Resumen Determinar el espectro de energía de dos haces de rayos X de kilovoltaje (kV), a partir de sus curvas de transmisión, mediante una metodología matemática basada en la transformada de Laplace y el algoritmo de transmisión se asociaron, por medio de una expresión matemática derivada de la solución analítica de la transformada de Laplace. Los datos de transmisión se calcularon relacionando el kerma de aire de los haces atenuados, al pasar por placas de aluminio de diferente espesor, con el de los no atenuados. La función de recocido simulado generalizada, desarrollada en un trabajo anterior, se empleó para descifrar los parámetros de la expresión y así obtener los espectros. La validación se realizó comparando las capas semirreductoras de las curvas de transmisión y las extraídas de los espectros. El error porcentual cuadrático medio entre los datos de transmisión y la curva de ajuste para cada espectro, definido a partir de los parámetros encontrados, fue inferior al 1 %, lo que indica un buen ajuste. Se observó el mismo error cuando se cotejó la primera capa semirreductora de las curvas de transmisión y las de cada espectro reconstruido. El tiempo de cálculo de los parámetros fue de 5 s para 80 kV y 14 s para 120 kV. En ningún caso se obtuvo una solución no realista de los espectros. Estos resultados fueron mejores que los de un trabajo anterior en el que se utilizaron mínimos cuadrados. La metodología de reconstrucción basada en recocido simulado generalizado, empleada en este manuscrito, pudo derivar de manera eficiente los espectros de dos haces de kilovoltaje con una precisión comparable a la de trabajos anteriores. Una limitación es que la validación no se realizó comparando con los espectros del equipo.

Resumo Encontrar o espectro de energia de dois feixes de raios-X de quilovoltagem a partir das curvas de transmissão por meio de uma metodologia matemática baseada na transformada de Laplace e no algoritmo de recozimento simulado generalizado. Os espectros de energia e os dados de transmissão foram associados por meio de uma expressão matemática derivada da solução analítica da transformada de Laplace. Os dados de transmissão foram calculados relacionando o kerma no ar dos feixes atenuados, ao passar por placas de alumínio de diferentes espessuras, com o dos feixes não atenuados. A função de recozimento simulado generalizado, desenvolvida em um trabalho anterior, foi empregada para encontrar os parâmetros da expressão para assim determinar os espectros. A validação da metodologia foi feita pela comparação das camadas semirredutoras obtidas das curvas de transmissão e dos espectros. O erro percentual médio quadrático entre os dados de transmissão e a curva de ajuste, para cada espectro definido a partir dos parâmetros encontrados, foi menor do que 1%, indicando um bom ajuste. O mesmo erro foi observado quando comparada a primeira camada semirredutora das curvas de transmissão e aquelas de cada espectro reconstruído. O tempo de cálculo dos parâmetros foi de 5 s para 80 kV e 14 s para 120 kV. Em nenhum caso, solução não realista dos espectros foi obtida. Os resultados foram melhores do que um trabalho anterior onde mínimos quadrados foram usados. A metodologia de reconstrução fundamentada no recozimento simulado generalizado, empregada neste trabalho, pôde derivar eficientemente os espectros de dois feixes de raios-X com precisão comparável a trabalhos anteriores. Uma limitação é que a validação não foi feita por comparação com os espectros do equipamento.

Abstract (Objective): To unfold the energy spectrum of two kilovoltage (kV) X-ray beams from transmission curves through a mathematical methodology based on Laplace transform and the generalized simulated annealing algorithm. (Methodology) Energy spectra of photon beams and transmission data were associated by means of a mathematical expression derived from the analytical solution of Laplace transform. Transmission data was calculated by relating the air kerma of the attenuated beams, passing through aluminium plates of different thickness, to that of the non-attenuated beam. Generalized simulated annealing function, developed in an early work, was employed to find the parameters of the expression and so determine the spectra. Validation of the methodology was done by the comparison of the half-value layers obtained from transmission curves and the spectra. (Results) The mean square percentage error between transmission data and fitting curve of each spectrum defined from the parameters found was lower than 1% indicating a good adjustment. The same error was observed when the first half-value layer (HVL) from the transmission curves and those of each reconstructed spectrum were compared. Calculation time of parameters was 5 sec for 80 kV and 14 sec for 120 kV. In no case, non-realistic solution of energy spectra was obtained. These results were better than an early work where leastsquares were used. (Conclusion) The reconstruction methodology based on generalized simulated annealing employed in this manuscript can efficiently derive the spectra of two X-ray beams with comparable accuracy to previous work. A limitation is that validation was not done by comparing data with the equipment’s spectra.

