510 Mathematik
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Changes in the efficacies of synapses are thought to be the neurobiological basis of learning and memory. The efficacy of a synapse depends on its current number of neurotransmitter receptors. Recent experiments have shown that these receptors are highly dynamic, moving back and forth between synapses on time scales of seconds and minutes. This suggests spontaneous fluctuations in synaptic efficacies and a competition of nearby synapses for available receptors. Here we propose a mathematical model of this competition of synapses for neurotransmitter receptors from a local dendritic pool. Using minimal assumptions, the model produces a fast multiplicative scaling behavior of synapses. Furthermore, the model explains a transient form of heterosynaptic plasticity and predicts that its amount is inversely related to the size of the local receptor pool. Overall, our model reveals logistical tradeoffs during the induction of synaptic plasticity due to the rapid exchange of neurotransmitter receptors between synapses.
Changes in the efficacies of synapses are thought to be the neurobiological basis of learning and memory. The efficacy of a synapse depends on its current number of neurotransmitter receptors. Recent experiments have shown that these receptors are highly dynamic, moving back and forth between synapses on time scales of seconds and minutes. This suggests spontaneous fluctuations in synaptic efficacies and a competition of nearby synapses for available receptors. Here we propose a mathematical model of this competition of synapses for neurotransmitter receptors from a local dendritic pool. Using minimal assumptions, the model produces a fast multiplicative scaling behavior of synapses. Furthermore, the model explains a transient form of heterosynaptic plasticity and predicts that its amount is inversely related to the size of the local receptor pool. Overall, our model reveals logistical tradeoffs during the induction of synaptic plasticity due to the rapid exchange of neurotransmitter receptors between synapses.
Volatility is a widely recognized measure of market risk. As volatility is not observed it has to be estimated from market prices, i.e., as the implied volatility from option prices. The volatility index VIX making volatility a tradeable asset in its own right is computed from near- and next-term put and call options on the S&P 500 with more than 23 days and less than 37 days to expiration and non-vanishing bid. In the present paper we quantify the information content of the constituents of the VIX about the volatility of the S&P 500 in terms of the Fisher information matrix. Assuming that observed option prices are centered on the theoretical price provided by Heston's model perturbed by additive Gaussian noise we relate their Fisher information matrix to the Greeks in the Heston model. We find that the prices of options contained in the VIX basket allow for reliable estimates of the volatility of the S&P 500 with negligible uncertainty as long as volatility is large enough. Interestingly, if volatility drops below a critical value of roughly 3%, inferences from option prices become imprecise because Vega, the derivative of a European option w.r.t. volatility, and thereby the Fisher information nearly vanishes.
Biologische Signalwege bilden komplexe Netzwerke aus, um die Zellantwort sensibel regulieren zu können. Systembiologische Ansätze werden eingesetzt, um biologische Systeme anhand von Computer-gestützten Modellen zu untersuchen. Ein mathematisches Modell erlaubt, neben der logischen Erfassung der Regulation des biologischen Systems, die systemweite Simulation des dynamischen Verhaltens und Analyse der Robustheit und Anfälligkeit.
Der TNFR1-vermittelte Signalweg reguliert essenzielle Zellvorgänge wie Entzündungsantworten,
Proliferation und Zelltod. TNFR1 wird von dem Zytokin TNF-α stimuliert und fördert daraufhin die Bildung verschiedener makromolekularer Komplexe, welche unterschiedliche Zellantworten einleiten, von der Aktivierung des Transkriptionsfaktors NF-κB, welcher die Expression von proliferationsfördernden Genen reguliert, bis zu zwei Formen des Zelltods, der Apoptose und der Nekroptose. Die Regulation der verschiedenen Zellantworten wird auch als molekularer Schalter bezeichnet. Die exakten molekularen Vorgänge, welche die Zellantwort modulieren, sind noch nicht vollständig entschlüsselt. Eine Fehlregulation des Signalwegs kann chronische Entzündungen hervorrufen oder die Entstehung von Tumoren fördern.
In dieser Thesis haben wir die neuesten Erkenntnisse der Forschung des TNFR1-Signalwegs anhand von umfangreichen Interaktionsdaten aus der Literatur erstmals in einem Petrinetz-Modell erfasst und analysiert. Das manuell kuratierte Modell umfasst die sequenziellen Prozesse der NF-κB-Aktivierung, Apoptose und Nekroptose und berücksichtigt den Einfluss posttranslationaler Modifikationen.
Weiterhin wurden Analysemethoden für Signalwegs-Modelle entwickelt, welche die spezifischen Anforderungen dieser biologischen Systeme berücksichtigen und eine biologisch motivierte Netzwerkanalyse ermöglichen. Die Manatee-Invarianten identifizieren Signalflüsse im Gleichgewichtszustand in Modellen, die Zyklen aufweisen, und werden als Linearkombination von Transitions-Invarianten gebildet. Diese Signalflüsse erfassen idealerweise einen Prozess von der Rezeptorstimulation zur Zellantwort in einem Modell eines Signalwegs. Die Bestimmung aller möglichen Signalflüsse in Modellen von Signalwegen ist eine notwendige Voraussetzung für weitere biologisch motivierte Analysen, wie die in silico-Knockout Analyse. Wir haben ebenfalls ein neues Konzept zur Untersuchung von in silico-Knockouts vorgestellt. Die Effekte der in silico-Knockouts auf einzelne Komplexe und Prozesse des Signalwegs werden in der in silico-Knockout-Matrix repräsentiert. Wir haben die Software-Anwendung isiKnock entwickelt, welche beide Konzepte kombiniert und eine systematische Knockout-Analyse von Petrinetz-Modellen unterstützt.
