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This work describes development of a comprehensive methodology for analyzing vibro-acoustic and wear mechanisms in transmission systems. The thesis addresses certain gaps present in the fields of structure dynamics and abrasion mechanism and opens new areas for further research.
The paper attempts to understand new and relatively unexplored challenges like influences of wear on the dynamics of drive train. It also focuses on developing new techniques for analyzing the vibration and acoustic behavior of the drive unit structures and surrounding fluids respectively.
The developed methodology meets the requirements of both the complete system and component level modeling by using specially identified combination of different simulation techniques. Based on the created template model, a three-stage spur plus helical gearbox is constructed and simulated as an application example. In addition to the internal mechanical excitation mechanisms, the transmission model also includes the rotational and translational dynamics of the gears, shafts and bearings. It is followed by illustration of wear among the rotating components.
Different kinds of static and dynamic analyses are performed and coupled at various levels depending on the mechanical complexities involved. Furthermore, the structure dynamic vibration of the housing and the associated sound particle radiations are mapped into the surrounding fluid. Additionally, the approach for selection of the potential parameters for optimization is depicted. Final part focuses on the measurements of different system states used for validation of the model. In the end, results obtained from both simulations and experiments are analyzed and assessed for there respective performances.
Machine Learning (ML) is so pervasive in our todays life that we don't even realise that, more often than expected, we are using systems based on it. It is also evolving faster than ever before. When deploying ML systems that make decisions on their own, we need to think about their ignorance of our uncertain world. The uncertainty might arise due to scarcity of the data, the bias of the data or even a mismatch between the real world and the ML-model. Given all these uncertainties, we need to think about how to build systems that are not totally ignorant thereof. Bayesian ML can to some extent deal with these problems. The specification of the model using probabilities provides a convenient way to quantify uncertainties, which can then be included in the decision making process.
In this thesis, we introduce the Bayesian ansatz to modeling and apply Bayesian ML models in finance and economics. Especially, we will dig deeper into Gaussian processes (GP) and Gaussian process latent variable model (GPLVM). Applied to the returns of several assets, GPLVM provides the covariance structure and also a latent space embedding thereof. Several financial applications can be build upon the output of the GPLVM. To demonstrate this, we build an automated asset allocation system, a predictor for missing asset prices and identify other structure in financial data.
It turns out that the GPLVM exhibits a rotational symmetry in the latent space, which makes it harder to fit. Our second publication reports, how to deal with that symmetry. We propose another parameterization of the model using Householder transformations, by which the symmetry is broken. Bayesian models are changed by reparameterization, if the prior is not changed accordingly. We provide the correct prior distribution of the new parameters, such that the model, i.e. the data density, is not changed under the reparameterization. After applying the reparametrization on Bayesian PCA, we show that the symmetry of nonlinear models can also be broken in the same way.
In our last project, we propose a new method for matching quantile observations, which uses order statistics. The use of order statistics as the likelihood, instead of a Gaussian likelihood, has several advantages. We compare these two models and highlight their advantages and disadvantages. To demonstrate our method, we fit quantiled salary data of several European countries. Given several candidate models for the fit, our method also provides a metric to choose the best option.
We hope that this thesis illustrates some benefits of Bayesian modeling (especially Gaussian processes) in finance and economics and its usage when uncertainties are to be quantified.
This thesis presents research which spans three conference papers and one manuscript which has not yet been submitted for peer review.
The topic of 1 is the inherent complexity of maintaining perfect height in B-trees. We consider the setting in which a B-tree of optimal height contains n = (1−ϵ)N elements where N is the number of elements in full B-tree of the same height (the capacity of the tree). We show that the rebalancing cost when updating the tree—while maintaining optimal height—depends on ϵ. Specifically, our analysis gives a lower bound for the rebalancing cost of Ω(1/(ϵB)). We then describe a rebalancing algorithm which has an amortized rebalancing cost with an almost matching upper bound of O(1/(ϵB)⋅log²(min{1/ϵ,B})). We additionally describe a scheme utilizing this algorithm which, given a rebalancing budget f(n), maintains optimal height for decreasing ϵ until the cost exceeds the
budget at which time it maintains optimal height plus one. Given a rebalancing budget of Θ(logn), this scheme maintains optimal height for all but a vanishing fraction of sizes in the intervals between tree capacities.
