Este trabalho trata da investigação do espaço de parâmetros de sistemas dinâmicos não-lineares de tempo contínuo. A análise é focada essencialmente em regiões de alta complexidade dinâmica; contendo as fases caóticas e regiões de peíodos altos. O objetivo não é uma análise completa da estrutura de bifurcações existentes, mas sim a investigação da estrutura e organização das regiões periódicas que existem encaixadas em meio às fases caóticas. Investigamos aqui alguns modelos físicos dissipativos, descritos por equações diferenciais ordinárias não-lineares de baixa ordem, como um laser de CO2 com perdas moduladas, um laser de semicondutor com injeção óptica, um circuíto eletrônico e o oscilador de Duffing. Investigamos a estrutura fina das regiões caóticas e reportamos algumas regularidades previamente não conhecidas no espaço de parâmetros de sistemas dinâmicos de tempo contínu. Em particular, mostramos a existência de vários tipos de estrutuaas e auto-similares, acumulações de estruturas auto-similares com adição de período; hierarquia de espirais em um sistema com simetria e recorrências nas fases caóticas no espaço de dois parâmetros de equações diferênciais não-lineares. Algumas destas regularidades poderiam ser verificadas experimentalmente para os sistemas investigados. A análise é baseada na computação de diagmmas de fase obtidos pela integração direta dos sisternas de equações diferenciais ordinárias não-lineares e estimativa numérica dos expoentes de Lyapunov. Os expoentes de Lyapunov selo codificados em urna conveniente metodologia que desenvolvemos. A metodologia que utilizamos aqui poderia ser uma alternativa aos métodos de continuação numérica largamente utilizados no estudo do espaço de parâmetros de equações diferenciais. / This work deals with the investigation of the paraneter space of continuous-time nonlinear dynamical systems. The analysis is focused mainly in regions of high dynamical complexity, containing the chaotic phases and regions of high periods. The goal is not a complete analysis of the bifurcation struture, but the investigation of the structure and organization of periodic regions that exist ernbedded in the chaotic phases. We investigate here some dissipative physical models, described by low-order nonlinear differential equations, such as a CO2 laser with modulated losses, a semiconductor laser with optical injection, an electmnic Circuit and the Duffing oscillator. We investigate the fine structure of the chaotic regions and we report some regularities previously unknown in the pamrneter space of continuous-time dynamical systems. In particular, we show the existence of several kinds of self-smilar structures, accumuations of self-similar stuctures with period adding, hierarchy af spirals in a system with symetry and recurrences in the chaotic phases in the two-parameter space of nonlinear differential equations. Some of these regularities could be verified experimentally for the investigated systems. The analysis is based on the computation of phase diagrams obtained by direct time integration of systems of nonlinear ordinary differential equations and numerical estimation of the Lyapunov exponents. The Lyapunov exponents are encoded in a convenient methodology that we developed. The methodology used here could be an altemative to the numerical continuation methods widely used in the study of the parameter space of nonlinear differential equations.

O estudo da sincronização de sistemas dinâmicos populacionais é importante para prever e avaliar o risco de extinção global. Neste trabalho, investigamos fenômenos de sincronização caótica em modelos metapopulacionais. Primeiramente, consideramos um modelo metapopulacional composto por um número arbitrário de sítios e obtemos um critério para a sincronização que é determinado por dois parâmetros: o número de Lyapunov que depende da dinâmica local de um sítio e um parâmetro que é determinado pela forma como os sítios interagem. A partir disso, consideramos um modelo metapopulacional composto pela distribuição de sítios em duas escalas. A primeira escala é composta por uma metapopulação, enquanto a segunda escala é composta por um número arbitrário de metapopulações. Para esse modelo, analisamos dois tipos de sincronização: o primeiro é quando ambas escalas estão sincronizadas e o segundo considera sincronização na segunda escala. Para o caso de ambas escalas estarem sincronizadas, obtemos um critério para sincronização dependendo de 2 parâmetros: o número de Lyapunov e pela forma como os sítios da primeira escala e da segunda escala interagem. No caso da segunda escala estar sincronizada com os respectivos sítios da primeira escala não necessariamente sincronizados, obtém-se um critério e seus valores são calculados numericamente. / The study of populations' synchronization dynamics is important to predict and evaluate the risk of global extinction. ln this study, we investigate the phenomenon of chaotic synchronization in metapopulation models. At first, we propose a time-varying metapopulation modei composed by patches and we obtain a condition for the synchronization that are determined by two parameters: the Lyapunov number of the separate patch and by a parameter determined from the interaction patches. Afterwards, we propose a time-varying metapopulation of metapopulations modei composed by patches that are distributed in two scales, the first one is composed by a metapopulation and the second one is composed by an arbitrary number of metapopulations. We investigate two kinds of synchronizaton: both scales synchonized and when the second scale is syncronized. ln the first case we obtain a condition for the sYllchronization that are determined by two parameters: the Lyapunov number and by a parameter determined from the first scale and the second scale interaction patches. The second case the condition values for the syncronization are calculated by numerical simulations.

