Analytical Study of Light Propagation in Highly Nonlinear Media

The present dissertation is devoted to the construction of exact and approximate analytical solutions of the problem of light propagation in highly nonlinear media. It is demonstrated that for many experimental conditions, the problem can be studied under the geometrical optics approximation with a sufficient accuracy. Based on the renormalization group symmetry analysis, exact analytical solutions of the eikonal equations with a higher order refractive index are constructed. A new analytical approach to the construction of approximate solutions is suggested. Based on it, approximate solutions for various boundary conditions, nonlinear refractive indices and dimensions are constructed. Exact analytical expressions for the nonlinear self-focusing positions are deduced. On the basis of the obtained solutions a general rule for the single filament intensity is derived; it is demonstrated that the scaling law (the functional dependence of the self-focusing position on the peak beam intensity) is defined by a form of the nonlinear refractive index but not the beam shape at the boundary. Comparisons of the obtained solutions with results of experiments and numerical simulations are discussed.

Nichtüberlappende Gebietszerlegungsmethoden für lineare und quasilineare (monotone und nichtmonotone) Probleme

In dieser Arbeit werden nichtüberlappende Gebietszerlegungsmethoden einerseits hinsichtlich der zu lösenden Problemklassen verallgemeinert und andererseits in bisher nicht untersuchten Kontexten betrachtet. Dabei stehen funktionalanalytische Untersuchungen zur Wohldefiniertheit, eindeutigen Lösbarkeit und Konvergenz im Vordergrund. Im ersten Teil werden lineare elliptische Dirichlet-Randwertprobleme behandelt, wobei neben Problemen mit dominantem Hauptteil auch solche mit singulärer Störung desselben, wie konvektions- oder reaktionsdominante Probleme zugelassen sind. Der zweite Teil befasst sich mit (gleichmäßig) monotonen koerziven quasilinearen elliptischen Dirichlet-Randwertproblemen. In beiden Fällen wird das Lipschitz-Gebiet in endlich viele Lipschitz-Teilgebiete zerlegt, wobei insbesondere Kreuzungspunkte und Teilgebiete ohne Außenrand zugelassen sind. Anschließend werden Transmissionsprobleme mit frei wählbaren $L^{\infty}$-Parameterfunktionen hergeleitet, wobei die Konormalenableitungen als Funktionale auf geeigneten Funktionenräumen über den Teilrändern ($H_{00}^{1/2}(\Gamma)$) interpretiert werden. Die iterative Lösung dieser Transmissionsprobleme mit einem Ansatz von Deng führt auf eine Substrukturierungsmethode mit Robin-artigen Transmissionsbedingungen, bei der eine Auswertung der Konormalenableitungen aufgrund einer geschickten Aufdatierung der Robin-Daten nicht notwendig ist (insbesondere ist die bekannte Robin-Robin-Methode von Lions als Spezialfall enthalten). Die Konvergenz bezüglich einer partitionierten $H^1$-Norm wird für beide Problemklassen gezeigt. Dabei werden keine über $H^1$ hinausgehende Regularitätsforderungen an die Lösungen gestellt und die Gebiete müssen keine zusätzlichen Glattheitsvoraussetzungen erfüllen. Im letzten Kapitel werden nichtmonotone koerzive quasilineare Probleme untersucht, wobei das Zugrunde liegende Gebiet nur in zwei Lipschitz-Teilgebiete zerlegt sein soll. Das zugehörige nichtlineare Transmissionsproblem wird durch Kirchhoff-Transformation in lineare Teilprobleme mit nichtlinearen Kopplungsbedingungen überführt. Ein optimierungsbasierter Lösungsansatz, welcher einen geeigneten Abstand der rücktransformierten Dirichlet-Daten der linearen Teilprobleme auf den Teilrändern minimiert, führt auf ein optimales Kontrollproblem. Die dabei entstehenden regularisierten freien Minimierungsprobleme werden mit Hilfe eines Gradientenverfahrens unter minimalen Glattheitsforderungen an die Nichtlinearitäten gelöst. Unter zusätzlichen Glattheitsvoraussetzungen an die Nichtlinearitäten und weiteren technischen Voraussetzungen an die Lösung des quasilinearen Ausgangsproblems, kann zudem die quadratische Konvergenz des Newton-Verfahrens gesichert werden.

