Orientador: Marcelo Messias / Banca: marcio Ricardo Alves Gouveia / Banca: Cristiane Nespoli Morelato França / Resumo: No presente trabalho estudamos um sistema de equações diferenciais ordinárias de um modelo biológico de câncer que apresenta caos. Para o estudo faz-se necessário o conhecimento a respeito de bifurcações, em especial a bifurcação de Hopf e a de período duplo ("flip"), também de uma noção básica de dinâmica simbólica. O modelo é analisado de duas formas. No decorrer da primeira análise são fixados os parâmetros envolvidos, deixando variar somente um deles, a taxa de crescimento das células saudáveis. Para determinado valor crítico deste parâmetro, em torno do ponto de equilíbrio de coexistência entre as três populações celulares em estudo (células saudáveis, células do sistema imune e células tumorais), ocorre o surgimento de um ciclo limite, originado de uma bifurcação de Hopf. Em seguida, há uma bifurcação de duplicação de período de tal ciclo limite, conduzindo as soluções ao comportamento caótico. Numa segunda abordagem, são variados dois parâmetros, a taxa de inativação das células efetoras pelas células tumorais e a taxa de inativação das células tumorais pelas células efetoras. Encontra-se um regime paramétrico no qual as soluções que possuem comportamento caótico têm suas trajetórias tendendo a um comportamento ordenado, o que é verificado através do cálculo da entropia topológica, expoentes de Lyapunov e previsibilidade. / Abstract: In this work we study a system of ordinary differential equations which represent a mathematical model of cancer which has chaotic dynamics. In the study we use the bifurcation theory, especially the Hopf bifurcation and the period doubling bifurcation (flip), we also use the basic notion of symbolic dynamics. The model is analyzed from two points of view. In the first one we consider all the parameters as being fixed and vary only one of them, which is related to the growth rate of the healthy cells. For a determined critical value of this parameter, a Hopf bifurcation occurs in the equilibrium point representing the coexistence of the three types of cells (healthy cells, immune system cells and tumor cells), giving rise to the existence of a limit cycle. Studying the continuation of this limit cycle, we detect the occurrence of a cascade of period doubling bifurcations which, in the limit, leads to the chaotic behaviour of the solutions. In a second analysis, we vary two of the parameters of the model, representing the inactivation of the immune system cells by the tumor cells and the inactivation of the tumor cells by the immune system cells. In this analysis we determined certain parameter values for which the solutions having chaotic behavior tend to a regular regime, which is obtained by the calculation of the topological entropy, the Lyapunov exponents and predictability. / Mestre

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:09Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2013-06-05Bitstream added on 2014-06-13T19:06:50Z : No. of bitstreams: 1 verri_ja_me_prud.pdf: 7130871 bytes, checksum: 40212cfd999c344f6165b927a8d582c2 (MD5) / Nesta dissertação fazemos um estudo de modelos biológicos do tipo Lotka-Volterra, utilizando como ferramenta principal a teoria qualitativa das equações diferenciais ordinárias. Abordamos, no plano e no espaço, alguns modelos do tipo predador-presa. Analisamos os comportamentos das soluções sob a variação dos parâmetros e tratamos com detalhes a bifurcação de Hopf, que dá origem a uma órbita periódica isolada (ciclo limite). Estudamos também um teorema devido a Li e Muldowney [16] sobre a estabilidade global de um ponto de equilíbrio para um sistema x˙ = f(x), x ∈ Rn. Aplicamos este resultado no estudo de um modelo de HIV tridimensional, provando a estabilidade global de um ponto de equilíbrio, para certos valores dos parâmetros. Para o mesmo modelo, verificamos a ocorrência de uma dupla bifurcação de Hopf, que leva ao surgimento e posterior desaparecimento de um ciclo limite, ao variarmos um dos parâmetros envolvidos no sistema. As bifurcações de Hopf ocorrem simultaneamente à perda de estabilidade global do ponto de equilíbrio / In this work we present a study of biological models of Lotka-Volterra type, using as main tool the qualitative theory of ordinary differential equations. We analyze some two and three dimensional predator-prey models. The behavior of the solutions are studied under the variation of parameters and it is shown that a Hopf bifurcation occurs, leading to the creation of an isolated periodic orbit (limit cycle). We also study a theorem due to Li and Muldowney [16] about the global stability of an equilibrium point of a system x˙ = f(x), x ∈ Rn. We apply this result in the analysis of a three dimensional model of HIV with treatment, showing the global stability of an equilibrium point, for certain parameter values. For the same model, we prove the occurrence of two Hopf bifurcations, leading to the birth and subsequent death of a limit cycle, when we vary one of the parameters of the model. The Hopf bifurcations occurs simultaneously to the lack of global stability of the equilibrium point

