The Laplace transform analytic element method (LT-AEM), applies the traditionally steady-state analytic element method (AEM) to the Laplace-transformed diffusion equation (Furman and Neuman, 2003). This strategy preserves the accuracy and elegance of the AEM while extending the method to transient phenomena. The approach taken here utilizes eigenfunction expansion to derive analytic solutions to the modified Helmholtz equation, then back-transforms the LT-AEM results with a numerical inverse Laplace transform algorithm. The two-dimensional elements derived here include the point, circle, line segment, ellipse, and infinite line, corresponding to polar, elliptical and Cartesian coordinates. Each element is derived for the simplest useful case, an impulse response due to a confined, transient, single-aquifer source. The extension of these elements to include effects due to leaky, unconfined, multi-aquifer, wellbore storage, and inertia is shown for a few simple elements (point and line), with ready extension to other elements. General temporal behavior is achieved using convolution between these impulse and general time functions; convolution allows the spatial and temporal components of an element to be handled independently.Comparisons are made between inverse Laplace transform algorithms; the accelerated Fourier series approach of de Hoog et al. (1982) is found to be the most appropriate for LT-AEM applications. An application and synthetic examples are shown for several illustrative forward and parameter estimation simulations to illustrate LT-AEM capabilities. Extension of LT-AEM to three-dimensional flow and non-linear infiltration are discussed.

The increasing concentration of CO_(2) has been linked to global warming and changes in climate. Geologic sequestration of CO_(2) in deep saline aquifers is a proposed greenhouse gas mitigation technology with potential to significantly reduce atmospheric emissions of CO_(2). Feasibility assessments of proposed sequestration sites require realistic and computationally efficient models to simulate the subsurface pressure response and monitor the injection process, and quantify the risks of leakage if there is any. This study investigates the possibility of obtaining closed form expressions for spatial distribution of CO_(2) injected in brine aquifers and gas reservoirs. Four new semi-analytical solutions for CO_(2) injection in brine aquifers and gas reservoirs are derived in this dissertation. Both infinite and closed domains are considered in the study. The first solution is an analysis of CO_(2) injection into an initially brine-filled infinite aquifer, exploiting self–similarity and matched asymptotic expansion. The second is an expanding to the first solution to account for CO_(2) injection into closed domains. The third and fourth solutions are analyzing the CO_(2) injection in infinite and closed gas reservoirs. The third and fourth solutions are derived using Laplace transform. The brine aquifer solutions accounted for both Darcyian and non-Darcyian flow, while, the gas reservoir solutions considered the gas compressibility variations with pressure changes. Existing analytical solutions assume injection under constant rate at the wellbore. This assumption is problematic because injection under constant rate is hard to maintain, especially for gases. The modeled injection processes in all aforementioned solutions are carried out under constant pressure injection at the wellbore (i.e. Dirichlet boundary condition). One major difficulty in developing an analytical or semi-analytical solution involving injection of CO_(2) under constant pressure is that the flux of CO_(2) at the wellbore is not known. The way to get around this obstacle is to solve for the pressure wave first as a function of flux, and then solve for the flux numerically, which is subsequently plugged back into the pressure formula to get a closed form solution of the pressure. While there is no simple equation for wellbore flux, our numerical solutions show that the evolution of flux is very close to a logarithmic decay with time. This is true for a large range of the reservoir and CO_(2) properties. The solution is not a formation specific, and thus is more general in nature than formation-specific empirical relationships. Additionally, the solution then can be used as the basis for designing and interpreting pressure tests to monitor the progress of CO_(2) injection process. Finally, the infinite domain solution is suitable to aquifers/reservoirs with large spatial extent and low permeability, while the closed domain solution is applicable to small aquifers/reservoirs with high permeability.

