Modelling dispersal behaviour on a fractal landscape

We use a spatially explicit population model to explore the population consequences of different habitat selection mechanisms on landscapes with fractal variation in habitat quality. We consider dispersal strategies ranging from random walks to perfect habitat selectors for two species of arboreal marsupial, the greater glider (Petauroides volans) and the mountain brushtail possum (Trichosurus caninus). In this model increasing habitat selection means individuals obtain higher quality territories, but experience increased mortality during dispersal. The net effect is that population sizes are smaller when individuals actively select habitat. We find positive relationships between habitat quality and population size can occur when individuals do not use information about the entire landscape when habitat quality is spatially autocorrelated. We also find that individual behaviour can mitigate the negative effects of spatial variation on population average survival and fecundity. (C) 1998 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Dendritic branching of pyramidal cells in the visual cortex of the nocturnal owl monkey: A fractal analysis

The branching structure of neurones is thought to influence patterns of connectivity and how inputs are integrated within the arbor. Recent studies have revealed a remarkable degree of variation in the branching structure of pyramidal cells in the cerebral cortex of diurnal primates, suggesting regional specialization in neuronal function. Such specialization in pyramidal cell structure may be important for various aspects of visual function, such as object recognition and color processing. To better understand the functional role of regional variation in the pyramidal cell phenotype in visual processing, we determined the complexity of the dendritic branching pattern of pyramidal cells in visual cortex of the nocturnal New World owl monkey. We used the fractal dilation method to quantify the branching structure of pyramidal cells in the primary visual area (V1), the second visual area (V2) and the caudal and rostral subdivisions of inferotemporal cortex (ITc and ITr, respectively), which are often associated with color processing. We found that, as in diurnal monkeys, there was a trend for cells of increasing fractal dimension with progression through these cortical areas. The increasing complexity paralleled a trend for increasing symmetry. That we found a similar trend in both diurnal and nocturnal monkeys suggests that it was a feature of a common anthropoid ancestor.

Memória de longo prazo nos retornos acionistas dos índices de referência da euronext, implicações para a hipótese de mercados eficientes e contributo fractal para aperfeiçoamento do capital asset pricing model

