A semi-phenomenological approach to the structure and transport properties of macromolecules in solution

Motiviert durch die Lebenswissenschaften (Life sciences) haben sich Untersuchungen zur Dynamik von Makromolekülen in Lösungen in den vergangenen Jahren zu einem zukunftsweisenden Forschungsgebiet etabliert, dessen Anwendungen von der Biophysik über die physikalische Chemie bis hin zu den Materialwissenschaften reichen. Neben zahlreichen experimentellen Forschungsprogrammen zur räumlichen Struktur und den Transporteigenschaften grosser MolekÄule, wie sie heute praktisch an allen (Synchrotron-) Strahlungsquellen und den Laboren der Biophysik anzutreffen sind, werden gegenwärtig daher auch umfangreiche theoretische Anstrengungen unternommen, um das Diffusionsverhalten von Makromolekülen besser zu erklären. Um neue Wege für eine quantitative Vorhersagen des Translations- und Rotationsverhaltens grosser Moleküle zu erkunden, wurde in dieser Arbeit ein semiphänomenologischer Ansatz verfolgt. Dieser Ansatz erlaubte es, ausgehend von der Hamiltonschen Mechanik des Gesamtsystems 'Molekül + Lösung', eine Mastergleichung für die Phasenraumdichte der Makromoleküle herzuleiten, die den Einfluss der Lösung mittels effektiver Reibungstensoren erfasst. Im Rahmen dieses Ansatzes gelingt es z.B. (i) sowohl den Einfluss der Wechselwirkung zwischen den makromolekularen Gruppen (den sogenannten molekularen beads) und den Lösungsteilchen zu analysieren als auch (ii) die Diffusionseigen schaften für veschiedene thermodynamische Umgebungen zu untersuchen. Ferner gelang es auf der Basis dieser Näherung, die Rotationsbewegung von grossen Molekülen zu beschreiben, die einseitig auf einer Oberfläche festgeheftet sind. Im Vergleich zu den aufwendigen molekulardynamischen (MD) Simulationen grosser Moleküle zeichnet sich die hier dargestellte Methode vor allem durch ihren hohen `Effizienzgewinn' aus, der für komplexe Systeme leicht mehr als fünf Grössenordnungen betragen kann. Dieser Gewinn an Rechenzeit erlaubt bspw. Anwendungen, wie sie mit MD Simulationen wohl auch zukünftig nicht oder nur sehr zögerlich aufgegriffen werden können. Denkbare Anwendungsgebiete dieser Näherung betreffen dabei nicht nur dichte Lösungen, in denen auch die Wechselwirkungen der molekularen beads zu benachbarten Makromolekülen eine Rolle spielt, sondern auch Untersuchungen zu ionischen Flüssigkeiten oder zur Topologie grosser Moleküle.

Characterization theorem for classical orthogonal polynomials on non-uniform lattices: The functional approach

Using the functional approach, we state and prove a characterization theorem for classical orthogonal polynomials on non-uniform lattices (quadratic lattices of a discrete or a q-discrete variable) including the Askey-Wilson polynomials. This theorem proves the equivalence between seven characterization properties, namely the Pearson equation for the linear functional, the second-order divided-difference equation, the orthogonality of the derivatives, the Rodrigues formula, two types of structure relations,and the Riccati equation for the formal Stieltjes function.

