A numerical solver for a nonlinear Fokker-Planck equation representation of neuronal network dynamics

To describe the collective behavior of large ensembles of neurons in neuronal network, a kinetic theory description was developed in [13, 12], where a macroscopic representation of the network dynamics was directly derived from the microscopic dynamics of individual neurons, which are modeled by conductance-based, linear, integrate-and-fire point neurons. A diffusion approximation then led to a nonlinear Fokker-Planck equation for the probability density function of neuronal membrane potentials and synaptic conductances. In this work, we propose a deterministic numerical scheme for a Fokker-Planck model of an excitatory-only network. Our numerical solver allows us to obtain the time evolution of probability distribution functions, and thus, the evolution of all possible macroscopic quantities that are given by suitable moments of the probability density function. We show that this deterministic scheme is capable of capturing the bistability of stationary states observed in Monte Carlo simulations. Moreover, the transient behavior of the firing rates computed from the Fokker-Planck equation is analyzed in this bistable situation, where a bifurcation scenario, of asynchronous convergence towards stationary states, periodic synchronous solutions or damped oscillatory convergence towards stationary states, can be uncovered by increasing the strength of the excitatory coupling. Finally, the computation of moments of the probability distribution allows us to validate the applicability of a moment closure assumption used in [13] to further simplify the kinetic theory.

Gestión de recursos en nodos multi-core de memoria compartida

La gestión de recursos en los procesadores multi-core ha ganado importancia con la evolución de las aplicaciones y arquitecturas. Pero esta gestión es muy compleja. Por ejemplo, una misma aplicación paralela ejecutada múltiples veces con los mismos datos de entrada, en un único nodo multi-core, puede tener tiempos de ejecución muy variables. Hay múltiples factores hardware y software que afectan al rendimiento. La forma en que los recursos hardware (cómputo y memoria) se asignan a los procesos o threads, posiblemente de varias aplicaciones que compiten entre sí, es fundamental para determinar este rendimiento. La diferencia entre hacer la asignación de recursos sin conocer la verdadera necesidad de la aplicación, frente a asignación con una meta específica es cada vez mayor. La mejor manera de realizar esta asignación és automáticamente, con una mínima intervención del programador. Es importante destacar, que la forma en que la aplicación se ejecuta en una arquitectura no necesariamente es la más adecuada, y esta situación puede mejorarse a través de la gestión adecuada de los recursos disponibles. Una apropiada gestión de recursos puede ofrecer ventajas tanto al desarrollador de las aplicaciones, como al entorno informático donde ésta se ejecuta, permitiendo un mayor número de aplicaciones en ejecución con la misma cantidad de recursos. Así mismo, esta gestión de recursos no requeriría introducir cambios a la aplicación, o a su estrategia operativa. A fin de proponer políticas para la gestión de los recursos, se analizó el comportamiento de aplicaciones intensivas de cómputo e intensivas de memoria. Este análisis se llevó a cabo a través del estudio de los parámetros de ubicación entre los cores, la necesidad de usar la memoria compartida, el tamaño de la carga de entrada, la distribución de los datos dentro del procesador y la granularidad de trabajo. Nuestro objetivo es identificar cómo estos parámetros influyen en la eficiencia de la ejecución, identificar cuellos de botella y proponer posibles mejoras. Otra propuesta es adaptar las estrategias ya utilizadas por el Scheduler con el fin de obtener mejores resultados.

Underwater Gigamosaicing

El procés de fusió de dues o més imatges de la mateixa escena en una d'única i més gran és conegut com a Image Mosaicing. Un cop finalitzat el procés de construcció d'un mosaic, els límits entre les imatges són habitualment visibles, degut a imprecisions en els registres fotomètric i geomètric. L'Image Blending és l'etapa del procediment de mosaicing a la que aquests artefactes són minimitzats o suprimits. Existeixen diverses metodologies a la literatura que tracten aquests problemes, però la majoria es troben orientades a la creació de panorames terrestres, imatges artístiques d'alta resolució o altres aplicacions a les quals el posicionament de la càmera o l'adquisició de les imatges no són etapes rellevants. El treball amb imatges subaquàtiques presenta desafiaments importants, degut a la presència d'scattering (reflexions de partícules en suspensió) i atenuació de la llum i a condicions físiques extremes a milers de metres de profunditat, amb control limitat dels sistemes d'adquisició i la utilització de tecnologia d'alt cost. Imatges amb il·luminació artificial similar, sense llum global com la oferta pel sol, han de ser unides sense mostrar una unió perceptible. Les imatges adquirides a gran profunditat presenten una qualitat altament depenent de la profunditat, i la seva degradació amb aquest factor és molt rellevant. El principal objectiu del treball és presentar dels principals problemes de la imatge subaquàtica, seleccionar les estratègies més adequades i tractar tota la seqüència adquisició-procesament-visualització del procés. Els resultats obtinguts demostren que la solució desenvolupada, basada en una Estratègia de Selecció de Límit Òptim, Fusió en el Domini del Gradient a les regions comunes i Emfatització Adaptativa d'Imatges amb baix nivell de detall permet obtenir uns resultats amb una alta qualitat. També s'ha proposat una estratègia, amb possibilitat d'implementació paral·lela, que permet processar mosaics de kilòmetres d'extensió amb resolució de centímetres per píxel.