Manuscript 2 presents empirical analysis of practical randomized external-memory algorithms for computing the connected components of graphs. The best known theoretical results for this problem are essentially all derived from results for minimum spanning tree algorithms. In the realm of randomized external-memory MST algorithms, the best asymptotic result has I/O-complexity O(sort(|E|)) in expectation while an empirically studied practical algorithm has a bound of O(sort(|E|)⋅log(|V|/M)). We implement and evaluate an algorithm for connected components with expected I/O-complexity O(sort(|E|))—a simplification of the MST
algorithm with this asymptotic cost, we show that this approach may also yield good results in practice.
In paper 3, we present a novel approach to simulating large-scale population protocol models. Naive simulation of N interactions of a population protocol with n agents and m states requires Θ(nlogm) bits of memory and Θ(N) time. For
very large n, this is prohibitive both in memory consumption and time, as interesting protocols will typically require N > n interactions for convergence. We describe a histogram-based simulation framework which requires Θ(mlogn) bits of memory instead—an improvement as it is typically the case that
n ≫ m. We analyze, implement, and compare a number of different data structures to perform correct agent sampling in this regime. For this purpose, we develop dynamic alias tables which allow sampling an interaction in expected amortized
constant time. We then show how to use sampling techniques to process agent interactions in batches, giving a simulation approach which uses subconstant time per interaction under reasonable assumptions.
With paper 4, we introduce the new model of fragile complexity for comparison-based algorithms. Within this model, we analyze classical comparison-based problems such as finding the minimum value of a set, selection (or finding the median), and sorting. We prove a number of lower and upper bounds and in particular, we give a number of randomized results which describe trade-offs not achievable by deterministic algorithms.
Netzwerkmodelle spielen in verschiedenen Wissenschaftsdisziplinen eine wichtige Rolle und dienen unter anderem der Beschreibung realistischer Graphen.
Sie werden häufig als Zufallsgraphen formuliert und stellen somit Wahrscheinlichkeitsverteilungen über Graphen dar.
Meist ist die Verteilung dabei parametrisiert und ergibt sich implizit, etwa über eine randomisierten Konstruktionsvorschrift.
Ein früher Vertreter ist das G(n,p) Modell, welches über allen ungerichteten Graphen mit n Knoten definiert ist und jede Kante unabhängig mit Wahrscheinlichkeit p erzeugt.
Ein aus G(n,p) gezogener Graph hat jedoch kaum strukturelle Ähnlichkeiten zu Graphen, die zumeist in Anwendungen beobachtet werden.
Daher sind populäre Modelle so gestaltet, dass sie mit hinreichend hoher Wahrscheinlichkeit gewünschte topologische Eigenschaften erzeugen.
Beispielsweise ist es ein gängiges Ziel die nur unscharf definierte Klasse der sogenannten komplexen Netzwerke nachzubilden, der etwa viele soziale Netze zugeordnet werden.
Unter anderem verfügen diese Graphen in der Regel über eine Gradverteilung mit schweren Rändern (heavy-tailed), einen kleinen Durchmesser, eine dominierende Zusammenhangskomponente, sowie über überdurchschnittlich dichte Teilbereiche, sogenannte Communities.
Die Einsatzmöglichkeiten von Netzwerkmodellen gehen dabei weit über das ursprüngliche Ziel, beobachtete Effekte zu erklären, hinaus.
Ein gängiger Anwendungsfall besteht darin, Daten systematisch zu produzieren.
Solche Daten ermöglichen oder unterstützen experimentelle Untersuchungen, etwa zur empirischen Verifikation theoretischer Vorhersagen oder zur allgemeinen Bewertung von Algorithmen und Datenstrukturen.
Hierbei ergeben sich insbesondere für große Probleminstanzen Vorteile gegenüber beobachteten Netzen.
