Semi-algebraic methods for symbolic analysis of complex reaction networks

The identification of chemical mechanism that can exhibit oscillatory phenomena in reaction networks are currently of intense interest. In particular, the parametric question of the existence of Hopf bifurcations has gained increasing popularity due to its relation to the oscillatory behavior around the fixed points. However, the detection of oscillations in high-dimensional systems and systems with constraints by the available symbolic methods has proven to be difficult. The development of new efficient methods are therefore required to tackle the complexity caused by the high-dimensionality and non-linearity of these systems. In this thesis, we mainly present efficient algorithmic methods to detect Hopf bifurcation fixed points in (bio)-chemical reaction networks with symbolic rate constants, thereby yielding information about their oscillatory behavior of the networks. The methods use the representations of the systems on convex coordinates that arise from stoichiometric network analysis. One of the methods called HoCoQ reduces the problem of determining the existence of Hopf bifurcation fixed points to a first-order formula over the ordered field of the reals that can then be solved using computational-logic packages. The second method called HoCaT uses ideas from tropical geometry to formulate a more efficient method that is incomplete in theory but worked very well for the attempted high-dimensional models involving more than 20 chemical species. The instability of reaction networks may lead to the oscillatory behaviour. Therefore, we investigate some criterions for their stability using convex coordinates and quantifier elimination techniques. We also study Muldowney's extension of the classical Bendixson-Dulac criterion for excluding periodic orbits to higher dimensions for polynomial vector fields and we discuss the use of simple conservation constraints and the use of parametric constraints for describing simple convex polytopes on which periodic orbits can be excluded by Muldowney's criteria. All developed algorithms have been integrated into a common software framework called PoCaB (platform to explore bio- chemical reaction networks by algebraic methods) allowing for automated computation workflows from the problem descriptions. PoCaB also contains a database for the algebraic entities computed from the models of chemical reaction networks.

Degrees of Free Word-Order and Freely Rewriting Restarting Automata

In natural languages with a high degree of word-order freedom syntactic phenomena like dependencies (subordinations) or valencies do not depend on the word-order (or on the individual positions of the individual words). This means that some permutations of sentences of these languages are in some (important) sense syntactically equivalent. Here we study this phenomenon in a formal way. Various types of j-monotonicity for restarting automata can serve as parameters for the degree of word-order freedom and for the complexity of word-order in sentences (languages). Here we combine two types of parameters on computations of restarting automata: 1. the degree of j-monotonicity, and 2. the number of rewrites per cycle. We study these notions formally in order to obtain an adequate tool for modelling and comparing formal descriptions of (natural) languages with different degrees of word-order freedom and word-order complexity.

