Vários problemas do mundo real podem ser analisados como problemas de otimização. Na bioinformática, em especial, como exemplos podem ser citados o alinhamento múltiplo de sequências, a filogenia, a predição de estruturas de proteínas e RNA, entre outros. As Meta-heurísticas Populacionais (MhP) são técnicas baseadas em interações de conjuntos de soluções candidatas, como elementos de uma população, utilizadas na otimização de funções. Seu uso é especialmente interessante na otimização de problemas onde há conhecimento parcial ou nenhum do espaço de busca. O objetivo deste trabalho é investigar o uso de auto-organização da população de um sistema imunológico artificial (AIS) a fim de aplicá-lo no problema de docking, que pode ser visto como um problema de otimização multimodal complexo. O AIS é um tipo de MhP inspirado na microevolução do sistema imunológico adaptativo de organismos complexos. Neste, as soluções candidatas representam células do sistema imunológico que busca se adaptar para a eliminação de um patógeno. O desenvolvimento do algoritmo foi baseado no opt-aiNet, que utiliza dos princípios das teorias de seleção clonal e maturação de afinidade para realizar a otimização de funções. Adicionalmente, o opt-aiNet, inspirado na teoria de redes imunológicas, realiza uma etapa de supressão, que busca eliminar soluções semelhantes, aumentando assim a diversidade populacional. Esta etapa é computacionalmente custosa, dado que é feito o cálculo da distância entre todos os possíveis pares de células (soluções) afim de eliminar aquelas próximas de acordo com um dado critério. A proposta deste trabalho é o desenvolvimento de um algoritmo de supressão auto-organizável, inspirado no fenômeno da criticalidade auto-organizada, buscando diminuir a influência da seleção de parâmetros e a complexidade da etapa de supressão. O algoritmo proposto foi testado em um conjunto de funções contínuas conhecidas e comumente utilizadas pela comunidade de computação evolutiva. Os resultados obtidos foram comparados com aqueles de uma implementação do opt-aiNet. Em adição, foi proposta a utilização de operadores de mutação com distribuição q-gaussiana nos AISs desenvolvidos. O algoritmo foi também aplicado no problema de docking rígido baseado em complementaridade de superfícies e minimização de colisões, especificamente no docking de proteínas. Os resultados foram comparados com aqueles de um algoritmo genético, resultando em um melhor desempenho obtido pelo algoritmo proposto. / Many real world problems can be described as optimization problems. In bioinformatics in special, there is multiple sequence alignment, filogeny and RNA and Protein structure prediction, among others. Population based metaheuristics are techniques based in the interaction of a set of candidate solutions as elements of a population. Its use is specially interesting in optimization problems where there is little or no knowledge of the search space. The objective of this work is to study the use of self-organization of population in an artificial imune system for use in the docking problem, considered a complex multimodal optimization problem. The artificial imunme system is a type of population based methaheuristics inspired in the microevolution of the adaptive immune system of complex organisms. Candidate solutions represent cells of the immune system adapting its antibodies to eliminate a pathogen. The development of the algorithm was based in the opt-aiNet, based in the principles of clonal selection and affinity maturation for function optimization. Additionally, the opt-aiNet, inspired in theories of immune network, makes a suppression stage to eliminate similiar solutions and control diversity. This stage is computationally expensive as it calculates the distance between every possible pair of cells (solutions) eliminating those closer than a threshold. This work proposes a self-organized suppression algorithm inspired in the self-organized criticality, looking to minimize the influence of parameter selection and complexity of the suppression stage in opt-aiNet. The proposed algorithm was tested in a set of well-known functions in the evolutionary computation community. The results were compared to those of an implementation of the opt-aiNet. In addition, we proposed a mutation operator with q-Gaussian distribution for the artificial immune systems. The algorithm was then applied in the rigid protein docking problem based in surface complementarity and colision avoidance. The results were compared with a genetic algorithm and achieved a better performance.

