We address in this thesis the numerical solution of state constrained optimal control problems for systems modeled by linear parabolic equations. For the unconstrained or control-constrained optimal control problem, the first order optimality condition can be obtained in a general way and the associated Lagrange multiplier has low regularity, such as in the L²(Ω). However, for state-constrained optimal control problems, additional assumptions are required in general to guarantee the existence and regularity of Lagrange multipliers. The resulting optimality system leads to difficulties for both the numerical solution and the theoretical analysis. The approach discussed here combines the alternating direction of multipliers (ADMM) with a conjugate gradient (CG) algorithm, both operating in well-chosen Hilbert spaces. The ADMM approach allows the decoupling of the state constraints and the parabolic equation, in which we need solve an unconstrained parabolic optimal control problem and a projection onto the admissible set in each iteration. It has been shown that the CG method applied to the unconstrained optimal control problem modeled by linear parabolic equation is very efficient in the literature. To tackle the issue about the associated Lagrange multiplier, we prove the convergence of our proposed algorithm without assuming the existence and regularity of Lagrange multipliers. Furthermore, a worst case O(1/k) convergence rate in the ergodic sense is established. For numerical purposes, we employ the finite difference method combined with finite element method to implement the time-space discretization. After full discretization, the numerical results we obtain validate the methodology discussed in this thesis.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:35:41Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2007-01Bitstream added on 2014-06-13T18:48:27Z : No. of bitstreams: 1 correa_va_dr_guara.pdf: 949805 bytes, checksum: 5d0ebae9cf9395efc83588da395f5ab9 (MD5) / Universidade Estadual Paulista (UNESP) / Com a evolução dos sistemas de computação simbólica ampliou-se a capacidade de modelagem e análise de problemas provenientes de equações diferenciais. Propõe-se a resolução da equação da condução de calor em regimes permanente e transiente para uma geometria cilíndrica com condições de contorno convectivas de forma analítica e numérica utilizando o software de computação simbólica Maple. Para este propósito serão empregados para a resolução analítica, o método de separação de variáveis e para a resolução numérica, o método das diferenças finitas com o esquema Crank- Nicolson e explícito. Os resultados obtidos das resoluções analíticas e numéricas, para algumas situações avaliadas são comparadas. As vantagens computacionais da utilização do software Maple são apresentadas. / The evolution of symbolic computation systems enlarges the capacity of modeling and analysis of problems by differential equations. The aim is the resolution of the conduction heat equation in unsteady and steady state for the cylindrical geometry with convective boundary conditions with analytical and numerical solutions using the Maple software. To this results will be used the separated variables method and finite differences to numerical solutions with Crank-Nicolson and explicit schemes. The results obtained for numerical and analytical solutions for some situations it will available and compared. The computational advantages of the Maple software are showed too.

Resumo: Com a evolução dos sistemas de computação simbólica ampliou-se a capacidade de modelagem e análise de problemas provenientes de equações diferenciais. Propõe-se a resolução da equação da condução de calor em regimes permanente e transiente para uma geometria cilíndrica com condições de contorno convectivas de forma analítica e numérica utilizando o software de computação simbólica Maple. Para este propósito serão empregados para a resolução analítica, o método de separação de variáveis e para a resolução numérica, o método das diferenças finitas com o esquema Crank- Nicolson e explícito. Os resultados obtidos das resoluções analíticas e numéricas, para algumas situações avaliadas são comparadas. As vantagens computacionais da utilização do software Maple são apresentadas. / Abstract: The evolution of symbolic computation systems enlarges the capacity of modeling and analysis of problems by differential equations. The aim is the resolution of the conduction heat equation in unsteady and steady state for the cylindrical geometry with convective boundary conditions with analytical and numerical solutions using the Maple software. To this results will be used the separated variables method and finite differences to numerical solutions with Crank-Nicolson and explicit schemes. The results obtained for numerical and analytical solutions for some situations it will available and compared. The computational advantages of the Maple software are showed too. / Orientador: Luiz Roberto Carrocci / Coorientador: Marcio Abud Marcelino / Banca: Petronio Masanobu Tanisho / Banca: Rubens Alves Dias / Banca: Carlos Alberto Chaves / Banca: José Rui Camargo / Doutor

