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The correlations between different moments of two flow amplitudes, extracted with the recently developed asymmetric cumulants, are measured in Pb−Pb collisions at sNN−−−√=5.02 TeV recorded by the ALICE detector at the CERN Large Hadron Collider. The magnitudes of the measured observables show a dependence on the different moments as well as on the collision centrality, indicating the presence of non-linear response in all even moments up to the eighth. Furthermore, the higher-order asymmetric cumulants show different signatures than the symmetric and lower-order asymmetric cumulants. Comparisons with state-of-the-art event generators using two different parametrizations obtained from Bayesian optimization show differences between data and simulations in many of the studied observables, indicating a need for further tuning of the models behind those event generators. These results provide new and independent constraints on the initial conditions and transport properties of the system created in heavy-ion collisions.
The correlations between different moments of two flow amplitudes, extracted with the recently developed asymmetric cumulants, are measured in Pb-Pb collisions at √sNN = 5.02 TeV recorded by the ALICE detector at the CERN Large Hadron Collider. The magnitudes of the measured observables show a dependence on the different moments as well as on the collision centrality, indicating the presence of nonlinear response in all even moments up to the eighth. Furthermore, the higher-order asymmetric cumulants show different signatures than the symmetric and lower-order asymmetric cumulants. Comparisons with state-of-the-art event generators using two different parametrizations obtained from Bayesian optimization show differences between data and simulations in many of the studied observables, indicating a need for further tuning of the models behind those event generators. These results provide new and independent constraints on the initial conditions and transport properties of the system created in heavy-ion collisions.
The correlations between different moments of two flow amplitudes, extracted with the recently developed asymmetric cumulants, are measured in Pb−Pb collisions at sNN−−−√=5.02 TeV recorded by the ALICE detector at the LHC. The magnitudes of the measured observables show a dependence on the different moments as well as on the collision centrality, indicating the presence of non-linear response in all even moments up to the eighth. Furthermore, the higher-order asymmetric cumulants show different signatures than the symmetric and lower-order asymmetric cumulants. Comparisons with state-of-the-art event generators using two different parameterizations obtained from Bayesian optimization show differences between data and simulations in many of the studied observables, indicating a need for further tuning of the models behind those event generators. These results provide new and independent constraints on the initial conditions and transport properties of the system created in heavy-ion collisions.
Higher harmonic non-linear flow modes of charged hadrons in Pb–Pb collisions at √sNN =5.02 TeV
(2020)
Anisotropic flow coefficients, vn, non-linear flow mode coefficients, χn,mk, and correlations among different symmetry planes, ρn,mk are measured in Pb-Pb collisions at sNN−−−√=5.02 TeV. Results obtained with multi-particle correlations are reported for the transverse momentum interval 0.2<pT<5.0 GeV/c within the pseudorapidity interval 0.4<|η|<0.8 as a function of collision centrality. The vn coefficients and χn,mk and ρn,mk are presented up to the ninth and seventh harmonic order, respectively. Calculations suggest that the correlations measured in different symmetry planes and the non-linear flow mode coefficients are dependent on the shear and bulk viscosity to entropy ratios of the medium created in heavy-ion collisions. The comparison between these measurements and those at lower energies and calculations from hydrodynamic models places strong constraints on the initial conditions and transport properties of the system.
Higher harmonic non-linear flow modes of charged hadrons in Pb–Pb collisions at √sNN = 5.02 TeV
(2020)
Anisotropic flow coefficients, vn, non-linear flow mode coefficients, χn,mk, and correlations among different symmetry planes, ρn,mk are measured in Pb-Pb collisions at sNN−−−√=5.02 TeV. Results obtained with multi-particle correlations are reported for the transverse momentum interval 0.2<pT<5.0 GeV/c within the pseudorapidity interval 0.4<|η|<0.8 as a function of collision centrality. The vn coefficients and χn,mk and ρn,mk are presented up to the ninth and seventh harmonic order, respectively. Calculations suggest that the correlations measured in different symmetry planes and the non-linear flow mode coefficients are dependent on the shear and bulk viscosity to entropy ratios of the medium created in heavy-ion collisions. The comparison between these measurements and those at lower energies and calculations from hydrodynamic models places strong constraints on the initial conditions and transport properties of the system.
Higher harmonic non-linear flow modes of charged hadrons in Pb-Pb collisions at √sNN = 5.02 TeV
(2020)
Anisotropic flow coefficients, vn, non-linear flow mode coefficients, χn,mk, and correlations among different symmetry planes, ρn,mk are measured in Pb-Pb collisions at sNN−−−√ = 5.02 TeV. Results obtained with multi-particle correlations are reported for the transverse momentum interval 0.2 < pT < 5.0 GeV/c within the pseudorapidity interval 0.4 < |η| < 0.8 as a function of collision centrality. The vn coefficients and χn,mk and ρn,mk are presented up to the ninth and seventh harmonic order, respectively. Calculations suggest that the correlations measured in different symmetry planes and the non-linear flow mode coefficients are dependent on the shear and bulk viscosity to entropy ratios of the medium created in heavy-ion collisions. The comparison between these measurements and those at lower energies and calculations from hydrodynamic models places strong constraints on the initial conditions and transport properties of the system.
Higher harmonic flow coefficients of identified hadrons in Pb–Pb collisions at √sNN = 2.76 TeV
(2016)
The elliptic, triangular, quadrangular and pentagonal anisotropic flow coefficients for π±, K± and p+p¯¯¯ in Pb-Pb collisions at sNN−−−√=2.76 TeV were measured with the ALICE detector at the Large Hadron Collider. The results were obtained with the Scalar Product method, correlating the identified hadrons with reference particles from a different pseudorapidity region. Effects not related to the common event symmetry planes (non-flow) were estimated using correlations in pp collisions and were subtracted from the measurement. The obtained flow coefficients exhibit a clear mass ordering for transverse momentum (pT) values below ≈ 3 GeV/c. In the intermediate pT region (3<pT<6 GeV/c), particles group at an approximate level according to the number of constituent quarks, suggesting that coalescence might be the relevant particle production mechanism in this region. The results for pT<3 GeV/c are described fairly well by a hydrodynamical model (iEBE-VISHNU) that uses initial conditions generated by A Multi-Phase Transport model (AMPT) and describes the expansion of the fireball using a value of 0.08 for the ratio of shear viscosity to entropy density (η/s), coupled to a hadronic cascade model (UrQMD). Finally, expectations from AMPT alone fail to quantitatively describe the measurements for all harmonics throughout the measured transverse momentum region. However, the comparison to the AMPT model highlights the importance of the late hadronic rescattering stage to the development of the observed mass ordering at low values of pT and of coalescence as a particle production mechanism for the particle type grouping at intermediate values of pT for all harmonics.
Higher harmonic flow coefficients of identified hadrons in Pb–Pb collisions at √sNN = 2.76 TeV
(2016)
The elliptic, triangular, quadrangular and pentagonal anisotropic flow coefficients for π±, K± and p+p¯¯¯ in Pb-Pb collisions at sNN−−−√=2.76 TeV were measured with the ALICE detector at the Large Hadron Collider. The results were obtained with the Scalar Product method, correlating the identified hadrons with reference particles from a different pseudorapidity region. Effects not related to the common event symmetry planes (non-flow) were estimated using correlations in pp collisions and were subtracted from the measurement. The obtained flow coefficients exhibit a clear mass ordering for transverse momentum (pT) values below ≈ 3 GeV/c. In the intermediate pT region (3<pT<6 GeV/c), particles group at an approximate level according to the number of constituent quarks, suggesting that coalescence might be the relevant particle production mechanism in this region. The results for pT<3 GeV/c are described fairly well by a hydrodynamical model (iEBE-VISHNU) that uses initial conditions generated by A Multi-Phase Transport model (AMPT) and describes the expansion of the fireball using a value of 0.08 for the ratio of shear viscosity to entropy density (η/s), coupled to a hadronic cascade model (UrQMD). Finally, expectations from AMPT alone fail to quantitatively describe the measurements for all harmonics throughout the measured transverse momentum region. However, the comparison to the AMPT model highlights the importance of the late hadronic rescattering stage to the development of the observed mass ordering at low values of pT and of coalescence as a particle production mechanism for the particle type grouping at intermediate values of pT for all harmonics.
Higher harmonic flow coefficients of identified hadrons in Pb–Pb collisions at √sNN = 2.76 TeV
(2016)
The elliptic, triangular, quadrangular and pentagonal anisotropic flow coefficients for π±, K± and p+p¯¯¯ in Pb-Pb collisions at sNN−−−√=2.76 TeV were measured with the ALICE detector at the Large Hadron Collider. The results were obtained with the Scalar Product method, correlating the identified hadrons with reference particles from a different pseudorapidity region. Effects not related to the common event symmetry planes (non-flow) were estimated using correlations in pp collisions and were subtracted from the measurement. The obtained flow coefficients exhibit a clear mass ordering for transverse momentum (pT) values below ≈ 3 GeV/c. In the intermediate pT region (3<pT<6 GeV/c), particles group at an approximate level according to the number of constituent quarks, suggesting that coalescence might be the relevant particle production mechanism in this region. The results for pT<3 GeV/c are described fairly well by a hydrodynamical model (iEBE-VISHNU) that uses initial conditions generated by A Multi-Phase Transport model (AMPT) and describes the expansion of the fireball using a value of 0.08 for the ratio of shear viscosity to entropy density (η/s), coupled to a hadronic cascade model (UrQMD). Finally, expectations from AMPT alone fail to quantitatively describe the measurements for all harmonics throughout the measured transverse momentum region. However, the comparison to the AMPT model highlights the importance of the late hadronic rescattering stage to the development of the observed mass ordering at low values of pT and of coalescence as a particle production mechanism for the particle type grouping at intermediate values of pT for all harmonics.
A Large Ion Collider Experiment (ALICE) is a high-energy physics experiment, designed to study heavy ion collisions at the European Organization for Nuclear Research (CERN)Large Hadron Collider (LHC). ALICE is built to study the fundamental properties of matter as it existed shortly after the big bang. This requires reading out millions of sensors with high frequency, enabling high statistics for physics analysis, resulting in a considerable computing demand concerning network throughput and processing power. With the ALICE Run 3 upgrade [14], requirements for a High Throughput Computing
(HTC) online processing cluster increased significantly, due to more than an order of magnitude more data than in Run 2, resulting in a processing input rate of up to 900 GB/s. Online (real-time) event reconstruction allows for the compression of the data stream to 130 GB/s, which is stored on disk for physics analysis.
This thesis presents the implementation of the ALICE Event Processing Node (EPN) compute farm, to cope with the Run 3 online computing challenges. Building a Data Centre tailored to ALICE requirements for the Run 3 and Run 4 EPN farm. Providing the operational conditions for a dynamic compute environment of a High Performance Computing (HPC) cluster, with significant load changes in a short time span, when starting or stopping a data-taking run. EPN servers provide the required computing resources for online reconstruction and data compression. The farm includes network connectivity towards First Level Processors (FLPs), requiring reliable throughput of 900 GB/s between FLPs and EPNs and connectivity from the internal InfiniBand network to the CERN Exabyte Object Storage (EOS) Ethernet network, with more than 100 GB/s.
