Multivariate polynomial perturbations of algebraic equations

AbstractIn this note we study multivariate perturbations of algebraic equations. In general, it is not possible to represent the perturbed solution as a Puiseux-type power series in a connected neighborhood. For the case of two perturbation parameters we provide a sufficient condition that guarantees such a representation. Then, we extend this result to the case of more than two perturbation parameters. We motivate our study by the perturbation analysis of a weighted random walk on the Web Graph. In an instance of the latter the stationary distribution of the weighted random walk, the so-called Weighted PageRank, may depend on two (or more) perturbation parameters in a manner that illustrates our theoretical development

Essays on strategic trading

This dissertation discusses various aspects of strategic trading using both analytical modeling and numerical methods. Strategic trading, in short, encompasses models of trading, most notably models of optimal execution and portfolio selection, in which one seeks to rigorously consider various---both explicit and implicit---costs stemming from the act of trading itself. The strategic trading approach, rooted in the market microstructure literature, contrasts with many classical finance models in which markets are assumed to be frictionless and traders can, for the most part, take prices as given. Introducing trading costs to dynamic models of financial markets tend to complicate matters. First, the objectives of the traders become more nuanced since now overtrading leads to poor outcomes due to increased trading costs. Second, when trades affect prices and there are multiple traders in the market, the traders start to behave in a more calculated fashion, taking into account both their own objectives and the perceived actions of others. Acknowledging this strategic behavior is especially important when the traders are asymmetrically informed. These new features allow the models discussed to better reflect aspects real-world trading, for instance, intraday trading patterns, and enable one to ask and answer new questions, for instance, related to the interactions between different traders. To efficiently analyze the models put forth, numerical methods must be utilized. This is, as is to be expected, the price one must pay from added complexity. However, it also opens an opportunity to have a closer look at the numerical approaches themselves. This opportunity is capitalized on and various new and novel computational procedures influenced by the growing field of numerical real algebraic geometry are introduced and employed. These procedures are utilizable beyond the scope of this dissertation and enable one to sharpen the analysis of dynamic equilibrium models.Tämä väitöskirja käsittelee strategista kaupankäyntiä hyödyntäen sekä analyyttisiä että numeerisia menetelmiä. Strategisen kaupankäynnin mallit, erityisesti optimaalinen kauppojen toteutus ja portfolion valinta, pyrkivät tarkasti huomioimaan kaupankäynnistä itsestään aiheutuvat eksplisiittiset ja implisiittiset kustannukset. Tämä erottaa strategisen kaupankäynnin mallit klassisista kitkattomista malleista. Kustannusten huomioiminen rahoitusmarkkinoiden dynaamisessa tarkastelussa monimutkaistaa malleja. Ensinnäkin kaupankävijöiden tavoitteet muuttuvat hienovaraisemmiksi, koska liian aktiivinen kaupankäynti johtaa korkeisiin kaupankäyntikuluihin ja heikkoon tuottoon. Toiseksi oletus siitä, että kaupankävijöiden valitsemat toimet vaikuttavat hintoihin, johtaa pelikäyttäytymiseen silloin, kun markkinoilla on useampia kaupankävijöitä. Pelikäyttäytymisen huomioiminen on ensiarvoisen tärkeää, mikäli informaatio kaupankävijöiden kesken on asymmetristä. Näiden piirteiden johdosta tässä väitöskirjassa käsitellyt mallit mahdollistavat abstrahoitujen rahoitusmarkkinoiden aiempaa täsmällisemmän tarkastelun esimerkiksi päivänsisäisen kaupankäynnin osalta. Tämän lisäksi mallien avulla voidaan löytää vastauksia uusiin kysymyksiin, kuten esimerkiksi siihen, millaisia ovat kaupankävijöiden keskinäiset vuorovaikutussuhteet dynaamisilla markkinoilla. Monimutkaisten mallien analysointiin hyödynnetään numeerisia menetelmiä. Tämä avaa mahdollisuuden näiden menetelmien yksityiskohtaisempaan tarkasteluun, ja tätä mahdollisuutta hyödynnetään pohtimalla laskennallisia ratkaisuja tuoreesta numeerista reaalista algebrallista geometriaa hyödyntävästä näkökulmasta. Väitöskirjassa esitellyt uudet laskennalliset ratkaisut ovat laajalti hyödynnettävissä, ja niiden avulla on mahdollista terävöittää dynaamisten tasapainomallien analysointia