Mythen und Mythenbildung in Kunst und Werbung

Aufgrund der breiten aktuellen Verwendung des Mythen-Begriffs in Kunst und Werbung, aber darüber hinaus auch in nahezu allen Bereichen gesellschaftlichen Lebens und vor allem in der Philosophie ergibt sich die Notwendigkeit, einen erweiterten Mythos-Begriff über das Historisch-Authentische hinaus zu verfolgen. Ausgehend von einer strukturalen Annäherung an den Mythos-Begriff im Sinne des von Roland Barthes vorgeschlagenen sekundären semiologischen Systems, d.h. einer semiologischen Sinnverschiebung zur Schaffung einer neuen – mythischen – Bedeutung, fordert diese neue Bedeutung eine Analyse, eine Mythenanalyse heraus. Dies ist deshalb so entscheidend, weil eben diese neue Bedeutung ihr mythisches Profil im Sinne von Hans Blumenberg durch forcierte Bedeutsamkeit für Individuen oder für bestimmte gesellschaftliche Gruppierungen unterlegt, z.B. durch bewusst intensive Wiederholung eines Themas oder durch unerwartete Koinzidenzen von Ereignissen oder durch Steigerung bzw. Depotenzierung von Fakten. Der erweiterte Mythen-Begriff verlangt nach einer Strukturierung und führt dabei zu unterschiedlichen Mythen-Ansätzen: zum Ursprungsstoff des authentischen Mythos und darauf basierender Geisteslage, zum Erkennen eines reflektierten Mythos, wenn es um das Verhältnis Mythos/Aufklärung geht, zum Zeitgeist-Mythos mit seinen umfangreichen Ausprägungen ideologischer, affirmativer und kritischer Art oder zu Alltagsmythen, die sich auf Persönlichkeitskulte und Sachverherrlichungen beziehen. Gerade der letztere Typus ist das Terrain der Werbung, die über den Gebrauchswert eines Produktes hinaus Wert steigernde Tauschwerte durch symbolische Zusatzattribute erarbeiten möchte. Hierbei können Markenmythen unterschiedlichster Prägung entstehen, denen wir täglich im Fernsehen oder im Supermarkt begegnen. Die Manifestation des Mythos in der Kunst ist einerseits eine unendliche Transformationsgeschichte mythischer Substanzen und andererseits ein überhöhender Bezug auf Zeitgeisterscheinungen, etwa bei dem Mythos des Künstlers selbst oder der durch ihn vorgenommenen „Verklärung des Gewöhnlichen“. Die Transformationsprozesse können u.a . prototypisch an zwei Beispielketten erläutert werden, die für den Kunst/Werbung-Komplex besonders interessant sind, weil ihr Charakter sich in einem Fall für die Werbung als äußerst Erfolg versprechend erwiesen hat und weil sich im zweiten Fall geradezu das Gegenteil abzeichnet: Zum einen ist es die Mythengestalt der Nymphe, jene jugendliche, erotisch-verführerische Frauengestalt, die über ihre antiken Wurzeln als Sinnbild der Lebensfreude und Fruchtbarkeit hinaus in und nach der Renaissance ihre Eignung als Verbildlichung der Wiederzulassung des Weiblichen in der Kunst beweist und schließlich der Instrumen-talisierung der Werbung dient. Im anderen Fall ist es die Geschichte der Medusa, die man idealtypisch als die andere Seite der Nympha bezeichnen kann. Hier hat Kunst Auf-klärungsarbeit geleistet, vor allem durch die Verschiebung des medusischen Schreckens von ihr weg zu einer allgemein-medusischen Realität, deren neue Träger nicht nur den Schrecken, sondern zugleich ihre Beteiligung an der Schaffung dieses Schreckens auf sich nehmen. Mythosanalyse ist erforderlich, um die Stellungnahmen der Künstler über alle Epochen hinweg und dabei vor allem diese Transformationsprozesse zu erkennen und im Sinne von Ent- oder Remythologisierung einzuordnen. Die hierarchische Zuordnung der dabei erkannten Bedeutungen kann zu einem Grundbestandteil einer praktischen Philosophie werden, wenn sie einen Diskurs durchläuft, der sich an Jürgen Habermas’ Aspekt der Richtigkeit für kommunikatives Handeln unter dem Gesichtspunkt der Toleranz orientiert. Dabei ist nicht nur zu beachten, dass eine verstärkte Mythenbildung in der Kunst zu einem erweiterten Mythen-begriff und damit zu dem erweiterten, heute dominierenden Kunstbegriff postmoderner Prägung geführt hat, sondern dass innerhalb des aktuellen Mythenpakets sich die Darstellungen von Zeitgeist- und Alltagsmythen zu Lasten des authentischen und des reflektierten Mythos entwickelt haben, wobei zusätzlich werbliche Markenmythen ihre Entstehung auf Verfahrensvorbildern der Kunst basieren. Die ökonomische Rationalität der aktuellen Gesellschaft hat die Mythenbildung keines-wegs abgebaut, sie hat sie im Gegenteil gefördert. Der neuerliche Mythenbedarf wurde stimuliert durch die Sinnentleerung der zweckrationalisierten Welt, die Ersatzbedarf anmeldete. Ihre Ordnungsprinzipien durchdringen nicht nur ihre Paradedisziplin, die Ökonomie, sondern Politik und Staat, Wissenschaft und Kunst. Das Umschlagen der Aufklärung wird nur zu vermeiden sein, wenn wir uns Schritt für Schritt durch Mythenanalyse unserer Unmündigkeit entledigen.

