Algorithmic computation of knot polynomials of secondary structure elements of proteins

The classification of protein structures is an important and still outstanding problem. The purpose of this paper is threefold. First, we utilize a relation between the Tutte and homfly polynomial to show that the Alexander-Conway polynomial can be algorithmically computed for a given planar graph. Second, as special cases of planar graphs, we use polymer graphs of protein structures. More precisely, we use three building blocks of the three-dimensional protein structure-alpha-helix, antiparallel beta-sheet, and parallel beta-sheet-and calculate, for their corresponding polymer graphs, the Tutte polynomials analytically by providing recurrence equations for all three secondary structure elements. Third, we present numerical results comparing the results from our analytical calculations with the numerical results of our algorithm-not only to test consistency, but also to demonstrate that all assigned polynomials are unique labels of the secondary structure elements. This paves the way for an automatic classification of protein structures.

Semiring induced valuation algebras: Exact and approximate local computation algorithms

Local computation in join trees or acyclic hypertrees has been shown to be linked to a particular algebraic structure, called valuation algebra.There are many models of this algebraic structure ranging from probability theory to numerical analysis, relational databases and various classical and non-classical logics. It turns out that many interesting models of valuation algebras may be derived from semiring valued mappings. In this paper we study how valuation algebras are induced by semirings and how the structure of the valuation algebra is related to the algebraic structure of the semiring. In particular, c-semirings with idempotent multiplication induce idempotent valuation algebras and therefore permit particularly efficient architectures for local computation. Also important are semirings whose multiplicative semigroup is embedded in a union of groups. They induce valuation algebras with a partially defined division. For these valuation algebras, the well-known architectures for Bayesian networks apply. We also extend the general computational framework to allow derivation of bounds and approximations, for when exact computation is not feasible.

Time-dependent density functional theory study of charge transfer in collisions

We study the charge transfer between colliding ions, atoms, or molecules, within time-dependent density functional theory. Two particular cases are presented, the collision between a proton and a Helium atom, and between a gold atom and a butane molecule. In the first case, proton kinetic energies between 16 keV and 1.2 MeV are considered, with impact parameters between 0.31 and 1.9 angstrom. The partial transfer of charge is monitored with time. The total cross-section is obtained as a function of the proton kinetic energy. In the second case, we analyze one trajectory and discuss spin-dependent charge transfer between the different fragments.

Categorical quantum computation

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Distributed conditional computation

L'objectif de cette thèse est de présenter différentes applications du programme de recherche de calcul conditionnel distribué. On espère que ces applications, ainsi que la théorie présentée ici, mènera à une solution générale du problème d'intelligence artificielle, en particulier en ce qui a trait à la nécessité d'efficience. La vision du calcul conditionnel distribué consiste à accélérer l'évaluation et l'entraînement de modèles profonds, ce qui est très différent de l'objectif usuel d'améliorer sa capacité de généralisation et d'optimisation. Le travail présenté ici a des liens étroits avec les modèles de type mélange d'experts. Dans le chapitre 2, nous présentons un nouvel algorithme d'apprentissage profond qui utilise une forme simple d'apprentissage par renforcement sur un modèle d'arbre de décisions à base de réseau de neurones. Nous démontrons la nécessité d'une contrainte d'équilibre pour maintenir la distribution d'exemples aux experts uniforme et empêcher les monopoles. Pour rendre le calcul efficient, l'entrainement et l'évaluation sont contraints à être éparse en utilisant un routeur échantillonnant des experts d'une distribution multinomiale étant donné un exemple. Dans le chapitre 3, nous présentons un nouveau modèle profond constitué d'une représentation éparse divisée en segments d'experts. Un modèle de langue à base de réseau de neurones est construit à partir des transformations éparses entre ces segments. L'opération éparse par bloc est implémentée pour utilisation sur des cartes graphiques. Sa vitesse est comparée à deux opérations denses du même calibre pour démontrer le gain réel de calcul qui peut être obtenu. Un modèle profond utilisant des opérations éparses contrôlées par un routeur distinct des experts est entraîné sur un ensemble de données d'un milliard de mots. Un nouvel algorithme de partitionnement de données est appliqué sur un ensemble de mots pour hiérarchiser la couche de sortie d'un modèle de langage, la rendant ainsi beaucoup plus efficiente. Le travail présenté dans cette thèse est au centre de la vision de calcul conditionnel distribué émis par Yoshua Bengio. Elle tente d'appliquer la recherche dans le domaine des mélanges d'experts aux modèles profonds pour améliorer leur vitesse ainsi que leur capacité d'optimisation. Nous croyons que la théorie et les expériences de cette thèse sont une étape importante sur la voie du calcul conditionnel distribué car elle cadre bien le problème, surtout en ce qui concerne la compétitivité des systèmes d'experts.

