Neste trabalho propomos um novo método para determinar a temperatura rotacional a partir de um espectro ro-vibracional quando uma única distribuição de Boltzmann é insuficiente. Esta temperatura é uma estimativa da temperatura do gás e, este parâmetro está relacionado às taxas de reações físico-químicas que ocorrem no plasma. Nosso procedimento é baseado em uma forma de estatística conceitualmente bem estabelecida que foi desenvolvida por C. Tsallis. Estudamos o Primeiro Sistema Negativo da molécula de nitrogênio e o Segundo Sistema Positivo de seu íon molecular ( que ocorrem em plasmas frios. Nossos resultados indicam que uma única distribuição de equilíbrio de Tsallis é capaz de descrever a ocupação dos níveis rotacionais dos sistemas estudados, mesmo quando classicamente são necessárias mais de uma distribuição de equilíbrio de Boltzmann. Nossos resultados mostram que a temperatura obtida por esta nova abordagem (TS) coincide com aquela escolhida como estimativa da temperatura rotacional através do método de combinação linear de distribuições de Boltzmann. Numericamente, reduzimos o número de parâmetros livres para: a temperatura do sistema TS e o parâmetro entrópico q. Conceitualmente atribuímos apenas uma temperatura aos sistemas estudados. Esta nova forma de interpretar a ocupação dos níveis rotacionais, baseada na estatística não extensiva de Tsallis, pode ser usada em outros tipos de moléculas, o que facilitaria a estimativa da temperatura em outros tipos de plasmas frios moleculares.

Inicialmente apresenta-se alguns conceitos básicos da mecânica estatística de não-equilíbrio necessários para melhor compreensão deste trabalho. Efetua-se um estudo sistemático da descrição cinética de plasmas completamente ionizados baseando-se em dois formalismos distintos. O primeiro é baseado na dinâmica da densidade microscópica de partículas e denominado de método dos momentos estatísticos de Klimontovich. O segundo, desenvolvido por Prigogine e Balescu, é denominado de dinâmica das correlações. Procura-se expor o assunto de modo didático e mostra a relação íntima que existe entre os dois formalismos. Começando com a equação de moviemnto para uma carga de prova deslocando-se num plasma completamente ionizado, e aplicando a técnica da órbita não perturbada de Thompson-Hubbard, analisa-se microscopicamente a origem dos termos de polarização e estatísticos da potência de frenamento devido à interação da carga de prova com o plasma. Inicia-se também como calcular estes termos utilizando tanto o formalismo de Klimontovich como o formalismo da hierarquia BBGKY. Como uma aplicação do formalismo cinético de Klimontovich, calculou-se explicitamente o componente estatístico da potência dissipada por uma carga de prova decorrente da interação com um plasma completamente ionizado e com um campo externo de um laser. Com base no modelo cinético de Vlasov-Poisson, inicialmente obteve-se a expressão para o poder de frenamento do plasma sob a influência de um laser em resposta ao movimento de um feixe de partículas. Aplicou-se a expressão obtida para o caso particular de um feixe constituído de duas cargas de prova. Calculou-se, então, para este caso particular, tanto o efeito do laser como o efeito da correlação entre as partículas do feixe sobre o poder de frenamento do plasma.

