THE REDUCTIVE PERTURBATION METHOD AND THE KORTEWEG-DE VRIES HIERARCHY

By using the reductive perturbation method of Taniuti with the introduction of an infinite sequence of slow time variables tau(1), tau(3), tau(5), ..., we study the propagation of long surface-waves in a shallow inviscid fluid. The Korteweg-de Vries (KdV) equation appears as the lowest order amplitude equation in slow variables. In this context, we show that, if the lowest order wave amplitude zeta(0) satisfies the KdV equation in the time tau(3), it must satisfy the (2n+1)th order equation of the KdV hierarchy in the time tau(2n+1), With n = 2, 3, 4,.... AS a consequence of this fact, we show with an explicit example that the secularities of the evolution equations for the higher-order terms (zeta(1), zeta(2),...) of the amplitude can be eliminated when zeta(0) is a solitonic solution to the KdV equation. By reversing this argument, we can say that the requirement of a secular-free perturbation theory implies that the amplitude zeta(0) satisfies the (2n+1)th order equation of the KdV hierarchy in the time tau(2n+1) This essentially means that the equations of the KdV hierarchy do play a role in perturbation theory. Thereafter, by considering a solitary-wave solution, we show, again with an explicit, example that the elimination of secularities through the use of the higher order KdV hierarchy equations corresponds, in the laboratory coordinates, to a renormalization of the solitary-wave velocity. Then, we conclude that this procedure of eliminating secularities is closely related to the renormalization technique developed by Kodama and Taniuti.

A Special Perturbation Method in Orbital Dynamics

Bead models are used in dynamical simulation of tethers. These models discretize a cable using beads distributed along its length. The time evolution is obtained nu- merically. Typically the number of particles ranges between 5 and 50, depending on the required accuracy. Sometimes the simulation is extended over long periods (several years). The complex interactions between the cable and its spatial environment require to optimize the propagators —both in runtime and precisión that constitute the central core of the process. The special perturbation method treated on this article conjugates simpleness of computer implementation, speediness and precision, and is capable to propagate the orbit of whichever material particle. The paper describes the evolution of some orbital elements, which are constants in a non-perturbed problem, but which evolve in the time scale imposed by the perturbation. It can be used with any kind of orbit and it is free of sin- gularities related to small inclination and/or small eccentricity. The use of Euler parameters makes it robust.

Studies on some aspects of wave propagation through nonlinear media

Nonlinearity is a charming element of nature and Nonlinear Science has now become one of the most important tools for the fundamental understanding of the nature. Solitons— solutions of a class of nonlinear partial differential equations — which propagate without spreading and having particle— like properties represent one of the most striking aspects of nonlinear phenomena. The study of wave propagation through nonlinear media has wide applications in different branches of physics.Different mathematical techniques have been introduced to study nonlinear systems. The thesis deals with the study of some of the aspects of electromagnetic wave propagation through nonlinear media, viz, plasma and ferromagnets, using reductive perturbation method. The thesis contains 6 chapters

Boussinesq solitary-wave as a multiple-time solution of the Korteweg-de Vries hierarchy

We study the Boussinesq equation from the point of view of a multiple-time reductive perturbation method. As a consequence of the elimination of the secular producing terms through the use of the Korteweg-de Vries hierarchy, we show that the solitary-wave of the Boussinesq equation is a solitary-wave satisfying simultaneously all equations of the Korteweg-de Vries hierarchy, each one in an appropriate slow time variable. © 1995 American Institute of Physics.

The Role of the Korteweg-de Vries Hierarchy in the N-Soliton Dynamics of the Shallow Water Wave Equation

We apply a multiple-time version of the reductive perturbation method to study long waves as governed by the shallow water wave model equation. As a consequence of the requirement of a secularity-free perturbation theory, we show that the well known N-soliton dynamics of the shallow water wave equation, in the particular case of α = 2β, can be reduced to the N-soliton solution that satisfies simultaneously all equations of the Korteweg-de Vries hierarchy.

