Ο κλασματικός λογισμός είναι ο κλάδος της μαθηματικής ανάλυσης που μελετά παραγώγους και ολοκληρώματα κλασματικής τάξης, και επομένως επιτρέπει την διατύπωση κλασματικών διαφορικών εξισώσεων (FDEs). Aν και ο κλασματικός λογισμός εισήχθη για πρώτη φορά από τον Leibniz περισσότερα από 300 χρόνια πριν, εν τούτοις η εφαρμογή του σε προβλήματα της μαθηματικής φυσικής ξεκίνησε τις τελευταίες δεκαετίες. Συγκεκριμένα, η κλασματική ανάλυση ξεκίνησε βρίσκοντας εφαρμογή σε πολλούς τομείς των φυσικών επιστημών και της επιστήμης της μηχανικής, και μόλις το 2009 εισήχθη για πρώτη φορά στον τομέα της φαρμακοκινητικής. Η φαρμακοκινητική είναι η επιστήμη η οποία μελετά την κινητική της απορρόφησης, της κατανομής και της απομάκρυνσης των φαρμάκων, δηλαδή περιγράφει τη χρονική εξέλιξη του φαρμάκου στον ανθρώπινο οργανισμό και χρησιμοποιεί κυρίως διαμερισματικά μοντέλα. Έχει αποδειχθεί ότι συγκεκριμένα είδη φαρμάκων, μετά τη χορήγησή τους στο ανθρώπινο σώμα, ακολουθούν κινητική η οποία περιγράφεται καλύτερα με τη χρήση κλασματικών διαφορικών εξισώσεων. Ο κλασματικός λογισμός και οι εφαρμογές του είναι ένας αναπτυσσόμενος τομέας ενεργούς έρευνας. Σε ό,τι αφορά τη φαρμακοκινητική, πρόκειται για ένα πολλά υποσχόμενο εργαλείο και η αντίστοιχη βιβλιογραφία αυξάνεται ολοένα και περισσότερο. Στην παρούσα εργασία μελετάται η εφαρμογή του κλασματικού λογισμού στη φαρμακοκινητική. Συγκεκριμένα, δίνουμε αναλυτική λύση σε γραμμικά συστήματα κλασματικών διαφορικών εξισώσεων, τα οποία αντιπροσωπεύουν φαρμακοκινητικά μοντέλα που έχουν προκύψει από την έως τώρα βιβλιογραφία. Όλα τα φαρμακοκινητικά μοντέλα που έχουν μελετηθεί δίνουν μόνο αριθμητικές λύσεις. Aυτό που επιχειρείται για πρώτη φορά στην παρούσα εργασία, είναι να δοθούν οι αναλυτικές λύσεις των μοντέλων αυτών, έστω και αν η μορφή τους είναι πολύπλοκη. Αναλυτικότερα, το πρώτο κεφάλαιο της εργασίας περιέχει μια ανασκόπηση των βασικότερων στοιχείων της θεωρίας της κλασματικής ανάλυσης που θα χρησιμοποιήσουμε, όπως: συναρτήσεις Mittag-Leffler, βασικές ιδιότητες αυτών και υπολογισμός μετασχηματισμού Laplace συγκεκριμένων μορφών αυτών των συναρτήσεων, καθώς επίσης και ορισμός του κλασματικού ολοκληρώματος και της κλασματικής παραγώγου συναρτήσεων. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύεται η σύνδεση της διαμερισματικής ανάλυσης με την φαρμακοκινητική. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται η σύνδεση του κλασματικού λογισμού με τη φαρμακοκινητική, καθώς και οι λόγοι για τους οποίους υπερτερεί η προσέγγιση αυτή έναντι των προσεγγίσεων που χρησιμοποιούνταν έως και το 2009. Tο τέταρτο κεφάλαιο αφορά εφαρμογές του κλασματικού λογισμού, ενώ δίνονται οι αναλυτικές λύσεις των γραμμικών συστημάτων κλασματικών διαφορικών εξισώσεων που προκύπτουν. Ακόμη, στο Παράρτημα Α αναφέρονται κάποια στοιχεία που αφορούν στο ισοζύγιο μάζας, στο Παράρτημα Β δίνονται τα αποτελέσματα και οι γραφικές παραστάσεις των εφαρμογών που μελετήθηκαν στο τέταρτο κεφάλαιο, και, τέλος, στο Παράρτημα Γ δίνονται οι εντολές του Mathematica που χρησιμοποιήθηκαν για την απεικόνιση των αναλυτικών λύσεων. / Fractional calculus is the sector of mathematical analysis that deals with derivatives and fractional order integrals, resulting the derivation of Fractional Differential Equations (FDEs). Fractional calculus was first introduced by Leibniz more than 300 years ago. Nevertheless, its application on mathematical physics problems has just started the last few decades. In particular, fractional analysis started being applied on sciences of physics and mechanics . Furthermore, fractional analysis was introduced in the field of pharmacokinetics only a few years ago (2009). Pharmacokinetics is the science that deals with the