Discrete-state, continuous-time Markov models are becoming commonplace in the modelling of biochemical processes. The mathematical formulations that such models lead to are opaque, and, due to their complexity, are often considered analytically intractable. As such, a variety of Monte Carlo simulation algorithms have been developed to explore model dynamics empirically. Whilst well-known methods, such as the Gillespie Algorithm, can be implemented to investigate a given model, the computational demands of traditional simulation techniques remain a significant barrier to modern research. In order to further develop and explore biologically relevant stochastic models, new and efficient computational methods are required. In this thesis, high-performance simulation algorithms are developed to estimate summary statistics that characterise a chosen reaction network. The algorithms make use of variance reduction techniques, which exploit statistical properties of the model dynamics, so that the statistics can be computed efficiently. The multi-level method is an example of a variance reduction technique. The method estimates summary statistics of well-mixed, spatially homogeneous models by using estimates from multiple ensembles of sample paths of different accuracies. In this thesis, the multi-level method is developed in three directions: firstly, a nuanced implementation framework is described; secondly, a reformulated method is applied to stiff reaction systems; and, finally, different approaches to variance reduction are implemented and compared. The variance reduction methods that underpin the multi-level method are then re-purposed to understand how the dynamics of a spatially-extended Markov model are affected by changes in its input parameters. By exploiting the inherent dynamics of spatially-extended models, an efficient finite difference scheme is used to estimate parametric sensitivities robustly. The new simulation methods are tested for functionality and efficiency with a range of illustrative examples. The thesis concludes with a discussion of our findings, and a number of future research directions are proposed.

Les alliages de zirconium sont utilisés pour fabriquer des gaines de combustible ainsi que des assemblages combustibles des réacteurs nucléaires à eau sous pression. Sous irradiation, ils montrent un changement dimensionnel communément appelé croissance. Des observations expérimentales ont montré qu'au-dessus d'une dose seuil, ces alliages sont sujets à une croissance accélérée appelée "breakaway". Il a été bien établi que la formation sous irradiation de boucles de dislocation ‹a› et ‹c› est directement responsables de la croissance des alliages de zirconium sous irradiation et que l’apparition des boucles ‹c› est corrélée avec cette accélération de croissance. Cependant, les mécanismes de germination des boucles qui semblent influencés par la présence d’éléments d’alliage sont encore mal compris. Afin d'améliorer notre compréhension des mécanismes élémentaires, une approche multi-échelle a été utilisée pour simuler l'évolution de la microstructure du zirconium sous irradiation. Des calculs à l’échelle atomique basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et sur des potentiels empiriques sont utilisés dans un premier temps pour déterminer les propriétés des amas de défauts ponctuels (boucles de dislocation, cavités, pyramides de fautes d’empilement). Les résultats obtenus sont ensuite insérés en tant que paramètres d'entrée dans un code Monte Carlo cinétique d'objet (OKMC) qui nous permet de simuler l’évolution de la microstructure du matériau sous irradiation, et donc de prédire la croissance. Nos résultats montrent qu’il est nécessaire de considérer une migration anisotrope de la lacune pour prédire l’accélération de croissance. / Zirconium alloys are used to manufacture fuel cladding as well as fuel assemblies of pressurized water nuclear reactors. Under irradiation, they show a dimensional change commonly called growth. Experimental observations have shown that above a threshold dose, these alloys are subject to accelerated growth called "breakaway". It has been well established that the irradiation formation of <a> and <c> dislocation loops is directly responsible for the growth of irradiated zirconium alloys and that the appearance of <c> loops is correlated with this growth acceleration. However, the nucleation mechanisms of the loops that seem to be influenced by the presence of alloying elements are still poorly understood. In order to improve our understanding, a multi-scale modelling approach has been used to simulate the evolution of zirconium microstructure under irradiation. Atomic-scale calculations based on the density functional theory (DFT) and empirical potentials are used to determine the properties of clusters of point defects (dislocation loops, cavities, pyramids of stacking faults). The results obtained are then used as input parameters of an object kinetic Monte Carlo (OKMC) code which allows us to simulate the microstructure evolution of the material under irradiation. Our results show that it is necessary to consider an anisotropic migration of the vacancies to predict the growth acceleration.