Thesis (MSc (Mathematics))--University of Stellenbosch, 2010. / ENGLISH ABSTRACT: In this thesis, we discuss and apply the Monte Carlo and integral transform methods in pricing options. These methods have proved to be very e ective in the valuation of options especially when acceleration techniques are introduced. By rst pricing European call options we have motivated the use of these methods in pricing arithmetic Asian options which have proved to be di cult to price and hedge under the Black􀀀Scholes framework. The arithmetic average of the prices in this framework, is a sum of correlated lognormal distributions whose distribution does not admit a simple analytic expression. However, many approaches have been reported in the academic literature for pricing these options. We provide a hedging strategy by manipulating the results by Geman and Yor [42] for continuous xed strike arithmetic Asian call options. We then derive a double Laplace transform formula for pricing continuous Asian call options following the approach by Fu et al. [39]. By applying the multi-Laguerre and iterated Talbot inversion techniques for Laplace transforms to the resulting pricing formula we obtain the option prices. Finally, we discuss the shortcomings of using the Laplace transform in pricing options. / AFRIKAANSE OPSOMMING: In hierdie tesis bespreek ons Monte Carlo- en integraaltransform metodes om die pryse van nansi ele opsies te bepaal. Hierdie metodes is baie e ektief, veral wanneer versnellingsmetodes ingevoer word. Ons bepaal eers die pryse van Europese opsies as motivering, voordat ons die bostaande metodes gebruik vir prysbepaling van Asiatiese opsies met rekenkundige gemiddeldes, wat baie moeiliker is om te hanteer in die Black􀀀Scholes raamwerk. Die rekenkundige gemiddelde van batepryse in hierdie raamwerk is 'n som van gekorreleerde lognormale distribusies wie se distribusie nie oor 'n eenvoudige analitiese vorm beskik nie. Daar is egter talle benaderings vir die prysbepaling van hierdie opsies in die akademiese literatuur. Ons bied 'n verskansingsstrategie vir Asiatiese opsies in kontinue tyd met 'n vaste trefprys aan deur die resultate van Geman en Yor [42] te manipuleer. Daarna volg ons Fu et al. [39] om 'n dubbele Laplace transform formule vir die pryse af te lei. Deur toepassing van multi-Laguerre en herhaalde Talbotinversie tegnieke vir Laplace transforms op hierdie formule, bepaal ons dan die opsiepryse. Ons sluit af met 'n bespreking van die tekortkominge van die gebruik van die Laplace transform vir prysbepaling.

No presente trabalho são apresentadas soluções analíticas das equações de difusão de nêutrons bidimensionais com dois grupos de energia, a saber, nêutrons rápidos e térmicos em uma placa com propriedades homogêneas. Alem disso, são resolvidos detalhadamente os problemas onde a placa homogênea é substituída por duas e quatro regiões, tornando-os não-homogêneos. A partir da aplicação da transformada de Laplace e da Técnica da Transformada Integral Generalizada (GITT), respectivamente, é resolvida em uma forma analítica o problema de autovalor resultante para o fluxo de nêutrons. No problema heterogêneo são usados filtros para homogenizar as condições de contorno não-homogêneas. Esta é a condição para a aplicação da GITT. Os três problemas mencionados acima são resolvidos aplicando primeiramente a GITT, o qual reduz a dimensão da equação de difusão, seguida da aplicação da transformada de Laplace, o qual reduz a ordem da equação. Deste procedimento, resulta um sistema de equações algébricas dependente das constantes de integração. 0 sistema é resolvido usando a técnica da eliminação de Gauss. Os fluxos transformados pela GITT são recuperados invertendo-se analiticamente a transformada de Laplace usando a expansão de Heaviside, os quais ainda dependem das constantes de integração. A partir da aplicação das condições de contorno e de interface (para os problemas não-homogêneos) obtém-se um sistema de equações algébricas homogêneas, de onde é determinado o fator de multiplicação efetivo Keff pelo método da bissecção. As constantes de integração são determinadas fazendo use da potencia prescrita da placa. Assim, os fluxos de nêutrons transformados pela GITT ficam determinados e os fluxos de nêutrons rápidos e térmicos são recuperados através da formula da inversa da GITT, usando a expansão do potencial. Resultados são comparados com a solução do método de diferenças finitas. / In the present work we present analytical solutions of the bi-dimensional neutron diffusion equation with two energy groups, i.e. fast and thermal neutrons in a sheet with homogeneous properties. Further we solve the detailed problem where the homogeneous sheet is substituted by two and four regions, rendering the problem a non-homogeneous one. Upon application of the Laplace transform and Generalized Integral Transform Tecnique (GITT), respectively, we solve in an analytical fashion the resulting eigenvalue problem for the neutron flux. In the heterogeneous problem, we use filter functions in order to homogenize the non-homogeneous boundary conditions. This is a condition for the application of GITT. We solve the three problems mentioned above applying first GITT, which reduces the dimension of the diffusion equation followed by the Laplace transform, which reduces the order of the equation. This procedure yields a non-homogeneous algebraic system depending on integration constants. The system is solved using the elimination technique by Gauss. The transformed fluxes by GITT are recovered upon inverting analytically the Laplace transform using Heaviside's expansion which depend still on the integration constants. Upon application of the boundary and interface conditions (for the non-homogeneous problem) one obtains a system of homogeneous algebraic equations, where we determine the effective multiplication factor keff by the bisection method. The integration constants are determined making use of the predefined power of the sheet. Thus the neutron fluxes transformed by GITT are determined and the fast and thermal neutron flux are recovered by the inverse formula of GITT, using the potential expansion. Results are compared to the solution by the finite difference method.

