Interval arithmetic is a means to compute verified results. However, a naive use of interval arithmetic does not provide accurate enclosures of the exact results. Moreover, interval arithmetic computations can be time-consuming. We propose several accurate algorithms and efficient implementations in verified linear algebra using interval arithmetic. Two fundamental problems are addressed, namely the multiplication of interval matrices and the verification of a floating-point solution of a linear system. For the first problem, we propose two algorithms which offer new tradeoffs between speed and accuracy. For the second problem, which is the verification of the solution of a linear system, our main contributions are twofold. First, we introduce a relaxation technique, which reduces drastically the execution time of the algorithm. Second, we propose to use extended precision for few, well-chosen parts of the computations, to gain accuracy without losing much in term of execution time.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / O estudo do fluxo de água e do transporte escalar em reservatórios hidrelétricos é importante para a determinação da qualidade da água durante as fases iniciais do enchimento e durante a vida útil do reservatório. Neste contexto, um código de elementos finitos paralelo 2D foi implementado para resolver as equações de Navier-Stokes para fluido incompressível acopladas a transporte escalar, utilizando o modelo de programação de troca de mensagens, a fim de realizar simulações em um ambiente de cluster de computadores. A discretização espacial é baseada no elemento MINI, que satisfaz as condições de Babuska-Brezzi (BB), que permite uma formulação mista estável. Todas as estruturas de dados distribuídos necessárias nas diferentes fases do código, como pré-processamento, solução e pós-processamento, foram implementadas usando a biblioteca PETSc. Os sistemas lineares resultantes foram resolvidos usando o método da projeção discreto com fatoração LU por blocos. Para aumentar o desempenho paralelo na solução dos sistemas lineares, foi empregado o método de condensação estática para resolver a velocidade intermediária nos vértices e no centróide do elemento MINI separadamente. Os resultados de desempenho do método de condensação estática com a abordagem da solução do sistema completo foram comparados. Os testes mostraram que o método de condensação estática apresenta melhor desempenho para grandes problemas, às custas de maior uso de memória. O desempenho de outras partes do código também são apresentados. / The study of the water flow and scalar transport in water reservoirs is important for the determination of the water quality during the initial stages of the reservoir filling and during the life of the reservoir. For this scope, a parallel 2D finite element code for solving the incompressible Navier-Stokes equations coupled with scalar transport was implemented using the message-passing programming model, in order to perform simulations of hidropower water reservoirs in a computer cluster environment. The spatial discretization is based on the MINI element that satisfies the Babuska-Brezzi (BB) condition, which provides sufficient conditions for a stable mixed formulation. All the distributed data structures needed in the different stages of the code, such as preprocessing, solving and post processing, were implemented using the PETSc library. The resulting linear systems were solved using the projection method implemented by an approximate block LU factorization. In order to increase the parallel performance in the solution of the linear systems, we employ the static condensation method for solving the intermediate velocity at the vertex and centroid nodes separately. We compare performance results of the static condensation method with the approach of solving the complete system. In our tests the static condensation method shows better performance for large problems, at the cost of an increased memory usage. Performance results for other intensive parts of the code in a computer cluster are also presented.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:26:56Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-02-19Bitstream added on 2014-06-13T18:47:53Z : No. of bitstreams: 1 prado_ef_me_sjrp.pdf: 346611 bytes, checksum: 28c34647c269c1cbaea17d3787faa4cf (MD5) / Neste trabalho vamos estudar equações diferenciais ordinárias e analisar seu comportamento ao longo de suas trajetórias, com o principal objetivo de encontar, caso possível, uma função de Lyapunov apropriada para o sistema, isto é, dar condição suficiente e necessária para a existência dessa função. / In this work we study ordinary differential equations and analyse the behavior along of trajectories. The main goal is to find Lyapunov functions for the system when possibel: i e, we want to find necessary and sufficient conditions for the existence of those.