INVERSE LAPLACE TRANSFORM FOR SIGNAL ANALYSIS OF LOW FIELD NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE. The objective of this work is to describe the mathematical procedure denominated ‘Inverse Laplace Transform’ used to process Low Field Nuclear Magnetic Resonance signals of experiments as CPMG, Inversion Recovery and Saturation Recovery. Also, we present a developed script, “ILT Origin script” v.1, in the environment of the software Origin Lab 9 to execute it. The presented ILT is executed with an algorithm of non-negative last square, with Tikhonov regularization and singular values decomposition. The main features of the code were tested using simulated and experimental signals, and in order to validate the results the same sets of data were analyzed using similar ILT softwares. The developed scripts for Origin Lab, Matlab and other languages are available for free for scientific and teaching uses.

RESUMO Através do método para encontrar a transformada de Laplace inversa sem o uso de um contorno de integração no plano complexo, mostramos que a função de Mittag-Leffler de três parêmetros, que aparece em muitos problemas associados com cálculo fracionário, possui representações integrais similares no semieixo real positivo. Algumas delas são apresentadas.

ABSTRACT We use the method for finding inverse Laplace transform without using integration on the complex plane to show that the three-parameter Mittag-Leffler function, which appear in many problems associated with fractional calculus, has similar integral representations on the positive real axis. Some of them are presented.

ABSTRACT The field of differential equations has recently gained attention due to recent developments in science and technology. For this reason, the analysis for the use of new methodologies to solve them has become important. Based on the combination of Laplace Transform method (LT) and Perturbation Method (PM) this article pro- poses the Laplace transform-Perturbation Method (LT-PM) which finds its motivation on the application of LT to linear ordinary differential equations. The goal of this work is to propose a modification of PM - the LT-PM), in order to solve nonlinear perturbative problems with boundary conditions defined on finite intervals. The proposed methodology consisted on the application of LT to the differential equation to solve and then, assuming that its solutions can be expressed as a series of perturbative parameter powers. Thus, the solution of the problem is obtained by systematically applying the transformed inverse LT. The main results of this paper were shown through two case studies, where LT-PM is identified as potentially useful for finding multiple solutions to nonlinear problems. Additionally, the LT-PM enhances the applicability of PM, in some cases of mixed and Neumann boundary conditions, where PM is unsuitable to provide the results. With the purpose of verifying the accuracy of the obtained results, the Square Residual Error (SRE) was calculated. The resulting value was extremely low, which showed the precision and potential of LT-PM. We conclude that, although the proposed method resulted efficient for the case studies presented in this article, it is expected that LT-PM can be a potentially useful tool for other case studies. Particularly those related to the practical applications of science and engineering.

