Extraction of polydispersity information from photon correlation data

Photon correlation spectroscopy (PCS) is a light-scattering technique for particle size diagnosis. It has been used mainly in the investigation of hydrosol particles since it is based on the measurement of the correlation function of the light scattered from the Brownian motion of suspended particles. Recently this technique also proved useful for studying soot particles in flames and similar aerosol systems. In the case of a polydispersed system the problem of recovering the particle size distribution can be reduced to the problem of inverting the Laplace transform. In this paper we review several methods introduced by the authors for the solution of this problem. We present some numerical results and we discuss the resolution limits characterizing the reconstruction of the size distributions. © 1989.

Reconstructing the dynamics of a movable mirror in a detuned optical cavity

We consider the dynamics of a movable mirror in a Fabry-Perot cavity coupled through radiation pressure to the cavity field and in contact with a thermal bath at finite temperature. In contrast to previous approaches, we consider arbitrary values of the effective detuning between the cavity and an external input field. We analyse the radiation-pressure effect on the Brownian motion of the mirror and its significance in the density noise spectrum of the output cavity field. Important properties of the mirror dynamics can be gathered directly from this noise spectrum. The presented reconstruction provides an experimentally useful tool in the characterization of the energy and rigidity of the mirror as modified by the coupling with light. We also give a quantitative analysis of the recent experimental observation of self-cooling of a micromechanical oscillator.

Interpolation formula between very low and intermediate-to-high damping Kramers escape rates for single-domain ferromagnetic particles

It is shown that the Mel'nikov-Meshkov formalism for bridging the very low damping (VLD) and intermediate-to-high damping (IHD) Kramers escape rates as a function of the dissipation parameter for mechanical particles may be extended to the rotational Brownian motion of magnetic dipole moments of single-domain ferromagnetic particles in nonaxially symmetric potentials of the magnetocrystalline anisotropy so that both regimes of damping, occur. The procedure is illustrated by considering the particular nonaxially symmetric problem of superparamagnetic particles possessing uniaxial anisotropy subject to an external uniform field applied at an angle to the easy axis of magnetization. Here the Mel'nikov-Meshkov treatment is found to be in good agreement with an exact calculation of the smallest eigenvalue of Brown's Fokker-Planck equation, provided the external field is large enough to ensure significant departure from axial symmetry, so that the VLD and IHD formulas for escape rates of magnetic dipoles for nonaxially symmetric potentials are valid.

Paul Karl Feyerabend Las proyecciones de la proliferación teórica en la relación ciencia-metafísica

La doctrina de la Proliferación teórica de Paul Karl Feyerabend ha sido interpretada por sus especialistas como un intento de salvaguardar el ideal del progreso científico. Aunque tales estudios hacen justicia, en parte, a la intencionalidad de nuestro filósofo no explicitan la crítica fundamental que implica para Feyerabend el pluralismo teórico. La proliferación teórica constituye en sí misma una reductio ad absurdum de los distintos intentos del positivismo lógico y del racionalismo crítico por definir la ciencia a expensas de lo metafísico. Este artículo presenta la proliferación teórica como una reivindicación del papel positivo que ocupa la metafísica en el quehacer científico. Se consigna la defensa que hace Feyerabend de la metafísica en cuanto que ésta constituye la posibilidad de superar el conservadurismo conceptual, aumentar de contenido empírico de la ciencia y recuperar el valor descriptivo de las teorías científicas.

Finite difference time domain modeling of phase grating diffusion

In this paper, a method for modeling diffusion caused by non-smooth boundary surfaces in simulations of room acoustics using finite difference time domain (FDTD) technique is investigated. The proposed approach adopts the well-known theory of phase grating diffusers to efficiently model sound scattering from rough surfaces. The variation of diffuser well-depths is attained by nesting allpass filters within the reflection filters from which the digital impedance filters used in the boundary implementation are obtained. The presented technique is appropriate for modeling diffusion at high frequencies caused by small surface roughness and generally diffusers that have narrow wells and infinitely thin separators. The diffusion coefficient was measured with numerical experiments for a range of fractional Brownian diffusers.

