Mathematik
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Frühe mathematische Bildung – Ziele und Gelingensbedingungen für den Elementar- und Primarbereich
(2017)
Im Rahmen der Schriftenreihe "Wissenschaftliche Untersuchungen zur Arbeit der Stiftung 'Haus der kleinen Forscher'" werden regelmäßig wissenschaftliche Beiträge von renommierten Expertinnen und Experten aus dem Bereich der frühen Bildung veröffentlicht. Diese Schriftenreihe dient einem fachlichen Dialog zwischen Stiftung, Wissenschaft und Praxis, mit dem Ziel, allen Kitas, Horten und Grundschulen in Deutschland fundierte Unterstützung für ihren frühkindlichen Bildungsauftrag zu geben.
Der vorliegende achte Band der Reihe mit einem Geleitwort von Kristina Reiss stellt die Ziele und Gelingensbedingungen mathematischer Bildung im Elementar- und Primarbereich in den Fokus.
Christiane Benz, Meike Grüßing, Jens Holger Lorenz, Christoph Selter und Bernd Wollring spezifizieren in ihrer Expertise pädagogisch-inhaltliche Zieldimensionen mathematischer Bildung im Kita- und Grundschulalter. Neben einer theoretischen Fundierung verschiedener Zielbereiche werden Instrumente für deren Messung aufgeführt. Des Weiteren erörtern die Autorinnen und Autoren Gelingensbedingungen für eine effektive und wirkungsvolle frühe mathematische Bildung in der Praxis. Sie geben zudem Empfehlungen für die Weiterentwicklung der Stiftungsangebote und die wissenschaftliche Begleitung der Stiftungsarbeit im Bereich Mathematik.
Das Schlusskapitel des Bandes beschreibt die Umsetzung dieser fachlichen Empfehlungen in den inhaltlichen Angeboten der Stiftung "Haus der kleinen Forscher".
Für balancierte, irreduzible Pólya-Urnen-Modelle sind Grenzwertsätze für die normalisierte Anzahl von Kugeln einer Farbe bekannt. Für eine spezielle Urne, deren Dynamik mit "Randomised-Play-the-Winner Rule" bezeichnet wird, werden im Rahmen der bekannten Grenzwertsätze Konvergenzraten in Wasserstein-Metriken und in der Kolmogorov-Metrik im Falle eines nicht-normalverteilten Grenzwerts hergeleitet.
We study exchangeable coalescent trees and the evolving genealogical trees in models for neutral haploid populations.
We show that every exchangeable infinite coalescent tree can be obtained as the genealogical tree of iid samples from a random marked metric measure space when the marks are added to the metric distances. We apply this representation to generalize the tree-valued Fleming-Viot process to include the case with dust in which the genealogical trees have isolated leaves.
Using the Donnelly-Kurtz lookdown approach, we describe all individuals ever alive in the population model by a random complete and separable metric space, the lookdown space, which we endow with a family of sampling measures. This yields a pathwise construction of tree-valued Fleming-Viot processes. In the case of coming down from infinity, we also read off a process whose state space is endowed with the Gromov-Hausdorff-Prohorov topology. This process has additional jumps at the extinction times of parts of the population.
In the case with only binary reproduction events, we construct the lookdown space also from the Aldous continuum random tree by removing the root and the highest leaf, and by deforming the metric in a way that corresponds to the time change that relates the Fleming-Viot process with a Dawson-Watanabe process. The sampling measures on the lookdown space are then image measures of the normalized local time measures.
We also show invariance principles for Markov chains that describe the evolving genealogy in Cannings models. For such Markov chains with values in the space of distance matrix distributions, we show convergence to tree-valued Fleming-Viot processes under the conditions of Möhle and Sagitov for the convergence of the genealogy at a fixed time to a coalescent with simultaneous multiple mergers. For the convergence of Markov chains with values in the space of marked metric measure spaces, an additional assumption is needed in the case with dust.