Neste trabalho estudamos o modelo Olami-Feder-Christensen (OFC). Fortes correlações espaciais e temporais dificultam a obtenção de resultados analíticos para este modelo. Assim, nossas investigações foram realizadas através de simulações computacionais. A fim de identificar o regime estacionário de forma eficiente e econômica desenvolvemos algumas estatrégias. Também percebemos que a escolha adequada da configuração inicial pode antecipar ou retardar o início do regime estacionário. Por fim, a criticalidade do modelo foi estudada através de uma abordagem totalmente nova. Em vez de tentarmos identificar o comportamento crítico do sistema por meio da distribuição de avalanches, definimos uma grandeza , que em um processo ramificado simples seria a taxa de ramificação do sistema. Analisando o comportamento dessa variável em um espaço de fases verificamos que o modelo OFC e sua versão aleatória (que de antemão sabemos que só apresenta criticalidade no regime conservativo) tem um comportamento bastante similar. Obtivemos, ao contrário do que se acreditava, fortes evidências de que o modelo OFC apenas exibe criticalidade no regime conservativo. / We have investigated the Olami-Feder-Christensen model. The model presents strong temporal and spatial correlations what makes it very difficult to perform analytical calculations. So our treatment was numerical. We developed strategies to identify the regime with high level of accuracy. We noticed that depending on the initial configurations, the statistical stationary state can be reached faster. Finally we have investigated the criticality of the model through new strategy. Instead of looking for powers laws, we defined a quantity , very similar to the branching ratio in a simple branching process. We were able to show the behavior of the Olami-Feder-Christensen and the random version of this model are similar. We got strong numerical evidences that, in opposition to previous results, the Olami-Fedel-Christensen model is critical only in the conservative regime.

Neste trabalho estudamos o modelo Olami-Feder-Christensen (OFC). Fortes correlações espaciais e temporais dificultam a obtenção de resultados analíticos para este modelo. Assim, nossas investigações foram realizadas através de simulações computacionais. A fim de identificar o regime estacionário de forma eficiente e econômica desenvolvemos algumas estatrégias. Também percebemos que a escolha adequada da configuração inicial pode antecipar ou retardar o início do regime estacionário. Por fim, a criticalidade do modelo foi estudada através de uma abordagem totalmente nova. Em vez de tentarmos identificar o comportamento crítico do sistema por meio da distribuição de avalanches, definimos uma grandeza , que em um processo ramificado simples seria a taxa de ramificação do sistema. Analisando o comportamento dessa variável em um espaço de fases verificamos que o modelo OFC e sua versão aleatória (que de antemão sabemos que só apresenta criticalidade no regime conservativo) tem um comportamento bastante similar. Obtivemos, ao contrário do que se acreditava, fortes evidências de que o modelo OFC apenas exibe criticalidade no regime conservativo. / We have investigated the Olami-Feder-Christensen model. The model presents strong temporal and spatial correlations what makes it very difficult to perform analytical calculations. So our treatment was numerical. We developed strategies to identify the regime with high level of accuracy. We noticed that depending on the initial configurations, the statistical stationary state can be reached faster. Finally we have investigated the criticality of the model through new strategy. Instead of looking for powers laws, we defined a quantity , very similar to the branching ratio in a simple branching process. We were able to show the behavior of the Olami-Feder-Christensen and the random version of this model are similar. We got strong numerical evidences that, in opposition to previous results, the Olami-Fedel-Christensen model is critical only in the conservative regime.

