Dissertation submitted for the degree of Doctor of Philosophy to the University of Warwick, School of Industrial and Business Studies

Tese de mestrado. Estruturas de Engenharia Civil. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2004

Ingeniero Civil de Minas / El presente trabajo tiene como objetivo estudiar el variograma generalizado, herramienta alternativa al variograma tradicional, en yacimientos con presencia de deriva lineal y ver su potencial en la estimación de yacimientos. La motivación del estudio se centra en el sesgo incluido en el variograma tradicional para el cálculo y modelación de variograma teórico en este tipo de yacimientos, no así en el variograma generalizado. Para esto, se realizaron dos casos de estudio; un caso sintético, donde la base de datos fue simulada (valores de variograma teórico y deriva conocidos) para contrastar ambos variogramas (tradicional y generalizado) con el variograma teórico, y un caso real donde los datos pertenecen a un yacimiento cuprífero (con deriva lineal) para la comparación de ambas variografías en la estimación de recursos en base al kriging ordinario y kriging universal. De los resultados, se concluyó que el variograma generalizado mejora (visualmente) la modelación del variograma teórico cuando existe una deriva lineal. Por otra parte, realizando las estimaciones de yacimientos, el kriging universal parece ser una herramienta muy sensible, logrando estimaciones no tan confiables, pero las estimaciones con kriging ordinario logran mejores resultados, disminuyendo los valores fuera de rango y mejorando los recursos mineros, siendo recomendado para este tipo de yacimientos. / Este trabajo ha sido financiado por CONICYT

Nesta tese, mostramos que o modelo estocástico binário para expressão gênica, por um gene auto-regulado, possui solução completa. A solução dependente do tempo é escrita via expansão em termos das funções de Heun confluentes. Apresentamos um exemplo de dinâmica estocástica desse gene. Para tal, desenvolvemos uma relação de recorrência entre derivadas arbitrárias das funções de Heun confluentes. Mostramos também que o regime estacionário deste modelo possui simetria de Lie SO(2, 1) tipo Lorentz. Esta simetria é análoga à simetria do momento angular, porém com um sinal errado. O invariante desta álgebra define a meia-vida relativa do regime dinâmico do gene. O equivalente do momento angular azimutal é uma medida indireta do nível de atividade do gene. Os operadores levantamento e abaixamento conectam diferentes processos estocásticos de expressão proteínica. As flutuações destes processos estocásticos são classificadas em termos das relações entre os etiquetadores de um elemento da representação da álgebra. No arcabouço da teoria dos grupos, o modelo estocástico para um gene externamente regulado aparece como um caso particular do modelo para um gene auto-regulado. Mostramos, por fim, uma comparação entre estas duas estratégias de regulação. Demonstramos que um gene auto-regulado pode expressar proteínas em regimes sub Poisson, Poisson ou super Poisson. Por seu turno, o gene externamente regulado somente expressa proteínas em regimes Poisson ou super Poisson. Portanto, num processo estocástico, a auto-regulação mostra-se como uma forma de controle mais precisa. Também mostramos que a dinâmica de genes auto-regulados possui meia-vida mais curta que a de genes externamente regulados. Ou seja, a auto-regulação permite respostas mais rápidas à perturbações externas. / In this thesis we show that the stochastic binary model to protein synthesis by na auto-regulated gene is completely solvable. The time-dependent solution is written in terms of the confluent Heun functions. We present an example of probability dynamics to this gene. To get that, we developed a recurrence relation between arbitrary derivatives of the confluent Heun functions. We also show the existence of a Lorentz-like Lie symmetry SO(2, 1). This is an analogous to the angular momentum symmetry but presenting one wrong sign in its preserved form. This invariant defines the relative half-life of the dynamical regime of the gene. The equivalent of the azimuth angular momentum measures indirectly the activity level of the gene. The ladder operators connect distinct stochastic processes of protein synthesis. The fluctuations of these processes are classified in terms of the relation between labeling numbers of a representation of the algebra. In the group theory formalism, the stochastic model to an externally regulated gene is a particular case of the model to an auto-regulated gene. We compare these two gene regulation strategies, and show that the auto-regulated gene can synthesize proteins into the super Poisson, Poisson, and sub Poisson fluctuating regimes. The externally regulated gene only presents the super Poisson and Poisson regimes. Therefore, the auto-regulation is responsible for a more precise control of gene expression. We also show that the dynamics of the auto-regulated genes has a shorter half-life. Thus, the auto-regulation permits faster responses of the system to external perturbation.