RESUMEN El campo de las ecuaciones diferenciales ha cobrado auge en la actualidad por el desarrollo científico y tecnológico. Por esta situación, el estudio de nuevas metodologías para solucionarlas se ha vuelto importante. A partir de la combinación del método de Laplace Transform (LT) y el método de perturbación (PM) este trabajo presenta el método LT-PM, y su motivación se encuentra en la aplicación conocida de la LT a ecuaciones diferenciales ordinarias lineales. El objetivo de este trabajo fue presentar una modificación del método de perturbación (PM), el método de perturbación con transformada de Laplace (LT-PM), con el fin de resolver problemas perturbativos no lineales, con condiciones a la frontera definidas en intervalos finitos. La metodología consistió en aplicar LT a la ecuación diferencial por resolver y después de asumir que la solución de la misma se puede expresar como una serie de potencias de un parámetro perturbativo, se obtiene la solución del problema aplicando sistemáticamente la transformada inversa de Laplace. Los principales resultados de este trabajo se muestran a partir de dos casos de estudio presentados, donde se observa que LT-PM es potencialmente útil para encontrar soluciones múltiples de problemas no lineales. Además, LT-PM mejora la aplicabilidad del método de perturbación en algunos casos de condiciones a la frontera mixtas y de Neumann, donde PM simplemente no funciona. Con el fin de verificar la exactitud de los resultados obtenidos, se calculó su error residual cuadrático (SRE), el cual resultó muy bajo, de donde se dedujo su precisión y la potencialidad de LT-PM. Se concluye que si bien el método propuesto resulta eficiente en los casos particulares presentados, se espera que sea una herramienta potencialmente eficiente y útil para otros casos de estudio, particularmente, en aquellos relacionados con aplicaciones prácticas en ciencias e ingeniería.

RESUMO Nesse artigo a equação de Laplace foi utilizada para representar uma distribuição de temperaturas estacionárias no primeiro quadrante no plano cartesiano com diferentes condições de fronteira, tendo sido examinada com detalhes, a luz da transformada de Fourier em seno e cosseno. Após obter a solução formal para cada exemplo, foi possível, usando as equações de Cauchy-Riemann obter cada campo de escoamento de calor. Em um dos exemplos analisados, o campo de velocidade do escoamento tem a forma de um vórtice livre com centro na origem, e desse modo, foi estabelecida uma relação adimensional entre a magnitude do vórtice e a condição de Dirichlet imposta na fronteira. Um exemplo, em particular, foi incluído para mostrar a limitação do uso do método utilizado nesse estudo para a obtenção de soluções explícitas para a equação de Laplace.

ABSTRACT In this paper the Laplace equation was used to represent a distribution of stationary temperatures in the first quadrant in the Cartesian plane with different boundary conditions, having been examined in detail, the light of the sine and cosine Fourier transform. After obtaining the formal solution for each example, it was possible, using the Cauchy-Riemann equations to obtain each field of heat flow. In one of the examples analyzed, the velocity field of the flow is in the form of a free vortex with center at the origin, and an dimensionless relationship between the vortex magnitude and the Dirichlet condition imposed at the boundary has been established. An example, in particular, was included to show the limitation of the this method to obtain explicit solutions for the Laplace equation

Resumo Neste trabalho exploramos a técnica da transformada de Laplace inversa, conhecida como transformada de Fourier-Mellin, para solucionar, de forma direta e rigorosa, o problema de um sistema que oscila sob a ação de uma força externa periódica. Também propomos um modelo em que essa força externa é descrita por uma sucessão de deltas de Dirac, uma estrutura conhecida na literatura como pente de Dirac. Esse modelo é adequado para descrever o problema clássico de uma criança sendo impulsionada em um balanço, usualmente descrito em termos de uma força externa senoidal. Indicamos nosso modelo de oscilador forçado como mais realista na descrição desse tipo de problema por considerar a atuação da força externa apenas no intervalo que corresponde ao tempo de contato entre a criança e o agente externo que realiza a força, intervalo esse que tende a zero. O principal resultado deste trabalho foi obtido no regime de ressonância, no qual a potência média transferida ao sistema apresentou uma série de picos, associados aos múltiplos inteiros da frequência natural de oscilação, diferente do que ocorre no caso ordinário, em que a força externa é descrita por uma função trigonométrica.

Abstract In this work we explore the technique of the inverse of the Laplace transform, which is known as the Fourier-Mellin transform, to solve, in a direct and rigorous way, the problem of a system that oscillates under the action of a periodic external force. We also present a model in which the external force is described in terms of a sequence of Dirac deltas. This model is pertinent to describe the classical problem of a child boosted in a park swing, usually described in terms of a sinusoidal function. We indicate our forced oscillator model as more realistic to the description of this kind of problem as it considers the action of the external force only during the very small time interval of contact between the child and the agent that applies the force. The principal result of this paper were obtained in the resonance regime, in which the average power transferred to the system presented a series of peaks, corresponding to the entire multiples of the natural frequency of oscillation, in contrast to what is obtained in the ordinary case in which the external force is described by a trigonometric function.