Orientadores: José Antônio Brum, Marcus Aloizio Martinez de Aguiar / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-26T08:49:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 PinheiroNeto_Joao_M.pdf: 16027257 bytes, checksum: ff0a08fdba027bd6f2bc28198e34d482 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Nesta dissertação de mestrado estudamos a dinâmica e estrutura de redes complexas. Começamos com uma revisão da literatura de redes complexas, apresentando as métricas de rede e modelos de conectividade mais comuns. Estudamos então em detalhe a dinâmica do modelo das Random Threshold Networks (RTN). Desenvolvemos uma nova aproximação de campo médio para a dinâmica de RTNs, consideravelmente mais simples que aproximações anteriores. Esta nova aproximação é útil de um ponto de vista prático, pois permite a geração de RTNs onde a atividade média da rede é controlável. Fazemos então uma revisão da literatura de redes adaptativas, apresentando alguns modelos de redes adaptativas com características interessantes. Por fim, desenvolvemos dois modelos de redes adaptativas inspirados pela evolução da estrutura neuronal no cérebro. O primeiro modelo utiliza regras simples e uma evolução baseada na remoção de links para controlar a atividade sobre a rede. A inspiração é a remoção de neurônios e conexões neuronais após a infância. Este modelo também consegue controlar a atividade de grupos individuais dentro de uma mesma rede. Exploramos uma variante deste modelo em um espaço bidimensional, onde conseguimos gerar redes modulares e small-world. O segundo modelo utiliza inputs externos para controlar a evolução da topologia da rede. A inspiração neste caso é o desenvolvimento das conexões neuronais durante a infância, que é influenciado por interações com o ambiente. O modelo gera avalanches finitas de atividade, e é capaz de gerar topologias especificas e modulares utilizando regras simples / Abstract: In this Masters Dissertation we study the structure and dynamics of complex networks. We start with a revision of the literature of complex networks, presenting the most common network metrics and models of network connectivity. We then study in detail the dynamics of the Random Threshold Network (RTN) model. We develop a new mean-field approximation for the RTN dynamics that is considerably more simple than previous results. This new approximation is useful from a practical standpoint, since it allows the generation of RTNs where the average activity of the network is controlled. We then review the literature of Adaptive Networks, explaining some of the adaptive models with interesting characteristics. At last, we develop two models of adaptive networks inspired by the evolution of neuronal structure in the brain. The first model uses simple rules and a link-removing evolution to control the activity on the network. The inspiration is the removal of neurons and neuronal connections after infancy. This model can also control the activity of individual groups within the same network. We explore a variant of this model in a bi-dimensional space, where we are able to generate modular and small-world networks. The second model uses external inputs to control the topological evolution of the network. The inspiration in this case is the development of neuronal connections during the infancy, which is influenced by interactions with the environment. The model generates finite avalanches of activity, and is capable of generating specific and modular topologies using simple rules / Mestrado / Física / Mestre em Física

As teorias científicas surgiram da necessidade do homem entender o funcionamento das coisas. Novos métodos e técnicas são então criados com o objetivo não só de melhor compreender, mas também de desenvolver essas próprias teorias. Nesta dissertação, vamos estudar várias dessas técnicas (aqui chamadas de algoritmos) com o objetivo de obter estados fundamentais em sistemas de spin e de revelar suas possíveis propriedades de auto-organização crítica. No segundo capítulo desta dissertação, apresentamos os algoritmos de otimização: simulated annealing, algoritmo genético, otimização extrema (EO) e evolutivo de Bak-Sneppen (BS). No terceiro capítulo apresentamos o conceito de criticalidade auto-organizada (SOC), usando como exemplo o modelo da pilha de areia. Para uma melhor compreensão da importância da criticalidade auto-organizada, apresentamos vários outros exemplos de onde o fenômeno é observado. No quarto capítulo apresentamos o modelo de relógio quiral de p-estados que será nosso sistema de testes. No caso unidimensional, determinamos a matriz de transferência e utilizamos o teorema de Perron-Frobenius para provar a inexistência de transição de fase a temperaturas finitas a temperaturas finitas. Esboçamos os diagramas de fases dos estados fundamentais que obtivemos de maneira analítica e numérica para os casos de p = 2, 3, 4, 5 e 6, no caso numérico fazendo uso do algoritmo de Bak-Sneppen com sorteio (BSS). Apresentamos ainda um breve estudo do número de mínimos locais para o modelo de