Vários problemas de interesse em Ciência e Engenharia são formulados como problemas de otimização. A complexidade dos problemas modernos tem levado ao desenvolvimento de modelos matemáticos de complexidade crescente, resultando em modelos de simulação computacionalmente custosos. Algoritmos Genéticos (AG), inspirados na Teoria de Evolução por seleção natural, são ferramentas versáteis em problemas difíceis de busca e otimização. Entretanto, eles usualmente requerem um elevado número de avaliações até a obtenção de uma solução viável ou satisfatória. Em um cenário de simulações dispendiosas, o uso de Algoritmos Genéticos pode tornar-se proibitivo. Uma possível solução para este problema é o uso de um metamodelo, para ser usado no processo de otimização no lugar do modelo de simulação. Nesta tese desenvolveu-se uma metodologia para o uso combinado de AG e metamodelos para otimização mono- e multi-objetivo de alto custo computacional, onde metamodelos baseados em similaridade são incorporados nos AG com o objetivo de melhorar o seu desempenho. A metodologia foi aplicada em problemas de otimização coletados da literatura, e em problemas de Otimização Estrutural, demonstrando sua aplicabilidade e estabelecendo esta como uma alternativa para o melhoramento de soluções em um contexto de orçamento fixo de simulações.

Neste trabalho é apresentado um esquema de assimilação de dados a ser realizado com o Modelo Oceânico de Coordenadas Híbridas HYCOM ao largo da costa sudeste brasileira. O HYCOM utiliza 3 diferentes coordenadas verticais, a saber: coordenada-z na camada de mistura, coordenada isopicnal no oceano profundo estratificado e coordenada sigma-z nas regiões mais rasas e costeiras. Entretanto, como os perfis verticais das principais variáveis oceânicas, como temperatura, salinidade e densidade, são observados e disponibilizados em coordenadas-z, a assimilação desses dados não é tão trivial. Por esse motivo, uma técnica de transformação de coordenadas verticais de isopicnal para z é aqui proposta como uma alternativa para a realização da assimilação de dados no HYCOM. Essa técnica utiliza multiplicadores de Lagrange juntamente com um processo de otimização que garante a conservação do fluxo de massa barotrópico. A técnica de transformação é aplicada juntamente com o método de assimilação de dados proposto por Ezer & Mellor (1997). Esse método utiliza interpolação estatística e correlações, calculadas a priori com resultados do modelo, entre dados de superfície - temperatura (TSM) e /ou altura (ASM) - e a estrutura de subsuperfície de temperatura e densidade potenciais. Com base nos experimentos numéricos realizados, pode-se verificar que o esquema de assimilação de dados foi capaz de reproduzir eficientemente a circulação oceânica do domínio proposto e com os melhores resultados quando utilizando conjuntamente ASM e TSM nas correlações. / The present work presents a data assimilation scheme customized to work with the Hybrid Coordinate Ocean Model (HYCOM) for the Southeastern Brazilian Bights. HYCOM uses hybrid vertical coordinates, i.e., it uses z coordinates in the mixed layer, isopycnal coordinates in the deep ocean and sigma-z coordinates in the continental shelf. However, since vertical profiles of the main ocean variables, like temperature, density and salinity, are observed in z -coordinates, the assimilation of these data into HYCOM is not trivial. For this reason, a technique to transform vertical profiles from isopycnal coordinates to z -coordinates is here proposed as an alternative to realize data assimilation in HYCOM. This technique uses Lagrangian multipliers with a optmization process that guarantees the conservation of the barotropic mass ux. The technique of transformation is applied with the data assimilation method proposed by Ezer & Mellor (1997). The method uses statistical interpolation and correlations, a priori calculated with the models output, between the sea surface data - temperature (SST) and/or height (SSH) - and subsurface potential temperature and density structures. Numerical experiments showed that the data assimilation scheme is able to reproduce eficiently the local ocean circulation. The best performance scheme included the correlation with both SST and SSH.

