Orientadores: Romis Ribeiro de Faissol Attux, Diogo Coutinho Soariano, Filipe Ieda Fazanaro / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-27T04:17:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Santos_OdairVieirados_D.pdf: 3365036 bytes, checksum: 967476ee0acb26bf5197de95e344c6c9 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: O problema de análise do sincronismo entre sistemas dinâmicos se reveste de enorme importância prática, uma vez que ocorre em uma miríade de contextos naturais e artificiais. Para avaliar a ocorrência desse fenômeno, é usual lançar mão dos expoentes de Lyapunov condicionados, que refletem, em sua definição, o acoplamento entre sistemas. Nesta tese, é proposto um novo método para cálculo desses expoentes, que pode ser extremamente útil quando há descontinuidades ou quando o cálculo da matriz jacobiana é proibitivo. Esse método tem por base o método das dinâmicas clonadas para estimação do espectro convencional de Lyapunov. A nova proposta é validada em diversos cenários, partindo de sistemas clássicos e chegando aos modelos neuronais de Hindmarsh-Rose e Hodgkin-Huxley. O estudo do sincronismo uni- e bidirecional desses modelos, aliás, constitui também uma contribuição original do trabalho / Abstract: The problem of analyzing synchronism between dynamical systems is of enormous practical significance, as this phenomenon arises in several natural and artificial domains. To characterize the occurrence of synchronism, it is usual to employ the conditioned Lyapunov exponents, which reflect, in their definition, the coupling between systems. In this thesis, a new method for calculating these exponents is proposed, which can be extremely useful in the presence of discontinuities or when to calculate the Jacobian matrix is prohibitive. This method is based on the cloned dynamics approach for estimating the conventional Lyapunov spectrum. The new proposal is validated in a number of scenarios, ranging from classical systems to the Hindmarsh-Rose and Hodgkin-Huxley neuron models. The study of the uniand bidirectional synchronism of these models are apropos also an original contribution of this work / Doutorado / Automação / Doutor em Engenharia Elétrica

Orientador: Paulo Regis Caron Ruffino / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matemática Estatística e Computação Científica / Made available in DSpace on 2018-08-27T10:29:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Morgado_LeandroBatista_D.pdf: 1320837 bytes, checksum: db1015f01556b3de2b1f7ca1c6bf33d3 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Este trabalho aborda alguns aspectos da teoria de equações diferenciais estocásticas em relação a semimartingales com saltos, suas aplicações na decomposição de fluxos estocásticos em variedades, bem como algumas implicações de natureza geométrica. Inicialmente, em uma variedade munida de distribuições complementares, discutimos o problema da decomposição de fluxos estocásticos contínuos, isto é, gerados por EDE em relação ao movimento Browniano. Resultados anteriores garantem a existência de uma decomposição em difeomorfismos que preservam as distribuições até um tempo de parada. Usando a assim denominada equação de Marcus, bem como uma técnica que denominamos equação 'stop and go', vamos construir um fluxo estocástico próximo ao original, com a propriedade adicional que o fluxo construído pode ser decomposto além do tempo de parada inicial. Em seguida, trataremos da decomposição de fluxos estocásticos no caso descontínuo, isto é, para processos gerados por uma EDE em relação a um semimartingale com saltos. Após uma discussão sobre a existência da decomposição, obtemos as EDEs para as componentes respectivas, a partir de uma extensão que propomos da fórmula de Itô-Ventzel-Kunita. Finalmente, propomos um modelo de equações diferenciais estocásticas com retardo incluindo saltos. A ideia é modelar certos fenômenos em que a informação pode chegar ao receptor por diferentes canais: de forma contínua, mas com retardo, e em tempos discretos, de forma instantânea. Vamos abordar aspectos geométricos relacionados ao tema: transporte paralelo em curvas diferenciáveis com saltos, bem como possibilidade de levantamento de uma solução do nosso modelo de equação para o fibrado de bases de uma variedade diferenciável / Abstract: The main subject of this thesis is the theory of stochastic