The results of operating the EPN computing infrastructure during the first year of Run 3 LHC collisions are described in the context of the ALICE experiment. The EPN farm was delivering the expected performance for ALICE data-taking. Data Centre environmental conditions remained stable during the last more than two years, in particular during starting and stopping runs, which include significant changes in IT load. Several unforeseen external circumstances lead to increasing demands for the Online Offline System (O2). Higher data rates than anticipated required network performance to exceed the initial design specifications, for the throughput between FLPs and EPNs. In particular, the high throughput from an internal EPN InfiniBand network towards the storage Ethernet network was one of the challenges to overcome.
Heavy flavour decay muon production at forward rapidity in proton–proton collisions at √s=7 TeV
(2012)
The production of muons from heavy flavour decays is measured at forward rapidity in proton–proton collisions at √s=7 TeV collected with the ALICE experiment at the LHC. The analysis is carried out on a data sample corresponding to an integrated luminosity Lint=16.5 nb−1. The transverse momentum and rapidity differential production cross sections of muons from heavy flavour decays are measured in the rapidity range 2.5<y<4, over the transverse momentum range 2<pt<12 GeV/c. The results are compared to predictions based on perturbative QCD calculations.
Harmonic decomposition of two particle angular correlations in Pb–Pb collisions at √sNN=2.76 TeV
(2012)
Angular correlations between unidentified charged trigger (t) and associated (a) particles are measured by the ALICE experiment in Pb–Pb collisions at √sNN=2.76 TeV for transverse momenta 0.25<pTt,a<15 GeV/c, where pTt>pTa. The shapes of the pair correlation distributions are studied in a variety of collision centrality classes between 0 and 50% of the total hadronic cross section for particles in the pseudorapidity interval |η|<1.0. Distributions in relative azimuth Δϕ≡ϕt−ϕa are analyzed for |Δη|≡|ηt−ηa|>0.8, and are referred to as “long-range correlations”. Fourier components VnΔ≡〈cos(nΔϕ)〉 are extracted from the long-range azimuthal correlation functions. If particle pairs are correlated to one another through their individual correlation to a common symmetry plane, then the pair anisotropy VnΔ(pTt,pTa) is fully described in terms of single-particle anisotropies vn(pT) as VnΔ(pTt,pTa)=vn(pTt)vn(pTa). This expectation is tested for 1⩽n⩽5 by applying a global fit of all VnΔ(pTt,pTa) to obtain the best values vn{GF}(pT). It is found that for 2⩽n⩽5, the fit agrees well with data up to pTa∼3–4 GeV/c, with a trend of increasing deviation as pTt and pTa are increased or as collisions become more peripheral. This suggests that no pair correlation harmonic can be described over the full 0.25<pT<15 GeV/c range using a single vn(pT) curve; such a description is however approximately possible for 2⩽n⩽5 when pTa<4 GeV/c. For the n=1 harmonic, however, a single v1(pT) curve is not obtained even within the reduced range pTa<4 GeV/c.
Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer haptischen 3D-Benutzungsoberfläche für die Virtual-Glove-Box. Eine „Glove Box“ ist ein Apparat, in welchem chemische Versuche in abgeschlossener Atmosphäre durchgeführt werden können. Die „Virtual Glove Box“ setzt dieses Konzept für Virtual Reality Anwendungen um. Die Oberflächenelemente waren als wiederverwendbare Komponenten auszuführen. Die Bedienung erfolgt unter Einsatz zweier virtueller Hände mit an den Händen getragenen Exoskeletten zur Vermittlung des haptischen Feedbacks. Es enstand EASY, ein System zur einfachen und individuellen Gestaltung von Benutzungsberflächenelementen. Diese können in ein bereitgestelltes Framework einfügt und ohne Wissen über die zugrundeliegende Hardware benutzt werden. Die Entwicklung konnte nicht abgeschlossen werden, da die zur Verfügung stehenden Hardware-Komponenten nicht in Betrieb zu nehmen waren.
At present, there are no quantitative, objective methods for diagnosing the Parkinson disease. Existing methods of quantitative analysis by myograms suffer by inaccuracy and patient strain; electronic tablet analysis is limited to the visible drawing, not including the writing forces and hand movements. In our paper we show how handwriting analysis can be obtained by a new electronic pen and new features of the recorded signals. This gives good results for diagnostics. Keywords: Parkinson diagnosis, electronic pen, automatic handwriting analysis
Die zunehmende Verbreitung des Internets als universelles Netzwerk zum Transport von Daten aller Art hat in den letzten zwei Dekaden dazu geführt, dass die anfallenden Datenmengen von traditionellen Datenbanksystemen kaum mehr effektiv zu verarbeiten sind. Das liegt zum einen darin, dass ein immer größerer Teil der Erdbevölkerung Zugang zum Internet hat, zum Beispiel via
Internet-fähigen Smartphones, und dessen Dienste nutzen möchte. Zudem tragen immer höhere verfügbare Bandbreiten für den Internetzugang dazu bei, dass die weltweit erzeugten Informationen mittlerweile exponentiell steigen.
Das führte zur Entwicklung und Implementierung von Technologien, um diese immensen Datenmengen wirksam verarbeiten zu können. Diese Technologien können unter dem Sammelbegriff "Big Data" zusammengefasst werden und beschreiben dabei Verfahren, um strukturierte und unstrukturierte Informationen im Tera- und Exabyte-Bereich sogar in Echtzeit verarbeiten zu können. Als Basis dienen dabei Datenbanksysteme, da sie ein bewährtes und praktisches Mittel sind, um Informationen zu strukturieren, zu organisieren, zu manipulieren und effektiv abrufen zu können. Wie bereits erwähnt, hat sich herausgestellt, dass traditionelle Datenbanksysteme, die auf dem relationalen Datenmodell basieren, nun mit Datenmengen konfrontiert sind, mit denen sie nicht sehr gut hinsichtlich der Performance und dem Energieverbrauch skalieren. Dieser Umstand führte zu der Entwicklung von spezialisierten Datenbanksystemen, die andere Daten- und Speichermodelle implementieren und für diese eine deutlich höhere Performance bieten.
Zusätzlich erfordern Datenbanksysteme im Umfeld von "Big Data" wesentlich größere Investitionen in die Anzahl von Servern, was dazu geführt hat, dass immer mehr große und sehr große Datenverarbeitungszentren entstanden sind. In der Zwischenzeit sind die Aufwendungen für Energie zum Betrieb und Kühlen dieser Zentren ein signifikanter Kostenfaktor geworden. Dementsprechend sind bereits Anstrengungen unternommen worden, das Themenfeld Energieeffizienz (die Relation zwischen Performance und Energieverbrauch) von Datenbanksystemen eingehender zu untersuchen.
Mittlerweile sind über 150 Datenbanksysteme bekannt, die ihre eigenen Stärken und Schwächen in Bezug auf Performance, Energieverbrauch und schlussendlich Energieeffizienz haben. Die Endanwender von Datenbanksystemen sehen sich nun in der schwierigen Situation, für einen gegebenen Anwendungsfall das geeigneteste Datenbanksystem in Hinblick auf die genannten Faktoren zu ermitteln. Der Grund dafür ist, dass kaum objektive und unabhängige Vergleichszahlen zur Entscheidungsfindung existieren und dass die Ermittlung von Vergleichszahlen zumeist über die Ausführung von Benchmarks auf verschiedensten technischen Plattformen geschieht. Es ist offensichtlich, dass die mehrfache Ausführung eines Benchmarks mit unterschiedlichsten Parametern (unter anderem die Datenmenge, andere Kombinationen aus technischen Komponenten, Betriebssystem) große Investitionen in Zeit und Technik erfordern, um möglichst breit gefächerte Vergleichszahlen zu erhalten.
Eine Möglichkeit ist es, die Ausführung eines Benchmarks zu simulieren anstatt ihn real zu absolvieren, um die Investitionen in Technik und vor allem Zeit zu minimieren. Diese Simulationen haben auch den Vorteil, dass zum Beispiel die Entwickler von Datenbanksystemen die Auswirkungen auf Performance und Energieeffizienz bei der Änderungen an der Architektur simulieren können anstatt sie durch langwierige Regressionstests evaluieren zu müssen. Damit solche Simulationen eine praktische Relevanz erlangen können, muss natürlich die Differenz zwischen den simulierten und den real gewonnenen Vergleichsmetriken möglichst klein sein. Zudem muss eine geeignete Simulation eine möglichst große Anzahl an Datenbanksystemen und technischen Komponenten nachstellen können.
Die vorliegende Dissertation zeigt, dass eine solche Simulation realistisch ist. Dafür wurde in einem ersten Schritt die Einflussaktoren auf Performance, Energieverbrauch und Energieeffizienz eines Datenbanksystems ermittelt und deren Wirkung anhand von experimentellen Ergebnissen bestimmt. Zusätzlich wurden auch geeignete Metriken und generelle Eigenschaften von Datenbanksystemen und von Benchmarks evaluiert. In einem zweiten Schritt wurde dann ein geeignetes Simulationsmodell erarbeitet und sukzessiv weiterentwickelt. Bei jedem Entwicklungsschritt wurden dann reale Experimente in Form von Benchmarkausführungen für verschiedenste Datenbanksysteme und technische Plattformen durchgeführt. Diese Experimente wurden mittels des Simulationsmodells nachvollzogen, um die Differenz zwischen realen und simulierten Benchmarkergebnissen zu berechnen. Die Ergebnisse des letzten Entwicklungsschrittes zeigen, dass diese Differenz unter acht Prozent liegt. Die vorliegende Dissertation zeigt auch, dass das Simulationsmodell nicht nur dazu geeignet ist, anerkannte Benchmarks zu simulieren, sondern sich im allgemeinen auch dafür eignet, ein Datenbanksystem und die technische Plattform, auf der es ausgeführt wird, generell zu simulieren. Das ermöglicht auch die Simulation anderer Anwendungsfälle, zum Beispiel Regressionstests.
Graph4Med: a web application and a graph database for visualizing and analyzing medical databases
(2022)
Background: Medical databases normally contain large amounts of data in a variety of forms. Although they grant significant insights into diagnosis and treatment, implementing data exploration into current medical databases is challenging since these are often based on a relational schema and cannot be used to easily extract information for cohort analysis and visualization. As a consequence, valuable information regarding cohort distribution or patient similarity may be missed. With the rapid advancement of biomedical technologies, new forms of data from methods such as Next Generation Sequencing (NGS) or chromosome microarray (array CGH) are constantly being generated; hence it can be expected that the amount and complexity of medical data will rise and bring relational database systems to a limit.
Description: We present Graph4Med, a web application that relies on a graph database obtained by transforming a relational database. Graph4Med provides a straightforward visualization and analysis of a selected patient cohort. Our use case is a database of pediatric Acute Lymphoblastic Leukemia (ALL). Along routine patients’ health records it also contains results of latest technologies such as NGS data. We developed a suitable graph data schema to convert the relational data into a graph data structure and store it in Neo4j. We used NeoDash to build a dashboard for querying and displaying patients’ cohort analysis. This way our tool (1) quickly displays the overview of patients’ cohort information such as distributions of gender, age, mutations (fusions), diagnosis; (2) provides mutation (fusion) based similarity search and display in a maneuverable graph; (3) generates an interactive graph of any selected patient and facilitates the identification of interesting patterns among patients.