Orientador : Pedro Luis Dias Peres / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-03T09:47:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Oliveira_PauloJamesde_D.pdf: 910704 bytes, checksum: b8889546265ec00ec7a7e547f9f2f3c3 (MD5) Previous issue date: 2003 / Doutorado

Orientador: Pedro Luis Dias Peres / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-04T02:47:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Montagner_ViniciusFoletto_D.pdf: 933071 bytes, checksum: e6d1cbf4cd9f9c623d440182a51345be (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Esta tese apresenta contribui»coes para a solucao de problemas de anaalise de estabilidade e de sintese de controladores para sistemas lineares com parametros variantes no tempo pertencentes a um politopo e para sistemas chaveados lineares com funcoes de chaveamento arbitrarias atraves de condicoes na forma de desigualdades matriciais lineares baseadas em funcoes de Lyapunov. Para sistemas lineares variantes no tempo (caso continuo), sao fornecidas condicoes de verificacao de estabilidade e de computo de custos garantidos H1 quando os parametros pertencentes a um politopo sao supostos incertos e com taxas de variacao limitadas. Para o problema de sintese, supondo que os parametros sao conhecidos em tempo real, sao fornecidas condicoes de projeto de ganhos de realimentacao de estados que variam de forma nao-linear com os parametros e que asseguram a estabilidade com um certo custo garantido H1 para o sistema em malha fechada sujeito a taxas de variacoes parametricas limitadas. No caso de taxas de variacoes parametricas arbitrarias, sao fornecidas condicoes de c^omputo de ganhos que variam de forma linear (caso continuo) ou de forma nao-linear (caso discreto) com os par^ametros, assegurando a estabilidade com requisitos de desempenho H1 para o sistema em malha fechada. Para sistemas chaveados lineares (casos continuo e discreto), sao fornecidas condicoes para computar ganhos chaveados de realimentacao de estados que resolvem os problemas de estabiliza cao e de controle H1, incluindo especi¯cacoes de alocacao de piolos, permitindo melhorar o desempenho do sistema em malha fechada sujeito a funcoes de chaveamento arbitrarias disponiveis em tempo real. Exemplos numericos incluindo problemas de controle com restri»cao de estrutura, de controle sob falhas de atuadores e uma aplicacao em circuitos eletricos chaveados ilustram como as condi»coes propostas reduzem o conservadorismo nos problemas de analise e de sintese das classes de sistemas dinamicos sob investigacao / Abstract: This thesis presents contributions to the solution of problems of stability analysis and control synthesis applied to linear systems with time-varying parameters belonging to a polytope and to switched linear systems subject to arbitrary switching functions using linear matrix inequality conditions based on Lyapunov functions. Concerning linear time-varying systems (continuous-time case), the proposed conditions assess the problems of stability analysis and computation of H1 guaranteed costs when the parameters belonging to a polytope are supposed to be uncertain with bounded rates of variation. For the problem of synthesis, assuming that the parameters are available in real time, the thesis provides conditions to design state feedback gains which depend nonlinearly on the parameters and assure stability with a given H1 guaranteed cost to the closed-loop system for the case of bounded rates of parametric variations. When the rates of parametric variations are assumed to be arbitrary, the given conditions can determine gains that depend linearly (continuous-time case) or nonlinearly (discrete-time case) on the parameters, assuring stability with H1 performance to the closed-loop system. In the context of switched linear systems (continuous and discrete-time cases), the proposed conditions are suitable to determine switched state feedback gains that solve the problems of stabilization and H1 control including pole location speci¯cations, allowing to improve the performance of the closed-loop system subject to arbitrary switching functions available in real time. Numerical examples including problems of structurally constrained control, robustness against actuator failures and an application on switched electrical circuits illustrate how the proposed conditions reduce the conservatism of the problems of analysis and synthesis for the classes of dynamic systems under investigation / Doutorado / Automação / Doutor em Engenharia Elétrica

