Orientador: Antonio Rubens Brito de Castro / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-07-16T20:49:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Vieira_WernerMartins_M.pdf: 5171209 bytes, checksum: f883ca0d6aafba3ca09b51ca8cb03bda (MD5) Previous issue date: 1988 / Resumo: Desenvolvemos propriedades e caracterizações equivalentes de fontes não radiantes. Construímos exemplos de fontes não radiantes fisicamente razoáveis. Tratamos do problema da fonte inverso e mostramos que sua solução possui em geral uma componente não radiante. Tal solução não é única e isso se deve a que os dados disponíveis nesse tipo de problema não dão acesso a essa componente. Mostramos que informações adicionais "a priore" a cerca da fonte podem dar unicidade a solução, i.e., podem determinar sua componente não-radiante. Finalmente, tratamos do problema da fonte inverso estatístico e chegamos à conclusões analógicas as obtidas para o acaso determinístico / Abstract: Not informed. / Mestrado / Física / Mestre em Física

Orientador: Alvaro Rodolfo de Pierro / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matematica, Estatistica e Computação Científica / Made available in DSpace on 2018-07-19T21:39:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Santos_ReginaldodeJesus_D.pdf: 2167771 bytes, checksum: f0eb369f820cdb52e5b52637905253c4 (MD5) Previous issue date: 1995 / Resumo: Estudamos aqui métodos numéricos para resolver problemas inversos. Provamos resultados sobre a consistência de métodos iterativos lineares estacionários convergentes para solução de quadrados mínimos de um sistema linear. Demonstramos a equivalência entre truncar um método iterativo linear estacionário e regularização de Tikhonov. Nossos resultados estendem, para o caso de posto incompleto, os de H. Fleming. Estendemos, para problemas não lineares, o método de escolha do parâmetro de regularização chamado Validação Cruzada Generalizada (GCV), introduzido por G. Whaba. Provamos resultados sobre o comportamento assintótico do parâmetro determinado por GCV para problemas não lineares que estendem os de G. Golub, M. Heath e G. Whaba. D. Girard introduziu uma variação do método GCV, que usa um método Monte-Cado para o cálculo do traço de uma matriz simétrica ou simetrizável. Demonstramos resultados sobre o comportamento assintótico da estimativa do traço, para matrizes quaisquer, que generalizam resultados de D. Girard. Aplicamos os resultados anteriores em Tomografia Computadorizada como critério de parada de métodos iterativos. / Abstract: In this thesis we study numerical methods for solving inverse problems. We prove results on consistency of iterative linear stationary methods which converge to the least squares solution of a linear system of algebraic equations. We prove that solutions by direct regularization of linear systems are equivalent to truncated iterations of certain type of iterative methods. Our proofs extend previous results of H. Fleming to the rank-deficient case, giving a unified approach that includes the underdetermined and overdetermined problems. We extend Generalized Cross-Validation (GCV) to the case in which the problem and the influence operator are nonlinear. From this extension we deduce stopping rules for general linear stationary methods and for the conjugate gradients (CG) method. We use a Monte-Carlo approach to compute the GCV functional. We prove results on the asymptotic optimality of our extension of GCV and on the Girard's Monte-Carlo method to estimate the trace of general matrices. Finally, we apply our results to the Positron Emission Tomography problem using the stationary method ART and CG. / Doutorado / Doutor em Matemática Aplicada