La visión es uno de los sentidos más importantes que posee el ser humano. Inicialmente la visión por computador trató de imitar al sistema visual humano, pero la cantidad de información captada y procesada es tal, que dicha imitación sigue siendo actualmente una utopía. Por ello, los sistemas de visión por computador se dividen en distintas fases, (captación, preprocesamiento, segmentación, análisis de formas y clasificación de objetos), que son abordadas de manera independiente, aunque existe una gran interrelación entre todas ellas. Esta tesis aporta un nuevo modelo de visión por computador, centrado en las fases de segmentación y análisis de formas, buscando en ambos casos una buena respuesta. Previamente se analiza cuál es el espacio de color más adecuado para plantear el modelo. En la fase de segmentación de imágenes, se comparan dos métodos, uno de ellos utilizando una función de energía y otro mediante la utilización de un umbral. Utilizando el algoritmo definido para la segmentación de imágenes, en la fase de análisis de formas, se consigue definir una única propiedad que describe de manera unívoca cada uno de los objetos de una base de datos, el Histograma de distancias al centroide. / Vision is one of the most important senses that humans have. Initially, computer vision tried to imitate the human visual system, but the amount of captured and processed information is so huge that, nowadays, the imitation is still an Utopia. That is why the computer vision systems are divided into several phases (capture, preprocessing, segmentation, shape analysis and object classification), that are usually tackled independently, although there exists an important interrelation between them. This thesis proposes a new model for computer vision, focused on the segmentation and shape analysis stages, with the aim in both cases of having good results. In a previous study, an analysis to determine the most suitable colour space for the model is done. In the image segmentation phase, two methods are compared, one of them using an energy function and the other using a threshold. The image segmentation algorithm is used in the shape analysis phase to define a unique feature to totally describe an object and to distinguish it from all the others in a data base. This feature is the Distances to Centroid Histogram.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / O estudo dos diferentes fenômenos de separação tem sido cada vez mais importante para os diferentes ramos da indústria e ciência. Devido à grande capacidade computacional atual, é possível modelar e analisar os fenômenos cromatográficos a nível microscópico. Os modelos de rede vêm sendo cada vez mais utilizados, para representar processos de separação por cromatografia, pois através destes pode-se representar os aspectos topológicos e morfológicos dos diferentes materiais adsorventes disponíveis no mercado. Neste trabalho visamos o desenvolvimento de um modelo de rede tridimensional para representação de uma coluna cromatográfica, a nível microscópico, onde serão modelados os fenômenos de adsorção, dessorção e dispersão axial através de um método estocástico. Também foram utilizadas diferentes abordagens com relação ao impedimento estérico Os resultados obtidos foram comparados a resultados experimentais. Depois é utilizado um modelo de rede bidimensional para representar um sistema de adsorção do tipo batelada, mantendo-se a modelagem dos fenômenos de adsorção e dessorção, e comparados a sistemas reais posteriormente. Em ambos os sistemas modelados foram analisada as constantes de equilíbrio, parâmetro fundamental nos sistemas de adsorção, e por fim foram obtidas e analisadas isotermas de adsorção. Foi possível concluir que, para os modelos de rede, os fenômenos de adsorção e dessorção bastam para obter perfis de saída similares aos vistos experimentalmente, e que o fenômeno da dispersão axial influência menos que os fenômenos cinéticos em questão / The study of different phenomena of separation has been most important for the different areas of industry and science. Due to the large computational available, we can model and analyze the chromatographic phenomena at the microscopic level. The network model has been most used to represent