Finite integration methods for isospectral flows

In this paper we consider the approximate computation of isospectral flows based on finite integration methods( FIM) with radial basis functions( RBF) interpolation,a new algorithm is developed. Our method ensures the symmetry of the solutions. Numerical experiments demonstrate that the solutions have higher accuracy by our algorithm than by the second order Runge- Kutta( RK2) method.

Integration methods in dynamic analysis

"Series title: Springerbriefs in applied sciences and technology, ISSN 2191-530X"

Integration Methods Used in Numerical Simulations of Electromagnetic Transients

This paper made an analysis of some numerical integration methods that can be used in electromagnetic transient simulations. Among the existing methods, we analyzed the trapezoidal integration method (or Heun formula), Simpson's Rule and Runge-Kutta. These methods were used in simulations of electromagnetic transients in power systems, resulting from switching operations and maneuvers that occur in transmission lines. Analyzed the characteristics such as accuracy, computation time and robustness of the methods of integration.

Improved Integration Methods for P-Adaptive Boundary Element Techniques

Non linear transformations are a good alternative for the numerical evaluation of singular and quasisingular integrals appearing in Boundary Element Method specially in the p-adaptive version. Some aspects of its numerical implementation in 2-D Potential codes is discussed and some examples are shown.

Energy-entropy-momentum time integration methods for coupled smooth dissipative problems

Esta tesis aborda la formulación, análisis e implementación de métodos numéricos de integración temporal para la solución de sistemas disipativos suaves de dimensión finita o infinita de manera que su estructura continua sea conservada. Se entiende por dichos sistemas aquellos que involucran acoplamiento termo-mecánico y/o efectos disipativos internos modelados por variables internas que siguen leyes continuas, de modo que su evolución es considerada suave. La dinámica de estos sistemas está gobernada por las leyes de la termodinámica y simetrías, las cuales constituyen la estructura que se pretende conservar de forma discreta. Para ello, los sistemas disipativos se describen geométricamente mediante estructuras metriplécticas que identifican claramente las partes reversible e irreversible de la evolución del sistema. Así, usando una de estas estructuras conocida por las siglas (en inglés) de GENERIC, la estructura disipativa de los sistemas es identificada del mismo modo que lo es la Hamiltoniana para sistemas conservativos. Con esto, métodos (EEM) con precisión de segundo orden que conservan la energía, producen entropía y conservan los impulsos lineal y angular son formulados mediante el uso del operador derivada discreta introducido para asegurar la conservación de la Hamiltoniana y las simetrías de sistemas conservativos. Siguiendo estas directrices, se formulan dos tipos de métodos EEM basados en el uso de la temperatura o de la entropía como variable de estado termodinámica, lo que presenta importantes implicaciones que se discuten a lo largo de esta tesis. Entre las cuales cabe destacar que las condiciones de contorno de Dirichlet son naturalmente impuestas con la formulación basada en la temperatura. Por último, se validan dichos métodos y se comprueban sus mejores prestaciones en términos de la estabilidad y robustez en comparación con métodos estándar. This dissertation is concerned with the formulation, analysis and implementation of structure-preserving time integration methods for the solution of the initial(-boundary) value problems describing the dynamics of smooth dissipative systems, either finite- or infinite-dimensional ones. Such systems are understood as those involving thermo-mechanical coupling and/or internal dissipative effects modeled by internal state variables considered to be smooth in the sense that their evolutions follow continuos laws. The dynamics of such systems are ruled by the laws of thermodynamics and symmetries which constitutes the structure meant to be preserved in the numerical setting. For that, dissipative systems are geometrically described by metriplectic structures which clearly identify the reversible and irreversible parts of their dynamical evolution. In particular, the framework known by the acronym GENERIC is used to reveal the systems' dissipative structure in the same way as the Hamiltonian is for conserving systems. Given that, energy-preserving, entropy-producing and momentum-preserving (EEM) second-order accurate methods are formulated using the discrete derivative operator that enabled the formulation of Energy-Momentum methods ensuring the preservation of the Hamiltonian and symmetries for conservative systems. Following these guidelines, two kind of EEM methods are formulated in terms of entropy and temperature as a thermodynamical state variable, involving important implications discussed throughout the dissertation. Remarkably, the formulation in temperature becomes central to accommodate Dirichlet boundary conditions. EEM methods are finally validated and proved to exhibit enhanced numerical stability and robustness properties compared to standard ones.