Effect of dressing on high-order harmonic generation in vibrating H2 molecules

Wir entwickeln die Starkfeldnäherung für die Erzeugung hoher Harmonischer in Wasserstoffmolekülen, wobei die Vibrationsbewegung berücksichtigt wird, sowie die laserinduzierte Kopplung zwischen den beiden untersten Born-Oppenheimer-Zuständen im Molekülion, das durch die anfängliche Ionisation des Moleküls erzeugt wird. Wir zeigen, dass die Kopplung bei längeren Laserwellenlängen (≈ 2 μm) wichtig wird und zu einer Reduzierung der Erzeugung von Harmonischen führt, sowie zu einer Änderung des Verhältnisses von Harmonischen in verschiedenen Isotopen. ----------------------------------------------------------------------- We develop the strong-field approximation for high-order harmonic generation in hydrogen molecules, including the vibrational motion and the laser-induced coupling of the lowest two Born-Oppenheimer states in the molecular ion that is created by the initial ionization of the molecule. We show that the field dressing becomes important at long laser wavelengths (≈ 2 μm), leading to an overall reduction of harmonic generation and modifying the ratio of harmonic signals from different isotopes.

Empathie in der Psychotherapie aus neuer Perspektive

Die traditionellen Empathiekonzepte (z. B. Rogers, Kohut), die in der Psychotherapie bis heute maßgebend sind, werden einer gründlichen Überprüfung unterzogen. Dabei ergeben sich drei wesentliche Kritikpunkte: (1) Empathische Vorgänge in der Psychotherapie werden als einseitige Prozesse verstanden; der Therapeut fühlt sich in die Klientin ein, nicht auch umgekehrt. (2) Empathie wird in Cartesianischer Tradition schwerpunktmäßig als kognitive Leistung gesehen; ein körperloser Geist vergegenwärtigt sich die mentalen Inhalte eines anderen. (3) Das traditionelle Empathieverständnis ist individualistisch: Therapeutin und Klient halten sich demnach scheinbar im luftleeren Raum auf. Es sieht so aus, als existiere kein Kontext, der sie umgibt. So einseitig, wie ihre Beziehung gedacht wird, so abgetrennt, wie ihr Körper von ihrem Geist zu sein scheint, so unverbunden sind sie scheinbar mit dem Rest der Welt. Aus diesen drei Kritikpunkten folgt die Notwendigkeit, den Empathiebegriff der Psychotherapie zu erweitern, d. h. (a) Empathie als gegenseitigen Prozess der Beteiligten zu begreifen, (b) ihre tiefe Verwurzelung in der Leiblichkeit des Menschen zu berücksichtigen und (c) ihre Einbettung in die Dynamiken einer gemeinsamen Situation im Rahmen eines kulturellen Kontextes einzubeziehen. Mit Rückgriff auf neuere Untersuchungsergebnisse aus der Entwicklungspsychologie (z. B. Emde, Hobson, Meltzoff, Stern, Trevarthen), der Sozial- und Emotionspsychologie (z. B. Chartrand, Ekman, Goleman, Hatfield, Holodynski), der sozialen Neurowissenschaften (z. B. Damasio, Gallese, Iacoboni, LeDoux, Rizzolatti), aber auch mit Hilfe der Erkenntnisse aus der klassischen (Husserl, Merleau- Ponty, Edith Stein) und der Neuen Phänomenologie (Schmitz) sowie aus symbolischem Interaktionismus (Mead) und aus der kulturhistorischen Schule (Vygotskij) werden diese drei bislang wenig beleuchteten Dimensionen der Empathie betrachtet. ad a) Die Gegenseitigkeit empathischer Vorgänge in der Psychotherapie wird anhand des entwicklungspsychologischen Konzepts des social referencing erläutert und untersucht: Kleinkinder, die in eine unbekannte bzw. unsichere Situation geraten (z. B. im Experiment mit der "visuellen Klippe"), orientieren sich an den nonverbalen Signalen ihrer Bezugspersonen, um diese Situation zu bewältigen. Dabei erfasst die Mutter die Situation des Kindes, versucht ihm ihre Stellungnahme zu seiner Situation zu übermitteln, und das Kind begreift die Reaktion der Mutter als Stellungnahme zu seiner Situation. ad b) Die Körperlichkeit bzw. Leiblichkeit der Einfühlung manifestiert sich in vielfältigen Formen, wie sie von der Psychologie, der Phänomenologie und den Neurowissenschaften erforscht werden. Das kulturübergreifende Erkennen des Gesichtsausdrucks von Basisemotionen ist hier ebenso zu nennen wie die Verhaltensweisen des motor mimicry, bei dem Menschen Körperhaltungen und – bewegungen ihrer Bezugspersonen unwillkürlich imitieren; des Weiteren das unmittelbare Verstehen von Gesten sowie die Phänomene der „Einleibung“, bei denen die körperliche Situation des Anderen (z. B. eines stürzenden Radfahrers, den man beobachtet) am eigenen Leib mitgefühlt wird; und außerdem die Entdeckung der „Spiegelneurone“ und anderer neuronaler Strukturen, durch die Wahrgenommenes direkt in analoge motorische Aktivität übersetzt wird. ad c) Intersubjektivitätstheoretische Überlegungen, Konzepte wie „dyadisch erweiterter Bewusstseinszustand“ (Tronick) und „gemeinsame Situation“ (Gurwitsch, Schmitz) verweisen auf die Bedeutung überindividueller, ‚emergenter’ Dimensionen, die für die Verständigung zwischen Menschen wichtig sind. Sie folgen gestaltpsychologischen Prinzipien („Das Ganze ist mehr und anders als die Summe seiner Teile.“), die mit Hilfe von Gadamers Begriff des „Spiels“ analysiert werden. Am Ende der Arbeit stehen die Definition eines neuen Empathiebegriffs, wie er sich aus den vorangegangenen Überlegungen ergibt, sowie eine These über die psychotherapeutische Wirkweise menschlicher Einfühlung, die durch weitere Forschungen zu überprüfen wäre.