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Físicas e Matemáticas, Programa de Pós-Graduação em Física, Florianópolis, 2017. / Made available in DSpace on 2018-01-16T03:23:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 349287.pdf: 1892073 bytes, checksum: 25285d74574ea25b39a94d6887148251 (MD5) Previous issue date: 2017 / Nesta tese investigamos alguns teoremas de flutuação do trabalho, enfatizando aqueles propostos por Jarzynski e por Crooks. A ideia básica por trás desses teoremas é a relação existente entre a diferença de energia livre entre dois estados termodinâmicos de um sistema e o valor médio do trabalho realizado por um agente externo em processos que evoluem num tempo finito através de rotas de não equilíbrio entre os mesmos estados termodinâmicos. Testamos a validade desses teoremas através de cálculos analíticos da energia livre e simulações computacionais para processos fora do equilíbrio. Particularmente, investigamos o modelo de Ising unidimensional, modelo que possui solução analítica, e comparamos com integrações num ensemble de trajetórias onde o parâmetro de controle externo pode ser uma força externa, ou um campo magnético aplicado ao sistema. Os resultados obtidos corroboram as previsões desses teoremas. Também investigamos transições de fase em modelos magnéticos segundo a perspectiva desses teoremas. Apresentamos resultados para um modelo com interações de troca ferro- e antiferromagnética, o chamado modelo metamagnético. Investigamos o comportamento desses teoremas de flutuação quando cruzamos as fronteiras de fase de primeira e segunda ordem desse modelo no plano campo magnético versus temperatura. / Abstract : In this thesis we investigate some fluctuation theorems, among them those proposed by Jarzynski and Crooks. The basic idea behind these theorems is the relationship between the free energy difference between two thermodynamic states of a system and the average work performed by an external agent in a finite time through non equilibrium paths between the same thermodynamic states. We test the validity of these theorems through free energy analytical calculations and simulations for out-of-equilibrium processes. In particular, we investigate the one-dimensional Ising model, which has an analytical solution, and compare it with integrations in an ensemble of trajectories where the external control parameter can be an external force, or the magnetic field applied to the system. The results are in agreement with the predictions of these theorems. We also investigate phase transitions in magnetic models from the perspective of these theorems. We present results for a model with ferro- and antiferromagnetic exchange interactions, the so-called metamagnetic model. We investigate the behavior of these fluctuation theorems when we cross the first and second order phase boundaries in the magnetic field versus temperature plane.

Arquitecto / aprecia un evidente deterioro físico en su imagen, que se debe como consecuencia al decaimiento en el área económica al cual responden todas sus actividades: la agricultura. Tanto el estado como empresas privadas han empezado a incorporar en sus inversiones proyectos que tengan relación con el mejoramiento agrícola y nuevas tecnologías enfocadas a pequeños empresarios y agricultores de la zona rural. La comuna de El Monte, esta incorporada dentro de los Proyectos FNDR (Fondo Nacional de Desarrollo Rural), que cada año otorga el Gobierno Regional junto con Indap y su Programa de Desarrollo Local (PRODESAL), destinados específicamente al sector Silvoagropecuario, lo cual hace factible la realización de proyectos de arquitectura que sirvan de soporte para una nueva educación tecnificada en esta área, y junto con esto, nace también la principal motivación de realizar este proyecto, contribuyendo con ideas y propuestas reales a una comunidad que lo necesita. Al reconocer el espíritu del lugar, sin duda, lo primero en que pensamos es en la tierra, sustento y proveedora de todo cuanto hacemos, desde cultivar hasta construir, se debe intervenir en la tierra, de diversas maneras. Es así, como la intervención arquitectónica, se plantea en alusión a los surcos que deja el paso del arado, donde la tierra queda en dos niveles, el más alto dónde crecerá la planta, y el surco, por dónde pasará el agua, lo que permite que las cosechas sean abastecidas de agua correctamente y evitar la erosión de la tierra. Este acto, reúne y relaciona tierra, agua y hombre, de manera ordenada y lógica, donde cada elemento actúa en relación complementaria con el otro. Esta experiencia a sido practicada por siglos con el fin de mantener la propia existencia. De esta forma, la arquitectura intenta vincular la ciudad con la tierra y la tierra con el habitante (agricultor), arraigándose así con la propia identidad y vocación del lugar.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnologico / Made available in DSpace on 2016-01-08T21:56:12Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 1997 / Modelo matemático e computacional que revê o cálculo dos "Spot Prices" horários da eletricidade com a incorporação das características não lineares e "pontos válvula" na função custo das unidades de geração de energia elétrica. Consistindo no cálculo apropriado dos custos marginais do sistema de geração, através do Algoritmo Genético Proposto (AGP), visando eliminar as dificuldades apresentadas pela aplicação dos métodos clássicos. Adotam-se conceitos associados ao mercado livre de energia para estimular a eficiência dos sistemas elétricos de potência. Este sistema é representado através do fluxo linearizado de potência ativa e constitui a ferramenta básica para a avaliação do custo das perdas do sistema de transmissão e para a distribuição espacial dos preços. São calcutados e avaliados os "Spot Prices" horários da eletricidade do sistema global e por barra, através do Método de Simulação Monte Carlo. O uso do modelo proposto é ilustrado através de uma aplicação com o "Sistema Teste de Confiabilidade do IEEE" RTS-IEEE.