differential equations driven by semimartingales with jumps. We consider applications in the decomposition of stochastic flows in differentiable manifolds, and geometrical aspects about these equations. Initially, in a differentiable manifold endowed with a pair of complementary distributions, we discuss the decomposition of continuous stochastic flows, that is, flows generated by SDEs driven by Brownian motion. Previous results guarantee that, under some assumptions, there exists a decomposition in diffeomorphisms that preserves the distributions up to a stopping time. Using the so called Marcus equation, and a technique that we call 'stop and go' equation, we construct a stochastic flow close to the original one, with the property that the constructed flow can be decomposed further on the stopping time. After, we deal with the decomposition of stochastic flows in the discontinuous case, that is, processes generated by SDEs driven by semimartingales with jumps. We discuss the existence of this decomposition, and obtain the SDEs for the respective components, using an extension of the Itô-Ventzel-Kunita formula. Finally, we propose a model of stochastic differential equations including delay and jumps. The idea is to describe some phenomena such that the information comes to the receptor by different channels: continuously, with some delay, and in discrete times, instantaneously. We deal with geometrical aspects related with this subject: parallel transport in càdlàg curves, and lifting of solutions of these equations to the linear frame bundle of a differentiable manifold / Doutorado / Matematica / Doutor em Matemática

Orientador: Weber Flávio Pereira / Resumo: A Teoria dos Sistemas Dinâmicos pode ser aplicada em diversas áreas da ciência, para, por exemplo, modelar fenômenos e problemas: Biológicos, da Física, Mecânica, Eletrônica, Economia, etc. Um sistema pode ser definido como um conjunto de elementos agrupados que mantêm alguma interação, de modo que existam relações de causa e efeito. Dizemos que é dinâmico quando algumas grandezas que compõem os elementos variam no tempo, sendo o tempo discreto quando a variável tempo é um número inteiro. Na busca de uma compreensão qualitativa e/ou topológica de um sistema, revela-se uma gama muito grande de movimentos que podem ser tanto regulares quanto caóticos. O termo “caos” só foi introduzido por James Yorke e TienYien Li em 1975, num artigo que simplificava um dos resultados da escola russa: o Teorema de Sharkovskii de 1964. Esporadicamente, antes e depois da introdução do termo, os sistemas caóticos apareciam na literatura aplicada, o mais famoso deles foi por Edward Norton Lorenz em 1963, que se propôs a modelar a convecção atmosférica. Em seus estudos ele descobriu que, para o seu modelo matemático, ínfimas modificações nas coordenadas iniciais mudavam de forma significativa os resultados finais, daí originou o termo popular do fenômeno (Efeito Borboleta). Mais tarde, em 1989, Robert Luke Devaney no seu livro: “An Introduction to Chaotic Dynamical Systems” [11], definiu um sistema como caótico se ele tem uma dependência sensível das condições iniciais, é topologicamente transitivo e suas ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Dynamical Systems Theory can be applied in various areas of science, for example, to model phenomena and problems: biology, physics, mechanics, electronics, economics, etc. A system can be defined as a set of grouped elements that maintain someinteraction. Wesaythatitisdynamicwhensomemagnitudesthatmakeupthe elementsvaryintime,beingdiscretetimewhenthevariabletimeisaninteger. Inthe pursuit of a qualitative and/or topological understanding of a system, a wide range of movements that can be both regular or chaotic is revealed. The term “chaos” was only introduced by James Yorke and TienYien Li in 1975, in an article that simplified one of the results of the Russian school: the 1964 Sharkovskii’s Theorem. Sporadically, before and after the introduction of the term, chaotic systems appeared in applied literature, the most famous of which was by Edward Norton Lorenz in 1963, who set out to model atmospheric convection. In his studies he found that for his created system, minor modifications to the initial coordinates significantly changed the final results, hence the popular term of the phenomenon (Butterfly Effect). Later, in 1989, Robert Luke Devaney in his book, “An Introduction to Chaotic Dynamical Systems” [11], defined a system as chaotic if it has a sensitive dependence on initial conditions, is topologically transitive, and its periodic orbits form a dense set. The main objective of this work is to study and present the evolution of the definition of discrete time Chaotic Dynamic Sy... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Sistemas Lineares com Saltos Markovianos (SLSMs) são estudados desde a década de 1960 e vêm ganhando visibilidade desde então, com diversas aplicações dentre as quais Finanças, Robótica e Engenharias diversas. Um problema de regulação trata de controlar o SLSM buscando fazer sua trajetória se aproximar de zero. Quando os saltos markovianos são observados, o problema é simples e bem resolvido, muito diferente de quando não se observam os saltos. Neste trabalho é estudado um algoritmo da literatura utilizado para resolver o problema de regulação sem observação dos saltos, chamado Método Variacional (MV). Sendo um dos melhores métodos para o dado problema, enfrenta dificuldades de cunho numérico. Neste trabalho se procura analisar e melhorar o condicionamento dos subproblemas envolvidos, de forma a favorecer a convergência do método. São testadas abordagens diferentes usando precondicionadores e comparados os resultados, permitindo concluir que três das cinco abordagens é que trouxeram os melhores resultados. Por se tratar de sistemas lineares do tipo Ax = b, as abordagens de condicionamento podem ser adaptadas para outros problemas semelhantes. / Markov Jump Linear Systems (MJLSs) have been studied since the decade of 1960 and they are gaining visibility ever since, due to a wide range of applications, such as Finance, Robotics, several Engeneerings among others. The so called regulation problem is to control the MJLS seeking to make its trajectory to approach zero. When markovian jumps are observed, the problem is simple and the solution given as closed formulas, which is quite different from the situation when jumps are not observed. We study an algorithm available in literature called Variational Method (VM). Even though it is one of the best methods to solve the problem, it has some numerical difficulties. We analyse its performance and propose some ideas aiming at the ill-conditioning of the subproblems involved, in order to improve the convergence of the method. Different approaches are tested using preconditioners and the results are compared, indicating that three approaches of the five tested ones are promising for convergence improvement. Because the subproblems are linear systems of type Ax = b, these approaches can be adapted to similar problems.

Neste trabalho, estudamos equações diferenciais em espaços de Banach. Duas questões são abordadas: a robustez da estabilidade assintótica, e a aproximação de soluções de sistemas periódicos por wavelets. Observa-se que a estabilidade exponencial do sistema x = A(t)x é qualitativamente preservada pelo sistema perturbado x=A(t)x+B(t)x se B(t) for integralmente pequeno. Consequentemente, tal propriedade é preservada por uma perturbação B(wt)x para w suficientemente grande, mesmo se B(t) pertence a uma classe mais geral de funções do que as funções quase-periódicas, aqui apresentada. Além disso, estudamos o efeito de aproximações de uma função periódica f (t) por wavelets periódicas na solução de um sistema periódico x = Ax+ f (t). Conclui-se que as soluções do problema inicial podem inclusive ser aproximadas utilizando a wavelet base não-periódica. / In this work, we study differential equations in Banach spaces. Two questions were considered: the robustness of the asymptotic stability, and the approximation of solutions of periodic systems by wavelets. It is observed that the exponential stability of the system x = A(t)x is qualitatively preserved by the perturbed system x = A(t)x+B(t)x if B(t) is integrally small. As a consequence, this property is preserved by a perturbation B(wt) for w sufficiently large, even if B(t) is in a class of functions which is more general than almost-periodic functions, presented here. Furthermore, we study the effect of approximating a periodic function f (t) by periodic wavelets in the solution of a periodic system x = Ax+ f (t). It is concluded that the solutions of the initial problem can even be approximated using the non-periodic base wavelet.