Random constraint satisfaction problems have been on the agenda of various sciences such as discrete mathematics, computer science, statistical physics and a whole series of additional areas of application since the 1990s at least. The objective is to find a state of a system, for instance an assignment of a set of variables, satisfying a bunch of constraints. To understand the computational hardness as well as the underlying random discrete structures of these problems analytically and to develop efficient algorithms that find optimal solutions has triggered a huge amount of work on random constraint satisfaction problems up to this day. Referring to this context in this thesis we present three results for two random constraint satisfaction problems. ...
Based on a non-rigorous formalism called the “cavity method”, physicists have made intriguing predictions on phase transitions in discrete structures. One of the most remarkable ones is that in problems such as random k-SAT or random graph k-coloring, very shortly before the threshold for the existence of solutions there occurs another phase transition called condensation [Krzakala et al., PNAS 2007]. The existence of this phase transition seems to be intimately related to the difficulty of proving precise results on, e. g., the k-colorability threshold as well as to the performance of message passing algorithms. In random graph k-coloring, there is a precise conjecture as to the location of the condensation phase transition in terms of a distributional fixed point problem. In this paper we prove this conjecture, provided that k exceeds a certain constant k0.
The condensation phase transition and the number of solutions in random graph and hypergraph models
(2016)
This PhD thesis deals with two different types of questions on random graph and random hypergraph structures.
One part is about the proof of the existence and the determination of the location of the condensation phase transition. This transition will be investigated for large values of $k$ in the problem of $k$-colouring random graphs and in the problem of 2-colouring random $k$-uniform hypergraphs, where in the latter case we investigate a more general model with finite inverse temperature.
The other part deals with establishing the limiting distribution of the number of solutions in these structures in density regimes below the condensation threshold.
Algorithms for the Maximum Cardinality Matching Problem which greedily add edges to the solution enjoy great popularity. We systematically study strengths and limitations of such algorithms, in particular of those which consider node degree information to select the next edge. Concentrating on nodes of small degree is a promising approach: it was shown, experimentally and analytically, that very good approximate solutions are obtained for restricted classes of random graphs. Results achieved under these idealized conditions, however, remained unsupported by statements which depend on less optimistic assumptions.
The KarpSipser algorithm and 1-2-Greedy, which is a simplified variant of the well-known MinGreedy algorithm, proceed as follows. In each step, if a node of degree one (resp. at most two) exists, then an edge incident with a minimum degree node is picked, otherwise an arbitrary edge is added to the solution.
We analyze the approximation ratio of both algorithms on graphs of degree at most D. Families of graphs are known for which the expected approximation ratio converges to 1/2 as D grows to infinity, even if randomization against the worst case is used. If randomization is not allowed, then we show the following convergence to 1/2: the 1-2-Greedy algorithm achieves approximation ratio (D-1)/(2D-3); if the graph is bipartite, then the more restricted KarpSipser algorithm achieves the even stronger factor D/(2D-2). These guarantees set both algorithms apart from other famous matching heuristics like e.g. Greedy or MRG: these algorithms depend on randomization to break the 1/2-barrier even for paths with D=2. Moreover, for any D our guarantees are strictly larger than the best known bounds on the expected performance of the randomized variants of Greedy and MRG.
To investigate whether KarpSipser or 1-2-Greedy can be refined to achieve better performance, or be simplified without loss of approximation quality, we systematically study entire classes of deterministic greedy-like algorithms for matching. Therefore we employ the adaptive priority algorithm framework by Borodin, Nielsen, and Rackoff: in each round, an adaptive priority algorithm requests one or more edges by formulating their properties---like e.g. "is incident with a node of minimum degree"---and adds the received edges to the solution. No constraints on time and space usage are imposed, hence an adaptive priority algorithm is restricted only by its nature of picking edges in a greedy-like fashion. If an adaptive priority algorithm requests edges by processing degree information, then we show that it does not surpass the performance of KarpSipser: our D/(2D-2)-guarantee for bipartite graphs is tight and KarpSipser is optimal among all such "degree-sensitive" algorithms even though it uses degree information merely to detect degree-1 nodes. Moreover, we show that if degrees of both nodes of an edge may be processed, like e.g. the Double-MinGreedy algorithm does, then the performance of KarpSipser can only be increased marginally, if at all. Of special interest is the capability of requesting edges not only by specifying the degree of a node but additionally its set of neighbors. This enables an adaptive priority algorithm to "traverse" the input graph. We show that on general degree-bounded graphs no such algorithm can beat factor (D-1)/(2D-3). Hence our bound for 1-2-Greedy is tight and this algorithm performs optimally even though it ignores neighbor information. Furthermore, we show that an adaptive priority algorithm deteriorates to approximation ratio exactly 1/2 if it does not request small degree nodes. This tremendous decline of approximation quality happens for graphs on which 1-2-Greedy and KarpSipser perform optimally, namely paths with D=2. Consequently, requesting small degree nodes is vital to beat factor 1/2.