Conclusion: We demonstrate the feasibility and advantages of a graph database for storing and querying medical databases. Our dashboard allows a fast and interactive analysis and visualization of complex medical data. It is especially useful for patients similarity search based on mutations (fusions), of which vast amounts of data have been generated by NGS in recent years. It can discover relationships and patterns in patients cohorts that are normally hard to grasp. Expanding Graph4Med to more medical databases will bring novel insights into diagnostic and research.
Viele auf allgemeinen Graphen NP-schwere Probleme (z.B. Hamiltonkreis, k-Färbbarkeit) sind auf Bäumen einfach effizient zu lösen. Baumzerlegungen, Zerlegungen von Graphen in kleine Teilgraphen entlang von Bäumen, erlauben, dies zu effizienten Algorithmen auf baumähnlichen Graphen zu verallgemeinern. Die Baumähnlichkeit wird dabei durch die Baumweite abgebildet: Je kleiner die Baumweite, desto baumähnlicher der Graph.
Die Bedeutung der Baumzerlegungen wurde seit ihrer Verwendung in einer Reihe von 23 Veröffentlichungen von Robertson und Seymour zur Graphminorentheorie allgemein erkannt. Das Hauptresultat der Reihe war der Beweis des Graphminorensatzes, der aussagt, dass die Minorenrelation auf den Graphen Wohlquasiordnung ist. Baumzerlegungen wurden in verschiedenen Bereichen angewandt. So bei probabilistischen Netzen, in der Biologie, bei kombinatorischen Problemen und im Übersetzerbau. Außerdem gibt es algorithmische Metatheoreme, die zeigen, dass sie für weite Problemklassen nützlich sind. Baumzerlegungen sind in dieser Arbeit von zentraler Bedeutung. Die mittels Baumzerlegungen erzielten Erfolge auf baumähnlichen Graphen motivieren Versuche, diese auf größere Graphklassen zu verallgemeinern. Ein erfolgreicher Ansatz beruht auf irrelevanten Knoten und reduziert damit die Probleme auf der größeren Graphklasse auf Probleme auf einer Graphklasse kleiner Baumweite: Wenn der Eingabegraph zu einem Problem kleine Baumweite hat, wird das Problem mittels Baumzerlegungen gelöst. Andernfalls gibt es einen irrelevanten Knoten, so dass das Problem genau dann eine Lösung auf dem ursprünglichen Graphen hat, wenn es auch im Graphen ohne diesen irrelevanten Knoten eine Lösung hat. Es werden solange irrelevante Knoten gefunden und entfernt, bis ein Graph kleiner Baumweite verbleibt.
Ein wichtiges Hilfsmittel zum Finden irrelevanter Knoten ist der Gitterminorensatz: Nach diesem Satz enthalten Graphen großer Baumweite auch große Gitter als Minoren. Die Gitter Baumweite-Dualität ist auch in der Bidimensionalitätstheorie, einem weiteren erfolgreichen Ansatz, um auf größeren Graphklassen, als nur denen kleiner Baumweite, Probleme effizient zu lösen, von zentraler Bedeutung.
In dieser Arbeit definieren wir ein Maß für den Grad der Mehrdeutigkeit (degree of ambiguity da) kontextfreier Grammatiken und Sprachen als die Anzahl der Ableitungsbäume in Abhängigkeit von der Länge n eines Wortes. Wir zeigen, dass es weder Sprachen noch zyklenfreie Grammatiken gibt, deren Mehrdeutigkeitsgrad stärker als 2£(n) wächst (wie z B. £(nn)). Aus [10] ist es außerdem bekannt, dass es keine Grammatiken (und somit keine Sprachen) gibt, deren Mehrdeutigkeit stärker als polynomiell, aber schwächer als exponentiell wächst (wie z. B. £(2pn). Deshalb untersuchen wir in dieser Arbeit hauptsächlich konstant mehrdeutige, polynomiell mehrdeutige und exponentiell mehrdeutige Grammatiken und Sprachen. Für jede feste, ganze Zahl k 2 N hat Maurer [8] die Existenz einer k-deutigen kontextfreien Sprache nachgewiesen. Durch Verwendung einer einfacheren Sprache, nämlich der Sprache Lk := fambm1 1 bm2 2 : : : bmk k jm;m1;m2; : : : ;mk ¸ 1; 9 i mit m = mig, und mit Hilfe von Ogden's Lemma1 erhalten wir einen wesentlich kürzeren Beweis. Ferner zeigen wir die Existenz exponentiell mehrdeutiger Sprachen. Wir zeigen, dass die Sprache L¤ { wobei L = faibicj ji; j ¸ 1g [ faibjciji; j ¸ 1g-exponentiell mehrdeutig ist, indem wir beweisen, dass das Wort (ah+h!bh+h!ch+h!)k mindestens 2k Ableitungen in jeder Grammatik G für L¤ hat, wobei k aus N ist und h die Konstante aus Ogden's Lemma für G ist. Für beliebig kleines c aus R+ entwerfen wir eine Grammatik Gc für L¤, so dass daGc · 2cn gilt. Somit gilt, dass die Sprache L¤ zwar exponentiell mehrdeutig ist, aber es gibt kein festes c aus R+ , so dass L¤ 2cn-deutig ist. Wir geben polynomiell mehrdeutige Grammatiken an und zeigen die Existenz von polynomiell mehrdeutigen Sprachen, indem wir mit Hilfe von Ogden's Lemma beweisen, dass die Anzahl der Ableitungsbäume eines Wortes der Länge n in jeder Grammatik für die Sprache Lk in der Größenordnung von (nk) liegt, wobei k eine Konstante aus N ist, und L := fambm1cbm2c : : : bmpcjp 2 N; m;m1;m2; : : : ;mp 2 N; 9i 2 f1; 2; : : : ; pg mit m = mig gilt. Durch Angabe einer O(nk){deutigen Grammatik zeigen wir schließlich, dass Lk polynomiell vom Grad k mehrdeutig ist. Außerdem entwerfen wir für jedes feste d aus R+ eine Grammatik Gd für L, so dass daGd · dn dn für genügend großes n ist.
The global polarization of the Λ and Λ¯¯¯¯ hyperons is measured for Pb-Pb collisions at sNN−−−√ = 2.76 and 5.02 TeV recorded with the ALICE at the LHC. The results are reported differentially as a function of collision centrality and hyperon's transverse momentum (pT) for the range of centrality 5-50%, 0.5<pT<5 GeV/c, and rapidity |y|<0.5. The hyperon global polarization averaged for Pb-Pb collisions at sNN−−−√ = 2.76 and 5.02 TeV is found to be consistent with zero, ⟨PH⟩ (%) ≈ 0.01 ± 0.06 (stat.) ± 0.03 (syst.) in the collision centrality range 15-50%, where the largest signal is expected. The results are compatible with expectations based on an extrapolation from measurements at lower collision energies at RHIC, hydrodynamical model calculations, and empirical estimates based on collision energy dependence of directed flow, all of which predict the global polarization values at LHC energies of the order of 0.01%.
The global polarization of the Λ and Λ¯¯¯¯ hyperons is measured for Pb-Pb collisions at sNN−−−√ = 2.76 and 5.02 TeV recorded with the ALICE at the LHC. The results are reported differentially as a function of collision centrality and hyperon's transverse momentum (pT) for the range of centrality 5-50%, 0.5<pT<5 GeV/c, and rapidity |y|<0.5. The hyperon global polarization averaged for Pb-Pb collisions at sNN−−−√ = 2.76 and 5.02 TeV is found to be consistent with zero, ⟨PH⟩ (%) ≈ - 0.01 ± 0.05 (stat.) ± 0.03 (syst.) in the collision centrality range 15-50%, where the largest signal is expected. The results are compatible with expectations based on an extrapolation from measurements at lower collision energies at RHIC, hydrodynamical model calculations, and empirical estimates based on collision energy dependence of directed flow, all of which predict the global polarization values at LHC energies of the order of 0.01%.
The global polarization of the Λ and Λ¯¯¯¯ hyperons is measured for Pb-Pb collisions at sNN−−−√ = 2.76 and 5.02 TeV recorded with the ALICE at the LHC. The results are reported differentially as a function of collision centrality and hyperon's transverse momentum (pT) for the range of centrality 5-50%, 0.5<pT<5 GeV/c, and rapidity |y|<0.5. The hyperon global polarization averaged for Pb-Pb collisions at sNN−−−√ = 2.76 and 5.02 TeV is found to be consistent with zero, ⟨PH⟩ (%) ≈ 0.01 ± 0.06 (stat.) ± 0.03 (syst.) in the collision centrality range 15-50%, where the largest signal is expected. The results are compatible with expectations based on an extrapolation from measurements at lower collision energies at RHIC, hydrodynamical model calculations, and empirical estimates based on collision energy dependence of directed flow, all of which predict the global polarization values at LHC energies of the order of 0.01%.
The global polarization of the Λ and Λ¯¯¯¯ hyperons is measured for Pb-Pb collisions at sNN−−−√ = 2.76 and 5.02 TeV recorded with the ALICE at the LHC. The results are reported differentially as a function of collision centrality and hyperon's transverse momentum (pT) for the range of centrality 5-50%, 0.5<pT<5 GeV/c, and rapidity |y|<0.5. The hyperon global polarization averaged for Pb-Pb collisions at sNN−−−√ = 2.76 and 5.02 TeV is found to be consistent with zero, ⟨PH⟩ (%) ≈ - 0.01 ± 0.05 (stat.) ± 0.03 (syst.) in the collision centrality range 15-50%, where the largest signal is expected. The results are compatible with expectations based on an extrapolation from measurements at lower collision energies at RHIC, hydrodynamical model calculations, and empirical estimates based on collision energy dependence of directed flow, all of which predict the global polarization values at LHC energies of the order of 0.01%.
Experimental results are presented on event-by-event net-proton fluctuation measurements in Pb–Pb collisions at √sNN = 2.76 TeV, recorded by the ALICE detector at the CERN LHC. These measurements have as their ultimate goal an experimental test of Lattice QCD (LQCD) predictions on second and higher order cumulants of net-baryon distributions to search for critical behavior near the QCD phase boundary. Before confronting them with LQCD predictions, account has to be taken of correlations stemming from baryon number conservation as well as fluctuations of participating nucleons. Both effects influence the experimental measurements and are usually not considered in theoretical calculations. For the first time, it is shown that event-by-event baryon number conservation leads to subtle long-range correlations arising from very early interactions in the collisions.
Experimental results are presented on event-by-event net-proton fluctuation measurements in Pb-Pb collisions at sNN−−−√ = 2.76 TeV, recorded by the ALICE detector at the CERN LHC. These measurements have as their ultimate goal an experimental test of Lattice QCD (LQCD) predictions on second and higher order cumulants of net-baryon distributions to search for critical behavior near the QCD phase boundary. Before confronting them with LQCD predictions, account has to be taken of correlations stemming from baryon number conservation as well as fluctuations of participating nucleons. Both effects influence the experimental measurements and are usually not considered in theoretical calculations. For the first time, it is shown that event-by-event baryon number conservation leads to subtle long-range correlations arising from very early interactions in the collisions.
