Macroemesures in Computable General Equilibrium Models: a Probabilistic Treatment with an Application to Morocco.

With the help of an illustrative general equilibrium (CGE) model of the Moroccan Economy, we test for the significance of simulation results in the case where the exact macromesure is not known with certainty. This is done by computing lower and upper bounds for the simulation resukts, given a priori probabilities attached to three possible closures (Classical, Johansen, Keynesian). Our Conclusion is that, when there is uncertainty on closures several endogenous changes lack significance, which, in turn, limit the use of the model for policy prescriptions.

A class of bivariate Erlang distributions and ruin probabilities in multivariate risk models

Nous y introduisons une nouvelle classe de distributions bivariées de type Marshall-Olkin, la distribution Erlang bivariée. La transformée de Laplace, les moments et les densités conditionnelles y sont obtenus. Les applications potentielles en assurance-vie et en finance sont prises en considération. Les estimateurs du maximum de vraisemblance des paramètres sont calculés par l'algorithme Espérance-Maximisation. Ensuite, notre projet de recherche est consacré à l'étude des processus de risque multivariés, qui peuvent être utiles dans l'étude des problèmes de la ruine des compagnies d'assurance avec des classes dépendantes. Nous appliquons les résultats de la théorie des processus de Markov déterministes par morceaux afin d'obtenir les martingales exponentielles, nécessaires pour établir des bornes supérieures calculables pour la probabilité de ruine, dont les expressions sont intraitables.

Développement de modèles prédictifs de la toxicocinétique de substances organiques

Les modèles pharmacocinétiques à base physiologique (PBPK) permettent de simuler la dose interne de substances chimiques sur la base de paramètres spécifiques à l’espèce et à la substance. Les modèles de relation quantitative structure-propriété (QSPR) existants permettent d’estimer les paramètres spécifiques au produit (coefficients de partage (PC) et constantes de métabolisme) mais leur domaine d’application est limité par leur manque de considération de la variabilité de leurs paramètres d’entrée ainsi que par leur domaine d’application restreint (c. à d., substances contenant CH3, CH2, CH, C, C=C, H, Cl, F, Br, cycle benzénique et H sur le cycle benzénique). L’objectif de cette étude est de développer de nouvelles connaissances et des outils afin d’élargir le domaine d’application des modèles QSPR-PBPK pour prédire la toxicocinétique de substances organiques inhalées chez l’humain. D’abord, un algorithme mécaniste unifié a été développé à partir de modèles existants pour prédire les PC de 142 médicaments et polluants environnementaux aux niveaux macro (tissu et sang) et micro (cellule et fluides biologiques) à partir de la composition du tissu et du sang et de propriétés physicochimiques. L’algorithme résultant a été appliqué pour prédire les PC tissu:sang, tissu:plasma et tissu:air du muscle (n = 174), du foie (n = 139) et du tissu adipeux (n = 141) du rat pour des médicaments acides, basiques et neutres ainsi que pour des cétones, esters d’acétate, éthers, alcools, hydrocarbures aliphatiques et aromatiques. Un modèle de relation quantitative propriété-propriété (QPPR) a été développé pour la clairance intrinsèque (CLint) in vivo (calculée comme le ratio du Vmax (μmol/h/kg poids de rat) sur le Km (μM)), de substrats du CYP2E1 (n = 26) en fonction du PC n octanol:eau, du PC sang:eau et du potentiel d’ionisation). Les prédictions du QPPR, représentées par les limites inférieures et supérieures de l’intervalle de confiance à 95% à la moyenne, furent ensuite intégrées dans un modèle PBPK humain. Subséquemment, l’algorithme de PC et le QPPR pour la CLint furent intégrés avec des modèles QSPR pour les PC hémoglobine:eau et huile:air pour simuler la pharmacocinétique et la dosimétrie cellulaire d’inhalation de composés organiques volatiles (COV) (benzène, 1,2-dichloroéthane, dichlorométhane, m-xylène, toluène, styrène, 1,1,1 trichloroéthane et 1,2,4 trimethylbenzène) avec un modèle PBPK chez le rat. Finalement, la variabilité de paramètres de composition des tissus et du sang de l’algorithme pour les PC tissu:air chez le rat et sang:air chez l’humain a été caractérisée par des simulations Monte Carlo par chaîne de Markov (MCMC). Les distributions résultantes ont été utilisées pour conduire des simulations Monte Carlo pour prédire des PC tissu:sang et sang:air. Les distributions de PC, avec celles des paramètres physiologiques et du contenu en cytochrome P450 CYP2E1, ont été incorporées dans un modèle PBPK pour caractériser la variabilité de la toxicocinétique sanguine de quatre COV (benzène, chloroforme, styrène et trichloroéthylène) par simulation Monte Carlo. Globalement, les approches quantitatives mises en œuvre pour les PC et la CLint dans cette étude ont permis l’utilisation de descripteurs moléculaires génériques plutôt que de fragments moléculaires spécifiques pour prédire la pharmacocinétique de substances organiques chez l’humain. La présente étude a, pour la première fois, caractérisé la variabilité des paramètres biologiques des algorithmes de PC pour étendre l’aptitude des modèles PBPK à prédire les distributions, pour la population, de doses internes de substances organiques avant de faire des tests chez l’animal ou l’humain.

