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Study of the dynamics around celestial bodies using analytical and semi-analytical techniques / Estudo da dinâmica ao redor de corpos celestes utilizando técnicas analíticas e semianalíticasCardoso dos Santos, Josué 04 July 2018 (has links)
Submitted by Josué Cardoso dos Santos (josuesantosunesp@gmail.com) on 2018-09-10T18:36:37Z
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Previous issue date: 2018-07-04 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Nowadays, despite the technological development experienced by science in general, a fact especially evident by the available powerful computer machines, the analytical and semi-analytical methods to study different space problems are still of great importance in the fields of astrodynamics and celestial mechanics. From the physical understanding of the motion of celestial bodies to the planing and designing of space missions, the use of mathematical models to deal with a very large number of contemporary problems plays a fundamental role in the progress of human knowledge. In this context, the present thesis presents the use of different mathematical techniques to deal with different various and current problems in astrodynamics and celestial mechanics. The studies developed throughout this work are applicable to both areas. The topics studied are the following ones: (1) The development of disturbing potentials using the double-averaging process, in order to be included in the Lagrange planetary which are numerically integrated to study features of orbits around Mercury and the Galilean moon Callisto; (2) The use of different perturbation integrals, techniques to identify and map different perturbations present in a planetary system, with focus on the analysis of systems of Giant planets with their massive moons; (3) The use of the concept of intermediary Hamiltonian and the use of a canonical transformation called elimination of the parallax, both to deal with binary systems in the context of the roto-orbital dynamics, this one as an approach of the fulltwo body problem; (4) An updated analysis of Gauss variational equations to study quasisatellite orbits around the Martian moon Phobos and with analytical predictions made after obtaining linear and averaged equations of motions. Therefore, this thesis intend not only to provide important analysis and results for each specific problem which it deals with along its pages, but also seeks to highlighting the merit and current relevance of different analytical and semi-analytical methods to be used in the fields of astrodynamics and celestial mechanics. Additionally, the author also hopes to offer an outcome of diverse interesting ideas and methods to be explored in future investigations in these research fields / Na atualidade, a despeito do desenvolvimento tecnológico experimentado pela ciência em geral, algo especialmente evidenciado por poderosas máquinas computacionais disponíveis, os métodos analíticos e semianalíticos para o estudo de diferentes problemas espaciais ainda são de grande importância nos campos de astrodinâmica e mecânica celeste. Desde a compreensão física do movimento de corpos celestes até ao planejamento e projeto de missões espaciais, o uso de modelos matemáticos para lidar com um grande número de problemas contemporâneos desempenha um papel fundamental no progresso do conhecimento humano. Neste contexto, a presente tese apresenta o uso de diferentes técnicas matemáticas para lidar com diversos e atuais problemas em astrodinâmica e mecânica celeste. Os estudos desenvolvidos ao longo deste trabalho são aplicáveis à ambas as áreas. Os tópicos estudados são os seguintes: (1) O desenvolvimento de potenciais perturbadores usando o processo de dupla média, de forma a serem incluídos nas equações planetárias de Lagrange que são integradas numericamente para estudar características de órbitas ao redor de Mercúrio e da lua galileana Calisto; (2) A utilização de diferentes integrais de perturbação, técnicas para identificar e mapear diferentes perturbações presentes em um sistema planetário, com foco na análise de sistemas de planetas gigantes com suas luas massivas; (3) A utilização do conceito de hamiltoniana intermediária e o uso de uma transformação canônica chamada eliminação da paralaxe, ambos para lidar com sistemas binários no contexto da dinâmica roto-orbital, essa sendo uma aproximação do problema completo de dois corpos; (3) Uma análise atualizada de equações variacionais de Gauss para o estudo de órbitas quasi-satélite ao redor da lua marciana Fobos e com predições analíticas realizadas após serem obtidas equações de movimento linearizadas e com média. Portanto, esta tese pretende não somente prover importantes análises e resultados para cada problema específico com os quais a mesma lida ao longo de suas páginas, mas também procura destacar o mérito e relevância atual de diferentes métodos analíticos e semianalíticos a serem utilizados nos campos de astrodinâmica e mecânica celeste. Adicionalmente, o autor também espera oferecer um produto de variadas ideias e métodos a serem explorados em futuras investigações nesses campos de pesquisa / 2013/26652-4 / 2015/18881-9