Selecting methods to solve multi-well master equations

There are several competing methods commonly used to solve energy grained master equations describing gas-phase reactive systems. When it comes to selecting an appropriate method for any particular problem, there is little guidance in the literature. In this paper we directly compare several variants of spectral and numerical integration methods from the point of view of computer time required to calculate the solution and the range of temperature and pressure conditions under which the methods are successful. The test case used in the comparison is an important reaction in combustion chemistry and incorporates reversible and irreversible bimolecular reaction steps as well as isomerizations between multiple unimolecular species. While the numerical integration of the ODE with a stiff ODE integrator is not the fastest method overall, it is the fastest method applicable to all conditions.

Computational methods for tactical simulations

Tämä taktiikan tutkimus keskittyy tietokoneavusteisen simuloinnin laskennallisiin menetelmiin, joita voidaan käyttää taktisen tason sotapeleissä. Työn tärkeimmät tuotokset ovat laskennalliset mallit todennäköisyyspohjaisen analyysin mahdollistaviin taktisen tason taistelusimulaattoreihin, joita voidaan käyttää vertailevaan analyysiin joukkue-prikaatitason tarkastelutilanteissa. Laskentamallit keskittyvät vaikuttamiseen. Mallit liittyvät vahingoittavan osuman todennäköisyyteen, jonka perusteella vaikutus joukossa on mallinnettu tilakoneina ja Markovin ketjuina. Edelleen näiden tulokset siirretään tapahtumapuuanalyysiin operaation onnistumisen todennäköisyyden osalta. Pienimmän laskentayksikön mallinnustaso on joukkue- tai ryhmätasolla, jotta laskenta-aika prikaatitason sotapelitarkasteluissa pysyisi riittävän lyhyenä samalla, kun tulokset ovat riittävän tarkkoja suomalaiseen maastoon. Joukkueiden mies- ja asejärjestelmävahvuudet ovat jakaumamuodossa, eivätkä yksittäisiä lukuja. Simuloinnin integroinnissa voidaan käyttää asejärjestelmäkohtaisia predictor corrector –parametreja, mikä mahdollistaa aika-askelta lyhytaikaisempien taistelukentän ilmiöiden mallintamisen. Asemallien pohjana ovat aiemmat tutkimukset ja kenttäkokeet, joista osa kuuluu tähän väitöstutkimukseen. Laskentamallien ohjelmoitavuus ja käytettävyys osana simulointityökalua on osoitettu tekijän johtaman tutkijaryhmän ohjelmoiman ”Sandis”- taistelusimulointiohjelmiston avulla, jota on kehitetty ja käytetty Puolustusvoimien Teknillisessä Tutkimuslaitoksessa. Sandikseen on ohjelmoitu karttakäyttöliittymä ja taistelun kulkua simuloivia laskennallisia malleja. Käyttäjä tai käyttäjäryhmä tekee taktiset päätökset ja syöttää nämä karttakäyttöliittymän avulla simulointiin, jonka tuloksena saadaan kunkin joukkuetason peliyksikön tappioiden jakauma, keskimääräisten tappioiden osalta kunkin asejärjestelmän aiheuttamat tappiot kuhunkin maaliin, ammuskulutus ja radioyhteydet ja niiden tila sekä haavoittuneiden evakuointi-tilanne joukkuetasolta evakuointisairaalaan asti. Tutkimuksen keskeisiä tuloksia (kontribuutio) ovat 1) uusi prikaatitason sotapelitilanteiden laskentamalli, jonka pienin yksikkö on joukkue tai ryhmä; 2) joukon murtumispisteen määritys tappioiden ja haavoittuneiden evakuointiin sitoutuvien taistelijoiden avulla; 3) todennäköisyyspohjaisen riskianalyysin käyttömahdollisuus vertailevassa tutkimuksessa sekä 4) kokeellisesti testatut tulen vaikutusmallit ja 5) toimivat integrointiratkaisut. Työ rajataan maavoimien taistelun joukkuetason todennäköisyysjakaumat luovaan laskentamalliin, kenttälääkinnän malliin ja epäsuoran tulen malliin integrointimenetelmineen sekä niiden antamien tulosten sovellettavuuteen. Ilmasta ja mereltä maahan -asevaikutusta voidaan tarkastella, mutta ei ilma- ja meritaistelua. Menetelmiä soveltavan Sandis -ohjelmiston malleja, käyttötapaa ja ohjelmistotekniikkaa kehitetään edelleen. Merkittäviä jatkotutkimuskohteita mallinnukseen osalta ovat muun muassa kaupunkitaistelu, vaunujen kaksintaistelu ja maaston vaikutus tykistön tuleen sekä materiaalikulutuksen arviointi.