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Físicas e Matermáticas. Programa de Pós-graduação em Física / Made available in DSpace on 2013-06-26T00:01:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 310224.pdf: 4063561 bytes, checksum: d45faf79cb286660546a8987c4a74a6e (MD5) / Nesta dissertação é apresentado o estudo de um modelo de rede simplificado que, através de uma abordagem mecânica estatística, busca descrever alguns mecanismos relacionados ao crescimento de tumores. Sítios de uma rede regular podem estar vazios ou ocupados por células normais ou cancerígenas. A evolução temporal da densidade de células é descrita através de uma equação Mestra, cujas taxas de transição dependem essencialmente das taxas de divisão celular, consideradas diferentes para cada tipo de célula. Trata-se de um modelo competitivo, cujos estados estacionários são determinados em função das taxas de divisão. Inicialmente, foram empregadas aproximações de campo médio de um e dois sítios, e posteriormente, simulações de Monte Carlo foram realizadas, para levar em conta o importante papel desempenhado pelas flutuações. / This dissertation presents the study of a simplified model, which through a statistical mechanics approach, try to describe some mechanisms related to tumor growth. The sites of a regular lattice can be empty or occupied by normal or cancer cells. The temporal evolution of the density of cells is described by a Master equation, whose transition rates depend essentially on the rate of cell division, considered to be different for each cell type. This is a competitive model, whose stationary states are determined as a function of the cell's division rates. Initially, we have employed mean field approximations, of one and two sites, and afterwards Monte Carlo simulations were performed to take into account the important role played by fluctuations.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Físicas e Matemáticas. Programa de Pós-Graduação em Física / Made available in DSpace on 2012-10-22T06:47:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 225288.pdf: 980048 bytes, checksum: 2008f5fa19f08bc2581100816a8426d1 (MD5) / Estudamos as propriedades magnéticas de sistemas finitos, em particular, de pequenas partículas formadas por um reduzido número de momentos magnéticos. Consideramos modelos simplificados onde os spins podem ser representados por variáveis de Ising ou contínuas. No caso em que as variáveis de spin são discretas, os modelos foram estudados em redes bidimensionais com simetria hexagonal. Para uma partícula cujos spins se acoplam antiferromagneticamente em seu núcleo, mostramos que as curvas de histerese e as suas correspondentes assimetrias devem ser atribuídas a uma desordem magnética do tipo vidro de spin na superfície da partícula. Mostramos ainda que para uma partícula ferrimagnética, formada por camadas alternadas de spins de Ising =1/2 e S=1 numa rede hexagonal, o ponto de compensação ocorre somente se o acoplamento entre os spins for ferromagnético. Para spins contínuos, modelos de Heisenberg clássicos, tanto ferro- quanto antiferromagnéticos, foram estudados em três dimensões, em função da temperatura, da anisotropia uniaxial e do campo magnético. Particularmente, no caso de interações antiferromagnéticas, determinamos o diagrama de fases do sistema no plano campo magnético versus temperatura, nos casos em que o campo é paralelo ou perpendicular ao eixo de fácil magnetização da partícula. Os campos de transição e suas dependências na temperatura foram determinados em função do diâmetro da partícula considerada. Em todos os estudos realizados neste trabalho utilizamos sistematicamente simulações de Monte Carlo e aproximações de campo médio.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Físicas e Matemáticas. Programa de Pós-Graduação em Física. / Made available in DSpace on 2012-10-20T14:46:27Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / O propósito deste trabalho é apresentar modelos teóricos para estudar a dinâmica e a morfologia de estruturas formadas através de processos de eletrodeposição. Para descrever a formação dos depósitos obtidos por esses modelos são utilizadas simulações de Monte Carlo, e conceitos de escala são empregados na caracterização de suas propriedades de crescimento e rugosidade. O primeiro modelo estudado teve como objetivo o entendimento da formação de textura em um processo de eletrodeposição. Considera-se a deposição aleatória de partículas com uma orientação escolhida dentro de um conjunto discreto de direções possíveis. O outro modelo desenvolvido neste trabalho é dedicado à descrição do processo de eletrodeposição, dando-se ênfase ao processo de nucleação instantânea onde foi possível obter transientes de corrente em função do tempo e também voltamogramas típicos aos obtidos experimentalmente. Para ambos os modelos estudados foi possível determinar os expoentes de rugosidade a, de crescimento b e o dinâmico z que estão de acordo com a relação de escala de Family-Vicsek.