relógio quiral de p-estados, para os casos de p = 3 e 4. Por último, no quinto capítulo, propomos uma dinâmica Bak-Sneppen com ruído (BSR) como uma nova técnica de otimização para tratar sistemas discretos. O ruído é introduzido diretamente no espaço de configuração de spins. Conseqüentemente, o fitness (adaptabilidade) passa a assumir valores contínuos, num pequeno intervalo em torno do seu valor original (discreto). Os resultados dessa dinâmica indicam a presença de criticalidade auto-organizada, evidenciada pelo decaimento em leis de potências das correlações espacial e temporal. Também estudamos o método EO e obtivemos uma confirmação numérica de que sua dinâmica exibe um comportamento não crítico com alcance espacial infinito e decaimento exponencial das avalanches. Finalmente, para o modelo de relógio quiral, comparamos a eficiência das três dinâmicas (EO, BSS e BSR) no que tange às suas habilidades de encontrar o estado fundamental do sistema. / In order to understand how things work, man has formulated scientific theories. New methods and techniques have been created not only to increase our understanding on the subject but also to develop and even expand those theories. In this thesis, we study several techniques (here called algorithms) designed with the objective to get the ground states of some spin systems and eventually to reveal possible properties of critical self-organization. In the second chapter, we introduce four fundamental optimization algorithms: simulated annealing, genetics algorithms, extremal optimization (EO) and Bak-Sneppen (BS). In the third chapter we present the concept of self-organized criticality (SOC), using as an example the sandpile model. To understand the importance of the self-organized criticality, we show many other situations where the phenomenon can be observed. In the fourth chapter, we introduce the p-states chiral clock model. This will be our test or toy system. For the one-dimensional case, we first determined the corresponding transfer-matrix and then proved the nonexistence of phase transitions by using the Perron-Frobenius theorem. We calculate the ground state phase diagrams both analytically and numerically in the cases of p = 2, 3, 4, 5 and 6. We also present a brief study of the number of local minima for the cases p = 3 and 4 of the chiral clock model. Finally, in the fifth chapter, we propose a Bak-Sneppen dynamics with noise (BSN) as a new technique of optimization to treat discrete systems. The noise is directly introduced into the spin configuration space. Consequently, the fitness now take values in a continuum but small interval around its original value (discrete). The results of this dynamics indicate the presence of self-organized criticality, which becomes evident with the power law scaling of the spacial and temporal correlations. We also study the EO algorithm and found a numerical con_rmation that it does not show a critical behavior since it has an in_nite space range and an exponential decay of the avalanches. At the end, we compare the e_ciency of the three dynamics (EO, BSD and BSN) for the chiral clock model, concerning their abilities to _nd the system\'s ground state.

As teorias científicas surgiram da necessidade do homem entender o funcionamento das coisas. Novos métodos e técnicas são então criados com o objetivo não só de melhor compreender, mas também de desenvolver essas próprias teorias. Nesta dissertação, vamos estudar várias dessas técnicas (aqui chamadas de algoritmos) com o objetivo de obter estados fundamentais em sistemas de spin e de revelar suas possíveis propriedades de auto-organização crítica. No segundo capítulo desta dissertação, apresentamos os algoritmos de otimização: simulated annealing, algoritmo genético, otimização extrema (EO) e evolutivo de Bak-Sneppen (BS). No terceiro capítulo apresentamos o conceito de criticalidade auto-organizada (SOC), usando como exemplo o modelo da pilha de areia. Para uma melhor compreensão da importância da criticalidade auto-organizada, apresentamos vários outros exemplos de onde o fenômeno é observado. No quarto capítulo apresentamos o modelo de relógio quiral de p-estados que será nosso sistema de testes. No caso unidimensional, determinamos a matriz de transferência e utilizamos o teorema de Perron-Frobenius para provar a inexistência de transição de fase a temperaturas finitas a temperaturas finitas. Esboçamos os diagramas de fases dos estados fundamentais que obtivemos de maneira analítica e numérica para os casos de p = 2, 3, 4, 5 e 6, no caso numérico fazendo uso do algoritmo de Bak-Sneppen com sorteio (BSS). Apresentamos ainda um breve estudo do número de mínimos locais para o modelo de relógio quiral de p-estados, para os casos de p = 3 e 4. Por último, no quinto capítulo, propomos uma dinâmica Bak-Sneppen com ruído (BSR) como uma nova técnica de otimização para tratar sistemas discretos. O ruído é introduzido diretamente no espaço de configuração de spins. Conseqüentemente, o fitness (adaptabilidade) passa a assumir valores contínuos, num pequeno intervalo