Das Petrinetz-Modell des TNFR1-Signalwegs wurde auf seine elementaren Eigenschaften geprüft und die etablierten Analysen wie Platz-Invarianten und Transitions-Invarianten durchgeführt. Hierbei konnten die Transitions-Invarianten nicht in allen Fällen komplette biologische Signalflüsse beschreiben. Wir haben ebenfalls die neu vorgestellten Methoden auf das Petrinetz-Modell angewandt. Anhand der Manatee-Invarianten konnten wir die zusammenhängenden Signalflüsse identifizieren und nach ihrem biologischen Ausgang klassifizieren sowie die Auswirkungen der Rückkopplungen untersuchen. Wir konnten zeigen, dass die survival-Antwort durch die Aktivierung von NF-κB am häufigsten auftritt, danach die Apoptose, gefolgt von der Nekroptose. Die alternativen Signalflüsse in Form der Manatee-Invarianten spiegeln die Robustheit des biologischen Systems wider. Wir führten eine ausgiebige in silico-Knockout-Analyse basierend auf den Manatee-Invarianten durch, um die Proteine des Signalwegs nach ihrem Einfluss einzustufen und zu gruppieren. Die Proteine des Komplex I wiesen hierbei den größten Einfluss auf, angeführt von der Rezeptorstimulation und RIP1. Wir betrachteten und diskutierten die Regulation des molekularen Schalters anhand der Knockout-Analyse von selektierten Proteinen und deren Auswirkung auf wichtige Komplexe im Modell. Wir identifizierten die Ubiquitinierung in Komplex I sowie die NF-κB-abhängige Genexpression als die wichtigen Kontrollpunkte des TNFR1-Signalwegs. In Komplex II ist die Regulation der Aktivierung der Caspase-Aktivität entscheidend.
Die umfangreiche Netzwerkanalyse basierend auf Manatee-Invarianten und systematischer in silico-Knockout-Analyse verifizierte das Petrinetz-Modell und erlaubte die Untersuchung der Robustheit und Anfälligkeit des Systems. Die neu entwickelten Methoden ermöglichen eine fundierte, biologisch relevante Untersuchung von in silico-Modellen von Signalwegen. Der systembiologische Ansatz unterstützt die Aufklärung der Regulation und Funktion des verflochtenen Netzwerks des TNFR1-Signalwegs.
Strong convergence rates for numerical approximations of stochastic partial differential equations
(2018)
In this thesis and in the research articles which this thesis consists of, respectively, we focus on strong convergence rates for numerical approximations of stochastic partial differential equations (SPDEs). In Part I of this thesis, i.e., Chapter 2 and Chapter 3, we study higher order numerical schemes for SPDEs with multiplicative trace class noise based on suitable Taylor expansions of the Lipschitz continuous coefficients of the SPDEs under consideration. More precisely, Chapter 2 proves strong convergence rates for a linear implicit Euler-Milstein scheme for SPDEs and is based on an unpublished manuscript written by the author of this thesis. This chapter extends an earlier result1 by slightly lowering the assumptions posed on the diffusion coefficient and a different approximation of the semigroup. In Chapter 3 we introduce an exponential Wagner-Platen type numerical scheme for SPDEs and prove that this numerical approximation method converges in the strong sense with oder up to 3/2−. Moreover, we illustrate how the (mixed) iterated stochastic-deterministic integrals, that are part of our numerical scheme, can be simulated exactly under suitable assumptions.
The second part of this thesis, i.e. Chapter 4 and Chapter 5, is devoted to strong convergence rates for numerical approximations of SPDEs with superlinearly growing nonlinearities driven by additive space-time white noise. More specifically, in Chapter 4, we prove strong convergence with rate in the time variable for a class of nonlinearity-truncated numerical approximation schemes for SPDEs and provide examples that fit into our abstract setting like stochastic Allen-Cahn equations. Finally, in Chapter 5, we extend this result with spatial approximations and establish strong convergence rates for a class of full-discrete nonlinearity truncated numerical approximation schemes for SPDEs. Moreover, we apply our strong convergence result to stochastic Allen-Cahn equations and provide lower and upper bounds which show that our strong convergence result can, in general, not essentially be improved.
Die digitale Pathologie ist ein neues, aber stetig wachsendes, Feld in der Medizin. Die kontinuierliche Entwicklung von verbesserten digitalen Scannern erlaubt heute das Abscannen von kompletten Gewebeschnitten und Whole Slide Images gewinnen an Bedeutung. Ziel dieser Arbeit ist die Methodenentwicklung zur Analyse von Whole Slide Images des klassischen Hodgkin Lymphoms. Das Hodgkin-Lymphom, oder Morbus Hodgkin, ist eine Tumorerkrankung des Lymphsystems, bei der die monoklonalen Tumorzellen in der Regel von B-Lymphozyten im Vorläuferstadium abstammen.