Aprendre a Ensenyar a Resoldre Problemes

La finalitat general del projecte és la millora de la formació dels estudiants de magisteri i de professorat, pel que fa a la seva visió i els seus coneixements sobre l'ensenyament i aprenentatge de les matemàtiques, a partir d'una redefinició de les diferents assignatures de didàctica de les matemàtiques. Es pren l'aprenentatge de l'ensenyament de la resolució de problemes com a eix vertebrador de les assignatures, introduint la realitat de l'aula per mitjà de la interpretació de casos professionals gravats en videoclips. El projecte pretén elaborar materials docents així com dissenyar i experimentar noves metodologies, tant en l'àmbit presencial com virtual, i al mateix temps fomentar la coordinació del professorat que imparteix les assignatures de didàctica. Tot el material es recollirà en una base de dades en l'ADRE, que permetrà la consulta tant presencial com virtual dels materials docents i casos professionals recollits per parts de l'alumnat i professorat. Els objectius a assolits responen a la finalitat del projecte i estan relacionats amb moltes de les prioritats de la convocatòria, ja que impliquen, entre altres coses, la producció de material docent, l’experimentació de noves metodologies i la interrelació entre teoria i pràctica professional.

Aula matemàtica, 2a. part. : un projecte per a la millora de l'aprenentatge de les matemàtiques a la UAB

El projecte Aula Matemàtica consta de dues parts. 1. Elaborar un material d'autoaprenentatge en suport digital que cobreixi tots els temes de Matemàtiques de 1r. curs de les carreres de Ciències (Biologia, Química, etc.) i les Enginyeries. Aquest material, accessible des de qualsevol ordinador connectat a Internet, és una base de dades de problemes que els alumnes poden utilitzar per a treballar el temes explicats a classe, o be per cobrir deficiències a la seva formació pre-universitària. Al mateix temps, es poden realitzar exàmens, i els alumnes poden practicar amb els problemes d'examen. 2. Durant unes hores cada dia, oferir una (o diverses) aules d'informàtica al campus de la UAB amb presència de personal de suport (professors, o becaris de darrers cursos de matemàtiques o doctorat) per tal que els alumnes que vulguin (o necessitin) puguin practicar amb ajuda, i consultat els dubtes que tinguin. En la fase actual del projecte s’han fet les següents actuacions: 1. S’ha obert una aula d’informàtica amb suport de becaris a la facultat de Ciències, on a més de practicar els alumnes, s’han efectuat exàmens. 2. S’ha treballat en el programa per tal de fer-lo més amigable. 3. S’ha ampliat la base de problemes fins a 1450, i cobrir totes les assignatures de Matemàtiques i Estadística de 1r. curs de la facultat de Ciències i l’Escola Tècnica Superior d’Enginyeries. 4. S’ha començat a treballar per a la utilització del programa a Secundària. 5. S’han fet avanços molt importants per tal d’incorporar problemes amb resposta oberta. 6. El programa és accessible des de qualsevol ordenador amb Internet.