Não existe uma definição única de processo de memória de longo prazo. Esse processo é geralmente definido como uma série que possui um correlograma decaindo lentamente ou um espectro infinito de frequência zero. Também se refere que uma série com tal propriedade é caracterizada pela dependência a longo prazo e por não periódicos ciclos longos, ou que essa característica descreve a estrutura de correlação de uma série de longos desfasamentos ou que é convencionalmente expressa em termos do declínio da lei-potência da função auto-covariância. O interesse crescente da investigação internacional no aprofundamento do tema é justificado pela procura de um melhor entendimento da natureza dinâmica das séries temporais dos preços dos ativos financeiros. Em primeiro lugar, a falta de consistência entre os resultados reclama novos estudos e a utilização de várias metodologias complementares. Em segundo lugar, a confirmação de processos de memória longa tem implicações relevantes ao nível da (1) modelação teórica e econométrica (i.e., dos modelos martingale de preços e das regras técnicas de negociação), (2) dos testes estatísticos aos modelos de equilíbrio e avaliação, (3) das decisões ótimas de consumo / poupança e de portefólio e (4) da medição de eficiência e racionalidade. Em terceiro lugar, ainda permanecem questões científicas empíricas sobre a identificação do modelo geral teórico de mercado mais adequado para modelar a difusão das séries. Em quarto lugar, aos reguladores e gestores de risco importa saber se existem mercados persistentes e, por isso, ineficientes, que, portanto, possam produzir retornos anormais. O objetivo do trabalho de investigação da dissertação é duplo. Por um lado, pretende proporcionar conhecimento adicional para o debate da memória de longo prazo, debruçando-se sobre o comportamento das séries diárias de retornos dos principais índices acionistas da EURONEXT. Por outro lado, pretende contribuir para o aperfeiçoamento do capital asset pricing model CAPM, considerando uma medida de risco alternativa capaz de ultrapassar os constrangimentos da hipótese de mercado eficiente EMH na presença de séries financeiras com processos sem incrementos independentes e identicamente distribuídos (i.i.d.). O estudo empírico indica a possibilidade de utilização alternativa das obrigações do tesouro (OT’s) com maturidade de longo prazo no cálculo dos retornos do mercado, dado que o seu comportamento nos mercados de dívida soberana reflete a confiança dos investidores nas condições financeiras dos Estados e mede a forma como avaliam as respetiva economias com base no desempenho da generalidade dos seus ativos. Embora o modelo de difusão de preços definido pelo movimento Browniano geométrico gBm alegue proporcionar um bom ajustamento das séries temporais financeiras, os seus pressupostos de normalidade, estacionariedade e independência das inovações residuais são adulterados pelos dados empíricos analisados. Por isso, na procura de evidências sobre a propriedade de memória longa nos mercados recorre-se à rescaled-range analysis R/S e à detrended fluctuation analysis DFA, sob abordagem do movimento Browniano fracionário fBm, para estimar o expoente Hurst H em relação às séries de dados completas e para calcular o expoente Hurst “local” H t em janelas móveis. Complementarmente, são realizados testes estatísticos de hipóteses através do rescaled-range tests R/S , do modified rescaled-range test M - R/S e do fractional differencing test GPH. Em termos de uma conclusão única a partir de todos os métodos sobre a natureza da dependência para o mercado acionista em geral, os resultados empíricos são inconclusivos. Isso quer dizer que o grau de memória de longo prazo e, assim, qualquer classificação, depende de cada mercado particular. No entanto, os resultados gerais maioritariamente positivos suportam a presença de memória longa, sob a forma de persistência, nos retornos acionistas da Bélgica, Holanda e Portugal. Isto sugere que estes mercados estão mais sujeitos a maior previsibilidade (“efeito José”), mas também a tendências que podem ser inesperadamente interrompidas por descontinuidades (“efeito Noé”), e, por isso, tendem a ser mais arriscados para negociar. Apesar da evidência de dinâmica fractal ter suporte estatístico fraco, em sintonia com a maior parte dos estudos internacionais, refuta a hipótese de passeio aleatório com incrementos i.i.d., que é a base da EMH na sua forma fraca. Atendendo a isso, propõem-se contributos para aperfeiçoamento do CAPM, através da proposta de uma nova fractal capital market line FCML e de uma nova fractal security market line FSML. A nova proposta sugere que o elemento de risco (para o mercado e para um ativo) seja dado pelo expoente H de Hurst para desfasamentos de longo prazo dos retornos acionistas. O expoente H mede o grau de memória de longo prazo nos índices acionistas, quer quando as séries de retornos seguem um processo i.i.d. não correlacionado, descrito pelo gBm(em que H = 0,5 , confirmando- se a EMH e adequando-se o CAPM), quer quando seguem um processo com dependência estatística, descrito pelo fBm(em que H é diferente de 0,5, rejeitando-se a EMH e desadequando-se o CAPM). A vantagem da FCML e da FSML é que a medida de memória de longo prazo, definida por H, é a referência adequada para traduzir o risco em modelos que possam ser aplicados a séries de dados que sigam processos i.i.d. e processos com dependência não linear. Então, estas formulações contemplam a EMH como um caso particular possível.

Intrinsic fractal dynamics in the respiratory system by means of pressure-volume loops

This contribution presents novel concepts for analysis of pressure–volume curves, which offer information about the time domain dynamics of the respiratory system. The aim is to verify whether a mapping of the respiratory diseases can be obtained, allowing analysis of (dis)similarities between the dynamical pattern in the breathing in children. The groups investigated here are children, diagnosed as healthy, asthmatic, and cystic fibrosis. The pressure–volume curves have been measured by means of the noninvasive forced oscillation technique during breathing at rest. The geometrical fractal dimension is extracted from the pressure–volume curves and a power-law behavior is observed in the data. The power-law model coefficients are identified from the three sets and the results show that significant differences are present between the groups. This conclusion supports the idea that the respiratory system changes with disease in terms of airway geometry, tissue parameters, leading in turn to variations in the fractal dimension of the respiratory tree and its dynamics.