Memoria para optar al grado de Doctor en Ciencias de la Ingeniería, Mención Modelación Matemática / El objetivo de esta tesis consiste principalmente en el estudio teórico de algunos resultados de problemas inversos y de controlabilidad en ecuaciones hiperbólicas y parabólicas. En el Capítulo 1 presentamos una breve introducción de los tópicos tratados en este trabajo. Principalmente, centramos nuestra atención en las de niciones clásicas de controlabilidad y problemas inversos. Posteriormente, indicamos cuáles son los resultados generales obtenidos en esta tesis. En el Capítulo 2, describimos los resultados de estabilidad obtenida para la reconstrucci ón de potenciales en un sistema de ecuaciones hiperbólicas acopladas en cascada. Para probar este resultado, nos inspiramos en el método de Bukhgeim-Klibanov combinado con un tipo especial de desigualdades conocidas como estimaciones de Carleman. Estas dos herramientas, junto con el hecho que las ecuaciones del sistema están acopladas en cascada, nos permiten obtener un resultado de estabilidad Lipschitz para la recuperación de todos los potenciales del sistema utilizando mediciones de algunas componentes accesibles de él. En el Capítulo 3, nos centramos en el estudio de la controlabilidad a cero de una ecuación del calor con condiciones de borde dinámicas. Este problema se puede ver como una ecuación del calor acoplada con una ecuación diferencial ordinaria actuando en un extremo del borde. Nuestros resultados apuntan en dos direcciones. En primer lugar, probamos que este tipo de problemas se puede controlar a cero en una región que está lejos de la interacción entre las dos dinámicas. Usando la dualidad entre observabilidad y controlabilidad, la prueba de este resultado está basado en la construcción de una estimación de Carleman adecuada. En segundo lugar, probamos que una modi cación de este tipo de problemas puede ser visto como el problema límite de una familia de problemas parabólicos con coe cientes de difusión discontinuos en donde la difusión es muy alta en una parte del dominio. Adicionalmente, estudiamos el efecto que tiene el control del problema límite en la sucesión de problemas aproximados. Finalmente, en el Capítulo 4 desarrollamos una manera de obtener una estimación de tipo Carleman para una ecuación del calor con coe cientes de difusión discontinuos. La novedad en esta estrategia están basadas en las ideas del análisis microlocal desarrollado por L. Robbiano y J. Le Rousseau et al. para ecuaciones parabólicas, con la ventaja de que podemos obtener información de la constante de observabilidad. / Beca CMM, Beca Doctorado Nacional Conicyt 2015, CMM Conicyt PIA AFB170001 y Fondecyt 1151512-1191903

No trabalho foi provada a unicidade da recuperação do coeficiente de condutividade da equação do calor, que por hipótese tem suporte compacto, quando o dado é a distribuíção da temperatura em abertos não simplesmente conexos. / Analisamos o problema inverso da identificação do coeficiente de condutividade $1 + ho$ da equação do calor. Provamos um resultado de unicidade para uma versão linearizada desse problema em $R^n$, para $n$ ímpar, que não depende da hipótese sobre a posição relativa entre o suporte, assumido compacto, da função desconhecida $ho$ e um aberto limitado $\\Omega^$, onde as medidas de temperatura são efetuadas. Provamos o caso em que $\\supp(ho)$ pode ser não simplesmente conexo, e que $\\Omega^$ pode pertencer à uma de suas componentes limitadas. Trata-se de uma extensão, para $n$ ímpar, de um teorema provado por Elayyan e Isakov.

No trabalho foi provada a unicidade da recuperação do coeficiente de condutividade da equação do calor, que por hipótese tem suporte compacto, quando o dado é a distribuíção da temperatura em abertos não simplesmente conexos. / Analisamos o problema inverso da identificação do coeficiente de condutividade $1 + ho$ da equação do calor. Provamos um resultado de unicidade para uma versão linearizada desse problema em $R^n$, para $n$ ímpar, que não depende da hipótese sobre a posição relativa entre o suporte, assumido compacto, da função desconhecida $ho$ e um aberto limitado $\\Omega^$, onde as medidas de temperatura são efetuadas. Provamos o caso em que $\\supp(ho)$ pode ser não simplesmente conexo, e que $\\Omega^$ pode pertencer à uma de suas componentes limitadas. Trata-se de uma extensão, para $n$ ímpar, de um teorema provado por Elayyan e Isakov.