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. / Made available in DSpace on 2012-10-17T18:22:21Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2014-09-25T16:30:49Z : No. of bitstreams: 1 175746.pdf: 3931123 bytes, checksum: 52e2415aaf043cb616b6868445fc6d5c (MD5) / A presente tese de doutorado aborda a determinação da instabilidade de tensão associada à bifurcação sela-nó. Uma revisão teórica dos mecanismos que conduzem os sistemas à instabilidade de tensão e as principais abordagens utilizadas para a detecção da bifurcação sela-nó são apresentadas. Um aprofundamento teórico da bifurcação sela-nó em sistemas algébrico-diferenciais e sua relação com o processo de instabilidade de tensão é explorado. Na literatura, a maior parte das abordagens utiliza modelos estáticos para avaliar a estabilidade de tensão. Nesta tese, além de uma modelagem estática baseada no método da continuação, é utilizada uma modelagem dinâmica, a qual representa o sistema por um conjunto de equações algébrico-diferenciais. Estudos comparando a limitação da abordagem estática na correta determinação da bifurcação sela-nó do sistema em relação a adoção de abordagens dinâmicas são realizados. Outros fatores que exercem fortes influências na determinação correta da bifurcação sela-nó são o modelo de carga e os limites do sistema de excitação dos geradores. Modelos estáticos e dinâmicos para representar a carga do sistema e análises com o objetivo de mostrar o efeito da carga na detecção da bifurcação sela-nó são apresentados. Em relação a modelagem de limitadores, são propostos novos modelos para representar analiticamente o efeito de limadores de tensão de campo do sistema de excitação, os quais são incluídos na análise modal. Para tornar mais precisa as condições iniciais da análise modal e permitir a detecção da bifurcação sela-nó estática, foi implementada uma metodologia baseada no método da continuação que leva em conta a modelagem detalhada de limitação de potência reativa, a qual considera limites de tensão de campo e potência aparente da armadura e modelos de carga dependentes da tensão. Aborda-se ainda a detecção direta da bifurcação sela-nó em a partir de um modelo dinâmico do sistema representado por um conjunto algébrico-diferencial. Um estudo da viabilidade da aplicação do método direto utilizando-se um pequeno sistema é apresentado. São realizadas comparações de resultados obtidos com a utilização dos modelos estáticos e dinâmicos usados para representar o sistema e a carga, e uma análise dos pontos onde ocorre a bifurcação sela-nó em cada modelagem. Para validação dos modelos e da metodologia foram utilizados os sistemas testes WSCC, New England e um sistema equivalente do sistema Interligado representando a região sul do Brasil.

Orientador: Edson Denis Leonel / Resumo: Este estudo objetiva provar que sistemas dinâmicos de dimensão N, de codimensão um e satisfazendo as condições do teorema da bifurcação de Hopf, podem ser expressos em uma forma analítica simplificada que preserva a topologia do espaço de fases da configuração original, na vizinhança do ponto de equilíbrio. A esta forma simplificada é atribuído o nome de forma normal. Para tanto, foi utilizado a teoria da variedade central, necessária para reduzir a dimensão de sistemas à sua variedade bidimensional, e o teorema das formas normais, utilizando-se como método para determinar a forma simplificada da variedade central associada aos sistemas dinâmicos, atendendo as condições do teorema da bifurcação de Hopf. A partir da análise dos resultados aqui encontrados foi possível construir a prova matemática de que sistemas de dimensão N, atendendo as condições do teorema de Hopf, podem ser reescritos em uma expressão analítica geral e simplificada. Enfim, através deste estudo foi possível resumir todos os resultados aqui obtidos em um teorema geral que, além de reduzir a custosa tarefa de obtenção de formas normais, abrange sistemas N-dimensionais com ocorrência da bifurcação de Hopf. / Abstract: In this work we prove the following: consider a N-dimensional system that is reduced to its center manifold. If it is proved the system satisfies the conditions of Hopf bifurcation theorem, then the original system of differential equations is rewritten in a simpler analytical expression that preserves the phase space topology. This last is also known as the normal form. The center manifold is used to derive a reduced order expression, and the normal form theory is applied to simplify the form of the dynamics on the center manifold. The key results here allow constructing a general mathematical proof for the normal form of N-dimensional systems reduced to its center manifold. In the class of dynamical systems under Hopf bifurcations, the present work reduces the work done to obtain normal forms. / Mestre