So sind massive Eingaben, die auf echten Daten beruhen, oft nicht in ausreichender Menge verfügbar, nur aufwendig zu beschaffen und zu verwalten, unterliegen rechtlichen Beschränkungen, oder sind von unklarer Qualität.
In der vorliegenden Arbeit betrachten wir daher algorithmische Aspekte der Generierung massiver Zufallsgraphen.
Um Anwendern Reproduzierbarkeit mit vorhandenen Studien zu ermöglichen, fokussieren wir uns hierbei zumeist auf getreue Implementierungen etablierter Netzwerkmodelle,
etwa Preferential Attachment-Prozesse, LFR, simple Graphen mit vorgeschriebenen Gradsequenzen, oder Graphen mit hyperbolischer (o.Ä.) Einbettung.
Zu diesem Zweck entwickeln wir praktisch sowie analytisch effiziente Generatoren.
Unsere Algorithmen sind dabei jeweils auf ein geeignetes Maschinenmodell hin optimiert.
Hierzu entwerfen wir etwa klassische sequentielle Generatoren für Registermaschinen, Algorithmen für das External Memory Model, und parallele Ansätze für verteilte oder Shared Memory-Maschinen auf CPUs, GPUs, und anderen Rechenbeschleunigern.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit linearen inversen Problemen, wie sie in einer Vielzahl an Anwendungen auftreten. Diese Probleme zeichnen sich dadurch aus, dass sie typischerweise schlecht gestellt sind, was in erster Linie die Stabilität betrifft. Selbst kleinste Messfehler haben enorme Konsequenzen für die Rekonstruktion der zu bestimmenden Größe.
Um eine robuste Rekonstruktion zu ermöglichen, muss das Problem regularisiert, dass heißt durch eine ganze Familie abgeänderter, stabiler Approximationen ersetzt werden. Die konkrete Wahl aus der Familie, die sogenannte Parameterwahlstrategie, stützt sich dann auf zusätzliche ad hoc Annahmen über den Messfehler. Typischerweise ist dies im deterministischen Fall die Kenntnis einer oberen Schranke an die Norm des Datenfehlers, oder im stochastischen Fall, die Kenntnis der Verteilung des Fehlers, beziehungsweise die Einschränkung auf eine bestimmte Klasse von Verteilungen, zumeist Gaußsche. In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, wie sich diese Informationen unter der Annahme der Wiederholbarkeit der Messung gewinnen lassen. Die Daten werden dabei aus mehreren Messungen gemittelt, welche einer beliebigen, unbekannten Verteilung folgen, wobei die zur Lösung des Problems unweigerlich notwendige Fehlerschranke geschätzt wird. Auf Mittelwert und Schätzer wird dann ein klassisches Regularisierungsverfahren angewandt. Als Regularisierungen werden größtenteils Filter-basierte Verfahren behandelt, die sich auf die Spektralzerlegung des Problems stützen. Als Parameterwahlstrategien werden sowohl einfache a priori-Wahlen betrachtet, als auch das Diskrepanzprinzip als adaptives Verfahren. Es wird Konvergenz für unbekannte beliebige Fehlerverteilungen mit endlicher Varianz sowie für Weißes Rauschen (bezüglich allgemeiner Diskretisierungen) nachgewiesen. Schließlich wird noch die Konvergenz des Diskrepanzprinzips für ein stochastisches Gradientenverfahren gezeigt, als erste rigorose Analyse einer adaptiven Stoppregel für ein solches nicht Filter-basiertes Regularisierungsverfahren.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der theoriegeleiteten Entwicklung eines digitalen Werkzeugs namens MathCityMap (MCM) für das außerschulische Lehren und Lernen von Mathematik.
Den Ausgangspunkt des Projekts bilden die sogenannten Mathtrails. Dies sind Wanderpfade zum Entdecken mathematischer Sachverhalte an realen Objekten in der Umwelt. Eine didaktische, methodische sowie lernpsychologische Analyse konstatiert Mathtrails zahlreiche Potentiale für den Lernprozess wie beispielsweise die Möglichkeit, Primärerfahrungen zu sammeln, das Interesse am Fach Mathematik zu steigern sowie das Lernen aktiv und konstruktiv zu gestalten. Trotz der genannten Vorteile wird deutlich, dass die Vorbereitung und Umsetzung der mathematischen Wanderpfade mit einem immensen Aufwand verbunden sind. Eine weitere Herausforderung für Lernende liegt im offenen Charakter der Mathtrails, die in der Regel in autonomen Kleingruppen abgelaufen werden. Aus der Literatur ist bekannt, dass insbesondere für schwächere Lerner die Gefahr besteht, durch die Anforderungen einer selbstständigen Arbeitsweise überfordert zu werden.
Als Lösungsansatz für die zuvor genannten Probleme wird im Rahmen dieser Arbeit die Entwicklung eines digitalen Werkzeugs für Mathtrails erläutert. Die erste Forschungsfrage beschäftigt sich mit den theoretischen Anforderungen an solch ein Tool:
1. Welchen Anforderungen muss ein digitales Werkzeug genügen, um die Vorzüge der Mathtrails zu erhalten, deren Aufwand zu minimieren und die Gefahren zu kompensieren?
Unter Berücksichtigung der theoretischen Grundlagen digitaler Werkzeuge und des „Mobile Learnings“ werden zunächst Möglichkeiten identifiziert, den Vorbereitungsaufwand zu minimieren. Konkret erscheinen die automatische Datenverarbeitung, das digitale Zusammen-arbeiten sowie das Teilen und Wiederverwenden von digitalen Aufgaben und Trails als theoretisch zielführende Bestandteile von MCM. Weiterhin sollen zur Unterstützung der Lerner bei der eigenständigen Bearbeitung von Mathtrails didaktisch bewährte Konzepte – wie gestufte Hilfestellungen und Feedback – eingesetzt werden.
Vor dem Hintergrund der soeben formulierten Anforderungen bilden der Entwicklungsprozess sowie die Beschreibung des aktuellen Ist-Zustandes des MCM-Systems zentrale Bestand-teile dieser Arbeit. Das System setzt sich aus zwei Komponenten für jeweils unterschiedliche Zielgruppen zusammen: das MCM-Webportal zum Erstellen von Mathtrails und die MCM-App zum Ablaufen selbiger. Die Hauptziele von MCM können in der Minimierung des Vorbereitungsaufwands sowie der Kompensation einer Überforderungsgefahr gesehen werden.
In ersten Feldversuchen konnte MCM bereits in einem frühen Stadium erfolgreich mit Lernenden der Sekundarstufe I getestet werden. Gleichzeitig fiel jedoch auf, dass das implementierte Feedback-System Schwächen aufwies und von Lernenden zum systematischen Erraten von Lösungen genutzt werden konnte. In der Folge wurden Spielelemente (Gamification), denen nicht nur eine motivationssteigernde Wirkung nachgesagt wird, sondern auch das Potential das Verhalten zu beeinflussen, Bestandteil der MCM-App. Die zweite Forschungs-frage dieser Arbeit zielt auf die Auswirkungen der Gamification-Integration ab und lautet:
2. Welchen Einfluss haben Gamification-Elemente auf die Motivation sowie auf das Nutzungs-verhalten des digitalen Werkzeugs von Neuntklässlern bei der Bearbeitung eines Mathtrails?
Zur Beantwortung der zweiten Forschungsfrage wurde eine empirische Studie mit 16 Schulklassen (304 Schülerinnen und Schüler) der neunten Jahrgangsstufe im Sommer 2017 durch-geführt. Die Ergebnisse können wie folgt zusammengefasst werden: Die Implementierung einer Rangliste (Leaderboard) in die MCM-App führte zwar nicht zu einer höheren Motivation, jedoch spornte der Wettbewerb die Teilnehmer an, viele Aufgaben zu bearbeiten. Im Ver-gleich zu der Kontrollgruppe ohne Gamification-Elemente löste die Experimentalgruppe signifikant mehr Aufgaben, legte die doppelte Strecke zurück und nutzte das Feedbacks-System seltener aus, um Lösungen zu erraten. Die Studie konnte empirisch den gewünschten Einfluss von Spielelementen auf die Benutzung eines digitalen Werkzeugs für das außerschulische Lernen von Mathematik aufzeigen.
Die Evaluation der Ziele von MCM erfolgt indirekt über die Analyse der Verbreitung der Mathtrail-Idee ohne MCM und mit MCM. Die dritte Forschungsfrage lautet dementsprechend:
3. Welchen Beitrag hat das digitale Werkzeug zur Verbreitung der Mathtrail-Idee nach 4 Jahren Projektlaufzeit geleistet?
Zur Beantwortung der dritten Forschungsfrage werden wissenschaftliche Publikationen zu Mathtrails analysiert. Es wird insbesondere in Publikationen mit und ohne Stichwort „MathCityMap“ unterschieden, um eine Aussage über den Einfluss des MCM-Projekts auf den wissenschaftlichen Diskurs treffen zu können. Stand August 2020 enthält bereits jede dritte Mathtrail-Publikation einen Bezug zu MCM. Weiterhin wird ein Vergleich zu vorherigen, ähnlichen Bemühungen – gemeint sind Online-Mitmach-Projekte für Mathtrails – gezogen. So existierten im Zeitraum 2000 bis 2010 im anglo-amerikanischen Raum erste Webseiten für mathematische Wanderpfade. Diese boten zusammengenommen 131 Mathtrails an. Im Vergleich hierzu existieren bereits über 2.500 MCM-Mathtrails in 57 Ländern.
Sowohl die Publikationen als auch die Anzahl der erstellten Trails stellen erste Indizien dafür dar, dass mit MCM die Realisation eines theoretischen Konzepts für ein digitales Mathtrail-Werkzeug gelungen ist und die Idee der Mathtrails verbreitet werden konnte.
The $p$-adic section conjecture predicts that for a smooth, proper, hyperbolic curve $X$ over a $p$-adic field $k$, every section of the map of étale fundamental groups $\pi_1(X) \to G_k$ is induced by a unique $k$-rational point of $X$. While this conjecture is still open, the birational variant in which $X$ is replaced by its generic point is known due to Koenigsmann. Generalising an alternative proof of Pop, we extend this result to certain localisations of $X$ at a set of closed points $S$, an intermediate version in between the full section conjecture and its birational variant. As one application, we prove the section conjecture for $X_S$ whenever $S$ is a countable set of closed points.
A Large Ion Collider Experiment (ALICE) is one of the four large experiments at the Large Hadron Collider (LHC) at the European Organization for Particle Physics (CERN). ALICE focuses on the physics of the strong interaction and in particular on the Quark-Gluon Plasma. This is a state of matter in which quarks are de-confined. It is believed that it existed in the earliest moments of the evolution of the universe. The ALICE detector studies the products of the collisions between heavy-nuclei, between protons, and between protons and heavy-nuclei. The sub-detector closest to the interaction point is the Inner Tracking System (ITS), which is used to measure the momentum and trajectory of the particles generated by the collisions and allows reconstructing primary and secondary interaction vertices. The ITS needs to have an accurate spatial resolution, together with a low material budget to limit the effect of multiple scattering on low-energetic particles to precisely reconstruct their trajectory. During the Long Shutdown 2 (2019-2020) of the LHC, the current ITS will be replaced by a completely redesigned sub-detector, which will improve readout rate and particle tracking performance especially at low-momentum.
The ALice PIxel DEtector (ALPIDE) chip was designed to meet the requirements of the upgraded ITS in terms of resolution, material budget, radiation hardness, and readout rate. The ALPIDE chip is a Monolithic Active Pixel Sensor (MAPS) realised in Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) technology. Sensing element, analogue front-end, and its digital readout are integrated into the same silicon die. The readout architecture of the new ITS foresees that data is transmitted via a high-speed serial link directly from the ALPIDE to the off-detector electronics. The data is transmitted off-chip by a so-called Data Transmission Unit (DTU) which needs to be tolerant to Single-Event Effects induced by radiation, in order to guarantee reliable operation. The ALPIDE chip will operate in a radiation field with a High-Energy Hadron peak flux of 7.7·10^5 cm^-2s^-1.