Alineamiento de secuencias genéticas en procesadores multicore

Este trabajo analiza el rendimiento del algoritmo de alineamiento de secuencias conocido como Needleman-Wunsch, sobre 3 sistemas de cómputo multiprocesador diferentes. Se analiza y se codifica el algoritmo serie usando el lenguaje de programación C y se plantean una serie de optimizaciones con la finalidad de minimizar el volumen y el tiempo de cómputo. Posteriormente, se realiza un análisis de las prestaciones del programa sobre los diferentes sistemas de cómputo. En la segunda parte del trabajo, se paraleliza el algoritmo serie y se codifica ayudándonos de OpenMP. El resultado son dos variantes del programa que difieren en la relación entre la cantidad de cómputo y la de comunicación. En la primera variante, la comunicación entre procesadores es poco frecuente y se realiza tras largos periodos de ejecución (granularidad gruesa). En cambio, en la segunda variante las tareas individuales son relativamente pequeñas en término de tiempo de ejecución y la comunicación entre los procesadores es frecuente (granularidad fina). Ambas variantes se ejecutan y analizan en arquitecturas multicore que explotan el paralelismo a nivel de thread. Los resultados obtenidos muestran la importancia de entender y saber analizar el efecto del multicore y multithreading en el rendimiento.

A geometric mechanism of diffusion: Rigorous verification in a priori unstable Hamiltonian systems

In this paper we consider a representative a priori unstable Hamiltonian system with 2+1/2 degrees of freedom, to which we apply the geometric mechanism for diffusion introduced in the paper Delshams et al., Mem.Amer.Math. Soc. 2006, and generalized in Delshams and Huguet, Nonlinearity 2009, and provide explicit, concrete and easily verifiable conditions for the existence of diffusing orbits. The simplification of the hypotheses allows us to perform explicitly the computations along the proof, which contribute to present in an easily understandable way the geometric mechanism of diffusion. In particular, we fully describe the construction of the scattering map and the combination of two types of dynamics on a normally hyperbolic invariant manifold.

Line search multilevel optimization as computational methods for dense optical flow

We evaluate the performance of different optimization techniques developed in the context of optical flowcomputation with different variational models. In particular, based on truncated Newton methods (TN) that have been an effective approach for large-scale unconstrained optimization, we develop the use of efficient multilevel schemes for computing the optical flow. More precisely, we evaluate the performance of a standard unidirectional multilevel algorithm - called multiresolution optimization (MR/OPT), to a bidrectional multilevel algorithm - called full multigrid optimization (FMG/OPT). The FMG/OPT algorithm treats the coarse grid correction as an optimization search direction and eventually scales it using a line search. Experimental results on different image sequences using four models of optical flow computation show that the FMG/OPT algorithm outperforms both the TN and MR/OPT algorithms in terms of the computational work and the quality of the optical flow estimation.

Credit risk contributions under the Vasicek one-factor model: a fast wavelet expansion approximation

To measure the contribution of individual transactions inside the total risk of a credit portfolio is a major issue in financial institutions. VaR Contributions (VaRC) and Expected Shortfall Contributions (ESC) have become two popular ways of quantifying the risks. However, the usual Monte Carlo (MC) approach is known to be a very time consuming method for computing these risk contributions. In this paper we consider the Wavelet Approximation (WA) method for Value at Risk (VaR) computation presented in [Mas10] in order to calculate the Expected Shortfall (ES) and the risk contributions under the Vasicek one-factor model framework. We decompose the VaR and the ES as a sum of sensitivities representing the marginal impact on the total portfolio risk. Moreover, we present technical improvements in the Wavelet Approximation (WA) that considerably reduce the computational effort in the approximation while, at the same time, the accuracy increases.

Population genetic structure and demography analysis in palinurus elephas populations from atlantic and mediterranean waters

Report for the scientific sojourn at the University of Reading, United Kingdom, from January until May 2008. The main objectives have been firstly to infer population structure and parameters in demographic models using a total of 13 microsatellite loci for genotyping approximately 30 individuals per population in 10 Palinurus elephas populations both from Mediterranean and Atlantic waters. Secondly, developing statistical methods to identify discrepant loci, possibly under selection and implement those methods using the R software environment. It is important to consider that the calculation of the probability distribution of the demographic and mutational parameters for a full genetic data set is numerically difficult for complex demographic history (Stephens 2003). The Approximate Bayesian Computation (ABC), based on summary statistics to infer posterior distributions of variable parameters without explicit likelihood calculations, can surmount this difficulty. This would allow to gather information on different demographic prior values (i.e. effective population sizes, migration rate, microsatellite mutation rate, mutational processes) and assay the sensitivity of inferences to demographic priors by assuming different priors.