Neste trabalho três novas formulações de Galekin descontínuo são desenvolvidas utilizando a estrutura submalha de duas escalas para resolver as equações de convecção-difusão-reação. A primeira, inspirada no método NSGS (Nonlinear Subgrid Stabilization) introduz um termo não-linear de viscosidade submalha agindo apenas nas escalas menores da malha de elementos finitos. A segunda, baseada nas arestas, introduz dois termos de estabilização submalha considerando o resíduo da solução aproximada na escala resolvida em cada elemento, e o salto da solução submalha nas arestas entre os elementos. A terceira, acrescenta viscosidade artificial que atua em todas as escalas, que também é controlada pela solução na escala resolvida a nível de elemento. Todas as formulações podem ser consideradas adaptativas, no sentido de que a estabilização atua somente onde é necessária. Para as duas primeiras formulações as estimativas de erro revelam taxas de convergência semelhantes `as de métodos estabilizados, embora se obtenha taxas ótimas para os três métodos em problemas regulares. Experimentos numéricos são realizados a fim de demonstrar o comportamento dos novos métodos em comparação com outros métodos encontrados na literatura

Uma metapopulação pode ser definida como uma população regional de populações locais geograficamente distintas, interconectadas por migração. Dentro deste contexto, modelos de dinâmica metapopulacional espacialmente implícitos descrevem a taxa de variação da proporção de manchas ocupadas por uma ou mais espécies por meio de um balanço entre os processos de colonização de manchas vazias e extinção de manchas ocupadas. O modelo metapopulacional de Levins prevê que mesmo na presença de habitat adequado, uma espécie pode se extinguir regionalmente, de forma determinística, se a intensidade de extinção for maior do que a intensidade de colonização. Além disso, este modelo sugere a existência de uma quantidade limiar de habitat remanescente, abaixo do qual a extinção regional determinística da espécie ocorre. Características importantes da dinâmica espacial, tais quais, efeito Allee, efeito resgate, colonização externa, qualidade da matriz, efeito anti-resgate e heterogeneidade de manchas podem ser incluídas em variantes do modelo de Levins. Uma outra extensão natural desses modelos é o agrupamento das manchas com relação ao seu estado de ocupação em modelos de metapopulações de espécies interativas, dando origem aos modelos de metacomunidades. Estudos de dinâmica de metacomunidades permitem a análise das relações entre a diversidade de espécies e a heterogeneidade ambiental no nível da paisagem, bem como as implicações de interações diretas e indiretas para a estrutura de comunidades.

Information security is being considered of great importance to the private and governamental institutions. For this reason, we opted to conduct a study of security in this dissertation. We started with an introduction to the information theory, and then we proposed a new kind of Perfect Secrecy cryptographic and finally made a study of steganography in an image sequence, in which we suggest a more aggressive steganography in coefficients of the discrete cosine transform. / A segurança da informação vem sendo considerada de grande importância para as instituições privadas e governamentais. Por este motivo, optamos em realizar um estudo sobre segurança nesta dissertação. Iniciamos com uma introdução à teoria da informação, partimos para métodos de criptografia onde propomos um novo tipo de Segredo Perfeito e finalmente fazemos um estudo de esteganografia em uma sequência de imagens, onde propomos uma esteganografia mais agressiva nos coeficientes da transformada discreta de cosseno.

Quatro novos métodos de elementos finitos destinados a resolução de problemas de reacao-difusao singularmente perturbados, e designados por método de Galerkin enriquecido (MGE), metodo estabilizado multiescala (MEMp) e (MEM-g), e método enriquecido de Petrov-Galerkin descontinuo no tempo (MEPGDT), são propostos. Os três primeiros métodos são dedicados a resolução da equação de reacao-difusao estacionaria, enquanto que o ultimo e proposto para resolver a equacao de reacao-difusao transiente. Estimativas a priori de erro ótimas nas normas naturais L2 e H1 são derivadas para os métodos MGE, MEM-p e MEM-g. Para o MEPGDT, uma estimativa a priori de erro otima na norma da energia, e fornecida. As taxas de convergência teóricas são confirmadas atraves de diversos experimentos numéricos. Os novos métodos numéricos são também validados numericamente através da resolução de problemas singularmente perturbados que demonstram a ótima performance dos novos métodos propostos. / Four new finite element methods, namely, Galerkin Enriched Method (MGE),Multiscale Stabilizad Method (MEM-p) and (MEM-g), and time-discontinuous Petrov-Galerkin Enriched Method (MEPGDT), are proposed to solve singularly perturbed reaction-difuusion problems. We dedicated the first three methods for solving stationary reaction-di_usion equation, while the latter handles the transient case. Optimal a priori error estimates in L2 and H1 norm for MGE, MEM-p and MEM-g are derived. For MEPGDT, a priori optimal error estimate in the energy norm is provided. Theoretical convergence rates are con_rmed and further investigated by numerical experiments. Also, the methods are validated through several numerical tests of singularly perturbed type, which demonstrate their good performance.