Etwas mehr als 9.000 Hodgkin-Lymphom-Fälle werden jährlich in den USA diagnostiziert. Zwar ist die 5-Jahre-Überlebensrate für Hodgkin-Lymphome mit 85,3 % vergleichsweise hoch, dennoch werden etwa 1.100 Todesfälle pro Jahr in den USA registriert. Auf mikroskopischer Ebene sind die Hodgkin-Reed-Sternberg Zellen (HRS-Zellen) typisch für das klassische Hodgkin Lymphom. HRS-Zellen haben einen oder mehrere Zellkerne, die stark vergrößert sind und eine grobe Chromatinstruktur aufweisen. Immunhistologisch gibt es für HRS-Zellen charakterisierende Marker, so sind HRS-Zellen positiv für den Aktivierungsmarker CD30.
Neben der konventionellen Mikroskopie, ermöglichen Scanner das Digitalisieren von ganzen Objektträgern (Whole Slide Image). Whole Slide Images werden bisher wenig in der Routinediagnostik eingesetzt. Ein großer Vorteil von digitalisierten Gewebeschnitten bietet sich bei der computergestützten Analyse. Automatisierte Bildanalyseverfahren wie Zellerkennung können Pathologen bei der Diagnose unterstützen, indem sie umfassende Statistiken zur Anzahl und Verteilung von immungefärbten Zellen bereitstellen.
Die untersuchten immunohistologischen Bilder wurden vom Dr. Senckenbergisches Institut für Pathologie des Universitätsklinikums Frankfurt bereit gestellt. Die betrachteten Gewebeschnitte sind gegen CD30 immungefärbt, einem Membranrezeptor, welcher in HRS-Zellen und aktivierten Lymphozyten exprimiert wird. Die Gewebeschnitte wurden mit einem Aperio ScanScope slide scanner digitalisiert und liegen mit einer hohen Auflösung von 0,25 μm pro Pixel vor. Bei den vorliegenden Gewebeschnittgrößen ergeben sich Bilder mit bis zu 90.000 x 90.000 Pixeln.
Der untersuchte Bilddatensatz umfasst 35 Bilder von Lymphknotengewebeschnitten der drei Krankheitsbilder: Gemischtzelliges klassisches Hodgkinlymphom, noduläres klassisches Hodgkinlymphom und Lymphadenitis. Die Bildverarbeitungspipeline wurden teils neu implementiert, teils von etablierten Bilderkennungssoftware und -bibliotheken wie CellProfiler und Java Advanced Imaging verwendet. CD30-positive Zellobjekte werden in den Gewebeschnitten automatisiert erkannt und neben der globalen Position im Whole Slide Image weitere Morphologiedeskriptoren berechnet, wie Fläche, Feret-Durchmesser, Exzentrität und Solidität. Die Zellerkennung zeigt mit 84 % eine hohe Präzision und mit 95 % eine sehr gute Sensitivität.
Es konnte gezeigt werden, dass in Lymphadenitisfällen im Schnitt deutlich weniger CD30- positive Zellen präsent sind als in klassisches Hodgkinlymphom. Während hier im Schnitt nur rund 3.000 Zellen gefunden wurden, lag der Durchschnitt für das Mischtyp klassisches Hodgkinlymphom bei rund 19.000 CD30 positiven Zellen. Während die CD30-positiven Zellen in Lymphadenitisfällen relativ gleichmäßig verteilt sind, bilden diese in klassischen Hodgkinlymphom-Fällen Zellcluster höherer Dichte.
Die berechneten Morphologiedeskriptoren bieten die Möglichkeit die Gewebeschnitte und den Krankheitsverlauf näher zu beschreiben. Zudem sind bisher Größe und Erscheinungsbild der HRS-Zellen hauptsächlich anhand manuell ausgewählter Zellen bestimmt worden. Ein Maß für die Ausdehnung der Zellen ist der maximale Feret-Durchmesser. Bei CD30-Zellen im klassischen Hodgkinlymphom liegt dieser im Durchschnitt bei 20 μm und ist somit deutlich größer als die durchschnittlich gemessenen 15 μm in Lymphadenitis.
Es wurde ein graphentheoretischer Ansatz gewählt, um die CD30 positiven Zellen und ihre räumliche Nachbarschaft zu modellieren. In CD30-Zellgraphen von klassischen Hodgkinlymphom-Gewebeschnitten ist der durchschnittliche Knotengrad gegenüber den von Lymphadenitis-Bildern stark erhöht. Der Vergleich mit Zufallsgraphen zeigt, dass die beobachteten Knotengradverteilungen nicht für eine zufällige Verteilung der Zellen im Gewebeschnitt sprechen. Eigenschaften und Verteilung von Communities in CD30-Zellgraphen können hinzugenommen werden, um klassisches Hodgkinlymphom Gewebeschnitte näher zu charakterisieren.