em torno do seu valor original (discreto). Os resultados dessa dinâmica indicam a presença de criticalidade auto-organizada, evidenciada pelo decaimento em leis de potências das correlações espacial e temporal. Também estudamos o método EO e obtivemos uma confirmação numérica de que sua dinâmica exibe um comportamento não crítico com alcance espacial infinito e decaimento exponencial das avalanches. Finalmente, para o modelo de relógio quiral, comparamos a eficiência das três dinâmicas (EO, BSS e BSR) no que tange às suas habilidades de encontrar o estado fundamental do sistema. / In order to understand how things work, man has formulated scientific theories. New methods and techniques have been created not only to increase our understanding on the subject but also to develop and even expand those theories. In this thesis, we study several techniques (here called algorithms) designed with the objective to get the ground states of some spin systems and eventually to reveal possible properties of critical self-organization. In the second chapter, we introduce four fundamental optimization algorithms: simulated annealing, genetics algorithms, extremal optimization (EO) and Bak-Sneppen (BS). In the third chapter we present the concept of self-organized criticality (SOC), using as an example the sandpile model. To understand the importance of the self-organized criticality, we show many other situations where the phenomenon can be observed. In the fourth chapter, we introduce the p-states chiral clock model. This will be our test or toy system. For the one-dimensional case, we first determined the corresponding transfer-matrix and then proved the nonexistence of phase transitions by using the Perron-Frobenius theorem. We calculate the ground state phase diagrams both analytically and numerically in the cases of p = 2, 3, 4, 5 and 6. We also present a brief study of the number of local minima for the cases p = 3 and 4 of the chiral clock model. Finally, in the fifth chapter, we propose a Bak-Sneppen dynamics with noise (BSN) as a new technique of optimization to treat discrete systems. The noise is directly introduced into the spin configuration space. Consequently, the fitness now take values in a continuum but small interval around its original value (discrete). The results of this dynamics indicate the presence of self-organized criticality, which becomes evident with the power law scaling of the spacial and temporal correlations. We also study the EO algorithm and found a numerical con_rmation that it does not show a critical behavior since it has an in_nite space range and an exponential decay of the avalanches. At the end, we compare the e_ciency of the three dynamics (EO, BSD and BSN) for the chiral clock model, concerning their abilities to _nd the system\'s ground state.

[pt] Esta tese busca utilizar os novos conceitos físicos relacionados à física do estado sólido e à mecânica estatística - teoria do caos e geometria fractal - na análise do comportamento de sistemas dinâmicos não-lineares. Mais pormenorizadamente, trata-se de estudar o comportamento de um modelo numérico elasto-plástico com função de escoamento de Mohr-Coulomb, usualmente empregado em simulações de materiais geológicos - cimentados ou não -, quando submetido a carregamentos externos, situação esta geralmente encontrada em problemas afeitos à mecânica dos solos e das rochas (p/ex., estabilidade de taludes e escavações subterrâneas). Mostra-se que tal modelo geomecânico de muitos corpos (many-body) interagentes é conduzido espontaneamente, ao longo de sua evolução temporal, à chamada criticalidade auto-organizada (self- organized criticality - SOC), estado caracterizado por apresentar evolução na fronteira entre ordem e caos, sensibilidade extrema a qualquer pequena perturbação, e desenvolvimento de interações espaço-temporais de longo alcance. Como a evolução de qualquer sistema dinâmico pode ser vista como um fluxo ininterrupto de informações entre suas partes constituintes, avaliou-se, para tal sistema, a entropia de Tsallis, formulação original proposta pelo físico brasileiro Constantino Tsallis, do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), tendo se mostrado adequada à sua descrição. Em especial, determinou-se para tal sistema, pela primeira vez, o valor do índice entrópico, que parametriza a aludida forma entrópica alternativa. Ademais, como é característico de sistemas fora do equilíbrio regidos por uma dinâmica de limiar, mostra-se que tal sistema geomecânico, durante o seu desenvolvimento, teve a sua simetria translacional inicial quebrada, sendo substituída pela simetria por escala, auto-semelhante (i.