Applications of the generalized Langevin equation: Towards a realistic description of the baths

The generalized Langevin equation (GLE) method, as developed previously [L. Stella et al., Phys. Rev. B 89, 134303 (2014)], is used to calculate the dissipative dynamics of systems described at the atomic level. The GLE scheme goes beyond the commonly used bilinear coupling between the central system and the bath, and permits us to have a realistic description of both the dissipative central system and its surrounding bath. We show how to obtain the vibrational properties of a realistic bath and how to convey such properties into an extended Langevin dynamics by the use of the mapping of the bath vibrational properties onto a set of auxiliary variables. Our calculations for a model of a Lennard-Jones solid show that our GLE scheme provides a stable dynamics, with the dissipative/relaxation processes properly described. The total kinetic energy of the central system always thermalizes toward the expected bath temperature, with appropriate fluctuation around the mean value. More importantly, we obtain a velocity distribution for the individual atoms in the central system which follows the expected canonical distribution at the corresponding temperature. This confirms that both our GLE scheme and our mapping procedure onto an extended Langevin dynamics provide the correct thermostat. We also examined the velocity autocorrelation functions and compare our results with more conventional Langevin dynamics.

The optimal dividend barrier in the Gamma-Omega model

In the traditional actuarial risk model, if the surplus is negative, the company is ruined and has to go out of business. In this paper we distinguish between ruin (negative surplus) and bankruptcy (going out of business), where the probability of bankruptcy is a function of the level of negative surplus. The idea for this notion of bankruptcy comes from the observation that in some industries, companies can continue doing business even though they are technically ruined. Assuming that dividends can only be paid with a certain probability at each point of time, we derive closed-form formulas for the expected discounted dividends until bankruptcy under a barrier strategy. Subsequently, the optimal barrier is determined, and several explicit identities for the optimal value are found. The surplus process of the company is modeled by a Wiener process (Brownian motion).

Valuing equity-linked death benefits in jump diffusion models

The paper is motivated by the valuation problem of guaranteed minimum death benefits in various equity-linked products. At the time of death, a benefit payment is due. It may depend not only on the price of a stock or stock fund at that time, but also on prior prices. The problem is to calculate the expected discounted value of the benefit payment. Because the distribution of the time of death can be approximated by a combination of exponential distributions, it suffices to solve the problem for an exponentially distributed time of death. The stock price process is assumed to be the exponential of a Brownian motion plus an independent compound Poisson process whose upward and downward jumps are modeled by combinations (or mixtures) of exponential distributions. Results for exponential stopping of a Lévy process are used to derive a series of closed-form formulas for call, put, lookback, and barrier options, dynamic fund protection, and dynamic withdrawal benefit with guarantee. We also discuss how barrier options can be used to model lapses and surrenders.

Sampling Interval and estimated Betas : Implications for the Presence of Transitory Components in Stock Prices

We provide a theoretical framework to explain the empirical finding that the estimated betas are sensitive to the sampling interval even when using continuously compounded returns. We suppose that stock prices have both permanent and transitory components. The permanent component is a standard geometric Brownian motion while the transitory component is a stationary Ornstein-Uhlenbeck process. The discrete time representation of the beta depends on the sampling interval and two components labelled \"permanent and transitory betas\". We show that if no transitory component is present in stock prices, then no sampling interval effect occurs. However, the presence of a transitory component implies that the beta is an increasing (decreasing) function of the sampling interval for more (less) risky assets. In our framework, assets are labelled risky if their \"permanent beta\" is greater than their \"transitory beta\" and vice versa for less risky assets. Simulations show that our theoretical results provide good approximations for the means and standard deviations of estimated betas in small samples. Our results can be perceived as indirect evidence for the presence of a transitory component in stock prices, as proposed by Fama and French (1988) and Poterba and Summers (1988).

