Higher-order variational problems of Herglotz type

We obtain a generalized Euler–Lagrange differential equation and transversality optimality conditions for Herglotz-type higher-order variational problems. Illustrative examples of the new results are given.

The Herglotz variational problem on spheres and its optimal control approach

The main goal of this paper is to extend the generalized variational problem of Herglotz type to the more general context of the Euclidean sphere S^n. Motivated by classical results on Euclidean spaces, we derive the generalized Euler-Lagrange equation for the corresponding variational problem defined on the Riemannian manifold S^n. Moreover, the problem is formulated from an optimal control point of view and it is proved that the Euler-Lagrange equation can be obtained from the Hamiltonian equations. It is also highlighted the geodesic problem on spheres as a particular case of the generalized Herglotz problem.

A scale variational principle of Herglotz

The Herglotz problem is a generalization of the fundamental problem of the calculus of variations. In this paper, we consider a class of non-differentiable functions, where the dynamics is described by a scale derivative. Necessary conditions are derived to determine the optimal solution for the problem. Some other problems are considered, like transversality conditions, the multi-dimensional case, higher-order derivatives and for several independent variables.

Solvability of singular second order m-point boundary value problems of Dirichlet type

Let f : [0, 1] x R2 -> R be a function satisfying the Caxatheodory conditions and t(1 - t)e(t) epsilon L-1 (0, 1). Let a(i) epsilon R and xi(i) (0, 1) for i = 1,..., m - 2 where 0 < xi(1) < xi(2) < (...) < xi(m-2) < 1 - In this paper we study the existence of C[0, 1] solutions for the m-point boundary value problem [GRAPHICS] The proof of our main result is based on the Leray-Schauder continuation theorem.

Certain problems concerning polynomials and transcendental entire functions of exponential type

Soit $\displaystyle P(z):=\sum_{\nu=0}^na_\nu z^{\nu}$ un polynôme de degré $n$ et $\displaystyle M:=\sup_{|z|=1}|P(z)|.$ Sans aucne restriction suplémentaire, on sait que $|P'(z)|\leq Mn$ pour $|z|\leq 1$ (inégalité de Bernstein). Si nous supposons maintenant que les zéros du polynôme $P$ sont à l'extérieur du cercle $|z|=k,$ quelle amélioration peut-on apporter à l'inégalité de Bernstein? Il est déjà connu [{\bf \ref{Mal1}}] que dans le cas où $k\geq 1$ on a $$(*) \qquad |P'(z)|\leq \frac{n}{1+k}M \qquad (|z|\leq 1),$$ qu'en est-il pour le cas où $k < 1$? Quelle est l'inégalité analogue à $(*)$ pour une fonction entière de type exponentiel $\tau ?$ D'autre part, si on suppose que $P$ a tous ses zéros dans $|z|\geq k \, \, (k\geq 1),$ quelle est l'estimation de $|P'(z)|$ sur le cercle unité, en terme des quatre premiers termes de son développement en série entière autour de l'origine. Cette thèse constitue une contribution à la théorie analytique des polynômes à la lumière de ces questions.

A simple column model to explore anticipated problems in variational assimilation of satellite observations

We investigate a simplified form of variational data assimilation in a fully nonlinear framework with the aim of extracting dynamical development information from a sequence of observations over time. Information on the vertical wind profile, w(z ), and profiles of temperature, T (z , t), and total water content, qt (z , t), as functions of height, z , and time, t, are converted to brightness temperatures at a single horizontal location by defining a two-dimensional (vertical and time) variational assimilation testbed. The profiles of T and qt are updated using a vertical advection scheme. A basic cloud scheme is used to obtain the fractional cloud amount and, when combined with the temperature field, this information is converted into a brightness temperature, using a simple radiative transfer scheme. It is shown that our model exhibits realistic behaviour with regard to the prediction of cloud, but the effects of nonlinearity become non-negligible in the variational data assimilation algorithm. A careful analysis of the application of the data assimilation scheme to this nonlinear problem is presented, the salient difficulties are highlighted, and suggestions for further developments are discussed.