Theoretical study of magnetism, structure and chemical order in transition-metal alloy clusters

Research on transition-metal nanoalloy clusters composed of a few atoms is fascinating by their unusual properties due to the interplay among the structure, chemical order and magnetism. Such nanoalloy clusters, can be used to construct nanometer devices for technological applications by manipulating their remarkable magnetic, chemical and optical properties. Determining the nanoscopic features exhibited by the magnetic alloy clusters signifies the need for a systematic global and local exploration of their potential-energy surface in order to identify all the relevant energetically low-lying magnetic isomers. In this thesis the sampling of the potential-energy surface has been performed by employing the state-of-the-art spin-polarized density-functional theory in combination with graph theory and the basin-hopping global optimization techniques. This combination is vital for a quantitative analysis of the quantum mechanical energetics. The first approach, i.e., spin-polarized density-functional theory together with the graph theory method, is applied to study the Fe$_m$Rh$_n$ and Co$_m$Pd$_n$ clusters having $N = m+n \leq 8$ atoms. We carried out a thorough and systematic sampling of the potential-energy surface by taking into account all possible initial cluster topologies, all different distributions of the two kinds of atoms within the cluster, the entire concentration range between the pure limits, and different initial magnetic configurations such as ferro- and anti-ferromagnetic coupling. The remarkable magnetic properties shown by FeRh and CoPd nanoclusters are attributed to the extremely reduced coordination number together with the charge transfer from 3$d$ to 4$d$ elements. The second approach, i.e., spin-polarized density-functional theory together with the basin-hopping method is applied to study the small Fe$_6$, Fe$_3$Rh$_3$ and Rh$_6$ and the larger Fe$_{13}$, Fe$_6$Rh$_7$ and Rh$_{13}$ clusters as illustrative benchmark systems. This method is able to identify the true ground-state structures of Fe$_6$ and Fe$_3$Rh$_3$ which were not obtained by using the first approach. However, both approaches predict a similar cluster for the ground-state of Rh$_6$. Moreover, the computational time taken by this approach is found to be significantly lower than the first approach. The ground-state structure of Fe$_{13}$ cluster is found to be an icosahedral structure, whereas Rh$_{13}$ and Fe$_6$Rh$_7$ isomers relax into cage-like and layered-like structures, respectively. All the clusters display a remarkable variety of structural and magnetic behaviors. It is observed that the isomers having similar shape with small distortion with respect to each other can exhibit quite different magnetic moments. This has been interpreted as a probable artifact of spin-rotational symmetry breaking introduced by the spin-polarized GGA. The possibility of combining the spin-polarized density-functional theory with some other global optimization techniques such as minima-hopping method could be the next step in this direction. This combination is expected to be an ideal sampling approach having the advantage of avoiding efficiently the search over irrelevant regions of the potential energy surface.