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Exatas, Departamento de Matemática, 2008. / Submitted by Jaqueline Oliveira (jaqueoliveiram@gmail.com) on 2008-12-15T15:59:27Z No. of bitstreams: 1 DISSERTACAO_2008_KelemGomesLourenco.pdf: 1422115 bytes, checksum: 20a32fbf536b3c9518ef0a8601e1d847 (MD5) / Approved for entry into archive by Georgia Fernandes(georgia@bce.unb.br) on 2009-02-18T17:36:21Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DISSERTACAO_2008_KelemGomesLourenco.pdf: 1422115 bytes, checksum: 20a32fbf536b3c9518ef0a8601e1d847 (MD5) / Made available in DSpace on 2009-02-18T17:36:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DISSERTACAO_2008_KelemGomesLourenco.pdf: 1422115 bytes, checksum: 20a32fbf536b3c9518ef0a8601e1d847 (MD5) / Neste trabalho analisamos o sistema de equações differenciais com duas presas e um predador do tipo Lotka-Volterra, com e sem colheita. Inicialmente estudamos a estabilidade local e global dos pontos de equilíbrio no primeiro modelo. Posteriormente, no segundo modelo, estudamos o coeficiente de estabilidade das órbitas periódicas, através da forma normal e estimativas numéricas. Através do recurso Maple 11, verificamos o comportamento das soluções e o surgimento das órbitas periódicas. ________________________________________________________________________________________ ABSTRACT / In this work we analyzed the Lotka-Volterra system of diferential equations with two preys and a predator, with and without harvesting. Initially we studied the local and global stability of the points of equilibrium in the first model. Later, in the second model, we studied the coefficient of stability of the periodic orbits, by using normal form and numerical estimatives. By using Maple 11, we verified the behavior of the solutions and the appearance of the periodic orbits.

Orientador: Luci Any Francisco Roberto / Banca: Francisco Braun / Banca: Tiago de Carvalho / Resumo: Neste trabalho, nosso principal objetivo é estudar a existência e estabilidade de ciclos limite de costura em sistemas lineares planares de Filippov descontínuos obtidos pela agregação de dois sistemas lineares planares do tipo foco, e tendo apenas um ponto de equilíbrio. Ao usar uma forma normal adequada com cinco parâmetros, é realizado um estudo completo de algumas aplicações de Poincaré. São encontradas diferentes bifurcações que são responsáveis pelo aparecimento de ciclos limite de costura e regiões abertas no espaço de parâmetros com nenhum, um, dois e três ciclos limite de costura / Abstract: In this work our main aim is to study the existence and stability of crossing limit cycles in planar linear systems of discontinuous Filippov obtained by the aggregation of two planar linear systems of focus type, and having only one equilibrium point is considered. By using an adequate normal form with five parameters, a thorough study of some Poincar'e maps is performed. Different bifurcations which are responsible for the appearance of crossing limit cycles are detected and open regions in the parameters space with none, one, two and three crossing limit cycles are found / Mestre

Nesse trabalho estudamos um laser de estado sólido sujeito a realimentação optica de frequência modificada de um ponto de vista da teoria de bifurcações. Fizemos uma an alise bastante ampla da dinâmica desse laser no espaço de dois parâmetros de injeção (a dessintonização de frequência e a intensidade da injeção) utilizando métodos de integração direta e continuação numérica. Enquanto o método de integração numérica nos possibilitou analisar as dinâmicas mais complexas, incluindo transições para o caos e hipercaos, o método de continuação numérica nos permitiu estudar curvas de bifurcações estáveis e instáveis. A análise foi realizada estudando os efeitos causados pela mudança dos parâmetros que representam o tempo de vida da inversão populacional e a saturação cruzada, responsável pelo acoplamento dos campos dentro do meio ativo. Mostramos que o parâmetro que descreve o tempo de vida da inversão populacional e responsável pelo surgimento de diversas instabilidades no sistema, como o fenômeno de multiestabilidade, surgimento de orbitas periódicas e quase-peri odicas, assim como rotas para o caos via dobramento de período e torus. Para o parâmetro de acoplamento dos campos, mostramos que ele possibilita a presença de hipercaos em nosso sistema, este podendo se apresentar no que denominamos de hipercaos \fraco" e \forte". Dentro da região de hipercaos \forte", mostramos transições determinísticas de dois regimes, em que num deles o laser opera no modo de Q-switching, enquanto que no outro o laser apresenta pequenas oscilações irregulares. Por m, mostramos a existência de uma estatística de eventos extremos dentro do regime hipercaótico. / In this work we studied a solid state laser subjected to frequency-shifted optical feedback from a bifurcation theory point of view. We performed a very broad analysis of the dynamics of this laser in the space of two injection parameters (frequency detuning and injection intensity) using direct integration and numerical continuation methods. While the numerical integration method allowed us to analyze the more complex dynamics, including chaos and hyperchaos transitions, the numerical continuation method allowed us to study stable and unstable bifurcation curves. The analysis was carried out by studying the e ects caused by the change of the