Diese Arbeit zeigt, dass die Auswertung von Whole Slide Image unterstützend zur Verbesserung der Diagnose möglich ist. Die mehr als 400.000 automatisch erkannten CD30-positiven Zellobjekte wurden morphologisch beschrieben, und zusammen mit ihrer Position im Gewebeschnitt ist die Betrachtung wichtiger Eigenschaften des klassischen Hodgkinlymphoms realisierbar. Zellgraphen können durch weitere Zelltypen erweitert werden und auf andere Krankheitsbilder angewendet werden.
Precise timing of spikes between different neurons has been found to convey reliable information beyond the spike count. In contrast, the role of small phase delays with high temporal variability, as reported for example in oscillatory activity in the visual cortex, remains largely unclear. This issue becomes particularly important considering the high speed of neuronal information processing, which is assumed to be based on only a few milliseconds, or oscillation cycles within each processing step.
We investigate the role of small and imprecise phase delays with a stochastic spiking model that is strongly motivated by experimental observations. Within individual oscillation cycles the model contains only two signal parameters describing directly the rate and the phase. We specifically investigate two quantities, the probability of correct stimulus detection and the probability of correct change point detection, as a function of these signal parameters and within short periods of time such as individual oscillation cycles.
Optimal combinations of the signal parameters are derived that maximize these probabilities and enable comparison of pure rate, pure phase and combined codes. In particular, the gain in detection probability when adding imprecise phases to pure rate coding increases with the number of stimuli. More interestingly, imprecise phase delays can considerably improve the process of detecting changes in the stimulus, while also decreasing the probability of false alarms and thus, increasing robustness and speed of change point detection.
The results are applied to parameters extracted from empirical spike train recordings of neurons in the visual cortex in response to a number of visual stimuli. The results suggest that near-optimal combinations of rate and phase parameters can be implemented in the brain, and that phase parameters could particularly increase the quality of change point detection in cases of highly similar stimuli.
The thesis is about random Constraint Satisfaction Problems (rCSP). These are random instances of classical problems in NP. In the literature the study of rCSP involve identifying-locating phase transition phenomena as well as investigating algorithmic questions.
Recently, some ingenious however mathematically non-rigorous theories from statistical physics have given the study of rCSP a new perspective; the so-called Cavity Method makes some very impressing predictions about the most fundamental properties of rCSP.
In this thesis, we investigate the soundness of some of the most basic predictions of the Cavity Method, mainly, regarding the structure of the so-called Gibbs distribution on various rCSP models. Furthermore, we study some fundamental algorithmic problem related to rCSP. This includes both analysing well-known dynamical process (dynamics) like Glauber Dynamics, Metropolis Process, as well as proposing new algorithmic approaches to some natural problems related to rCSP.
In this paper, we study the limit of compactness which is a graph index originally introduced for measuring structural characteristics of hypermedia. Applying compactness to large scale small-world graphs (Mehler, 2008) observed its limit behaviour to be equal 1. The striking question concerning this finding was whether this limit behaviour resulted from the specifics of small-world graphs or was simply an artefact. In this paper, we determine the necessary and sufficient conditions for any sequence of connected graphs resulting in a limit value of CB = 1 which can be generalized with some consideration for the case of disconnected graph classes (Theorem 3). This result can be applied to many well-known classes of connected graphs. Here, we illustrate it by considering four examples. In fact, our proof-theoretical approach allows for quickly obtaining the limit value of compactness for many graph classes sparing computational costs.
We live in age of data ubiquity. Even the most conservative estimates predict exponential growth in produced, transmitted and stored data. Big data is used to power business analytics as well as to foster scientific discoveries. In many cases, explosion of produced data exceeds capabilities of digital storage systems. Scientific high-performance computing environments cope with this problem by utilizing large, distributed, storage systems. These complex systems can only provide a high degree of reliability and durability by means of data redundancy. The most straight-forward way of doing that is by replicating the data over different physical devices. However, more elaborate approaches, such as erasure coding, can provide similar data protection while utilizing less storage. Recently, software-defined reliability methods began to replace traditional, hardware- based, solutions. Complicated failure modes of storage system components also warrant checksums to guaranty long-term data integrity. To cope with ever increasing data volumes, flexible and efficient software implementation of error correction codes is of great importance. This thesis introduces a method for realizing a flexible Reed-Solomon erasure code using the “Just-In-Time” compilation technique. By exploiting intrinsic arithmetic redundancy in the algorithm, and by relying on modern optimizing compilers, we obtain a throughput-efficient erasure code implementation. Additionally, exploitation of data parallelism is achieved effortlessly by instructing the compiler to produce SIMD code for desired execution platform. We show results of codes implemented using SSE and AVX2 SIMD instruction sets for x86, and NEON instruction set for ARM platforms. Next, we introduce a framework for efficient vectorized RAID-Z redundancy operations of ZFS file system. Traditional, table-based Galois field multiplication algorithms are replaced with custom SSE and AVX2 parallel methods, providing significantly faster and more efficient parity operations. The implementation of this framework was made publicly available as a part of ZFS on Linux project, since version 0.7. Finally, we propose a new erasure scheme for use with existing, high performance, parallel filesystems. Described reliability middleware (ECCFS) allows definition of flexible, file-based, reliability policies, adapting to customized user needs. By utilizing the block erasure code, the ECCFS achieves optimal storage, computation, and network resource utilization, while providing a high level of reliability. The distributed nature of the middleware allows greater scalability and more efficient utilization of storage and network resources, in order to improve availability of the system.
