Prototype based clustering in high-dimensional feature spaces

...In dieser Arbeit untersuche ich den ”Fluch der Dimensionen” mittels dem Begriff der Distanzkonzentration. Ich zeige, dass dieser Effekt im Datenmodell mittels der paarweisen Kovarianzkoeffizienten der Randverteilungen beschrieben werden kann. Zusätzlich vergleiche ich 10 prototypbasierte Clusteralgorithmen mittels 800.000 Clusterergebnissen von künstlich erzeugten Datensätzen. Ich erforsche, wie und warum Clusteralgorithmen von der Anzahl der Merkmale beeinflusst werden. Mit den Clusterergebnissen untersuche ich außerdem, wie gut 5 der populärsten Clusterqualitätsmaße die tatsächliche Clusterqualität schätzen.

Efficient query processing in co-processor-accelerated databases

...Diese Dissertation zeigt, wie wir Datenbankmanagementsysteme bauen können, die heterogene Prozessoren effizient und zuverlässig zur Beschleunigung der Anfrageverarbeitung nutzen können. Daher untersuchen wir typische Entwurfsentscheidungen von coprozessorbeschleunigten Datenbankmanagementsystemen und leiten darauf aufbauend eine generische Architektur für solche Systeme ab. Unsere Untersuchungen zeigen, dass eines der wichtigsten Probleme für solche Datenbankmanagementsysteme die Entscheidung ist, welche Operatoren einer Anfrage auf welchem Prozessor ausgeführt werden sollen...

Introduction à la visualisation de données: l'analyse de réseau en histoire

The use of data visualization in history leads to contradictory reactions: some are fascinated by its heuristic potential and forget their critical faculties while others reject this practice, suspecting it of hiding explanatory weaknesses. This paper proposes a distinction between demonstration visualization and research visualization, reminding that scholars should not only use data visualization for communication purposes, but also for the research itself. It is particularly in its more complex form that this research visualization category will be approached here: network analysis.

Mantle- and crust-derived magmatism in the southern Fennoscandian Shield at c. 1.8 Ga; evidence from geochemistry, isotopes and geochronology

Geokemi och isotopsammansättningarna hos ca 1,8 Ga (miljarder år) gamla mafiska bergartsintrusioner studerades i två huvudområden: i) Transskandinaviska magmatiska bältet (TMB) i Bergslagen, Småland och Blekinge, södra Sverige, inklusive några prov från det ca 1,87 Ga gamla Hedesunda-komplexet i östra Bergslagen, samt ii) mindre, postkollisionala komplex i södra Finland och ryska Karelen. I det senare fallet var även tillhörande granitoider inkluderade i studierna. TMB-bergarterna skiljer sig avsevärt i utvecklingsgrad och omfattar sammansättningsmässigt bergarter från ultramafiter till kvartsdioriter. Dessa bergarters geokemi är kännetecknande för kontinentala öbågar. För sydligaste TMB och Hedesunda antyder geokemin en något mera oceanisk öbågekaraktär. Tillsammans med tidigare data antyder de av Rutanen analyserade Nd- och Sr-isotopförhållanden för TMB en ’milt utarmad’ mantelsammansättning. De mafiska bergarterna i södra Finland och ryska Karelen varierar från ultramafiska till monzodioritiska, men med avsevärt högre alkalihalter jämfört med TMB. Källan för all den studerade mafiska magmatismen kan beskrivas som en utarmad mantel som i varierande grad påverkats av fluider och smältor ur subducerande litosfärplattor. Geokemin antyder infiltrering och påverkning av H2O-dominerande fluider i övre manteln för TMB. Den mafiska ca 1,8 Ga gamla magmatismen österut avspeglar en ökande påverkan av sedimentderiverade karbonatfluider och smältor inom allt djupare mantelområden. Denna subduktionsrelaterade mantelanrikning skedde under den föregående öbågeutvecklingen i södra delarna av Finland och Sverige, samt ryska Karelen. Geokemin för en grupp granitoider, associerade med de ca 1,8 Ga gamla intrusionerna i södra Finland visar både vulkanisk öbåge och synkollisional granitoidkaraktär. Denna grupp har ett blandat magmatiskt och sedimentärt Svekofenniskt ursprung, vilket kan antas p.g.a. deras Nd- och Sr-isotopförhållanden. En annan grupp av granitoider ligger geokemiskt mellan vulkanisk öbåge- och intraplatt-granitoider, och har magmatiskt ursprung. Geokemin och isotoperna hos dessa intrusioner kan förklaras med hybridisering mellan de kraftigt anrikade, mantelderiverade magmorna, och granitmagmor från den äldre skorpan. Den ca 1,8 Ga gamla TMB-magmatismen i Sverige skedde vid sammanslutning av kontinentalrandbågar, med kontinuerlig subduktion mot öster i Bergslagen, och mot norr i de sydligare delarna. Samtidigt i öster intruderade de postkollisionala intrusionerna i skorpan omedelbart efter kollisionen med den Volgo-Sarmatiska kontinenten från sydost. Denna invecklade paleotektoniska konfiguration orsakade en tektonisk regim där litosfäriska mantelkällor levererade de starkt anrikade magmorna, vilkas uppstigning troligen möjliggjordes av djupgående postkollisionala skjuvzoner. Intrusionerna orsakade uppsmältning av den omgivande skorpan, vilket framkallade den associerade granitoidmagmatismen.