Electron-Nuclear Correlation in Laser-Driven Diatomic Molecules

The interaction of short intense laser pulses with atoms/molecules produces a multitude of highly nonlinear processes requiring a non-perturbative treatment. Detailed study of these highly nonlinear processes by numerically solving the time-dependent Schrodinger equation becomes a daunting task when the number of degrees of freedom is large. Also the coupling between the electronic and nuclear degrees of freedom further aggravates the computational problems. In the present work we show that the time-dependent Hartree (TDH) approximation, which neglects the correlation effects, gives unreliable description of the system dynamics both in the absence and presence of an external field. A theoretical framework is required that treats the electrons and nuclei on equal footing and fully quantum mechanically. To address this issue we discuss two approaches, namely the multicomponent density functional theory (MCDFT) and the multiconfiguration time-dependent Hartree (MCTDH) method, that go beyond the TDH approximation and describe the correlated electron-nuclear dynamics accurately. In the MCDFT framework, where the time-dependent electronic and nuclear densities are the basic variables, we discuss an algorithm to calculate the exact Kohn-Sham (KS) potentials for small model systems. By simulating the photodissociation process in a model hydrogen molecular ion, we show that the exact KS potentials contain all the many-body effects and give an insight into the system dynamics. In the MCTDH approach, the wave function is expanded as a sum of products of single-particle functions (SPFs). The MCTDH method is able to describe the electron-nuclear correlation effects as the SPFs and the expansion coefficients evolve in time and give an accurate description of the system dynamics. We show that the MCTDH method is suitable to study a variety of processes such as the fragmentation of molecules, high-order harmonic generation, the two-center interference effect, and the lochfrass effect. We discuss these phenomena in a model hydrogen molecular ion and a model hydrogen molecule. Inclusion of absorbing boundaries in the mean-field approximation and its consequences are discussed using the model hydrogen molecular ion. To this end, two types of calculations are considered: (i) a variational approach with a complex absorbing potential included in the full many-particle Hamiltonian and (ii) an approach in the spirit of time-dependent density functional theory (TDDFT), including complex absorbing potentials in the single-particle equations. It is elucidated that for small grids the TDDFT approach is superior to the variational approach.

Numerical Methods for the Unsteady Compressible Navier-Stokes Equations

We consider numerical methods for the compressible time dependent Navier-Stokes equations, discussing the spatial discretization by Finite Volume and Discontinuous Galerkin methods, the time integration by time adaptive implicit Runge-Kutta and Rosenbrock methods and the solution of the appearing nonlinear and linear equations systems by preconditioned Jacobian-Free Newton-Krylov, as well as Multigrid methods. As applications, thermal Fluid structure interaction and other unsteady flow problems are considered. The text is aimed at both mathematicians and engineers.

Agricultural Production and Yield Estimation: Two distinctive aspects of Brazilian Agriculture and a perspective on world food problems

Brazil has been increasing its importance in agricultural markets. The reasons are well known to be the relative abundance of land, the increasing technology used in crops, and the development of the agribusiness sector which allow for a fast response to price stimuli. The elasticity of acreage response to increases in expected return is estimated for Soybeans in a dynamic (long term) error correction model. Regarding yield patterns, a large variation in the yearly rates of growth in yield is observed, climate being probably the main source of this variation which result in ‘good’ and ‘bad’ years. In South America, special attention should be given to the El Niño and La Niña phenomena, both said to have important effects on rainfalls patterns and consequently in yield. The influence on El Niño and La Niña in historical data is examined and some ways of estimating the impact of climate on yield of Soybean and Corn markets are proposed. Possible implications of climate change may apply.