Spectral and variational characterizations of solutions to semilinear eigenvalue problems

Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit einer Klasse von nichtlinearen Eigenwertproblemen mit Variationsstrukturin einem reellen Hilbertraum. Die betrachteteEigenwertgleichung ergibt sich demnach als Euler-Lagrange-Gleichung eines stetig differenzierbarenFunktionals, zusätzlich sei der nichtlineare Anteil desProblems als ungerade und definit vorausgesetzt.Die wichtigsten Ergebnisse in diesem abstrakten Rahmen sindKriterien für die Existenz spektral charakterisierterLösungen, d.h. von Lösungen, deren Eigenwert gerade miteinem vorgegeben variationellen Eigenwert eines zugehörigen linearen Problems übereinstimmt. Die Herleitung dieserKriterien basiert auf einer Untersuchung kontinuierlicher Familien selbstadjungierterEigenwertprobleme und erfordert Verallgemeinerungenspektraltheoretischer Konzepte.Neben reinen Existenzsätzen werden auch Beziehungen zwischenspektralen Charakterisierungen und denLjusternik-Schnirelman-Niveaus des Funktionals erörtert.Wir betrachten Anwendungen auf semilineareDifferentialgleichungen (sowieIntegro-Differentialgleichungen) zweiter Ordnung. Diesliefert neue Informationen über die zugehörigenLösungsmengen im Hinblick auf Knoteneigenschaften. Diehergeleiteten Methoden eignen sich besonders für eindimensionale und radialsymmetrische Probleme, während einTeil der Resultate auch ohne Symmetrieforderungen gültigist.

Misalignment and quadrupole error problems affecting the choice of multiplet type for sector focusing of the two-mile accelerator /

"AEC Contract AT(04-3)-400."

SOLITON SOLUTIONS TO SYSTEMS OF COUPLED SCHRODINGER EQUATIONS OF HAMILTONIAN TYPE

We study the existence of positive solutions of Hamiltonian-type systems of second-order elliptic PDE in the whole space. The systems depend on a small parameter and involve a potential having a global well structure. We use dual variational methods, a mountain-pass type approach and Fourier analysis to prove positive solutions exist for sufficiently small values of the parameter.

The knapsack problem approach in solving partial hedging problems of options

En option är ett finansiellt kontrakt som ger dess innehavare en rättighet (men medför ingen skyldighet) att sälja eller köpa någonting (till exempel en aktie) till eller från säljaren av optionen till ett visst pris vid en bestämd tidpunkt i framtiden. Den som säljer optionen binder sig till att gå med på denna framtida transaktion ifall optionsinnehavaren längre fram bestämmer sig för att inlösa optionen. Säljaren av optionen åtar sig alltså en risk av att den framtida transaktion som optionsinnehavaren kan tvinga honom att göra visar sig vara ofördelaktig för honom. Frågan om hur säljaren kan skydda sig mot denna risk leder till intressanta optimeringsproblem, där målet är att hitta en optimal skyddsstrategi under vissa givna villkor. Sådana optimeringsproblem har studerats mycket inom finansiell matematik. Avhandlingen "The knapsack problem approach in solving partial hedging problems of options" inför en ytterligare synpunkt till denna diskussion: I en relativt enkel (ändlig och komplett) marknadsmodell kan nämligen vissa partiella skyddsproblem beskrivas som så kallade kappsäcksproblem. De sistnämnda är välkända inom en gren av matematik som heter operationsanalys. I avhandlingen visas hur skyddsproblem som tidigare lösts på andra sätt kan alternativt lösas med hjälp av metoder som utvecklats för kappsäcksproblem. Förfarandet tillämpas även på helt nya skyddsproblem i samband med så kallade amerikanska optioner.

Quality evaluation of parmesan-type cheese: a chemometric approach

Parmesan-type cheeses are the most consumed special cheeses in Brazil. It is generally sold in retail shops, either grated or in wedge-shaped pieces, and its quality varies considerably, which is reflected directly in its price. There is lack of processing standardization and, since the ripening period is fundamental for the quality of this hard, semi-fat cooked cheese, this stage seems to be the thin line between low and high quality products. It is important to note that the Italian Parmegiano Reggiano is matured for a period of twelve months, as well as its rival Grana Padano, and this long ripening period causes changes making them gourmet, highly-valued cheeses. In the present study, twelve different Parmesan-type cheeses were purchased from the Brazilian retail market and evaluated for microbiological, physicochemical, and instrumental parameters. Heterogeneous quality was confirmed by microbiological problems detected in the samples and physicochemical composition that did not meet current Brazilian specifications. The use of principal component analysis and hierarchical cluster analysis made it possible to separate the samples into three distinct groups, mainly due to different acidity and moisture levels, water activity, and hardness values. The price per kg was also considered and was correlated with moisture, acidity, and texture.