Experimental results are presented on event-by-event net-proton fluctuation measurements in Pb-Pb collisions at sNN−−−√ = 2.76 TeV, recorded by the ALICE detector at the CERN LHC. These measurements have as their ultimate goal an experimental test of Lattice QCD (LQCD) predictions on second and higher order cumulants of net-baryon distributions to search for critical behavior near the QCD phase boundary. Before confronting them with LQCD predictions, account has to be taken of correlations stemming from baryon number conservation as well as fluctuations of participating nucleons. Both effects influence the experimental measurements and are usually not considered in theoretical calculations. For the first time, it is shown that event-by-event baryon number conservation leads to subtle long-range correlations arising from very early interactions in the collisions.
Gegenstand der Arbeit ist ein Gleichheitskalkül für den Kern einer nicht-strikten funktionalen Programmiersprache. Funktionale Programmiersprachen unterstützen bestens die Prinzipien Abstraktion, Einkapselung, Hierarchiesierung und Modularisierung, die gemeinhin als Grundelemente des Software-Engineering betrachtet werden. Darüber hinaus bieten funktionale Programmiersprachen aufgrund ihrer Entwicklung aus dem Lambda-Kalkül eine große Nähe zu mathematischen Modellen. Daher besitzen sie im Bereich der Programmverifikation ausgeprägte Vorteile gegenüber imperativen oder objekt-orientierten Programmiersprachen. In der Arbeit wird nun ein Gleichheitsbegriff für Ausdrücke in funktionalen Programmiersprachen entwickelt und dessen Praktikabilität durch die Implementierung eines Beweisers untermauert. Dieser Gleichheitsbegriff ist die kontextuelle Gleichheit, die Ausdrücke aufgrund ihres Terminierungsverhaltens als Unterprogramme in allen möglichen Kontexten einordnet. Kontextuelle Gleichheit wird in Kapitel 2 vorgestellt, nachdem der klassische und der sogenannte "lazy" Lambda-Kalkül eingeführt wurden. Kapitel 3 enthält einen Überblick über die funktionale Programmierung, da auch die Implementierung des o.g. Beweisers in einer funktionalen Programmiersprache, nämlich Haskell, durchgeführt wird. In Kapitel 4 wird die funktionale Kernsprache, die Gegenstand der Untersuchung sein wird, beschrieben. Sie enthält alle wesentlichen Elemente wie z.B. Funktionsdefinition und -anwendung sowie Datentypen. Im selben Kapitel wird auch der Gleichheitsbegriff für diese Kernsprache definiert. Kapitel 5 schließlich entwickelt auf Basis der zuvor erfolgten Definitionen einen Kalkül für den Gleichheitsbeweis. Außerdem wird in diesem Kapitel auch die Umsetzung dieses Gleichheitskalküls präsentiert. Aus der Dissertation von Marko Schütz werden hierbei Erkenntnisse über die Kontextanalyse verwendet, um erfüllende Belegungen von freien Variablen zu berechnen. Die Arbeit schließt mit Beispielanalysen und Meßwerten sowie einer Diskussion der Ergebnisse und möglicher Erweiterungen.
Die Anfänge der Gittertheorie reichen in das letzte Jahrhundert, wobei die wohl bekanntesten Ergebnisse auf Gauß, Hermite und Minkowski zurückgehen. Die Arbeiten sind jedoch zumeist in der Schreibweise der quadratischen Formen verfaßt, erst in den letzten Jahrzehnten hat sich die von uns verwendete Gitterschreibweise durchgesetzt. Diese ist zum einen geometrisch anschaulicher, zum anderen wurden in den letzten Jahren für diese Schreibweise effiziente Algorithmen entwickelt, so daß Probleme der Gittertheorie mittels Computer gelöst werden können. Ein wichtiges Problem ist, in einem Gitter einen kürzesten nicht verschwindenden Vektor zu bestimmen. Den Grundstein für diese algorithmische Entwicklung legten A.K. Lenstra, H.W. Lenstra Jr. und L. Lovasz mit ihrer Arbeit. In dieser führten sie einen Reduktionsbegriff ein, der durch einen Polynomialzeitalgorithmus erreicht werden kann. Ein weiterer Reduktionsbegriff, die Blockreduktion, geht auf Schnorr zurück. Euchner hat im Rahmen seiner Diplomarbeit effiziente Algorithmen für diese beiden Reduktionsbegriffe auf Workstations implementiert und auch in Dimensionen > 100 erfolgreich getestet. Die Verbesserungen von Schnittechniken des in der Blockreduktion verwendeten Aufzählungsverfahrens und die Einführung einer geschnittenen Aufzählung über die gesamte Gitterbasis hat Hörner in seiner Diplomarbeit beschrieben. Ziel der folgenden Arbeit war es nun, diese bereits auf sequentiellen Computern implementierten Algorithmen zu modifizieren, um auf parallelen Rechnern, speziell Vektorrechnern, einen möglichst hohen Geschwindigkeitsgewinn zu erzielen. Wie in den seriellen Algorithmen werden die Basisvektoren stets in exakter Darstellung mitgeführt, so daß das Endergebnis einer Berechnung nicht durch Rundungsfehler verfälscht wird.
Die vorliegende Bachelorarbeit untersucht die Möglichkeiten der mobilen Produktion und Verwaltung von Web- und Multimedia-Inhalten, welche mit geografischen Koordinaten verknüpft sind.
Durch die stetig wachsende Verbreitung mobiler Geräte wie Smartphones, Tablets oder Netbooks und der damit in Anspruch genommenen Verfügbarkeit von mobilen Internetzugängen in Form von WLAN, GPRS, UMTS oder LTE, wird die gemeinsame Erstellung und Verwaltung von geolokalisierten Inhalten durch Teilnehmer einer Interessengruppe ermöglicht.
Besonders Inhalte deren Standort relevant ist, können von automatisierter Lokalisierung profitieren. Durch Ortungsmechanismen können Daten bei ihrer Erstellung oder Bearbeitung automatisch mit dem Standort des Geräts versehen werden. So lassen sich zum einen geografische Daten sammeln und zum anderen Inhalte auf unkomplizierte Art und Weise mit dem Standort des Autors zum Zeitpunkt ihrer Erstellung verknüpfen.
Darüber hinaus können Anwender abhängig von ihrem Aufenthaltsort Informationen über ihre Umgebung abrufen, ohne zuvor in einer Kartenansicht zu ihrer aktuellen Position navigieren zu müssen.
Die vorliegende Arbeit behandelt sowohl das Erhalten als auch das Erzeugen multimedialer Inhalte in Abhängigkeit von ihren geografischen Koordinaten. Die technische Realisierung dieses Konzepts findet mit Hilfe der frei verfügbaren MediaWiki-Software[1] als Content-Management-System sowie einer, für mobile Geräte optimierten Webseite als Frontend statt.
Der Umfang der Arbeit umfasst neben dem Entwurf eines Konzepts und der ausführlichen Beschreibung einer möglichen Implementierung eine Einführung in die Grundlagen der verwendeten Komponenten. Zuletzt sollen ein Fazit und ein Ausblick Konzept und Realisierung kritisch betrachten, um einen Einblick in vorhandene Potenziale der Lösung zu bieten.
Diese Diplomarbeit beschäftigt sich sowohl mit der Akquisition, der Verwaltung und der winkelabhängigen, spektralen Reflexionsfunktion BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Function) und BTFs (Bidirection Texture Functions) von einigen ausgewählten realistischen Materialoberflächen bei fester Beleuchtung, als auch der Generierung der BTFs aus vorhandenen BRDFs und BTFs und der Anwendung der Beschreibung von Oberflächen mittels BRDFs und BTFs bei Erzeugungen von 3D-Szenen. Im Rahmen dieser Diplomarbeit werden Konzepte für eine effektivere Nutzung von BTFs in der photorealistischen Bilderzeugung entwickelt und prototypisch umgesetzt. Der Fokus liegt dabei auf einer vereinfachten Synthese von BTFs aus vorhandenen BRDF- und BTF-Daten, sowie in einer effizienten Nutzbarmachung dieser Informationen für Rendering-Prozesse.
Diese Arbeit behandelt das Thema der Darstellung und der Simulation von Pflanzen mit Lindenmayer-Systemen. Zur Darstellung der aus Lindenmayer- Systemen entwickelten Strukturen wird das Programm Linde 3D entwickelt, welches dem Benutzer das Erstellen und die Simulation von Objekten unter Verwendung von deterministischen, geschachtelten, stochastischen, kontextsensitiven, umgebungssensitiven und offenen Lindenmayer-Systemen ermöglicht.
Neben der Entwicklung des Programms Linde 3D liegt ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Simulation der biologischen Prozesse Vernalisation und Stratifikation. Für die Simulation dieser Prozesse werden Lindenmayer- Systeme entwickelt, welche die Grundfunktionalität der Prozesse simulieren und in Abhängigkeit dieser dreidimensionale Modelle der Pflanze erzeugen.
Das Programm Linde 3D ist so konzipiert, dass es allgemein eingesetzt werden kann. Neben dem Verständnis für die abstrakten Modelle der Lindenmayer-Systeme werden keine speziellen Kenntnisse des Anwenders vorausgesetzt. Die Eingabe der L-Systeme erfolgt entweder über die Auswahl vordefinierter Lindenmayer-Systeme und Umweltdaten oder durch Komposition von Lindenmayer-Systemen und Umweltdaten durch den Anwender. Die graphische Interpretation der Lindenmayer-Systeme erfolgt unter Verwendung des Schildkröten-Modells. Die Ausgabe des Programms Linde 3D besteht zum einen aus einer direkten Darstellung der generierten Szene im Programm und zum anderen aus der Ausgabe der Szene in Form einer oder mehrerer Dateien für den POVRay Raytracer. Die erzeugten Dateien können durch externe Programme aufbereitet und zu einer Animation zusammengefügt werden.
Die vorliegende Arbeit beginnt mit einer kurzen Einführung in das Thema der Fraktale und Lindenmayer-Systeme, sowie den nötigen Grundlagen für das Verständnis der biologischen Hintergründe. Im Anschluss werden dem Leser die notwendigen theoretischen Grundkenntnisse zu Lindenmayer-Systemen und ein Einblick in aktuelle Anwendungen und Entwicklungen vermittelt. Nach einer Beschreibung der Anforderungen, des Aufbaus und der Implementierung des Programms Linde 3D werden die erworbenen Grundkenntnisse im Bereich der Lindenmayer-Systeme und das Programm Linde 3D eingesetzt, um Schritt für Schritt Lindenmayer-Systeme für die Simulation der biologischen Prozesse Vernalisation und Stratifikation zu entwickeln. Nach der Konstruktion der L-Systeme werden die erworbenen theoretischen Grundlagen für den Bereich des Testens von Parser und Schildkröten-Modell auf Funktionalität benötigt. Im Ausblick werden Ideen für Anwendungen und Erweiterungen des Programms Linde 3D beschrieben.
Die Gotik ist eine Kunstepoche des Mittelalters, die eine große Anzahl beeindruckender Bauten hervorgebracht hat. Hierbei sind besonders die monumentalen Sakralbauten dieser Zeit mit ihren eindrucksvollen Fenstern hervorzuheben. Rosetten gehören zu den größten Fenstern in gotischen Kathedralen. Sie sind kreisförmige Fenster, die vor allem durch ihre komplexe Aufbauweise auffallen. Das Grundbauelement der Rosetten ist das sog. Maßwerk - ein Steinwerk das als dekoratives Muster für Fenster und Wände in gotischen Bauten eingesetzt wird. Charakteristisch für diese Muster sind sich wiederholende, verschieden große geometrische Formen, was an die Eigenschaft der Selbstähnlichkeit bei Fraktalen erinnert.