é., fractal). Em decorrência, o modelo exibe a chamada invariância discreta de escala (discrete scale invariance - DSI), fruto do processo mesmo de ruptura progressiva do material heterogêneo. Especificamente, as simulações numéricas sugeriram que o processo de ruptura progressiva do material elasto-plástico se dá por uma transferência multiplicativa de tensões, em diferentes escalas de observação hierarquicamente dispostas, acarretando o aparecimento de sinais bastante peculiares, caracterizados por desvios oscilatórios sistemáticos do padrão em lei de potência, o que possibilita a previsão de sua ruína, quando ainda em fase preparatória. Assim, esta pesquisa mostrou a eficiência de tal método de previsão, aplicado, pela primeira vez, não somente aos resultados das simulações numéricas do referido modelo geomecânico, como aos ensaios de laboratório em rochas sedimentares, realizados no Centro de Pesquisas da Petrobrás (CENPES). Por fim, é interessante assinalar que o material elasto-plástico investigado neste trabalho teve seu comportamento compartilhado por um modelo matemático bastante simples, fundamentado na função binomial multifractal, reconhecida por descrever processos multiplicativos em diferentes escalas. / [en] This thesis aims at applying new concepts from solid state physics and statistical mechanics - chaos theory and fractal geometry - to the study of nonlinear dynamic systems. More precisely, it deals with a two-dimensional continuum elastoplastic Mohr-Coulomb model, commonly used to simulate pressure-sensitive materials (e.g., soils, rocks and concrete) subjected to stress-strain fields, normally found in general soil or rock mechanics problems (e.g., slope stability and underground excavations). It is shown that such many-body system is spontaneously driven to a state at the edge of chaos, called self- organized criticality (SOC), capable of developing long- range interactions in space and long-range memory in time. A new entropic form proposed by C. Tsallis is presented and shown that it is the suitable theoretical framework to deal with these problems. Furthermore, the index q of the Tsallis entropy, which measures the degree of non- additivity of the system, is calculated, for the first time, for an elastoplastic model. In addition, as is usual in non-equilibrium systems with threshold dynamics, the model changes its symmetry, from translational to fractal (that is, self-similar), leading to what is called discrete scale invariance. It is shown that this special type of scale invariance, characterized by systematic oscillatory deviations from the fundamental power-law behavior, can be used to predict the failure of heterogeneous materials, while the process is still being build-up, i.e., from precursory signals, typical of progressive failure processes. Specifically, this framework was applied, for the first time, not only to the elastoplastic geomechanical model, but to laboratory tests in sedimentary rocks as well. Finally, it is interesting to realize that the above- mentioned behaviors are also displayed by the binomial multifractal function, known to adequately describe multiplicative cascading processes.

Made available in DSpace on 2015-03-03T15:16:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 EdemersonSBM.pdf: 812078 bytes, checksum: 167690407a20b9462083f00be2b0a159 (MD5) Previous issue date: 2007-12-28 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient?fico e Tecnol?gico / In this work, the study of some complex systems is done with use of two distinct procedures. In the first part, we have studied the usage of Wavelet transform on analysis and characterization of (multi)fractal time series. We have test the reliability of Wavelet Transform Modulus Maxima method (WTMM) in respect to the multifractal formalism, trough the calculation of the singularity spectrum of time series whose fractality is well known a priori. Next, we have use the Wavelet Transform Modulus Maxima method to study the fractality of lungs crackles sounds, a biological time series. Since the crackles sounds are due to the opening of a pulmonary airway bronchi, bronchioles and alveoli which was initially closed, we can get information on the phenomenon of the airway opening cascade of the whole lung. Once this phenomenon is associated with the pulmonar tree architecture, which displays fractal geometry, the analysis and fractal characterization of this noise may provide us with important parameters for comparison between healthy lungs and those affected by disorders that affect the geometry of the tree lung, such as the obstructive and parenchymal degenerative diseases, which occurs, for example, in pulmonary emphysema. In the second part, we study a site percolation model for square lattices, where the percolating cluster grows governed by a control rule, corresponding to a method of automatic search. In this model of percolation, which have characteristics of self-organized criticality, the method does not use the automated search on Leaths algorithm. It uses the following control rule: pt+1 = pt + k(Rc ? Rt), where p is the probability of percolation, k is a kinetic parameter where 0 < k < 1 and R is the fraction of percolating finite square lattices with side L, LxL. This rule provides a time series corresponding to the dynamical evolution of the system, in particular the likelihood of percolation p. We proceed an analysis of scaling of the signal obtained in this way. The model used here