Interactive quantum information theory

La théorie de l'information quantique s'est développée à une vitesse fulgurante au cours des vingt dernières années, avec des analogues et extensions des théorèmes de codage de source et de codage sur canal bruité pour la communication unidirectionnelle. Pour la communication interactive, un analogue quantique de la complexité de la communication a été développé, pour lequel les protocoles quantiques peuvent performer exponentiellement mieux que les meilleurs protocoles classiques pour certaines tâches classiques. Cependant, l'information quantique est beaucoup plus sensible au bruit que l'information classique. Il est donc impératif d'utiliser les ressources quantiques à leur plein potentiel. Dans cette thèse, nous étudions les protocoles quantiques interactifs du point de vue de la théorie de l'information et étudions les analogues du codage de source et du codage sur canal bruité. Le cadre considéré est celui de la complexité de la communication: Alice et Bob veulent faire un calcul quantique biparti tout en minimisant la quantité de communication échangée, sans égard au coût des calculs locaux. Nos résultats sont séparés en trois chapitres distincts, qui sont organisés de sorte à ce que chacun puisse être lu indépendamment. Étant donné le rôle central qu'elle occupe dans le contexte de la compression interactive, un chapitre est dédié à l'étude de la tâche de la redistribution d'état quantique. Nous prouvons des bornes inférieures sur les coûts de communication nécessaires dans un contexte interactif. Nous prouvons également des bornes atteignables avec un seul message, dans un contexte d'usage unique. Dans un chapitre subséquent, nous définissons une nouvelle notion de complexité de l'information quantique. Celle-ci caractérise la quantité d'information, plutôt que de communication, qu'Alice et Bob doivent échanger pour calculer une tâche bipartie. Nous prouvons beaucoup de propriétés structurelles pour cette quantité, et nous lui donnons une interprétation opérationnelle en tant que complexité de la communication quantique amortie. Dans le cas particulier d'entrées classiques, nous donnons une autre caractérisation permettant de quantifier le coût encouru par un protocole quantique qui oublie de l'information classique. Deux applications sont présentées: le premier résultat général de somme directe pour la complexité de la communication quantique à plus d'une ronde, ainsi qu'une borne optimale, à un terme polylogarithmique près, pour la complexité de la communication quantique avec un nombre de rondes limité pour la fonction « ensembles disjoints ». Dans un chapitre final, nous initions l'étude de la capacité interactive quantique pour les canaux bruités. Étant donné que les techniques pour distribuer de l'intrication sont bien étudiées, nous nous concentrons sur un modèle avec intrication préalable parfaite et communication classique bruitée. Nous démontrons que dans le cadre plus ardu des erreurs adversarielles, nous pouvons tolérer un taux d'erreur maximal de une demie moins epsilon, avec epsilon plus grand que zéro arbitrairement petit, et ce avec un taux de communication positif. Il s'ensuit que les canaux avec bruit aléatoire ayant une capacité positive pour la transmission unidirectionnelle ont une capacité positive pour la communication interactive quantique. Nous concluons avec une discussion de nos résultats et des directions futures pour ce programme de recherche sur une théorie de l'information quantique interactive.