Comparison of methodologies for degree-day estimation using numerical methods

O desenvolvimento de projetos relacionados ao desempenho de diversas culturas tem recebido aperfeiçoamento cada vez maior, incorporado a modelos matemáticos sendo indispensável à utilização de equações cada vez mais consistentes que possibilitem previsão e maior aproximação do comportamento real, diminuindo o erro na obtenção das estimativas. Entre as operações unitárias que demandam maior estudo estão aquelas relacionadas com o crescimento da cultura, caracterizadas pela temperatura ideal para o acréscimo de matéria seca. Pelo amplo uso dos métodos matemáticos na representação, análise e obtenção de estimativas de graus-dia, juntamente com a grande importância que a cultura da cana-de-açúcar tem para a economia brasileira, foi realizada uma avaliação dos modelos matemáticos comumente usados e dos métodos numéricos de integração na estimativa da disponibilidade de graus-dia para essa cultura, na região de Botucatu, Estado de São Paulo. Os modelos de integração, com discretização de 6 em 6 h, apresentaram resultados satisfatórios na estimativa de graus-dia. As metodologias tradicionais apresentaram desempenhos satisfatórios quanto à estimativa de grausdia com base na curva de temperatura horária para cada dia e para os agrupamentos de três, sete, 15 e 30 dias. Pelo método numérico de integração, a região de Botucatu, Estado de São Paulo, apresentou disponibilidade térmica anual média de 1.070,6 GD para a cultura da cana-de-açúcar.

Foreigner? Want to study in Spain? The integration process at universities

The student exchange programs being carried out at universities for over 50 years, have led to changes in the institutions, which had to adapt to accommodate these students. Despite those changes, the integration of foreign students not coming from the aforementioned exchange programs that come to our country to study at the University has been neglected. These students face many barriers (language, cultural and origin customs mainly), so a clear and detailed information would be highly desirable in order to facilitate the necessary arrangements This study aims to show the deficiencies in the integration process and hosting programs faced by a foreign student at University. The study is performed by means of an analysis of statistical data from the Polytechnic University of Madrid and the Civil Engineering School over the last 12 school years (1999 - 2000 to 2010 - 2011), as well as surveys and interviews with some of these students. The study is enhanced with the analysis of the measures and integration methods of the various minorities, which had been implemented by the foremost public universities in Spain, as well as other public and private universities abroad. It illustrates the existing backlog at the Spanish universities with regards to supporting the integration of diversity among foreign students, providing data concerning the growth of such population and its impact at the university, and on the institutions in particular. In an increasingly globalized world, we must understand and facilitate the integration of minorities at University, supplying them, from the first day, and before the enrollment process, the essential elements that will allow their adequate adaptation to the educational process at University. It concludes by identifying the main subjects that need to be tackled to endorse such integration.

A temperature-based thermodynamically consistent integration scheme for discrete thermo-elastodynamics

The formulation of thermodynamically consistent (TC) time integration methods was introduced by a general procedure based on the GENERIC form of the evolution equations for thermo-mechanical problems. The use of the entropy was reported to be the best choice for the thermodynamical variable to easily provide TC integrators. Also the employment of the internal energy was proved to not involve excessive complications. However, attempts towards the use of the temperature in the design of GENERIC-based TC schemes have so far been unfruitful. This paper complements the said procedure to attain TC integrators by presenting a TC scheme based on the temperature as thermodynamical state variable. As a result, the problems which arise due to the use of the entropy are overcome, mainly the definition of boundary conditions. What is more, the newly proposed method exhibits the general enhanced numerical stability and robustness properties of the entropy formulation.

Development of computational tools for the integrated analysis of DNA microarray data with applications in cancer research

The MAP-i Doctoral Program of the Universities of Minho, Aveiro and Porto

Fermat's treatise on quadrature: A new reading

The Treatise on Quadrature of Fermat (c. 1659), besides containing the first known proof of the computation of the area under a higher parabola, R x+m/n dx, or under a higher hyperbola, R x-m/n dx with the appropriate limits of integration in each case , has a second part which was not understood by Fermat s contemporaries. This second part of the Treatise is obscure and difficult to read and even the great Huygens described it as'published with many mistakes and it is so obscure (with proofs redolent of error) that I have been unable to make any sense of it'. Far from the confusion that Huygens attributes to it, in this paper we try to prove that Fermat, in writing the Treatise, had a very clear goal in mind and he managed to attain it by means of a simple and original method. Fermat reduced the quadrature of a great number of algebraic curves to the quadrature of known curves: the higher parabolas and hyperbolas of the first part of the paper. Others, he reduced to the quadrature of the circle. We shall see how the clever use of two procedures, quite novel at the time: the change of variables and a particular case of the formulaof integration by parts, provide Fermat with the necessary tools to square very easily curves as well-known as the folium of Descartes, the cissoid of Diocles or the witch of Agnesi.