Multi-Robot Task Allocation for Inspection Problems with Cooperative Tasks Using Hybrid Genetic Algorithms

In dieser Dissertation werden Methoden zur optimalen Aufgabenverteilung in Multirobotersystemen (engl. Multi-Robot Task Allocation – MRTA) zur Inspektion von Industrieanlagen untersucht. MRTA umfasst die Verteilung und Ablaufplanung von Aufgaben für eine Gruppe von Robotern unter Berücksichtigung von operativen Randbedingungen mit dem Ziel, die Gesamteinsatzkosten zu minimieren. Dank zunehmendem technischen Fortschritt und sinkenden Technologiekosten ist das Interesse an mobilen Robotern für den Industrieeinsatz in den letzten Jahren stark gestiegen. Viele Arbeiten konzentrieren sich auf Probleme der Mobilität wie Selbstlokalisierung und Kartierung, aber nur wenige Arbeiten untersuchen die optimale Aufgabenverteilung. Da sich mit einer guten Aufgabenverteilung eine effizientere Planung erreichen lässt (z. B. niedrigere Kosten, kürzere Ausführungszeit), ist das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung von Lösungsmethoden für das aus Inspektionsaufgaben mit Einzel- und Zweiroboteraufgaben folgende Such-/Optimierungsproblem. Ein neuartiger hybrider Genetischer Algorithmus wird vorgestellt, der einen teilbevölkerungbasierten Genetischen Algorithmus zur globalen Optimierung mit lokalen Suchheuristiken kombiniert. Zur Beschleunigung dieses Algorithmus werden auf die fittesten Individuen einer Generation lokale Suchoperatoren angewendet. Der vorgestellte Algorithmus verteilt die Aufgaben nicht nur einfach und legt den Ablauf fest, sondern er bildet auch temporäre Roboterverbünde für Zweiroboteraufgaben, wodurch räumliche und zeitliche Randbedingungen entstehen. Vier alternative Kodierungsstrategien werden für den vorgestellten Algorithmus entworfen: Teilaufgabenbasierte Kodierung: Hierdurch werden alle möglichen Lösungen abgedeckt, allerdings ist der Suchraum sehr groß. Aufgabenbasierte Kodierung: Zwei Möglichkeiten zur Zuweisung von Zweiroboteraufgaben wurden implementiert, um die Effizienz des Algorithmus zu steigern. Gruppierungsbasierte Kodierung: Zeitliche Randbedingungen zur Gruppierung von Aufgaben werden vorgestellt, um gute Lösungen innerhalb einer kleinen Anzahl von Generationen zu erhalten. Zwei Umsetzungsvarianten werden vorgestellt. Dekompositionsbasierte Kodierung: Drei geometrische Zerlegungen wurden entworfen, die Informationen über die räumliche Anordnung ausnutzen, um Probleme zu lösen, die Inspektionsgebiete mit rechteckigen Geometrien aufweisen. In Simulationsstudien wird die Leistungsfähigkeit der verschiedenen hybriden Genetischen Algorithmen untersucht. Dazu wurde die Inspektion von Tanklagern einer Erdölraffinerie mit einer Gruppe homogener Inspektionsroboter als Anwendungsfall gewählt. Die Simulationen zeigen, dass Kodierungsstrategien, die auf der geometrischen Zerlegung basieren, bei einer kleinen Anzahl an Generationen eine bessere Lösung finden können als die anderen untersuchten Strategien. Diese Arbeit beschäftigt sich mit Einzel- und Zweiroboteraufgaben, die entweder von einem einzelnen mobilen Roboter erledigt werden können oder die Zusammenarbeit von zwei Robotern erfordern. Eine Erweiterung des entwickelten Algorithmus zur Behandlung von Aufgaben, die mehr als zwei Roboter erfordern, ist möglich, würde aber die Komplexität der Optimierungsaufgabe deutlich vergrößern.

Exact Solution of the Nonlinear Dynamics of Recurrent Neural Mechanisms for Direction Selectivity

Different theoretical models have tried to investigate the feasibility of recurrent neural mechanisms for achieving direction selectivity in the visual cortex. The mathematical analysis of such models has been restricted so far to the case of purely linear networks. We present an exact analytical solution of the nonlinear dynamics of a class of direction selective recurrent neural models with threshold nonlinearity. Our mathematical analysis shows that such networks have form-stable stimulus-locked traveling pulse solutions that are appropriate for modeling the responses of direction selective cortical neurons. Our analysis shows also that the stability of such solutions can break down giving raise to a different class of solutions ("lurching activity waves") that are characterized by a specific spatio-temporal periodicity. These solutions cannot arise in models for direction selectivity with purely linear spatio-temporal filtering.

