The central aim for the research undertaken in this PhD thesis is the development of a model for simulating water droplet movement on a leaf surface and to compare the model behavior with experimental observations. A series of five papers has been presented to explain systematically the way in which this droplet modelling work has been realised. Knowing the path of the droplet on the leaf surface is important for understanding how a droplet of water, pesticide, or nutrient will be absorbed through the leaf surface. An important aspect of the research is the generation of a leaf surface representation that acts as the foundation of the droplet model. Initially a laser scanner is used to capture the surface characteristics for two types of leaves in the form of a large scattered data set. After the identification of the leaf surface boundary, a set of internal points is chosen over which a triangulation of the surface is constructed. We present a novel hybrid approach for leaf surface fitting on this triangulation that combines Clough-Tocher (CT) and radial basis function (RBF) methods to achieve a surface with a continuously turning normal. The accuracy of the hybrid technique is assessed using numerical experimentation. The hybrid CT-RBF method is shown to give good representations of Frangipani and Anthurium leaves. Such leaf models facilitate an understanding of plant development and permit the modelling of the interaction of plants with their environment. The motion of a droplet traversing this virtual leaf surface is affected by various forces including gravity, friction and resistance between the surface and the droplet. The innovation of our model is the use of thin-film theory in the context of droplet movement to determine the thickness of the droplet as it moves on the surface. Experimental verification shows that the droplet model captures reality quite well and produces realistic droplet motion on the leaf surface. Most importantly, we observed that the simulated droplet motion follows the contours of the surface and spreads as a thin film. In the future, the model may be applied to determine the path of a droplet of pesticide along a leaf surface before it falls from or comes to a standstill on the surface. It will also be used to study the paths of many droplets of water or pesticide moving and colliding on the surface.

The management and administration of legally defined marine boundaries in Australia is subject to a variety of political, legal and technical challenges. The purpose of this thesis is to address three of the technical challenges faced in the implementation of marine boundaries which cannot be dealt with by applying conventional land cadastre and land administration principles. The three challenges that are identified and addressed are (i) marine boundary delimitation and positioning uncertainty, (ii) the construction and maintenance of four dimensional marine parcels, and (iii) the modelling and management of marine boundary uncertainty metadata.

Αρχικά γίνεται μια ιστορική αναδρομή, μια παρουσίαση της διπαραμετρικής Γενικευμένης εκθετικής κατανομής (τύπος κατανομής, συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας κλπ) και αναφέρονται βασικά χαρακτηριστικά της κατανομής. Στη συνέχεια αναφέρονται βασικοί ορισμοί και θεωρήματα σχετικά κυρίως με τη σημειακή παραμετρική εκτίμηση καθώς και την εκτίμηση κατά Bayes. Το επόμενο κεφάλαιο πραγματεύεται την ανάλυση του μοντέλου και τις βασικές ιδιότητες της Γενικευμένης εκθετικής κατανομής. Επίσης μελετώνται ειδικά θέματα, όπως συναρτήσεις επιβίωσης, πληροφορία Fisher, διατεταγμένες παρατηρήσεις, κατανομή του αθροίσματος και παραγωγή τυχαίων αριθμών, στα πλαίσια της Γενικευμένης εκθετικής κατανομής. Στη συνέχεια αναλύονται και εφαρμόζονται μέθοδοι σημειακής εκτίμησης (Μέγιστη Πιθανοφάνεια, Μέθοδος ροπών, Μέθοδος εκατοστημορίων, Ελάχιστα και σταθμισμένα ελάχιστα Τετράγωνα, L-ροπές) για την εκτίμηση των παραμέτρων της κατανομής. Μελετάται και η απόδοση των εκτιμητών για τις διάφορες μεθόδους εκτίμησης. Ακολουθεί η εκτίμηση τύπου Bayes των παραμέτρων (με συναρτήσεις ζημίας τετραγωνικού σφάλματος και LINEX αντίστοιχα). Αναφέρονται πάλι συμπεράσματα για την απόδοση των εκτιμητών και σύγκριση με τους εκτιμητές μέγιστης πιθανοφάνειας. Τελικά παρουσιάζουμε την προσέγγιση ενός αναλογιστικού πίνακα μέσω της Γενικευμένης εκθετικής κατανομής. / In the beginning, we mention a historical recursion, a presentation of the 2-parameter Generalized exponential distribution ( distribution type, probability density function etc.) and we also mention basic characteristics of the distribution. Basic definitions and theorems about point estimation and Bayes estimation are reported. Furthermore, we discource on the analysis of the model and basic properties of the Generalized exponential distribution. Special themes, such as survival functions, Fisher information, order statistics, sum distribution and production of random numbers are analyzed in the frame of the Generalized exponential distribution. Moreover, we analyze and apply point estimation methods (maximum likelihood, method of moments, percentile estimation, least (and weighted least) squares, method of L-moments) in order to estimate parameters of the distribution. Performance of the estimators for different estimation methods is also analyzed. Next, bayesian estimation of the parameters (under squared error loss function and LINEX loss function) is coming up for discussion. We also analyze the performance of the estimators and compare them to the maximum likelihood estimators. Finally, we present approximation of an actuarial table via Generalized exponential distribution.