Complexité de la communication sur un canal avec délai

Nous introduisons un nouveau modèle de la communication à deux parties dans lequel nous nous intéressons au temps que prennent deux participants à effectuer une tâche à travers un canal avec délai d. Nous établissons quelques bornes supérieures et inférieures et comparons ce nouveau modèle aux modèles de communication classiques et quantiques étudiés dans la littérature. Nous montrons que la complexité de la communication d’une fonction sur un canal avec délai est bornée supérieurement par sa complexité de la communication modulo un facteur multiplicatif d/ lg d. Nous présentons ensuite quelques exemples de fonctions pour lesquelles une stratégie astucieuse se servant du temps mort confère un avantage sur une implémentation naïve d’un protocole de communication optimal en terme de complexité de la communication. Finalement, nous montrons qu’un canal avec délai permet de réaliser un échange de bit cryptographique, mais que, par lui-même, est insuffisant pour réaliser la primitive cryptographique de transfert équivoque.

Échantillonnage des distributions continues non uniformes en précision arbitraire et protocole pour l'échantillonnage exact distribué des distributions discrètes quantiques

La thèse est divisée principalement en deux parties. La première partie regroupe les chapitres 2 et 3. La deuxième partie regroupe les chapitres 4 et 5. La première partie concerne l'échantillonnage de distributions continues non uniformes garantissant un niveau fixe de précision. Knuth et Yao démontrèrent en 1976 comment échantillonner exactement n'importe quelle distribution discrète en n'ayant recours qu'à une source de bits non biaisés indépendants et identiquement distribués. La première partie de cette thèse généralise en quelque sorte la théorie de Knuth et Yao aux distributions continues non uniformes, une fois la précision fixée. Une borne inférieure ainsi que des bornes supérieures pour des algorithmes génériques comme l'inversion et la discrétisation figurent parmi les résultats de cette première partie. De plus, une nouvelle preuve simple du résultat principal de l'article original de Knuth et Yao figure parmi les résultats de cette thèse. La deuxième partie concerne la résolution d'un problème en théorie de la complexité de la communication, un problème qui naquit avec l'avènement de l'informatique quantique. Étant donné une distribution discrète paramétrée par un vecteur réel de dimension N et un réseau de N ordinateurs ayant accès à une source de bits non biaisés indépendants et identiquement distribués où chaque ordinateur possède un et un seul des N paramètres, un protocole distribué est établi afin d'échantillonner exactement ladite distribution.

Restarting automata with restricted utilization of auxiliary symbols

The restarting automaton is a restricted model of computation that was introduced by Jancar et al. to model the so-called analysis by reduction, which is a technique used in linguistics to analyze sentences of natural languages. The most general models of restarting automata make use of auxiliary symbols in their rewrite operations, although this ability does not directly correspond to any aspect of the analysis by reduction. Here we put restrictions on the way in which restarting automata use auxiliary symbols, and we investigate the influence of these restrictions on their expressive power. In fact, we consider two types of restrictions. First, we consider the number of auxiliary symbols in the tape alphabet of a restarting automaton as a measure of its descriptional complexity. Secondly, we consider the number of occurrences of auxiliary symbols on the tape as a dynamic complexity measure. We establish some lower and upper bounds with respect to these complexity measures concerning the ability of restarting automata to recognize the (deterministic) context-free languages and some of their subclasses.