Conventional and Reciprocal Approaches to the Forward and Inverse Problems of Electroencephalography

Le problème inverse en électroencéphalographie (EEG) est la localisation de sources de courant dans le cerveau utilisant les potentiels de surface sur le cuir chevelu générés par ces sources. Une solution inverse implique typiquement de multiples calculs de potentiels de surface sur le cuir chevelu, soit le problème direct en EEG. Pour résoudre le problème direct, des modèles sont requis à la fois pour la configuration de source sous-jacente, soit le modèle de source, et pour les tissues environnants, soit le modèle de la tête. Cette thèse traite deux approches bien distinctes pour la résolution du problème direct et inverse en EEG en utilisant la méthode des éléments de frontières (BEM): l’approche conventionnelle et l’approche réciproque. L’approche conventionnelle pour le problème direct comporte le calcul des potentiels de surface en partant de sources de courant dipolaires. D’un autre côté, l’approche réciproque détermine d’abord le champ électrique aux sites des sources dipolaires quand les électrodes de surfaces sont utilisées pour injecter et retirer un courant unitaire. Le produit scalaire de ce champ électrique avec les sources dipolaires donne ensuite les potentiels de surface. L’approche réciproque promet un nombre d’avantages par rapport à l’approche conventionnelle dont la possibilité d’augmenter la précision des potentiels de surface et de réduire les exigences informatiques pour les solutions inverses. Dans cette thèse, les équations BEM pour les approches conventionnelle et réciproque sont développées en utilisant une formulation courante, la méthode des résidus pondérés. La réalisation numérique des deux approches pour le problème direct est décrite pour un seul modèle de source dipolaire. Un modèle de tête de trois sphères concentriques pour lequel des solutions analytiques sont disponibles est utilisé. Les potentiels de surfaces sont calculés aux centroïdes ou aux sommets des éléments de discrétisation BEM utilisés. La performance des approches conventionnelle et réciproque pour le problème direct est évaluée pour des dipôles radiaux et tangentiels d’excentricité variable et deux valeurs très différentes pour la conductivité du crâne. On détermine ensuite si les avantages potentiels de l’approche réciproquesuggérés par les simulations du problème direct peuvent êtres exploités pour donner des solutions inverses plus précises. Des solutions inverses à un seul dipôle sont obtenues en utilisant la minimisation par méthode du simplexe pour à la fois l’approche conventionnelle et réciproque, chacun avec des versions aux centroïdes et aux sommets. Encore une fois, les simulations numériques sont effectuées sur un modèle à trois sphères concentriques pour des dipôles radiaux et tangentiels d’excentricité variable. La précision des solutions inverses des deux approches est comparée pour les deux conductivités différentes du crâne, et leurs sensibilités relatives aux erreurs de conductivité du crâne et au bruit sont évaluées. Tandis que l’approche conventionnelle aux sommets donne les solutions directes les plus précises pour une conductivité du crâne supposément plus réaliste, les deux approches, conventionnelle et réciproque, produisent de grandes erreurs dans les potentiels du cuir chevelu pour des dipôles très excentriques. Les approches réciproques produisent le moins de variations en précision des solutions directes pour différentes valeurs de conductivité du crâne. En termes de solutions inverses pour un seul dipôle, les approches conventionnelle et réciproque sont de précision semblable. Les erreurs de localisation sont petites, même pour des dipôles très excentriques qui produisent des grandes erreurs dans les potentiels du cuir chevelu, à cause de la nature non linéaire des solutions inverses pour un dipôle. Les deux approches se sont démontrées également robustes aux erreurs de conductivité du crâne quand du bruit est présent. Finalement, un modèle plus réaliste de la tête est obtenu en utilisant des images par resonace magnétique (IRM) à partir desquelles les surfaces du cuir chevelu, du crâne et du cerveau/liquide céphalorachidien (LCR) sont extraites. Les deux approches sont validées sur ce type de modèle en utilisant des véritables potentiels évoqués somatosensoriels enregistrés à la suite de stimulation du nerf médian chez des sujets sains. La précision des solutions inverses pour les approches conventionnelle et réciproque et leurs variantes, en les comparant à des sites anatomiques connus sur IRM, est encore une fois évaluée pour les deux conductivités différentes du crâne. Leurs avantages et inconvénients incluant leurs exigences informatiques sont également évalués. Encore une fois, les approches conventionnelle et réciproque produisent des petites erreurs de position dipolaire. En effet, les erreurs de position pour des solutions inverses à un seul dipôle sont robustes de manière inhérente au manque de précision dans les solutions directes, mais dépendent de l’activité superposée d’autres sources neurales. Contrairement aux attentes, les approches réciproques n’améliorent pas la précision des positions dipolaires comparativement aux approches conventionnelles. Cependant, des exigences informatiques réduites en temps et en espace sont les avantages principaux des approches réciproques. Ce type de localisation est potentiellement utile dans la planification d’interventions neurochirurgicales, par exemple, chez des patients souffrant d’épilepsie focale réfractaire qui ont souvent déjà fait un EEG et IRM.