In the first part of the thesis we investigate Lyapunov exponents for general flat vector bundles over Riemann surfaces and we describe properties of Lyapunov exponents on special loci of the moduli space of flat vector bundles. In the second part of the thesis we show how the knowledge of Lyapunov exponent over a sporadic Teichmüller curve can be used to compute the algebraic equation of the associated universal family of curves.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Thema Stemmatologie, d.h. primär der Rekonstruktion der Kopiergeschichte handschriftlich fixierter Dokumente. Zentrales Objekt der Stemmatologie ist das Stemma, eine visuelle Darstellung der Kopiergeschichte, welche i.d.R. graphtheoretisch als Baum bzw. gerichteter azyklischer Graph vorliegt, wobei die Knoten Textzeugen (d.s. die Textvarianten) darstellen während die Kanten für einzelne Kopierprozesse stehen. Im Mittelpunkt des Wissenschaftszweiges steht die Frage des Autorenoriginals (falls ein einziges solches existiert haben sollte) und die Frage der Rekonstruktion seines Textes. Das Stemma selbst ist ein Mittel zu diesem Hauptzweck (Cameron 1987). Der durch für manuelle Kopierprozesse kennzeichnende Abweichungen zunehmend abgewandelte Originaltext ist meist nicht direkt überliefert. Ziel der Arbeit ist es, die semi-automatische Stemmatologie umfassend zu beschreiben und durch Tools und analytische Verfahren weiterzuentwickeln. Der erste Teil der Arbeit beschreibt die Geschichte der computer-assistierten Stemmatologie inkl. ihrer klassischen Vorläufer und mündet in der Vorstellung eines einfachen Tools zur dynamischen graphischen Darstellung von Stemmata. Ein Exkurs zum philologischen Leitphänomen Lectio difficilior erörtert dessen mögliche psycholinguistische Ursachen im schnelleren lexikalischen Zugriff auf hochfrequente Lexeme. Im zweiten Teil wird daraufhin die existenziellste aller stemmatologischen Debatten, initiiert durch Joseph Bédier, mit mathematischen Argumenten auf Basis eines von Paul Maas 1937 vorgeschlagenen stemmatischen Models beleuchtet. Des Weiteren simuliert der Autor in diesem Kapitel Stemmata, um den potenziellen Einfluss der Distribution an Kopierhäufigkeiten pro Manuskript abzuschätzen.
Im nächsten Teil stellt der Autor ein eigens erstelltes Korpus in persischer Sprache vor, welches ebenso wie 3 der bekannten artifiziellen Korpora (Parzival, Notre Besoin, Heinrichi) qualitativ untersucht wird. Schließlich wird mit der Multi Modal Distance eine Methode zur Stemmagenerierung angewandt, welche auf externen Daten psycholinguistisch determinierter Buchstabenverwechslungswahrscheinlichkeiten beruht. Im letzten Teil arbeitet der Autor mit minimalen Spannbäumen zur Stemmaerzeugung, wobei eine vergleichende Studie zu 4 Methoden der Distanzmatrixgenerierung mit 4 Methoden zur Stemmaerzeugung durchgeführt, evaluiert und diskutiert wird.
Neuronal calcium signals propagating by simple diffusion and reaction with mobile and stationary buffers are limited to cellular microdomains. The distance intracellular calcium signals can travel may be significantly increased by means of calcium-induced calcium release from internal calcium stores, notably the endoplasmic reticulum. The organelle, which can be thought of as a cell-within-a-cell, is able to sequester large amounts of cytosolic calcium ions via SERCA pumps and selectively release them into the cytosol through ryanodine receptor channels leading to the formation of calcium waves. In this study, we set out to investigate the basic properties of such dendritic calcium waves and how they depend on the three parameters dendrite radius, ER radius and ryanodine receptor density in the endoplasmic membrane. We demonstrate that there are stable and abortive regimes for calcium waves, depending on the above morphological and physiological parameters. In stable regimes, calcium waves can travel across long dendritic distances, similar to electrical action potentials. We further observe that abortive regimes exist, which could be relevant for spike-timing dependent plasticity, as travel distances and wave velocities vary with changing intracellular architecture. For some of these regimes, analytic functions could be derived that fit the simulation data. In parameter spaces, that are non-trivially influenced by the three-dimensional calcium concentration profile, we were not able to derive such a functional description, demonstrating the mathematical requirement to model and simulate biochemical signaling in three-dimensional space.
The thesis deals with the analysis and modeling of point processes emerging from different experiments in neuroscience. In particular, the description and detection of different types of variability changes in point processes is of interest.
A non-stationary rate or variance of life times is a well-known problem in the description of point processes like neuronal spike trains and can affect the results of further analyses requiring stationarity. Moreover, non-stationary parameters might also contain important information themselves. The goal of the first part of the thesis is the (further) development of a technique to detect both rate and variance changes that may occur in multiple time scales separately or simultaneously. A two-step procedure building on the multiple filter test (Messer et al., 2014) is used that first tests the null hypothesis of rate homogeneity allowing for an inhomogeneous variance and that estimates change points in the rate if the null hypothesis is rejected. In the second step, the null hypothesis of variance homogeneity is tested and variance change points are estimated. Rate change points are used as input. The main idea is the comparison of estimated variances in adjacent windows of different sizes sliding over the process. To determine the rejection threshold functionals of the Brownian motion are identified as limit processes under the null of variance homogeneity. The non-parametric procedure is not restricted to the case of at most one change point. It is shown in simulation studies that the corresponding test keeps the asymptotic significance level for a wide range of parameters and that the test power is remarkable. The practical applicability of the procedure is underlined by the analysis of neuronal spike trains.
Point processes resulting from experiments on bistable perception are analyzed in the second part of the thesis. Visual illusions allowing for than more possible perception lead to unpredictable changes of perception. In the thesis data from (Schmack et al., 2015) are used. A rotating sphere with switching perceived rotation direction was presented to the participants of the study. The stimulus was presented continuously and intermittently, i.e., with short periods of „blank display“ between the presentation periods. There are remarkable differences in the response patterns between the two types of presentation. During continuous presentation the distribution of dominance times, i.e., the intervals of constant perception, is a right-skewed and unimodal distribution with a mean of about five seconds. In contrast, during intermittent presentation one observes very long, stable dominance times of more than one minute interchanging with very short, unstable dominance times of less than five seconds, i.e., an increase of variability.
The main goal of the second part is to develop a model for the response patterns to bistable perception that builds a bridge between empirical data analysis and mechanistic modeling. Thus, the model should be able to describe both the response patterns to continuous presentation and to intermittent presentation. Moreover, the model should be fittable to typically short experimental data, and the model should allow for neuronal correlates. Current approaches often use detailed assumptions and large parameter sets, which complicate parameter estimation.
First, a Hidden Markov Model is applied. Second, to allow for neuronal correlates, a Hierarchical Brownian Model (HBM) is introduced, where perception is modeled by the competition of two neuronal populations. The activity difference between these two populations is described by a Brownian motion with drift fluctuating between two borders, where each first hitting time causes a perceptual change. To model the response patterns to intermittent presentation a second layer with competing neuronal populations (coding a stable and an unstable state) is assumed. Again, the data are described very well, and the hypothesis that the relative time in the stable state is identical in a group of patients with schizophrenia and a control group is rejected. To sum up, the HBM intends to link empirical data analysis and mechanistic modeling and provides interesting new hypotheses on potential neuronal mechanisms of cognitive phenomena.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit inversen Problemen für partielle Differentialgleichungen. Moderne Lösungsverfahren solcher inversen Probleme müssen die zugehörige partielle Differentialgleichung (PDGL) oft sehr häufig lösen. Mit Hinblick auf die Rechenzeit solcher Verfahren stellt das häufige Lösen der PDGL den Hauptanteil der benötigten Rechenzeit dar. Daraus resultiert die Grundidee dieser Arbeit: es sollen Lösungsverfahren von inversen Problemen beschleunigt werden, indem die für die Vorwärtslösung benötigte Rechenzeit verringert wird. Genauer gesagt soll anstatt der Vorwärtslösung eine Approximation an diese, welche kostengünstig zu berechnen ist, verwendet werden. Für die Bestimmung einer kostengünstigen Annäherung an die Vorwärtslösung wird die Reduzierte Basis Methode, eine Modellreduktionstechnik, verwendet.
Das Ziel der klassischen Reduzierten Basis Methode ist es einen globalen Reduzierte Basis Raum (RB-Raum) zu konstruieren. Dabei handelt es sich um einen niedrigdimensionalen Teilraum des Lösungsraumes der PDGL, welcher für jeden Parameter aus dem Parameterraum eine gute Näherung der PDGL-Lösung liefert. Eine beispielhafte Methode zur Konstruktion eines solchen Raumes ist es, geschickt Parameter auszuwählen und die dazu gehörigen PDGL-Lösungen als Basisvektoren des RB-Raumes zu verwenden. Die orthogonale Projektion der PDGL auf diesen RB-Raum liefert die entsprechenden Reduzierte Basis Lösungen. Das Besondere in dieser Arbeit ist, dass die betrachteten PDGLn einen sehr hochdimensionalen und unbeschränkten Parameterraum besitzen, und es ist bekannt, dass dies für die Reduzierte Basis Methode eine immense Schwierigkeit darstellt.
In Kapitel 1 wird ein schlechtgestelltes inverses Modellproblem, die Rekonstruktion der Wärmeleitfähigkeit eines Gegenstandes aus der Messung der Temperatur desselben, eingeführt und das nichtlineare Landweber-Verfahren als iteratives Regularisierungsverfahren zur Lösung dieses inversen Problems vorgestellt. Die Grundlagen der Reduzierten Basis Methode werden dargelegt und es wird erläutert, warum die klassische Variante der Methode in diesem Kontext der Bildrekonstruktion versagt. Daraufhin wird der neuartig Ansatz, ein adaptiver Reduzierte Basis Ansatz, entwickelt. Die folgenden Schritte bilden die Grundlage dieses adaptiven Reduzierte Basis Ansatzes:
1. Sei ein RB-Raum gegeben, so projiziere den Lösungsalgorithmus des inversen Problems auf diesen RB-Raum.
2. Generiere mit Hilfe dieses projizierten Verfahrens neue Iterierte bis entweder eine Iterierte das inverse Problem löst oder bis der RB-Raum erweitert werden muss.