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:31:18Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:00:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 01360.pdf: 3979738 bytes, checksum: c9e0c2c49da1feb758aa2e646e3ebad5 (MD5) / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Dissertação (mestrado)-Universidade de Brasília, Faculdade de Economia, Administração e Contabilidade, Departamento de Economia, 2010 / Submitted by Luciana Monteiro de Barros Reis (lmbreis@gmail.com) on 2012-01-09T14:59:21Z No. of bitstreams: 1 2010_ClaudiaNatalinaPortaldeMatos.pdf: 1316098 bytes, checksum: ecd7109c907b1352c696c5e37ccbc7ac (MD5) / Rejected by Marília Freitas(marilia@bce.unb.br), reason: on 2012-01-10T13:13:23Z (GMT) / Submitted by Luciana Monteiro de Barros Reis (lmbreis@gmail.com) on 2012-01-11T11:35:18Z No. of bitstreams: 1 2010_ClaudiaNatalinaPortaldeMatos.pdf: 1316098 bytes, checksum: ecd7109c907b1352c696c5e37ccbc7ac (MD5) / Approved for entry into archive by Marília Freitas(marilia@bce.unb.br) on 2012-01-11T12:00:07Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2010_ClaudiaNatalinaPortaldeMatos.pdf: 1316098 bytes, checksum: ecd7109c907b1352c696c5e37ccbc7ac (MD5) / Made available in DSpace on 2012-01-11T12:00:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2010_ClaudiaNatalinaPortaldeMatos.pdf: 1316098 bytes, checksum: ecd7109c907b1352c696c5e37ccbc7ac (MD5) / A partir de 1995, com o Plano Diretor da Reforma do Aparelho do Estado, o Estado passou a exercer uma administração pública gerencial, controladora e descentralizada, o que levou à necessidade da implantação de Agências Autônomas para regular e fiscalizar os serviços públicos de responsabilidade do Estado. Ainda no mencionado ano, o Governo Federal implantou a Lei de Concessões no 8.987 que estabeleceu o regime de concessão e permissão da prestação de serviços públicos. Essa Lei exigiu regulação para esses serviços, com objetivo de priorizar a eficiência da indústria e atingir níveis adequados nos serviços prestados. Em 2007, por meio da Lei nº 11.445, o setor de saneamento obteve seu marco regulatório. Essa Lei, denominada Lei do Saneamento Básico Brasileiro, versa sobre os princípios fundamentais para permitir a universalização do acesso aos serviços de abastecimento de água, esgoto sanitário, bem como a qualidade da prestação desses serviços. Assim, como nos setores de infra-estrutura, o setor de saneamento necessita de investimentos, os quais em geral são demandados do Estado, distanciando-se do novo papel de administração pública gerencial, que foi a solução encontrada para tirar do Estado a responsabilidade de provedor dos serviços públicos. Nesse sentido, se investimentos não têm origem pública, devem ter origem privada, porém, para a atratividade de investidores privados é essencial o estabelecimento de contratos com regras claras, bem definidas e estáveis, bem como do estabelecimento do valor do negócio. Assim, este trabalho aborda o histórico de saneamento brasileiro até os dias atuais, apresenta o valor do negócio de uma companhia hipotética de saneamento e analisa os riscos de se investir nessa companhia. O trabalho propõe e aplica uma técnica pouco explorada para a determinação do valor do negócio de uma empresa de saneamento baseado na simulação de Monte Carlo. ______________________________________________________________________________ ABSTRACT / Since 1995, with the State Apparatus Reform, the State began to practice a managerial public administration, controlling and decentralized, which led to a need for introducing independent agencies to regulate and supervise the public services. Later that year, the Federal Government implemented Law nº 8.987 - Law of Concessions - that established the concession and permission system for public services. The Law also required regulation for these services, with the objective of prioritizing the efficiency of the industry and achieving adequate levels in the provided services. In 2007, through Law nº 11.445, the sanitation sector earned a regulatory framework. This Law - Basic Sanitation Law - is concerned with the fundamental principles to allow universal access to water supply, sanitation, as well as the quality of those services. Thus, as in the infrastructure sectors, sanitation sector requires investments, what would require substantial State investments and lead from the new role of managerial public administration, which was the solution adopted to remove the responsibility of providing public services from the State. Hence, if investments cannot be done with public resources, they should come from the private sector. However, to attract private investors, it is essential to establish contracts with clear rules, well defined and stable, as well as to establish the business value. Therefore, the present paper broaches the history of the Brazilian sanitation sector, presents the business value of an hypothetical sanitation company and analyses the risks of investing in that company. It proposes and applies a not much explored technique to determine the business value of a sanitation company, the Monte Carlo simulation.