Τα σύγχρονα τηλεπικοινωνιακά συστήματα, καθώς επίσης και οι επόμενες γενιές τους, πρέπει να προσαρμόζονται για να υποστηρίζουν ένα μεγάλο αριθμό από υπηρεσίες με διαφορετικές απαιτήσεις ποιότητας. Για παράδειγμα, στα κυψελικά συστήματα, οι κυψέλες μικραίνουν σε μέγεθος και αυξάνονται σε πλήθος για να υποστηρίζουν ένα συνεχώς αυξανόμενο πλήθος χρηστών. Επίσης, σε μια άλλη κατεύθυνση, τα δίκτυα αισθητήρων αποτελούνται από μικρές συσκευές που εισάγουν περιορισμούς μεγέϑους, ενέργειας και επεξεργαστικής ισχύος. Αυτά τα δυο παραδείγματα επιδεικνύου τόσο την αυξανόμενη πολυπλοκότητα των τηλεπικοινωνιακών συστημάτων όσο και τις ιδιαίτερες απαιτήσεις που υπάρχουν στους μεμονωμένους κόμβους τους. Τα τηλεπικοινωνιακά συστήματα πολλαπλών εισόδων και εξόδων έχουν την δυνατότητα να προσφέρουν αυξημένη χωρητικότητα και αξιοπιστία στην μετάδοση δεδομένων μέσω της έννοιας της χωρικής ποικιλομορφίας (space diversity). Συγκεκριμένα, αυτό επιτυγχάνεται με την μετάδοση της ζητούμενης πληροφορίας μέσω ενός αριθμού από διαφορετικά χωρικά μονοπάτια τα οποία δημιουργούνται από την ύπαρξη πολλαπλών κεραιών στον πομπό ή/και στον δέκτη. Ωστόσο, η προαναφερόμενη πολυπλοκότητα στα τηλεπικοινωνιακά συστήματα και οι ιδιαίτερες απαιτήσεις των κόμβων έχουν ως αποτέλεσμα να μην επαρκούν οι τεχνικές που έχουν αναπτυχθεί. Μια πιθανή διέξοδο έρχεται να δώσει η ιδέα της συνεργασίας. Η έννοια της συνεργασίας έχει διάφορες οπτικές γωνίες σε ένα τηλεπικοινωνιακό σύστημα. Πρώτον, αν οι συσκευές δεν μπορούν να υποστηρίξουν πολλαπλές κεραίες (π.χ. λόγω μεγέϑους όπως στα δίκτυα αισθητήρων και στα κινητά τηλέφωνα), σίγουρα μπορούν να συνεργαστούν ώστε με έναν κατανεμημένο τρόπο να προσφέρουν σε επίπεδο συστήματος τα απαραίτητα διαφορετικά χωρικά μονοπάτια. Δεύτερον, ακόμη και αν είναι δυνατή η χρήση πολλαπλών κεραιών σε κάποιον κόμβο ενός δικτύου, π.χ. σε σταθμούς ϐάσης κυψελικών συστημάτων, ο αριθμός τους μπορεί απλώς να μην αρκεί λόγω της αυξημένης πολυπλοκότητας και του μεγέθους του δικτύου. Η κατάλληλη χρήση συνεργατικών κόμβων μπορεί να δώσει επίσης λύση στον εν λόγω περιορισμό.Η παρούσα διδακτορική διατριβή ϑα ϐασιστεί πάνω σε συνεργατικά συστήματα υπό την πρώτη οπτική γωνία που παρουσιάστηκε παραπάνω. Συγκεκριμένα, ϑα ϑεωϱηθεί ένα συνεργατικό δίκτυο με τρεις κόμβους, δηλαδή μια πηγή, έναν αναμεταδότη και έναν προορισμό. ϑα μελετηθούν τεχνικές εκτίμησης των καναλιών που συμμετέχουν στην μετάδοση της πληροφορίας αναδεικνύοντας τα ϐασικά χαρακτηριστικά που εισάγει η έννοια της συνεργασίας στις εν λόγω τεχνικές. Επίσης, ϑα παρουσιαστούν υλοποιήσεις διαφόρων συνεργατικών πρωτοκόλλων μετάδοσης σε ένα πραγματικό τηλεπικοινωνιακό σύστημα προσφέροντας έτσι την απαραίτητη πρακτική διαίσθηση πίσω από αυτά τα συστήματα. Συγκεκριμένα, αφού παρουσιαστούν κάποιες ϐασικές έννοιες για τις συνεργατικές επικοινωνίες και την λειτουργία της εκτίμησης καναλιών, ϑα μελετηθεί το πρόβλημα εκτίμησης με μερική επίβλεψη σε σχέση με το μοντέλο του συνεργατικού συστήματος που ϑεωρήθηκε. Προτείνονται εναλλακτικά σχήματα για την υλοποίηση του εκτιμητή καθώς επίσης και ένας απλός σχεδιασμός της ακολουθίας συμβόλων που υποβοηθάει το εφαρμοζόμενο κριτήριο ετεροσυσχέτισης. ΄Ολες οι έννοιες που παρουσιάζονται σε αυτό το κεφάλαιο υποστηρίζονται με πειραματικά και ημιαναλυτικά επιχειρήματα. Στην συνέχεια, παρουσιάζεται το πρόβλημα σχεδιασμού της κατανομής ενέργειας σε σύμβολα εκμάθησης για την εκτίμηση συσχετισμένων καναλιών. Αφού περιγραφεί το προς μελέτη πρόβλημα, ϑα επικεντρωθούμε στο κριτήριο ελαχίστων τετραγώνων για το οποίο παρουσιάζονται η ϐέλτιστη και τρεις υποβέλτιστες λύσεις που συνοδεύονται από χρήσιμα συμπεράσματα και παρατηρήσεις. ΄Επειτα, μελετάται το κριτήριο ελάχιστου μέσου τετραγωνικού σφάλματος για δυο περιπτώσεις. Στην πρώτη, παρουσιάζεται μια ανάλυση χειρότερης περίπτωσης και γίνεται η σύνδεση των λύσεων του προβλήματος με τις λύσεις του προηγούμενου κριτηρίου. Επίσης, υπό την υπόθεση των καναλιών χωρίς συσχέτιση, παρουσιάζεται η ϐέλτιστη λύση για τον σχεδιασμό της ακολουθίας των συμβόλων