Pathway databases and tools for their exploitation: benefits, current limitations and challenges

In past years, comprehensive representations of cell signalling pathways have been developed by manual curation from literature, which requires huge effort and would benefit from information stored in databases and from automatic retrieval and integration methods. Once a reconstruction of the network of interactions is achieved, analysis of its structural features and its dynamic behaviour can take place. Mathematical modelling techniques are used to simulate the complex behaviour of cell signalling networks, which ultimately sheds light on the mechanisms leading to complex diseases or helps in the identification of drug targets. A variety of databases containing information on cell signalling pathways have been developed in conjunction with methodologies to access and analyse the data. In principle, the scenario is prepared to make the most of this information for the analysis of the dynamics of signalling pathways. However, are the knowledge repositories of signalling pathways ready to realize the systems biology promise? In this article we aim to initiate this discussion and to provide some insights on this issue.

Mekanismien dynamiikan simuloinnissa sovellettavia numeerisia- ja mallinnusmenetelmiä

Koneet voidaan usein jakaa osajärjestelmiin, joita ovat ohjaus- ja säätöjärjestelmät, voimaa tuottavat toimilaitteet ja voiman välittävät mekanismit. Eri osajärjestelmiä on simuloitu tietokoneavusteisesti jo usean vuosikymmenen ajan. Osajärjestelmien yhdistäminen on kuitenkin uudempi ilmiö. Usein esimerkiksi mekanismien mallinnuksessa toimilaitteen tuottama voimaon kuvattu vakiona, tai ajan funktiona muuttuvana voimana. Vastaavasti toimilaitteiden analysoinnissa mekanismin toimilaitteeseen välittämä kuormitus on kuvattu vakiovoimana, tai ajan funktiona työkiertoa kuvaavana kuormituksena. Kun osajärjestelmät on erotettu toisistaan, on niiden välistenvuorovaikutuksien tarkastelu erittäin epätarkkaa. Samoin osajärjestelmän vaikutuksen huomioiminen koko järjestelmän käyttäytymissä on hankalaa. Mekanismien dynamiikan mallinnukseen on kehitetty erityisesti tietokoneille soveltuvia numeerisia mallinnusmenetelmiä. Useimmat menetelmistä perustuvat Lagrangen menetelmään, joka mahdollistaa vapaasti valittaviin koordinaattimuuttujiin perustuvan mallinnuksen. Numeerista ratkaisun mahdollistamiseksi menetelmän avulla muodostettua differentiaali-algebraaliyhtälöryhmää joudutaan muokkaamaan esim. derivoimalla rajoiteyhtälöitä kahteen kertaan. Menetelmän alkuperäisessä numeerisissa ratkaisuissa kaikki mekanismia kuvaavat yleistetyt koordinaatit integroidaan jokaisella aika-askeleella. Tästä perusmenetelmästä johdetuissa menetelmissä riippumattomat yleistetyt koordinaatit joko integroidaan ja riippuvat koordinaatit ratkaistaan rajoiteyhtälöiden perusteella tai yhtälöryhmän kokoa pienennetään esim. käyttämällä nopeus- ja kiihtyvyysanalyyseissä eri kiertymäkoordinaatteja kuin asema-analyysissä. Useimmat integrointimenetelmät on alun perin tarkoitettu differentiaaliyhtälöiden (ODE) ratkaisuunjolloin yhtälöryhmään liitetyt niveliä kuvaavat algebraaliset rajoiteyhtälöt saattavat aiheuttaa ongelmia. Nivelrajoitteiden virheiden korjaus, stabilointi, on erittäin tärkeää mekanismien dynamiikan simuloinnin onnistumisen ja tulosten oikeellisuuden kannalta. Mallinnusmenetelmien johtamisessa käytetyn virtuaalisen työn periaatteen oletuksena nimittäin on, etteivät rajoitevoimat tee työtä, eli rajoitteiden vastaista siirtymää ei tapahdu. Varsinkaan monimutkaisten järjestelmien pidemmissä analyyseissä nivelrajoitteet eivät toteudu tarkasti. Tällöin järjestelmän energiatasapainoei toteudu ja järjestelmään muodostuu virtuaalista energiaa, joka rikkoo virtuaalisen työn periaatetta, Tästä syystä tulokset eivät enää pidäpaikkaansa. Tässä raportissa tarkastellaan erityyppisiä mallinnus- ja ratkaisumenetelmiä, ja vertaillaan niiden toimivuutta yksinkertaisten mekanismien numeerisessa ratkaisussa. Menetelmien toimivuutta tarkastellaan ratkaisun tehokkuuden, nivelrajoitteiden toteutumisen ja energiatasapainon säilymisen kannalta.