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Ondas viajantes para um modelo de combustão em meios porosos e para a equação KPP. / Traveling waves for a combustion model in porous media and for the KPP equation.ARAÚJO, Bruno Sérgio Vasconcelos. 26 July 2018 (has links)
Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-07-26T14:26:54Z
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BRUNO SÉRGIO VASCONCELOS DE ARAÚJO - DISSERTAÇÃO PPGMAT 2011..pdf: 771076 bytes, checksum: d91b1038ca64863eb3d4ce5f4d5200d0 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-07-26T14:26:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1
BRUNO SÉRGIO VASCONCELOS DE ARAÚJO - DISSERTAÇÃO PPGMAT 2011..pdf: 771076 bytes, checksum: d91b1038ca64863eb3d4ce5f4d5200d0 (MD5)
Previous issue date: 2011-07 / Neste trabalho é apresentado um estudo sobre existência e unicidade de soluções
do tipo onda viajante para duas classes de equações diferenciais. A primeira delas
consiste de um sistema que modela a propagação de uma frente de temperatura em
meios porosos. Tal modelo é utilizado em métodos térmicos aplicados à recuperação
de óleo em engenharia de petróleo. Para este modelo são provados a existência e
unicidade de uma solução do tipo onda viajante para uma faixa de velocidades de
propagação a partir de um valor crítico. A existência é provada usando técnicas de
perturbação singular geométrica e a unicidade usando a integral de Melnikov. A segundaclasseconsistedeumaequaçãodotiporeação-difusãoconhecidanaliteratura
comoaequaçãoKPP.Estaequaçãoapareceemproblemasdereaçõesquímicasautocatalíticas
isotérmicas. Usando técnicas similares às da primeira classe são obtemos
resultados análogos de existência e unicidade de soluções do tipo onda viajante. O
trabalho termina com o estudo da estabilidade espectral daquelas ondas viajantes
com velocidades não críticas da equação KPP sob perturbações em um espaço de
Banach com peso. / In this work is presented a study about the existence and uniqueness of traveling
waves solutions for two classes of differential equations. The first of them is a
system modeling a temperature front propagation in a porous media. This model
come from a thermal method applied to oil recovery in petroleum engineering. For
this model it is proved the existence and uniqueness of a traveling wave solution for
a range of propagation velocities above a critical value. The existence is proved by
the geometric singular perturbation technique and the uniqueness by the Melnikov
Integral. The second class is a reaction-diffusion equation known in literature as
the KPP equation. This equation come from isothermal autocatalytic chemical
reactions problems. By analogous techniques used in the first class are obtained
analogous results on the existence and uniqueness of traveling wave solutions. The
workfinisheswiththespectralstabilitystudyofthetravelingwaveswithnoncritical
velocities of the KPP equation under perturbations in a weighted Banach space.
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Sensibilidade em fluxo de potência ótimo / Sensitivity in optimal power flowerEdmarcio Antonio Belati 21 May 2003 (has links)
Neste trabalho propomos uma abordagem para a resolução do problema de Fluxo de Potência Ótimo (FPO) perturbado. A metodologia consiste na obtenção da solução ótima para o problema inicial via um programa de FPO, e na utilização de sensibilidade para estimar novas soluções depois de ocorridas algumas perturbações no problema. Essas perturbações são variações de carga em uma ou mais barras do sistema. A técnica de sensibilidade está baseada nas informações de segunda ordem e nas condições de otimalidade. A obtenção da solução após ocorrerem perturbações no sistema é direta e não necessita de parâmetros iniciais e de correção, como penalidade e barreira, utilizados nos programas de FPO convencionais. Os resultados numéricos apresentados evidenciam o potencial desta metodologia para resolução do problema de FPO perturbado. / An approach to solve the perturbated Optimal Power Flow (OPF) problem is proposed in this study. The methodology consists in obtaining the optimal solution for the initial problem via a program of OPF, and using sensitivity to estimate new solutions after the occurrence of some perturbations in the problem. These perturbations consist in load variations in some buses of the system. The sensitivity technique is based on both the information of second order and otimality conditions. The computation of the solutions after the occurrence of perturbations in the system does not depend of initial and correction parameters such as penalty and barrier used in the conventional OPF programs. The numerical results demonstrate the potential of this methodology for the solution of the perturbated OPF problem.