Apresenta-se nesta tese os resultados de aplicações do formalismo da Mecânica Estatística em dois problemas independentes. O primeiro diz respeito a um modelo para Evolução do Acasalamento Preferencial no processo de Especiação Simpátrica; enquanto que o segundo refere-se ao desenvolvimento de um algoritmo de aprendizado por meio de Inferência Aproximativa. No problema biológico estudado, cada indivíduo em um modelo de agentes é composto por dois traços. Enquanto um é responsável pela ecologia do indivíduo, o outro dita uma aparência física descorrelacionada com a adaptabilidade. Esses traços são expressos por diferentes loci que estão ligados entre si por uma taxa de recombinação. O modelo inclui também a possibilidade de evolução da preferência sexual dos indivíduos. Foi construído para esse modelo um diagrama de fases no espaço dos parâmetros que descrevem o ambiente como, por exemplo, quantidades de recursos e deficiência do indivíduo híbrido. Foram encontradas três fases de equilíbrio: (i) emergência de Acasalamento Preferencial; (ii) extinção de um dos alelos do locus responsável pela ecologia e (iii) equilíbrio Hardy-Weinberg. Foi verificado que o acasalamento preferencial pode emergir ou mesmo ser perdido (e vice-versa) em resposta a mudanças no ambiente. Além disso, o sistema apresenta memória característica típica de transições de primeira ordem, o que permitiu a descrição desse sistema biológico por meio do arcabouço da Mecânica Estatística. Em relação à Inferência Aproximativa, está-se interessado na construção de um algoritmo de aprendizado supervisionado por meio da técnica de Propagação de Expectativas. Mais especificamente, pretende-se inferir os parâmetros que compõem um Perceptron Professor a partir do conjunto de pares - entradas e saídas - que formam o conjunto de dados disponíveis. A estimativa desses parâmetros será feita pela substituição de uma distribuição Posterior original, geralmente intratável, por uma distribuição aproximativa tratável. o algoritmo Propagação de Expectativas foi adotado para a atualização, passo a passo, dos termos que compõem essa distribuição aproximativa. Essa atualização deve ser repetida até que a convergência seja atingida. Utilizando o Teorema do Limite Central e o método de Cavidade, foi possível obter um algoritmo genérico e que apresentou desempenho bastante evidente em dois modelos estudados: o modelo do Perceptron Binário e o modelo do Perceptron Gaussiano, com desempenho ótimo em ambos os casos. / This thesis presents applications of the framework of Statistical Mechanics to two independent problems. The first corresponds to a computational model for the evolution of Assortative Mating in the Sympatric Speciation process; and the second a learning algorithm built by means of a Bayesian Inference approach. In the biological problem each individual in an agent-based model is composed of two traits. One trait, called the ecological trait, is directly related with the fitness; the other, called the marker trait, has no bearing on the fitness. The traits are determined by different loci which are linked by a recombination rate. There is also the possibility of evolution of mating preferences, which are inherited from the mother and subject to random variations. The study of the phase diagram in the spa e of parameters describing the environment (like carrying capacity and disruptive selection) reveals the existence of three phases: (i) assortative mating; (ii) extinction of one allele from ecological loci; and (iii) Hardy-Weinberg equilibrium. It was verifed that the assortative mating an emerge or even be lost (and vice-versa) acording with the environmental hanges. Moreover, the system shows memory of the initial condition, characterising a hysteresis. Hysteresis is the signature of first order phase transition, which allows the description of the system by means of the Statistical Mechanics framework. In relation to the Bayesian Inference, a supervised learning algorithm was constructed by means of the Expectation Propagation approach. The idea is to estimate the parameters which compose a Teacher Perceptron by the substitution of the original posterior distribution, intra table, by a tractable approximative distribution. The step-by-step update of the terms composing the approximative distribution was performed by using the Expectation Propagation algorithm. The update must be repeated until the convergence ocurrs. Using the Central Limit Theorem and the Cavity Approah, it was possible to get a generic algorithm that has shown a very good performance in two application scenarios: The Binary Perceptron Model and the Gaussian Perceptron Model.

In this thesis, we explore the potential of employing Statistical Mechanics techniques to study economic systems, showing how such an approach could greatly contribute by allowing the study of very complex systems, exhibiting rich behavior such as phase transitions, criticality and glassy phases, which are not found in the usual economic models. We exemplify this potential via three specific problems: (i) a Statistical Mechanics framework for dealing with irrational consumers, in which the rationality is set by a parameter akin to a temperature which controls deviations from the maximum of his utility function. We show that an irrational consumer increases the economic activity while decreasing his own utility; (ii) an analysis using Information Theory of real world Input-Output matrices, showing that the aggregation methods used to build them most likely underestimated the dependency of the production chain on a few crucial sectors, having important consequences for the analysis of these data; (iii) a zero intelligence model in which agents with a power law distributed initial wealth randomly trade goods of different prices. We show that this initial inequality generates a higher inequality in free cash, reducing the overall liquidity in the economy and slowing down the number of trades. We discuss the insights obtained with these three problems, along with their relevance for the larger picture in Economics. / Nesta tese, exploramos o potencial de ser usar técnicas de Mecânica Estatística para o estudo de sistemas econômicos, mostrando como tal abordagem pode contribuir significativamente ao permitir o estudo de sistemas complexos que exibem comportamentos ricos como transições de fase, criticalidade e fases vítreas, não encontradas normalmente em modelos econômicos tradicionais. Exemplificamos este potencial através de três problemas específicos: (i) um framework de Mecânica Estatística para lidar com consumidores irracionais, no qual a racionalidade é controlada pela temperatura do sistema, que define o tamanho dos desvios do estado de máxima utilidade. Mostramos que um consumidor irracional aumenta a atividade econômica ao mesmo tempo que diminui seu próprio bem estar; (ii) uma anáise usando Teoria da Informação de matrizes Input-Output de economias reais, mostrando que os métodos de agregação utilizados para construí-las provavelmente subestima a dependência das cadeias de produção em certos setores cruciais, com consequências importantes para a analíse destes dados; (iii) um modelo em que agentes com uma riqueza inicial distributida como lei de potências trocam aleatoriamente objetos com preços distintos. Mostramos que esta desigualdade inicial gera uma desigualdade ainda maior em dinheiro livre, reduzindo a liquidez total na economia e diminuindo a quantidade de trocas. Discutimos as consequências dos resultados destes três problemas, bem como sua relevância na perspectiva geral em Economia.

