Made available in DSpace on 2014-06-12T22:57:42Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo4227_1.pdf: 2723098 bytes, checksum: 68e0876f248f1d157273b875daa5be25 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2009 / Grandezas equivalentes e independentes são introduzidas no contexto de ligações químicas, espectroscopia fotoeletrônica e vibrações moleculares. Em especial, orbitais (híbridos) de valência são tais grandezas e sua utilização na descrição das ligações químicas e estrutura das moléculas é muito ampla. Por exemplo, as interações entre os orbitais atômicos híbridos sp3 do átomo carbono com quatro orbitais atômicos 1s dos átomos hidrogênio descrevem muito bem as propriedades do metano; a saber, as ligações equivalentes C H, no metano, apontam para os vértices de um tetraedro. No entanto, esta descrição é insuficiente para descrever o espectro fotoeletrônico do CH4, que apresenta dois picos na região de valência, e não apenas um como seria previsto por quatro ligações C H equivalentes e independentes. Estas discrepâncias não se restringem aos tratamentos quânticos. Na verdade, moléculas simétricas (água, amônia, metano, etc.) apresentam ligações equivalentes que podem ser representadas pelos osciladores equivalentes ao descrever os movimentos vibracionais clássicos. Os dois osciladores equivalentes predizem um pico (duplamente degenerado), por exemplo, no espectro vibracional da água, relacionados com o estiramento O H. Isto está também em contradição com a observação experimental e é devido ao fato de que os osciladores O H equivalentes não são independentes. Do mesmo modo, as ligações equivalentes C H do metano também interagem entre si. Os problemas causados pela utilização desses dois conceitos: equivalentes e independentes são resolvidos, permitindo que as ligações equivalentes ou os osciladores equivalentes interajam, através da teoria de perturbação para estados degenerados. Esse tratamento fornece explicações qualitativas simples para as características observadas nos espectros (fotoeletrônico e vibracional) de várias moléculas. Além disso, um modelo semi-quantitativo para descrever os espectros fotoeletrônicos é obtido usando-se as interações entre os pares de elétrons responsáveis pelas ligações químicas. Como resultado, obteve-se conexões entre as teorias de ligação de valência e do orbital molecular, bem como uma aplicação quantitativa da Teoria da Repulsão entre Pares de Elétrons da Camada de Valência (VSEPR). Além disso, esta dissertação apresenta diversos experimentos computacionais para a introdução desses conceitos em salas de aula, e seu texto é escrito visando a sua utilização por professores não especializados, educadores e estudantes

Made available in DSpace on 2014-07-29T14:57:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao Carine Rodrigues da Costa.pdf: 991478 bytes, checksum: 516faf301aac129df1d69068892a5ea9 (MD5) Previous issue date: 2011-03-30 / The necessity of solving optimization problems in a reasonable computational time limit makes the development of heuristics be a large research area. Usually, developed heuristics for optimization problems are empirically evaluated by its application to a set of specific instances, comparing to quality solution and computational efforts. Besides, when presenting a new heuristic, the contributions should be scientifically evaluated and reported in an objective way. The quality of a computational experiment report may become evident the difficulty to reproduce the experiment or compare the results with those of other experiments. Part of the origin of these issues comes from the fact that there is no standard for reporting experiments in Computer Science. Therefore, the focus of this work is to investigate methods of conducting experimental research with heuristics, to examine what methods are more favorable and consistent in evaluating these. Thus, the investigation resulted in a compilation with contribution of several authors, which consisted in identifying a set of recommendations, including the formulation of a checklist representing the summary form of all the items that were seen in this study. The results of this review served as the basis for definitining the research and leading a sample study, which consisted in analysis of articles that deal with the Quadratic Assignment Problem (QAP), by checking the necessary items for understanding, reproduction and comparison of the performed experiments. / A necessidade de resolver problemas de otimização em um limite razoável de tempo computacional faz com que o desenvolvimento de heurísticas seja uma grande área de pesquisa. Usualmente, heurísticas desenvolvidas para problemas de otimização são avaliadas empiricamente, pela sua aplicação a um conjunto de instâncias específicas, comparando qualidade da solução e esforços computacionais. Além disso, ao se apresentar uma nova heurística, as contribuições devem ser avaliadas cientificamente e relatadas de uma maneira objetiva. Ao descrever um experimento computacional e relatar os resultados obtidos do mesmo, pode ficar evidente a dificuldade de reproduzir o experimento ou comparar os resultados obtidos com os de outros experimentos. Parte da origem dessas questões vem do fato de que não há padrão para o relato de experimentos na área de Computação. Portanto, o foco deste trabalho é investigar métodos de condução de pesquisa experimental com heurísticas, para analisar quais são os mais favoráveis e consistentes na avaliação destas. Desta forma, a investigação resultou em uma compilação com a contribuição de diversos autores, em que consistiu na identificação de um conjunto de recomendações, com a elaboração de um checklist, representando de forma sumarizada todos os itens vistos nesta pesquisa. Os resultados dessa revisão serviram como base para a definição da pesquisa e condução de um estudo exemplo, que consistiu na análise de artigos que tratam do Problema de Atribuição Quadrática (PAQ), com a verificação dos itens necessários para compreensão, reprodução e comparação dos experimentos realizados.