The exploration of oil and natural gas in offshore fields has motivated advanced researches about the environmental forces in the oceans. The waves, in particular, have been measured using different techniques, as meteorological buoys, with recent works proposing motion-based estimations procedures using the vessel, or a floating facility, in analogy with the buoys, as a wave sensor. Even though this approach has a number of benefits, the vessels, as dynamic systems, have a cut-off frequency that degrades the estimation of high-frequency waves, which are important for non-linear drift effects predictions. In order to solve this problem, it is proposed the incorporation of wave-probes - gauges used to measure the wave elevation in a point - installed on the hull of the vessel, based on literature suggestions and simple analytical arguments, using the Bayesian statistics as the standing point of a more complete estimation algorithm. In order to incorporate the measurements of the wave-probes, an extended linear model is proposed, showing that only corrections for the vertical motions of the vessel are necessary. The ideal installation positions of the wave-probes are defined using as base the utility Bayesian optimal design of experiments, which is shown to guarantee an upper bound for other optimal criteria, with the \'Elbow Criterion\" defining the optimal number of sensors to be employed. Based on the previous solutions, other proposals are made: a heuristic to solve the optimal sensor placement problem and an optimal prior exploring the probabilistic nature of the algorithm. Finally, all the proposals are tested numerically and experimentally, with a vessel model in a towing tank, concluding that the addition of the wave-probes is able to improve not only the estimation of high-frequency waves, but also the estimation over a large range of frequencies. For unimodal seas with intermediate draft, the addition of just one wave-probe reaches approximately a 37%-55% improvement in the energy parameter estimations - HS and TP; the addition of two or more probes reaches approximately a 62%-65% improvement in the same parameters estimations; the addition of four probes achieved the best cost benefit for mean direction estimation; and the addition of six probes is shown to be the recommendation for the best high-order directional estimation in the entire range of the spectrum. / A prospecção de óleo e gás natural em campos offshore tem motivado pesquisas avançadas sobre as forças ambientais em oceanos. As ondas, em particular, têm sido medidas através de diferentes técnicas, como boias meteorológicas, com trabalhos recentes propondo técnicas baseadas em movimento para que os navios, em analogia com as boias, possam ser usados como sensores de onda. Apesar desse método ter uma série de vantagens, os navios, como sistemas dinâmicos, têm uma frequência de corte que dificulta a estimação de ondas de altas frequências, que são importantes para a previsão de efeitos de deriva não-lineares. Para resolver esse problema, sugere-se a adição de wave-probes instalados no costado da embarcação, usando como justificativas sugestões da literatura e simples argumentos analíticos, com estatística Bayesiana como fundamentação para um algoritmo de estimação mais completo. Para que as medidas dos wave-probes possam ser incorporadas, um modelo linear estendido é proposto, mostrando que apenas correções para os movimentos verticais do navio são necessárias. A posição ideal de instalação dos wave-probes é definida usando como base o projeto ótimo de experimentos Bayesianos por utilidade, mostrando que o mesmo garante o limite superior de outros critérios de optimalidade, com o \"critério cotovelo\" definindo o número ótimo de sensores a serem usados. Com base nas soluções anteriores, outras propostas são feitas: uma heurística para resolver o problema de posicionamento ótimo dos sensores e uma priori ótima, explorando a natureza probabilística do algoritmo. Ao final, todas as propostas são testadas numericamente e experimentalmente, utilizando um modelo em escala em um tanque de provas, concluindo que a adição de wave-probes é capaz de melhorar não só a estimação de ondas em alta-frequência, mas também a estimação em uma ampla gama de frequências. Para mares unimodais, com calado intermediário, a adição de apenas um sensor alcançou uma melhoria de aproximadamente 37-55% na estimação dos parâmetros relacionados à energia - HS e TP; a adição de dois ou mais sensores alcançou melhorias de 62-65% na estimação de tais parâmetros; a adição de quatro sensores alcançou o melhor custo benefício para estimação da direção média; e a adição de seis sensores se mostrou ideal para estimação de ordem elevada do espectro direcional de energia.