Vidros de spins são sistemas extremamente complexos caracterizados por um número enorme de estados estáveis e meta estáveis. Se identificarmos cada um desses estados com uma informação memorizada, esses sistemas podem ser utilizados como memórias associativas ou endereçáveis por conteúdo. O modelo de vidro de spins passa então a ser chamado de rede de neurônios. Neste trabalho estudamos a termodinâmica e alguns aspectos dinâmicos de uma rede de neurônios com processamento paralelo ou síncrono - o Modelo de Little de memória associativa - no regime em que o número de informações memorizadas p cresce como p = αN, onde N é o número de neurônios. Usando a teoria simétrica em relação às réplicas obtemos o diagrama de fases no espaço de parâmetros do modelo no qual incluímos um termo de autointeração dos neurônios.A riqueza do diagrama de fases que possui uma superfície de pontos tricríticos é devida à competição entre os dois regimes assintóticos da dinâmica síncrona: pontos fixos e ciclos de período dois. / Spin glasses are very complex systems characterized by a huge number of stable and metastable states. If we identify each state with a memorized information then spin glasses may be used as associative or content addressable memories. This spin glass model is then called a neural network. In this work we study the thermodynamics and some dynamical aspects of a neural network with parallel or synchronous processing - Little\'s model of associative memory -in the regime where the number of memorized informations p grows as p = αN, where N is the number of neurons. Using the replica symmetric theory we determine the phase diagram in the space of the model\'s parameters, in which we include a neural self interaction term. The richness of the phase diagram which possesses a surface of tricritical points is due to the competition between the two asymptotic dynamical behaviours of the synchronous dynamics: fixed points and cycles of lenght two.

Resolvemos o modelo de d´meros em duas redes planas diferentes, a rede 4-8 e a rede hexagonal (favo de mel). Na rede 4-8 ocorre uma transição do tipo Ising (bidimensional); na rede hexagonal há uma transição conhecida como 3/2. Após a definição do modelo mostramos que o cálculo da função de partição pode ser formulado em termos do traço de uma matriz de transferência escrita numa representação de matrizes de Pauli. Usando a transformação de Jordan-Wigner, os operadores de Pauli são transformados em operadores de criação e aniquilação de férmions, e a matriz de transferência pode ser diagonalizada pela redução a um problema de férmions livres. Comparamos as soluções do modelo de dímeros na rede 4-8 e do modelo de Ising bidimensional; em particular, comparamos o comportamento do calor específico e analisamos o espectro da matriz de transferência. Verificamos que as nossas soluções concordam com resultados obtidos pelas técnicas combinatórias. Utilizamos a formulação da matriz de transferência para construir uma versão de tempo contínuo dos modelos de dímeros nas redes quadrada, 4-8 e hexagonal. Ao contrário do modelo de Ising, no caso dos dímeros essa aproximação de tempo contínuo altera a natureza do comportamento crítico. / We solve the dimer model on two different planar lattices, the 4-8 lattice and the honeycomb lattice. In the dimer model on the 4-8 lattice there is a phase transition of the (two-dimensional) Ising type; on the honeycomb lattice there is a phase transition known as 3/2. After defining the model we show that the calculation of the partition function can be formulated as the trace of a transfer matrix that is written in terms of Pauli matrices. Using the Jordan-Wigner transformation, the Pauli matrices give rise to fermion creation and annihilation operators, and the problem is reduced to the diagonalization of a system of free fermions. We compare the solutions of the dimer model on the 4-8 lattice and of the two-dimensional Ising model; in particular, we compare the behavior of the specific heat and we analyze the spectrum of the transfer matrix. These solutions agree with well-known results from combinatorial techniques. We then use the transfer matrix approach to obtain a continuum time formulation for the dimer models on the square, 4-8 an d honeycomb lattices. In contrast to the Ising case, for the dimer models this approximation changes the nature of critical behavior.

Orientador: Thomas Logan Ritchie / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Matemática, 2013