Asymptotics of number fields and the Cohen-Lenstra heuristics

We study the asymptotics conjecture of Malle for dihedral groups Dl of order 2l, where l is an odd prime. We prove the expected lower bound for those groups. For the upper bounds we show that there is a connection to class groups of quadratic number fields. The asymptotic behavior of those class groups is predicted by the Cohen-Lenstra heuristics. Under the assumption of this heuristic we are able to prove the expected upper bounds.

Die aeroelastische Stabilitätsanalyse – ein praxisnaher Ansatz zur intervalltheoretischen Betrachtung von Modellierungsunsicherheiten am Flugzeug

Die Untersuchung des dynamischen aeroelastischen Stabilitätsverhaltens von Flugzeugen erfordert sehr komplexe Rechenmodelle, welche die wesentlichen elastomechanischen und instationären aerodynamischen Eigenschaften der Konstruktion wiedergeben sollen. Bei der Modellbildung müssen einerseits Vereinfachungen und Idealisierungen im Rahmen der Anwendung der Finite Elemente Methode und der aerodynamischen Theorie vorgenommen werden, deren Auswirkungen auf das Simulationsergebnis zu bewerten sind. Andererseits können die strukturdynamischen Kenngrößen durch den Standschwingungsversuch identifiziert werden, wobei die Ergebnisse Messungenauigkeiten enthalten. Für eine robuste Flatteruntersuchung müssen die identifizierten Unwägbarkeiten in allen Prozessschritten über die Festlegung von unteren und oberen Schranken konservativ ermittelt werden, um für alle Flugzustände eine ausreichende Flatterstabilität sicherzustellen. Zu diesem Zweck wird in der vorliegenden Arbeit ein Rechenverfahren entwickelt, welches die klassische Flatteranalyse mit den Methoden der Fuzzy- und Intervallarithmetik verbindet. Dabei werden die Flatterbewegungsgleichungen als parameterabhängiges nichtlineares Eigenwertproblem formuliert. Die Änderung der komplexen Eigenlösung infolge eines veränderlichen Einflussparameters wird mit der Methode der numerischen Fortsetzung ausgehend von der nominalen Startlösung verfolgt. Ein modifizierter Newton-Iterations-Algorithmus kommt zur Anwendung. Als Ergebnis liegen die berechneten aeroelastischen Dämpfungs- und Frequenzverläufe in Abhängigkeit von der Fluggeschwindigkeit mit Unschärfebändern vor.

Condition number estimates for combined potential boundary integral operators in acoustic scattering

We study the classical combined field integral equation formulations for time-harmonic acoustic scattering by a sound soft bounded obstacle, namely the indirect formulation due to Brakhage-Werner/Leis/Panic, and the direct formulation associated with the names of Burton and Miller. We obtain lower and upper bounds on the condition numbers for these formulations, emphasising dependence on the frequency, the geometry of the scatterer, and the coupling parameter. Of independent interest we also obtain upper and lower bounds on the norms of two oscillatory integral operators, namely the classical acoustic single- and double-layer potential operators.

Condition number estimates for combined potential integral operators in acoustics and their boundary element discretisation

We consider the classical coupled, combined-field integral equation formulations for time-harmonic acoustic scattering by a sound soft bounded obstacle. In recent work, we have proved lower and upper bounds on the $L^2$ condition numbers for these formulations, and also on the norms of the classical acoustic single- and double-layer potential operators. These bounds to some extent make explicit the dependence of condition numbers on the wave number $k$, the geometry of the scatterer, and the coupling parameter. For example, with the usual choice of coupling parameter they show that, while the condition number grows like $k^{1/3}$ as $k\to\infty$, when the scatterer is a circle or sphere, it can grow as fast as $k^{7/5}$ for a class of `trapping' obstacles. In this paper we prove further bounds, sharpening and extending our previous results. In particular we show that there exist trapping obstacles for which the condition numbers grow as fast as $\exp(\gamma k)$, for some $\gamma>0$, as $k\to\infty$ through some sequence. This result depends on exponential localisation bounds on Laplace eigenfunctions in an ellipse that we prove in the appendix. We also clarify the correct choice of coupling parameter in 2D for low $k$. In the second part of the paper we focus on the boundary element discretisation of these operators. We discuss the extent to which the bounds on the continuous operators are also satisfied by their discrete counterparts and, via numerical experiments, we provide supporting evidence for some of the theoretical results, both quantitative and asymptotic, indicating further which of the upper and lower bounds may be sharper.