Die manuelle Modellierung gotischer Fenster ist auf Grund deren komplexen Aufbaus sehr aufwendig. Eine prozedurale Generierung hingegen automatisiert den Modellierungsprozess weitgehend und verringert damit den Zeit- und Modellierungsaufwand per Hand.
In der vorliegenden Arbeit wurde eine prozedurale Methode beschrieben, die die aufwendige manuelle Modellierung der Rosetten bzw. des Maßwerks zum größten Teil ersetzt. Diese Methode basiert auf der Analyse der fraktalen Struktur des Maßwerks und nutzt dabei dessen Selbstähnlichkeit aus, um Rosetten automatisch zu generieren. Mit der in dieser Arbeit entwickelten Implementierung ist es mögliche, eine große Vielfalt gotischer Rosetten zu beschreiben und mit Hilfe der 3D-Grafik-Engine OGRE graphisch darzustellen.
Random graph models, originally conceived to study the structure of networks and the emergence of their properties, have become an indispensable tool for experimental algorithmics. Amongst them, hyperbolic random graphs form a well-accepted family, yielding realistic complex networks while being both mathematically and algorithmically tractable. We introduce two generators MemGen and HyperGen for the G_{alpha,C}(n) model, which distributes n random points within a hyperbolic plane and produces m=n*d/2 undirected edges for all point pairs close by; the expected average degree d and exponent 2*alpha+1 of the power-law degree distribution are controlled by alpha>1/2 and C. Both algorithms emit a stream of edges which they do not have to store. MemGen keeps O(n) items in internal memory and has a time complexity of O(n*log(log n) + m), which is optimal for networks with an average degree of d=Omega(log(log n)). For realistic values of d=o(n / log^{1/alpha}(n)), HyperGen reduces the memory footprint to O([n^{1-alpha}*d^alpha + log(n)]*log(n)). In an experimental evaluation, we compare HyperGen with four generators among which it is consistently the fastest. For small d=10 we measure a speed-up of 4.0 compared to the fastest publicly available generator increasing to 29.6 for d=1000. On commodity hardware, HyperGen produces 3.7e8 edges per second for graphs with 1e6 < m < 1e12 and alpha=1, utilising less than 600MB of RAM. We demonstrate nearly linear scalability on an Intel Xeon Phi.
First measurements of balance functions (BFs) of all combinations of identified charged hadron (π,K,p) pairs in Pb−Pb collisions at sNN−−−√=2.76 TeV recorded by the ALICE detector are presented. The BF measurements are carried out as two-dimensional differential correlators versus the relative rapidity (Δy) and azimuthal angle (Δφ) of hadron pairs, and studied as a function of collision centrality. The Δφ dependence of BFs is expected to be sensitive to the light quark diffusivity in the quark−gluon plasma. While the BF azimuthal widths of all pairs substantially decrease from peripheral to central collisions, the longitudinal widths exhibit mixed behaviors: BFs of ππ and cross-species pairs narrow significantly in more central collisions, whereas those of KK and pp are found to be independent of collision centrality. This dichotomy is qualitatively consistent with the presence of strong radial flow effects and the existence of two stages of quark production in relativistic heavy-ion collisions. Finally, the first measurements of the collision centrality evolution of BF integrals are presented, with the observation that charge balancing fractions are nearly independent of collision centrality in Pb−Pb collisions. Overall, the results presented provide new and challenging constraints for theoretical models of hadron production and transport in relativistic heavy-ion collisions.
First measurements of balance functions (BFs) of all combinations of identified charged hadron (π,K,p) pairs in Pb−Pb collisions at sNN−−−√=2.76 TeV recorded by the ALICE detector are presented. The BF measurements are carried out as two-dimensional differential correlators versus the relative rapidity (Δy) and azimuthal angle (Δφ) of hadron pairs, and studied as a function of collision centrality. The Δφ dependence of BFs is expected to be sensitive to the light quark diffusivity in the quark−gluon plasma. While the BF azimuthal widths of all pairs substantially decrease from peripheral to central collisions, the longitudinal widths exhibit mixed behaviors: BFs of ππ and cross-species pairs narrow significantly in more central collisions, whereas those of KK and pp are found to be independent of collision centrality. This dichotomy is qualitatively consistent with the presence of strong radial flow effects and the existence of two stages of quark production in relativistic heavy-ion collisions. Finally, the first measurements of the collision centrality evolution of BF integrals are presented, with the observation that charge balancing fractions are nearly independent of collision centrality in Pb−Pb collisions. Overall, the results presented provide new and challenging constraints for theoretical models of hadron production and transport in relativistic heavy-ion collisions.
Diese Arbeit untersucht den Einfluss des Game-Design auf ausgelöste Lernprozesse und den Erfolg von Serious Games. Hierzu werden Game-Design Paradigmen entwickelt, die als Richtlinien für Konzeption und Umsetzung eines Serious Game dienen. Als Serious Games werden Videospiele bezeichnet, die zur Wissensvermittlung konzipiert worden sind. Dabei sollen die motivationalen Faktoren eines Videospiels genutzt werden, um einen intrinsisch motivierten Lernprozess auszulösen. Das Bewertungkriterium für den Erfolg einer Spielmechanik ist somit die Erfüllung der Lernziele. Damit dieses Erfolgskriterium genauer untersucht werden kann, werden die ausgelösten Lernprozesse differenziert betrachtet. In der Literatur werden folgende Lernprozesse hervorgehoben: Der Prozess des Erfahrungslernens und metakognitive Prozesse. Darüber hinaus sind Eigenschaften der Zielgruppe, wie Alter oder Geschlecht weitere wichtige Faktoren. Das dieser Arbeit zu Grunde liegende Forschungsframework setzt sich wie folgt zusammen: Lernszenario, Lernprozess und Lernerfolg. Das Lernszenario ist durch folgende Faktoren charakterisiert: Game Characteristics (Eigenschaften des Serious Game), Instructional Content (Arbeitsanweisungen und Trainingsetting) sowie Player Characteristics (Eigenschaften der Zielgruppe). Diese Parameter bedingen den Lernprozess, welcher unter dem Aspekt des Erfahrungslernens und der Metakognition analysiert wird. Eine besondere Problemstellung in den Player Characteristics ergibt sich aus dem sogenannten Net-Generation Konflikt. Mit Net-Generation wird die Generation bezeichnet, welche mit neuen Medien wie Internet und mobiler Kommunikation aufgewachsen ist. Diese besitzt im Unterschied zu älteren Generationen ein anderes Lernverhalten. Um die Aspekte des Net-Generation Konflikts und die Auswirkungen auf den Lernprozesses untersuchen zu können, wird ein Serious Game entwickelt, dessen Spielmechanik sich an folgenden Game-Design Paradigmen ausrichtet: Akzeptanz, Leichte Zugänglichkeit, Spielspaß und die Unterstützung des Lernprozesses. Dieses Serious Game FISS (Fertigungs- und Instandhaltungs-Strategie Simulation) wird bei der Daimler AG seit 2008 zur Ausbildung von Ingenieuren eingesetzt. FISS simuliert eine Fertigungslinie, die mit Hilfe geeigneter Wartungsstrategien und effizientem Personaleinsatz erfolgreich geführt werden soll. Die Spielmechanik orientiert sich an dem Genre der Rundenstrategie und wird in einem Anwesenheitstraining im Team durchgeführt. Hervorzuheben ist, dass die Zielgruppe bezüglich des Alters inhomogen ist und deshalb der Net-Generation Konflikt berücksichtigt werden muss. Im Anschluss wird FISS unter folgenden Aspekten untersucht: Der Prozess des Erfahrungslernens, metakognitive Prozesse und die Integration der Non-Net-Generation. Die Ergebnisse zeigen, dass die Eigenschaften des Game-Design einen signifikanten Einfluss auf den Prozess des Erfahrungslernens und die Lernerfolge besitzen. Spieler mit einem praktischen Zugang zu Lerninhalten (Concrete Experience) erzielten einen signifikant größeren Wissenzuwachs. Zudem profitierten alle Spieler von FISS, jedoch konnte in einer Vorstudie kein Einfluss metakognitiver Fähigkeiten auf den Wissenzuwachs nachgewiesen werden. Die weitere zentrale Studie dieser Arbeit fokussiert den Net-Generation Konflikt und evaluiert den Erfolg der eingangs aufgestellten Game-Design Paradigmen. Hierzu werden die Teilnehmer nach drei Altersgruppen getrennt betrachtet: Non-Net-Generation, Net-Generation und die dazwischen liegende Crossover-Generation. Es zeigt sich, dass der Lern- und Spielerfolg aller Generationen gleichermaßen signifikant ist und nur innerhalb des zu erwartenden Standardfehlers abweicht. FISS eignet sich folglich für alle Generationen. Diese Ergebnisse können stellvertretend für Serious Games im Genre der Rundenstrategie gesehen werden. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse ermöglichen ein besseres Verständnis der Auswirkungen des Game-Design auf den Lernerfolg. Hiermit können potentielle Schwachstellen eines Serious Game erkannt und vermieden werden. Die Erkenntnisse im Bereich des Erfahrungslernens ermöglichen zudem eine bessere Anpassungen an die Zielgruppe. Für die zukünftige Forschung wurde mit dem in dieser Arbeit entwickelten Framework eine Grundlage geschaffen.
G-CSC Report 2010
(2011)
The present report gives a short summary of the research of the Goethe Center for Scientific Computing (G-CSC) of the Goethe University Frankfurt. G-CSC aims at developing and applying methods and tools for modelling and numerical simulation of problems from empirical science and technology. In particular, fast solvers for partial differential equations (i.e. pde) such as robust, parallel, and adaptive multigrid methods and numerical methods for stochastic differential equations are developed. These methods are highly adanvced and allow to solve complex problems..
The G-CSC is organised in departments and interdisciplinary research groups. Departments are localised directly at the G-CSC, while the task of interdisciplinary research groups is to bridge disciplines and to bring scientists form different departments together. Currently, G-CSC consists of the department Simulation and Modelling and the interdisciplinary research group Computational Finance.