enables the study of the automatic search method used for site percolation in square lattices, evaluating the dynamics of their parameters when the system goes to the critical point. It shows that the scaling of , the time elapsed until the system reaches the critical point, and tcor, the time required for the system loses its correlations, are both inversely proportional to k, the kinetic parameter of the control rule. We verify yet that the system has two different time scales after: one in which the system shows noise of type 1 f , indicating to be strongly correlated. Another in which it shows white noise, indicating that the correlation is lost. For large intervals of time the dynamics of the system shows ergodicity / Neste trabalho, o estudo de alguns sistemas complexos ? feito com a utiliza??o de dois procedimentos distintos. Na primeira parte, estudamos a utiliza??o da transformada Wavelet na an?lise e caracteriza??o (multi)fractal de s?ries temporais. Testamos a confiabilidade do M?todo do M?ximo do M?dulo da Transformada Wavelet (MMTW) com rela??o ao formalismo multifractal, por meio da obten??o do espectro de singularidade de s?ries temporais cuja fractalidade ? bem conhecida a priori. A seguir, usamos o m?todo do m?ximo do m?dulo da transformada wavelet para estudar a fractalidade dos ru?dos de crepita??o pulmonar, uma s?rie temporal biol?gica. Uma vez que a crepita??o pulmonar se d? no momento da abertura de uma via a?rea ? br?nquios, bronqu?olos e alv?olos ? que estava inicialmente fechada, podemos obter informa??es sobre o fen?meno de abertura em cascata das vias a?reas de todo o pulm?o. Como este fen?meno est? associado ? arquitetura da ?rvore pulmonar, a qual apresenta geometria fractal, a an?lise e caracteriza??o da fractalidade desse ru?do pode nos fornecer importantes par?metros de compara??o entre pulm?es sadios e aqueles acometidos por patologias que alteram a geometria da ?rvore pulmonar, tais como as doen?as obstrutivas e as de degenera??o parenquimatosa, que ocorre, por exemplo, no enfisema pulmonar. Na segunda parte, estudamos um modelo de percola??o por s?tios em rede quadrada, onde o aglomerado de percola??o cresce governado por uma regra de controle, correspondendo a um m?todo de busca autom?tica. Neste modelo de percola??o, que apresenta caracter?sticas de criticalidade auto-organizada, o m?todo de busca autom?tica n?o usa o algoritmo de Leath. Usa-se a seguinte regra de controle: pt+1 = pt +k(Rc ?Rt), onde p ? a probabilidade de percola??o, k ? um par?metro cin?tico onde 0 < k < 1 e R ? a fra??o de redes quadradas finitas de lado L, LxL, percolantes. Esta regra fornece uma s?rie temporal correspondente ? evolu??o din?mica do sistema, em especial da probabilidade de percola??o p. ? feita uma an?lise de escalas do sinal assim obtido. O modelo aqui utilizado permite que o m?todo de busca autom?tica para a percola??o por s?tios em rede quadrada seja, per si, estudado, avaliando-se a din?mica dos seus par?metros quando o sistema se aproxima do ponto cr?tico. Verifica-se que os escalonamentos de ?, o tempo decorrido at? que o sistema chegue ao ponto cr?tico, e de tcor, o tempo necess?rio para que o sistema perca suas correla??es, s?o, ambos, inversamente proporcionais a k, o par?metro cin?tico da regra de controle. Verifica-se ainda que o sistema apresenta duas escalas temporais distintas depois de ? : uma em que o sistema mostra ru?do do tipo 1 f? , indicando ser fortemente correlacionado; outra em que aparece um ru?do branco, indicando que se perdeu a correla??o. Para grandes intervalos de tempo a din?mica do sistema mostra que ele se comporta como um sistema erg?dico

Orientador: Marcus Aloizio Martinez de Aguiar / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-17T01:49:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Araujo_SabrinaBorgesLino_D.pdf: 18627531 bytes, checksum: aed18ab505ee489e8cde08b6d2850bba (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Neste trabalho estudamos a dinâmica espaço-temporal de cadeias alimentares compostas por duas e três espécies. Utilizamos uma modelagem baseada nos indivíduos, que consiste em tratar cada membro da população de forma explícita. Um dos ingredientes do modelo é a possibilidade de restringir a área de forrageio dos predadores à uma região circular, de raio R, em torno da sua residência. O tamanho desta região é tratado como uma característica adaptativa, sujeita à pequenas variações aleatórias ao longo das gerações. Observamos que existe um raio de predação ótimo R', para o qual os predadores evoluem. Desenvolvemos cálculos analíticos utilizando aproximações de Campo Médio com correlações de pares e verificamos que a estratégia de predação é um mecanismo crucial para a ocorrência do raio ótimo. Observamos também que a distribuição da abundância de indivíduos por região espacial pode exibir um comportamento invariante de escala, indicando que o sistema é criticamente auto-organizado, e que a ocorrência de surtos populacionais locais é uma característica intrínseca do sistema / Abstract: In this work we study