Ingeniero Civil Matemático / En este trabajo buscamos obtener imágenes de las distribuciones internas de fuentes radioactivas y mapa de atenuación para el procedimiento médico usado en tomografía SPECT, usando mediciones balísticas y de primer orden de scattering. Con este objetivo, modelamos matemáticamente el problema tridimensionalmente utilizando la ecuación de transferencia radiativa, logrando explicitar el operador no-lineal que entrega las mediciones en función de la distribución de fuentes radioactivas y mapa de atenuación. Derivando direccionalmente el operador no-lineal, obtuvimos un operador lineal que define el problema inverso linealizado. Bajo hipótesis de regularidad sobre la distribución de fuentes radioactivas y mapa de atenuación y, considerando baja atenuación, se demostró rigurosamente que el operador lineal es invertible y se calculó explícitamente su inversa. La demostración de la invertibilidad del operador linealizado consta de varias etapas. En una primera etapa se descompone el operador en una parte $L$ invertible y una perturbación $Q$ que sea pequeña para pequeñas atenuaciones en el espacio funcional adecuado. En una segunda etapa, se estudian las propiedades de regularidad de $L$ y $Q$ mediante métodos que incluyen estimaciones sobre la inversa de la transformada de Radon atenuada y de la transformada de Radon con pesos como operadores integrales en espacios de Sobolev con exponente fraccionario. Finalmente se concluye la invertibilidad de $L+Q$ acotando la norma de $L^{-1}Q$ y usando series de Neumann. Usando el resultado previo de inversión para el operador lineal, se plantearon en este trabajo nuevos tipos de algoritmos iterativos de recuperación de fuentes y atenuación para la tomografía SPECT. Estos algoritmos incluyen un algoritmo para el problema inverso linealizado usando series de Neumann, un algoritmo para el problema inverso no-lineal usando el método de Newton-Raphson y un algoritmo heurístico para el no-lineal el cual fue implementado numéricamente. El análisis teórico del problema linealizado provisto por este estudio representa un paso previo fundamental para el estudio de la convergencia de los algoritmos numéricos antes propuestos. Al comparar el algoritmo heurístico implementado en este trabajo con la metodología tradicional de SPECT, tanto en experimentos con datos reales como sintéticos, se observa una mejora en la recuperación de fuentes, además de contar con la reconstrucción adicional del mapa de atenuación del medio.

A Tomografia de Impedância Elétrica é uma técnica de obtenção de imagens não invasiva que pode ser usada em aplicações clínicas para estimar a impeditividade dos tecidos a partir de medidas elétricas na superfície do corpo. Matematicamente este é um problema inverso, não linear e mal posto. Geralmente é usado um filtro espacial Gaussiano passa alta como método de regularização para resolver o problema inverso. O objetivo principal deste trabalho é propor o uso de informação estatística fisiológica e anatômica da distribuição de resistividades dos tecidos do tórax, também chamada de atlas anatômico, em conjunto com o filtro Gaussiano como métodos de regularização. A metodologia proposta usa o método dos elementos finitos e o algoritmo de Gauss-Newton para reconstruir imagens de resistividade tridimensionais. A Teoria do Erro de Aproximação é utilizada para reduzir os erros relacionados à discretização e dimensões da malha de elementos finitos. Dados de tomografia de impedância elétrica e imagens de tomografia computadorizada coletados in vivo em um suíno com diferentes alterações fisiológicas pulmonares foram utilizados para validar o algoritmo proposto. As imagens obtidas foram consistentes com os fenômenos de atelectasia, derrame pleural, pneumotórax e variações associadas a diferentes níveis de pressão durante a ventilação mecânica. Os resultados mostram que a reconstrução de imagens de suínos com informação clínica significativa é possível quando tanto o filtro Gaussiano quanto o atlas anatômico são usados como métodos de regularização. / Electrical Impedance Tomography is a non invasive imaging technique that can be used in clinical applications to infer living tissue impeditivity from boundary electrical measurements. Mathematically this is an non-linear ill-posed inverse problem. Usually a spatial high-pass Gaussian filter is used as a regularization method for solving the inverse problem. The main objective of this work is to propose the use of physiological and anatomical priors of tissue resistivity distribution within the thorax, also known as anatomical atlas, in conjunction with the Gaussian filter as regularization methods. The proposed methodology employs the finite element method and the Gauss-Newton algorithm in order to reconstruct three-dimensional resistivity images. The Approximation Error Theory is used to reduce discretization effects and mesh size errors. Electrical impedance tomography data and computed tomography images of physiological pulmonary changes collected in vivo in a swine were used to validate the proposed method. The images obtained are compatible with atelectasis, pneumothorax, pleural effusion and different ventilation pressures during mechanical ventilation. The results show that image reconstruction from swines with clinically significant information is feasible when both the Gaussian filter and the anatomical atlas are used as regularization methods.