Identifikation spezieller Funktionen, die durch Rodriguesformeln gegeben sind

Es ist allgemein bekannt, dass sich zwei gegebene Systeme spezieller Funktionen durch Angabe einer Rekursionsgleichung und entsprechend vieler Anfangswerte identifizieren lassen, denn computeralgebraisch betrachtet hat man damit eine Normalform vorliegen. Daher hat sich die interessante Forschungsfrage ergeben, Funktionensysteme zu identifizieren, die über ihre Rodriguesformel gegeben sind. Zieht man den in den 1990er Jahren gefundenen Zeilberger-Algorithmus für holonome Funktionenfamilien hinzu, kann die Rodriguesformel algorithmisch in eine Rekursionsgleichung überführt werden. Falls die Funktionenfamilie überdies hypergeometrisch ist, sogar laufzeiteffizient. Um den Zeilberger-Algorithmus überhaupt anwenden zu können, muss es gelingen, die Rodriguesformel in eine Summe umzuwandeln. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Umwandlung einer Rodriguesformel in die genannte Normalform für den kontinuierlichen, den diskreten sowie den q-diskreten Fall vollständig. Das in Almkvist und Zeilberger (1990) angegebene Vorgehen im kontinuierlichen Fall, wo die in der Rodriguesformel auftauchende n-te Ableitung über die Cauchysche Integralformel in ein komplexes Integral überführt wird, zeigt sich im diskreten Fall nun dergestalt, dass die n-te Potenz des Vorwärtsdifferenzenoperators in eine Summenschreibweise überführt wird. Die Rekursionsgleichung aus dieser Summe zu generieren, ist dann mit dem diskreten Zeilberger-Algorithmus einfach. Im q-Fall wird dargestellt, wie Rekursionsgleichungen aus vier verschiedenen q-Rodriguesformeln gewonnen werden können, wobei zunächst die n-te Potenz der jeweiligen q-Operatoren in eine Summe überführt wird. Drei der vier Summenformeln waren bislang unbekannt. Sie wurden experimentell gefunden und per vollständiger Induktion bewiesen. Der q-Zeilberger-Algorithmus erzeugt anschließend aus diesen Summen die gewünschte Rekursionsgleichung. In der Praxis ist es sinnvoll, den schnellen Zeilberger-Algorithmus anzuwenden, der Rekursionsgleichungen für bestimmte Summen über hypergeometrische Terme ausgibt. Auf dieser Fassung des Algorithmus basierend wurden die Überlegungen in Maple realisiert. Es ist daher sinnvoll, dass alle hier aufgeführten Prozeduren, die aus kontinuierlichen, diskreten sowie q-diskreten Rodriguesformeln jeweils Rekursionsgleichungen erzeugen, an den hypergeometrischen Funktionenfamilien der klassischen orthogonalen Polynome, der klassischen diskreten orthogonalen Polynome und an der q-Hahn-Klasse des Askey-Wilson-Schemas vollständig getestet werden. Die Testergebnisse liegen tabellarisch vor. Ein bedeutendes Forschungsergebnis ist, dass mit der im q-Fall implementierten Prozedur zur Erzeugung einer Rekursionsgleichung aus der Rodriguesformel bewiesen werden konnte, dass die im Standardwerk von Koekoek/Lesky/Swarttouw(2010) angegebene Rodriguesformel der Stieltjes-Wigert-Polynome nicht korrekt ist. Die richtige Rodriguesformel wurde experimentell gefunden und mit den bereitgestellten Methoden bewiesen. Hervorzuheben bleibt, dass an Stelle von Rekursionsgleichungen analog Differential- bzw. Differenzengleichungen für die Identifikation erzeugt wurden. Wie gesagt gehört zu einer Normalform für eine holonome Funktionenfamilie die Angabe der Anfangswerte. Für den kontinuierlichen Fall wurden umfangreiche, in dieser Gestalt in der Literatur noch nie aufgeführte Anfangswertberechnungen vorgenommen. Im diskreten Fall musste für die Anfangswertberechnung zur Differenzengleichung der Petkovsek-van-Hoeij-Algorithmus hinzugezogen werden, um die hypergeometrischen Lösungen der resultierenden Rekursionsgleichungen zu bestimmen. Die Arbeit stellt zu Beginn den schnellen Zeilberger-Algorithmus in seiner kontinuierlichen, diskreten und q-diskreten Variante vor, der das Fundament für die weiteren Betrachtungen bildet. Dabei wird gebührend auf die Unterschiede zwischen q-Zeilberger-Algorithmus und diskretem Zeilberger-Algorithmus eingegangen. Bei der praktischen Umsetzung wird Bezug auf die in Maple umgesetzten Zeilberger-Implementationen aus Koepf(1998/2014) genommen. Die meisten der umgesetzten Prozeduren werden im Text dokumentiert. Somit wird ein vollständiges Paket an Algorithmen bereitgestellt, mit denen beispielsweise Formelsammlungen für hypergeometrische Funktionenfamilien überprüft werden können, deren Rodriguesformeln bekannt sind. Gleichzeitig kann in Zukunft für noch nicht erforschte hypergeometrische Funktionenklassen die beschreibende Rekursionsgleichung erzeugt werden, wenn die Rodriguesformel bekannt ist.