Electron acoustic soliton energy of the Kadomtsev-Petviashvili equation in the Earth’s magnetotail region at critical ion density

The nonlinear properties of small amplitude electron-acoustic solitary waves (EAWs) in a homogeneous system of unmagnetized collisionless plasma consisted of a cold electron fluid and isothermal ions with two different temperatures obeying Boltzmann type distributions have been investigated. A reductive perturbation method was employed to obtain the Kadomstev-Petviashvili (KP) equation. At the critical ion density, the KP equation is not appropriate for describing the system. Hence, a new set of stretched coordinates
is considered to derive the modified KP equation. Moreover, the solitary solution, soliton energy and the associated electric field at the critical ion density were computed. The present investigation can be of relevance to the electrostatic solitary structures observed in various space plasma environments, such as Earth’s magnetotail region.

Beach water table fluctuations due to spring-neap tides: moving boundary effects

Tidal water table fluctuations in a coastal aquifer are driven by tides on a moving boundary that varies with the beach slope. One-dimensional models based on the Boussinesq equation are often used to analyse tidal signals in coastal aquifers. The moving boundary condition hinders analytical solutions to even the linearised Boussinesq equation. This paper presents a new perturbation approach to the problem that maintains the simplicity of the linearised one-dimensional Boussinesq model. Our method involves transforming the Boussinesq equation to an ADE (advection-diffusion equation) with an oscillating velocity. The perturbation method is applied to the propagation of spring-neap tides (a bichromatic tidal system with the fundamental frequencies wt and wt) in the aquifer. The results demonstrate analytically, for the first time, that the moving boundary induces interactions between the two primary tidal oscillations, generating a slowly damped water table fluctuation of frequency omega(1) - omega(2), i.e., the spring-neap tidal water table fluctuation. The analytical predictions are found to be consistent with recently published field observations. (C) 2000 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Variational calculation of vibrational linear and nonlinear optical properties

A variational approach for reliably calculating vibrational linear and nonlinear optical properties of molecules with large electrical and/or mechanical anharmonicity is introduced. This approach utilizes a self-consistent solution of the vibrational Schrödinger equation for the complete field-dependent potential-energy surface and, then, adds higher-level vibrational correlation corrections as desired. An initial application is made to static properties for three molecules of widely varying anharmonicity using the lowest-level vibrational correlation treatment (i.e., vibrational Møller-Plesset perturbation theory). Our results indicate when the conventional Bishop-Kirtman perturbation method can be expected to break down and when high-level vibrational correlation methods are likely to be required. Future improvements and extensions are discussed

Sea state effect on the sea surface emissivity at L-band

In May 1999, the European Space Agency (ESA) selected the Earth Explorer Opportunity Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) mission to obtain global and frequent soil moisture and ocean salinity maps. SMOS' single payload is the Microwave Imaging Radiometer by Aperture Synthesis (MIRAS), an L-band two-dimensional aperture synthesis radiometer with multiangular observation capabilities. At L-band, the brightness temperature sensitivity to the sea surface salinity (SSS) is low, approximately 0.5 K/psu at 20/spl deg/C, decreasing to 0.25 K/psu at 0/spl deg/C, comparable to that to the wind speed /spl sim/0.2 K/(m/s) at nadir. However, at a given time, the sea state does not depend only on local winds, but on the local wind history and the presence of waves traveling from far distances. The Wind and Salinity Experiment (WISE) 2000 and 2001 campaigns were sponsored by ESA to determine the impact of oceanographic and atmospheric variables on the L-band brightness temperature at vertical and horizontal polarizations. This paper presents the results of the analysis of three nonstationary sea state conditions: growing and decreasing sea, and the presence of swell. Measured sea surface spectra are compared with the theoretical ones, computed using the instantaneous wind speed. Differences can be minimized using an "effective wind speed" that makes the theoretical spectrum best match the measured one. The impact on the predicted brightness temperatures is then assessed using the small slope approximation/small perturbation method (SSA/SPM).

Uncertainty of Efficiency Measurements in Electric Drives

The two central goals of this master's thesis are to serve as a guidebook on the determination of uncertainty in efficiency measurements and to investigate sources of uncertainty in efficiency measurements in the field of electric drives by a literature review, mathematical modeling and experimental means. The influence of individual sources of uncertainty on the total instrumental uncertainty is investigated with the help of mathematical models derived for a balance and a direct air cooled calorimeter. The losses of a frequency converter and an induction motor are measured with the input-output method and a balance calorimeter at 50 and 100 % loads. A software linking features of Matlab and Excel is created to process measurement data, calculate uncertainties and to calculate and visualize results. The uncertainties are combined with both the worst case and the realistic perturbation method and distributions of uncertainty by source are shown based on experimental results. A comparison of the calculated uncertainties suggests that the balance calorimeter determines losses more accurately than the input-output method with a relative RPM uncertainty of 1.46 % compared to 3.78 - 12.74 % respectively with 95 % level of confidence at the 93 % induction motor efficiency or higher. As some principles in uncertainty analysis are open to interpretation the views and decisions of the analyst can have noticeable influence on the uncertainty in the measurement result.