Analytic Combinatorics in Several Variables: Effective Asymptotics and Lattice Path Enumeration

The field of analytic combinatorics, which studies the asymptotic behaviour of sequences through analytic properties of their generating functions, has led to the development of deep and powerful tools with applications across mathematics and the natural sciences. In addition to the now classical univariate theory, recent work in the study of analytic combinatorics in several variables (ACSV) has shown how to derive asymptotics for the coefficients of certain D-finite functions represented by diagonals of multivariate rational functions. We give a pedagogical introduction to the methods of ACSV from a computer algebra viewpoint, developing rigorous algorithms and giving the first complexity results in this area under conditions which are broadly satisfied. Furthermore, we give several new applications of ACSV to the enumeration of lattice walks restricted to certain regions. In addition to proving several open conjectures on the asymptotics of such walks, a detailed study of lattice walk models with weighted steps is undertaken.Comment: PhD thesis, University of Waterloo and ENS Lyon - 259 page

Parallel Manipulators

In recent years, parallel kinematics mechanisms have attracted a lot of attention from the academic and industrial communities due to potential applications not only as robot manipulators but also as machine tools. Generally, the criteria used to compare the performance of traditional serial robots and parallel robots are the workspace, the ratio between the payload and the robot mass, accuracy, and dynamic behaviour. In addition to the reduced coupling effect between joints, parallel robots bring the benefits of much higher payload-robot mass ratios, superior accuracy and greater stiffness; qualities which lead to better dynamic performance. The main drawback with parallel robots is the relatively small workspace. A great deal of research on parallel robots has been carried out worldwide, and a large number of parallel mechanism systems have been built for various applications, such as remote handling, machine tools, medical robots, simulators, micro-robots, and humanoid robots. This book opens a window to exceptional research and development work on parallel mechanisms contributed by authors from around the world. Through this window the reader can get a good view of current parallel robot research and applications

Verification of system properties of polynomial systems using discrete-time approximations and set-based analysis

Magdeburg, Univ., Fak. für Elektrotechnik und Informationstechnik, Diss., 2015von Philipp Rumschinsk

Semidefinite programming relaxations for quantum correlations

Semidefinite programs are convex optimisation problems involving a linear objective function and a domain of positive semidefinite matrices. Over the last two decades, they have become an indispensable tool in quantum information science. Many otherwise intractable fundamental and applied problems can be successfully approached by means of relaxation to a semidefinite program. Here, we review such methodology in the context of quantum correlations. We discuss how the core idea of semidefinite relaxations can be adapted for a variety of research topics in quantum correlations, including nonlocality, quantum communication, quantum networks, entanglement, and quantum cryptography.Comment: To be submitted to Reviews of Modern Physic

Computer Science for Continuous Data:Survey, Vision, Theory, and Practice of a Computer Analysis System

Building on George Boole's work, Logic provides a rigorous foundation for the powerful tools in Computer Science that underlie nowadays ubiquitous processing of discrete data, such as strings or graphs. Concerning continuous data, already Alan Turing had applied "his" machines to formalize and study the processing of real numbers: an aspect of his oeuvre that we transform from theory to practice.The present essay surveys the state of the art and envisions the future of Computer Science for continuous data: natively, beyond brute-force discretization, based on and guided by and extending classical discrete Computer Science, as bridge between Pure and Applied Mathematics

High-dimensional polytopes defined by oracles: algorithms, computations and applications

Η επεξεργασία και ανάλυση γεωμετρικών δεδομένων σε υψηλές διαστάσεις διαδραματίζει ένα θεμελιώδη ρόλο σε διάφορους κλάδους της επιστήμης και της μηχανικής. Τις τελευταίες δεκαετίες έχουν αναπτυχθεί πολλοί επιτυχημένοι γεωμετρικοί αλγόριθμοι σε 2 και 3 διαστάσεις. Ωστόσο, στις περισσότερες περιπτώσεις, οι επιδόσεις τους σε υψηλότερες διαστάσεις δεν είναι ικανοποιητικές. Αυτή η συμπεριφορά είναι ευρέως γνωστή ως κατάρα των μεγάλων διαστάσεων (curse of dimensionality). Δυο πλαίσια λύσης που έχουν υιοθετηθεί για να ξεπεραστεί αυτή η δυσκολία είναι η εκμετάλλευση της ειδικής δομής των δεδομένων, όπως σε περιπτώσεις αραιών (sparse) δεδομένων ή στην περίπτωση που τα δεδομένα βρίσκονται σε χώρο χαμηλότερης διάστασης, και ο σχεδιασμός προσεγγιστικών αλγορίθμων. Στη διατριβή αυτή μελετάμε προβλήματα μέσα σε αυτά τα πλαίσια. Το κύριο ερευνητικό πεδίο της παρούσας εργασίας είναι η διακριτή και υπολογιστικής γεωμετρία και οι σχέσεις της με τους κλάδους της επιστήμης των υπολογιστών και τα εφαρμοσμένα μαθηματικά, όπως είναι η θεωρία πολυτόπων, οι υλοποιήσεις αλγορίθμων, οι πιθανοθεωρητικοί γεωμετρικοί αλγόριθμοι, η υπολογιστική αλγεβρική γεωμετρία και η βελτιστοποίηση. Τα θεμελιώδη γεωμετρικά αντικείμενα της μελέτης μας είναι τα πολύτοπα, και οι βασικές τους ιδιότητες είναι η κυρτότητα και ότι ορίζονται από ένα μαντείο (oracle) σε ένα χώρο υψηλής διάστασης. Η επεξεργασία και ανάλυση γεωμετρικών δεδομένων σε υψηλές διαστάσεις διαδραματίζει ένα θεμελιώδη ρόλο σε διάφορους κλάδους της επιστήμης και της μηχανικής. Τις τελευταίες δεκαετίες έχουν αναπτυχθεί πολλοί επιτυχημένοι γεωμετρικοί αλγόριθμοι σε 2 και 3 διαστάσεις. Ωστόσο, στις περισσότερες περιπτώσεις, οι επιδόσεις τους σε υψηλότερες διαστάσεις δεν είναι ικανοποιητικές. Δυο πλαίσια λύσης που έχουν υιοθετηθεί για να ξεπεραστεί αυτή η δυσκολία είναι η εκμετάλλευση της ειδικής δομής των δεδομένων, όπως σε περιπτώσεις αραιών (sparse) δεδομένων ή στην περίπτωση που τα δεδομένα βρίσκονται σε χώρο χαμηλότερης διάστασης, και ο σχεδιασμός προσεγγιστικών αλγορίθμων. Το κύριο ερευνητικό πεδίο της παρούσας εργασίας είναι η διακριτή και υπολογιστικής γεωμετρία και οι σχέσεις της με τους κλάδους της επιστήμης των υπολογιστών και τα εφαρμοσμένα μαθηματικά. Η συμβολή αυτής της διατριβής είναι τριπλή. Πρώτον, στο σχεδιασμό και την ανάλυση των γεωμετρικών αλγορίθμων για προβλήματα σε μεγάλες διαστάσεις. Δεύτερον, θεωρητικά αποτελέσματα σχετικά με το συνδυαστικό χαρακτηρισμό βασικών οικογενειών πολυτόπων. Τρίτον, η εφαρμογή και πειραματική ανάλυση των προτεινόμενων αλγορίθμων και μεθόδων. Η ανάπτυξη λογισμικού ανοιχτού κώδικα, που είναι διαθέσιμο στο κοινό και βασίζεται και επεκτείνει διαδεδομένες γεωμετρικές και αλγεβρικές βιβλιοθήκες λογισμικού, όπως η CGAL και το polymake.The processing and analysis of high dimensional geometric data plays a fundamental role in disciplines of science and engineering. The last decades many successful geometric algorithms has been developed in 2 and 3 dimensions. However, in most cases their performance in higher dimensions is poor. This behavior is commonly called the curse of dimensionality. A solution framework adopted for the healing of the curse of dimensionality is the exploitation of the special structure of the data, such as sparsity or low intrinsic dimension and the design of approximation algorithms. The main research area of this thesis is discrete and computational geometry and its connections to branches of computer science and applied mathematics. The contribution of this thesis is threefold. First, the design and analysis of geometric algorithms for problems concerning high-dimensional, convex polytopes, such as convex hull and volume computation and their applications to computational algebraic geometry and optimization. Second, the establishment of combinatorial characterization results for essential polytope families. Third, the implementation and experimental analysis of the proposed algorithms and methods. The developed software is opensource, publicly available and builds on and extends state-of-the-art geometric and algebraic software libraries such as CGAL and polymake

On Flows, Paths, Roots, and Zeros

This thesis has two parts; in the first of which we give new results for various network flow problems. (1) We present a novel dual ascent algorithm for min-cost flow and show that an implementation of it is very efficient on certain instance classes. (2) We approach the problem of numerical stability of interior point network flow algorithms by giving a path following method that works with integer arithmetic solely and is thus guaranteed to be free of any nu-merical instabilities. (3) We present a gradient descent approach for the undirected transship-ment problem and its special case, the single source shortest path problem (SSSP). For distrib-uted computation models this yields the first SSSP-algorithm with near-optimal number of communication rounds. The second part deals with fundamental topics from algebraic computation. (1) We give an algorithm for computing the complex roots of a complex polynomial. While achieving a com-parable bit complexity as previous best results, our algorithm is simple and promising to be of practical impact. It uses a test for counting the roots of a polynomial in a region that is based on Pellet's theorem. (2) We extend this test to polynomial systems, i.e., we develop an algorithm that can certify the existence of a k-fold zero of a zero-dimensional polynomial system within a given region. For bivariate systems, we show experimentally that this approach yields signifi-cant improvements when used as inclusion predicate in an elimination method.Im ersten Teil dieser Dissertation präsentieren wir neue Resultate für verschiedene Netzwerkflussprobleme. (1)Wir geben eine neue Duale-Aufstiegsmethode für das Min-Cost-Flow- Problem an und zeigen, dass eine Implementierung dieser Methode sehr effizient auf gewissen Instanzklassen ist. (2)Wir behandeln numerische Stabilität von Innere-Punkte-Methoden fürNetwerkflüsse, indem wir eine solche Methode angeben die mit ganzzahliger Arithmetik arbeitet und daher garantiert frei von numerischen Instabilitäten ist. (3) Wir präsentieren ein Gradienten-Abstiegsverfahren für das ungerichtete Transshipment-Problem, und seinen Spezialfall, das Single-Source-Shortest-Problem (SSSP), die für SSSP in verteilten Rechenmodellen die erste mit nahe-optimaler Anzahl von Kommunikationsrunden ist. Der zweite Teil handelt von fundamentalen Problemen der Computeralgebra. (1) Wir geben einen Algorithmus zum Berechnen der komplexen Nullstellen eines komplexen Polynoms an, der eine vergleichbare Bitkomplexität zu vorherigen besten Resultaten hat, aber vergleichsweise einfach und daher vielversprechend für die Praxis ist. (2)Wir erweitern den darin verwendeten Pellet-Test zum Zählen der Nullstellen eines Polynoms auf Polynomsysteme, sodass wir die Existenz einer k-fachen Nullstelle eines Systems in einer gegebenen Region zertifizieren können. Für bivariate Systeme zeigen wir experimentell, dass eine Integration dieses Ansatzes in eine Eliminationsmethode zu einer signifikanten Verbesserung führt