εκμάθησης. Στην τρίτη κατεύθυνση, ϑα παρουσιαστεί αρχικά το σύστημα στο οποίο ϑα υλοποιηθούν και εκτελεστούν τα πρωτόκολλα συνεργατικής επικοινωνίας. Στην συνέχεια, παρουσιάζονται τα εν λόγω σχήματα και το κεφάλαιο καταλήγει με την πειραματική διαδικασία, την παρουσίαση και αξιολόγηση των αποτελεσμάτων καθώς και την εξαγωγή χρήσιμων συμπερασμάτων. Στο τέλος της διατριβής περιγράφονται συνοπτικά τα ϐασικά συμπεράσματα που έχουν προκύψει και παρουσιάζονται κάποιες ενδιαφέρουσες νέες κατευθύνσεις. / Contemporary communication systems, as well as their next generations, are expected to adapt to a rapidly increasing number of desired applications and quality of service levels. For example, in cellular systems, the cells are getting smaller in size and larger in numbers in order to support the increasing number of users. Also, towards another direction, wireless sensor network consist of small devices that comply with stringent constraints such as size, consumed energy and computational power. These examples demonstrate both the high complexity of communication networks and the specific requirements that exist in individual communication nodes. Multiple input multiple output systems are capable of offering high capacity and reliable data communications utilizing the notion of spatial diversity. This is achieved by transmitting the desired information through different spatial paths that are created because of multiple antennas at the transmitter and/or the receiver side. However, the aforementioned complexity of communication networks and the specific requirements of the nodes have as a result that currently proposed techniques, for such systems, are inadequate. A possible solution to this dead end is the idea of cooperation. Cooperation has several aspects in a communication system. Firstly, if the nodes cannot support multiple antennas (e.g. due to size restriction as in sensor networks and mobile phones), they can cooperate in order to provide, in a distributed manner, the desired spatial paths. Secondly, even if multiple antennas can be used, as in base stations, their number might not be good enough because of the increased complexity and size of the network. The appropriate use of cooperative nodes can provide a solution to this problem, too. This dissertation has been focused on cooperative systems that are viewed according to the first aspect. Specifically, it has been assumed that the cooperative network consists of three nodes, a source, a relay and a destination. On this network, channel estimation techniques have been studied pointing out the main characteristics that are inherent to cooperation. Moreover, test-bed implementations have been provided for several well known cooperative schemes and protocols pointing out the practical aspects of such systems. In more detail, after the presentation of some introductory notions on cooperation and channel estimation, a semi-blind technique has been studied that is based on the so called cross-relation criterion. Two alternative schemes for constructing the channel estimator have been proposed as well as a simple training design procedure for improving the estimation performance has been devised. The results that have been produced are supported by semi analytic arguments and computer simulations. Then, a training design problem has been studied for a training based channel estimator. The design has been focused on the energy allocation of training symbols under the assumption that channel taps are correlated. After the description of the problem, the least squares criterion has been utilized and the optimal solution, along with three suboptimal ones, has been presented and useful conclusions have been drawn. Also, the problem has been studied under the minimum mean square error criterion for two cases. In the first one, a worst case analysis has been presented. There, a connection to the least squares solution was provided. In the second case, relaxing the assumption of correlated channel taps, the optimal solution has been presented. In the third direction, a number of well known protocols have been implemented in a test-bed system. A measurement campaign has been conducted to acquire the bit error performance and the computational complexity of the protocols. The protocols have been compared according to three different metrics and useful insights have been identified. The dissertation is concluded with a brief presentation of the main points that have been raised in the aforementioned directions. Moreover, new interesting research directions have been provided.