Estudamos a otimização do método SOR clássico, para a resolução de um sistema linear Ax = b, com A não-singular, a partir dos resultados de Young [55, 57] e Varga [50, 51] para matrizes de blocos p-cíclicas consistentemente ordenadas. Num primeiro nível, a otimização refere-se à escolha do parâmetro de relaxação do SOR que produz a maior velocidade de convergência, e, num segundo nível, à escolha da p-ciclicidade que apresenta o melhor desempenho com os valores ótimos do parâmetro, e damos ênfase ao caso 2-cíclico. Além disso, descrevemos a otimização do parâmetro em três generalizações: a) num relaxamento das condições sobre o espectro da matriz de Jacobi associada a A; b) no método SOR para matrizes singulares; c) num novo método SOR, que substitui a decomposição A = D - L - U, onde D, L e U são a diagonal de A, a parte triangular inferior estrita de A e a parte triangular superior estrita de A, pela A = D - P - Q, onde P pertence a uma classe de matrizes constru ída a partir das matrizes-escada. Descrevemos também a aplicação do caso singular às cadeias de Markov, comentamos a computação paralela aplicada ao SOR, e apresentamos diversas simulações relativas à otimização desse método. / We study the optimization of the classic SOR method for solving a linear system Ax = b, where A is a nonsingular p-cyclic consistently ordered block matrix, based on the discoveries of Young [55, 57] and Varga [50, 51]. In a first levei, the optimization refers to the choice of the SOR relaxation parameter, which produces the greatest convergence speed and, in a second levei, to the p-cyclicity that presents the best performance with the optimal parameter values and emphasize the 2- cyclic case. Moreover we describe three SOR generalizations concerning optimization: a) by weakening the conditions on the spectrum of Jacobi matrix associated with A; b) by considering the SOR method for singular matrices; c) by approaching a new SOR, that replaces the splitting A = D - L - U, where O, L and U are the diagonal of A, the strict lower triangular part of A and the strict upper triangular part of A. respectively, by this one A = D - P - Q, where P is a stair matrix or a matrix even more general than a stair matrix. We also describe the application of the singular case to Markov chains, discuss parallel computing applied to SOR method, and present severa! simulations regarding the optimization of that method.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / O estudo do fluxo de água e do transporte escalar em reservatórios hidrelétricos é importante para a determinação da qualidade da água durante as fases iniciais do enchimento e durante a vida útil do reservatório. Neste contexto, um código de elementos finitos paralelo 2D foi implementado para resolver as equações de Navier-Stokes para fluido incompressível acopladas a transporte escalar, utilizando o modelo de programação de troca de mensagens, a fim de realizar simulações em um ambiente de cluster de computadores. A discretização espacial é baseada no elemento MINI, que satisfaz as condições de Babuska-Brezzi (BB), que permite uma formulação mista estável. Todas as estruturas de dados distribuídos necessárias nas diferentes fases do código, como pré-processamento, solução e pós-processamento, foram implementadas usando a biblioteca PETSc. Os sistemas lineares resultantes foram resolvidos usando o método da projeção discreto com fatoração LU por blocos. Para aumentar o desempenho paralelo na solução dos sistemas lineares, foi empregado o método de condensação estática para resolver a velocidade intermediária nos vértices e no centróide do elemento MINI separadamente. Os resultados de desempenho do método de condensação estática com a abordagem da solução do sistema completo foram comparados. Os testes mostraram que o método de condensação estática apresenta melhor desempenho para grandes problemas, às custas de maior uso de memória. O desempenho de outras partes do código também são apresentados. / The study of the water flow and scalar transport in water reservoirs is important for the determination of the water quality during the initial stages of the reservoir filling and during the life of the reservoir. For this scope, a parallel 2D finite element code for solving the incompressible Navier-Stokes equations coupled with scalar transport was implemented using the message-passing programming model, in order to perform simulations of hidropower water reservoirs in a computer cluster environment. The spatial discretization is based on the MINI element that satisfies the Babuska-Brezzi (BB) condition, which provides sufficient conditions for a stable mixed formulation. All the distributed data structures needed in the different stages of the code, such as preprocessing, solving and post processing, were implemented using the PETSc library. The resulting linear systems were solved using the projection method implemented by an approximate block LU factorization. In order to increase the parallel performance in the solution of the linear systems, we employ the static condensation method for solving the intermediate velocity at the vertex and centroid nodes separately. We compare performance results of the static condensation method with the approach of solving the complete system. In our tests the static condensation method shows better performance for large problems, at the cost of an increased memory usage. Performance results for other intensive parts of the code in a computer cluster are also presented.