Photorealistic Surface Rendering with Microfacet Theory

La synthèse d'images dites photoréalistes nécessite d'évaluer numériquement la manière dont la lumière et la matière interagissent physiquement, ce qui, malgré la puissance de calcul impressionnante dont nous bénéficions aujourd'hui et qui ne cesse d'augmenter, est encore bien loin de devenir une tâche triviale pour nos ordinateurs. Ceci est dû en majeure partie à la manière dont nous représentons les objets: afin de reproduire les interactions subtiles qui mènent à la perception du détail, il est nécessaire de modéliser des quantités phénoménales de géométries. Au moment du rendu, cette complexité conduit inexorablement à de lourdes requêtes d'entrées-sorties, qui, couplées à des évaluations d'opérateurs de filtrage complexes, rendent les temps de calcul nécessaires à produire des images sans défaut totalement déraisonnables. Afin de pallier ces limitations sous les contraintes actuelles, il est nécessaire de dériver une représentation multiéchelle de la matière. Dans cette thèse, nous construisons une telle représentation pour la matière dont l'interface correspond à une surface perturbée, une configuration qui se construit généralement via des cartes d'élévations en infographie. Nous dérivons notre représentation dans le contexte de la théorie des microfacettes (conçue à l'origine pour modéliser la réflectance de surfaces rugueuses), que nous présentons d'abord, puis augmentons en deux temps. Dans un premier temps, nous rendons la théorie applicable à travers plusieurs échelles d'observation en la généralisant aux statistiques de microfacettes décentrées. Dans l'autre, nous dérivons une procédure d'inversion capable de reconstruire les statistiques de microfacettes à partir de réponses de réflexion d'un matériau arbitraire dans les configurations de rétroréflexion. Nous montrons comment cette théorie augmentée peut être exploitée afin de dériver un opérateur général et efficace de rééchantillonnage approximatif de cartes d'élévations qui (a) préserve l'anisotropie du transport de la lumière pour n'importe quelle résolution, (b) peut être appliqué en amont du rendu et stocké dans des MIP maps afin de diminuer drastiquement le nombre de requêtes d'entrées-sorties, et (c) simplifie de manière considérable les opérations de filtrage par pixel, le tout conduisant à des temps de rendu plus courts. Afin de valider et démontrer l'efficacité de notre opérateur, nous synthétisons des images photoréalistes anticrenelées et les comparons à des images de référence. De plus, nous fournissons une implantation C++ complète tout au long de la dissertation afin de faciliter la reproduction des résultats obtenus. Nous concluons avec une discussion portant sur les limitations de notre approche, ainsi que sur les verrous restant à lever afin de dériver une représentation multiéchelle de la matière encore plus générale.

STUDIES ON THE STRESS FLUCTUATIONS IN SHEARED STOKESIAN SUSPENSIONS USING CHAOS THEORY AND NONLINEAR DYNAMICS

The thesis report results obtained from a detailed analysis of the fluctuations of the rheological parameters viz. shear and normal stresses, simulated by means of the Stokesian Dynamics method, of a macroscopically homogeneous sheared suspension of neutrally buoyant non-Brownian suspension of identical spheres in the Couette gap between two parallel walls in the limit of vanishingly small Reynolds numbers using the tools of non-linear dynamics and chaos theory for a range of particle concentration and Couette gaps. The thesis used the tools of nonlinear dynamics and chaos theory viz. average mutual information, space-time separation plots, visual recurrence analysis, principal component analysis, false nearest-neighbor technique, correlation integrals, computation of Lyapunov exponents for a range of area fraction of particles and for different Couette gaps. The thesis observed that one stress component can be predicted using another stress component at the same area fraction. This implies a type of synchronization of one stress component with another stress component. This finding suggests us to further analysis of the synchronization of stress components with another stress component at the same or different area fraction of particles. The different model equations of stress components for different area fraction of particles hints at the possible existence a general formula for stress fluctuations with area fraction of particle as a parameter

Multipole Theory Analysis of Cutoff Wavenumbers of Waveguides Partially Filled with Dielectric

A new approach, the multipole theory (MT) method, is presented for the computation of cutoff wavenumbers of waveguides partially filled with dielectric. The MT formulation of the eigenvalue problem of an inhomogeneous waveguide is derived. Representative computational examples, including dielectric-rod-loaded rectangular and double-ridged waveguides, are given to validate the theory, and to demonstrate the degree of its efficiency

Computation of locally free class groups

We show that the locally free class group of an order in a semisimple algebra over a number field is isomorphic to a certain ray class group. This description is then used to present an algorithm that computes the locally free class group. The algorithm is implemented in MAGMA for the case where the algebra is a group ring over the rational numbers.

The Computation of Color

This thesis takes an interdisciplinary approach to the study of color vision, focussing on the phenomenon of color constancy formulated as a computational problem. The primary contributions of the thesis are (1) the demonstration of a formal framework for lightness algorithms; (2) the derivation of a new lightness algorithm based on regularization theory; (3) the synthesis of an adaptive lightness algorithm using "learning" techniques; (4) the development of an image segmentation algorithm that uses luminance and color information to mark material boundaries; and (5) an experimental investigation into the cues that human observers use to judge the color of the illuminant. Other computational approaches to color are reviewed and some of their links to psychophysics and physiology are explored.