No presente trabalho são apresentadas soluções analíticas das equações de difusão de nêutrons bidimensionais com dois grupos de energia, a saber, nêutrons rápidos e térmicos em uma placa com propriedades homogêneas. Alem disso, são resolvidos detalhadamente os problemas onde a placa homogênea é substituída por duas e quatro regiões, tornando-os não-homogêneos. A partir da aplicação da transformada de Laplace e da Técnica da Transformada Integral Generalizada (GITT), respectivamente, é resolvida em uma forma analítica o problema de autovalor resultante para o fluxo de nêutrons. No problema heterogêneo são usados filtros para homogenizar as condições de contorno não-homogêneas. Esta é a condição para a aplicação da GITT. Os três problemas mencionados acima são resolvidos aplicando primeiramente a GITT, o qual reduz a dimensão da equação de difusão, seguida da aplicação da transformada de Laplace, o qual reduz a ordem da equação. Deste procedimento, resulta um sistema de equações algébricas dependente das constantes de integração. 0 sistema é resolvido usando a técnica da eliminação de Gauss. Os fluxos transformados pela GITT são recuperados invertendo-se analiticamente a transformada de Laplace usando a expansão de Heaviside, os quais ainda dependem das constantes de integração. A partir da aplicação das condições de contorno e de interface (para os problemas não-homogêneos) obtém-se um sistema de equações algébricas homogêneas, de onde é determinado o fator de multiplicação efetivo Keff pelo método da bissecção. As constantes de integração são determinadas fazendo use da potencia prescrita da placa. Assim, os fluxos de nêutrons transformados pela GITT ficam determinados e os fluxos de nêutrons rápidos e térmicos são recuperados através da formula da inversa da GITT, usando a expansão do potencial. Resultados são comparados com a solução do método de diferenças finitas. / In the present work we present analytical solutions of the bi-dimensional neutron diffusion equation with two energy groups, i.e. fast and thermal neutrons in a sheet with homogeneous properties. Further we solve the detailed problem where the homogeneous sheet is substituted by two and four regions, rendering the problem a non-homogeneous one. Upon application of the Laplace transform and Generalized Integral Transform Tecnique (GITT), respectively, we solve in an analytical fashion the resulting eigenvalue problem for the neutron flux. In the heterogeneous problem, we use filter functions in order to homogenize the non-homogeneous boundary conditions. This is a condition for the application of GITT. We solve the three problems mentioned above applying first GITT, which reduces the dimension of the diffusion equation followed by the Laplace transform, which reduces the order of the equation. This procedure yields a non-homogeneous algebraic system depending on integration constants. The system is solved using the elimination technique by Gauss. The transformed fluxes by GITT are recovered upon inverting analytically the Laplace transform using Heaviside's expansion which depend still on the integration constants. Upon application of the boundary and interface conditions (for the non-homogeneous problem) one obtains a system of homogeneous algebraic equations, where we determine the effective multiplication factor keff by the bisection method. The integration constants are determined making use of the predefined power of the sheet. Thus the neutron fluxes transformed by GITT are determined and the fast and thermal neutron flux are recovered by the inverse formula of GITT, using the potential expansion. Results are compared to the solution by the finite difference method.

Submitted by ANA KARLA PEREIRA RODRIGUES (anakarla_@hotmail.com) on 2017-08-29T13:39:27Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 1365406 bytes, checksum: 95b2e457fb9ce800716ef14c1a145df6 (MD5) / Approved for entry into archive by Fernando Souza (fernandoafsou@gmail.com) on 2017-08-29T13:58:33Z (GMT) No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 1365406 bytes, checksum: 95b2e457fb9ce800716ef14c1a145df6 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-29T13:58:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 1365406 bytes, checksum: 95b2e457fb9ce800716ef14c1a145df6 (MD5) Previous issue date: 2017-05-26 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In this work, we study the Laplace Transform and explore its application in solving some linear ordinary di erential equations, which model various phenomena in the areas of Physics, Engineering, Industrial Automation and Mathematics itself. Such knowledge is of great importance in higher education courses covering such areas. We present the de nition, properties and main results involving the Laplace Transform and address several problems in the areas mentioned above. / Neste trabalho, estudamos a Transformada de Laplace e exploramos sua aplica ção na resolução de algumas equações diferenciais ordinárias lineares, as quais modelam vários fenômenos nas áreas de Física, Engenharia, Automação Industrial e na própria Matemática. Tais conhecimentos são de suma importância em cursos superiores que abrangem tais áreas. Apresentamos a de nição, propriedades e principais resultados envolvendo a Transformada de Laplace e abordamos vários problemas nas áreas citadas anteriormente.