Distribution asymptotique du nombre de diviseurs premiers distincts inférieurs ou égaux à m

Le sujet principal de ce mémoire est l'étude de la distribution asymptotique de la fonction f_m qui compte le nombre de diviseurs premiers distincts parmi les nombres premiers $p_1,...,p_m$. Au premier chapitre, nous présentons les sept résultats qui seront démontrés au chapitre 4. Parmi ceux-ci figurent l'analogue du théorème d'Erdos-Kac et un résultat sur les grandes déviations. Au second chapitre, nous définissons les espaces de probabilités qui serviront à calculer les probabilités asymptotiques des événements considérés, et éventuellement à calculer les densités qui leur correspondent. Le troisième chapitre est la partie centrale du mémoire. On y définit la promenade aléatoire qui, une fois normalisée, convergera vers le mouvement brownien. De là, découleront les résultats qui formeront la base des démonstrations de ceux chapitre 1.

Les processus additifs markoviens et leurs applications en finance mathématique

Cette thèse porte sur les questions d'évaluation et de couverture des options dans un modèle exponentiel-Lévy avec changements de régime. Un tel modèle est construit sur un processus additif markovien un peu comme le modèle de Black- Scholes est basé sur un mouvement Brownien. Du fait de l'existence de plusieurs sources d'aléa, nous sommes en présence d'un marché incomplet et ce fait rend inopérant les développements théoriques initiés par Black et Scholes et Merton dans le cadre d'un marché complet. Nous montrons dans cette thèse que l'utilisation de certains résultats de la théorie des processus additifs markoviens permet d'apporter des solutions aux problèmes d'évaluation et de couverture des options. Notamment, nous arrivons à caracté- riser la mesure martingale qui minimise l'entropie relative à la mesure de probabilit é historique ; aussi nous dérivons explicitement sous certaines conditions, le portefeuille optimal qui permet à un agent de minimiser localement le risque quadratique associé. Par ailleurs, dans une perspective plus pratique nous caract érisons le prix d'une option Européenne comme l'unique solution de viscosité d'un système d'équations intégro-di érentielles non-linéaires. Il s'agit là d'un premier pas pour la construction des schémas numériques pour approcher ledit prix.