Abstract This work introduces the Laplace Transform-Homotopy Perturbation Method (LT-HPM) in order to provide an approximate solution for Troesch’s problem. After comparing figures between exact and approximate solutions, as well as the average absolute relative error (AARE) of the approximate solutions of this research, with others reported in the literature, it can be said that the proposed solutions are accurate and handy. In conclusion, LT-HPM is a potentially useful tool.

Resumen Este artículo propone el método de perturbación homotópica con Transformada de Laplace para encontrar una solución aproximada al problema de Troesch. Después de comparar las figuras entre la solución aproximada y la exacta, así como el error relativo absoluto promedio (AARE) de las soluciones aproximadas en este estudio, con otras reportadas en la literatura, se puede decir que la solución propuesta es, además de práctica, precisa. Se concluye que el método LTHPM es potencialmente útil.

RESUMO Neste trabalho apresenta-se a resolução da equação de advecção-difusão tridimensional estacionária obtida através da técnica GIADMT (Generalized Integral Advection Diffusion Multilayer Technique), considerando o fechamento não-local linear para o fluxo turbulento. Foram consideradas duas parametrizações diferentes para o coeficiente do termo do contragradiente e utilizados três diferentes métodos de inversão numérica para a transformada inversa de Laplace. Comparou-se os resultados com os dados medidos no experimento de Copenhagen através de uma avaliação dos índices estatísticos a fim de comparar a solução da equação através dos métodos de inversão numérica. Ainda, foram utilizados diferentes parametrizações para o coeficiente de difusão turbulento vertical e o perfil do vento. Os resultados apresentaram uma boa concordância com o experimento e os métodos de inversão numérica para a transformada de Laplace apresentaram preaticamente a mesma precisão, sendo que o método baseado na série de Fourier foi o mais acurado dos três algoritmos.Por outro lado, o método de fixed-Talbot foi o que mostrou o melhor desempenho do ponto de vista computacional.

ABSTRACT In this paper, a three-dimensional solution of the steady-state dvection-diffusion equation is obtained applying the so-called generalized integral advection-diffusion multilayer technique, considered non-local closure for turbulent flow. Two different parametrizations were considered for the countergradient coefficient and three different methods of numerical inversion for inverse Laplace transform. The results were compared with the experimental data of Copenhagen experiment by an evaluation of statistical indexes to analyze the solution of the equation through the methods of numerical inversion. Different parametrizations for the vertical turbulent eddy diffusivity and wind profile were utilized. The results show a good agreement with the experiment and the methods of numerical inversion for inverse Laplace transform show almost the same accuracy.

La propagación de la incerteza en sistemas mecánicos a través de modelos de cálculo fue analizado en este artículo por series de polinomios estocásticos de variables aleatorias estandarizadas llamados Polinomios de expansión de caos. Este artículo tuvo como objetivo simular la propagación de la incerteza en modelos mecánicos más complejos tales como estructuras visco elásticas el cual implica caracterización de parámetros dependientes del tiempo de materiales, interconversión de funciones matemáticas a través de transformada de Laplace, y resolución de la ecuación constitutiva mediante integrales de convolución. La aplicación de series de polinomios Hermite multidimensionales permitió la predicción de la aleatoriedad del vector de salida. En este trabajo se demostró que un polinomio de expansión de caos estima adecuadamente la propagación de la incerteza de las variables aleatorias. Los resultados mostraron que el parámetro material no solo afecta los coeficientes de variación del desplazamiento, sino también dicta el tipo y propagación de las colas de la función de densidad de probabilidad para la respuesta estructural.