On optimal computation of MPLS label binding for multipoint-to-point connections

Most network operators have considered reducing Label Switched Routers (LSR) label spaces (i.e. the number of labels that can be used) as a means of simplifying management of underlaying Virtual Private Networks (VPNs) and, hence, reducing operational expenditure (OPEX). This letter discusses the problem of reducing the label spaces in Multiprotocol Label Switched (MPLS) networks using label merging - better known as MultiPoint-to-Point (MP2P) connections. Because of its origins in IP, MP2P connections have been considered to have tree- shapes with Label Switched Paths (LSP) as branches. Due to this fact, previous works by many authors affirm that the problem of minimizing the label space using MP2P in MPLS - the Merging Problem - cannot be solved optimally with a polynomial algorithm (NP-complete), since it involves a hard- decision problem. However, in this letter, the Merging Problem is analyzed, from the perspective of MPLS, and it is deduced that tree-shapes in MP2P connections are irrelevant. By overriding this tree-shape consideration, it is possible to perform label merging in polynomial time. Based on how MPLS signaling works, this letter proposes an algorithm to compute the minimum number of labels using label merging: the Full Label Merging algorithm. As conclusion, we reclassify the Merging Problem as Polynomial-solvable, instead of NP-complete. In addition, simulation experiments confirm that without the tree-branch selection problem, more labels can be reduced

Transmission delays in residual computation

The design of control, estimation or diagnosis algorithms most often assumes that all available process variables represent the system state at the same instant of time. However, this is never true in current network systems, because of the unknown deterministic or stochastic transmission delays introduced by the communication network. During the diagnosing stage, this will often generate false alarms. Under nominal operation, the different transmission delays associated with the variables that appear in the computation form produce discrepancies of the residuals from zero. A technique aiming at the minimisation of the resulting false alarms rate, that is based on the explicit modelling of communication delays and on their best-case estimation is proposed

Unifying syntactic theory and sentence processing difficulty through a connectionist minimalist parser

Syntactic theory provides a rich array of representational assumptions about linguistic knowledge and processes. Such detailed and independently motivated constraints on grammatical knowledge ought to play a role in sentence comprehension. However most grammar-based explanations of processing difficulty in the literature have attempted to use grammatical representations and processes per se to explain processing difficulty. They did not take into account that the description of higher cognition in mind and brain encompasses two levels: on the one hand, at the macrolevel, symbolic computation is performed, and on the other hand, at the microlevel, computation is achieved through processes within a dynamical system. One critical question is therefore how linguistic theory and dynamical systems can be unified to provide an explanation for processing effects. Here, we present such a unification for a particular account to syntactic theory: namely a parser for Stabler's Minimalist Grammars, in the framework of Smolensky's Integrated Connectionist/Symbolic architectures. In simulations we demonstrate that the connectionist minimalist parser produces predictions which mirror global empirical findings from psycholinguistic research.

A statistical mechanical approach for the computation of the climatic response to general forcings

The climate belongs to the class of non-equilibrium forced and dissipative systems, for which most results of quasi-equilibrium statistical mechanics, including the fluctuation-dissipation theorem, do not apply. In this paper we show for the first time how the Ruelle linear response theory, developed for studying rigorously the impact of perturbations on general observables of non-equilibrium statistical mechanical systems, can be applied with great success to analyze the climatic response to general forcings. The crucial value of the Ruelle theory lies in the fact that it allows to compute the response of the system in terms of expectation values of explicit and computable functions of the phase space averaged over the invariant measure of the unperturbed state. We choose as test bed a classical version of the Lorenz 96 model, which, in spite of its simplicity, has a well-recognized prototypical value as it is a spatially extended one-dimensional model and presents the basic ingredients, such as dissipation, advection and the presence of an external forcing, of the actual atmosphere. We recapitulate the main aspects of the general response theory and propose some new general results. We then analyze the frequency dependence of the response of both local and global observables to perturbations having localized as well as global spatial patterns. We derive analytically several properties of the corresponding susceptibilities, such as asymptotic behavior, validity of Kramers-Kronig relations, and sum rules, whose main ingredient is the causality principle. We show that all the coefficients of the leading asymptotic expansions as well as the integral constraints can be written as linear function of parameters that describe the unperturbed properties of the system, such as its average energy. Some newly obtained empirical closure equations for such parameters allow to define such properties as an explicit function of the unperturbed forcing parameter alone for a general class of chaotic Lorenz 96 models. We then verify the theoretical predictions from the outputs of the simulations up to a high degree of precision. The theory is used to explain differences in the response of local and global observables, to define the intensive properties of the system, which do not depend on the spatial resolution of the Lorenz 96 model, and to generalize the concept of climate sensitivity to all time scales. We also show how to reconstruct the linear Green function, which maps perturbations of general time patterns into changes in the expectation value of the considered observable for finite as well as infinite time. Finally, we propose a simple yet general methodology to study general Climate Change problems on virtually any time scale by resorting to only well selected simulations, and by taking full advantage of ensemble methods. The specific case of globally averaged surface temperature response to a general pattern of change of the CO2 concentration is discussed. We believe that the proposed approach may constitute a mathematically rigorous and practically very effective way to approach the problem of climate sensitivity, climate prediction, and climate change from a radically new perspective.