A High Order Finite Volume Scheme for the 2D Shallow Water Equations Including Topography

Inhalt dieser Arbeit ist ein Verfahren zur numerischen Lösung der zweidimensionalen Flachwassergleichung, welche das Fließverhalten von Gewässern, deren Oberflächenausdehnung wesentlich größer als deren Tiefe ist, modelliert. Diese Gleichung beschreibt die gravitationsbedingte zeitliche Änderung eines gegebenen Anfangszustandes bei Gewässern mit freier Oberfläche. Diese Klasse beinhaltet Probleme wie das Verhalten von Wellen an flachen Stränden oder die Bewegung einer Flutwelle in einem Fluss. Diese Beispiele zeigen deutlich die Notwendigkeit, den Einfluss von Topographie sowie die Behandlung von Nass/Trockenübergängen im Verfahren zu berücksichtigen. In der vorliegenden Dissertation wird ein, in Gebieten mit hinreichender Wasserhöhe, hochgenaues Finite-Volumen-Verfahren zur numerischen Bestimmung des zeitlichen Verlaufs der Lösung der zweidimensionalen Flachwassergleichung aus gegebenen Anfangs- und Randbedingungen auf einem unstrukturierten Gitter vorgestellt, welches in der Lage ist, den Einfluss topographischer Quellterme auf die Strömung zu berücksichtigen, sowie in sogenannten \glqq lake at rest\grqq-stationären Zuständen diesen Einfluss mit den numerischen Flüssen exakt auszubalancieren. Basis des Verfahrens ist ein Finite-Volumen-Ansatz erster Ordnung, welcher durch eine WENO Rekonstruktion unter Verwendung der Methode der kleinsten Quadrate und eine sogenannte Space Time Expansion erweitert wird mit dem Ziel, ein Verfahren beliebig hoher Ordnung zu erhalten. Die im Verfahren auftretenden Riemannprobleme werden mit dem Riemannlöser von Chinnayya, LeRoux und Seguin von 1999 gelöst, welcher die Einflüsse der Topographie auf den Strömungsverlauf mit berücksichtigt. Es wird in der Arbeit bewiesen, dass die Koeffizienten der durch das WENO-Verfahren berechneten Rekonstruktionspolynome die räumlichen Ableitungen der zu rekonstruierenden Funktion mit einem zur Verfahrensordnung passenden Genauigkeitsgrad approximieren. Ebenso wird bewiesen, dass die Koeffizienten des aus der Space Time Expansion resultierenden Polynoms die räumlichen und zeitlichen Ableitungen der Lösung des Anfangswertproblems approximieren. Darüber hinaus wird die wohlbalanciertheit des Verfahrens für beliebig hohe numerische Ordnung bewiesen. Für die Behandlung von Nass/Trockenübergangen wird eine Methode zur Ordnungsreduktion abhängig von Wasserhöhe und Zellgröße vorgeschlagen. Dies ist notwendig, um in der Rechnung negative Werte für die Wasserhöhe, welche als Folge von Oszillationen des Raum-Zeit-Polynoms auftreten können, zu vermeiden. Numerische Ergebnisse die die theoretische Verfahrensordnung bestätigen werden ebenso präsentiert wie Beispiele, welche die hervorragenden Eigenschaften des Gesamtverfahrens in der Berechnung herausfordernder Probleme demonstrieren.