Orientador: Alcides Padilha / Banca: Ricardo Fortes de Miranda / Banca: Vicente Luiz Scalon / Resumo: Foi desenvolvido um modelo matemático para descrever o processo de estocagem de energia via estratificação térmica de líquido em um tanque. Neste modelo foi considerado um balanço de energia para o sistema de estocagem e proposto um modelo matemático unidimensional e transiente capaz de descrever o histórico dos perfis de temperatura do líquido e da parede do reservatório durante a operação de carregamento dinâmico. O modelo matemático foi discretizado através da técnica de diferença finitas e sua solução foi obtida numericamente através de um código computacional desenvolvido em linguagem de programação FORTRAN. Os resultados teóricos foram comparados com resultados experimentais, e estudada também a influência da relação altura/diâmetro e velocidade de carregamento no processo de estocagem de energia. / Abstract: A mathematical model is developed to describe the energy storage process by thermal stratification of a liquid in a storage tank. Considering a balance of energy for the storage system, is proposed a transient and unidimensional mathematical model capable to describe the history of the liquid temperatures profile and the wall of the storage during the charging dynamic operations. The mathematical model was discretizided using a finite differences technic and its solution got numerically through a computational code developed in a FORTRAN programming language. The theorical results were compared with experimental results, and it was also studied the influence of aspect ratio and the charging velocity in an energy storage process. / Mestre

Embasando-se na teoria da cinemática dos fluidos, alcança-se, via Teorema de Transporte de Reynolds, as deduções necessárias para a obtenção das Equações de Saint Venant em uma e duas dimensões, não obstante tais equações são linearizadas, o que permite obter as equações da onda em uma e duas dimensões. Para solucionar estas equações, este texto discorre sobre o consagrado Método das Características, detalhando-o. Cabe observar que para o caso bidimensional encontrou-se as Pseudo-Características. Por meio deste método, e com o auxílio do software Maple, a solução de duas conhecidas equações da onda são obtidas, a Equação do Telégrafo, no caso de uma dimensão, e para avaliar a Vibração de uma Membrana Retangular, no caso de duas dimensões. Alem disso, o Método das Características é aplicado para obter as Inclinações das Curvas Características e as Invariantes de Riemann, com o objetivo de solucionar as Equações de Saint Venant em uma e duas dimensões, em cada uma das situações um estudo de caso foi abordado de modo a expor a teoria desenvolvida. Para o caso unidimensional, analisou-se o escoamento da água em um canal retangular avaliando a velocidade e profundidade em posições específicas do comprimento do canal e em instantes de tempo pré-fixados, o que tornou possível estimar tais valores em qualquer ponto do canal por meio de uma função duas vezes continuamente diferenciável que foi obtida pela interpolação do tipo Spline Cúbico Natural. Para o caso em duas dimensões, um problema bidimensional de esvaziamento de um reservatório foi analisado utilizando as Equações de Saint Venant, obtendo-se como resultados a profundidade e a velocidade em duas direções, para instantes de tempo específicos e posições pré-fixadas no comprimento e largura do reservatório, tais resultados foram comparados com os dados obtidos por meio do já consagrado Método das Diferenças Finitas Explícitas. Importante ressaltar que, para o processo de resolução de cada uma das equacões, uma Maplet foi idealizada e programada, a fim de ilustrar e avaliar numérica e graficamente os resultados obtidos por cada método descrito. / Basing on the theory of the kinematics of the fluid is achieved via the Reynolds transport theorem, deductions required to obtain the Saint Venant equation in one and two dimensions, although such equations are linearized, which allows to obtain wave equations in one and two dimensions. To solve these equations, this text discusses the consecrated Method of Characteristics, detailing it. It should be noted that for the two-dimensional case met the Pseudo characteristics. By means of this method and with the aid of the software maple two known solution of the wave equation is obtained from Equation telegraph in case of one dimension, and to evaluate the vibration of a rectangular diaphragm in the case of two-dimensional . Furthermore, the method of characteristics is applied to obtain the slopes of Characteristic Curves and Riemann invariants in order to solve the Saint Venant equations in one and two dimensions, in each of the situations a case study was approached in to expose the theory developed. For the one dimensional case we analyzed the flow of water in a rectangular channel and evaluating the speed at specific positions depth of the channel length and time instants pre-set, making it possible to estimate these values at any point in the channel by through a twice continuously differentiable function which was obtained by interpolating the type Natural Cubic Spline. For the case in two dimensions, a problem of emptying a two-dimensional reservoir was analyzed using the Saint Venant equation, yielding results such as the depth and speed in both directions to specific time instants and positions prefixed length, and width of the reservoir, these results were compared with the data obtained by the already established Explicit Finite Difference Method. Importantly, for the process of solving each of the equations, one Maplet was designed and programmed in order to illustrate and evaluate numerically and graphically the results obtained by each method.