The uncertainty propagation in mechanical systems through model calculations was analyzed in this article by stochastic polynomial series of standardized random variables called Polynomial Chaos Expansion. This paper aimed to simulate the propagation of uncertainty in more complex mechanical models such viscoelastic structures which involves time dependent parameters characterization of materials, interconversion of mathematical functions through Laplace transform, and resolution of the constitutive equation through convolution integrals. The application of multi-dimensional Hermite polynomials series allowed the prediction of the randomness of the output vector. In this work it was demonstrated that a polynomial chaos expansion accurately estimated the spread of uncertainty of the random variables. The results showed that the material parameters not only affects the coefficient of variation of the displacements, but also dictates the type and spread of the tails of the probability density function for the structural output.

Abstract: This research is aimed at evaluating the development of engineering students' operational skills in solving contextualized events of the Laplace transform in electrical circuits, with the use of Maple 13 software. The work is centered on the way students address their deficiencies in the mathematical prerequisites of new knowledge of the Laplace transform. The study, based on the theory of mathematics in the context of science, compares students in electronic engineering (control and experimental groups). The results indicate that the use of software in deficient prerequisites improves operational skills in solving events of the Laplace transform. Students can better understand the concepts when there is precision in calculations as well as graphs, and they have fewer detractors when concentrating on the concepts they must construct.

Resumen: En esta investigación se persigue evaluar el desarrollo de habilidades operacionales de estudiantes de ingeniería, al resolver eventos contextualizados de la transformada de Laplace en circuitos eléctricos, al emplear el software Maple 13. El trabajo se centra en que el alumno aborde sus deficiencias en prerrequisitos matemáticos del conocimiento nuevo de la transformada de Laplace. La investigación se fundamenta en la teoría de la Matemática en el Contexto de las Ciencias, es de tipo comparativo entre estudiantes de ingeniería electrónica (grupos control y experimental). Los resultados indican que el uso de software en prerrequisitos deficientes mejora las habilidades operativas al resolver eventos de la transformada de Laplace, porque los alumnos pueden entender mejor los conceptos cuando hay precisión tanto en cálculos como en gráficas, y tienen menos distractores para concentrarse en los conceptos que deben construir.

Neste trabalho, recorremos à metodologia da transformada de Laplace a fim de mostrar a sua importância na abordagem de uma classe de equações diferenciais fracionárias. Em particular, apresentamos aplicações desta metodologia ao discutirmos possíveis generalizações de certos problemas físicos no campo da viscoelasticidade linear e osciladores harmônicos, comprovando que o uso do cálculo fracionário em modelagem e resolução de problemas usualmente abordados pelo cálculo de ordem inteira oferece vantagens promissoras para nos fornecer formulações mais consistentes com os dados experimentais.

In this paper, we resort to the Laplace transform method in order to show its efficiency when approaching some types of fractional differential equations. In particular, we present some applications of such methods when applied to possible generalizations of certain physical problems in linear viscoelasticity and harmonic oscillators, proving that fractional calculus is well suited for the modelling and solving of problems usually treated by ordinary integer calculus, with the promissing advantages of being able to provide more accurate theoretical predictions to fit experimental data.

En este artículo se presenta una solución alternativa basada en series infinitas para la evaluación precisa y eficiente de la impedancia de retorno por tierra en cables subterráneos. En este método se utiliza la transformación de Wedepohl y Wilcox para descomponer la integral impropia de Pollaczek en un conjunto de funciones de Bessel más una integral definida. La característica principal de las funciones de Bessel es que son fáciles de calcular con herramientas modernas de software matemático como Matlab. Las principales contribuciones de este artículo son la aproximación de la integral definida por una serie infinita, dado que no tiene solución analítica, y su evaluación numérica por medio de una fórmula recursiva. La precisión y eficiencia de la fórmula recursiva se compara contra el método de integración numérica para un amplio rango de frecuencias y configuraciones de cables subterráneos. Finalmente, se utiliza el método propuesto como una subrutina de cálculo de parámetros de cables en la Transformada Numérica de Laplace (NLT) para obtener respuestas transitorias precisas en el dominio del tiempo.