Estudos sobre evolução têm sido desenvolvidos desde a publicação dos trabalhos de Charles Darwin sobre a origem das espécies pela seleção natural em 1859. Durante o século XX grandes avanços foram obtidos com a utilização de modelagens matemáticas e computacionais, pois com exceção de algumas espécies que podem ter sua evolução analisada in vivo, o tempo necessário para aquisição de dados é enorme e por este motivo o enfoque computacional passou a representar uma ferramenta essencial. Nesta tese são apresentados os conceitos básicos para se entender o processo evolutivo de populações assexuadas como mutação, seleção e relevos adaptativos, bem como os resultados numéricos sobre sua evolução através do processo conhecido como catraca de Muller, que baseia-se na perda estocástica da classe de indivíduos mais adaptados da população através das mutações adquiridas ao longo de sua linhagem. Neste trabalho foram estudadas diversas dinâmicas, como a de populações que estão sujeitas à passagens seriais com gargalo, onde observamos que a velocidade da catraca na não pára devido aos altos valores de epistase, enquanto que para populações com tamanho variável (crescimento e decrescimento exponencial) a catraca pára durante o período de crescimento até a população atingir o limite permitido pelo meio-ambiente, sendo que a partir deste ponto ela se comporta como no modelo de infinitos sítios tradicional. Por último, são apresentados os resultados de populações que interagem entre si em uma dinâmica presa-predador, onde o comportamento da catraca pode ser entendido com base nas dinâmicas das populações descritas anteriormente. Um outro problema abordado nesta tese é o da utilização de medidas da topologia de árvores genealógicas para verificar a presença da seleção na evolução de uma população. Apesar dos comprimentos dos ramos das árvores apresentarem alterações quando comparados ao caso neutro, observamos que os testes estatísticos utilizados não são suficientes para inferir o efeito da seleção em populações reais. / Studies about evolution have been developed since Charles Darwin\'s publications about the Origin of species and Natural Selection in 1859. During the XX century major developments were achieved through mathematical and computational modeling, since only few number of species that their evolution can be studied in vivo, once that the time scale involed for data acquisition procedure is considerable, and for this reason the computational approach become an important tool in this study. In this thesis are presented the basic concepts to understand the process of evolution in a population as mutation, selection and adaptive landscapes, in addition some numerical results about the evolution of an asexual population using the process known as Muller\'s ratchet, that can be characterized by the stochastic loss of the most fitted class of individuals through mutations that are acquired in their lineages. During this work several dynamics were studied, likewise the populations under serial bottleneck passages, where we observed that the velocity of the ratchet never stops for high epistatic coefficients, while in population whose size can varies (increasing or decreasing exponentially) the ratchet halts during population\'s increasing until these individuals do not reach the maximum number permitted, and after this point this population behaves like the traditional infinite genome size model. At last, we show the results of populations that can interact between themselves in a predator-prey dynamics, where the behaviour of the ratchet can be understood in the previous dynamics. Another problem that was studied in this thesis is related with several topology measures of genealogical trees in order to verify the selection in a population evolution. Despite branch\'s length of the trees changed due to the selection, we could see that the statistical tests used do not be sufficient to infer the effect of selection under real populations.