Summarizing, our results show that 1-2-Greedy and KarpSipser stand out from known and hypothetical algorithms as an intriguing combination of both approximation quality and conceptual simplicity.
Die letzten Jahrzehnte brachten einen enormen Zuwachs des Wissens und Verständnisses über die molekularen Prozesse des Lebens.Möglich wurde dieser Zuwachs durch die Entwicklung diverser Methoden, mit denen beispielsweise gezielt die Konzentration einzelner Stoffe gemessen werden kann oder gar alle anwesenden Metaboliten eines biologischen Systems erfasst werden können. Die großflächige Anwendung dieser Methoden führte zur Ansammlung vieler unterschiedlicher -om-Daten, wie zum Beispiel Metabolom-, Proteom- oder Transkriptoms-Datensätzen. Die Systembiologie greift auf solche Daten zurück, um mathematische Modelle biologischer Systeme zu erstellen, und ermöglicht so ein Studium biologischer Systeme auch außerhalb des Labors.
Für größere biologische Systeme stehen jedoch meistens nicht alle Informationen über Stoffkonzentrationen oder Reaktionsgeschwindigkeiten zur Verfügung, um eine quantitative Modellierung, also die Beschreibung von Änderungsraten kontinuierlicher Variablen, durchführen zu können. In einem solchen Fall wird auf Methoden der qualitativen Modellierung zurückgegriffen. Eine dieser Methoden sind die Petrinetze (PN), welche in den 1960er Jahren von Carl Adam Petri entwickelt wurden, um nebenläufige Prozesse im technischen Umfeld zu beschreiben. Seit Anfang der 1990er Jahre finden PN auch Anwendung in der Systembiologie, um zum Beispiel metabolische Systeme oder Signaltransduktionswege zu modellieren. Einer der Vorteile dieser Methode ist zudem, dass Modelle als qualitative Beschreibung des Systems begonnen werden können und im Laufe der Zeit um quantitative Beschreibungen ergänzt werden können.