Orientador: Vanderlei Minori Horita / Banca: Isabel Lugão Rios / Banca: Claudio Aguinaldo Buzzi / Resumo: Neste trabalho vamos estudar equações diferenciais ordinárias e analisar seu comportamento ao longo de suas trajetórias, com o principal objetivo de encontar, caso possível, uma função de Lyapunov apropriada para o sistema, isto é, dar condição suficiente e necessária para a existência dessa função. / Abstract: In this work we study ordinary differential equations and analyse the behavior along of trajectories. The main goal is to find Lyapunov functions for the system when possibel: i e, we want to find necessary and sufficient conditions for the existence of those. / Mestre

Estudamos a otimização do método SOR clássico, para a resolução de um sistema linear Ax = b, com A não-singular, a partir dos resultados de Young [55, 57] e Varga [50, 51] para matrizes de blocos p-cíclicas consistentemente ordenadas. Num primeiro nível, a otimização refere-se à escolha do parâmetro de relaxação do SOR que produz a maior velocidade de convergência, e, num segundo nível, à escolha da p-ciclicidade que apresenta o melhor desempenho com os valores ótimos do parâmetro, e damos ênfase ao caso 2-cíclico. Além disso, descrevemos a otimização do parâmetro em três generalizações: a) num relaxamento das condições sobre o espectro da matriz de Jacobi associada a A; b) no método SOR para matrizes singulares; c) num novo método SOR, que substitui a decomposição A = D - L - U, onde D, L e U são a diagonal de A, a parte triangular inferior estrita de A e a parte triangular superior estrita de A, pela A = D - P - Q, onde P pertence a uma classe de matrizes constru ída a partir das matrizes-escada. Descrevemos também a aplicação do caso singular às cadeias de Markov, comentamos a computação paralela aplicada ao SOR, e apresentamos diversas simulações relativas à otimização desse método. / We study the optimization of the classic SOR method for solving a linear system Ax = b, where A is a nonsingular p-cyclic consistently ordered block matrix, based on the discoveries of Young [55, 57] and Varga [50, 51]. In a first levei, the optimization refers to the choice of the SOR relaxation parameter, which produces the greatest convergence speed and, in a second levei, to the p-cyclicity that presents the best performance with the optimal parameter values and emphasize the 2- cyclic case. Moreover we describe three SOR generalizations concerning optimization: a) by weakening the conditions on the spectrum of Jacobi matrix associated with A; b) by considering the SOR method for singular matrices; c) by approaching a new SOR, that replaces the splitting A = D - L - U, where O, L and U are the diagonal of A, the strict lower triangular part of A and the strict upper triangular part of A. respectively, by this one A = D - P - Q, where P is a stair matrix or a matrix even more general than a stair matrix. We also describe the application of the singular case to Markov chains, discuss parallel computing applied to SOR method, and present severa! simulations regarding the optimization of that method.

Estudamos a otimização do método SOR clássico, para a resolução de um sistema linear Ax = b, com A não-singular, a partir dos resultados de Young [55, 57] e Varga [50, 51] para matrizes de blocos p-cíclicas consistentemente ordenadas. Num primeiro nível, a otimização refere-se à escolha do parâmetro de relaxação do SOR que produz a maior velocidade de convergência, e, num segundo nível, à escolha da p-ciclicidade que apresenta o melhor desempenho com os valores ótimos do parâmetro, e damos ênfase ao caso 2-cíclico. Além disso, descrevemos a otimização do parâmetro em três generalizações: a) num relaxamento das condições sobre o espectro da matriz de Jacobi associada a A; b) no método SOR para matrizes singulares; c) num novo método SOR, que substitui a decomposição A = D - L - U, onde D, L e U são a diagonal de A, a parte triangular inferior estrita de A e a parte triangular superior estrita de A, pela A = D - P - Q, onde P pertence a uma classe de matrizes constru ída a partir das matrizes-escada. Descrevemos também a aplicação do caso singular às cadeias de Markov, comentamos a computação paralela aplicada ao SOR, e apresentamos diversas simulações relativas à otimização desse método. / We study the optimization of the classic SOR method for solving a linear system Ax = b, where A is a nonsingular p-cyclic consistently ordered block matrix, based on the discoveries of Young [55, 57] and Varga [50, 51]. In a first levei, the optimization refers to the choice of the SOR relaxation parameter, which produces the greatest convergence speed and, in a second levei, to the p-cyclicity that presents the best performance with the optimal parameter values and emphasize the 2- cyclic case. Moreover we describe three SOR generalizations concerning optimization: a) by weakening the conditions on the spectrum of Jacobi matrix associated with A; b) by considering the SOR method for singular matrices; c) by approaching a new SOR, that replaces the splitting A = D - L - U, where O, L and U are the diagonal of A, the strict lower triangular part of A and the strict upper triangular part of A. respectively, by this one A = D - P - Q, where P is a stair matrix or a matrix even more general than a stair matrix. We also describe the application of the singular case to Markov chains, discuss parallel computing applied to SOR method, and present severa! simulations regarding the optimization of that method.