O volume crescente de textos digitalmente armazenados torna necessária a construção de ferramentas computacionais que permitam a organização e o acesso eficaz e eficiente à informação e ao conhecimento nele contidos. No campo do conhecimento da biomedicina este problema se torna extremamente relevante, pois a maior parte do conhecimento gerado é formalizada através de artigos científicos e é necessário que o acesso a estes seja o mais fácil e rápido possível. A área de pesquisa conhecida como Mineração de Textos (do inglês Text Mining), se propõe a enfrentar este problema ao procurar identificar novas informações e conhecimentos até então desconhecidos, em bases de dados textuais. Uma de suas tarefas é a descoberta de grupos de textos correlatos em base de dados textuais e esse problema é conhecido como agrupamento de textos (do inglês Text Clustering). Para este fim, a representação das bases de dados textuais comumente utilizada no agrupamento de textos é o Modelo Espaço-vetorial, no qual cada texto é representado por um vetor de características, que são as freqüências das palavras ou termos que nele ocorrem. O conjunto de vetores forma uma matriz denominada de documento-termo, que é esparsa e de alta dimensionalidade. Para atenuar os problemas decorrentes dessas características, normalmente é selecionado um subconjunto de termos, construindo-se assim uma nova matriz documento-termo com um número reduzido de dimensões que é então utilizada nos algoritmos de agrupamento. Este trabalho se desdobra em: i) introdução e implementação de dois algoritmos para seleção de termos e ii) avaliação dos algoritmos k-means, espectral e de particionamento de grafos, em cinco base de dados de textos previamente classificadas. As bases de dados são pré-processadas através de métodos descritos na literatura, produzindo-se as matrizes documento-termo. Os resultados indicam que os algoritmos de seleção propostos, para a redução das matrizes documento-termo, melhoram o desempenho dos algoritmos de agrupamento avaliados. Os algoritmos k-means e espectral têm um desempenho superior ao algoritmos de particionamento de grafos no agrupamento de bases de dados textuais, com ou sem a seleção de características. / The increasing amount of digitally stored texts makes necessary the development of computational tools to allow the access of information and knowledge in an efficient and efficacious manner. This problem is extremely relevant in biomedicine research, since most of the generated knowledge is translated into scientific articles and it is necessary to have the most easy and fast access. The research field known as Text Mining deals with the problem of identifying new information and knowledge in text databases. One of its tasks is to find in databases groups of texts that are correlated, an issue known as text clustering. To allow clustering, text databases must be transformed into the commonly used Vector Space Model, in which texts are represented by vectors composed by the frequency of occurrence of words and terms present in the databases. The set of vectors composing a matrix named document-term is usually sparse with high dimension. Normally, to attenuate the problems caused by these features, a subset of terms is selected, thus giving rise a new document-term matrix with reduced dimensions, which is then used by clustering algorithms. This work presents two algorithms for terms selection and the evaluation of clustering algorithms: k-means, spectral and graph portioning, in five pre-classified databases. The databases were pre-processed by previously described methods. The results indicate that the term selection algorithms implemented increased the performance of the clustering algorithms used and that the k-means and spectral algorithms outperformed the graph portioning.