Zur Modellierung und Analyse von PN existieren bereits viele Anwendungen. Da das Konzept der PN jedoch ursprünglich nicht für die Systembiologie entwickelt wurde und meist im technischen Bereich verwendet wird, existierten kaum Anwendungen, die für den Einsatz in der Systembiologie entwickelt wurden. Daher ist auch die Durchführung der für die Systembiologie entwickelten Analysemethoden für PN nicht mit diesen Anwendungen möglich. Die Motivation des ersten Teiles dieser Arbeit war daher, eine Anwendung zu schaffen, die speziell für die PN-Modellierung und Analyse in der Systembiologie gedacht ist, also in ihren Analysemethoden und ihrer Terminologie sich an den Bedürfnissen der Systembiologie orientiert. Zudem sollte die Anwendung den Anwender bei der Auswertung der Resultate der Analysemethoden visuell unterstützen, indem diese direkt visuell im Kontext des PN gesetzt werden. Da bei komplexeren PN die Resultate der Analysemethoden in ihrer Zahl drastisch anwachsen, wird eine solche Auswertung dieser notwendig. Aus dieser Motivation heraus entstand die Anwendung MonaLisa, dessen Implementierung und Funktionen im ersten Teil der vorliegenden Arbeit beschrieben werden. Neben den klassischen Analysemethoden für PN, wie den Transitions- und Platz-Invarianten, mit denen grundlegende funktionale Module innerhalb eines PN gefunden werden können, wurden weitere, meist durch die Systembiologie entwickelte, Analysemethoden implementiert. Dazu zählen zum Beispiel die Minimal Cut Sets, die Maximal Common Transitions Sets oder Knock-out-Analysen. Mit MonaLisa ist aber auch die Simulation des dynamischen Verhaltens des modellierten biologischen Systems möglich. Hierzu stehen sowohl deterministische als auch stochastische Verfahren, beispielsweise der Algorithmus von Gillespie zur Simulation chemischer Systeme, zur Verfügung. Für alle zur Verfügung gestellten Analysemethoden wird ebenfalls eine visuelle Repräsentation ihrer Resultate bereitgestellt. Im Falle der Invarianten werden deren Elemente beispielsweise in der Visualisierung des PN eingefärbt. Die Resultate der Simulationen oder der topologischen Analyse können durch verschiedene Graphen ausgewertet werden. Um eine Schnittstelle zu anderen Anwendungen zu schaffen, wurde für MonaLisa eine Unterstützung einiger gängiger Dateiformate der Systembiologie geschaffen, so z.B. für SBML und KGML.
Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der topologischen Analyse eines Datensatzes von 2641 Gesamtgenom Modellen aus der path2models-Datenbank. Diese Modelle wurden automatisiert aus dem vorhandenen Wissen der KEGG- und der MetaCyc-Datenbank erstellt. Die Analyse der topologischen Eigenschaften eines Graphen ermöglicht es, grundlegende Aussagen über die globalen Eigenschaften des modellierten Systems und dessen Entstehungsprozesses zu treffen. Daher ist eine solche Analyse oft der erste Schritt für das Verständnis eines komplexen biologischen Systems. Für die Analyse der Knotengrade aller Reaktionen und Metaboliten dieser Modelle wurden sie in einem ersten Schritt in PN transformiert. Die topologischen Eigenschaften von metabolischen Systemen werden in der Literatur schon sehr gut beschrieben, wobei die Untersuchungen meist auf einem Netzwerk der Metaboliten oder der Reaktionen basieren. Durch die Verwendung von PN wird es möglich, die topologischen Eigenschaften von Metaboliten und Reaktionen in einem gemeinsamen Netzwerk zu untersuchen. Die Motivation hinter diesen Untersuchungen war, zu überprüfen, ob die schon beschriebenen Eigenschaften auch für eine Darstellung als PN zutreffen und welche neuen Eigenschaften gefunden werden können. Untersucht wurden der Knotengrad und der Clusterkoeffizient der Modelle. Es wird gezeigt, dass einige wenige Metaboliten mit sehr hohem Knotengrad für eine ganze Reihe von Effekten verantwortlich sind, wie beispielsweise dass die Verteilung des Knotengrades und des Clusterkoeffizienten, im Bezug auf Metaboliten, skalenfrei sind und dass sie für die Vernetzung der Nachbarschaft von Reaktionen verantwortlich sind. Weiter wird gezeigt, dass die Größe eines Modelles Einfluss auf dessen topologische Eigenschaften hat. So steigt die Vernetzung der Nachbarschaft eines Metaboliten, je mehr Metaboliten in einem biologischen System vorhanden sind, gleiches gilt für den durchschnittlichen Knotengrad der Metaboliten.
Given an Abelian semi-group (A, +), an A-valued curvature measure is a valuation with values in A-valued measures. If A = R, complete classifications of Hausdorff-continuous translation-invariant SO(n)-invariant valuations and curvature measures were obtained by Hadwiger and Schneider, respectively. More recently, characterisation results have been achieved for curvature measures with values in A = Sym^p R^n and A = Sym^2 Λ^q R^n for p, q ≥ 1 with varying assumptions as for their invariance properties.