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Aplicação do polinômio de Hermite-Caos para a determinação da carga de instabilidade paramétrica de cascas cilíndricas com incerteza nos parâmetros físicos e geométricos / Application of Chaos-Hermite polynomial for determining the load of parametric instability of cylindrical shells witn uncertainty in physical and geometrical parametersBrazão, A. F. 04 April 2014 (has links)
Submitted by Luanna Matias (lua_matias@yahoo.com.br) on 2015-02-04T20:56:59Z
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Previous issue date: 2014-04-04 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The present study aims to investigate the influence of uncertainties in physical and geometric parameters to obtain the load parametric instability of cylindrical shell, using the Galerkin method with the stochastic polynomial Hermite-Caos. The nonlinear equations of motion of the cylindrical shell are deduced from their functional power considering the strain field proposed by Donnell´s nonlinear shallow shell theory. The uncertainties are considered as random parameters with probability density function known in the partial differential equation of motion of the cylindrical shell, which it becomes a stochastic partial differential equation due to the presence of randomness. First, the discretization of the stochastic problem is performed using the stochastic Galerkin method together with polynomial Hermite-Chaos, to transform the stochastic partial differential equation into a set of equivalent deterministic partial differential equations, which take into account the randomness of the system. Then, the discretization of the lateral field displacement is made by a perturbation procedure, indicating the nonlinear vibration modes which couple to the linear vibration mode. The set of partial differential equations is transformed into a deterministic system of equations deterministic ordinary second order in time. Uncertainty is considered in one of its parameters: the Young modulus, thickness and amplitude of initial geometric imperfection. Then we analyze the influence of randomness in two parameters simultaneously: the thickness and the Young modulus. Once obtained the system of ordinary differential equations deterministic containing the randomness of the parameters, the integration over discrete time system is made from the Runge- Kutta fourth order to obtain results as the time response, bifurcation diagrams and
boundaries of instability which are compared with deterministic analysis, indicating that
polynomial Hermite-Chaos is a good numerical tool for predicting the load parametric
instability without the need to perform a process of sampling. / O presente trabalho tem como objetivo investigar a influência de incertezas nos parâmetros
físicos e geométricos para a determinação da carga de instabilidade paramétrica da casca
cilíndrica, utilizando o método de Galerkin Estocástico juntamente com o polinômio de
Hermite-Caos. As equações não-lineares de movimento da casca cilíndrica são deduzidas a
partir de seus funcionais de energia considerando o campo de deformações proposto pela
teoria não linear de Donnell para cascas esbeltas. As incertezas são consideradas como
parâmetros aleatórios com função de densidade de probabilidade conhecida na equação
diferencial parcial de movimento da casca cilíndrica, que passa a ser uma equação diferencial
parcial estocástica devido à presença da aleatoriedade. Primeiramente, faz-se a discretização
do problema estocástico utilizando o método de Galerkin Estocástico juntamente com o
polinômio de Hermite-Caos, para transformar a equação diferencial parcial estocástica em um
conjunto de equações diferenciais parciais determinísticas equivalentes, que levem em
consideração a aleatoriedade do sistema. Em seguida, apresenta-se a discretização do campo
de deslocamentos laterais através do Método da Perturbação, indicando os modos não-lineares
de vibração que se acoplam ao modo linear de vibração, para que o conjunto de equações
diferenciais parciais determinísticas seja transformado em um sistema de equações ordinárias
determinísticas de segunda ordem no tempo. A incerteza é considerada inicialmente em
apenas um de seus parâmetros: no módulo de elasticidade, na espessura e na amplitude da
imperfeição geométrica inicial. Em seguida, analisa-se a influência de aleatoriedades em dois
parâmetros simultaneamente, sendo eles: a espessura e o módulo de elasticidade. Uma vez
obtido o sistema de equações diferenciais ordinárias determinísticas que contêm as aleatoriedades dos parâmetros, a integração ao longo do tempo do sistema discretizado é feita a partir do método de Runge-Kutta de quarta ordem, obtendo-se resultados como resposta no tempo, diagramas de bifurcação e fronteiras de instabilidade, que são comparados com análises determinísticas, indicando que o polinômio de Hermite-Caos é uma boa ferramenta numérica para prever a carga de instabilidade paramétrica sem a necessidade de se realizar um processo de amostragens.