A integração entre o citoesqueleto celular e a MEC mediada pelas integrinas gera a produção de força mecânica sobre a membrana plasmática. Isto permite às células gerar tração durante sua migração e tensão durante o remodelamento da MEC. Várias proteínas com diferentes funções já foram identificadas como ligantes das subunidades a e b das integrinas. O estudo de proteínas capazes de se ligar e interferir na sinalização via integrina, como as desintegrinas-like e cisteina-rich presentes nos venenos de serpente e proteínas conhecidas como ADAM (A Disintegrin And Metaloprotease), torna-se cada vez mais importante. Assim, o isolamento, a caracterização e a determinação da estrutura de várias desintegrinas oferecem valiosas ferramentas para o desenvolvimento de novos compostos terapêuticos para um vasto número de doenças, sendo excelentes candidatos-protótipo para o desenvolvimento de novos fármacos que interfiram nas funções celulares moduladas por proteínas de adesão. Entretanto, as formas como a integrina e a ADAM interagem ainda não foram bem esclarecidas. Neste contexto, este trabalho visa analisar em escalar molecular a estrutura da integrina alpha6beta1 e do domínio desintegrina-like das ADAMs 2 e 9 humanas, e a forma como estas proteínas interagem, aplicando metodologias de biologia computacional estrutural como modelagem e dinâmica molecular. Com o objetivo de estudar a interação destas proteínas, modelos estruturais foram construídos por homologia a partir das estruturas 3D de proteínas obtidas por cristalografia de raio-X, e realizaram-se simulações de dinâmica molecular com solvente explícito para as proteínas isoladas e em complexo. Através do estudo estrutural e funcional pelo método in silico da integrina alpha6beta1 e ADAMs 2 e 9 humanas, as análises dos resultados das simulações e da flutuação dos resíduos de contato entre as duas proteínas durante a dinâmica molecular, foram desenhados e caracterizados novos candidatos peptídicos para inibição da integrina alpha6beta1. Nas simulações da movimentação angular do domínio bA/Hybrid, visando a possível ativação da integrina alpha6beta1 através da interação com o domínio desintegrina-like de ADAM9 e ligantes peptídicos, obtivemos resultados positivos para os peptídeos A9b e A9d. Este estudo aponta para o desenvolvimento de inibidores protéicos viáveis da integrina alpha6beta1 com base nestas estruturas. Nossos resultados ainda comprovam pelas metodologias in silico a eficácia dos modelos construídos, conseguindo reproduzir o comportamento das proteínas em estudo. / The production of mechanical force on plasma membrane is mediated by integrins, connecting ECM components and cell cytoskeleton. This allows cells to generate traction during migration and tension during ECM remodeling. Integrins are membrane-spaning adhesion receptors that mediate dynamic linkages between intracellular actin cytoskeleton and the extracelullar adhesive matrix, outside-in/inside-out signaling, migration and detachment. Several proteins with diferent functions have already been identified as integrin ligands, and some important candidates as disintegrin-like and cystein-rich domains present in the snake venon metalloproteinases and ADAM (A Disintegrin and Metaloprotease) become important as they interfere in cell signaling pathways mediated by these transmembrane receptors. Thus, the isolation, characterization and structure determination of disintegrin-like domains o_er valuable tools for the development of new therapeutic compounds for a wide range of diseases. These compounds may provide new treatments for diseases such as cancer and inflammation pathologies. However, the mechanisms of ADAM-Integrin interaction have not been well clarified, yet. In this perspective, this study aims to analyze the molecular structure of the alfa6beta1 integrin and the disintegrin-like domain of human ADAM2 and ADAM9. Computational biology methods such as homology modeling and molecular dynamics were used in order to study the dynamics of the interaction of these proteins. Using in silico experimentation, detailed models of human alfa6beta1 and human ADAM 2 and 9 were obtained. Based on these models, the molecular basis of alfa6beta1-ADAMdsld interactions was assessed, and the most important structural components in ligand recognition/discrimination were identified. Using the collected structural information, we designed different small peptide based inhibitors, based on the structure of the interaction loop of human ADAM 9 disintegrin-like domain. Here proposed A9a inhibitor was testedin vitro, showing satisfactory results in blocking cell adhesion on specific substrates by alfa6beta1- laminin affnity inhibition in nanomolar concentrations. Our results also show the effcacy of the constructed models, the power of computational biology tools in new drug-design technologies, and clearly suggest that here presented alfa6beta1 inhibitors are good candidates for further development of new therapeutic agents against inflammation pathologies.