Estudamos o comportamento crítico e transições de fase em modelos estocásticos irreversíveis, através de simulações numéricas, análise de campo médio e séries perturbativas. Na primeira parte do trabalho, analisamos o comportamento crítico de autômatos celulares irreversíveis, cujas regras dinâmicas são invariantes sob as operações de simetria do grupo C3v. Estudamos as transições de fase dinâmicas que ocorrem nos modelos e obtemos, através de simulações de Monte Carlo, expoentes críticos estáticos e dinâmicos. Nossos resultados indicam que os modelos pertencem a mesma classe de universalidade do modelo de Potts de três estados. Essa conjectura também foi desenvolvida considerando expansões análogas àquelas utilizadas na teoria de Landau de transições de fase. Na segunda parte do trabalho utilizamos o formalismo de operadores como uma forma ele abordar problemas de sistemas ele não-equilíbrio. Aplicamos o formalismo para construir séries perturbativas para modelos irreversíveis ele dois estados. / We study the critical behavior and phase transitions that take place in irreversible stochastic models through numerical simulations, mean field analysis and perturbative series. In the first part of this work we analyze the critical behavior of irreversible cellular automata whose dynamic rules are invariant under the symmetry operations of the point group C3v. We study the dynamical phase transitions that occur in the models and we obtain the static and dynamic critical exponents by the use of Monte Carlo simulations. Our results indicate that these models are in the same universality class as the three-state Potts model. This conjecture is also developed by considering expansions that are similar to those used in the Landau theory of phase transitions. In the second part of this work we use the operator fonnalism as a way to approach non- equilibrium systems. We apply this fonnalism in order to build perturbative series for two-state irreversible models.

A caracterização estática dos sistemas caóticos clássicos dissipativos tem sido realizada através do cálculo das dimensões generalizadas \'D IND. q\' e do espectro de singularidades f(alfa). Os métodos mais comuns de cálculo numérico dessas funções utilizam algoritmos de contagem de caixa. Porém, esses algoritmos produzem um erro sistemático através de \'caixas espúrias\', levando a resultados distorcidos. Por essa razão, estudamos métodos numéricos que não utilizam o algoritmo de contagem de caixa, verificando em que casos eles podem ser aplicados eficazmente e propusemos um novo algoritmo de contagem de caixa que reduz o número de \'caixas espúrias\', obtendo melhores resultados. / The static caracterization of classical dissipative chaotical systems has been achieved by the calculation of the generalized dimensions \'D IND. q\' and the spectrum of singularities f(alfa). The most used numerical methods of evaluating these functions are based on box counting algorithms. The results obtained by those methods are distorced by the presence of \'spurious boxes\' generated intrinsecally by these algorithms. For this reason, we have studied numerical methods that don\'t use box counting algorithms, and we have tried to verify in which kind of sets they give best results. We also have proposed a new box counting algorithm that reduces the number of \'spurious boxes\', and led to better results.

Nós trabalhamos em três problemas relacionados com as teorias de gauge a temperatura finita. O primeiro discute a invariância de gauge da massa física do elétron num espaço de dimensão arbitrária a temperatura zero. Obtivemos a massa física a partir do polo do propagador fermiônico e demonstramos que a maneira usual de definir este propagador funciona para gauges covariantes mas não para gauges não covariantes. Em seguida propusemos um novo propagador e verificamos de duas formas diferentes que a massa física obtida a partir deste funciona para um gauge definido com parâmetros de controle tais que ele possa ser generalizado para as duas classes estudadas. O segundo problema é sobre a interação de n fótons num espaço de (1+1) dimensões no limite de altas temperaturas. Usando o formalismo de tempo imaginário e o modelo de Schwinger, mostramos que todos os termos das amplitudes causais retardadas com um ou mais loops têm contribuição nula. Interpretamos fisicamente este resultado e fizemos um paralelo de como ele se relaciona com a invariância CPT da teoria. A última parte é relacionada à gravitação quântica em (3+1) dimensões. Discutimos a possibilidade de obtermos as funções de n grávitons 1PI nos limites estático e de comprimento de onda longo em função de polinômios que podem ser escritos e relacionados de uma maneira simples. Para tanto, usamos as identidades de Ward e a invariância de Weyl de forma a relacionar as funções de n e (n+1) grávitons. Em seguida, utilizamos o formalismo da equação de transporte de Boltzmann para compreender melhor os resultados. / We have worked in three problems related to finite temperature gauge theory. The first one discusses the gauge invariance of the electron physical mass in an arbitrary dimension space at zero temperature. We have obtained the physical mass from the pole of the fermion propagator and we have demonstrated that the usual form to define this propagator works well for covariant gauges, but not for non covariant gauges. Then, we have proposed anew fermion propagator and we verified in two different ways that the physical mass obtained from this new one works for a gauge defined with control parameters so that it could be generalized for both classes studied. The second problem is on the n photon interaction in a space with (1+1) dimensions at hard thermal loops. Using the imaginary time formalism and the Schwinger\'s model, we have shown that all terms of the retarded causal amplitudes with one or more loops have null contribution. We have got a physical interpretation of this result and we have done a parallel of how it relates with the CPT invariance of this theory. The last one is related with quantum gravitation in (3+1) dimensions. We have discussed the possibility to obtain the 1PI n graviton functions in static and long-wavelength limits from polynomials which could be written and related in a simple manner. To this end, we used the Ward identities and the Weyl invariance to relate the n and (n+1) graviton functions. Then, we used the Boltzmann transport equation formalism to get a better understanding of the results.