Este trabalho aborda o problema de controle ótimo por modos deslizantes via função penalidade para sistemas de tempo discreto. Para resolver este problema será desenvolvido uma estrutura matricial alternativa baseada no problema de mínimos quadrados ponderados e funções penalidade. A partir desta nova formulação é possível obter a lei de controle ótimo por modos deslizantes, as equações de Riccati e a matriz do ganho de realimentação através desta estrutura matricial alternativa. A motivação para propormos essa nova abordagem é mostrar que é possível obter uma solução alternativa para o problema clássico de controle ótimo por modos deslizantes. / This work introduces a penalty function approach to deal with the optimal sliding mode control problem for discrete-time systems. To solve this problem an alternative array structure based on the problem of weighted least squares penalty function will be developed. Using this alternative matrix structure, the optimal sliding mode control law of, the matrix Riccati equations and feedback gain were obtained. The motivation of this new approach is to show that it is possible to obtain an alternative solution to the classic problem of optimal sliding mode control.

Two vehicular optimal control problems are visited. The first relates to the minimum lap time problem, which is of interest in racing and the second the minimum fuel problem, which is of great importance in commercial road vehicles. Historically, minimum lap time problems were considered impractical due to their slow solution times compared with the quasi-steady static (QSS) simulations. However, with increasing computational power and advancement of numerical algorithms, such problems have become an invaluable tool for the racing teams. To keep the solution times reasonable, much attention still has to be paid to the problem formulation. The suspension of a Formula One car is modelled using classical mechanics and a meta-model is proposed to enable its incorporation in the optimal control problem. The interactions between the aerodynamics and the suspension are thereby studied and various related parameters are optimised. Aerodynamics plays a crucial role in the performance of Formula One cars. The influence of a locally applied perturbation to the aerodynamic balance is investigated to determine if a compromise made in design can actually lead to lap time improvements. Various issues related to minimum lap time calculations are then discussed. With the danger of climate change and the pressing need to reduce emissions, improvements in fuel consumption are presently needed more than ever. A methodology is developed for fuel performance optimisation of a hybrid vehicle equipped with an undersized engine, battery and a flywheel. Rather than using the widely used driving cycles, a three-dimensional route is chosen and the optimal driving and power management strategy is found with respect to a time of arrival constraint. The benefits of a multi-storage configuration are thereby demonstrated. Finally, the nonlinear stability of a vehicle model described by rational vector fields is investigated using region of attraction (RoA) analysis. With the aid of sum-of-squares programming techniques, Lyapunov functions are found whose level sets act as an under-approximation to the RoA. The influence of different vehicle parameters and driving conditions on the RoA is studied.