Variational calculations of rovibrational states: a precise high-energy potential surface for HCN [and discussion]

We report the results of variational calculations of the rovibrational energy levels of HCN for J = 0, 1 and 2, where we reproduce all the ca. 100 observed vibrational states for all observed isotopic species, with energies up to 18000 cm$^{-1}$, to about $\pm $1 cm$^{-1}$, and the corresponding rotational constants to about $\pm $0.001 cm$^{-1}$. We use a hamiltonian expressed in internal coordinates r$_{1}$, r$_{2}$ and $\theta $, using the exact expression for the kinetic energy operator T obtained by direct transformation from the cartesian representation. The potential energy V is expressed as a polynomial expansion in the Morse coordinates y$_{i}$ for the bond stretches and the interbond angle $\theta $. The basis functions are built as products of appropriately scaled Morse functions in the bond-stretches and Legendre or associated Legendre polynomials of cos $\theta $ in the angle bend, and we evaluate matrix elements by Gauss quadrature. The hamiltonian matripx is factorized using the full rovibrational symmetry, and the basis is contracted to an optimized form; the dimensions of the final hamiltonian matrix vary from 240 $\times $ 240 to 1000 $\times $ 1000.We believe that our calculation is converged to better than 1 cm$^{-1}$ at 18 000 cm$^{-1}$. Our potential surface is expressed in terms of 31 parameters, about half of which have been refined by least squares to optimize the fit to the experimental data. The advantages and disadvantages and the future potential of calculations of this type are discussed.

The effect of nonlinearity on the variational assimilation of satellite observations using a simple column model

Cloud imagery is not currently used in numerical weather prediction (NWP) to extract the type of dynamical information that experienced forecasters have extracted subjectively for many years. For example, rapidly developing mid-latitude cyclones have characteristic signatures in the cloud imagery that are most fully appreciated from a sequence of images rather than from a single image. The Met Office is currently developing a technique to extract dynamical development information from satellite imagery using their full incremental 4D-Var (four-dimensional variational data assimilation) system. We investigate a simplified form of this technique in a fully nonlinear framework. We convert information on the vertical wind field, w(z), and profiles of temperature, T(z, t), and total water content, qt (z, t), as functions of height, z, and time, t, to a single brightness temperature by defining a 2D (vertical and time) variational assimilation testbed. The profiles of w, T and qt are updated using a simple vertical advection scheme. We define a basic cloud scheme to obtain the fractional cloud amount and, when combined with the temperature field, we convert this information into a brightness temperature, having developed a simple radiative transfer scheme. With the exception of some matrix inversion routines, all our code is developed from scratch. Throughout the development process we test all aspects of our 2D assimilation system, and then run identical twin experiments to try and recover information on the vertical velocity, from a sequence of observations of brightness temperature. This thesis contains a comprehensive description of our nonlinear models and assimilation system, and the first experimental results.