Aspekte der linearen Minimax-Schätzung

Es werde das lineare Regressionsmodell y = X b + e mit den ueblichen Bedingungen betrachtet. Weiter werde angenommen, dass der Parametervektor aus einem Ellipsoid stammt. Ein optimaler Schaetzer fuer den Parametervektor ist durch den Minimax-Schaetzer gegeben. Nach der entscheidungstheoretischen Formulierung des Minimax-Schaetzproblems werden mit dem Bayesschen Ansatz, Spektralen Methoden und der Darstellung von Hoffmann und Laeuter Wege zur Bestimmung des Minimax- Schaetzers dargestellt und in Beziehung gebracht. Eine Betrachtung von Modellen mit drei Einflussgroeßen und gemeinsamen Eigenvektor fuehrt zu einer Strukturierung des Problems nach der Vielfachheit des maximalen Eigenwerts. Die Bestimmung des Minimax-Schaetzers in einem noch nicht geloesten Fall kann auf die Bestimmung einer Nullstelle einer nichtlinearen reellwertigen Funktion gefuehrt werden. Es wird ein Beispiel gefunden, in dem die Nullstelle nicht durch Radikale angegeben werden kann. Durch das Intervallschachtelungs-Prinzip oder Newton-Verfahren ist die numerische Bestimmung der Nullstelle moeglich. Durch Entwicklung einer Fixpunktgleichung aus der Darstellung von Hoffmann und Laeuter war es in einer Simulation moeglich die angestrebten Loesungen zu finden.

4,5-Dihydro-1,3-dioxepine als chirale Bausteine in der enantioselektiven organischen Synthese

Durch asymmetrische Doppelbindungsisomerisierung mittels Me-DuPHOS-modifizierter Dihalogen-Nickel-Komplexe als Katalysatorvorstufen lassen sich aus 2-Alkyl-4,7-dihydro-1,3-dioxepinen hochenantiomerenreine 2-Alkyl-4,5-dihydro-1,3-dioxepine erhalten. Ein Ziel dieser Arbeit war es, die bisher noch unbekannte Absolutkonfiguration dieses Verbindungstyps zu bestimmen und darüber hinaus ihre Einsatzfähigkeit in der enantioselektiven organischen Synthese zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurden enantiomerenangereichertes 2-Isopropyl- und 2-tert-Butyl-4,5-dihydro-1,3-dioxepin mit m-Chlorperbenzoesäure epoxidiert. Dabei bildeten sich die entsprechenden 3-Chlorbenzoesäure-(2-alkyl-5-hydroxy-1,3-dioxepan-4yl)-ester in hohen Ausbeuten und Diastereoselektivitäten. Von den vier zu erwartenden Diastereomeren wurden jeweils nur zwei mit einer Selektivität von mehr als 95:5 gebildet. Im Fall des 3-Chlorbenzoesäure-(2-isopropyl-5-hydroxy-1,3-dioxepan-4yl)-esters konnte das Haupt-diastereomer kristallin erhalten werden. Durch röntgenspektroskopische Untersuchung war es möglich, die Relativ-Konfiguration dieser Verbindung zu bestimmen. Die Ester lassen sich unter Ringverengung in 2-Alkyl-1,3-dioxan-4-carbaldehyde umlagern. Ausgehend von diesen Carbaldehyden stehen zwei Synthesewege zur Verfügung, welche zu Verbindungen führen deren Absolutkonfiguration bereits bekannt ist. So erhält man durch Reduktion 2-Alkyl-1,3-dioxan-4-yl-methanole, welche sich in 1,2,4-Butantriol überführen lassen. Oxidation ergibt die 2-Alkyl-1,3-dioxan-4-carbonsäuren, aus denen 3-Hydroxytetrahydrofuran-2-on gewonnen werden kann. Messung des Drehwertes dieser beiden literaturbekannten Verbindungen liefert nicht nur Information über deren Enantiomerenreinheit sondern ebenfalls über die Konfiguration ihres Stereozentrums. In Kombination mit der Relativ-Konfiguration des Esters ist somit ein Rückschluss auf die Absolutkonfiguration der eingesetzten 4,5-Dihydro-1,3-dioxepine möglich. Die auf den beschriebenen Wegen gewonnenen Substanzen finden Anwendung in der stereoselektiven organischen Synthese. Löst man die Chlorbenzoesäureester in Dichlormethan und behandelt sie mit wässriger Salzsäure, so entstehen die bicyclischen 2-Alkyltetrahydrofuro[2,3-d][1,3]dioxole. Auch bei diesen Verbindungen konnten hohe Enantio- und Diastereoselektivitäten erzielt werden. Der intermolekular verlaufende Reaktionsmechanismus der Bicyclus-Bildung, welcher unter Abspaltung eines den Alkylrest tragenden Aldehyds und dessen Neuanlagerung unter Ausbildung eines Acetals verläuft, konnte in dieser Arbeit durch ein Kreuzungsexperiment bestätigt werden. