Inverse problems across scales

dc.contributor.advisorAraújo, João Medeiros de
dc.contributor.advisorIDhttps://orcid.org/0000-0001-8462-4280
dc.contributor.advisorLatteshttp://lattes.cnpq.br/3061734732654188
dc.contributor.authorLima, Paulo Douglas Santos de
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/5168410652715777
dc.contributor.referees1Costa, Jessé Carvalhopt_BR
dc.contributor.referees1IDhttps://orcid.org/0000-0002-2906-3588
dc.contributor.referees1Latteshttp://lattes.cnpq.br/7294174204296739
dc.contributor.referees2Schleicher, Joerg Dietrich Wilhelmpt_BR
dc.contributor.referees2IDhttps://orcid.org/0000-0002-6123-317X
dc.contributor.referees2Latteshttp://lattes.cnpq.br/0373061112091020
dc.contributor.referees3Machado, Leonardo Dantaspt_BR
dc.contributor.referees3IDhttps://orcid.org/0000-0003-1221-4228
dc.contributor.referees3Latteshttp://lattes.cnpq.br/9253069541351708
dc.contributor.referees4Mohan, Madras Viswanathan Gandhipt_BR
dc.contributor.referees4Latteshttp://lattes.cnpq.br/1995273890709490
dc.contributor.referees5Ferreira, Mauro Santospt_BR
dc.date.accessioned2025-07-23T19:10:22Z
dc.date.available2025-07-23T19:10:22Z
dc.date.issued2024-11-29
dc.description.abstractPredicting the shape of the shadow generated by a 3D object is a straightforward task. However, it can be challenging to solve the inverse problem of finding the object’s shape solely from its projected shadow. Analogous situations appear in many areas of Physics, either to detect gas reservoirs or to design a new quantum material. In this regard, inverse problems typically involve extracting physical properties from a noisy and limited information scenario. The typical length scale and the interactions between physical parameters introduce distinct challenges for each inverse problem. This motivated us to cross scales in this thesis by analyzing four problems and their inverse counterparts. Guided by a cross-fertilization scheme and following a multiscale approach, we started studying what mass density a hanging cable must possess to assume a specific shape. Then, we solve the Bayesian full waveform inversion problem for single and multiple timedependent seismic surveys. To address this inverse problem, we employed the Hamiltonian Monte Carlo method with a proposed mass matrix design. After that, we migrate to the forward problem of determining self-assembled magnetic particles’ ordered structures and their collapse conditions. Finally, we investigate the quantum inverse problem of finding the spatial position of randomly distributed impurities in a one-dimensional electronic device. These problems provide valuable insights into solving inverse problems and have applications in various fields of Physics.
dc.description.resumoPrever a sombra gerada por um objeto 3D é uma tarefa simples. No entanto, resolver o problema inverso de determinar a forma de um objeto apenas a partir de sua sombra projetada pode ser bastante desafiador. Situações similares aparecem em várias áreas da Física, seja para detectar reservatórios de gás ou para projetar um novo material quântico. Nesse sentido, os problemas inversos geralmente envolvem a extração de propriedades físicas a partir de um cenário de informações limitadas e ruidosas. A escala típica de comprimento e as interações entre os parâmetros físicos introduzem desafios distintos em cada situação. Motivado por isso, cruzamos escalas nesta tese ao analisar quatro problemas e seus equivalentes problemas inversos. Guiado por um esquema de fertilização cruzada e seguindo uma abordagem multiescalar, começamos investigando qual densidade de massa um cabo suspenso deve possuir para assumir uma forma específica. Em seguida, resolvemos o problema da inversão completa da forma de onda (FWI) usando inferência Bayesiana para levantamentos sísmicos únicos e repetidos. Para abordar esse problema inverso, empregamos o método do Monte Carlo Hamiltoniano propondo a construção de uma matriz de massa. Após isso, migramos para o problema direto de determinar as estruturas ordenadas e as condições de colapso de partículas magnéticas auto-organizadas. Finalmente, investigamos o problema quântico inverso de encontrar a posição espacial de impurezas distribuídas aleatoriamente em um dispositivo eletrônico unidimensional. Esses problemas fornecem uma compreensão valiosa para a resolução de problemas inversos com aplicações em diversos campos da Física.
dc.identifier.citationLIMA, Paulo Douglas Santos de. Inverse problems across scales. Orientador: Dr. João Medeiros de Araújo. 2024. 152f. Tese (Doutorado em Física) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2024.
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/64863
dc.language.isopt_BR
dc.publisherUniversidade Federal do Rio Grande do Norte
dc.publisher.countryBRpt_BR
dc.publisher.initialsUFRNpt_BR
dc.publisher.programPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICApt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.subjectProblemas inversos
dc.subjectTeoria da inversão
dc.subjectDesign inverso de materiais
dc.subjectInversão completa da forma de onda
dc.subjectSistemas quânticos desordenados
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
dc.titleInverse problems across scales
dc.typedoctoralThesispt_BR

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