Estudos sobre evolução têm sido desenvolvidos desde a publicação dos trabalhos de Charles Darwin sobre a origem das espécies pela seleção natural em 1859. Durante o século XX grandes avanços foram obtidos com a utilização de modelagens matemáticas e computacionais, pois com exceção de algumas espécies que podem ter sua evolução analisada in vivo, o tempo necessário para aquisição de dados é enorme e por este motivo o enfoque computacional passou a representar uma ferramenta essencial. Nesta tese são apresentados os conceitos básicos para se entender o processo evolutivo de populações assexuadas como mutação, seleção e relevos adaptativos, bem como os resultados numéricos sobre sua evolução através do processo conhecido como catraca de Muller, que baseia-se na perda estocástica da classe de indivíduos mais adaptados da população através das mutações adquiridas ao longo de sua linhagem. Neste trabalho foram estudadas diversas dinâmicas, como a de populações que estão sujeitas à passagens seriais com gargalo, onde observamos que a velocidade da catraca na não pára devido aos altos valores de epistase, enquanto que para populações com tamanho variável (crescimento e decrescimento exponencial) a catraca pára durante o período de crescimento até a população atingir o limite permitido pelo meio-ambiente, sendo que a partir deste ponto ela se comporta como no modelo de infinitos sítios tradicional. Por último, são apresentados os resultados de populações que interagem entre si em uma dinâmica presa-predador, onde o comportamento da catraca pode ser entendido com base nas dinâmicas das populações descritas anteriormente. Um outro problema abordado nesta tese é o da utilização de medidas da topologia de árvores genealógicas para verificar a presença da seleção na evolução de uma população. Apesar dos comprimentos dos ramos das árvores apresentarem alterações quando comparados ao caso neutro, observamos que os testes estatísticos utilizados não são suficientes para inferir o efeito da seleção em populações reais. / Studies about evolution have been developed since Charles Darwin\'s publications about the Origin of species and Natural Selection in 1859. During the XX century major developments were achieved through mathematical and computational modeling, since only few number of species that their evolution can be studied in vivo, once that the time scale involed for data acquisition procedure is considerable, and for this reason the computational approach become an important tool in this study. In this thesis are presented the basic concepts to understand the process of evolution in a population as mutation, selection and adaptive landscapes, in addition some numerical results about the evolution of an asexual population using the process known as Muller\'s ratchet, that can be characterized by the stochastic loss of the most fitted class of individuals through mutations that are acquired in their lineages. During this work several dynamics were studied, likewise the populations under serial bottleneck passages, where we observed that the velocity of the ratchet never stops for high epistatic coefficients, while in population whose size can varies (increasing or decreasing exponentially) the ratchet halts during population\'s increasing until these individuals do not reach the maximum number permitted, and after this point this population behaves like the traditional infinite genome size model. At last, we show the results of populations that can interact between themselves in a predator-prey dynamics, where the behaviour of the ratchet can be understood in the previous dynamics. Another problem that was studied in this thesis is related with several topology measures of genealogical trees in order to verify the selection in a population evolution. Despite branch\'s length of the trees changed due to the selection, we could see that the statistical tests used do not be sufficient to infer the effect of selection under real populations.