Nesta dissertação de mestrado o problema da estabilidade de geodésicas do tipo luz e do tipo tempo é estudado sobre o ponto de vista do formalismo de sistemas dinâmicos. Uma breve revisão bibliográfica sobre aspectos importantes de sistemas dinâmicos contínuos no tempo é realizada, bem como uma sucinta revisão de tópicos de interesse em relatividade geral. As equações de movimento para as geodésicas são deduzidas para geometrias com simetria esférica, e o caso Schwarzschild é inicialmente analisado. Em seguida, analisamos o caso das geometrias proposta por Casadio, Fabbri e Mazzacurati e um caso de buraco de minhoca assintoticamente de Sitter. A caracterização dos pontos fixos dos sistemas de interesse é feita, e a sua estabilidade é analisada sob a ótica dos métodos de Lyapunov e Jacobi, assim como bifurcações foram mapeadas. A fotosfera é caracterizada como um ciclo limite, sendo um ponto fixo estritamente instável no espaço de estados de buracos negros. A análise dos buracos de minhoca revelam a existência de uma fotosfera estável em determinadas regiões do espaço de parâmetros do sistema / In this dissertation, the problem associated with the stability of timelike and null geodesics is studied from the dynamical system point of view. A succinct bibliographical review covering important aspects of time-continuous dynamical systems is made, and a short review about some topics of interest of general relativity is also presented. The geodesic equations of motion are shown for geometries with spherical symmetry, and the Schwarzschild case is first analyzed. In the following, we analyze the geometries proposed by Casadio, Fabbri, and Mazzacurati and an asymptotically de Sitter wormhole case. The characterization of the fixed points of the system is performed, and their stability is studied from the perspective of the Lyapunov and Jacobi methods, as well as the bifurcation analysis. The photon sphere is characterized as a limit cycle, being a strictly unstable fixed point in the state space of the system. The wormhole analysis reveals the existence of a stable photon sphere in certain regions of the parameter space of the system

O objetivo deste trabalho foi o de desenvolver e propor um modelo para integrar o Pensamento Sistêmico a partir da Dinâmica de Sistemas Qualitativa nas etapas Definir e Medir do DMAIC em projetos Seis Sigma que apresentem complexidade dinâmica. Esse modelo foi denominado DUMAIC, pois propõe a introdução da fase Understand Entender, nas etapas do DMAIC. Para o alcance desse objetivo, a metodologia de pesquisa escolhida foi a Pesquisa Ação. A aplicação do modelo deu-se em uma empresa de grande porte, uma empresa de médio porte e em um hospital. O trabalho desenvolveu-se baseado em entrevistas e reuniões com os participantes das equipes Seis Sigma para a explicitação dos modelos mentais a respeito dos problemas e posterior construção em grupo dos modelos dinâmicos qualitativos dos projetos. O resultado mais significativo obtido foi comum a todos os projetos: a descoberta de modo compartilhado pelos integrantes das equipes, ao longo da construção dos modelos qualitativos, de relacionamentos não óbvios entre variáveis causais, responsáveis pela dinâmica nos sistemas. Desse resultado, outros foram gerados, entre eles: a identificação de variáveis comuns a dois projetos Seis Sigma que seriam tratadas separadamente de modo não sistêmico; a descoberta de que as fronteiras entre departamentos dificultavam a análise de um problema, onde causa e efeito estavam distantes no tempo e espaço; a percepção de que o arquétipo Shifting the Burden ou Transferência de Responsabilidade dita muitas vezes o comportamento das equipes e que, quando descoberto, é possível sair em busca da solução fundamental. / The purpose of this paper is to develop and propose a model to integrate Systems Thinking through Qualitative System Dynamics, in the Define and Measure phases of the DMAIC process, in Six Sigma projects, which present dynamic complexity. Such model has been called DUMAIC as it proposes the introduction of the Understand phase in the DMAIC process. In order to reach this objective, the chosen research methodology was Action Research. The model was applied to a large-size company, a medium-size company and a hospital. The work developed was based on interviews and meetings with Six Sigma team members for elicitation of mental models on the problems and later construction, in groups, of the qualitative dynamic models of the projects. The most significant result obtained was common to all the projects: the finding, in a shared way by the members of the teams, while building the qualitative models, of non-obvious relationships between causal variables responsible for the dynamics in the systems. From this result others were generated, among them: identification of variables common to two Six Sigma projects which would be addressed separately in a non-systemic way; the finding that the borderlines between departments would make it difficult to analyze a problem, where cause and effect are distant in time and space; the perception that the \"Shifting the Burden\" archetype very often commands the behaviors of the teams, and that when it is found, it is possible to go in search of the fundamental solution.