A theoretical study on modelling the respiratory tract with ladder networks by means of intrinsic fractal geometry

Fractional order modeling of biological systems has received significant interest in the research community. Since the fractal geometry is characterized by a recurrent structure, the self-similar branching arrangement of the airways makes the respiratory system an ideal candidate for the application of fractional calculus theory. To demonstrate the link between the recurrence of the respiratory tree and the appearance of a fractional-order model, we develop an anatomically consistent representation of the respiratory system. This model is capable of simulating the mechanical properties of the lungs and we compare the model output with in vivo measurements of the respiratory input impedance collected in 20 healthy subjects. This paper provides further proof of the underlying fractal geometry of the human lungs, and the consequent appearance of constant-phase behavior in the total respiratory impedance.

Rheology of the cytoskeleton as a fractal network

We model the cytoskeleton as a fractal network by identifying each segment with a simple Kelvin-Voigt element with a well defined equilibrium length. The final structure retains the elastic characteristics of a solid or a gel, which may support stress, without relaxing. By considering a very simple regular self-similar structure of segments in series and in parallel, in one, two, or three dimensions, we are able to express the viscoelasticity of the network as an effective generalized Kelvin-Voigt model with a power law spectrum of retardation times L similar to tau(alpha). We relate the parameter alpha with the fractal dimension of the gel. In some regimes ( 0 < alpha < 1), we recover the weak power law behaviors of the elastic and viscous moduli with the angular frequencies G' similar to G" similar to w(alpha) that occur in a variety of soft materials, including living cells. In other regimes, we find different power laws for G' and G".

Nonlinear Dynamics for Local Fractional Burgers Equation Arising in Fractal Flow

The local fractional Burgers’ equation (LFBE) is investigated from the point of view of local fractional conservation laws envisaging a nonlinear local fractional transport equation with a linear non-differentiable diffusion term. The local fractional derivative transformations and the LFBE conversion to a linear local fractional diffusion equation are analyzed.

Fractal Dimension in Quantifying Experimental-Pulmonary-Hypertension-Induced Cardiac Dysfunction in Rats

Abstract Background: Right-sided heart failure has high morbidity and mortality, and may be caused by pulmonary arterial hypertension. Fractal dimension is a differentiated and innovative method used in histological evaluations that allows the characterization of irregular and complex structures and the quantification of structural tissue changes. Objective: To assess the use of fractal dimension in cardiomyocytes of rats with monocrotaline-induced pulmonary arterial hypertension, in addition to providing histological and functional analysis. Methods: Male Wistar rats were divided into 2 groups: control (C; n = 8) and monocrotaline-induced pulmonary arterial hypertension (M; n = 8). Five weeks after pulmonary arterial hypertension induction with monocrotaline, echocardiography was performed and the animals were euthanized. The heart was dissected, the ventricles weighed to assess anatomical parameters, and histological slides were prepared and stained with hematoxylin/eosin for fractal dimension analysis, performed using box-counting method. Data normality was tested (Shapiro-Wilk test), and the groups were compared with non-paired Student t test or Mann Whitney test (p < 0.05). Results: Higher fractal dimension values were observed in group M as compared to group C (1.39 ± 0.05 vs. 1.37 ± 0.04; p < 0.05). Echocardiography showed lower pulmonary artery flow velocity, pulmonary acceleration time and ejection time values in group M, suggesting function worsening in those animals. Conclusion: The changes observed confirm pulmonary-arterial-hypertension-induced cardiac dysfunction, and point to fractal dimension as an effective method to evaluate cardiac morphological changes induced by ventricular dysfunction.

On Hyperbolic once-punctured-torus bundles II. Fractal tessellations of the plane

We describe fractal tessellations of the complex plane that arise naturally from Cannon-Thurston maps associated to complete, hyperbolic, once-punctured-torus bundles. We determine the symmetry groups of these tessellations.