Ingeniero Civil Matemático / Esta memoria tiene como objetivo el análisis de un modelo de transmisión de datos bajo el contexto de network coding. El modelo fue inspirado en un estudio de comunicación en redes inalámbricas. En el escenario a estudiar, se desea enviar información particionada en paquetes, que llegan a un transmisor, a múltiples receptores. Se considera que el tiempo está particionado en períodos de tiempo iguales. Los paquetes, modelados como vectores de un espacio vectorial, llegan al transmisor mediante un proceso de Bernoulli de tasa $\lambda$. El transmisor puede enviar, en cada período, una combinación lineal de paquetes por igual a cada uno de los receptores. Las transmisiones pueden fallar en cada período con probabilidad $1-\mu$ de manera independiente entre cada receptor. Los receptores deben ser capaces de recuperar cada paquete de información original. En el contexto descrito, el principal parámetro de estudio es el retraso de decodificación de un paquete, definido como el tiempo esperado que transcurre entre que llega el paquete al transmisor y el instante en que un receptor logra decodificarlo (es decir, ser capaz de calcular una combinación lineal entre las transmisiones que el receptor ha recibido, cuyo resultado sea el paquete en consideración). El caso de interés del análisis del retraso de decodificación, es cuando el factor de carga $\rho = \lambda/\mu$, con $\lambda < \mu$, $\rho \rightarrow 1$. En primer lugar, se analiza el caso en que existen dos receptores. El transmisor ocupa un esquema de codificación propuesto en la literatura para calcular las combinaciones lineales de paquetes que se van a enviar. Se demuestra que el tiempo esperado del retraso de decodificación es $O\left( \frac{1}{1-\rho} \right)$, siendo una cota asintóticamente óptima. Se introduce el uso de funcionales de Lyapunov sobre cadenas de Markov, que permiten estudiar y acotar esperanzas que dependen del funcional. Posteriormente, se estudia si es posible para el caso de dos receptores realizar transmisiones, en períodos específicos, que den prioridad al receptor que ha recibido menos paquetes, con el objetivo de acotar el retraso de decodificación de los paquetes que le falta por decodificar a tal receptor. Aquí, se introduce la técnica de coupling de cadenas de Markov en el contexto de network coding. Por último, se avanza en el análisis de un esquema de codificación para el caso de tres receptores propuesto en la literatura. Se generalizan resultados que permiten obtener cotas para el caso de dos receptores utilizando funcionales de Lyapunov, adecuando las hipótesis a las que se tienen en el esquema de codificación en consideración.

Doctor en Ciencias de la Ingeniería, Mención Modelación Matemática / Este trabajo se concentra principalmente en estudiar el método de reducción de Lyapunov-Schmidt y sus aplicaciones al estudio de existencia de soluciones a problemas semilineales elípticos. En particular, utilizamos exitosamente este método para estudiar la ecuación de Allen-Cahn \Delta u + u(1-u^2)=0, en R^N en diferentes contextos. La geometría de los conjuntos de nivel de soluciones enteras de esta ecuación, presenta una estructura variada y compleja. En particular, esta ecuación esta presente en la famosa conjetura de E. De Giorgi, la cual afirma que si la dimensión del espacio es tal que 2\leq N\leq 8, las soluciones acotadas de esta ecuación que son monótonas en una dirección, tienen por conjuntos nivel a una familia de hiperplanos paralelos entre si, es decir, la solución depende solo de una variable. Gran progreso se ha alcanzado en la demostración de esta conjetura durante las \'ultimas décadas. La monotonía de las soluciones esta relacionada con sus propiedades de estabilidad. En el programa de entender el conjunto de soluciones enteras de esta ecuación, es interesante estudiar soluciones que tienes índice de Morse finito, de las cuales para nuestro conocimiento, pocos ejemplos se conocen hasta ahora. En la primera parte de esta investigación, utilizamos el método de reducción, en esencia no variacional, para construir una familia de soluciones acotadas axialmente simétricas a la ecuación de Allen-Cahn en R3, con la propiedad de tener múltiples transiciones sobre una dilatación grande de una catenoide. De nuestro desarrollo, se evidencia contundentemente que estas soluciones tienen indice de Morse grande a medida que la catenoide se vuelve más y más dilatada. Motivados por este descubrimiento y utilizando el mismo método, continuamos este trabajo construyendo una nueva familia de soluciones axialmente simétricas a la ecuación de Allen-Cahn en R3, cuyo conjunto nodal consiste en dos componentes conexas que provienen del grafo