O presente trabalho teve como objetivo a implementação de técnicas de Ressonância Magnética Nuclear (RMN) para o estudo de meios porosos em geral, com potenciais aplicações no estudo de rochas, ossos, polímeros e materiais cerâmicos porosos. Devido à heterogeneidade e à complexidade desses meios, torna-se importante correlacionar variados parâmetros físicos que contenham informações tanto sobre a dinâmica molecular quanto sobre a estrutura físico-química dos poros e dos fluidos que os permeiam. Utilizando técnicas de RMN, é possível investigar esses parâmetros através da medida dos coeficientes de difusão e dos tempos de relaxação longitudinal e transversal dos fluidos presentes nos poros, que apresentam diferentes estados dinâmicos, variando desde um líquido isotrópico até um líquido com alta viscosidade ou organizado devido à sua interação com a superfície dos poros ou com partículas presentes nos fluidos. Para isso, foram empregadas técnicas de RMN baseadas especialmente em medidas de tempos de relaxação transversal que, quando adequadamente combinadas, permitem a construção de mapas bidimensionais que correlacionam propriedades da dinâmica molecular de fluidos saturantes nessas amostras em instantes diferentes do experimento, provendo informações sobre as dimensões e escalas temporais envolvidas na dinâmica dos fluidos saturantes dos meios porosos. Esses mapas foram obtidos a partir de dados experimentais obtidos com rochas petrolíferas saturadas com água via algoritmos de inversão da transformada de Laplace bidimensional. Este trabalho foi realizado utilizando a infraestrutura existente nos laboratórios de RMN do IFSC, sendo grande parte do hardware e software desenvolvidos durante o projeto de doutorado. Foi desenvolvido um programa para processamento da transformada inversa de Laplace de dados unidimensionais, sendo este utilizado para o estudo de propriedades de adesão de pastilhas de gesso quando submetidas a diferentes pressões. Além disso, foram desenvolvidos modelos computacionais para simular essas propriedades relacionadas aos experimentos utilizados para o estudo dos meios porosos. Parte deste trabalho contou com a realização de dos estudos na Victoria University of Wellington em colaboração com o professor Paul T. Callaghan através do Programa de Doutorado e Estágio no Exterior (PDEE) da CAPES. / This study aimed to implement Nuclear Magnetic Resonance (NMR) for the study of porous media in general, with potential applications in the study of rocks, bones, porous polymers and ceramics. Due to the heterogeneity and complexity of these media, it becomes important to correlate various physical parameters that contain information about both the molecular dynamics on the structure and physical chemistry of pore fluid and the permeate. Using NMR techniques, it is possible to investigate these parameters by measuring diffusion coefficients, transverse and longitudinal relaxation times of fluids within the pores, which have different dynamical states, ranging from an isotropic liquid to a liquid with high viscosity or organized due to its interaction with the surface of the pores or particles suspended in fluid. For this, we employed NMR techniques based especially on measurements of transverse relaxation times, which when properly combined, allow the construction of two-dimensional maps that correlate properties of the molecular dynamics of fluids saturating these samples at different times of the experiment, providing information on dimensions and time scales involved in the dynamics of fluids saturating the porous media. These maps were obtained from experimental data on water-saturated oil rocks via inversion of two-dimensional Laplace transform. This work was performed using the existing infrastructure in the IFSC NMR laboratories and much of the hardware and software was developed during the doctoral project. We developed a program for processing the one-dimensional inverse Laplace transform data, which was used for studying the adhesion properties of gypsum pellets when subjected to different pressures. Additionally, we developed computational models to simulate physical-chemical properties related to the experiments used for the studies of fluids within porous media. Part of this work included studies performed in Victoria University of Wellington in collaboration with Professor Paul T. Callaghan through the Programa de Doutorado e Estágio no Exterior (PDEE) from CAPES.