Quantifying diffusion in biofilms : from model hydrogels to living biofilms

Les biofilms sont des communautés de microorganismes incorporés dans une matrice exo-polymérique complexe. Ils sont reconnus pour jouer un rôle important comme barrière de diffusion dans les systèmes environnementaux et la santé humaine, donnant lieu à une résistance accrue aux antibiotiques et aux désinfectants. Comme le transfert de masse dans un biofilm est principalement dû à la diffusion moléculaire, il est primordial de comprendre les principaux paramètres influençant les flux de diffusion. Dans ce travail, nous avons étudié un biofilm de Pseudomonas fluorescens et deux hydrogels modèles (agarose et alginate) pour lesquels l’autodiffusion (mouvement Brownien) et les coefficients de diffusion mutuels ont été quantifiés. La spectroscopie par corrélation de fluorescence a été utilisée pour mesurer les coefficients d'autodiffusion dans une volume confocal de ca. 1 m3 dans les gels ou les biofilms, tandis que les mesures de diffusion mutuelle ont été faites par cellule de diffusion. En outre, la voltamétrie sur microélectrode a été utilisée pour évaluer le potentiel de Donnan des gels afin de déterminer son impact sur la diffusion. Pour l'hydrogel d'agarose, les observations combinées d'une diminution du coefficient d’autodiffusion et de l’augmentation de la diffusion mutuelle pour une force ionique décroissante ont été attribuées au potentiel de Donnan du gel. Des mesures de l'effet Donnan (différence de -30 mV entre des forces ioniques de 10-4 et 10-1 M) et l'accumulation correspondante d’ions dans l'hydrogel (augmentation d’un facteur de 13 par rapport à la solution) ont indiqué que les interactions électrostatiques peuvent fortement influencer le flux de diffusion de cations, même dans un hydrogel faiblement chargé tel que l'agarose. Curieusement, pour un gel plus chargé comme l'alginate de calcium, la variation de la force ionique et du pH n'a donné lieu qu'à de légères variations de la diffusion de sondes chargées dans l'hydrogel. Ces résultats suggèrent qu’en influençant la diffusion du soluté, l'effet direct des cations sur la structure du gel (compression et/ou gonflement induits) était beaucoup plus efficace que l'effet Donnan. De même, pour un biofilm bactérien, les coefficients d'autodiffusion étaient pratiquement constants sur toute une gamme de force ionique (10-4-10-1 M), aussi bien pour des petits solutés chargés négativement ou positivement (le rapport du coefficient d’autodiffusion dans biofilm sur celui dans la solution, Db/Dw ≈ 85 %) que pour des nanoparticules (Db/Dw≈ 50 %), suggérant que l'effet d'obstruction des biofilms l’emporte sur l'effet de charge. Les résultats de cette étude ont montré que parmi les divers facteurs majeurs qui affectent la diffusion dans un biofilm environnemental oligotrophe (exclusion stérique, interactions électrostatiques et hydrophobes), les effets d'obstruction semblent être les plus importants lorsque l'on tente de comprendre la diffusion du soluté. Alors que les effets de charge ne semblaient pas être importants pour l'autodiffusion de substrats chargés dans l'hydrogel d'alginate ou dans le biofilm bactérien, ils ont joué un rôle clé dans la compréhension de la diffusion à travers l’agarose. L’ensemble de ces résultats devraient être très utiles pour l'évaluation de la biodisponibilité des contaminants traces et des nanoparticules dans l'environnement.

Temps de Branchement du Mouvement Brownien Branchant Inhomogène

Ce mémoire étudie le comportement des particules dont la position est maximale au temps t dans la marche aléatoire branchante et le mouvement brownien branchant sur R, pour des valeurs de t grandes. Plus exactement, on regarde le comportement du maximum d’une marche aléatoire branchante dans un environnement inhomogène en temps, au sens où la loi des accroissements varie en fonction du temps. On compare avec des modèles connus ou simplifiés, en particulier le modèle i.i.d., où l’on observe des marches aléatoires indépendantes et le modèle de la marche aléatoire homogène. On s’intéresse par la suite aux corrélations entre les particules maximales d’un mouvement brownien branchant. Plus précisément, on étudie le temps de branchement entre deux particules maximales. Finalement, on applique les méthodes et les résultats des premiers chapitres afin d’étudier les corrélations dans un mouvement brownien branchant dans un environnement inhomogène. Le résultat principal du mémoire stipule qu’il y a existence de temps de branchement au centre de l’intervalle [0, t] dans le mouvement brownien branchant inhomogène, ce qui n’est pas le cas pour le mouvement brownien branchant standard. On présentera également certaines simulations numériques afin de corroborer les résultats numériques et pour établir des hypothèses pour une recherche future.

Thermal diffusivity of rhodamine 6G incorporated in silver nanofluid measured using mode-matched thermal lens technique

Dual beam mode-matched thermal lens method has been employed to measure the heat diffusion in nanofluid of silver with various volumes of rhodamine 6G, both dispersed in water. The important observation is an indication of temperature dependent diffusivity and that the overall heat diffusion is slower in the chemically prepared Ag sol compared to that of water. The experimental results can be explained assuming that Brownian motion is the main mechanism of heat transfer under the present experimental conditions. Light induced aggregation of the nanoparticles can also result in an anomalous diffusion behavior.

Exercise sheet 2

Exercises and solutions in LaTex