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Efeitos do atraso sobre a estabilidade de sistemas mecânicos não lineares / Effects delay about system stability nonlinear mechanicsFerreira, Rosane Gonçalves 04 March 2016 (has links)
Submitted by JÚLIO HEBER SILVA (julioheber@yahoo.com.br) on 2017-06-20T18:27:52Z
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Previous issue date: 2016-03-04 / Vibrations of mechanical systems have a wide field of research, where many work have been
dedicated. Such importance is due to the fact that most human activities involve vibrations.
It is worth noting that many device can suffer or produce vibrations, such as, machines,
structures, motors, turbines. Vibratory systems, generally can produce complex behavior,
thus the analysis of such dynamics behavior needs to use sophisticated mathematical tools.
The mathematical model assigns important features of real processes with respect to
linear and non-linear differential equations. In this work we are interested in the analysis of
behavior of delayed mechanical systems. Time delayed can compromise the performance
of controls even adding instability in the systems. On the other hand, write choose of delays
can improve its performance. Systems with time delay, similar to ordinary systems, are
molded by ordinary and/or partial differential equations, but, unlikely ordinary differential
equations, delayed differential equations, also known as functional differential equations,
are molded on Banach spaces with infinite dimension, which introduce serious difficulty in
analysis of stability, since that, the spectra of solution semi-group associated with the linear
part of the model can presents infinite eigenvalues. Thus, our contribution of the study of
dynamics behavior of such systems will be in two directions. In the first one, we apply the
perturbation method of multiple scales in themodel of differential equations, since that the
system shows nonlinear vibrations. It is worth noting that the differential analysis used in
the stage regarding differential equations in Banach spaces, which has infinite dimension,
this approach differ substantially from standards approaches. Then we obtain numerical
solutions for the amplitude at steady state using the Newton Raphson method and then we
made a numerical analysis of the model of stability with delay and without delay to different
parameters, using the Runge-Kuttamethod. / As vibrações possuem um campo extenso de estudos, ao quais trabalhos inteiros têm sido
dedicados. Tamanha importância deve-se ao fato de que a maioria das atividades humanas
envolve vibrações. Muitos sistemas construídos sofrem ou produzem vibração, tais como
máquinas, estruturas, motores, turbinas e sistemas de controle. Umsistema vibratório geralmente
apresenta comportamento complexo, assim a análise do comportamento dinâmicos
envolve o uso de ferramentas matemáticas sofisticadas. O modelo matemático incorpora
os aspectos importantes do processo real, em termos de equações diferenciais lineares ou
não lineares. Neste trabalho nosso objetivo é analisar o comportamento de um modelo de
sistemas mecânicos. Os tempos de atrasos quando presentes em controladores e atuadores
podem ser motivo de ineficiência ou mesmo causar a instabilidade do sistema. Porém,
o controle adequado desses atrasos pode melhorar o desempenho de sistemas mecânicos.
Os sistemas com tempo de atraso, assim como os sistemas ordinários, são modelados por
equações diferenciais ordinárias ou parciais, mas diferentemente das equações ordinárias,
equações com tempo de atraso, também conhecidas como equações funcionais, são modeladas
em espaços de dimensão infinita, o que dificulta enormemente a análise de estabilidade,
uma vez que, o espectro do semigrupo solução associado à parte linear do modelo
pode apresentar infinitos autovalores. Assim, nossa contribuição ao estudo do comportamento
dinâmico de tais sistemas foi feito em duas partes. Na primeira, aplicamos o método
de perturbação das múltiplas escalas no sistema de equações diferenciais do modelo, uma
vez que o sistema apresenta vibrações não lineares. Nesta parte, é importante ressaltar que a
análise diferencial usada foi em um espaço de dimensão infinita, também conhecido como
espaço de Banach; esta análise difere substancialmente daquela usada no caso ordinário.
