um raio inicial menor que o raio crítico de nucleação refunde. Entretanto uma esfera de raio maior cresce. Quando o sólido inicial cresce em uma malha numérica relativamente grosseira, a forma do sólido desvia da forma esférica devido perturbações na interface sólido-líquido. Quando a malha é refinada, as perturbações não são detectadas; contudo, quando introduzidas artificialmente as perturbações crescem e distorcem o formato esférico.

A contribution on modeling methodologies for multibody systems.

Multibody System Dynamics has been responsible for revolutionizing Mechanical Engineering Design by using mathematical models to simulate and optimize the dynamic behavior of a wide range of mechanical systems. These mathematical models not only can provide valuable informations about a system that could otherwise be obtained only by experiments with prototypes, but also have been responsible for the development of many model-based control systems. This work represents a contribution for dynamic modeling of multibody mechanical systems by developing a novel recursive modular methodology that unifies the main contributions of several Classical Mechanics formalisms. The reason for proposing such a methodology is to motivate the implementation of computational routines for modeling complex multibody mechanical systems without being dependent on closed source software and, consequently, to contribute for the teaching of Multibody System Dynamics in undergraduate and graduate levels. All the theoretical developments are based on and motivated by a critical literature review, leading to a general matrix form of the dynamic equations of motion of a multibody mechanical system (that can be expressed in terms of any set of variables adopted for the description of motions performed by the system, even if such a set includes redundant variables) and to a general recursive methodology for obtaining mathematical models of complex systems given a set of equations describing the dynamics of each of its uncoupled subsystems and another set describing the constraints among these subsystems in the assembled system. This work also includes some discussions on the description of motion (using any possible set of motion variables and admitting any kind of constraint that can be expressed by an invariant), and on the conditions for solving forward and inverse dynamics problems given a mathematical model of a multibody system. Finally, some examples of computational packages based on the novel methodology, along with some case studies, are presented, highlighting the contributions that can be achieved by using the proposed methodology.

Identificação de sistemas para o estudo de controle motor.

Qualquer tarefa motora ativa se dá pela ativação de uma população de unidades motoras. Porém, devido a diversas dificuldades, tanto técnicas quanto éticas, não é possível medir a entrada sináptica dos motoneurônios em humanos. Por essas razões, o uso de modelos computacionais realistas de um núcleo de motoneurônios e as suas respectivas fibras musculares tem um importante papel no estudo do controle humano dos músculos. Entretanto, tais modelos são complexos e uma análise matemática é difícil. Neste texto é apresentada uma abordagem baseada em identificação de sistemas de um modelo realista de um núcleo de unidades motoras, com o objetivo de obter um modelo mais simples capaz de representar a transdução das entradas do núcleo de unidades motoras na força do músculo associado ao núcleo. A identificação de sistemas foi baseada em um algoritmo de mínimos quadrados ortogonal para achar um modelo NARMAX, sendo que a entrada considerada foi a condutância sináptica excitatória dendrítica total dos motoneurônios e a saída foi a força dos músculos produzida pelo núcleo de unidades motoras. O modelo identificado reproduziu o comportamento médio da saída do modelo computacional realista, mesmo para pares de sinal de entrada-saída não usados durante o processo de identificação do modelo, como sinais de força muscular modulados senoidalmente. Funções de resposta em frequência generalizada do núcleo de motoneurônios foram obtidas do modelo NARMAX, e levaram a que se inferisse que oscilações corticais na banda-beta (20 Hz) podem influenciar no controle da geração de força pela medula espinhal, comportamento do núcleo de motoneurônios até então desconhecido.

Modelo preditivo fuzzy da mobilização do solo no sistema de plantio direto.