In the present work, we classify all smooth translation-invariant SO(n)-covariant curvature measures with values in any SO(n)-representation in terms of certain differential forms on the sphere bundle S R^n and describe their behaviour under the globalisation map. The latter result also yields a similar classification of all continuous SO(n)-module-valued SO(n)-covariant valuations. Furthermore, a decomposition of the space of smooth translation-
invariant scalar-valued curvature measures as an SO(n)-module is obtained. As a corollary, we construct explicit bases of continuous translation-invariant scalar-valued valuations and smooth translation-invariant scalar-valued curvature measures.
Die Populationsgenetik beschäftigt sich mit dem Einfluss von zufälliger Reproduktion, Rekombination, Migration, Mutation und Selektion auf die genetische Struktur einer Population.
In dieser Arbeit mit dem englischen Titel "Ancestral lines under mutation and selection" wird das Zusammenspiel von zufälliger Reproduktion, gerichteter Selektion und Zweiwegmutation untersucht.
Dazu betrachten wir eine haploide Population in der jedes Individuum zu jedem Zeitpunkt genau einen von zwei Typen aus S:={0,1} trägt. Dabei sei 1 der neutrale und 0 der selektiv bevorzugte Typ. Im Diffusionslimes sehr großer Populationen modellieren wir den Prozess der Frequenz der Typ-0-Individuen durch eine Wright-Fisher-Diffusion X:=(X_t) mit Mutation und gerichteter Selektion.
Zu jedem Zeitpunkt s gibt es genau ein Individuum, dessen Nachkommen ab einem bestimmten zukünftigen Zeitpunkt t>s die gesamte Population ausmachen werden. Wir nennen dieses Individuum den gemeinsamen Vorfahren zum Zeitpunkt s, da alle Individuen zu allen Zeitpunkten r>t von ihm abstammen. Sei R_{s} dessen Typ zum Zeitpunkt s. Wir nehmen an, dass der Prozess X zum Zeitpunkt 0 im Gleichgewicht ist und definieren die Wahrscheinlichkeit, dass der gemeinsame Vorfahre zum Zeitpunkt 0 Typ 0 hat, durch h(x):= P(R_{0}=0|X_{0}=x). Eine Darstellung von h(x) wurde bereits von Fearnhead (2002) und Taylor (2007) gefunden und dort mit vorwiegend analytischen Methoden bewiesen. In dieser Arbeit entwickeln wir in Kapitel 3 ein neues Teilchenbild, den pruned lookdown ancestral selection graph (pruned LD-ASG), der für sich selbst genommen interessant ist und eine neue probabilistische Interpretation der Darstellung von h(x) liefert.
Durch Erweiterung des Teilchenbildes auf Nachkommenverteilungen mit schweren Tails und mit Hilfe einer Siegmund Dualität gelingt es uns in Kapitel 4 das Resultat für h(x) von klassischen Wright-Fisher-Diffusionen auf Lambda-Wright-Fisher-Diffuison zu erweitern.
Eine Verbindung zwischen Ideen von Taylor (2007), der den gemeinsamen Prozess (X,R) untersucht hat, und einem von Fearnhead (2002) betrachteten Prozess (R,V), der die Entwicklung des Typs R des gemeinsamen Vorfahren in einer Umgebung von V sogenannten virtuellen Linien beschreibt, stellen wir in Kapitel 6 her. Wir bestimmen die gemeinsame Dynamik des Tripels (X,R,V). In Kapitel 7 betrachten wir ein diskretes Bild mit endlicher Populationsgröße N und schlagen dort eine Brücke zu Resultaten von Kluth, Hustedt und Baake (2013).
Des Weiteren entwickeln wir in Kapitel 5 dieser Arbeit einen Algorithmus zur Simulation der Typen einer Stichprobe von m Individuen, die aus einer Wright-Fisher-Population mit Mutation und Selektion im Gleichgewicht gezogen wird. Mittels dieses Algorithmus illustrieren wir die Typenverteilung für verschiedene Parameterwerte und Stichprobengrößen.