A linear regression model, where covariates and a response are subject to errors, is considered in this thesis. For so-called errors-in-variables (EIV) model, suitable error structures are proposed, various unknown parameter estimation techniques are performed, and recent algebraic and statistical results are summarized. An extension of the total least squares (TLS) estimate in the EIV model-the EIV estimate-is invented. Its invariant (with respect to scale) and equivariant (with respect to the covariates' rotation, to the change of covariates direction, and to the interchange of covariates) properties are derived. Moreover, it is shown that the EIV estimate coincides with any unitarily invariant penalizing solution to the EIV problem. It is demonstrated that the asymptotic normality of the EIV estimate is computationally useless for a construction of confidence intervals or hypothesis testing. A proper bootstrap procedure is constructed to overcome such an issue. The validity of the bootstrap technique is proved. A simulation study and a real data example assure of its appropriateness. Strong and uniformly strong mixing errors are taken into account instead of the independent ones. For such a case, the strong consistency and the asymptotic normality of the EIV estimate are shown. Despite of that, their...

Svenska förskolor har tidigare utformats med separataoch identiska avdelningar i vilka samtliga aktiviteter tarplats. Idag finns ett annorlunda synsätt vid byggnationerav förskolor som nu gestaltas med små hemvisten för olika åldersgrupper tillsammans med gemensamma rumför lek, skapande, vetenskap, musik och måltider. I dettaarbete utförs en konceptuell gestaltning av en förskola för144 barn i samhället Sävast i Bodens kommun utifrån ett redan framtaget lokalprogram och en given tomt. Syftetär att gestalta en förskola i ett plan med större gemensamt utnyttjade torg och undersöka hur god rumslighet skapas itorgen. Samtidigt ska trivseln i inomhusmiljön beaktas medhänsyn på barnen och pedagogerna. Arbetet påbörjas genom en inledande litteraturstudiedär arkitektoniska kvalitéer, barnets behov och utvecklingbeaktas kopplat till förskolor med ett gemensamt utnyttjat torg. Litteraturstudien följs av tre stycken fallstudier på förskolor i Luleå och Umeå där både platsbesök och intervjuer genomförs. Därefter syntetiseras resultatet från litteraturstudien och fallstudierna med hjälp av metodenProblem Seeking vilket går ut på att identifiera behov ochlösningar. Det resulterar i en syntes bestående av sex styckenlösningar som uppfyller flest identifierade behov för barn och pedagoger, vilka i sin tur ligger till grund för det framtagna konceptet. Syntesen resulterar i följande sex kvalitéer: Öppen planlösning, Utmanande och varierande, Nivåer och krypin, Färg, material och texturer, Ljus och transparenta ytor samt Skapa aktivitetsrum i rummet. Detta resulterar efter en platsanalys, flödes- och sambands-skisser samt volymstudier i en rödfärgad förskola med skiftande tak innehållande ett större och ett mindre torg som tillsammans med restaurangen skapar en cirkulation kring en innergård. Torgen resulterar i öppna utrymmenmed snedställda innerväggar, varierande takhöjder samt utstickande och oregelbundna fönstersättningar. Mindrerumsligheter i torgen skapas främst med hjälp av olika typer av lös inredning där både transparenta och opaka material med olika texturer förekommer. Huruvida god rumslighet har skapats i torgen för att forma en trivsam inomhusmiljö är svårt att svara på då rumslig upplevelse är individuell. Vilka medel som kan användas för att skapa god rumslighet i en inomhusmiljö har däremotkunnat identifieras, vilket skapar goda förutsättningar för attuppnå det syfte torgutformningen tillgivits. / Preschools in Sweden have previously been designed with separate and identical departments where all activities take place. Today, there is a different approach when designing preschools. They are now shaped with small units for different age groups, along with common spaces for play, creation, science, music and meals. In this work, a conceptual design of a preschool for 144 children is carried out in Sävast, part of the municipality of Boden, on the basis of an alreadydeveloped local program and a given site. The purpose isto form a preschool in one level with larger common used squares and explore how good spatiality is created in the squares. At the same time, the indoor environmental comfort is taken into consideration with regard to both the childrenand the educators. The work is initiated by a literature study in which architectural qualities, child needs and development is taken into account regarding preschools with a common used square. The study of literature is followed by three case studies at preschools in Luleå and Umeå, where both site visits and interviews are conducted. Thereafter, the results of the study of literatureand the case studies are synthesized using the ProblemSeeking method, which has a purpose of identifying needsand solutions. This results in a synthesis consisting of sixqualities which meet the most identified needs for childrenand educators. This in turn underlies the developing ofthe design concept. The synthesis leads to the following six qualities: Open plan, Challenging and varying, Levels and nests, Colour, material and textures, Light and transparentsurfaces and Creating activity spatiality’s in a bigger space. After a site analysis, flow and connection sketches and volume studies the result is a red-colored preschool withvarying roofs. The preschool contains a larger and smallersquare which together with the restaurant creates a circulation around a courtyard. The squares results in an open space with oblique interior walls, varying ceilings, and protruding and irregular windows. Smaller spaces in the squares are mainly created using various types of non permanent furnishings, where both transparent and opaque materials with differenttextures are present. Whether good spatiality has been created to form a pleasantindoor environment is difficult to answer when spatial experiences are individual. On the other hand, the meansthat can be used to create good spatiality in an indoorenvironment have been identified, which creates goodconditions for achieving the purpose of the design of the squares.