Changes of traditional farming systems and their effects on land degradation and socio-economic conditions in the Inle Lake region, Myanmar

At many locations in Myanmar, ongoing changes in land use have negative environmental impacts and threaten natural ecosystems at local, regional and national scales. In particular, the watershed area of Inle Lake in eastern Myanmar is strongly affected by the environmental effects of deforestation and soil erosion caused by agricultural intensification and expansion of agricultural land, which are exacerbated by the increasing population pressure and the growing number of tourists. This thesis, therefore, focuses on land use changes in traditional farming systems and their effects on socio-economic and biophysical factors to improve our understanding of sustainable natural resource management of this wetland ecosystem. The main objectives of this research were to: (1) assess the noticeable land transformations in space and time, (2) identify the typical farming systems as well as the divergent livelihood strategies, and finally, (3) estimate soil erosion risk in the different agro-ecological zones surrounding the Inle Lake watershed area. GIS and remote sensing techniques allowed to identify the dynamic land use and land cover changes (LUCC) during the past 40 years based on historical Corona images (1968) and Landsat images (1989, 2000 and 2009). In this study, 12 land cover classes were identified and a supervised classification was used for the Landsat datasets, whereas a visual interpretation approach was conducted for the Corona images. Within the past 40 years, the main landscape transformation processes were deforestation (- 49%), urbanization (+ 203%), agricultural expansion (+ 34%) with a notably increase of floating gardens (+ 390%), land abandonment (+ 167%), and marshlands losses in wetland area (- 83%) and water bodies (- 16%). The main driving forces of LUCC appeared to be high population growth, urbanization and settlements, a lack of sustainable land use and environmental management policies, wide-spread rural poverty, an open market economy and changes in market prices and access. To identify the diverse livelihood strategies in the Inle Lake watershed area and the diversity of income generating activities, household surveys were conducted (total: 301 households) using a stratified random sampling design in three different agro-ecological zones: floating gardens (FG), lowland cultivation (LL) and upland cultivation (UP). A cluster and discriminant analysis revealed that livelihood strategies and socio-economic situations of local communities differed significantly in the different zones. For all three zones, different livelihood strategies were identified which differed mainly in the amount of on-farm and off-farm income, and the level of income diversification. The gross margin for each household from agricultural production in the floating garden, lowland and upland cultivation was US$ 2108, 892 and 619 ha-1 respectively. Among the typical farming systems in these zones, tomato (Lycopersicon esculentum L.) plantation in the floating gardens yielded the highest net benefits, but caused negative environmental impacts given the overuse of inorganic fertilizers and pesticides. The Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE) and spatial analysis within GIS were applied to estimate soil erosion risk in the different agricultural zones and for the main cropping systems of the study region. The results revealed that the average soil losses in year 1989, 2000 and 2009 amounted to 20, 10 and 26 t ha-1, respectively and barren land along the steep slopes had the highest soil erosion risk with 85% of the total soil losses in the study area. Yearly fluctuations were mainly caused by changes in the amount of annual precipitation and the dynamics of LUCC such as deforestation and agriculture extension with inappropriate land use and unsustainable cropping systems. Among the typical cropping systems, upland rainfed rice (Oryza sativa L.) cultivation had the highest rate of soil erosion (20 t ha-1yr-1) followed by sebesten (Cordia dichotoma) and turmeric (Curcuma longa) plantation in the UP zone. This study indicated that the hotspot region of soil erosion risk were upland mountain areas, especially in the western part of the Inle lake. Soil conservation practices are thus urgently needed to control soil erosion and lake sedimentation and to conserve the wetland ecosystem. Most farmers have not yet implemented soil conservation measures to reduce soil erosion impacts such as land degradation, sedimentation and water pollution in Inle Lake, which is partly due to the low economic development and poverty in the region. Key challenges of agriculture in the hilly landscapes can be summarized as follows: fostering the sustainable land use of farming systems for the maintenance of ecosystem services and functions while improving the social and economic well-being of the population, integrated natural resources management policies and increasing the diversification of income opportunities to reduce pressure on forest and natural resources.