3. Im ersten Fall wird das Verfahren beendet, im zweiten Fall wird die zur aktuellen Iterierten gehörige Vorwärtslösung verwendet um den RB-Raum zu verbessern. Danach wird mit dem ersten Schritt fortgefahren.
Es wird also nach und nach ein lokal approximierender RB-Raum konstruiert, indem Parameter für neue Basisvektoren mittels einer projizierten Variante des Lösungsalgorithmus des inversen Problems gefunden werden. Das neuartige Reduzierte Basis Landweber-Verfahren ist das Hauptresultat von Kapitel 1, wobei das Verfahren ausführlich numerisch untersucht und mit dem ursprünglichen Landweber-Verfahren verglichen wird.
In Kapitel 2 dieser Arbeit soll der zuvor entwickelte adaptive Reduzierte Basis Ansatz auf ein komplexes und praxisrelevantes Problem angewandt werden. Insbesondere soll die dadurch entstehende neue Methode mit Hinblick auf Konvergenz theoretisch ausführlich untersucht werden. Daher widmet sich der zweite Teil dieser Arbeit dem Problem der Magnet Resonanz Elektrischen Impedanztomographie (MREIT).
Bei der MREIT handelt es sich um ein Bildgebungsverfahren, welches während der letzten drei Jahrzehnte entwickelt wurde. Dabei wird ein Gegenstand, an welchen Elektroden angeheftet sind, in einen Kernspintomographen gelegt und es ist das Ziel des Verfahrens die elektrische Leitfähigkeit des Gegenstandes zu bestimmen. Die dazu benötigten Daten werden folgendermaßen gewonnen: indem Strom an einer der Elektroden angelegt wird, wird ein Stromfluss erzeugt, welcher wiederum eine Änderung der Magnetflussdichte induziert. Diese kann mit Hilfe des Kernspintomographen gemessen werden, wodurch man einen vollen Satz innerer Daten zur Hand hat, sodass hoch aufgelöste Bilder der elektrischen Leitfähigkeit des Gegenstandes rekonstruiert werden können.
Als Lösungsalgorithmus für dieses praxisrelevante Problem wird der bereits bekannte Harmonische Bz Algorithmus vorgestellt. Das Problem und der Algorithmus werden mit Hinblick auf Konvergenz des Verfahrens untersucht und ein Konvergenzresultat, welches die bestehende Konvergenztheorie hin zu einem approximativen Harmonischen Bz Algorithmus erweitert, wird bewiesen. Dabei hängt das Resultat nicht davon ab welche Art von Approximation an die Vorwärtslösung der entsprechenden PDGL im approximativen Harmonischen Bz Algorithmus verwendet wird solange diese einer Regularitäts- und einer Qualitätsbedingung genügt. Damit folgt das zweite Hauptresultat dieser Arbeit: die numerische Konvergenz des Harmonischen Bz Algorithmus. Es soll dabei hervorgehoben werden, dass Konvergenzresultate im Bereich der inversen Probleme (sofern es sie gibt) meistens die Kenntnis der exakten Vorwärtslösung annehmen, sodass keine numerische Konvergenz des zugehörigen Verfahrens folgt (in einer numerischen Implementation wird stets eine Approximation an die Vorwärtslösung verwendet). Somit ist dieses Konvergenzresultat ein Schritt hin zur numerischen Konvergenz anderer Lösungsverfahren von inversen Problemen.
Da das theoretische Resultat von der Art der Approximation nicht abhängt, erhält man ebenfalls die Konvergenz des neuartigen Reduzierte Basis Harmonischen Bz Algorithmus, welcher die Kombination des in Kapitel 1 entwickelten adaptiven Reduzierte Basis Ansatzes und des Harmonischen Bz Algorithmus ist. In einer kurzen numerischen Untersuchung wird festgestellt, dass dieser Reduzierte Basis Harmonische Bz Algorithmus schneller als der Harmonische Bz Algorithmus ist, wobei die Qualität der Rekonstruktion gleichbleibend ist. Somit funktioniert der entwickelte adaptive Reduzierte Basis Ansatz auch angewandt auf dieses komplexe praxisrelevante inverse Problem der MREIT.
The results of this thesis lie in the area of convex algebraic geometry, which is the intersection of real algebraic geometry, convex geometry, and optimization.
We study sums of nonnegative circuit polynomials (SONC) and their related cone, both geometrically and in application to polynomial optimization. SONC polynomials are certain sparse polynomials having a special structure in terms of their Newton polytopes and supports, and serve as a certificate of nonnegativity for real polynomials, which is independent of sums of squares.
The first part of this thesis is dedicated to the convex geometric study of the SONC cone. As main results we show that the SONC cone is full-dimensional in the cone of nonnegative polynomials, we exactly determine the number of zeros of a nonnegative circuit polynomial, and we give a complete and explicit characterization of the number of zeros of SONC polynomials and forms. Moreover, we provide a first approach to the study of the exposed faces of the SONC cone and their dimensions.