Neste trabalho, métodos numéricos iterativos foram usados na solução de sistemas esparsos de equações lineares. Em particular, foram utilizados métodos baseados em subespaços de Krylov como o GMRES e suas variações. Esses sistemas, de alta ordem e esparsos, são provenientes da aplicação do m etodo de Ordenadas Discretas Analítico (ADO) juntamente com formulações nodais para solução de problemas bidimensionais de transporte de partículas. Na abordagem ADO-nodal, a solução geral das equações integradas depende de constantes arbitrárias que devem ser determinadas a partir do sistema gerado principalmente pela aplicação de condições de contorno do problema. Especial relevância na geração de tais sistemas e o tipo de esquema de quadratura utilizado para representar as direções discretas das partículas. Pré-condicionadores foram aplicados aos sistemas, que então foram resolvidos através de métodos numéricos iterativos com o objetivo de verificar a influência dos esquemas de quadratura na estrutura e caracterização das matrizes do sistema. Os resultados obtidos nas diferentes simulações numéricas foram comparados em termos de tempo computacional e número de iterações para a convergência dos métodos e indicam que o uso de esquemas de quadratura não clássicos e efetivo, além de mostrar que a aplicação de métodos iterativos permite lidar com sistemas de ordens bastante superiores aos casos diretos. / In this work, numerical iterative methods were used to solve sparse systems of linear equations. Particularly, methods based on Krylov subspaces such as GMRES and its variations were used. These high order and sparse systems arise from the application of the Analytical Discrete Ordinates method (ADO) along with nodal formulations for solving bidimensional particles transport problems. In the ADO-nodal approach, the general solution of the integrated equations depends on arbitrary constants that must be determined via the linear system that is generated mainly from the use of the problem's boundary conditions. In the generation of such systems, special importance is given to the type of quadrature scheme utilized to represent the discrete directions of the particles. Preconditioners were applied to the systems and these were solved through numerical iterative methods, being the goal to verify the in uence that those quadrature schemes have over the structure and characterization of the systems themselves. The results obtained in numerical simulations were compared for values such as computational time and number of iterations until convergence and show that the use of iterative methods allows for handling systems with orders much higher than the direct case.