The problem of packing ellipsoids consists in arranging a given collection of ellipsoids within a particular set. The ellipsoids can be freely rotated and translated, and must not overlap each other. A particular case of this problem arises when the ellipsoids are balls. The problem of packing balls has been the subject of intense theoretical and empirical research. In particular, many works have tackled the problem with optimization tools. On the other hand, the problem of packing ellipsoids has received more attention only in the past few years. This problem appears in a large number of practical applications, such as the design of high-density ceramic materials, the formation and growth of crystals, the structure of liquids, crystals and glasses, the flow and compression of granular materials, the thermodynamics of liquid to crystal transition, and, in biological sciences, in the chromosome organization in human cell nuclei. In this work, we deal with the problem of packing ellipsoids within compact sets from an optimization perspective. We introduce continuous and differentiable nonlinear programming models and algorithms for packing ellipsoids in the n-dimensional space. We present two different models for the non-overlapping of ellipsoids. As these models have quadratic numbers of variables and constraints, we also propose an implicit variables models that has a linear number of variables and constraints. We also present models for the inclusion of ellipsoids within half-spaces and ellipsoids. By applying a simple multi-start strategy combined with a clever choice of starting guesses and a nonlinear programming local solver, we present illustrative numerical experiments that show the capabilities of the proposed models. / O problema de empacotamento de elipsoides consiste em arranjar uma dada coleção de elipsoides dentro de um determinado conjunto. Os elipsoides podem ser rotacionados e transladados e não podem se sobrepor. Um caso particular desse problema surge quando os elipsoides são bolas. O problema de empacotamento de bolas tem sido alvo de intensa pesquisa teórica e experimental. Em particular, muitos trabalhos têm abordado esse problema com ferramentas de otimização. O problema de empacotamento de elipsoides, por outro lado, começou a receber mais atenção apenas recentemente. Esse problema aparece em um grande número de aplicações práticas, como o projeto de materiais cerâmicos de alta densidade, na formação e crescimento de cristais, na estrutura de líquidos, cristais e vidros, no fluxo e compressão de materiais granulares e vidros, na termodinâmica e cinética da transição de líquido para cristal e em ciências biológicas, na organização de cromossomos no núcleo de células humanas. Neste trabalho, tratamos do problema de empacotamento de elipsoides dentro de conjuntos compactos do ponto de vista de otimização. Introduzimos modelos de programação não-linear contínuos e diferenciáveis e algoritmos para o empacotamento de elipsoides no espaço n-dimensional. Apresentamos dois modelos diferentes para a não-sobreposição de elipsoides. Como esses modelos têm números quadráticos de variáveis e restrições em função do número de elipsoides a serem empacotados, também propomos um modelo com variáveis implícitas que possui uma quantidade linear de variáveis e restrições. Também apresentamos modelos para a inclusão de elipsoides em semi-espaços e dentro de elipsoides. Através da aplicação de uma estratégia multi-start simples combinada com uma escolha inteligente de pontos iniciais e um resolvedor para otimização local de programas não-lineares, apresentamos experimentos numéricos que mostram as capacidades dos modelos propostos.

The problem of packing ellipsoids consists in arranging a given collection of ellipsoids within a particular set. The ellipsoids can be freely rotated and translated, and must not overlap each other. A particular case of this problem arises when the ellipsoids are balls. The problem of packing balls has been the subject of intense theoretical and empirical research. In particular, many works have tackled the problem with optimization tools. On the other hand, the problem of packing ellipsoids has received more attention only in the past few years. This problem appears in a large number of practical applications, such as the design of high-density ceramic materials, the formation and growth of crystals, the structure of liquids, crystals and glasses, the flow and compression of granular materials, the thermodynamics of liquid to crystal transition, and, in biological sciences, in the chromosome organization in human cell nuclei. In this work, we deal with the problem of packing ellipsoids within compact sets from an optimization perspective. We introduce continuous and differentiable nonlinear programming models and algorithms for packing ellipsoids in the n-dimensional space. We present two different models for the non-overlapping of ellipsoids. As these models have quadratic numbers of variables and constraints, we also propose an implicit variables models that has a linear number of variables and constraints. We also present models for the inclusion of ellipsoids within half-spaces and ellipsoids. By applying a simple multi-start strategy combined with a clever choice of starting guesses and a nonlinear programming local solver, we present illustrative numerical experiments that show the capabilities of the proposed models. / O problema de empacotamento de elipsoides consiste em arranjar uma dada coleção de elipsoides dentro de um determinado conjunto. Os elipsoides podem ser rotacionados e transladados e não podem se sobrepor. Um caso particular desse problema surge quando os elipsoides são bolas. O problema de empacotamento de bolas tem sido alvo de intensa pesquisa teórica e experimental. Em particular, muitos trabalhos têm abordado esse problema com ferramentas de otimização. O problema de empacotamento de elipsoides, por outro lado, começou a receber mais atenção apenas recentemente. Esse problema aparece em um grande número de aplicações práticas, como o projeto de materiais cerâmicos de alta densidade, na formação e crescimento de cristais, na estrutura de líquidos, cristais e vidros, no fluxo e compressão de materiais granulares e vidros, na termodinâmica e cinética da transição de líquido para cristal e em ciências biológicas, na organização de cromossomos no núcleo de células humanas. Neste trabalho, tratamos do problema de empacotamento de elipsoides dentro de conjuntos compactos do ponto de vista de otimização. Introduzimos modelos de programação não-linear contínuos e diferenciáveis e algoritmos para o empacotamento de elipsoides no espaço n-dimensional. Apresentamos dois modelos diferentes para a não-sobreposição de elipsoides. Como esses modelos têm números quadráticos de variáveis e restrições em função do número de elipsoides a serem empacotados, também propomos um modelo com variáveis implícitas que possui uma quantidade linear de variáveis e restrições. Também apresentamos modelos para a inclusão de elipsoides em semi-espaços e dentro de elipsoides. Através da aplicação de uma estratégia multi-start simples combinada com uma escolha inteligente de pontos iniciais e um resolvedor para otimização local de programas não-lineares, apresentamos experimentos numéricos que mostram as capacidades dos modelos propostos.