Funktionsorientierte Bausteine zur Integration kontinuierlicher Medien in verteilte Anwendungen
(1997)
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung einer komfortablen Beschreibung verteilter Anwendungen, die kontinuierliche Medien integrieren. Die Klarheit des Ansatzes ergibt sich aus der Beschränkung auf die anwenderrelevanten Funktionalitäten. Weitere Gebiete, die systembezogen sind, wurden nur soweit wie nötig behandelt. Die Aufgaben anderer Bereiche, wie des Betriebssystems und des Managementsystems sowie der Kommunikationsdienste, konnten nur gestreift werden, indem die anwendungsabhängigen Anforderungen spezifiziert wurden. Durch deren Extraktion und die Zuordnung der Anforderungen an die einzelnen Bereiche, ergibt sich eine klarere Sicht auf Betriebssystem, Management und Kommunikationsdienste und deren notwendige Weiterentwicklung. Das entwickelte Funktionenmodell beschreibt zusammenhängend alle mit kontinuierlichen Medien verbundenen Arbeiten. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, wie aus den Funktionen auf kontinuierlichen Medien durch die Spezifikation geeigneter Schnittstellen Bausteine zur Integration der Medien in verteilte Anwendungen erstellt werden. Die Beschrei bung der Bausteine erfolgt durch diese Schnittstellen; es sind Steuer-, Daten- und Managementschnittstellen. Die Herauslösung der gesonderten Beschreibung der Multimedia-Datenflußstruktur schafft einerseits die Grundlage für eine Teilklassifikation der Anwendungen nach Medien-Gesichtspunkten. Andererseits kann die Erstellung einer Anwendung aus einer bestimmten Anwendungsklasse, wie zum Beispiel ein einfaches Wiedergabesystem, durch die gesonderte Beschreibung der Multimedia-Datenflußstruktur schneller in der Bausteinstruktur realisiert werden. Das Funktionenmodell wird auch in [Fritzsche96] beschrieben. Das in dieser Arbeit konzipierte Bausteinmodell gewährleistet eine integrierte Beschreibung von Geräten, Werkzeugen und Anwendungen kontinuierlicher Medien. Die verwendete Beschreibungstechnik erlaubt dabei nicht nur eine übersichtliche Darstellung sondern bietet auch hierarchische Strukturierungen an. Das Zusammenspiel der Bausteine erfordert zu sätzliche Komponenten zur Steuerung und Abstimmung der einzelnen Funktionen, die in dieser Arbeit neu eingeführt werden. Es lassen sich sowohl zentralistische als auch verteilte Steuerungen realisieren. Mit einer entsprechenden Schnittstelle versehen kann eine Steuerkomponente eine ganze Gruppe von Bausteinen dem Benutzer als Einheit zur Verfügung stellen. Somit lassen sich auch verschiedene Medien und/oder mehrere Funktionen gemeinsam mit einer Steuerkomponente zu einem Baustein zusammenfassen. Diese zusammenge setzten Bausteine bieten nun echte Multifunktionalität und Multimedialität. Durch die Komponenten- und Anwendungsmodellierung nach [Zimm93] wird darüber hinaus eine flexible, auch dynamisch änderbare Anwendungsstruktur vom Anwendungs-Management ermöglicht. Das Bausteinmodell wird auch in [Fritzsche96] behandelt. Bisherigen Ansätzen für Multimedia-Komponenten fehlt die allgemeine Interoperabilität der Komponenten. Diese kann nur durch eine umfassende, formale Spezifikation der Komponenten-Schnittstellen, insbesondere aber von Steuerschnittstellen, erfolgen. Zur Spezifikation der Schnittstellen ist die Integration der kontinuierlichen oder zeitabhängigen Medien als abstrakte Datentypen unabdingbar. Auf diese Art werden aus den Komponenten Bausteine. Im vorliegenden Ansatz wurden erstmalig Steuerschnittstellen für Multimedia-Komponenten spezifiziert und als Hierarchie dargestellt. Der neue Ansatz erlaubt es daher, multimediale Systeme nach einem Baukastensystem zu erstellen, indem Bausteine durch Bindung untereinander zu einer Anwendung zusammengesetzt werden. Nach der Verbindungsstruktur der multimedialen Anwendung können verschiedene Anwendungstypen unterschieden werden. Die Definition der Komponentenschnittstellen bezieht sich auf ein abstraktes Datenmodell für kontinuierliche Medien. Das Datenmodell ist eine eigenständige Weiterentwicklung der Ansätze von [Herrtw91] und [Gibbs94] und kann auch zur Realisierung der Komponenten verwendet werden. Multimediadaten wurden zunächst auf zwei Ebenen als Sequenz und Sequenzelemente modelliert. Daraus lassen sich bereits einige Funktionen auf den Daten ableiten, die von den Bausteinen realisiert werden müssen. Kennzeichnend für die Sequenzelemente ist, daß sie die Zeitparameter Zeitpunkt und Dauer besitzen und damit eine explizite Integration der Zeit in das Datenmodell realisieren. Aus diesen Parametern der Elemente können auch für die Sequenz die Parameter Zeitpunkt und Dauer abgeleitet werden. Somit könnte eine Sequenz selbst wieder Element einer Sequenz werden. Da diese Sequenzen von Sequenzen aber zum Teil schwer zu handhaben sind und zum Aufbau von sehr komplexen Verschachtelungen verleiten, wird in dieser Arbeit eine andere Erweiterung der Datenhierarchie, eine Liste, vorgestellt. Diese Erweiterung führt nur eine weitere Hierarchieebene oder Granularitätsstufe ein, ist aber durch die vorgegebenen Funktionen gleichmächtig wie die Verschachtelung der Sequenzen, im Operationsablauf aber leichter nachzuvollziehen. Die Liste repräsentiert die gröbste Granularitätsstufe. Diese ist mit der Titelfolge einer Schallplatte oder einer CD vergleichbar. Die einzelnen Teile haben zueinander nur eine lose Ordnung. In der ersten Verfeinerung der Granularität wird in jedem einzelnen Listenelement eine strenge zeitliche Ordnung gefordert; ein Listenelement ist eine Sequenz. In der zweiten Stufe der Verfeinerung, der Unterteilung der Sequenzen, treten die bereits bekannten Se quenzelemente auf. Die Daten werden im Ticker-Schrittgeber-Modell interpretiert. Dieses Modell erhält zwei Zeitebenen, den Ticker als Bezugssystem der Funktionen untereinander und den Schrittgeber als Steuerung der einzelnen Funktionen. Ein zweistufiges Uhrenmodell mir festgesetzten Operationen und Uhrenbeziehungen wird in dieser Arbeit neu eingeführt. Die Beziehung zwischen Schrittgeber und Ticker ist, daß ein Schritt nach einer bestimmten Anzahl von Ticks erfolgt. Der Startwert des Tickers kann frei gewählt werden, ebenso der Startwert des Schrittgebers. Für den Schrittgeber bestimmt sein Start-Tick, wann er beginnt fortzuschreiten. Ein Schrittgeber ist mit genau einer Sequenz verbunden, deren Start-Schritt beschreibt, bei welchem Schrittwert das erste Sequenzelement gültig wird. Die Start-Zeitpunkte der Elemente und ihre Dauern werden in Schritten gemessen. Das Datenmodell für Multimedia wurde in [Fritzsche95] veröffentlicht. Implementierungen Als Grundlage für die Entwicklung der Bausteine zur Integration kontinuierlicher Medien in verteilte Anwendungen wurden die Funktionen auf den Medien herangezogen. Diese sind in ihren einfachsten Formen die Grundfunktionen Perzeption, Präsentation und Speicherung der Medien, wobei die Speicherung in die Funktionen Schreiben in den Speicher und Lesen aus dem Speicher geteilt wird. Die durch die Perzeption festgelegten, oder künstlich erzeugten Mediendaten können zwischen den einzelnen Funktionen übertragen werden. Eine Bearbeitung der Daten ist beim Austausch zwischen den Funktionen möglich. Die Veränderung der Daten und ihr Bezug zu den Grundfunktionen wird durch die Verarbeitungsfunktionen der Typen f 1 bis f 5 beschrieben. Die Funktionen werden durch Operationen gesteuert, die aus dem Datenmodell abgeleitet werden. Insbesondere wird so auch die explizite Veränderung der Zeitparameter möglich. Somit bietet das Datenmodell eine geeignete Grundlage für jede Art der Verarbeitung kontinuierlicher Medien. Das entwickelte Modell unterstützt die Anwendungserstellung durch objektorientierte Ansätze auf den Ebenen der Konzeption, der Anwendungsspezifikation und der Komponentenentwicklung. Konzeptionell bietet das Funktionenmodell die schnelle und übersichtliche Darstellung der Anwendung. Die aus dem Funktionenmodell ableitbare Anwendungsspezifikation unterstützt die weitere Entwicklung durch Anwendungs- und Komponentenschablonen, sowie durch die vorgefertigte und erweiterbare Hierarchie der Schnittstellen und durch die Bibliotheken für Standardbausteine. Die Verwendung dieser Elemente der Anwendungsspezifikation läßt sich teilweise automatisieren. Das Ergebnis der Anwendungsspezifikation ist eine Menge von Komponenten, die alle vollständig spezifiziert sind. Diese Komponenten sind die funktionsorientierten Bausteine zur Integration kontinuierlicher Medien in verteilte Anwendungen. Im ersten Schritt wurde das vorgestellte Datenmodell mit seinen Operationen in einer objektorientierten Programmiersprache (C [Lipp91]) implementiert [Braun92]. Darauf aufbauend wurden verschiedene Anwendungsfunktionen und Normalisierungsoperationen entwickelt und für den Bereich Audio realisiert [Bast93]. Die von den Funktionen auf kontinuierlichen Medien abgeleiteten Bausteine werden, wie in der vorliegenden Arbeit ausführlich dargestellt, als Komponenten verteilter Anwendungen realisiert. Aus den verschiedenen Realisierungsebenen sollen hier zwei Beispiele hervorgehoben werden. Zunächst wird auf die Komponentenrealisierung eingegangen; danach folgt die Realisierung von Tickern und enger Kopplung. Diese beiden Punkte stellen zentrale Aufgaben des Ansatzes dar. Realisierung von Komponenten Die Realisierung der Komponenten gliedert sich in zwei Abschnitte. Der erste Abschnitt ist die Zerlegung einer Komponente in Standardobjekte nach [Zimm93]. Die Standardobjekte entstammen Kommunikationsklassen, Stub- und Dispatcherklassen, Anwendungsklassen und Kooperationsprotokollklassen. Die Objekte der Anwendungsklassen realisieren die Anwendungsfunktionalität der Komponente. Das Ausprogrammieren dieser Objekte stellt den zweiten Abschnitt der Komponentenrealisierung dar. Dazu liefert das entwickelte Datenmodell die Programmierunterstützung. Zur Abbildung der Spezifikationskonstrukte der Komponenten auf Implementierungskonstrukte wird in [Zimm93] eine Methode vorgestellt, die die unterschiedlichen Konstrukte für Schnittstellen, Kommunikationskontexte und Komponenten auf Klassen und Objekte abbildet. So entsteht eine Klassenhierarchie von C Klassen [Lipp91] für kommunikations-, anwendung-s und managementorientierte Objekte. Weiterhin wird in [Zimm93] ein Verfahren vorgestellt, durch das in Abhängigkeit von den Eigenschaften einer Komponente parallel ablaufende Datenflüsse in ein System von leichtgewichtigen Prozessen (Threads) transformiert werden können. Als Resultat gewinnt man eine modulare Softwarearchitektur der Komponente, die sich aus interagierenden Objekten und zugehörigen Threads zusammen setzt. In [Zimm93] werden folgende Objektklassen unterschieden: . Kommunikationsklassen . Stub- und Dispatcherklassen . Anwendungsklassen . Kooperationsprotokollklassen. Eine elementare Objektarchitektur aus diesen Klassen ist in Abbildung 54 dargestellt. Es gibt jeweils eine Realisierung für eine Supplier-Komponente und eine Consumer- Komponente. Die Anwendungsobjekte können bezüglich ihrer Funktionalität in initiierende und akzeptierende Objekte eingeteilt werden. Im Falle unidirektionaler Schnittstellen sind die Anwendungsobjekte auf der Konsumentenseite (z.B. Benutzerkomponente) für die Initiierung von Methoden an Schnittstellenobjekten verantwortlich. Beispielsweise ist ein Anwendungsobjekt innerhalb der Benutzerkomponente für die Initiierung der Steueroperationen verantwortlich. Im Falle von interaktiven Komponenten [Zimm93] erfolgt dazu ein Benutzerdialog mit einem interaktiven Benutzer. Also