Neste trabalho, apresenta-se um estudo preliminar sobre problemas inversos com aplicação na identificação de parâmetros em biorreatores e transferência radiativa. A identificação se baseia na busca de soluções aproximadas a partir do critério dos mínimos quadrados. Para tal, métodos determinísticos implícitos são analisados e posteriormente utilizados, destacando-se o método de Levenberg-Marquardt. No caso do biorreator anaeróbico, discute-se brevemente a teoria acerca dos processos internos e, a partir da implementação do modelo matemático de Antonelli, considerada a solução exata do problema direto, procede-se com a adição de diferentes níveis de ruídos gaussianos e análise de seus efeitos na reconstrução dos parâmetros do modelo. Iniciando a estimação sempre pelos parâmetros corretos, conhecidos a priori, pode-se perceber que é possível proceder com a estimação destes quando a magnitude do erro é da ordem de 1%. No caso de perturbações maiores nos dados de saída do modelo, contudo, embora não seja possível estimar os parâmetros, a simulação continua confiáveis. No que tange à transferência radiativa, usa-se a solução em forma fechada em relação à variável espacial da equação íntegro-diferencial linear de Boltzmann pelo método das Ordenadas Discretas Analíticas como solução exata do problema direto. Investiga-se a eficiência do método de Levenberg-Marquardt na estimação dos parâmetros de albedo e grau de anisotropia em problemas de transporte de radiação. É possível concluir que bons resultados são obtidos na identificação do parâmetro de albedo, mas que o grau de anisotropia é mais suscetível às perturbações. / In this report, a preliminary study on the application of inverse problems in parameter estimation problems in transport of radiation and anaerobic bioreactors is presented. This estimation is based on the search of approximate solution to the inverse problem by the least squares criterion. Implicit deterministic methods are analyzed and subsequently used, mainly the Levenberg-Marquardt method. The anaerobic bioreactor theory is discussed and the mathematical model of Antonelli is considered the exact solution of the direct problem. After, the e ects of the addition of di erent levels of Gaussian noise on the reconstruction of the model parameters is analysed. Starting the estimation always by the correct parameters, known a priori, it is possible to verify that the correct estimation can be achieved when the magnitude of the error is 1%. In the case of larger errors in the model output data, however, although it is not possible to correctly estimate the parameters, the simulation remains reliable. In the case of transport of neutral particles, the closed solution of the linear integral-di erential Boltzmann equation obtained by the Analytic Discrete Ordinates method is considered as the exact solution of the direct problem. The e ciency of Levenberg-Marquardt method for estimating the albedo and degree of anisotropy is then investigated. It is possible to conclude that good results are obtained for the reconstruction of albedo, even with larger orders of error, but the degree of anisotropy is more susceptible to the perturbations.

Neste trabalho, métodos numéricos iterativos foram usados na solução de sistemas esparsos de equações lineares. Em particular, foram utilizados métodos baseados em subespaços de Krylov como o GMRES e suas variações. Esses sistemas, de alta ordem e esparsos, são provenientes da aplicação do m etodo de Ordenadas Discretas Analítico (ADO) juntamente com formulações nodais para solução de problemas bidimensionais de transporte de partículas. Na abordagem ADO-nodal, a solução geral das equações integradas depende de constantes arbitrárias que devem ser determinadas a partir do sistema gerado principalmente pela aplicação de condições de contorno do problema. Especial relevância na geração de tais sistemas e o tipo de esquema de quadratura utilizado para representar as direções discretas das partículas. Pré-condicionadores foram aplicados aos sistemas, que então foram resolvidos através de métodos numéricos iterativos com o objetivo de verificar a influência dos esquemas de quadratura na estrutura e caracterização das matrizes do sistema. Os resultados obtidos nas diferentes simulações numéricas foram comparados em termos de tempo computacional e número de iterações para a convergência dos métodos e indicam que o uso de esquemas de quadratura não clássicos e efetivo, além de mostrar que a aplicação de métodos iterativos permite lidar com sistemas de ordens bastante superiores aos casos diretos. / In this work, numerical iterative methods were used to solve sparse systems of linear equations. Particularly, methods based on Krylov subspaces such as GMRES and its variations were used. These high order and sparse systems arise from the application of the Analytical Discrete Ordinates method (ADO) along with nodal formulations for solving bidimensional particles transport problems. In the ADO-nodal approach, the general solution of the integrated equations depends on arbitrary constants that must be determined via the linear system that is generated mainly from the use of the problem's boundary conditions. In the generation of such systems, special importance is given to the type of quadrature scheme utilized to represent the discrete directions of the particles. Preconditioners were applied to the systems and these were solved through numerical iterative methods, being the goal to verify the in uence that those quadrature schemes have over the structure and characterization of the systems themselves. The results obtained in numerical simulations were compared for values such as computational time and number of iterations until convergence and show that the use of iterative methods allows for handling systems with orders much higher than the direct case.