the spatial dynamics of two and three species food chains. We use an individual based model, which treats each member of the population explicitly. One of the model ingredients is the possibility to control the size of the predators foraging area, defined as a circular neighborhood, of radius R, around their home position. This home range size is treated as an adaptive, subject to small random variations along generations. We find that the predators evolve to a optimum predation radius R'. We develop analytical approximations using mean field and pair correlation techniques that indicate that the predation strategy is crucial for existence of this optimum radius. We also find that the population abundance distributions display a scale invariant power law tail, indicating self-organized criticality and that the occurrence of local outbreaks is an intrinsic characteristic of the system / Doutorado / Ciências Exatas e da Terra / Doutora em Ciências

Modelos e teorias científicas surgem da necessidade do homem entender melhor o funcionamento do mundo em que vive. Constantemente, novos modelos e técnicas são criados com esse objetivo. Uma dessas teorias recentemente desenvolvida é a da Criticalidade Auto-Organizada. No Capítulo 2 desta tese, apresentamos uma breve introdução a Criticalidade Auto-Organizada. Tendo a criticalidade auto-organizada como pano de fundo, no Capítulo 3, estudamos a dinâmica Bak-Sneppen (e diversas variantes) e a comparamos com alguns algoritmos de otimização. Apresentamos no Capítulo 4, uma revisão histórica e conceitual das redes complexas. Revisamos alguns importantes modelos tais como: Erdös-Rényi, Watts-Strogatz, de configuração e Barabási-Albert. No Capítulo 5, estudamos o modelo Barabási-Albert não-linear. Para este modelo, obtivemos uma expressão analítica para a distribuição de conectividades P(k), válida para amplo espectro do espaço de parâmetros. Propusemos também uma forma analítica para o coeficiente de agrupamento, que foi corroborada por nossas simulações numéricas. Verificamos que a rede Barabási-Albert não-linear pode ser assortativa ou desassortativa e que, somente no caso da rede Barabási-Albert linear, ela é não assortativa. No Capítulo 6, utilizando dados coletados do CD-ROM da revista Placar, construímos uma rede bastante peculiar -- a rede do futebol brasileiro. Primeiramente analisamos a rede bipartida formada por jogadores e clubes. Verificamos que a probabilidade de que um jogador tenha participado de M partidas decai exponencialmente com M, ao passo que a probabilidade de que um jogador tenha marcado G gols segue uma lei de potência. A partir da rede bipartida, construímos a rede unipartida de jogadores, que batizamos de rede de jogadores do futebol brasileiro. Nessa rede, determinamos várias grandezas: o comprimento médio do menor caminho e os coeficientes de agrupamento e de assortatividade. A rede de jogadores de futebol brasileiro nos permitiu analisar a evolução temporal dessas grandezas, uma oportunidade rara em se tratando de redes reais. / Models and scientific theories arise from the necessity of the human being to better understand how the world works. Driven by this purpose new models and techniques have been created. For instance, one of these theories recently developed is the Self-Organized Criticality, which is shortly introduced in the Chapter 2 of this thesis. In the framework of the Self-Organized Criticality theory, we investigate the standard Bak-Sneppen dynamics as well some variants of it and compare them with optimization algorithms (Chapter 3). We present a historical and conceptual review of complex networks in the Chapter 4. Some important models like: Erdös-Rényi, Watts-Strogatz, configuration model and Barabási-Albert are revised. In the Chapter 5, we analyze the nonlinear Barabási-Albert model. For this model, we got an analytical expression for the connectivity distribution P(k), which is valid for a wide range of the space parameters. We also proposed an exact analytical expression for the clustering coefficient which corroborates very well with our numerical simulations. The nonlinear Barabási-Albert network can be assortative or disassortative and only in the particular case of the linear Barabási-Albert model, the network is no assortative. In the Chapter 6, we used collected data from a CD-ROM released by the magazine Placar and constructed a very peculiar network -- the Brazilian soccer network. First, we analyzed the bipartite network formed by players and clubs. We find out that the probability of a footballer has played M matches decays exponentially with M, whereas the probability of a footballer to score G gols follows a power-law. From the bipartite network, we built the unipartite Brazilian soccer players network. For this network, we determined several important quantities: the average shortest path length, the clustering coefficient and the assortative coefficient. We were also able to analise the time evolution of these quantities -- which represents a very rare opportunity in the study of real networks.