Das Vertrauen vieler Menschen in ihre mathematischen und musikalischen Fähigkeiten ist oftmals sehr niedrig ausgeprägt oder wenig ausdifferenziert. Sie glauben, dass sie in dem einen oder anderen Fach (oder beiden) nicht gut seien. Hinzukommt, dass die Aussage „Ich kann nicht singen“ oder „Mathematik habe ich noch nie verstanden“ durchaus gesellschaftsfähig ist und sie nicht daran hindern muss, eine erfolgreiche Karriere zu durchlaufen, noch wird es die Meinung anderer über sie ändern.
Das Projekt „European Music Portfolio – Sounding Ways into Mathematics“ (EMP-Maths) möchte dieses Verständnis ändern. Jeder kann singen und Musik machen und jeder kann Mathematik treiben. Beide Themen sind integraler Bestandteil unseres Lebens und unserer Gesellschaft. Was geändert werden muss, ist das Bild von diesen beiden Fächern und die Fähigkeit von Lehrpersonen, Lernenden die Gelegenheit zu geben, dieses zu verändern und die beiden Fächer als bereichernd für die Lebensgestaltung einzustufen.
Beispielhaft wird im Arbeitsbuch eine Aktivität vorgestellt, in welcher Mathematik und Musik in einer Unterrichtssequenz miteinander verbunden werden. Weitere Aktivitäten, die in der Schule genutzt werden können, finden sich im Handbuch für Lehrerinnen und Lehrer. Viele weitere Beispiele und Vorschläge sind bereits vorhanden (siehe Web-Seite des Projekts) und wir möchten jeden ermutigen, sie zu nutzen. Die Auswahl im Handbuch deckt einige zentralen Felder der Mathematik und der Musik ab: Singen, Tanzen, Hören, Probleme lösen, Zahlen, Messen, Raum und Form. Mit diesem Ansatz wollen wir das Projekt an die Kerncurricula der beteiligten Länder anbinden: Deutschland, Griechenland, Rumänien, Slowakei, Spanien, Schweiz und Großbritannien. Die Dokumentation der Beispiele erfolgt in einer Art von Didaktischen Design Patterns, deren Struktur an die Anforderungen des Projekts angepasst wurde.
Das Projekt „Sounding Ways into Mathematics“ stellt Aktivitäten mit unterschiedlichen mathematischen und musikalischen Inhalten vor, um Lehrpersonen ein möglichst breites Spektrum an Hilfsmitteln, Ideen und Beispielen anbieten zu können. Diese Aktivitäten sind so aufgebaut, dass sie erweiter- und anpassbar an unterschiedliche Kontexte sowie auf die Bedürfnisse einer jeden Lehrperson und deren Schülerinnen und Schülern sind. Ferner wurden diese Aktivitäten nicht nur entwickelt, um von der Lehrperson instruktiv ausgeführt zu werden, sondern, um sie gemeinsam mit der Lerngruppe zu nutzen und eventuell sogar gemeinsam zu verändern und weiter zu entwickeln.
Das Projekt „Sounding Ways into Mathematics“ steht in Verbindung zum EMP-Sprachen Projekt „A creative Way into Languages“ (http://emportfolio.eu/emp/).
European Music Portfolio (EMP) – Maths: 'Sounding ways into mathematics' : teacher’s handbook
(2016)
Music and mathematics share an odd character: many people believe that they are not good at one or the other (or both). However, ‘I cannot sing’ or ‘I never understood mathematics’ will probably not keep them from having successful careers, and nor will it change the opinions others have about them.
The project ‘European Music Portfolio – Sounding Ways into Mathematics’ (EMP-Maths) aims towards a different understanding with regards to this character. Everyone can sing and make music, and everyone can do mathematics. Both topics are integral parts of our life and society. What needs to be improved is our ability to give students opportunities to like them.
This teacher’s handbook presents activities with different mathematical and musical content in order to offer teachers resources, ideas and examples. These activities are designed to be expandable, adaptable to different contexts, and adjustable to the needs of each teacher and their students. Furthermore, these activities are not just planned to be carried out individually; a teaching unit could be used to make sense of them, or they could even be developed in connection with each other.