Essays in macro finance and monetary economics

Les questions abordées dans les deux premiers articles de ma thèse cherchent à comprendre les facteurs économiques qui affectent la structure à terme des taux d'intérêt et la prime de risque. Je construis des modèles non linéaires d'équilibre général en y intégrant des obligations de différentes échéances. Spécifiquement, le premier article a pour objectif de comprendre la relation entre les facteurs macroéconomiques et le niveau de prime de risque dans un cadre Néo-keynésien d'équilibre général avec incertitude. L'incertitude dans le modèle provient de trois sources : les chocs de productivité, les chocs monétaires et les chocs de préférences. Le modèle comporte deux types de rigidités réelles à savoir la formation des habitudes dans les préférences et les coûts d'ajustement du stock de capital. Le modèle est résolu par la méthode des perturbations à l'ordre deux et calibré à l'économie américaine. Puisque la prime de risque est par nature une compensation pour le risque, l'approximation d'ordre deux implique que la prime de risque est une combinaison linéaire des volatilités des trois chocs. Les résultats montrent qu'avec les paramètres calibrés, les chocs réels (productivité et préférences) jouent un rôle plus important dans la détermination du niveau de la prime de risque relativement aux chocs monétaires. Je montre que contrairement aux travaux précédents (dans lesquels le capital de production est fixe), l'effet du paramètre de la formation des habitudes sur la prime de risque dépend du degré des coûts d'ajustement du capital. Lorsque les coûts d'ajustement du capital sont élevés au point que le stock de capital est fixe à l'équilibre, une augmentation du paramètre de formation des habitudes entraine une augmentation de la prime de risque. Par contre, lorsque les agents peuvent librement ajuster le stock de capital sans coûts, l'effet du paramètre de la formation des habitudes sur la prime de risque est négligeable. Ce résultat s'explique par le fait que lorsque le stock de capital peut être ajusté sans coûts, cela ouvre un canal additionnel de lissage de consommation pour les agents. Par conséquent, l'effet de la formation des habitudes sur la prime de risque est amoindri. En outre, les résultats montrent que la façon dont la banque centrale conduit sa politique monétaire a un effet sur la prime de risque. Plus la banque centrale est agressive vis-à-vis de l'inflation, plus la prime de risque diminue et vice versa. Cela est due au fait que lorsque la banque centrale combat l'inflation cela entraine une baisse de la variance de l'inflation. Par suite, la prime de risque due au risque d'inflation diminue. Dans le deuxième article, je fais une extension du premier article en utilisant des préférences récursives de type Epstein -- Zin et en permettant aux volatilités conditionnelles des chocs de varier avec le temps. L'emploi de ce cadre est motivé par deux raisons. D'abord des études récentes (Doh, 2010, Rudebusch and Swanson, 2012) ont montré que ces préférences sont appropriées pour l'analyse du prix des actifs dans les modèles d'équilibre général. Ensuite, l'hétéroscedasticité est une caractéristique courante des données économiques et financières. Cela implique que contrairement au premier article, l'incertitude varie dans le temps. Le cadre dans cet article est donc plus général et plus réaliste que celui du premier article. L'objectif principal de cet article est d'examiner l'impact des chocs de volatilités conditionnelles sur le niveau et la dynamique des taux d'intérêt et de la prime de risque. Puisque la prime de risque est constante a l'approximation d'ordre deux, le modèle est résolu par la méthode des perturbations avec une approximation d'ordre trois. Ainsi on obtient une prime de risque qui varie dans le temps. L'avantage d'introduire des chocs de volatilités conditionnelles est que cela induit des variables d'état supplémentaires qui apportent une contribution additionnelle à la dynamique de la prime de risque. Je montre que l'approximation d'ordre trois implique que les primes de risque ont une représentation de type ARCH-M (Autoregressive Conditional Heteroscedasticty in Mean) comme celui introduit par Engle, Lilien et Robins (1987). La différence est que dans ce modèle les paramètres sont structurels et les volatilités sont des volatilités conditionnelles de chocs économiques et non celles des variables elles-mêmes. J'estime les paramètres du modèle par la méthode des moments simulés (SMM) en utilisant des données de l'économie américaine. Les résultats de l'estimation montrent qu'il y a une évidence de volatilité stochastique dans les trois chocs. De plus, la contribution des volatilités conditionnelles des chocs au niveau et à la dynamique de la prime de risque est significative. En particulier, les effets des volatilités conditionnelles des chocs de productivité et de préférences sont significatifs. La volatilité conditionnelle du choc de productivité contribue positivement aux moyennes et aux écart-types des primes de risque. Ces contributions varient avec la maturité des bonds. La volatilité conditionnelle du choc de préférences quant à elle contribue négativement aux moyennes et positivement aux variances des primes de risque. Quant au choc de volatilité de la politique monétaire, son impact sur les primes de risque est négligeable. Le troisième article (coécrit avec Eric Schaling, Alain Kabundi, révisé et resoumis au journal of Economic Modelling) traite de l'hétérogénéité dans la formation des attentes d'inflation de divers groupes économiques et de leur impact sur la politique monétaire en Afrique du sud. La question principale est d'examiner si différents groupes d'agents économiques forment leurs attentes d'inflation de la même façon et s'ils perçoivent de la même façon la politique monétaire de la banque centrale (South African Reserve Bank). Ainsi on spécifie un modèle de prédiction d'inflation qui nous permet de tester l'arrimage des attentes d'inflation à la bande d'inflation cible (3% - 6%) de la banque centrale. Les données utilisées sont des données d'enquête réalisée par la banque centrale auprès de trois groupes d'agents : les analystes financiers, les firmes et les syndicats. On exploite donc la structure de panel des données pour tester l'hétérogénéité dans les attentes d'inflation et déduire leur perception de la politique monétaire. Les résultats montrent qu'il y a évidence d'hétérogénéité dans la manière dont les différents groupes forment leurs attentes. Les attentes des analystes financiers sont arrimées à la bande d'inflation cible alors que celles des firmes et des syndicats ne sont pas arrimées. En effet, les firmes et les syndicats accordent un poids significatif à l'inflation retardée d'une période et leurs prédictions varient avec l'inflation réalisée (retardée). Ce qui dénote un manque de crédibilité parfaite de la banque centrale au vu de ces agents.