In the second part of the thesis we use SONC polynomials to tackle constrained polynomial optimization problems (CPOPs).
As a first step, we derive a lower bound for the optimal value of CPOP based on SONC polynomials by using a single convex optimization program, which is a geometric program (GP) under certain assumptions. GPs are a special type of convex optimization problems and can be solved in polynomial time. We test the new method experimentally and provide examples comparing our new SONC/GP approach with Lasserre's relaxation, a common approach for tackling CPOPs, which approximates nonnegative polynomials via sums of squares and semidefinite programming (SDP). The new approach comes with the benefit that in practice GPs can be solved significantly faster than SDPs. Furthermore, increasing the degree of a given problem has almost no effect on the runtime of the new program, which is in sharp contrast to SDPs.
As a second step, we establish a hierarchy of efficiently computable lower bounds converging to the optimal value of CPOP based on SONC polynomials. For a given degree each bound is computable by a relative entropy program. This program is also a convex optimization program, which is more general than a geometric program, but still efficiently solvable via interior point methods.
Powerful environment perception systems are a fundamental prerequisite for the successful deployment of intelligent vehicles, from advanced driver assistance systems to self-driving cars. Arguably the most essential task of such systems is the reliable detection and localization of obstacles in order to avoid collisions. Two particularly challenging scenarios in this context are represented by small, unexpected obstacles on the road ahead, and by potentially dynamic objects observed from a large distance. Both scenarios become exceedingly critical when the ego-vehicle is traveling at high speed. As a consequence, two major requirements placed on environment perception systems are the capability of (a) high-sensitivity generic object detection and (b) high-accuracy obstacle distance estimation. The present thesis addresses both requirements by proposing novel approaches based on stereo vision for spatial perception.
First, this work presents a novel method for the detection of small, generic obstacles and objects at long range directly from stereo imagery. The detection is based on sound statistical tests using local geometric criteria which are applicable to both static and moving objects. The approach is not limited to predefined sets of semantic object classes and does not rely on restrictive assumptions on the environment, such as oversimplified global ground surface models. Free-space and obstacle hypotheses are evaluated based on a statistical model of the input image data in order to avoid a loss of sensitivity through intermediate processing steps. In addition to the detection result, the algorithm simultaneously yields refined estimates of object distances, originating from an implicit optimization of the geometric obstacle hypothesis models. The proposed detection system provides multiple flexible output representations, ranging from 3D obstacle point clouds to compact mid-level obstacle segments to bounding box representations of object instances suitable for model-based tracking. The core algorithm concept lends itself to massive parallelization and can be implemented efficiently on dedicated hardware. Real-time execution is demonstrated on a test vehicle in real-world traffic. For a thorough quantitative evaluation of the detection performance, two dedicated datasets are employed, covering small and hard-to-detect obstacles in urban environments as well as distant dynamic objects in highway driving scenarios. The proposed system is shown to significantly outperform current general purpose obstacle detection approaches in both setups, providing a considerable increase in detection range while reducing the false positive rate at the same time.
Second, this work considers the high-accuracy estimation of object distances from stereo vision, particularly at long range. Several new methods for optimizing the stereo-based distance estimates of detected objects are proposed and compared to state-of-the-art concepts. A comprehensive statistical evaluation is performed on an extensive dedicated dataset, establishing reference values for the accuracy limits actually achievable in practice. Notably, the refined distance estimates implicitly provided by the proposed obstacle detection system are shown to yield highly accurate results, on par with the top-performing dedicated stereo matching algorithms considered in the analysis.
In this thesis we introduce the imaginary projection of (multivariate) polynomials as the projection of their variety onto its imaginary part, I(f) = { Im(z_1, ... , z_n) : f(z_1, ... , z_n) = 0 }. This induces a geometric viewpoint to stability, since a polynomial f is stable if and only if its imaginary projection does not intersect the positive orthant. Accordingly, the thesis is mainly motivated by the theory of stable polynomials.
Interested in the number and structure of components of the complement of imaginary projections, we show as a key result that there are only finitely many components which are all convex. This offers a connection to the theory of amoebas and coamoebas as well as to the theory of hyperbolic polynomials.
For hyperbolic polynomials, we show that hyperbolicity cones coincide with components of the complement of imaginary projections, which provides a strong structural relationship between these two sets. Based on this, we prove a tight upper bound for the number of hyperbolicity cones and, respectively, for the number of components of the complement in the case of homogeneous polynomials. Beside this, we investigate various aspects of imaginary projections and compute imaginary projections of several classes explicitly.
Finally, we initiate the study of a conic generalization of stability by considering polynomials whose roots have no imaginary part in the interior of a given real, n-dimensional, proper cone K. This appears to be very natural, since many statements known for univariate and multivariate stable polynomials can be transferred to the conic situation, like the Hermite-Biehler Theorem and the Hermite-Kakeya-Obreschkoff Theorem. When considering K to be the cone of positive semidefinite matrices, we prove a criterion for conic stability of determinantal polynomials.