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Tipo: Dissertação
Título: On applications of stochastic differential equations
Autor(es): Farias, Filipe Pereira de
Orientador: Mulas, Michela
Palavras-chave em português: Equações diferenciais estocásticas;Termodinâmica estocástica;Computação numérica;Computação numérica probabilística;Processos Gaussianos;Sistemas dinâmicos
Palavras-chave em inglês: Stochastic differential equations;Stochastic thermodynamics;Numerical computation;Probabilistic numerical calculation;Gaussian processes;Dynamic systems
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Data do documento: 2025
Citação: FARIAS, Filipe Pereira de. On applications of stochastic differential equations. 2025. 114f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Teleinformática) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2025.
Resumo: O estudo de sistemas dinâmicos representa um grande campo da matemática que modela a evolução temporal de fenômenos na vida real. A teoria de equações diferenciais lida em grande parte com a modelagem desses sistemas pelas leis que regem as taxas temporais nas quais os estados que descrevem os sistemas dinâmicos variam. Nesse âmbito, estudamos aquelas modelagens na qual um fator aleatório é considerado na lei que que rege a taxa de variação temporal desses sistemas. A estas damos os nomes de equações diferenciais estocásticas. Nesse trabalho é apresentado superficialmente a teoria matemática que fundamenta esse tipo de equação diferencial, através da construção de uma analogia entre a teoria de equações diferenciais ordinárias e daquelas estocásticas. Por fim, e como maior objetivo, são apresentadas duas aplicações da teoria em problemas que estão no estado da arte: termodinâmica estocástica e cálculo numérico probabilístico. O primeiro trata de uma tentativa de extensão da teoria clássica de termodinâmica de sistemas em equilíbrio para sistemas fora do equilíbrio, no caso deste trabalho por exemplo, em reações químicas. No segundo problema, as equações diferenciais estocásticas são utilizadas para modelar probabilisticamente algoritmos numéricos de solução de equações diferenciais ordinárias, podendo até compreender incertezas que o modelador tenha a respeito do sistema a ser estudado. Estas teorias são revisadas e aplicadas em sistemas já conhecidos na literatura. No caso da termodinâmica estocástica, aplicamos a teoria ao estudo de reações enzimáticas regidas pelo mecanismo de Michaelis-Menten. Já para o cálculo numérico probabilistico, aplicamos a teoria para tentar identificar os parâmetros do modelo de um bioreator, este integrante de um modelo planta piloto de tratamento de água residual utilizado como de referência para sistemas de tratamento de água.
Abstract: The study of dynamic systems represents a large field of mathematics that models the temporal evolution of phenomena in real life. The theory of differential equations largely deals with the modeling of these systems through the laws that govern the temporal rates at which the states describing dynamic systems change. In this context, we study those models in which a random factor is considered in the law that governs the rate of change of these systems over time. These are called stochastic differential equations. This work briefly presents the mathematical theory underlying this type of differential equation by constructing an analogy between the theory of ordinary differential equations and that of stochastic ones. Finally, and as the main objective, two applications of the theory are presented in problems at the state of the art: stochastic thermodynamics and probabilistic numerical methods. The first deals with an attempt to extend the classical theory of thermodynamics of equilibrium systems to systems out of equilibrium, such as chemical reactions presented in this work, for example. In the second problem, stochastic differential equations are used to probabilistically model numerical algorithms for solving ordinary differential equations, which can even account for uncertainties that the modeler might have regarding the system to be studied. These theories are reviewed and applied to systems already known in the literature. In the case of stochastic thermodynamics, we apply the theory to the study of enzymatic reactions governed by the Michaelis-Menten mechanism. For probabilistic numerical methods, we apply the theory to try to identify the parameters of a bioreactor model, which is part of a model of pilot wastewater treatment plant used as a test bench for water treatment systems.
Descrição: Este documento está disponível online com base na Portaria no 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/82345
ORCID do(s) Autor(es): https://orcid.org/0000-0003-1585-3682
Currículo Lattes do(s) Autor(es): http://lattes.cnpq.br/6368190257547403
Currículo Lattes do Orientador: http://lattes.cnpq.br/0835408898076875
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
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