Computadores quânticos prometem resolver certos problemas assintoticamente mais rápido do que os computadores clássicos. Algoritmos quânticos, como o algoritmo de Shor, podem ser considerados casos particulares do chamado Problema do Subgrupo Oculto(PSO). O PSO consiste em encontrar um subgrupo H de um grupo G por meio de avaliações de uma função f que é constante em classes laterais de H e distinta em classes laterais diferentes. O PSO em grupos abelianos é resolvido eficientemente em um computador quântico, mas será que os computadores quânticos podem resolver o PSO em grupos não abelianos? Esta questão tem sido discutida regularmente pela comunidade científica devido a importantes aplicações, como é o caso do problema de isomorfismo de grafos e do problema do menor vetor em um reticulado. Nesta dissertação é feita uma revisão do trabalho de Ivanyos et al. (2007a), o qual apresenta uma solução para o PSO em grupos nilpotentes de classe 2. Com esta finalidade, é elaborada uma breve revisão sobre a Computação Quântica; são mostradas algumas características dos grupos nilpotentes e dos grupos solúveis, dando uma atenção especial aos grupos nilpotentes de classe 2; é exposto o método padrão de solução do PSO em grupos abelianos; também são exibidas as principais características de sequencias policıclicas e reduçõesde grupos nilpotentes usando as propriedades de sequencias policıclicas / Quantum computers may solve certain problems asymptotically faster than the classical computers. Quantum algorithms, such as Shors algorithm, may be considered as a particular case of the Hidden Subgroup Problem (HSP). The HSP consists in finding a subgroup H of a group G by evaluating a function f, which is constant in cosets of H and distinct for each coset. The HSP for Abelian groups is efficiently solved in a quantum computer, but is quantum computers can solve the HSP in non-Abelian groups efficiently? This question has been regularly discussed by the scientific community due to the importance of some applications, such as the graph isomorphism problem and the short vector in a lattice. In this dissertation we review the Ivanyos et al. (2007a) that address HSP in nilpotent groups of class 2. We make a brief review on Quantum Computing; we address some characteristics of nilpotent groups and solvable groups, with special attention to nilpotent groups of class 2; we discuss the standard method of solution of the HSP in Abelian groups; we present the main characteristics of the polycyclic sequences and important reductions of the HSP in classes of nilpotent groups using the properties of polycyclic sequences. Finally, we present an efficient algorithm to solve the HSP in nilpotent groups of class 2.

Com o advento das tecnologias que propiciaram os seqüenciamentos e as análises de genomas completos em tempo relativamente curto, muitos dados sobre vias metabólicas de procariotos e eucariotos puderam ser gerados. Análises comparativas de vias metabólicas de diferentes genomas podem auxiliar no entendimento das relações organizacionais dentre e fora das espécies. Com base em tais perspectivas, este trabalho tem como finalidade implementar um sistema que permita comparar, através de diferentes critérios, vias metabólicas de bactérias. O sistema SAMPA (System for comparative Analysis of Metabolic PAthways) é composto por um banco de dados, com informações sobre vias metabólicas de diversos organismos, e um conjunto de 5 ferramentas utilizadas para comparar estas vias metabólicas e agrupar os organismos que possuam vias metabólicas relacionadas. Como estudo de caso para teste da ferramenta, foi utilizada a família Mycoplasmataceae. / The advent of genome sequencing technology and complete genome analysis has provided new data on prokaryote and eukaryote metabolic pathways. The comparative analysis of metabolic pathways from different organisms can help us understand inter and intra species organizational relationships. Having this in mind, this work focused on building a system that allows for comparing the bacterial metabolic pathways, according to a set of pre-established criteria. SAMPA (System for comparative Analysis of Metabolic PAthways) comprises a database containing information on metabolic pathways in many organisms, and a set of five tools that can be used to compare these metabolic pathways and to group organisms carrying metabolic pathways that are related. As a case study to validate the tool, we the Mycoplasmataceae family of organisms was used.