O contínuo Tempo Randon Walk desenvolvido por Scher e Montroll é generalizado a fim de incluir as transições de taxas de espaço e o tempo. Tomando o limite contínuo, no passeio de equações aleatórias, uma equação geral de uma carga espacial transportada é obtida. A equivalência entre hopping e transporte através de estados expandidos com armadilhas é mostrado para realizar no espaço uma carga caso. Uma análise dos transportes um processo com dois processos simultâneos condução, por um armadilhagem e alargado a outros estados e por hopping através de armadilhas, é realizada. O Método Substituição Funcional (EFM) é introduzida a fim de obter resultados semi-markofian de Markofian soluções. Soluções específicas são obtidas em campo caso o alto e aproximadas queridos no espaço cobrar caso. Uma aproximação analítica de solução para o potencial superficial de decadência de uma sólida com armadilhas cobrado pela Corona é dada pela utilização do FSM. / The continuous Time Randon Walk developed by Scher and Montroll is generalized in order t o include space and time transitions rates. Taking the continuum limit in the random walk equations a general equation for space charge transport is obtained. The equivalence between hopping and transport via extended states with traps is shown to hold in the space charge case. An analysis of a transport process with two simultaneous conduction process, one by trapping and extended states and the other by hopping via traps, is carried out. The Functional Substitution Method (FSM) is introduced in order to get semi-markofian results from Markofian solutions. Specific exact solutions are obtained in the high field case and approximated ones in the space charge case. An approximated analytical solution for the superficial potential decay of a solid with traps charged by Corona is given by use of FSM.

No presente trabalho são apresentadas soluções analíticas das equações de difusão de nêutrons bidimensionais com dois grupos de energia, a saber, nêutrons rápidos e térmicos em uma placa com propriedades homogêneas. Alem disso, são resolvidos detalhadamente os problemas onde a placa homogênea é substituída por duas e quatro regiões, tornando-os não-homogêneos. A partir da aplicação da transformada de Laplace e da Técnica da Transformada Integral Generalizada (GITT), respectivamente, é resolvida em uma forma analítica o problema de autovalor resultante para o fluxo de nêutrons. No problema heterogêneo são usados filtros para homogenizar as condições de contorno não-homogêneas. Esta é a condição para a aplicação da GITT. Os três problemas mencionados acima são resolvidos aplicando primeiramente a GITT, o qual reduz a dimensão da equação de difusão, seguida da aplicação da transformada de Laplace, o qual reduz a ordem da equação. Deste procedimento, resulta um sistema de equações algébricas dependente das constantes de integração. 0 sistema é resolvido usando a técnica da eliminação de Gauss. Os fluxos transformados pela GITT são recuperados invertendo-se analiticamente a transformada de Laplace usando a expansão de Heaviside, os quais ainda dependem das constantes de integração. A partir da aplicação das condições de contorno e de interface (para os problemas não-homogêneos) obtém-se um sistema de equações algébricas homogêneas, de onde é determinado o fator de multiplicação efetivo Keff pelo método da bissecção. As constantes de integração são determinadas fazendo use da potencia prescrita da placa. Assim, os fluxos de nêutrons transformados pela GITT ficam determinados e os fluxos de nêutrons rápidos e térmicos são recuperados através da formula da inversa da GITT, usando a expansão do potencial. Resultados são comparados com a solução do método de diferenças finitas. / In the present work we present analytical solutions of the bi-dimensional neutron diffusion equation with two energy groups, i.e. fast and thermal neutrons in a sheet with homogeneous properties. Further we solve the detailed problem where the homogeneous sheet is substituted by two and four regions, rendering the problem a non-homogeneous one. Upon application of the Laplace transform and Generalized Integral Transform Tecnique (GITT), respectively, we solve in an analytical fashion the resulting eigenvalue problem for the neutron flux. In the heterogeneous problem, we use filter functions in order to homogenize the non-homogeneous boundary conditions. This is a condition for the application of GITT. We solve the three problems mentioned above applying first GITT, which reduces the dimension of the diffusion equation followed by the Laplace transform, which reduces the order of the equation. This procedure yields a non-homogeneous algebraic system depending on integration constants. The system is solved using the elimination technique by Gauss. The transformed fluxes by GITT are recovered upon inverting analytically the Laplace transform using Heaviside's expansion which depend still on the integration constants. Upon application of the boundary and interface conditions (for the non-homogeneous problem) one obtains a system of homogeneous algebraic equations, where we determine the effective multiplication factor keff by the bisection method. The integration constants are determined making use of the predefined power of the sheet. Thus the neutron fluxes transformed by GITT are determined and the fast and thermal neutron flux are recovered by the inverse formula of GITT, using the potential expansion. Results are compared to the solution by the finite difference method.

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