parameters that represent the life time of the population inversion and the cross saturation, responsible for the coupling of the elds within the active medium. We show that the parameter that describes the life time of the population inversion is responsible for the appearance of several instabilities in the system, such as the multistability phenomenon, the appearance of periodic and quasi-periodic orbits, as well as routes to chaos via period doubling and torus . For the eld coupling parameter, we show that it allows the presence of hyperchaos in our system, which may present in what we call "weak"and "strong"hyperchaos. Within the "strong"hyperchaos region, we show deterministic transitions of two regimes, in which one laser operates in the Q-switching mode, while in the other the laser presents small irregular oscillations. Finally, we have shown the existence of a extreme events statistic within the hyperchaotic regime.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:25:32Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2007-03-19Bitstream added on 2014-06-13T18:28:57Z : No. of bitstreams: 1 chiericejunior_n_me_rcla.pdf: 1353573 bytes, checksum: 0d3edbeeb7136f9b5dedb120c4e1f5d6 (MD5) / As oscilações mecânicas quando interferem no comportamento de um sistema mecânico estão relacionadas à transferência de energia devido ao atrito. A dinâmica desses sistemas com atrito pode ser prejudicada com o surgimento de movimentos caóticos. O estudo do comportamento dinâmico dessas oscilações mecânicas é o objetivo deste trabalho e para isto propomos um sistema não-ideal que descreve um modelo físico que trata do movimento de um bloco e de um motor elétrico de corrente contínua. O bloco preso a um extremo de uma mola com o outro extremo preso a um suporte fixo está apoiado em uma correia movimentada pelo motor elétrico. Sofrendo influências da força de atrito, da força da mola e de uma força externa que age harmonicamente, o bloco muitas vezes interfere na velocidade angular do motor, causando comportamentos caóticos no sistema. Com simulações numéricas estudamos o sistema, usando a transformada rápida de Fourier, transformada wavelet, expoentes de Lyapunov, diagrama de bifurcação, seção de Poincaré, trajetórias de plano de fase e gráficos da posição do bloco em função do tempo, em busca das freqüências que fazem o bloco oscilar em movimentos periódicos e caóticos. A importância desse estudo está em mostrar que métodos distintos conduzem a um mesmo resultado. / The mechanical oscillations when they interfere in the behavior of a mechanical system are related to the transfer of energy due to the friction. The dynamics of such systems with friction can be harmed by the appearance of chaotic movements. The study of the dynamic behavior of those mechanical oscillations is the objective of this work and for this we proposed a non-ideal system that describes a physical model that treats the movement of a block and a direct current motor. The block locked to the end of a spring with the other end locked to a fixed support is rested in a belt moved by a direct current motor. Suffering influences of the friction force, the spring force and the external force that act harmoniously, the block many times interferes in the angular speed of the motor, causing chaotic behaviors in the system. With numeric simulations, we studied the system using the fast Fourier transform; wavelet transform, Lyapunov exponents, bifurcation diagram, Poincaré section, phase plane trajectories and graphs of the block position in time function, looking of the frequencies that make the block to oscillate in periodic and chaotic movements. The importance of such study is to show that different methods lead to a same result.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:28:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6744.pdf: 408284 bytes, checksum: 6b14e48c8855df35514f1937407bb396 (MD5) Previous issue date: 2015-03-30 / Financiadora de Estudos e Projetos / This work is concerned with a semilinear parabolic partial differential equation under a homogeneous Neumann boundary condition occuring in population genetics. It describes the evolution of gene frequencies under selection and migration effects in a bounded domain. In the nonlinear term appearing in the equation, which is of logistic type, one has a positive parameter and an indefinite sign weight function. Considering a suitable phase space one obtains a nonlinear dynamical system, actually a gradient system, in a such way that the equilibrium solutions, or stationary solutions, play a fundamental role in the dynamics viewpoint. The problem has two constant equilibria, called the trivial ones, inducing two curves, called trivial branches, and containing the trivial equilibrium solutions. The main aim of this dissertation is to study the bifurcation and stability structures of equilibria, which are completely established and also expressed through diagrams. Furthermore, to establish the behaviour of the only nontrivial equilibrium the problem has for each value of the parameter. A key ingredient in the analysis is the average of the weight