realisiert innerhalb der Benutzerkomponente das Anwendungsobjekt einen solchen Benutzerdialog. Anwendungsobjekte auf der Konsumentenseite stellen somit typischerweise keine eigenen Methoden bereit, sondern bestehen lediglich aus einem Konstruktor. Auf der akzeptierenden Seite, den Anbieter (Supplier), realisiert ein Anwendungsobjekt die Operationen an einer Schnittstelle. Dazu wird eine Methode accept benötigt, falls ein verbindungsorientierter Kommunikationskontext zugrunde liegt. Diese Methode dient der Behandlung eingehender Verbindungswünsche. In [Alireza94] werden verschiedene Komponentenrealisierungen ausführlich vorgestellt. Die Realisierung der Ticker und Schrittgeber stellt die Einbettung der zeitbezogenen Komponenten in ihre (Betriebssystem) Umgebung dar. Ähnlich, wie eine Komponente über den Socketmechanismus Zugang zum Kommunikationssystem erhält, erhält eine zeitbezogene Komponente über den Ticker-Schrittgeber-Mechanismus Zugang zum Zeitbezugssystem. Denn die Schrittgeber beziehen sich auf Ticker, Ticker aber auf die Systemzeit. Da auch die Systemzeit als Takt zur Verfügung gestellt wird, können Ticker und Schrittgeber wegen ihrer ähnlichen Funktionalitäten aus einer gemeinsamen Zeitgeberklasse abgeleitet werden. Im Anhang C ist die Deklaration dieser gemeinsamen Klasse angegeben. In einer Anwendung beziehen sich die Schrittgeber verschiedener Komponenten auf einen gemeinsamen Ticker. Dieser Ticker liegt in der Systemumgebung der den Komponenten gemeinsamen interaktiven Benutzerkomponente. Die interaktive Benutzerkomponente verteilt die Ticks über die Steuerschnittstellen an die Komponenten und realisiert so die enge Kopplung der Komponenten. Bei einer Tickrate von 600 Hz ist es nur innerhalb eines Systems sinnvoll jeden Tick als Ereignis zu verteilen. Anstatt nun zu jedem Tick ein Ereignis zu verteilen werden bei der Tickverteilung Tickwerte mit fester Rate verteilt, wobei diese Rate in die Größenordnung der Schritte fällt. Um die Übertragungsraten gemäß den Anforderungen an der Steuerschnittstelle klein zu halten, wird zu jedem Schritt nur ein Teil (1 Byte) des Tickwertes übertragen. Begonnen wird mit der Übertragung des höchstwertigen Bytes, so daß im letzten Schritt einer Tickerübertragung mit dem letzten Byte der genaue aktuelle Tickwert übertragen wird. Ähnliche Verfahren werden bereits bei anderen Synchronisations verfahren verwendet. Eine genaue Beschreibung sowie die Kodierung für die verschachtelte Übertragung von Tickwerten und SchnittstellenAufrufen wird in [Hesme93] vorgestellt. Weitere Entwicklung Zur Realisierung verteilter multimedialer Anwendungen, muß man die einzelnen verteilten Komponenten bestimmen und ihre Funktion beschreiben. Die Komponenten tauschen unter einander Steuerungsinformationen und Multimediadaten aus. Diese Daten und das beim Austausch verwendete Protokoll sollten allgemein standardisiert sein, um den Zusammen schluß heterogener Systeme zu ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, wie sowohl die Daten als auch das Zusammenspiel der Komponenten festgelegt werden können. Obwohl alle Geräteklassen und Geräte funktionen sowie verschiedene Werkzeuge entwickelt wurden, und das vorgestellte Modell die gesamte Entwicklung verteilter multimedialer Anwendungen unterstützt, ist dieses große Gebiet noch lange nicht erschöpfend behandelt. Eine Erweiterung der Managementschnittstellen und die Realisierung von komplexen Werkzeugen sind die vordringlichsten Aufgaben. Damit entsteht ein mächtiges Entwicklungswerkzeug für Multimediaanwendungen. Funktionsorientierte Bausteine zur Integration kontinuierlicher Medien in verteilte Anwendungen Eine weitere Aufgabe ist die genauere Untersuchung der Nebenbedingungen, die zur Unterscheidung der Funktionen der Typen f 1 bis f 5 führten. Aus diesen Untersuchungen sowie aus den Ergebnissen der Ticker- und Schrittgeber-Realisierung lassen sich dann genauer spezifizierte Anforderungen an die Betriebs- oder Kommunikations-Systeme ableiten.
This paper proposes a non-standard way to combine lazy functional languages with I/O. In order to demonstrate the usefulness of the approach, a tiny lazy functional core language FUNDIO , which is also a call-by-need lambda calculus, is investigated. The syntax of FUNDIO has case, letrec, constructors and an IO-interface: its operational semantics is described by small-step reductions. A contextual approximation and equivalence depending on the input-output behavior of normal order reduction sequences is defined and a context lemma is proved. This enables to study a semantics of FUNDIO and its semantic properties. The paper demonstrates that the technique of complete reduction diagrams enables to show a considerable set of program transformations to be correct. Several optimizations of evaluation are given, including strictness optimizations and an abstract machine, and shown to be correct w.r.t. contextual equivalence. Correctness of strictness optimizations also justifies correctness of parallel evaluation. Thus this calculus has a potential to integrate non-strict functional programming with a non-deterministic approach to input-output and also to provide a useful semantics for this combination. It is argued that monadic IO and unsafePerformIO can be combined in Haskell, and that the result is reliable, if all reductions and transformations are correct w.r.t. to the FUNDIO-semantics. Of course, we do not address the typing problems the are involved in the usage of Haskell s unsafePerformIO. The semantics can also be used as a novel semantics for strict functional languages with IO, where the sequence of IOs is not fixed.
Dendritic spines are considered a morphological proxy for excitatory synapses, rendering them a target of many different lines of research. Over recent years, it has become possible to image simultaneously large numbers of dendritic spines in 3D volumes of neural tissue. In contrast, currently no automated method for spine detection exists that comes close to the detection performance reached by human experts. However, exploiting such datasets requires new tools for the fully automated detection and analysis of large numbers of spines. Here, we developed an efficient analysis pipeline to detect large numbers of dendritic spines in volumetric fluorescence imaging data. The core of our pipeline is a deep convolutional neural network, which was pretrained on a general-purpose image library, and then optimized on the spine detection task. This transfer learning approach is data efficient while achieving a high detection precision. To train and validate the model we generated a labelled dataset using five human expert annotators to account for the variability in human spine detection. The pipeline enables fully automated dendritic spine detection and reaches a near human-level detection performance. Our method for spine detection is fast, accurate and robust, and thus well suited for large-scale datasets with thousands of spines. The code is easily applicable to new datasets, achieving high detection performance, even without any retraining or adjustment of model parameters.
Highlights
• Transparency of design, reference frames and support for action were found to support students' sense-making of LA dashboards.
• The higher the overall SRL score, the more relevant the three factors were perceived by learners.
• Learner goals affect how relevant students find reference frames.
• The SRL effect on the perceived relevance of transparency depends on learner goals.
Abstract
Unequal stakeholder engagement is a common pitfall of adoption approaches of learning analytics in higher education leading to lower buy-in and flawed tools that fail to meet the needs of their target groups. With each design decision, we make assumptions on how learners will make sense of the visualisations, but we know very little about how students make sense of dashboard and which aspects influence their sense-making. We investigated how learner goals and self-regulated learning (SRL) skills influence dashboard sense-making following a mixed-methods research methodology: a qualitative pre-study followed-up with an extensive quantitative study with 247 university students. We uncovered three latent variables for sense-making: transparency of design, reference frames and support for action. SRL skills are predictors for how relevant students find these constructs. Learner goals have a significant effect only on the perceived relevance of reference frames. Knowing which factors influence students' sense-making will lead to more inclusive and flexible designs that will cater to the needs of both novice and expert learners.
Fraktale Planetengenerierung
(2006)
Wie die Diplomarbeit gezeigt hat, lassen sich zwar ganze Planeten ohne größere Verzerrungen mit Hilfe fraktaler Methoden modellieren. Allerdings stößt die Darstellungsqualität an ihre Grenzen, da sich gängige Level-of-Detail-Algorithmen, wie ROAM bzw. Röttger, nicht einfach an die durch das Surface-Refinement gegebenen Bedingungen anpassen. Insbesondere die Triangulierung durch gleichseitige Dreiecke hat sich als problematisch erwiesen. Ohne diese LOD-Techniken kann aber nur eine relativ geringe Auflösung berechnet werden. Der vorgestellte Level-of-Detail-Algorithmus stellt zwar keinen Ersatz für die obengenannten Verfahren dar. Er bietet aber eine sehr gute Grundlage, denn er schränkt einfach und dadurch sehr schnell den Bereich ein, in dem sich der Betrachter bzw. die virtuelle Kamera befindet. Dies ist vorallem auch deshalb wichtig, weil die bisher entwickelten LOD-Algorithmen nur mit vergleichsweise kleinen Flächen wirklich effizient funktionieren. Eine Kombination aus dem in der Diplomarbeit entwickelten Verfahren und einem ROAM/Röttger-ähnlichen Algorithmus würde deren jeweiligen Schwächen beheben. Die eigentliche Modellierung der Landschaft bzw. der Gebirgszüge lässt sich dagegen problemlos auch auf sphärische Körper übertragen, zumindest wenn man dafür den Plasma-Algorithmus verwendet.
Effiziente kryptographische Algorithmen sind ein wichtiger Grundstein für viele neue Anwendungen, wie zum Beispiel das Internet der Dinge (IoT) oder kontaktlose Zahlungssysteme. Daher ist es wichtig, dass neue Algorithmen mit verbesserten Sicherheitseigenschaften und speziellen Leistungseigenschaften entwickelt und analysiert werden. Ein Beispiel ist der aktuelle Trend zu leichtgewichtigen Algorithmen. Diese Entwicklungen erleichtern die Implementierung neuartiger Systeme und ermöglichen auch einen Schutz von bestehenden Systemen durch eine Anpassung auf den neuesten Stand der Technik. Neben der kryptologischen Analyse, ist die Bewertung von Implementierungs-Aspekten sehr wichtig, damit eine realistische Einschätzung der erzielbaren Leistung möglich ist.
Daher müssen für jeden neuen Algorithmus unterschiedliche Software- und Hardwarearchitekturen evaluiert werden. Die systematische Bewertung von Software-Implementierungen für unterschiedliche Hardware-Architekturen hat in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht, zum Beispiel durch den SHA-3 Wettbewerb. Im Vergleich dazu ist die Evaluation für Hardware-Plattformen wie z.B. FPGAs weiterhin sehr zeitaufwendig und fehleranfällig. Dies liegt an vielen Faktoren, z.B. an den mannigfaltigen Möglichkeiten der verschiedenen Zieltechnologien. Ein möglicher Verbesserungsansatz besteht darin, die Bewertung mit einem abstrakteren Ansatz zu beginnen, um interessante Architekturen und Implementierungen anhand von theoretischen Eigenschaften auszuwählen.