processes of separation by chromatography, because through them we are able represent the topological and morphological aspects of different adsorbent materials available on the market. In this work we aim at studying the dynamics of percolation chromatography through the phenomenology of adsorption, desorption and axial dispersion. In this work we aim to develop a three-dimensional network model representation of a chromatographic column, microscopic level, which will model the phenomena of adsorption, desorption and axial dispersion through a stochastic method. After that, a two-dimensional network model is used to represent a system of adsorption in batch, keeping the modeling of the adsorption / desorption, and then compare to real systems. In both systems modeled are analyzed the equilibrium constant, the basic parameter in the adsorption systems, and at the end are obtained and analyzed adsorption isotherms. We concluded for the network models the phenomena of adsorption and desorption were sufficient to obtain output profiles similar to those seen experimentally, the phenomenon of axial dispersion effect unless the kinetic phenomena in question.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / O estudo dos diferentes fenômenos de separação tem sido cada vez mais importante para os diferentes ramos da indústria e ciência. Devido à grande capacidade computacional atual, é possível modelar e analisar os fenômenos cromatográficos a nível microscópico. Os modelos de rede vêm sendo cada vez mais utilizados, para representar processos de separação por cromatografia, pois através destes pode-se representar os aspectos topológicos e morfológicos dos diferentes materiais adsorventes disponíveis no mercado. Neste trabalho visamos o desenvolvimento de um modelo de rede tridimensional para representação de uma coluna cromatográfica, a nível microscópico, onde serão modelados os fenômenos de adsorção, dessorção e dispersão axial através de um método estocástico. Também foram utilizadas diferentes abordagens com relação ao impedimento estérico Os resultados obtidos foram comparados a resultados experimentais. Depois é utilizado um modelo de rede bidimensional para representar um sistema de adsorção do tipo batelada, mantendo-se a modelagem dos fenômenos de adsorção e dessorção, e comparados a sistemas reais posteriormente. Em ambos os sistemas modelados foram analisada as constantes de equilíbrio, parâmetro fundamental nos sistemas de adsorção, e por fim foram obtidas e analisadas isotermas de adsorção. Foi possível concluir que, para os modelos de rede, os fenômenos de adsorção e dessorção bastam para obter perfis de saída similares aos vistos experimentalmente, e que o fenômeno da dispersão axial influência menos que os fenômenos cinéticos em questão / The study of different phenomena of separation has been most important for the different areas of industry and science. Due to the large computational available, we can model and analyze the chromatographic phenomena at the microscopic level. The network model has been most used to represent processes of separation by chromatography, because through them we are able represent the topological and morphological aspects of different adsorbent materials available on the market. In this work we aim at studying the dynamics of percolation chromatography through the phenomenology of adsorption, desorption and axial dispersion. In this work we aim to develop a three-dimensional network model representation of a chromatographic column, microscopic level, which will model the phenomena of adsorption, desorption and axial dispersion through a stochastic method. After that, a two-dimensional network model is used to represent a system of adsorption in batch, keeping the modeling of the adsorption / desorption, and then compare to real systems. In both systems modeled are analyzed the equilibrium constant, the basic parameter in the adsorption systems, and at the end are obtained and analyzed adsorption isotherms. We concluded for the network models the phenomena of adsorption and desorption were sufficient to obtain output profiles similar to those seen experimentally, the phenomenon of axial dispersion effect unless the kinetic phenomena in question.