Em seguida obtemos soluções numéricas para a amplitude em estado estacionário usando
o método de Newton Raphson e depois fizemos uma análise numérica da estabilidade do
modelo com atraso e sem atraso para diferentes parâmetros, usando o método de Runge-
Kutta.
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Structure learning of Bayesian networks via data perturbation / Aprendizagem estrutural de Redes Bayesianas via perturbação de dadosGross, Tadeu Junior 29 November 2018 (has links)
Structure learning of Bayesian Networks (BNs) is an NP-hard problem, and the use of sub-optimal strategies is essential in domains involving many variables. One of them is to generate multiple approximate structures and then to reduce the ensemble to a representative structure. It is possible to use the occurrence frequency (on the structures ensemble) as the criteria for accepting a dominant directed edge between two nodes and thus obtaining the single structure. In this doctoral research, it was made an analogy with an adapted one-dimensional random-walk for analytically deducing an appropriate decision threshold to such occurrence frequency. The obtained closed-form expression has been validated across benchmark datasets applying the Matthews Correlation Coefficient as the performance metric. In the experiments using a recent medical dataset, the BN resulting from the analytical cutoff-frequency captured the expected associations among nodes and also achieved better prediction performance than the BNs learned with neighbours thresholds to the computed. In literature, the feature accounted along of the perturbed structures has been the edges and not the directed edges (arcs) as in this thesis. That modified strategy still was applied to an elderly dataset to identify potential relationships between variables of medical interest but using an increased threshold instead of the predict by the proposed formula - such prudence is due to the possible social implications of the finding. The motivation behind such an application is that in spite of the proportion of elderly individuals in the population has increased substantially in the last few decades, the risk factors that should be managed in advance to ensure a natural process of mental decline due to ageing remain unknown. In the learned structural model, it was graphically investigated the probabilistic dependence mechanism between two variables of medical interest: the suspected risk factor known as Metabolic Syndrome and the indicator of mental decline referred to as Cognitive Impairment. In this investigation, the concept known in the context of BNs as D-separation has been employed. Results of the carried out study revealed that the dependence between Metabolic Syndrome and Cognitive Variables indeed exists and depends on both Body Mass Index and age. / O aprendizado da estrutura de uma Rede Bayesiana (BN) é um problema NP-difícil, e o uso de estratégias sub-ótimas é essencial em domínios que envolvem muitas variáveis. Uma delas consiste em gerar várias estruturas aproximadas e depois reduzir o conjunto a uma estrutura representativa. É possível usar a frequência de ocorrência (no conjunto de estruturas) como critério para aceitar um arco dominante entre dois nós e assim obter essa estrutura única. Nesta pesquisa de doutorado, foi feita uma analogia com um passeio aleatório unidimensional adaptado para deduzir analiticamente um limiar de decisão apropriado para essa frequência de ocorrência. A expressão de forma fechada obtida foi validada usando bases de dados de referência e aplicando o Coeficiente de Correlação de Matthews como métrica de desempenho. Nos experimentos utilizando dados médicos recentes, a BN resultante da frequência de corte analítica capturou as associações esperadas entre os nós e também obteve melhor desempenho de predição do que as BNs aprendidas com limiares vizinhos ao calculado. Na literatura, a característica contabilizada ao longo das estruturas perturbadas tem sido as arestas e não as arestas direcionadas (arcos) como nesta tese. Essa estratégia modificada ainda foi aplicada a um conjunto de dados de idosos para identificar potenciais relações entre variáveis de interesse médico, mas usando um limiar aumentado em vez do previsto pela fórmula proposta - essa cautela deve-se às possíveis implicações sociais do achado. A motivação por trás dessa aplicação é que, apesar da proporção de idosos na população ter aumentado substancialmente nas últimas décadas, os fatores de risco que devem ser controlados com antecedência para garantir um processo natural de declínio mental devido ao envelhecimento permanecem desconhecidos. No modelo estrutural aprendido, investigou-se graficamente o mecanismo de dependência probabilística entre duas variáveis de interesse médico: o fator de risco suspeito conhecido como Síndrome Metabólica e o indicador de declínio mental denominado Comprometimento Cognitivo. Nessa investigação, empregou-se o conceito conhecido no contexto de BNs como D-separação. Esse estudo revelou que a dependência entre Síndrome Metabólica e Variáveis Cognitivas de fato existe e depende tanto do Índice de Massa Corporal quanto da idade.