Robust pole assignment in linear state feedback

Numerical methods are described for determining robust, or well-conditioned, solutions to the problem of pole assignment by state feedback. The solutions obtained are such that the sensitivity of the assigned poles to perturbations in the system and gain matrices is minimized. It is shown that for these solutions, upper bounds on the norm of the feedback matrix and on the transient response are also minimized and a lower bound on the stability margin is maximized. A measure is derived which indicates the optimal conditioning that may be expected for a particular system with a given set of closed-loop poles, and hence the suitability of the given poles for assignment.

Extensivity of two-dimensional turbulence

This study is concerned with how the attractor dimension of the two-dimensional Navier–Stokes equations depends on characteristic length scales, including the system integral length scale, the forcing length scale, and the dissipation length scale. Upper bounds on the attractor dimension derived by Constantin, Foias and Temam are analysed. It is shown that the optimal attractor-dimension estimate grows linearly with the domain area (suggestive of extensive chaos), for a sufficiently large domain, if the kinematic viscosity and the amplitude and length scale of the forcing are held fixed. For sufficiently small domain area, a slightly “super-extensive” estimate becomes optimal. In the extensive regime, the attractor-dimension estimate is given by the ratio of the domain area to the square of the dissipation length scale defined, on physical grounds, in terms of the average rate of shear. This dissipation length scale (which is not necessarily the scale at which the energy or enstrophy dissipation takes place) can be identified with the dimension correlation length scale, the square of which is interpreted, according to the concept of extensive chaos, as the area of a subsystem with one degree of freedom. Furthermore, these length scales can be identified with a “minimum length scale” of the flow, which is rigorously deduced from the concept of determining nodes.

On nonlinear symmetric stability and the nonlinear saturation of symmetric instability

A nonlinear symmetric stability theorem is derived in the context of the f-plane Boussinesq equations, recovering an earlier result of Xu within a more general framework. The theorem applies to symmetric disturbances to a baroclinic basic flow, the disturbances having arbitrary structure and magnitude. The criteria for nonlinear stability are virtually identical to those for linear stability. As in Xu, the nonlinear stability theorem can be used to obtain rigorous upper bounds on the saturation amplitude of symmetric instabilities. In a simple example, the bounds are found to compare favorably with heuristic parcel-based estimates in both the hydrostatic and non-hydrostatic limits.

Nonlinear stability of continuously stratified quasi-geostrophic flow

Nonlinear stability theorems analogous to Arnol'd's second stability theorem are established for continuously stratified quasi-geostrophic flow with general nonlinear boundary conditions in a vertically and horizontally confined domain. Both the standard quasi-geostrophic model and the modified quasi-geostrophic model (incorporating effects of hydrostatic compressibility) are treated. The results establish explicit upper bounds on the disturbance energy, the disturbance potential enstrophy, and the disturbance available potential energy on the horizontal boundaries, in terms of the initial disturbance fields. Nonlinear stability in the sense of Liapunov is also established.

Nonlinear stability of multilayer quasi-geostrophic flow

New nonlinear stability theorems are derived for disturbances to steady basic flows in the context of the multilayer quasi-geostrophic equations. These theorems are analogues of Arnol’d's second stability theorem, the latter applying to the two-dimensional Euler equations. Explicit upper bounds are obtained on both the disturbance energy and disturbance potential enstrophy in terms of the initial disturbance fields. An important feature of the present analysis is that the disturbances are allowed to have non-zero circulation. While Arnol’d's stability method relies on the energy–Casimir invariant being sign-definite, the new criteria can be applied to cases where it is sign-indefinite because of the disturbance circulations. A version of Andrews’ theorem is established for this problem, and uniform potential vorticity flow is shown to be nonlinearly stable. The special case of two-layer flow is treated in detail, with particular attention paid to the Phillips model of baroclinic instability. It is found that the short-wave portion of the marginal stability curve found in linear theory is precisely captured by the new nonlinear stability criteria.