Four whole-istic aspects of schistosome granuloma biology: fractal arrangement, internal regulation, autopoietic component and closure

This paper centers on some whole-istic organizational and functional aspects of hepatic Schistosoma mansoni granuloma, which is an extremely complex system. First, it structurally develops a collagenic topology, originated bidirectionally from an inward and outward assembly of growth units. Inward growth appears to be originated from myofibroblasts derived from small portal vessel around intravascular entrapped eggs, while outward growth arises from hepatic stellate cells. The auto-assembly of the growth units defines the three-dimensional scaffold of the schistosome granulomas. The granuloma surface irregularity and its border presented fractal dimension equal to 1.58. Second, it is internally regulated by intricate networks of immuneneuroendocrine stimuli orchestrated by leptin and leptin receptors, substance P and Vasoactive intestinal peptide. Third, it can reach the population of ± 40,000 cells and presents an autopoietic component evidenced by internal proliferation (Ki-67+ Cells), and by expression of c-Kit+ Cells, leptin and leptin receptor (Ob-R), granulocyte-colony stimulating factor (G-CSF-R), and erythropoietin (Epo-R) receptors. Fourth, the granulomas cells are intimately connected by pan-cadherins, occludin and connexin-43, building a state of closing (granuloma closure). In conclusion, the granuloma is characterized by transitory stages in such a way that its organized structure emerges as a global property which is greater than the sum of actions of its individual cells and extracellular matrix components.

Introdução à Geometria Fractal

No passado, a Matemática esteve, em grande parte, preocupada com conjuntos e funções que podem ser estudados através dos métodos clássicos de cálculo1. Por exemplo, na geometria, Havia o hábito de descrever os objectos através de formas regulares: rectas, circunferências, cones etc. Mas, será que uma nuvem é formada por esferas, uma montanha por cones e continentes por circunferências? Existem alguns objectos na natureza, nas ciências em geral e na matemática, em particular (conjuntos, funções), que não são suficientemente "lisos" e que tendiam a ser ignorados e rotulados como “patológicos” . Tais objectos foram considerados como curiosidades, e assim, estudados e analisados por alguns investigadores ao longo dos tempos. Porém, em 1960, Benoit B. Mandelbrot2, trouxe essa matéria à agenda matemática da actualidade, apresentando uma fundamentação coerente do que seriam essas "não-formas". Refazendo alguns estudos nessa área e conhecendo ideias de outros autores apresentou estudos sobre fractais criando assim a teoria dos fractais ou a geometria fractal. Os fractais caracterizam-se por terem uma aparência complexa e confusa, em certos casos, mas quando olhados matematicamente, sua análise denota figuras que apresentam regularidades e comportamentos curiosos, como o de se assemelharem a elas mesmas quando observadas a diferentes escalas, por exemplo. A geometria fractal é portanto o ramo da Matemática que estuda as propriedades dos fractais. Descreve muitas situações que não podem ser explicadas facilmente pela Geometria Euclidiana. A geometria fractal descreve taambém como os fractais podem ser aplicados na ciência, tecnologia, arte, etc., sobretudo com recurso computadores. A geometria fractal ainda não fez a sua entrada nos programas dematemática no sistema educativo cabo-verdiano, sendo portanto, pouco conhecida nesse meio. Assim escolhemos essa geometria como tema do nosso trabalho, cujo objectivo geral é divulgar o mundo dos fractais e as suas aplicações, na educação. Aprofundar os conhecimentos sobre a geometria fractal e suas aplicações práticas e no ensino, integrar os conhecimentos de Álgebra Linear, Geometria e Topologia adquiridos no curso e aplicar os fractais ao estudo das sucessões (progressões geométricas) são os objectivos específicos. A partir destes objectivos surgiram as nossas questões de investigação, que tentamos responder ao longo do estudo: 1. Como se fundamenta a geometria fractal? 2. Quais são as principais aplicações? 3. Como aplicar os fractais no ensino secundário (sucessões), de modo a tornar o ensino de matemática mais interessante e motivador? Tais são as questões para as quais procuramos uma resposta ao longo do desenvolvimento do projecto.