Possible solution of some essential zero problems in compositional data analysis

One of the tantalising remaining problems in compositional data analysis lies in how to deal with data sets in which there are components which are essential zeros. By an essential zero we mean a component which is truly zero, not something recorded as zero simply because the experimental design or the measuring instrument has not been sufficiently sensitive to detect a trace of the part. Such essential zeros occur in many compositional situations, such as household budget patterns, time budgets, palaeontological zonation studies, ecological abundance studies. Devices such as nonzero replacement and amalgamation are almost invariably ad hoc and unsuccessful in such situations. From consideration of such examples it seems sensible to build up a model in two stages, the first determining where the zeros will occur and the second how the unit available is distributed among the non-zero parts. In this paper we suggest two such models, an independent binomial conditional logistic normal model and a hierarchical dependent binomial conditional logistic normal model. The compositional data in such modelling consist of an incidence matrix and a conditional compositional matrix. Interesting statistical problems arise, such as the question of estimability of parameters, the nature of the computational process for the estimation of both the incidence and compositional parameters caused by the complexity of the subcompositional structure, the formation of meaningful hypotheses, and the devising of suitable testing methodology within a lattice of such essential zero-compositional hypotheses. The methodology is illustrated by application to both simulated and real compositional data

Nonlinear Device Noise Models:Thermodynamic Requirements

This paper proposes three tests to determine whether a given nonlinear device noise model is in agreement with accepted thermodynamic principles. These tests are applied to several models. One conclusion is that every Gaussian noise model for any nonlinear device predicts thermodynamically impossible circuit behavior: these models should be abandoned. But the nonlinear shot-noise model predicts thermodynamically acceptable behavior under a constraint derived here. Further, this constraint specifies the current noise amplitude at each operating point from knowledge of the device v - i curve alone. For the Gaussian and shot-noise models, this paper shows how the thermodynamic requirements can be reduced to concise mathematical tests involving no approximatio

Compositional data analysis of archaeological glass: problems and possible solutions

Presentation in CODAWORK'03, session 4: Applications to archeometry

Behavioral Measures and their Correlation with IPM Iteration Counts on Semi-Definite Programming Problems

We study four measures of problem instance behavior that might account for the observed differences in interior-point method (IPM) iterations when these methods are used to solve semidefinite programming (SDP) problem instances: (i) an aggregate geometry measure related to the primal and dual feasible regions (aspect ratios) and norms of the optimal solutions, (ii) the (Renegar-) condition measure C(d) of the data instance, (iii) a measure of the near-absence of strict complementarity of the optimal solution, and (iv) the level of degeneracy of the optimal solution. We compute these measures for the SDPLIB suite problem instances and measure the correlation between these measures and IPM iteration counts (solved using the software SDPT3) when the measures have finite values. Our conclusions are roughly as follows: the aggregate geometry measure is highly correlated with IPM iterations (CORR = 0.896), and is a very good predictor of IPM iterations, particularly for problem instances with solutions of small norm and aspect ratio. The condition measure C(d) is also correlated with IPM iterations, but less so than the aggregate geometry measure (CORR = 0.630). The near-absence of strict complementarity is weakly correlated with IPM iterations (CORR = 0.423). The level of degeneracy of the optimal solution is essentially uncorrelated with IPM iterations.

Validation Study of the Questionnaire on School Maladjustmet Problems (QSMP)

Resumen tomado de la publicaci??n

On the way to solve lighting problems in underwater imaging

A major obstacle to processing images of the ocean floor comes from the absorption and scattering effects of the light in the aquatic environment. Due to the absorption of the natural light, underwater vehicles often require artificial light sources attached to them to provide the adequate illumination. Unfortunately, these flashlights tend to illuminate the scene in a nonuniform fashion, and, as the vehicle moves, induce shadows in the scene. For this reason, the first step towards application of standard computer vision techniques to underwater imaging requires dealing first with these lighting problems. This paper analyses and compares existing methodologies to deal with low-contrast, nonuniform illumination in underwater image sequences. The reviewed techniques include: (i) study of the illumination-reflectance model, (ii) local histogram equalization, (iii) homomorphic filtering, and, (iv) subtraction of the illumination field. Several experiments on real data have been conducted to compare the different approaches