Nesta tese, mostramos que o modelo estocástico binário para expressão gênica, por um gene auto-regulado, possui solução completa. A solução dependente do tempo é escrita via expansão em termos das funções de Heun confluentes. Apresentamos um exemplo de dinâmica estocástica desse gene. Para tal, desenvolvemos uma relação de recorrência entre derivadas arbitrárias das funções de Heun confluentes. Mostramos também que o regime estacionário deste modelo possui simetria de Lie SO(2, 1) tipo Lorentz. Esta simetria é análoga à simetria do momento angular, porém com um sinal errado. O invariante desta álgebra define a meia-vida relativa do regime dinâmico do gene. O equivalente do momento angular azimutal é uma medida indireta do nível de atividade do gene. Os operadores levantamento e abaixamento conectam diferentes processos estocásticos de expressão proteínica. As flutuações destes processos estocásticos são classificadas em termos das relações entre os etiquetadores de um elemento da representação da álgebra. No arcabouço da teoria dos grupos, o modelo estocástico para um gene externamente regulado aparece como um caso particular do modelo para um gene auto-regulado. Mostramos, por fim, uma comparação entre estas duas estratégias de regulação. Demonstramos que um gene auto-regulado pode expressar proteínas em regimes sub Poisson, Poisson ou super Poisson. Por seu turno, o gene externamente regulado somente expressa proteínas em regimes Poisson ou super Poisson. Portanto, num processo estocástico, a auto-regulação mostra-se como uma forma de controle mais precisa. Também mostramos que a dinâmica de genes auto-regulados possui meia-vida mais curta que a de genes externamente regulados. Ou seja, a auto-regulação permite respostas mais rápidas à perturbações externas. / In this thesis we show that the stochastic binary model to protein synthesis by na auto-regulated gene is completely solvable. The time-dependent solution is written in terms of the confluent Heun functions. We present an example of probability dynamics to this gene. To get that, we developed a recurrence relation between arbitrary derivatives of the confluent Heun functions. We also show the existence of a Lorentz-like Lie symmetry SO(2, 1). This is an analogous to the angular momentum symmetry but presenting one wrong sign in its preserved form. This invariant defines the relative half-life of the dynamical regime of the gene. The equivalent of the azimuth angular momentum measures indirectly the activity level of the gene. The ladder operators connect distinct stochastic processes of protein synthesis. The fluctuations of these processes are classified in terms of the relation between labeling numbers of a representation of the algebra. In the group theory formalism, the stochastic model to an externally regulated gene is a particular case of the model to an auto-regulated gene. We compare these two gene regulation strategies, and show that the auto-regulated gene can synthesize proteins into the super Poisson, Poisson, and sub Poisson fluctuating regimes. The externally regulated gene only presents the super Poisson and Poisson regimes. Therefore, the auto-regulation is responsible for a more precise control of gene expression. We also show that the dynamics of the auto-regulated genes has a shorter half-life. Thus, the auto-regulation permits faster responses of the system to external perturbation.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Vias de Comunicação). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / As técnicas inversas têm sido usadas na determinação de parâmetros importantes envolvidos na concepção e desempenho de muitos processos industriais. A aplicação de métodos estocásticos tem aumentado nos últimos anos, demonstrando seu potencial no estudo e análise dos diferentes sistemas em aplicações de engenharia. As rotinas estocásticas são capazes de otimizar a solução em uma ampla gama de variáveis do domínio, sendo possível a determinação dos parâmetros de interesse simultaneamente. Neste trabalho foram adotados os métodos estocásticos Luus-Jaakola (LJ) e Random Restricted Window (R2W) na obtenção dos ótimos dos parâmetros cinéticos de adsorção no sistema de cromatografia em batelada, tendo por objetivo verificar qual método forneceria o melhor ajuste entre os resultados obtidos nas simulações computacionais e os dados experimentais. Este modelo foi resolvido empregando o método de Runge- Kutta de 4 ordem para a solução de equações diferenciais ordinárias. / The inverse techniques have been used in the determination of parameters involved in design and performance of many industrial processes. The application of stochastic methods has increased in recent years, demonstrating their potential in study and analysis of different systems in engineering applications. Stochastic routines are able to optimize the solution in a wide range of variables, it is possible to determine the parameters of interest simultaneously. In this work two adopted the stochastic methods, Luus-Jaakola (LJ) and Restricted Random Window (R2W), to obtain the optimum parameters for adsorption kinetics in batch chromatography system, aiming to determine which method would provide the best fit between the results obtained in computer simulations and experimental data. This model was solved using the Runge-Kutta 4th order for ordinary differential equations solution.