y su reflexión respecto al eje z, de una solución suave y radialmente simétrica de la ecuación de Liouville en R2. De igual forma, encontramos fuerte evidencia para afirmar que el índice de Morse de esta familia de soluciones es finito. Luego, presentamos el estudio de la ecuación no homogénea de Allen-Cahn en R2, en la cual presentamos otra aplicación del método reducción construyendo, bajo ciertas condiciones geométricas, una familia de soluciones cuyos conjuntos nodales, fuera de una bola grande de R2, tienen dos componentes conexas que son asintóticamente semirrectas no paralelas entre si. Finalmente, y en contraste, consideramos el contexto variacional presentando resultados de existencia de múltiples soluciones para un sistema elíptico de ecuaciones con un acoplamiento simétrico. La aplicación del método de reducción variacional, permite luego aplicar de forma clásica el teorema de paso de montaña simétrico. La importancia del método de reducción, en este caso, radica en que las propiedades de simetría del sistema de ecuaciones, las cuales provienen de la forma del sistema, en lugar de las no linealidades, son heredadas por ecuación reducida.

Doctor en Ciencias de la Ingeniería, Mención Modelación Matemática / En esta tesis doctoral se construyen soluciones rotacionalmente simétricas de la ecuación de Cahn-Hilliard en $ \R{^d} $ y se estudian sus propiedades de estabilidad. En el Capítulo \ref{ch1} se presenta la ecuación de Cahn-Hilliard y se explica su origen e interpretación física. Además se repasan varios resultados conocidos, se presenta la notación y se exponen los dos resultados más importantes de esta tesis: el primero establece la existencia de soluciones rotacionalmente simétricas cuyos conjuntos de nivel se aproximan a los unduloides de Delaunay. El segundo resultado afirma que las propiedades de estabilidad de los unduloides de Delanay heredan propiedades de estabilidad de las soluciones encontradas, en el sentido que son no degeneradas y tienen 6 campos de Jacobi con crecimiento moderado. En el Capítulo \ref{prel} se presentan en detalle los principales ingredientes que se necesitan para probar los Teoremas \ref{teo 1} y \ref{teo 2}, a saber las coordenadas de Fermi cerca de una superficie de curvatura media constante, los unduloides de Delaunay y su operador de Jacobi. También se muestra la primera aproximación de la solución anunciada en el Teorema \ref{teo 1}. En el Capítulo \ref{chap proof teo 1} se demuestra el Teorema \ref{teo 1}. Usamos una versión refinada del método de reducción del Lyapunov-Schmidt que simplifica varios aspectos técnicos de construcciones de problemas similares. Los resultados de este capítulo fueron obtenidos en colaboración con mi Profesor Guía, Dr. Micha\l\ Kowalczyk y fueron publicados en la revista \emph{Discrete and Continous Dynamical Systems} bajo el título \emph{Rotationally Symmetric Solutions to the Cahn-Hillard Equation}. Una demostración del Teorema \ref{teo 2} se da el Capítulo \ref{chap proof teo 2}. La clave es relacionar el núcleo del operador linearizado alrededor de nuestra solución con los campos de Jacobi que provienen de invariancias geométricas. Esta relación se puede realizar debido a que es posible separar las variables una vez que se ha aplicado la transformada de Laplace-Fourier. Los resultados de este capítulo también fueron obtenidos con mi profesor Guía y han sido aceptados para su publicación en la revista \emph{Indiana University Mathematics Journal} bajo el título \emph{Nondegeneracy and the Jacobi Fields of Rotationally Symmetric Solutions to the Cahn-Hillard Equation}. In this PhD thesis rotationally symmetric solutions to the Cahn-Hilliard equation are constructed. Also we study its stability properties. In Chapter \ref{ch1} we present the Cahn-Hilliard equation in $ \R^d $ and explain its origin and physical interpretation. We also review several known results, introduce some basic notation and present the two main results of this thesis. The first one states the existence of radially symmetric solutions to the Cahn-Hilliard equation which nodal sets approaches to Delaunay unduloids, and the second one claims that stability properties of the Delaunay unduloids inherit stability properties of the solutions we found in the sense that our solutions are non degenerated and have 6 Jacobi fields with temperate growth. Chapter \ref{prel} is devoted to present in detail the main ingredients we need to prove Theorem \ref{teo 1} and Theorem \ref{teo 2}, namely Fermi coordinates near a constant mean curvature (CMC), the Delaunay unduloids and its Jacobi operator. We also present the