Der erste Hauptbeitrag dieser Arbeit ist die Entwicklung einer abstrakten Bewertungsmethodik, die auf einem theoretischen Modell von getakteten Schaltungen basiert. Das Modell verbessert das Verständnis von Grundeigenschaften dieser Schaltungen und erleichtert auch die abstrakte Modellierung von Architekturen für einen spezifischen Algorithmus. Wenn mehrere verschiedene Architekturen für den gleichen Algorithmus ausgewertet werden, ist es auch möglich zu bestimmen, ob ein Algorithmus gut skaliert. Beispielsweise können Auswirkungen einer Verkleinerung des Datenpfades auf die Größe des Speicherverbrauchs analysiert werden. Basierend auf der entwickelten Methodik können wichtige Eigenschaften, wie der Speicherbedarf, die Anzahl an Taktzyklen oder die Pipeline-Tiefe systematisch bewertet werden. Damit kann eine grobe Schätzung für die Effektivtät einer Architektur abgeleitet werden.
Die Performance-Abschätzung wird auch durch ein theoretisches Konzept der Optimalität der Anzahl an Taktzyklen untermauert. Optimal in diesem Sinne ist eine Architektur, wenn sie verzögerungsfrei ist, d.h. keine Wartezyklen benötigt. Durch die Betrachtung von Datenabhängigkeiten zwischen den einzelnen Runden kann eine minimale und maximale Anzahl an Taktzyklen ermittelt werden. Eine Verletzung dieser Grenzen würde bedeuten, dass die Berechnung der Runden-Funktion nicht alle Ausgangs-Bits produziert hat, wenn diese für die nächste Runde benötigt werden und somit würden Wartezyklen entstehen.
Der zweite Beitrag der Dissertation nutzt die Analysemethodik für mehrere Hash-Funktion. Es werden sechs Hash-Funktionen bewertet: BLAKE, Grøstl, Keccak, JH, Skein und Photon. Die ersten fünf Hash-Funktionen sind die Finalisten des SHA-3 Wettbewerb. Die SHA-3 Finalisten haben eine hohe Sicherheit als oberstes Design-Ziel und nur in zweiter Linie eine hohe Performance. Im Gegensatz dazu wurde Photon für leichtgewichtige Anwendungen konzipiert, z.B. RFID-Tags. Dazu wurde auch die Sicherheit von Photon reduziert. Für jeden Algorithmus wird eine oder mehrere mögliche Organisationensformen des Speichers entwickelt. Als nächstes wird die Anzahl von Taktzyklen auf der Grundlage der Speicherorganisation ermittelt. Das generelle Ziel dabei ist die Entwicklung von Architekturen mit einer optimalen Anzahl von Taktzyklen. Die Diskussion konzentriert sich als nächstes auf verschiedene Möglichkeiten die Runden-Funktion optimal umzusetzen. Das Ergebnis der Evaluierung umfasst mindestens die Schätzung der minimalen Speicheranforderung, die analysierte Pipeline-Tiefe und den theoretischen Durchsatz für lange Nachrichten mit einer festgelegten Taktfrequenz. Diese Ergebnisse lassen eine Einschätzung über die mögliche Leistung der jeweiligen Architekturen zu.
Der dritte Beitrag der Arbeit besteht aus mehreren Implementierungs-Ergebnissen. Zunächst werden Ergebnisse für die SHA-3 Finalisten BLAKE, Grøstl, JH, Keccak und Skein gezeigt. Von den fünf Algorithmen haben alle außer Skein eine relativ hohe Performanz, während Skein abgeschlagen ist. Eine weitere Untersuchung konzentriert sich auf kleinere Implementierungen des SHA-3 Siegers Keccak. Dazu gehören auch nicht standardisierte Varianten mit einem kleineren Zustand. Diese kleineren Versionen werden mit ersten FPGA-Ergebnissen für die Photon Hash-Funktion verglichen. Eine wesentliche Erkenntnis davon ist, dass Keccak auch für FPGA-Anwendungen mit beschränktem Ressourcen-Bedarf prinzipiell sehr wettbewerbsfähig ist.
The constantly increasing memory density and performance of recent Field Programmable Gate Arrays (FPGA) has boosted a usage in many technical applications such as particle accelerators, automotive industry as well as defense and space. Some of these fields of interest are characterized by the presence of ionizing radiation as caused by natural decay or artificial excitation processes. Unfortunately, this type of radiation affects various digital circuits, including transistors forming Static Random Access Memory (SRAM) storage cells that constitute the technology node for high performance FPGAs. Various digital misbehavior in temporal or permanent manner as well as physical destruction of transistors are the consequence. Therefore, the mitigation of such effects becomes an essential design rule when using SRAM FPGAs in ionizing radiation environments. Tolerance against soft errors can be handled across various layers of modern FPGA design, starting with the most basic silicon manufacturing process, towards configuration, firmware, and system design, until finally ending up with application and software engineering. But only a highly optimized, joint concept of system-wide fault tolerance provides sufficient resilience against ionizing radiation effects without losing too much valuable device resources to the safety approach. This concept is introduced, analyzed, improved and validated in the present work. It includes, but is not limited to, static configuration scrubbing, various firmware redundancy approaches, dynamic memory conservation as well as state machine protection. Guidelines are given to improve manual design practices concerning fault tolerance and tools are shown to reduce necessary efforts. Finally, the SysCore development platform has been maintained to support the recommended design methods and act as Device Under Test (DUT) for all particle irradiation experiments that prove the efficiency of the proposed concept of system-wide fault tolerance for SRAM FPGAs in ionizing radiation environments.
Relational data exchange deals with translating relational data according to a given specification. This problem is one of the many tasks that arise in data integration, for example, in data restructuring, in ETL (Extract-Transform-Load) processes used for updating data warehouses, or in data exchange between different, possibly independently created, applications. Systems for relational data exchange exist for several decades now. Motivated by their experiences with one of those systems, Fagin, Kolaitis, Miller, and Popa (2003) studied fundamental and algorithmic issues arising in relational data exchange. One of these issues is how to answer queries that are posed against the target schema (i.e., against the result of the data exchange) so that the answers are consistent with the source data. For monotonic queries, the certain answers semantics proposed by Fagin, Kolaitis, Miller, and Popa (2003) is appropriate. For many non-monotonic queries, however, the certain answers semantics was shown to yield counter-intuitive results. This thesis deals with computing the certain answers for monotonic queries on the one hand, and on the other hand, it deals with the issue of which semantics are appropriate for answering non-monotonic queries, and how hard it is to evaluate non-monotonic queries under these semantics. As shown by Fagin, Kolaitis, Miller, and Popa (2003), computing the certain answers for unions of conjunctive queries - a subclass of the monotonic queries - basically reduces to computing universal solutions, provided the data transformation is specified by a set of tgds (tuple-generating dependencies) and egds (equality-generating dependencies). If M is such a specification and S is a source database, then T is called a solution for S under M if T is a possible result of translating S according to M. Intuitively, universal solutions are most general solutions. Since the above-mentioned work by Fagin, Kolaitis, Miller, and Popa it was unknown whether it is decidable if a source database has a universal solution under a given data exchange specification. In this thesis, we show that this problem is undecidable. More precisely, we construct a specification M that consists of tgds only so that it is undecidable whether a given source database has a universal solution under M. From the proof it also follows that it is undecidable whether the chase procedure - by which universal models can be obtained - terminates on a given source database and the set of tgds in M. The above results in particular strengthen results of Deutsch, Nash, and Remmel (2008). Concerning the issue of which semantics are appropriate for answering non-monotonic queries, we study several semantics for answering such queries. All of these semantics are based on the closed world assumption (CWA). First, the CWA-semantics of Libkin (2006) are extended so that they can be applied to specifications consisting of tgds and egds. The key is to extend the concept of CWA-solution, on which the CWA-semantics are based. CWA-solutions are characterized as universal solutions that are derivable from the source database using a suitably controlled version of the chase procedure. In particular, if CWA-solutions exist, then there is a minimal CWA-solution that is unique up to isomorphism: the core of the universal solutions introduced by Fagin, Kolaitis, and Popa (2003). We show that evaluation of a query under some of the CWA-semantics reduces to computing the certain answers to the query on the minimal CWA-solution. The CWA-semantics resolve some the known problems with answering non-monotonic queries. There are, however, two natural properties that are not possessed by the CWA-semantics. On the one hand, queries may be answered differently with respect to data exchange specifications that are logically equivalent. On the other hand, there are queries whose answer under the CWA-semantics intuitively contradicts the information derivable from the source database and the data exchange specification. To find an alternative semantics, we first test several CWA-based semantics from the area of deductive databases for their suitability regarding non-monotonic query answering in relational data exchange. More precisely, we focus on the CWA-semantics by Reiter (1978), the GCWA-semantics (Minker 1982), the EGCWA-semantics (Yahya, Henschen 1985) and the PWS-semantics (Chan 1993). It turns out that these semantics are either too weak or too strong, or do not possess the desired properties. Finally, based on the GCWA-semantics we develop the GCWA*-semantics which intuitively possesses the desired properties. For monotonic queries, some of the CWA-semantics as well as the GCWA*-semantics coincide with the certain answers semantics, that is, results obtained for the certain answers semantics carry over to those semantics. When studying the complexity of evaluating non-monotonic queries under the above-mentioned semantics, we focus on the data complexity, that is, the complexity when the data exchange specification and the query are fixed. We show that in many cases, evaluating non-monotonic queries is hard: co-NP- or NP-complete, or even undecidable. For example, evaluating conjunctive queries with at least one negative literal under simple specifications may be co-NP-hard. Notice, however, that this result only says that there is such a query and such a specification for which the problem is hard, but not that the problem is hard for all such queries and specifications. On the other hand, we identify a broad class of queries - the class of universal queries - which can be evaluated in polynomial time under the GCWA*-semantics, provided the data exchange specification is suitably restricted. More precisely, we show that universal queries can be evaluated on the core of the universal solutions, independent of the source database and the specification.
Two-particle angular correlations between trigger particles in the forward pseudorapidity range (2.5<|η|<4.0) and associated particles in the central range (|η|<1.0) are measured with the ALICE detector in p-Pb collisions at a nucleon-nucleon centre-of-mass energy of 5.02 TeV. The trigger particles are reconstructed using the muon spectrometer, and the associated particles by the central barrel tracking detectors. In high-multiplicity events, the double-ridge structure, previously discovered in two-particle angular correlations at midrapidity, is found to persist to the pseudorapidity ranges studied in this Letter. The second-order Fourier coefficients for muons in high-multiplicity events are extracted after jet-like correlations from low-multiplicity events have been subtracted. The coefficients are found to have a similar transverse momentum (pT) dependence in p-going (p-Pb) and Pb-going (Pb-p) configurations, with the Pb-going coefficients larger by about 16±6%, rather independent of pT within the uncertainties of the measurement. The data are compared with calculations using the AMPT model, which predicts a different pT and η dependence than observed in the data. The results are sensitive to the parent particle v2 and composition of reconstructed muon tracks, where the contribution from heavy flavour decays are expected to dominate at pT>2 GeV/c.