function. Indeed, if the weight has nonzero average a global curve consisting of nontrivial exponentially stable equilibria bifurcates from a trivial branch − which is determined according to the sign of the average. But if the parameter is sufficiently small the problem admits the two trivial equilibria as the only equilibrium solutions, one of them exponentially stable and the other unstable. When the weight function has zero average a new curve has now a central role: from such curve bifurcates a global curve defined for all values of the parameter and consisting of nontrivial exponentially stable equilibria. Further, there is no bifurcation from the trivial branches, that ones containing unstable equilibria. Finally, the behaviour of the global bifurcation branch is also established as the parameter is large. Actually, that is achieved as long as one proves the only nontrivial equilibrium concentrates in a region where the weight function has a definite sign, as the parameter is large. / Neste trabalho estuda-se uma equação diferencial parcial parabólica semilinear com condição de fronteira de Neumann homogênea que surge em genética populacional, a qual descreve a evolução de frequências de genes sob a ação conjunta de migração e seleção numa regi ao limitada. No termo não-linear que aparece na equação, de tipo logístico, tem-se um parâmetro positivo e uma função peso de sinal indefinido. Considerando-se um espaço de fase adequado ao problema, determina-se um sistema dinâmico não-linear e gradiente, de forma que os equilíbrios, ou soluções estacionárias, desempenham um papel fundamental no que concerne a dinâmica. Há dois equilíbrios constantes, chamados triviais, que dão origem a duas curvas, chamadas ramos triviais, contendo os equilíbrios triviais. O objetivo principal desta dissertação é estudar as estruturas de bifurcação e estabilidade de todos os equilíbrios, as quais são completamente determinadas e expressas através de diagramas, além de determinar o comportamento do único equilíbrio não-trivial que o problema possui para cada valor do parâmetro. Elemento decisivo na análise é a média da função peso do termo não-linear. De fato, em caso de média não nula bifurca de ramo trivial − que é determinado pelo sinal da m´edia − uma curva global constituída de equilíbrios não-triviais exponencialmente estáveis, enquanto os únicos equilíbrios que podem existir quando o parâmetro é pequeno são os triviais, sendo um exponencialmente estável e outro instável. Quando a média da função peso é zero uma nova curva passa a ter papel central: dela bifurca uma curva global, definida para cada valor do parâmetro, constituída de equilíbrios não triviais exponencialmente estáveis e não há bifurcação dos ramos triviais, estes contendo então equilíbrios instáveis. Finalmente, é determinado o comportamento do ramo de bifurcação global quando o parâmetro é grande ao estabelecer-se que o único equilíbrio não trivial do problema tende a concentra-se numa região em que o peso tem sinal definido.

Made available in DSpace on 2015-05-14T16:52:55Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2014-08-20Bitstream added on 2015-05-14T16:59:42Z : No. of bitstreams: 1 000824281.pdf: 1950863 bytes, checksum: 1103b6653966550279b0628db8f272e3 (MD5) / Captação de energia a partir de vibrações tem sido uma área de grande expansão nos últimos anos. Dispositivos lineares tem recebido maior atenção na literatura, no entanto, pesquisadores utilizam cada vez mais, dispositivos não-lineares para a transdução de banda larga. O processo de captação de energia possui duas etapas: a extração de energia e a utilização desta energia gerada para alimentar dispositivos eletrônicos. Assim, este trabalho descreve a utilização de um dispositivo mecânico não-linear caótico para captação de energia, acoplado a um circuito de retificação de meia-onda para transformar a tensão alternada gerada pelo PZT para tensão contínua para possível alimentação de um dispositivo eletrônico. A análise da interação dinˆamica entre os dois dispositivos é feita e pode-se concluir que é possível a utilização de um dispositivo mecânico, que opera no caos acoplado a um circuito de retificação, a fim de gerar mais energia / Energy harvesting from vibrations has been an area of enormous expansion in the last years. While linear vibratory energy harvesters have received the majority of the literature’s attention, some current research is focused on the concept of purposeful inclusion of nonlinearities for broadband transduction. The process of harvesting energy must have two steps: the extraction of energy and the utilization of this energy to feed in electronic devices. Thus, this work discusses the use of a non-linear mechanical device which has chaos to capture energy coupled to half-wave rectifier circuit to transform the alternating voltage generated by the PZT for continuous voltage to a possible device electronic. An analysis of the dynamic interaction between the two devices is done and it can be concluded that it is possible to use a mechanical device that operates in chaos coupled to a rectification circuit in order to generate more power