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Structure learning of Bayesian networks via data perturbation / Aprendizagem estrutural de Redes Bayesianas via perturbação de dadosTadeu Junior Gross 29 November 2018 (has links)
Structure learning of Bayesian Networks (BNs) is an NP-hard problem, and the use of sub-optimal strategies is essential in domains involving many variables. One of them is to generate multiple approximate structures and then to reduce the ensemble to a representative structure. It is possible to use the occurrence frequency (on the structures ensemble) as the criteria for accepting a dominant directed edge between two nodes and thus obtaining the single structure. In this doctoral research, it was made an analogy with an adapted one-dimensional random-walk for analytically deducing an appropriate decision threshold to such occurrence frequency. The obtained closed-form expression has been validated across benchmark datasets applying the Matthews Correlation Coefficient as the performance metric. In the experiments using a recent medical dataset, the BN resulting from the analytical cutoff-frequency captured the expected associations among nodes and also achieved better prediction performance than the BNs learned with neighbours thresholds to the computed. In literature, the feature accounted along of the perturbed structures has been the edges and not the directed edges (arcs) as in this thesis. That modified strategy still was applied to an elderly dataset to identify potential relationships between variables of medical interest but using an increased threshold instead of the predict by the proposed formula - such prudence is due to the possible social implications of the finding. The motivation behind such an application is that in spite of the proportion of elderly individuals in the population has increased substantially in the last few decades, the risk factors that should be managed in advance to ensure a natural process of mental decline due to ageing remain unknown. In the learned structural model, it was graphically investigated the probabilistic dependence mechanism between two variables of medical interest: the suspected risk factor known as Metabolic Syndrome and the indicator of mental decline referred to as Cognitive Impairment. In this investigation, the concept known in the context of BNs as D-separation has been employed. Results of the carried out study revealed that the dependence between Metabolic Syndrome and Cognitive Variables indeed exists and depends on both Body Mass Index and age. / O aprendizado da estrutura de uma Rede Bayesiana (BN) é um problema NP-difícil, e o uso de estratégias sub-ótimas é essencial em domínios que envolvem muitas variáveis. Uma delas consiste em gerar várias estruturas aproximadas e depois reduzir o conjunto a uma estrutura representativa. É possível usar a frequência de ocorrência (no conjunto de estruturas) como critério para aceitar um arco dominante entre dois nós e assim obter essa estrutura única. Nesta pesquisa de doutorado, foi feita uma analogia com um passeio aleatório unidimensional adaptado para deduzir analiticamente um limiar de decisão apropriado para essa frequência de ocorrência. A expressão de forma fechada obtida foi validada usando bases de dados de referência e aplicando o Coeficiente de Correlação de Matthews como métrica de desempenho. Nos experimentos utilizando dados médicos recentes, a BN resultante da frequência de corte analítica capturou as associações esperadas entre os nós e também obteve melhor desempenho de predição do que as BNs aprendidas com limiares vizinhos ao calculado. Na literatura, a característica contabilizada ao longo das estruturas perturbadas tem sido as arestas e não as arestas direcionadas (arcos) como nesta tese. Essa estratégia modificada ainda foi aplicada a um conjunto de dados de idosos para identificar potenciais relações entre variáveis de interesse médico, mas usando um limiar aumentado em vez do previsto pela fórmula proposta - essa cautela deve-se às possíveis implicações sociais do achado. A motivação por trás dessa aplicação é que, apesar da proporção de idosos na população ter aumentado substancialmente nas últimas décadas, os fatores de risco que devem ser controlados com antecedência para garantir um processo natural de declínio mental devido ao envelhecimento permanecem desconhecidos. No modelo estrutural aprendido, investigou-se graficamente o mecanismo de dependência probabilística entre duas variáveis de interesse médico: o fator de risco suspeito conhecido como Síndrome Metabólica e o indicador de declínio mental denominado Comprometimento Cognitivo. Nessa investigação, empregou-se o conceito conhecido no contexto de BNs como D-separação. Esse estudo revelou que a dependência entre Síndrome Metabólica e Variáveis Cognitivas de fato existe e depende tanto do Índice de Massa Corporal quanto da idade.
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