As culturas do milho e da soja respondem pela maior parte da produção nacional de grãos, predominando o sistema de plantio direto. Para uma semeadura direta de qualidade, o bom aterramento do sulco é indispensável, pois garante um ambiente adequado às sementes. Neste sentido, é importante estimar a mobilização de solo promovida por uma haste sulcadora estreita durante esta operação. O modelo analítico existente visa representar a mobilização do solo no sistema de plantio convencional. Como consequência, há situações em que este não pode se aplicado, como no caso de hastes sulcadoras estreitas utilizadas em semeadoras de plantio direto. Nestas situações, o mecanismo de falha do solo pode se alterar, assumindo um comportamento não modelado na literatura. Essa pesquisa propõe um modelo fuzzy capaz de representar estas situações, aproveitando conhecimento da teoria de mecânica dos solos e da análise de resultados experimentais. No modelo proposto, parte das regras descrevem situações não abrangidas pelo modelo analítico, as quais foram formuladas a partir da estimativa das prováveis áreas de solo mobilizado. O modelo fuzzy foi testado com dados de experimentos conduzidos durante a pesquisa, em duas condições de granulometria de solo (arenoso e argiloso). O modelo proposto reproduziu as tendências observadas nos dados experimentais, mas superestimou os valores de área observados, sendo esse efeito bem mais intenso para os dados do experimento em solo arenoso. A superestimativa ocorreu devido à soma de diversos fatores. Um deles é a diferença entre as leituras experimentais, as quais consideram apenas o solo realmente movimentado, e a premissa do modelo analítico, que considera toda a área de solo incluindo aquela cisalhada, porém não mobilizada. Outro fator foi devido ao efeito do disco de corte da palha, que pré-cisalha o solo à frente da ferramenta. No ensaio em solo arenoso os valores observados de área de solo mobilizado foram menores que os esperados, intensificando o efeito de superestimativa do modelo fuzzy, sendo que este efeito não representa uma deficiência deste modelo.

Modelagem matemática do processo industrial de coqueamento retardado.

A unidade de coqueamento retardado é um processo térmico de conversão, utilizado pelas refinarias, para converter cargas residuais em produtos de baixo peso molecular e com alto valor agregado (gases, nafta e gasóleo) e coque verde de petróleo. Um pequeno aumento no rendimento líquido da unidade de coqueamento retardado proporciona benefícios económicos consideráveis, especialmente no destilado líquido. A concorrência no mercado, as restrições sobre as especificações do produto e gargalos operacionais exigem um melhor planejamento da produção. Portanto, o desenvolvimento de novas estratégias e modelos matemáticos, focados em melhores condições de operação do processo industrial e formulações de produtos, é essencial para alcançar melhores rendimentos e um acompanhamento mais preciso da qualidade do produto. Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de modelo matemático do conjunto forno-reator do processo de coqueamento, a partir de informações obtidas em uma planta industrial. O modelo proposto é baseado na caracterização da carga e dos produtos em pseudocomponentes, modelos cinéticos de grupos e condições de equilíbrio liquido-vapor. Além disso, são discutidos os principais desafios para o desenvolver o modelo matemático do forno e do reator, bem como a caracterização rigorosa do resíduo de vácuo e dos produtos para determinar os parâmetros que afetam a morfologia do coque e a zona de reação no interior do reator de coque.

Modelagem de sinais neuronais utilizando filtros lineares de tempo discreto.

A aquisição experimental de sinais neuronais é um dos principais avanços da neurociência. Por meio de observações da corrente e do potencial elétricos em uma região cerebral, é possível entender os processos fisiológicos envolvidos na geração do potencial de ação, e produzir modelos matemáticos capazes de simular o comportamento de uma célula neuronal. Uma prática comum nesse tipo de experimento é obter leituras a partir de um arranjo de eletrodos posicionado em um meio compartilhado por diversos neurônios, o que resulta em uma mistura de sinais neuronais em uma mesma série temporal. Este trabalho propõe um modelo linear de tempo discreto para o sinal produzido durante o disparo do neurônio. Os coeficientes desse modelo são calculados utilizando-se amostras reais dos sinais neuronais obtidas in vivo. O processo de modelagem concebido emprega técnicas de identificação de sistemas e processamento de sinais, e é dissociado de considerações sobre o funcionamento biofísico da célula, fornecendo uma alternativa de baixa complexidade para a modelagem do disparo neuronal. Além disso, a representação por meio de sistemas lineares permite idealizar um sistema inverso, cuja função é recuperar o sinal original de cada neurônio ativo em uma mistura extracelular. Nesse contexto, são discutidas algumas soluções baseadas em filtros adaptativos para a simulação do sistema inverso, introduzindo uma nova abordagem para o problema de separação de spikes neuronais.

Analysis of a metallic pedestrian bridge under dynamic human loads in pre and post reinforcement phases

The purpose of this work is to study the dynamic behavior of a pedestrian bridge in Alicante, Spain. It is a very slender footbridge with vertical and horizontal vibration problems during the passage of pedestrians. Accelerations have been recorded by accelerometers installed at various locations of the bridge. Two scenarios, in free vibration (after the passage of a certain number of pedestrians on the bridge) and forced vibration produced by a fixed number of pedestrians walking on the bridge at a certain speed and frequency. In each test, the effect on the comfort of the pedestrians, the natural frequencies of vibration, the mode shapes and damping factors have been estimated. It has been found that the acceleration levels are much higher than the allowable by the Spanish standards and this should be considered in the restoration of the footbridge.