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Type: Tese de Doutorado
Title: Análise sensitiva aplicada à solução de problemas diretos e inversos em química
Authors: Marcio Oliveira Alves
First Advisor: Joao Pedro Braga
First Co-advisor: Emílio Borges
First Referee: Helio Anderson Duarte
Second Referee: Jadson Claudio Belchior
Third Referee: Roberto Pellacani G. Monteiro
metadata.dc.contributor.referee4: Edilton de Souza Barcellos
Abstract: Os problemas na ciência usualmente são abordados de uma forma direta onde os dados de saída (efeito) são estudados a partir da entrada (causa). Contudo, a investigação pode ser procedida invertendo a lógica de causalidade, ou seja, determinando a causa a partir do seu efeito. Este tratamento teórico recebe a denominação de problema inverso. Para a solução deste tipo de problema o erro experimental não pode ser desprezado, e na presença dos mesmos, ele pode se tornar mal-colocado comprometendo seriamente a eficiência da inversão. Por conseguinte, torna-se necessário o emprego de técnicas robustas e adequadas como a regularização de Tikhonov e a rede neural de Hopfield. Uma ferramenta útil na solução de problemas inversos é a análise sensitiva, que avalia como variações nos dados de entrada afetam os dados de saída. Diante da importância deste tipo de abordagem, os trabalhos realizados nesta tese se enquadram na solução de problemas diretos e inversos, bem como no uso da análise sensitiva na solução dos mesmos. Inicialmente, é proposta uma nova metodologia para a solução de problemas inversos mal-colocados que se baseia na regularização de Tikhonov e na rede neural de Hopfield. O novo método foi denominado como rede regularizada e foi aplicado para a solução de um problema matemático simples e os resultados da inversão foram satisfatórios. Como problema direto, foi feito o cálculo do segundo coeficiente do virial quântico para o dímero de hélio a baixas temperaturas. Para a determinação desta propriedade utilizou-se um potencial recente para a descrição do sistema, além disso, foi avaliada a sensibilidade de alguns parâmetros do potencial no cálculo da propriedade termodinâmica. Os resultados neste trabalho foram satisfatórios, visto que o potencial usado fornece um valor para o segundo coeficiente do virial dentro do erro experimental. Usando uma abordagem inversa, a distribuição de fônons experimental do alumínio foi determinada a partir da capacidade calorífica experimental. A distribuição de fônons invertida possui uma melhor qualidade se comparada á experimental, uma vez que a primeira fornece uma capacidade calorífica dentro do erro experimental, diferentemente da distribuição experimental. Por fim, a função de distribuição radial do argônio líquido foi invertida a partir do seu fator de estrutura. Neste estudo avaliou-se principalmente a influência da rede regularizada (desenvolvida neste trabalho) na inversão desta propriedade. Para fins de comparação, a mesma propriedade foi invertida usando a rede neural de Hopfield e a regularização de Tikhonov. Como a função de distribuição radial possui várias oscilações, a rede regularizada forneceu melhores resultados na sua recuperação.
Abstract: Problems in science are usually addressed in a direct scheme in which the output data (effects) are determined from an input (cause). However, studies can be done inverting the causality logic, and this approach is so called inverse problem. To solve this class of problems the experimental error must be considered, since it can cause problems to the inversion procedure. Therefore, robust methodologies are needed to figure them out, as the Tikhonov regularization and Hopfield neural network.An useful tool to solve inverse problems is the sensitivity analysis, which quantifies how the deviations on input parameters affect the output data. The subject of this thesis is the solution of direct and inverse problems and the use of sensitivity analysis to help solving them. Firstly, it will be proposed a new method for the solution of ill-posed inverseproblems, which is based on Tikhonov regularization and Hopfield neural network. The new method, which was labeled as regularized network, was applied to solve a simple problem and the inversion results were satisfactory. As a direct problem, the calculation of the quantum second virial coefficient for helium dimer was done at low temperatures. For this property determination, a recent potential for the system description were used. Moreover, the sensitivity of some potential parameters was evaluated in the calculation for the thermodynamic property.The results of this study provides a second virial coefficient within the experimental error. Using an inverse approach, the phonon distribution of aluminum was determined from experimental heat capacity. The inverted distribution has a better quality compared to experimental one, since the first provides the heat capacity within experimental error, unlike the experimental distribution. Lastly, the radial distribution function of the liquid argon was inverted from its structure factor. This study assessed mainly the influence of regularized network (developed in this work) to retrieve this property. For comparison, the same propertywas inverted using the Hopfield neural network and the Tikhonov regularization. As the radial distribution is a function with a many oscillations, the regularized network provided better results in its inversion.
Subject: Fisica do estado solido
Problemas inversos (Equações diferenciais)
Físico química
Mecanica estatistica
Análise de sensibilidade
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/SFSA-B2MPB3
Issue Date: 25-Feb-2016
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