Este trabalho apresenta um estudo qualitativo das equações diferenciais nãolineares que descrevem o sincronismo de fase nos PLLs de 3ª ordem que compõem redes OWMS de topologia mista, Estrela Simples e Cadeia Simples. O objetivo é determinar, através da Teoria de Bifurcações, os valores ou relações entre os parâmetros constitutivos da rede que permitam a existência e a estabilidade do estado síncrono, quando são aplicadas, no oscilador mestre, duas funções de excitação muito comuns na prática: o degrau e a rampa de fase. Na determinação da estabilidade dos pontos de equilíbrio, sob o ponto de vista de Lyapunov, a existência de pontos de equilíbrio não-hiperbólicos não permite uma aproximação linear e, nesses casos, é aplicado o Teorema da Variedade Central. Essa técnica de simplificação de sistemas dinâmicos permite fazer uma aproximação homeomórfica em torno desses pontos, preservando a orientação no espaço de fases e possibilitando determinar localmente suas estabilidades. / This work presents a qualitative study of the non-linear differential equations that describe the synchronous state in 3rd order PLLs that compose One-way masterslave time distribution networks with Single Star and Single Chain topologies. Using bifurcation theory, the dynamical behavior of third-order phase-locked loops employed to extract the syncronous state in each node is analyzed depending on constitutive node parameters when two usual inputs, the step and the ramp phase pertubations, are supposed to appear in the master node. When parameter combinations result in non hyperbolic synchronous states, from Lyapunov point of view, the linear approximation does not provide any information about the local behavior of the system. In this case, the center manifold theorem permits the construction of an equivalent vector field representing the asymptotic behavior of the original system in the neighborhood of these points. Thus, the local stability can be determined.

Neste trabalho, são estudados os problemas de sincronismo de fase nas redes mestre-escravo de via única (OWMS), nas topologias Estrela Simples, Cadeia Simples e mista, através da Teoria Qualitativa de Equações Diferenciais, com ênfase no Teorema da Variedade Central. Através da Teoria das Bifurcações, analisa-se o comportamento dinâmico das malhas de sincronismo de fase (PLL) de segunda ordem que compõem cada rede, frente às variações nos seus parâmetros constitutivos. São utilizadas duas funções de excitação muito comuns na prática: o degrau e a rampa de fase, aplicadas pelo nó mestre. Em cada caso, discute-se a existência e a estabilidade do estado síncrono. A existência de pontos de equilíbrio não-hiperbólicos, não permite uma aproximação linear, e nesses casos é aplicado o Teorema da Variedade Central. Através dessa rigorosa técnica de simplificação de sistemas dinâmicos é possível fazer uma aproximação homeomórfica em torno desses pontos, preservando a orientação no espaço de fases. Desse modo, é possível determinar, localmente, suas estabilidades. / This work presents stability analysis of the syncronous state for three types of one-way master-slave time distribution network topologies: single star, single chain and both of them, mixed. Using bifurcation theory, the dynamical behavior of second-order phase-locked loops employed to extract the syncronous state in each node is analyzed in function of the constitutive parameters. Two usual inputs, the step and the ramp phase pertubations, are supposed to appear in the master node and, in each case, the existence and stability of the syncronous state are studied. For parameter combinations resulting in non hyperbolic synchronous states, the linear approximation does not provide any information, even about the local behaviour of the system. In this case, the center manifold theorem permits the construction of an equivalent vector field representing the asymptotic behaviour of the original system in the neighborhood of these points. Thus, the local stability can be determined.