kinetics of the absorption, the distribution and the excretion of drugs. In other words, it describes the time course of the drug inside the human body. Pharmacokinetics mostly uses compartmental models . It has been demonstrated that several types of drugs, follow a kinetic operation after entering in the human body, which is better described by Fractional Differential Equations. Fractional calculus and its applications is a developing sector of active research. Pharmacokinetics, in particular, is a promising tool and the corresponding literature is increasingly growing. The present thesis deals with the application of fractional calculus in pharmacokinetics. In particular, we provide an analytical solution in fractional differential equations linear systems, which represent pharmacokinetic models that have emerged of the existing literature. All the pharmacokinetic models that have been studied provide only arithmetical solutions. The new aspect of the present thesis is an attempt to provide the analytical solutions of these models, even if their form is complicated. In more detail, the first chapter of the study contains a review of the most fundamental fractional-analysis-theory elements that we will use, such as: Mittag-Leffler functions, their basic properties, calculation of Laplace transformation for specific forms of these functions, definition of the fractional integral and the fractional derivative of functions. In the second chapter the binding of compartmental analysis with pharmacokinetics is analyzed. In the third chapter the binding of fractional calculus with pharmacokinetics is described, as well as the reasons why this approach is superior to the previous approaches that were used until 2009. The fourth chapter contains applications of fractional calculus. The analytical solutions for the fractional differential equations linear systems that arise are also given. Furthermore, Appendix A includes some elements related to the mass balance, while Appendix B contains the results and graphs of the applications that were studied in the fourth chapter. Finally, Appendix C provides the Mathematica code that were used for the illustration of the analytical solutions.

Στο πέρασμα των αιώνων, οι άνθρωποι αναζητούσαν νόμους που να περιγράφουν τα φαινόμενα του φυσικού κόσμου. Το 1744 ο Γάλλος επιστήμονας Pierre Louis Moreau de Maupertious έθεσε την αρχή ότι η φύση ενεργεί πάντα με τέτοιο τρόπο ώστε να ελαχιστοποιείται κάποια ποσότητα που ο ίδιος ονόμασε «δράση». Στη μαθηματική θεμελίωση της σχετικής θεωρίας των μεγίστων και ελαχίστων των βαθμωτών ποσοτήτων συνέβαλλε ο Ελβετός μαθηματικός Leonard Euler. Στα προβλήματα του Λογισμού των Μεταβολών μελετάμε παραστάσεις που περιέχουν μία ή περισσότερες άγνωστες πραγματικές συναρτήσεις μιας ή περισσοτέρων πραγματικών μεταβλητών. Έτσι, αναζητούμε μια συνάρτηση που να δίνει στη συγκεκριμένη παράσταση μέγιστη ή ελάχιστη τιμή. Οι παραστάσεις αυτές ονομάζονται συναρτησιακά και αποτελούν μια γενίκευση της έννοιας της συνάρτησης. H διπλωματική αυτή εργασία αποτελεί μια βιβλιογραφική επισκόπηση των άμεσων μεθόδων που χρησιμοποιούνται στην επίλυση των προβλημάτων του λογισμού των μεταβολών.Κάτω από αυτό το πρίσμα, παρουσιάζονται οι προσεγγιστικές λύσεις, η εφαρμογή τους καθώς και οι πρόσφατες βελτιώσεις τους. Συγκεκριμένα, στο κεφάλαιο 1 αναφέρονται κάποιες βασικές έννοιες του λογισμού των μεταβολών . Στο κεφάλαιο 2 γίνεται λόγος για τέσσερις άμεσες μεθόδους επίλυσης συναρτησιακών προβλημάτων. Στο κεφάλαιο 3 περιγράφονται τέσσερις μέθοδοι, οι οποίες προσεγγίζουν τη λύση μη γραμμικών προβλημάτων του λογισμού των μεταβολών με ακρίβεια 2ης τάξης ως συνάρτηση του μήκους βήματος. Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται κάποιες νέες τεχνικές επίλυσης των προβλημάτων που συζητήθηκαν. Στο κεφάλαιο 5 αναφέρεται η χρήση υποπρογραμμάτων (“packages”) που χρησιμοποιούνται μέσω συστημάτων λογισμικού όπως το Maple και το Mathematica. / Over the centuries, people seeking laws that describe the phenomena of the natural world. In 1744 the French scientist Pierre Louis Moreau de Maupertious established the principle that nature always acts in such a way as to minimize a quantity he called ‘action’. The Swiss mathematician Leonard Euler helped the mathematical foundations of the theory of maximum and minimum of the scalar quantities. Problems of the Calculus of Variations contain unknown functions of one or more real variables. So, the aim is to find a function that maximizes an integral. This project deals with direct methods which give approximate solutions to functional problems. Furthermore, their implementation and their recent improvements are described. Specifically, in Chapter 1 some basic concepts of calculus of variations are discussed. In chapter 2 four direct methods of solving functional problems are illustrated. In the chapter four methods which approximate the solution of nonlinear problems in the calculus of variations with second order accuracy in terms of the step length are described and some results are pointed out. Chapter 4 presents some new techniques to solve these problems. The chapter 5 refers the use of “packages” used by software systems such as Maple and Mathematica.

Με σκοπό την ενίσχυση του μαθήματος Τεχνητή Νοημοσύνη στο τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής της Πολυτεχνικής σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών έχει δημιουργηθεί από την Ομάδα Τεχνητής Νοημοσύνης το πρωτότυπο για ένα Ευφυές Σύστημα Διδασκαλίας Τεχνητής Νοημοσύνης (ΣΔΤΝ). Το σύστημα αυτό, ανάμεσα στα άλλα, διδάσκει την Κατηγορηματική Λογική ως γλώσσα Αναπαράστασης Γνώσης και Αυτόματου Συλλογισμού. Πρόκειται για ένα σύστημα που προσαρμόζεται, επιτρέποντας στους φοιτητές να επιλέγουν οι ίδιοι τον ρυθμό και το επίπεδο μάθησης. Ένα από τα θέματα που διαπραγματεύεται το σύστημα είναι και η μετατροπή από προτάσεις φυσικής γλώσσας (ΦΓ) σε εκφράσεις Κατηγορηματικού Λογισμού Πρώτης Τάξεως (ΚΛΠΤ). Επειδή η διαδικασία αυτή δεν είναι αυτοματοποιήσιμη, ο φοιτητής δεν μπορεί να πάρει κάποια βοήθεια ή υπόδειξη από το σύστημα, κατά τη διάρκεια μιας τέτοιας άσκησης, πριν δώσει την τελική του απάντηση. Γι’ αυτό, στα πλαίσια του ΣΔΤΝ αποφασίστηκε να ενσωματωθεί μια επιπλέον δυνατότητα: να μετατρέπει εκφράσεις ΚΛΠΤ τις οποίες δημιουργεί ο φοιτητής, στην προσπάθειά του να λύσει μια τέτοια άσκηση, σε προτάσεις ΦΓ. Σκοπός της λειτουργίας αυτής είναι να χρησιμοποιηθεί σαν ανατροφοδότηση από το σύστημα στον φοιτητή, προκειμένου ο τελευταίος να αξιολογήσει την απάντησή του, πριν την καταθέσει σαν τελική απάντησή στην άσκηση. Για την υλοποίηση της παραπάνω δυνατότητας ξεκίνησε η ανάπτυξη ενός συστήματος βασισμένου σε κανόνες, του FOLtoNL (First Order Logic to Natural Language). Στόχος του συστήματος ήταν η επιτυχής μετατροπή εκφράσεων ΚΛΠΤ σε ΦΓ. Το FOLtoNL υλοποιήθηκε σε Jess, μια γλώσσα προγραμματισμού με κανόνες (γραμμένη εξ’ ολοκλήρου σε Java) και αξιολογήθηκε με βάση τα αποτελέσματά του σε ειδικά σχεδιασμένο σύνολο εκφράσεων ΚΛΠΤ. / To help teaching the course of Artificial Intelligence in Computer Engineering and Informatics Department of Patras University, a web-based intelligent tutoring system, called Artificial Intelligence Teaching System (AITS), was created. Among other things, AITS teaches Predicate Logic as a Knowledge Representation and Automated Reasoning language and is an adapting system, allowing