First-principles electronic theory of non-collinear magnetic order in transition-metal nanowires

The structural, electronic and magnetic properties of one-dimensional 3d transition-metal (TM) monoatomic chains having linear, zigzag and ladder geometries are investigated in the frame-work of first-principles density-functional theory. The stability of long-range magnetic order along the nanowires is determined by computing the corresponding frozen-magnon dispersion relations as a function of the 'spin-wave' vector q. First, we show that the ground-state magnetic orders of V, Mn and Fe linear chains at the equilibrium interatomic distances are non-collinear (NC) spin-density waves (SDWs) with characteristic equilibrium wave vectors q that depend on the composition and interatomic distance. The electronic and magnetic properties of these novel spin-spiral structures are discussed from a local perspective by analyzing the spin-polarized electronic densities of states, the local magnetic moments and the spin-density distributions for representative values q. Second, we investigate the stability of NC spin arrangements in Fe zigzag chains and ladders. We find that the non-collinear SDWs are remarkably stable in the biatomic chains (square ladder), whereas ferromagnetic order (q =0) dominates in zigzag chains (triangular ladders). The different magnetic structures are interpreted in terms of the corresponding effective exchange interactions J(ij) between the local magnetic moments μ(i) and μ(j) at atoms i and j. The effective couplings are derived by fitting a classical Heisenberg model to the ab initio magnon dispersion relations. In addition they are analyzed in the framework of general magnetic phase diagrams having arbitrary first, second, and third nearest-neighbor (NN) interactions J(ij). The effect of external electric fields (EFs) on the stability of NC magnetic order has been quantified for representative monoatomic free-standing and deposited chains. We find that an external EF, which is applied perpendicular to the chains, favors non-collinear order in V chains, whereas it stabilizes the ferromagnetic (FM) order in Fe chains. Moreover, our calculations reveal a change in the magnetic order of V chains deposited on the Cu(110) surface in the presence of external EFs. In this case the NC spiral order, which was unstable in the absence of EF, becomes the most favorable one when perpendicular fields of the order of 0.1 V/Å are applied. As a final application of the theory we study the magnetic interactions within monoatomic TM chains deposited on graphene sheets. One observes that even weak chain substrate hybridizations can modify the magnetic order. Mn and Fe chains show incommensurable NC spin configurations. Remarkably, V chains show a transition from a spiral magnetic order in the freestanding geometry to FM order when they are deposited on a graphene sheet. Some TM-terminated zigzag graphene-nanoribbons, for example V and Fe terminated nanoribbons, also show NC spin configurations. Finally, the magnetic anisotropy energies (MAEs) of TM chains on graphene are investigated. It is shown that Co and Fe chains exhibit significant MAEs and orbital magnetic moments with in-plane easy magnetization axis. The remarkable changes in the magnetic properties of chains on graphene are correlated to charge transfers from the TMs to NN carbon atoms. Goals and limitations of this study and the resulting perspectives of future investigations are discussed.

Meshing highly regular structures: The case of super carbon nanotubes of arbitrary order

Mesh generation is an important step inmany numerical methods.We present the “HierarchicalGraphMeshing” (HGM)method as a novel approach to mesh generation, based on algebraic graph theory.The HGM method can be used to systematically construct configurations exhibiting multiple hierarchies and complex symmetry characteristics. The hierarchical description of structures provided by the HGM method can be exploited to increase the efficiency of multiscale and multigrid methods. In this paper, the HGMmethod is employed for the systematic construction of super carbon nanotubes of arbitrary order, which present a pertinent example of structurally and geometrically complex, yet highly regular, structures. The HGMalgorithm is computationally efficient and exhibits good scaling characteristics. In particular, it scales linearly for super carbon nanotube structures and is working much faster than geometry-based methods employing neighborhood search algorithms. Its modular character makes it conducive to automatization. For the generation of a mesh, the information about the geometry of the structure in a given configuration is added in a way that relates geometric symmetries to structural symmetries. The intrinsically hierarchic description of the resulting mesh greatly reduces the effort of determining mesh hierarchies for multigrid and multiscale applications and helps to exploit symmetry-related methods in the mechanical analysis of complex structures.