A natureza fractal de ácidos húmicos

Dentre as ferramentas usadas para descrever a estrutura ramificada ou a superfície rugosa e distorcida de ácidos húmicos (AH), a geometria fractal aparece como uma das mais adequadas para explicar a conformação de partículas húmicas (agregados moleculares). Do ponto de vista experimental, a dimensão fractal (D) de sistemas naturais pode ser determinada a partir do monitoramento da luz transmitida, não espalhada e não absorvida (turbidimetria 'τ'). A presença de fractais implica que o sistema pode ser decomposto em partes, em que cada uma, subseqüentemente, é cópia do todo. A determinação do valor 'D' dessas partículas foi conseguida pela utilização de turbidimetria, em que suspensões de AH-comercial e de AH-Espodossolo foram analisadas por espectrofotometria UV-Vis. O fundamento matemático utilizado foi a lei de potência τ ∝ λβ, em que β < 3 indica a presença de fractal de massa (Dm); 3 < β < 4 indica fractal de superfície (Ds), e β ≅ 3 indica não-fractal (NF). A declividade das retas (β) por meio do gráfico (logτ vs logλ) permitiu a obtenção de 'D'. Segundo os resultados, partículas de AH em suspensões aquosas diluídas formam estruturas fractais, cuja geometria pode ser caracterizada por meio de turbidimetria. Entretanto, a faixa de comprimento de onda usada (400 a 550 nm) ainda é pequena para se afirmar sobre a natureza fractal de AH e determinar suas dimensões fractais com precisão.

Variabilidade espacial da agregação do solo avaliada pela geometria fractal e geoestatística

Este trabalho teve por objetivo explorar a aplicabilidade da teoria de fractais no estudo da variabilidade espacial em agregação de solo. A geometria de fractais tem sido proposta como um modelo para a distribuição de tamanho de partículas. A distribuição do tamanho de agregados do solo, expressos em termos de massa, é apresentada. Os parâmetros do modelo, tais como: a dimensão fractal D, medida representativa da fragmentação do solo (quanto maior seu valor, maior a fragmentação), e o tamanho do maior agregado R L foram definidos como ferramentas descritivas para a agregação do solo. Os agregados foram coletados em uma profundidade de 0-10 cm de um Latossolo Vermelho distrófico típico álico textura argilosa, em Angatuba, São Paulo. Uma grade regular de 100 x 100 m foi usada e a amostragem realizada em 76 pontos nos quais se determinou a distribuição de agregados por via úmida, usando água, álcool e benzeno como pré-tratamentos. Pelo exame de semivariogramas, constatou-se a ocorrência de dependência espacial. A krigagem ordinária foi usada como interpolador e mapas de contorno mostraram-se de grande utilidade na descrição da variabilidade espacial de agregação do solo.

Desenvolvimento de um modelo fractal para a estimativa da condutividade hidráulica de solos não saturados

Baseado nos conceitos da geometria fractal e nas leis de Laplace e de Poiseuille, foi criado um modelo geral para estimar a condutividade hidráulica de solos não saturados, utilizando a curva de retenção da água no solo, conforme representada por um modelo em potência. Considerando o fato de que este novo modelo da condutividade hidráulica introduz um parâmetro de interpolação ainda desconhecido, e que, por sua vez, depende das propriedades dos solos, a validação do modelo foi realizada, utilizando dois valores-limite fisicamente representativos. Para a aplicação do modelo, os parâmetros de forma da curva de retenção da água no solo foram escolhidos de maneira a se obter o modelo de van Genuchten. Com a finalidade de obter fórmulas algébricas da condutividade hidráulica, foram impostas relações entre seus parâmetros de forma. A comparação dos resultados obtidos com o modelo da condutividade e a curva experimental da condutividade dos dois solos, Latossolo Vermelho-Amarelo e Argissolo Amarelo, permitiu concluir que o modelo proposto é simples em sua utilização e é capaz de predizer satisfatoriamente a condutividade hidráulica dos solos não saturados.