HUMAN PERICARDIAL FLUID AT MICROWAVE FREQUENCIES

This article reports a new method of analyzing pericardial fluid based on the measurement of the dielectric properties at microwave frequencies. The microwave measurements were performed by rectangular cavity perturbation method in the S-band of microwave frequency with the pericardial fluid from healthy persons as well as from patients suffering from pericardial effusion. It is observed that a remarkable change in the dielectric properties of patient samples with the normal healthy samples and these measurements were in good agreement with clinical analysis. This measurement technique and the method of extraction of pericardial fluid are simple. These results give light to an alternative in-vitro method of diagnosing onset pericardial effusion abnormalities using microwaves without surgical procedure.

Development and Investigations of Mobile Antennas for less Radiation Hazards

Antennas, the key element in wireless communication devices had undergone amazing developments especially in the direction of compactness and safety aspects. In the last two decades, the use of the cellular phones has become the most popular mode of communication across the globe. At the same time, the concerns about the radiation effects have increased in the general public. The main concern of this thesis is to develop a mobile antenna which gives reduced RF interference to the user. The reduction of the power absorbed by the user can tremendously avoid any possible health hazards. The radiation characteristic of a monopole antenna is modified with good radiation characteristics suitable for a mobile handset. The modification is implemented by using different resonating structures which provides reduced radiation along one direction. The direction of less radiation can be changed by modifying the planar antenna structure to a ground folded antenna. This modified structure with excellent radiation characteristic is suitable for modern wireless handheld devices with less user RF interference. Specific Absorption Rate (SAR) is an important parameter for mobile handset. The SAR is estimated for the newly developed antenna for different conditions and discussed in this thesis.