students to choose themselves the teaching rate and level. One of the issues that AITS deals with is the conversion of natural language (NL) sentences into First-Order Logic (FOL) formulas. Given that this is a non-automated process, it is difficult to give some hints to the students-users during their effort to convert an “unknown” (to the system) NL sentence into a FOL formula. However, some kind of help could be provided, if the system could translate (after checking its syntax) the proposed by the student FOL formula into a NL sentence. The student then will be able to compare the initial NL sentence with the one that its FOL formula corresponds to. In this way, it is easier to see whether his/her proposed FOL formula is compatible with the given NL sentence and perhaps make some amendments, before submitting the final answer. FOLtoNL (First Order Logic to Natural Language) is a rule-based system that converts FOL formulas into NL in order to provide the functionality described above. It uses the expert systems approach alongside natural language processing aspects. FOLtoNL is implemented in Jess (an expert system shell written in Java) and has been evaluated via an appropriately created set of FOL expressions.

Η παρούσα διατριβή επανεξετάζει την οριακή ανάλυση ευστάθειας των λίθινων αψίδων. Η οριακή ανάλυση ευστάθειας χρησιμοποιείται σήμερα ως το βασικό εργαλείο αποτίμησης της ευστάθειας τόξων και θολωτών κατασκευών από τοιχοποιία, όπως ακριβώς συνέβαινε και τους τελευταίους τέσσερις αιώνες. Παρά την τόσο μακρόχρονη ιστορία της μεθόδου, δεν έχουν πλήρως διασαφηνιστεί στην επιστημονική κοινότητα θεμελιώδης έννοιες και δεν έχουν σαφώς απαντηθεί ερωτήματα όπως: Ποιες είναι οι φυσικά πραγματοποιήσιμες γραμμές ώθησης και ποιες όχι; Ποια είναι η επίδραση της στερεοτομίας ενός τόξου στην οριακή του ευστάθεια; Ποιος είναι ο ρόλος της αλυσοειδούς καμπύλης και κατά πόσο αυτή είναι μία φυσικά αποδεκτή γραμμή ώθησης; Τι σχέση υπάρχει ανάμεσα στην κλίση της συνισταμένης θλιπτικής δύναμης και στην κλίση της γραμμής ώθησης στο σημείο εφαρμογής της; Η παρούσα διατριβή αναζητά απαντήσεις στα ερωτήματα αυτά, και έχει ως στόχο τη βαθύτερη κατανόηση της οριακής ανάλυσης ευστάθειας των τόξων, με παράλληλη ανάδειξη νέων υπολογιστικών διαδικασιών. Η δομή της παρουσιάζεται συνοπτικά παρακάτω. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται ιστορική ανάλυση της μεθόδου μέσα από παρουσίαση και σχολιασμό των εργασιών με τη σημαντικότερη συμβολή, από τα μέσα του 17ου αιώνα μέχρι σήμερα. Στο δεύτερο κεφάλαιο επανεξετάζεται ένα από τα πιο κλασικά προβλήματα της μηχανικής: ποιο είναι το ελάχιστο επιτρεπτό πάχος ενός ημικυκλικού τόξου υπό τη δράση του ιδίου βάρους του για να είναι ευσταθές. Παράλληλα απαντώνται τα ερωτήματα που τέθηκαν παραπάνω αναπτύσσοντας νέες κλειστές μαθηματικές εκφράσεις των γραμμών ώθησης μέσω γεωμετρικής προσέγγισης, αλλά και μέσω του λογισμού των μεταβολών. Στο τρίτο κεφάλαιο χρησιμοποιείται παρόμοια διαδικασία για την ανάλυση της γενικής περίπτωσης των ελλειπτικών τόξων, οποιουδήποτε γεωμετρικού λόγου ύψος προς βάση, καθώς δεν είναι διαθέσιμα αναλυτικά αποτελέσματα στη διεθνή βιβλιογραφία, όπως συμβαίνει για τα κυκλικά τόξα. Στο τέταρτο κεφάλαιο εξετάζεται η οριακή ευστάθεια κυκλικών τόξων οποιασδήποτε γωνίας εναγκαλισμού, υπό την ταυτόχρονη δράση του ιδίου βάρους τους και σταθερής οριζόντιας εδαφικής επιτάχυνσης, ενώ υπολογίζεται με ακρίβεια η μορφή που θα έχει ο επικείμενος μηχανισμός κατάρρευσης μαζί με το οριακό πάχος, συναρτήσει της σεισμικής φόρτισης. Τα αποτελέσματα της μαθηματικής ανάλυσης (Κεφ. 2-4) επιβεβαιώνουν την ακρίβεια του λογισμικού που αναπτύχθηκε για τις ανάγκες της διατριβής, καθώς και τα αποτελέσματα που προκύπτουν από εμπορικό λογισμικό της μεθόδου των διακριτών στοιχείων. Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται εφαρμογή και σύγκριση των πιο αντιπροσωπευτικών υπολογιστικών μεθόδων που απαντώνται σήμερα στη βιβλιογραφία για την αποτίμηση της ευστάθειας και φέρουσας ικανότητας της υπόγειας Θολωτής Διόδου του Σταδίου της Αρχαίας Νεμέας, ενώ η οριακή ανάλυση ευστάθειας αναδεικνύεται ως ένα μοναδικό εργαλείο για την κατανόηση της αλληλεπίδρασης της κατασκευής με το περιβάλλον έδαφος. Επιπλέων των συμπερασμάτων στο τέλος κάθε κεφαλαίου (Κεφ. 2 έως 5), στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα πιο σημαντικά συμπεράσματα και η συνεισφορά της παρούσας διατριβής. / This doctoral thesis revisits the limit equilibrium analysis of masonry arches. Limit equilibrium analysis is used today as the main analysis method for the assessment of the stability of masonry arches and vaulted structures, and is the outcome of important contributions that happened during the last four centuries. Although this method has a long history and a rich literature, there are still fundamental concepts that have not been thoroughly clarified, such as: What are the physically admissible thrust lines of an arch? How the stereotomy of an arch affects its limit stability? What is the role of the catenary curve (the alysoid)? Is the catenary curve a physically admissible thrust line? What is the relation between the direction of the thrust force and the slope of the thrust line at the point of application of the force? This thesis investigates these questions and aims to a better understanding of the limit equilibrium analysis of masonry arches, and at the same time, to present innovative methodologies and new analysis tools. Chapter 1 presents the work of other authors that have contributed the most to the stability analysis of masonry arches and vaulted structures over the last centuries. Chapter 2 revisits one of the most classical problems of Mechanics—what is the minimum thickness of a semicircular masonry arch subjected to its own weight. At the same time, the analysis presented in this chapter answers to the aforementioned questions through the development of closed-form expressions of the thrust line and the application of calculus of variation. Chapter 3 is focused on the limit equilibrium state of elliptical masonry arches, using the same approaches that were used in Chapter 2. This analysis was motivated from the fact that numerical results have been available in literature only for circular and not for elliptical masonry arches. Chapter 4 computes the location of the imminent hinges and the minimum thickness of circular masonry arches, for every given embrace angle, which can just sustain their own weight, together with a given level of horizontal ground acceleration. The numerical results presented in Chapters 2 to 4 confirm the accuracy of the in-house software that was developed for the needs of this thesis and the results obtained with a representative, commercially available software of the distinct element method. Chapter 5 present a comprehensive structural analysis of the Tunnel-Entrance to the Stadium of Ancient Nemea which ranges from the thrust line limit analysis and the discrete element method, to a 3-dimensional finite-element analysis. Limit equilibrium analysis emerges as a unique analysis method for the assessment of the stability of the structure and its interaction with the surrounding soil. While at the end of every chapter (Chapters 2 to 5) are presented detailed comments and conclusions, Chapter 6 is focused on outlining the most important conclusions and the main contribution of this thesis.