Embasando-se na teoria da cinemática dos fluidos, alcança-se, via Teorema de Transporte de Reynolds, as deduções necessárias para a obtenção das Equações de Saint Venant em uma e duas dimensões, não obstante tais equações são linearizadas, o que permite obter as equações da onda em uma e duas dimensões. Para solucionar estas equações, este texto discorre sobre o consagrado Método das Características, detalhando-o. Cabe observar que para o caso bidimensional encontrou-se as Pseudo-Características. Por meio deste método, e com o auxílio do software Maple, a solução de duas conhecidas equações da onda são obtidas, a Equação do Telégrafo, no caso de uma dimensão, e para avaliar a Vibração de uma Membrana Retangular, no caso de duas dimensões. Alem disso, o Método das Características é aplicado para obter as Inclinações das Curvas Características e as Invariantes de Riemann, com o objetivo de solucionar as Equações de Saint Venant em uma e duas dimensões, em cada uma das situações um estudo de caso foi abordado de modo a expor a teoria desenvolvida. Para o caso unidimensional, analisou-se o escoamento da água em um canal retangular avaliando a velocidade e profundidade em posições específicas do comprimento do canal e em instantes de tempo pré-fixados, o que tornou possível estimar tais valores em qualquer ponto do canal por meio de uma função duas vezes continuamente diferenciável que foi obtida pela interpolação do tipo Spline Cúbico Natural. Para o caso em duas dimensões, um problema bidimensional de esvaziamento de um reservatório foi analisado utilizando as Equações de Saint Venant, obtendo-se como resultados a profundidade e a velocidade em duas direções, para instantes de tempo específicos e posições pré-fixadas no comprimento e largura do reservatório, tais resultados foram comparados com os dados obtidos por meio do já consagrado Método das Diferenças Finitas Explícitas. Importante ressaltar que, para o processo de resolução de cada uma das equacões, uma Maplet foi idealizada e programada, a fim de ilustrar e avaliar numérica e graficamente os resultados obtidos por cada método descrito. / Basing on the theory of the kinematics of the fluid is achieved via the Reynolds transport theorem, deductions required to obtain the Saint Venant equation in one and two dimensions, although such equations are linearized, which allows to obtain wave equations in one and two dimensions. To solve these equations, this text discusses the consecrated Method of Characteristics, detailing it. It should be noted that for the two-dimensional case met the Pseudo characteristics. By means of this method and with the aid of the software maple two known solution of the wave equation is obtained from Equation telegraph in case of one dimension, and to evaluate the vibration of a rectangular diaphragm in the case of two-dimensional . Furthermore, the method of characteristics is applied to obtain the slopes of Characteristic Curves and Riemann invariants in order to solve the Saint Venant equations in one and two dimensions, in each of the situations a case study was approached in to expose the theory developed. For the one dimensional case we analyzed the flow of water in a rectangular channel and evaluating the speed at specific positions depth of the channel length and time instants pre-set, making it possible to estimate these values at any point in the channel by through a twice continuously differentiable function which was obtained by interpolating the type Natural Cubic Spline. For the case in two dimensions, a problem of emptying a two-dimensional reservoir was analyzed using the Saint Venant equation, yielding results such as the depth and speed in both directions to specific time instants and positions prefixed length, and width of the reservoir, these results were compared with the data obtained by the already established Explicit Finite Difference Method. Importantly, for the process of solving each of the equations, one Maplet was designed and programmed in order to illustrate and evaluate numerically and graphically the results obtained by each method.

O presente trabalho aborda um problema inverso associado a difus~ao de calor em uma barra unidimensional. Esse fen^omeno e modelado por meio da equac~ao diferencial par- cial parabolica ut = uxx, conhecida como equac~ao de difus~ao do calor. O problema classico (problema direto) envolve essa equac~ao e um conjunto de restric~oes { as condic~oes inicial e de contorno {, o que permite garantir a exist^encia de uma soluc~ao unica. No problema inverso que estudamos, o valor da temperatura em um dos extremos da barra n~ao esta disponvel. Entretanto, conhecemos o valor da temperatura em um ponto x0 xo no interior da barra. Para aproximar o valor da temperatura no intervalo a direita de x0, propomos e testamos tr^es algoritmos de diferencas nitas: diferencas regressivas, leap-frog e diferencas regressivas maquiadas. / This work deals with an inverse problem for the heat diusion in a bar of size L. This one-dimensional phenomenum is modeled by the parabolic partial dierential equation ut = uxx, known as the heat diusion equation. The classic problem (Direct Problem) involves this equation coupled to a set of constraints { initial and boundary conditions { in such a way as to guarantee a unique solution for it. The inverse problem hereby considered may be described in the following way: at one bar extreme point the temperature is un- known, but it is given at a xed interior point for all time. Three nite dierence algorithms (backward dierences, leap-frog, disguised backward dierences) are proposed and tested to approximate solutions for this problem. Keywords: Diusion equation. Finite dierences. Inverse problem.