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2016-02-22T12:19:46Z No. of bitstreams: 1 luizfernandonascimentovasconcellos.pdf: 592098 bytes, checksum: e48a1cd338b2f3a798491febc67e2897 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2016-02-26T14:00:18Z (GMT) No. of bitstreams: 1 luizfernandonascimentovasconcellos.pdf: 592098 bytes, checksum: e48a1cd338b2f3a798491febc67e2897 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-02-26T14:00:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 luizfernandonascimentovasconcellos.pdf: 592098 bytes, checksum: e48a1cd338b2f3a798491febc67e2897 (MD5) Previous issue date: 2014-03-18 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho é voltado para professores e alunos do Ensino Médio. Tem como objetivo mostrar a utilização do Método da Eliminação de Gauss-Jordan para a resolução de sistemas de equações lineares, cálculo de matrizes inversas e cálculo de determinantes. A motivação para a escolha desse tema é que, cada vez mais, o estudo das matrizes, dos determinantes e, consequentemente, dos sistemas de equações lineares vem sendo deixado de lado no Ensino Médio. Inicialmente, é feito um pequeno apanhado sobre o que são matrizes equivalentes e operações elementares, além de se falar sobre cofator de um elemento de uma matriz e sobre matriz adjunta, necessária para o cálculo da inversa utilizando-se determinantes. Apresenta-se um pouco da história de Gauss e de Jordan e, logo em seguida, o método propriamente dito. Também é visto o que acontece com o método quando as matrizes não são invertíveis, os sistemas são possíveis e indeterminados ou os sistemas são impossíveis. Quanto aos determinantes, são apresentadas suas propriedades e mostrada a eficácia do método para determinantes de ordem n 3 e, além disso, é mostrada a aplicação dos determinantes no cálculo de inversas e na resolução de sistemas de equações pela Regra de Cramer. Finalmente, são apresentadas sugestões de exercícios com uma breve resolução. / This work is oriented to teachers and students in the high school. It aims to show the usage of Gauss-Jordan’s Elimination Method to solve systems of linear equations, calculation of inverse matrices and determinants. The motivation behind the selection of this topic is that, more and more, the study of matrices, determinants, and consequently, systems of linear equations has been ignored in the high school. Firstly, an abridgement is done on what equivalent matrices and elementary operations are. Secondly, it explains about the cofactor of an element of a matrix and about adjoint matrices, needed for the calculation of the inverse matrix using determinants. A little introduction of Gauss and Jordan’s histories is made, and then, the method itself. It is also shown what happens with the method when the matrices are not invertible, the systems are possible but undetermined, or, the systems are not possible. Concerning determinants, their properties are presented and the method’s efficacy for determinants of order n 3 is shown and furthermore, it is shown the application of the determinants in the calculation of inverse matrices and resolutions of systems using Cramer’s Rule. Finally, some suggestions for exercises are presented with brief resolutions.

No contexto do mundo contemporâneo, os veículos automotores estão cada vez mais integrados ao cotidiano das pessoas, sendo mais de 1 bilhão deles circulando pelo mundo. Por serem controlados por motoristas, estão sujeitos a falhas decorrentes da inerente condição humana, ocasionando acidentes, mortes e outros prejuízos. O controle autônomo de veículos tem se apresentado como alternativa na busca de redução desses prejuízos, sendo utilizado nas mais diferentes abordagens, por distintas instituições ao redor do planeta. Deste modo, torna-se uma pauta fundamental para o estudo de sistemas de controle. Este trabalho, valendo-se da descrição matemática do comportamento veicular, busca o desenvolvimento e a implementação de um método eficiente de controle autônomo de veículos voltado, principalmente, para a modelagem em espaço de estados. Considerando que mudanças de marchas, principalmente em um cenário de dirigibilidade autônoma, são ações aleatórias, o objetivo desta dissertação é utilizar estratégias de controle baseadas em sistemas lineares sujeitos a saltos Markovianos. / In nowadays society, automobile vehicles are getting more and more integrated to people\'s daily activities, as there are more than 1 billion of them on the streets around the world. As they are controlled by drivers, vehicles are subjected to failures caused by human mistakes that lead to accidents, injuries and others. Autonomous vehicle control has shown itself to be an alternative in the pursuit of damage reduction, and it is applied by different institutions in many countries. Therefore, it is a main subject in the area of control systems. This paper, relying on mathematical descriptions of vehicle behavior, aims to develop and apply an efficient autonomous control method that takes into account state-space formulation. This goal will be achieved by the use of control strategies based on Markovian Jump Linear Systems that will describe the highly non-linear dynamics of the vehicle in different operation points.