This paper presents an alternative solution based on infinite series for the accurate and efficient evaluation of cable earth return impedances. This method uses Wedepohl and Wilcox's transformation to decompose Pollaczek's integral in a set of Bessel functions and a definite integral. The main feature of Bessel functions is that they are easy to compute in modern mathematical software tools such as Matlab. The main contributions of this paper are the approximation of the definite integral by an infinite series, since it does not have analytical solution; and its numerical solution by means of a recursive formula. The accuracy and efficiency of this recursive formula is compared against the numerical integration method for a broad range of frequencies and cable configurations. Finally, the proposed method is used as a subroutine for cable parameter calculation in the inverse Numerical Laplace Transform (NLT) to obtain accurate transient responses in the time domain.

This paper provides a detailed description of the rational fitting techniques that are most used to approximate frequency domain functions. The techniques are: Bode asymptotic approximations, Ordinary Least-Squares, Iteratively Reweighted Least-Squares, Vector Fitting and Levenberg-Marquardt. These techniques are compared by approximating of an analytic function. Then, the techniques are applied to the rational-fitting of the frequency-dependent parameters corresponding to a single-phase transmission line. The effect of the rational representations is evaluated considering transients on cases of open-ended, short-circuited and perfectly matched lines. The numerical Laplace transform technique (NLT) is used as reference for the evaluations. It follows that the proper implementation of each fitting technique depends on various factors; the type of function being adjusted, the desired frequency range, an others. Moreover, one cannot guarantee that there is one of these techniques that will always yield the best fitting. The paper provides guidelines for selecting the most convenient one for a particular application.

El artículo presenta una descripción detallada de las técnicas más utilizadas para hacer ajuste racional de funciones del dominio de la frecuencia. Las técnicas son: Aproximación Asintótica de Bode, Mínimos Cuadrados Ordinarios, Mínimos Cuadrados Iterativamente Reponderados, Ajuste Vectorial y Levenberg-Marquardt. Estas técnicas se comparan aproximando una función analítica. Después, se aplican al ajuste racional de parámetros dependientes de la frecuencia de una línea de transmisión monofásica. El efecto del ajuste se evalúa considerando los casos de línea abierta, corto circuito y perfectamente acoplada. La transformada numérica de Laplace (NLT) se utiliza como referencia para la evaluación. Se concluye que la adecuada implementación de cada técnica depende de varios factores; del tipo de función a ajustar, del rango de ajuste, y otros. Además, no es posible garantizar que una de las técnicas siempre converja al mejor resultado. El artículo propone algunas guías para seleccionar la técnica más adecuada para una aplicación particular.

In this article, Perturbation Method (PM) is employed to obtain an approximate solution for Troesch equation. In addition, we will describe the use of Laplace transform and Padé transformation to deal with the truncated series obtained by the PM method, in order to obtain handy approximations. Finally a table of comparison, between proposed solution, and other solutions reported in the literature: Adomian's Decomposition Method (ADM), Homotopy Perturbation Method (HPM), Homotopy Analysis Method (HAM) and exact numerical solution, shows that our solution is the most accurate one (Average Absolute Relative Error 1.705648354x10-8).

En este artículo el Método de Perturbación (PM) es empleado para obtener una solución aproximada para el problema de Troesch. Además describiremos el uso de la Transformada de Laplace y la Aproximación de Padé para trabajar con las series truncadas obtenidas por el Método de Perturbación, y así obtener soluciones aproximadas compactas. Finalmente se propone una tabla comparativa entre la solución propuesta y otras soluciones reportadas en la literatura: Método de Descomposición de Adomian, Método de Perturbación Homotópica, Método de Análisis Homotópico y la solución numérica exacta. Los resultados muestran que nuestra solución es la más exacta (Error Relativo Absoluto Promedio1.705648354x10-8).

We compute explicitly the Laplace transform and the convolution for more functions on the real than the continuous functions that obtained as the inverse Laplace transforms of rational functions on the complex plane vanishing at infinity. We also consider the algebraic structure with more functions adjoined.

Calculamos explícitamente la transformada de Laplace y la convolución para más funciones en los reales que las funciones continuas obtenidas como transformadas de Laplace inversas de funciones racionales en el plano complejo que se anulan en el infinito. También consideramos la estructura algebraica con más funciones adjuntadas.