Made available in DSpace on 2018-06-27T19:13:30Z (GMT). No. of bitstreams: 3 Gisele Bordignon Lunelli.pdf: 2579038 bytes, checksum: be1ec87455cee32f02d3b8026be84cad (MD5) Gisele Bordignon Lunelli.pdf.txt: 143397 bytes, checksum: 49ceaf17ded14700ceafb2fda0767423 (MD5) Gisele Bordignon Lunelli.pdf.jpg: 3756 bytes, checksum: f6a74abdecd5bd35ead5cc3a0a944ddb (MD5) Previous issue date: 2010-09-11 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work presents a study on the use of computacional experiments which are based in animations and in simulations for applying in didactic activities in teaching the concepts of position, displacement, velocity and acceleration related to the kinematics of the particle. These activities were developed in a meaningful learning perspective based on tne theory of conceptual fields. Participants are twenty students from the first grade of a private high school. This study aims to examine how the use of computational animations and simulations can help in meaningful learning of concepts of particle kinematics in high school. Protocols of activities and a questionnaire are used as instruments of data collection. The conclusions obtained from the vision of the students showed that: (i) the computacional experiments with educational animations and simulations brought the everyday of the student to near the theoretical physics, encouraging learning, (ii) they gave connections between situations presented in virtual experiments and the concepts of the physics through interaction, (iii) they encouraged the pleasure of learning, showing its playful character, and (iv) they showed to be an innovative approaching, making interesting the classes as compared with those tradicional ones. It is worthy emphasize that not all students found useful the lessons with this approach, and that the conceptual difficulties persisted. To these difficulties, other ones such as those of procedimental character may have contributed to hinder the conceptual learning. / Este trabalho apresenta um estudo sobre o uso de experimentos computacioinais baseados em animações e simulações implementadas em atividades didáticas no ensino dos conceitos de posição, deslocamento, velocidade e aceleração relacionados à cinemática da partícula. As atividades didáticas foram desenvolvidas em uma perspectiva de aprendizagem significativa à luz da teoria dos campos conceituais. Os participantes são vinte estudantes da primeira série de uma escola particular. Este estudo tem como objetivo analisar como o uso de animação e simulação computacional pode auxiliar na aprendizagem significativa de conceitos de cinemática da partícula em nível médio. Os instrumentos de coleta de dados são fichas de acompanhamento das atividades didáticas e um questionário aberto. As conclusões obtidas a partir da visão dos estudantes apontam que os experimentos computacionais com animações e simulações educacionais: (i) aproximaram os conhecimentos teóricos da Física com o cotidiano, favorecendo à aprendizagem, (ii) proporcionaram conexões entre as situações-problema apresentadas nos experimentos virtuais e os conteúdos físicos por meio da interatividade, (iii) despertaram o prazer pela aprendizagem, evidenciando seu caráter lúdico, e, (iv) tiveram caráter inovador, tornando as aulas de Física interessantes e diferentes das aulas tradicionais. Ressalta-se que nem todos os estudantes consideraram proveitosas as aulas com esta abordagem, e que as dificuldades conceituais persistiram. A essas dificuldades, acrescentam-se outras de caráter procedimental que podem ter contribuido para obstaculizar a aprendizagem conceitual.