Processament de música basat en el seu contingut

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada a la National University of Singapore Singapur, entre juliol i octubre del 2007. Donada l'explosió de la música a l'internet i la ràpida expansió de les col•leccions de música digital, un repte clau en l'àrea de la informació musical és el desenvolupament de sistemes de processament musical eficients i confiables. L'objectiu de la investigació proposada ha estat treballar en diferents aspectes de l'extracció, modelatge i processat del contingut musical. En particular, s’ha treballat en l'extracció, l'anàlisi i la manipulació de descriptors d'àudio de baix nivell, el modelatge de processos musicals, l'estudi i desenvolupament de tècniques d'aprenentatge automàtic per a processar àudio, i la identificació i extracció d'atributs musicals d'alt nivell. S’han revisat i millorat alguns components d'anàlisis d'àudio i revisat components per a l'extracció de descriptors inter-nota i intra-nota en enregistraments monofónics d'àudio. S’ha aplicat treball previ en Tempo a la formalització de diferents tasques musicals. Finalment, s’ha investigat el processat d'alt nivell de música basandonos en el seu contingut. Com exemple d'això, s’ha investigat com músics professionals expressen i comuniquen la seva interpretació del contingut musical i emocional de peces musicals, i hem usat aquesta informació per a identificar automàticament intèrprets. S’han estudiat les desviacions en paràmetres com to, temps, amplitud i timbre a nivell inter-nota i intra-nota.

Parallelization of whole genome alignment

With the advent of High performance computing, it is now possible to achieve orders of magnitude performance and computation e ciency gains over conventional computer architectures. This thesis explores the potential of using high performance computing to accelerate whole genome alignment. A parallel technique is applied to an algorithm for whole genome alignment, this technique is explained and some experiments were carried out to test it. This technique is based in a fair usage of the available resource to execute genome alignment and how this can be used in HPC clusters. This work is a rst approximation to whole genome alignment and it shows the advantages of parallelism and some of the drawbacks that our technique has. This work describes the resource limitations of current WGA applications when dealing with large quantities of sequences. It proposes a parallel heuristic to distribute the load and to assure that alignment quality is mantained.

Avaluació de la tecnologia de les GPUs

En el projecte s’ha dut a terme un estudi sobre la tecnologia que aporten les targetes gràfiques (GPU) dins l’àmbit de programació d’aplicacions que tradicionalment eren executades en la CPU o altrament conegut com a GPGPU. S’ha fet una anàlisi profunda del marc tecnològic actual explicant part del maquinari de les targetes gràfiques i de què tracta el GPGPU. També s’han estudiat les diferents opcions que existeixen per poder realitzar els tests de rendiment que permetran avaluar el programari, quin programari està dissenyat per ser executat amb aquesta tecnologia i quin és el procediment a seguir per poder utilitzar-los. S’han efectuat diverses proves per avaluar el rendiment de programari dissenyat o compatible d’executar en la GPU, realitzant taules comparatives amb els temps de còmput. Un cop finalitzades les diferents proves del programari, es pot concloure que no tota aplicació processada en la GPU aporta un benefici. Per poder veure millores és necessari que l’aplicació reuneixi una sèrie de requisits com que disposi d’un elevat nombre d’operacions que es puguin realitzar en paral lel, que no existeixin condicionants per a l’execució de les operacions i que sigui un procés amb càlcul aritmètic intensiu.

Desenvolupament d'aplicacions amb J2EE

Eina basada en un entorn tan actual com Internet, per ajudar als alumnes de ESO en el seus estudis, més en concret en l'assignatura de Matemàtiques.

Projecte HAITí SIG : anàlisi bàsic de rutes òptimes a zones de catàstrofe

Els Sistemes d'Informació Geogràfica s'han convertit en quelcom molt important en els darrers temps gràcies al desenvolupament de les tecnologies sobre les que es recolzen. Aquest projecte tracta sobre ells, i ho fa des de dos vessats: el teòric i el pràctic. En la part teòrica del projecte es farà una revisió del que són per a què serveixen els Sistemes d'Informació Geogràfica. Per a entendre'ls amb més garanties es tracten lleugerament alguns conceptes genèrics sobre geodèsia i cartografia. La part pràctica del projecte descriu de quina forma s'ha creat un Sistema d'Informació Geogràfica que permet el tractament de dades d'Haití i que facilita la creació de mapes diversos. Addicionalment, per a veure una utilitat real del que es pot fer amb ells, es descriu també de quina forma s'ha dissenyat una aplicació que permet realitzar el càlcul de rutes òptimes entre dos punts, partint com a base de la xarxa de carreteres d'Haití. Per a finalitzar, es descriu de quina manera s'ha implementat un control de trams de carretera intransitables, els quals no seran considerats en el càlcul de les rutes.