The FT-Raman techniques were developed to quantify reactions that follow on mixing aqueous solutions of bis-(1,3-diaminopropane)diaquacobalt( III) ion ([Co(tn)2(0H)(H20)]2+) and p-nitrophenylphosphate (PNPP). For the development and validation of the kinetic modelling technique, the well-studied inversion of sucrose was utilized. Rate constants and concentrations could be estimated using calibration solutions and modelling methods. It was found that the results obtained are comparable to literature values. Hence this technique could be further used for the [Co(tn)2(0H)(H20)]2+ assisted hydrolysis of PNPP. It was found that rate constants where the pH is maintained at 7.30 give results which differ from those where the pH is started at 7.30 and allowed to change during the reaction. The average rate constant for 2:1 ([Co(tn)2(0H)(H20)]2+:PNPP reactions was found to be approximately 3 x 104 times the unassisted PNPP hydrolysis rate. / Chemistry / M. Sc. (Chemistry)

L'algorithme de Levenberg-Marquardt (LM) est parmi les algorithmes les plus populaires pour la résolution des problèmes des moindres carrés non linéaire. Motivés par la structure des problèmes de l'assimilation de données, nous considérons dans cette thèse l'extension de l'algorithme LM aux situations dans lesquelles le sous problème linéarisé, qui a la forme min||Ax - b ||^2, est résolu de façon approximative, et/ou les données sont bruitées et ne sont précises qu'avec une certaine probabilité. Sous des hypothèses appropriées, on montre que le nouvel algorithme converge presque sûrement vers un point stationnaire du premier ordre. Notre approche est appliquée à une instance dans l'assimilation de données variationnelles où les modèles stochastiques du gradient sont calculés par le lisseur de Kalman d'ensemble (EnKS). On montre la convergence dans L^p de l'EnKS vers le lisseur de Kalman, quand la taille de l'ensemble tend vers l'infini. On montre aussi la convergence de l'approche LM-EnKS, qui est une variante de l'algorithme de LM avec l'EnKS utilisé comme solveur linéaire, vers l'algorithme classique de LM ou le sous problème est résolu de façon exacte. La sensibilité de la méthode de décomposition en valeurs singulières tronquée est étudiée. Nous formulons une expression explicite pour le conditionnement de la solution des moindres carrés tronqués. Cette expression est donnée en termes de valeurs singulières de A et les coefficients de Fourier de b. / The Levenberg-Marquardt algorithm (LM) is one of the most popular algorithms for the solution of nonlinear least squares problems. Motivated by the problem structure in data assimilation, we consider in this thesis the extension of the LM algorithm to the scenarios where the linearized least squares subproblems, of the form min||Ax - b ||^2, are solved inexactly and/or the gradient model is noisy and accurate only within a certain probability. Under appropriate assumptions, we show that the modified algorithm converges globally and almost surely to a first order stationary point. Our approach is applied to an instance in variational data assimilation where stochastic models of the gradient are computed by the so-called ensemble Kalman smoother (EnKS). A convergence proof in L^p of EnKS in the limit for large ensembles to the Kalman smoother is given. We also show the convergence of LM-EnKS approach, which is a variant of the LM algorithm with EnKS as a linear solver, to the classical LM algorithm where the linearized subproblem is solved exactly. The sensitivity of the trucated sigular value decomposition method to solve the linearized subprobems is studied. We formulate an explicit expression for the condition number of the truncated least squares solution. This expression is given in terms of the singular values of A and the Fourier coefficients of b.