Apart from this teacher’s handbook, the project provides a continuing professional development (CPD) course, a webpage (http://maths.emportfolio.eu) from which all materials can be downloaded, and an online collaboration platform. A general overview of related literature and research is available in separate documents. Additional teacher booklets provide related materials and a brief overview of the theoretical background, and are the basis for the CPD courses. The project ‘Sounding Ways into Mathematics’ is related to the EMP-Languages project ‘A Creative Way into Languages’ (http://emportfolio.eu/emp/).
The behaviour of electronic circuits is influenced by ageing effects. Modelling the behaviour of circuits is a standard approach for the design of faster, smaller, more reliable and more robust systems. In this thesis, we propose a formalization of robustness that is derived from a failure model, which is based purely on the behavioural specification of a system. For a given specification, simulation can reveal if a system does not comply with a specification, and thus provide a failure model. Ageing usually works against the specified properties, and ageing models can be incorporated to quantify the impact on specification violations, failures and robustness. We study ageing effects in the context of analogue circuits. Here, models must factor in infinitely many circuit states. Ageing effects have a cause and an impact that require models. On both these ends, the circuit state is highly relevant, an must be factored in. For example, static empirical models for ageing effects are not valid in many cases, because the assumed operating states do not agree with the circuit simulation results. This thesis identifies essential properties of ageing effects and we argue that they need to be taken into account for modelling the interrelation of cause and impact. These properties include frequency dependence, monotonicity, memory and relaxation mechanisms as well as control by arbitrary shaped stress levels. Starting from decay processes, we define a class of ageing models that fits these requirements well while remaining arithmetically accessible by means of a simple structure.
Modeling ageing effects in semiconductor circuits becomes more relevant with higher integration and smaller structure sizes. With respect to miniaturization, digital systems are ahead of analogue systems, and similarly ageing models predominantly focus on digital applications. In the digital domain, the signal levels are either on or off or switching in between. Given an ageing model as a physical effect bound to signal levels, ageing models for components and whole systems can be inferred by means of average operation modes and cycle counts. Functional and faithful ageing effect models for analogue components often require a more fine-grained characterization for physical processes. Here, signal levels can take arbitrary values, to begin with. Such fine-grained, physically inspired ageing models do not scale for larger applications and are hard to simulate in reasonable time. To close the gap between physical processes and system level ageing simulation, we propose a data based modelling strategy, according to which measurement data is turned into ageing models for analogue applications. Ageing data is a set of pairs of stress patterns and the corresponding parameter deviations. Assuming additional properties, such as monotonicity or frequency independence, learning algorithm can find a complete model that is consistent with the data set. These ageing effect models decompose into a controlling stress level, an ageing process, and a parameter that depends on the state of this process. Using this representation, we are able to embed a wide range of ageing effects into behavioural models for circuit components. Based on the developed modelling techniques, we introduce a novel model for the BTI effect, an ageing effect that permits relaxation. In the following, a transistor level ageing model for BTI that targets analogue circuits is proposed. Similarly, we demonstrate how ageing data from analogue transistor level circuit models lift to purely behavioural block models. With this, we are the first to present a data based hierarchical ageing modeling scheme. An ageing simulator for circuits or system level models computes long term transients, solutions of a differential equation. Long term transients are often close to quasi-periodic, in some sense repetitive. If the evaluation of ageing models under quasi-periodic conditions can be done efficiently, long term simulation becomes practical. We describe an adaptive two-time simulation algorithm that basically skips periods during simulation, advancing faster on a second time axis. The bottleneck of two-time simulation is the extrapolation through skipped frames. This involves both the evaluation of the ageing models and the consistency of the boundary conditions. We propose a simulator that computes long term transients exploiting the structure of the proposed ageing models. These models permit extrapolation of the ageing state by means of a locally equivalent stress, a sort of average stress level. This level can be computed efficiently and also gives rise to a dynamic step control mechanism. Ageing simulation has a wide range of applications. This thesis vastly improves the applicability of ageing simulation for analogue circuits in terms of modelling and efficiency. An ageing effect model that is a part of a circuit component model accounts for parametric drift that is directly related to the operation mode. For example asymmetric load on a comparator or power-stage may lead to offset drift, which is not an empiric effect. Monitor circuits can report such effects during operation, when they become significant. Simulating the behaviour of these monitors is important during their development. Ageing effects can be compensated using redundant parts, and annealing can revert broken components to functional. We show that such mechanisms can be simulated in place using our models and algorithms. The aim of automatized circuit synthesis is to create a circuit that implements a specification for a certain use case. Ageing simulation can identify candidates that are more reliable. Efficient ageing simulation allows to factor in various operation modes and helps refining the selection. Using long term ageing simulation, we have analysed the fitness of a set of synthesized operational amplifiers with similar properties concerning various use cases. This procedure enables the selection of the most ageing resilient implementation automatically.