construction of the first approximation of the solutions announced in Theorem \ref{teo 1}. In Chapter \ref{chap proof teo 1} we prove Theorem \ref{teo 1}. We use a refined version of the Lyapunov-Schmidt reduction method which simplifies very technical aspects of previous constructions for similar problems. The results of this chapter were obtained in collaboration with my thesis advisor Dr. Micha\l\ Kowalczyk and published in \emph{Discrete and Continuous Dynamical Systems}. A proof of Theorem \ref{teo 2} is given in Chapter \ref{chap proof teo 2}. The key is to relate the kernel of the linearized operator about our solution with the Jacobi fields that comes from the geometric invariances. This relation can be performed since we are able to separate the variables once the Laplace-Fourier transform is applied. The results of this chapter were obtained in collaboration with my thesis advisor Dr. Micha\l\ Kowalczyk and admitted for publication in \emph{Indiana University Mathematics Journal}.

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This dissertation thesis is dedicated to the heart rate variability and methods of its evaluation. It mainly focuses on nonlinear methods and especially on the Poincaré plot. First it deals with the principle and nature of the heart rate variability, then the ways of its representation, linear and also nonlinear methods of its analysis and physiological and pathophysiological influence on heart rate variability changes. In particular, there is emphasis on the metabolic syndrome. In the next section of the thesis there are compared and evaluated different ways of representation of the heart rate variability and further are tested selected methods of heart rate variability analysis on unique data from patients with the metabolic syndrome and healthy subjects provided by the Institute of Scientific Instruments, Academy of Sciences of Czech Republic. In particular, they are used the Poincaré plot and its parameters SD1 and SD2, commonly used time domain and frequency domain parameters, parameters evaluating signal entropy and the Lyapunov exponent. SD1 and SD2 combining the advantages of time and frequency domain methods of heart rate variability analysis distinguish successfully between patients with the metabolic syndrome and healthy subjects.

abstract: There are many inconsistencies in the literature regarding how to estimate the Lyapunov Exponent (LyE) for gait. In the last decade, many papers have been published using Lyapunov Exponents to determine differences between young healthy and elderly adults and healthy and frail older adults. However, the differences in methodologies of data collection, input parameters, and algorithms used for the LyE calculation has led to conflicting numerical values for the literature to build upon. Without a unified methodology for calculating the LyE, researchers can only look at the trends found in studies. For instance, LyE is generally lower for young adults compared to elderly adults, but these values cannot be correlated across studies to create a classifier for individuals that are healthy or at-risk of falling. These issues could potentially be solved by standardizing the process of computing the LyE. This dissertation examined several hurdles that must be overcome to create a standardized method of calculating the LyE for gait data when collected with an accelerometer. In each of the following investigations, both the Rosenstein et al. and Wolf et al. algorithms as well as three normalization methods were applied in order to understand the extent at which these factors affect the LyE. First, the a priori parameters of time delay and embedding dimension which are required for phase space reconstruction were investigated. This study found that the time delay can be standardized to a value of 10 and that an embedding dimension of 5 or 7 should be used for the Rosenstein and Wolf algorithm respectively. Next, the effect of data length on the LyE was examined using 30 to 1300 strides of gait data. This analysis found that comparisons across papers are only possible when similar amounts of data are used but comparing across normalization methods is not recommended. And finally, the reliability and minimum required number of strides for each of the 6 algorithm-normalization method combinations in both young healthy and elderly adults was evaluated. This research found that the Rosenstein algorithm was more reliable and required fewer strides for the calculation of the LyE for an accelerometer. / Dissertation/Thesis / Appendix A / Doctoral Dissertation Biomedical Engineering 2019