The data are sent by the ALPIDE on copper cables to the readout system, which aggregates them and re-transmits them via optical fibres to the counting room. The position where the readout electronics will be placed is constrained by the maximum transmission distance reasonably achievable by the ALPIDE Data Transmission Unit and mechanical constraints of the ALICE experiment. The radiation field at that location is not negligible for its effects on electronics: the high-energy hadrons flux can reach 10^3 cm^-2s^-1. Static RAM (SRAM)-based Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) are favoured over Application Specific Integrated Circuits (ASICs) or Radiation Hard by Design (RHBD) commercial devices because of cost effectiveness. Moreover, SRAM-based FPGAs are re-configurable and provide the data throughput required by the ITS. The main issue with SRAM-based FPGAs, for the intended application, is the susceptibility of their Configuration RAM (CRAM) to Single-Event Upsets: the number of CRAM bits is indeed much higher than the logic they configure. Total Ionizing Dose (TID) at the readout designed position is indeed still acceptable for Component Off The Shelf (COTS), provided that proper verification is carried out.
This dissertation focuses on two parts of the design of the readout system: the Data Transmission Unit of the ALPIDE chip and the design of fundamental modules for the SRAM-based FPGA of the readout electronics. In the first part, a module of the Data Transmission Unit is designed, optimising the trade-off between power consumption, radiation tolerance, and jitter performance. The design was tested and thoroughly characterised, including tests while under irradiation with a 30 MeV protons. Furthermore the Data Transmission Unit performance was validated after the integration into the first prototypes of ITS modules. In the second part, the problem of developing a radiation-tolerant SRAM-based FPGA design is investigated and a solution is provided. First, a general methodology for designing radiation-tolerant Finite State Machines in SRAM-based FPGAs is analysed, implemented, and verified. Later, the radiation-tolerant FPGA design for the ITS readout is described together with the radiation effects mitigation techniques that were selectively applied to the different modules. The design was tested with multiple irradiation tests and the results are stated below.
Space optimizations in deterministic and concurrent call-by-need functional programming languages
(2020)
In this thesis the space consumption and runtime of lazy-evaluating functional programming languages are analyzed.
The typed and extended lambda-calculi LRP and CHF* as core languages for Haskell and Concurrent Haskell are used. For each LRP and CHF* compatible abstract machines are introduced.
Too lower the distortion of space measurement a classical implementable garbage collector is applied after each LRP reduction step. Die size of expressions and the space measure spmax as maximal size of all garbage-free expressions during an LRP-evaluation, are defined.
Program-Transformations are considered as code-to-code transformations. The notions Space Improvement and Space Equivalence as properties of transformations are defined. A Space Improvement does neither change the semantics nor it increases the needed space consumption, for a space equivalence the space consumption is required to remain the same. Several transformations are shown as Space Improvements and Equivalences.
An abstract machine for space measurements is introduced. An implementation of this machine is used for more complex space- and runtime-analyses.
Total Garbage Collection replaces subexpressions by a non-terminating constant with size zero, if the overall termination is not affected. Thereby the notion of improvement is more independent from the used garbage collector.
Analogous to Space Improvements and Equivalences the notions Total Space Improvement and Total Space Equivalence are defined, which use Total Garbage Collection during the space measurement. Several Total Space Improvements and Equivalences are shown.
Space measures for CHF* are defined, that are compatible to the space measure of LRP. An algorithm with sort-complexity is developed, that calculates the required space of independent processes that all start and end together. If a constant amount of synchronization restrictions is added and a constant number of processors is used, the runtime is polynomial, if arbitrary synchronizations are used, then the problem is NP-complete.
Abstract machines for space- and time-analyses in CHF* are developed and implementations of these are used for space and runtime analyses.