Orientador: Paulo Roberto Ribeiro / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica, Instituto de Geociencias / Made available in DSpace on 2018-08-12T16:33:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Avelar_CarolinaSilva_M.pdf: 15432162 bytes, checksum: cbaa0b149cf8200fccff3cea6905b066 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: As explorações de campos de petróleo têm abrangido diferentes cenários, incluindo perfuração de poços profundos com elevadas pressões e temperaturas em águas profundas e ultraprofundas. O estudo do controle de poços nestes cenários exige um simulador capaz de prever o comportamento das pressões do poço durante uma situação de kick de forma confiável e eficiente. Considerando estes aspectos, foi implementado um simulador de kicks baseado em um modelo matemático que resolve um conjunto de três equações diferenciais de conservação utilizando o método diferenças finitas. Os cálculos das perdas de carga por fricção, do deslizamento entre as fases e da expansão do gás foram incorporados ao modelo. O modelo é capaz de simular um kick em poços verticais ou horizontais, em poços terrestres ou marítimos, utilizando fluido de perfuração com base de água. Os resultados do simulador foram comparados com dados experimentais e um estudo sobre o efeito de algumas variáveis do controle de poços foi realizado. / Abstract: The oil field industry has been drilling in different scenarios, subjected to high pressures and high temperatures in deep wells located in deep and ultradeep waters. The well control study in these scenarios demands a kick simulator capable to do precise predictions of the pressure behavior inside the wellbore during a kick situation. Regarding this scenario, a kick simulator has been implemented. The simulator is based in a mathematical model that solves a set of three conservation equations using the finite difference approach. The effects of the frictional pressure losses, the gas slip and expansion have been incorporated to the model. The model is capable of simulating a single kick in a vertical or horizontal hole, onshore or offshore, with water-based drilling fluid. The simulator results have been compared with experimental data and the effect of some important parameters in well control has been studied. / Mestrado / Explotação / Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

Orientador: Lúcio Tunes dos Santos / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matemática Estatística e Computação Científica / Made available in DSpace on 2018-08-25T10:27:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Camargo_AlexandreWilliam_M.pdf: 30605851 bytes, checksum: 95a610618221b15f52fb3f96d3239196 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: A base fundamental do modelamento sísmico é a equação da onda acústica, que para meios com velocidade variável exige métodos numéricos eficientes para encontrar a solução da equação. O Método de Diferenças Finitas (MDF) é muito usado para obter a solução da equação da onda, pois é de fácil implementação. Uma vez garantindo a convergência do método a solução aproximada é confiável. Contudo, os esquemas utilizados pelo MDF ou utilizam um comprimento longo para os operadores da derivada espacial ou precisam ter uma malha suficientemente densa, isto é, ter passos pequenos para garantir uma solução precisa, porém, isso requer o cálculo de muitas operações na fórmula recursiva do método. Nesta dissertação, analisamos um esquema do MDF que utiliza comprimentos adaptativos para o operador da derivada espacial assumindo uma malha computacional com o passo fixo. O critério que escolhe esses comprimentos depende da velocidade do meio. Pela relação entre o comprimento e a velocidade, o método escolhe um comprimento longo em regiões de baixa velocidade e um comprimento curto nas regiões de alta velocidade. Os testes numéricos comprovaram que o MDF com o esquema de comprimentos adaptativos obtém uma solução com uma precisão similar à solução do MDF com o esquema que usa somente comprimentos longos, mas o esquema de comprimento adaptativo realiza um número de operações menor na fórmula de recursão / Abstract: The fundamental base of seismic modeling is the acoustic wave equation that for a medium with variable velocity require efficients numerical methods to find the equation solution. The Finite Difference Method (FDM) is widely used to get the solution of the wave equation because the computational implementation is very easy. Ensuring the con- vergence of the method, the approximate solution is reliable. However, the schemes used by FDM either need a high length to the operator of the spatial derivative or take a sufficiently dense mesh, that is, the grid is small to ensure an accurate solution. But this requires the calculus of many operations in the recursion formula. In this dissertation, we analyzed a scheme of the FDM that use adaptive lengths to the operator of the spatial de- rivative assuming a fixed grid. The criterion to choose the lengths depend on the velocity of the medium. Thereby, in regions of low velocity a long length is used and in regions of high velocity a short length is enough. The numerical tests show that FDM with the adaptive length scheme obtains a solution with a similar accuracy to the solution of the FDM with the long length scheme, but performs a smaller number of operations in the recursion formula / Mestrado / Matematica Aplicada / Mestre em Matemática Aplicada

In this article the Finite Difference method is used to solve the Black Scholes equation. A second order and fourth order accurate scheme is implemented in space and evaluated. The scheme is then tried for different initial conditions. First the discontinuous pay off function of a European Call option is used. Due to the nonsmooth charac- teristics of the chosen initial conditions both schemes show an order of two. Next, the analytical solution to the Black Scholes is used when t=T/2. In this case, with a smooth initial condition, the fourth order scheme shows an order of four. Finally, the initial nonsmooth pay off function is modified by smoothing. Also in this case, the fourth order method shows an order of convergence of four.