From Brownian motion with a local time drift to Feller's branching diffusion with logistic growth
(2011)
We give a new proof for a Ray-Knight representation of Feller's branching diffusion with logistic growth in terms of the local times of a reflected Brownian motion H with a drift that is affine linear in the local time accumulated by H
at its current level. In Le et al. (2011) such a representation was obtained by an approximation through Harris paths that code the genealogies of particle systems. The present proof is purely in terms of stochastic analysis, and is inspired by previous work of Norris, Rogers and Williams (1988).
Random ordinary differential equations (RODEs) are ordinary differential equations (ODEs) which have a stochastic process in their vector field functions. RODEs have been used in a wide range of applications such as biology, medicine, population dynamics and engineering and play an important role in the theory of random dynamical systems, however, they have been long overshadowed by stochastic differential equations.
Typically, the driving stochastic process has at most Hoelder continuous sample paths and the resulting vector field is, thus, at most Hoelder continuous in time, no matter how smooth the vector function is in its original variables, so the sample paths of the solution are certainly continuously differentiable, but their derivatives are at most Hoelder continuous in time. Consequently, although the classical numerical schemes for ODEs can be applied pathwise to RODEs, they do not achieve their traditional orders.
Recently, Gruene and Kloeden derived the explicit averaged Euler scheme by taking the average of the noise within the vector field. In addition, new forms of higher order Taylor-like schemes for RODEs are derived systematically by Jentzen and Kloeden.
However, it is still important to build higher order numerical schemes and computationally less expensive schemes as well as numerically stable schemes and this is the motivation of this thesis. The schemes by Gruene and Kloeden and Jentzen and Kloeden are very general, so RODEs with special structure, i.e., RODEs with Ito noise and RODEs with affine structure, are focused and numerical schemes which exploit these special structures are investigated.
The developed numerical schemes are applied to several mathematical models in biology and medicine. In order to see the performance of the numerical schemes, trajectories of solutions are illustrated. In addition, the error vs. step sizes as well as the computational costs are compared among newly developed schemes and the schemes in literature.
In the qualitative analysis of solutions of partial differential equations, many interesting questions are related to the shape of solutions. In particular, the symmetries of a given solution are of interest. One of the first more general results in this direction was given in 1979 by Gidas, Ni and Nirenberg... The main tool in proving this symmetry and monotonicity result is the moving plane method. This method, which goes back to Alexandrov’s work on constant mean curvature surfaces in 1962, was introduced in 1971 by Serrin in the context of partial differential equations to analyze an overdetermined problem...
Triangles of groups have been introduced by Gersten and Stallings. They are, roughly speaking, a generalization of the amalgamated free product of two groups and occur in the framework of Corson diagrams. First, we prove an intersection theorem for Corson diagrams. Then, we focus on triangles of groups. It has been shown by Howie and Kopteva that the colimit of a hyperbolic triangle of groups contains a non-abelian free subgroup. We give two natural conditions, each of which ensures that the colimit of a non-spherical triangle of groups either contains a non-abelian free subgroup or is virtually solvable.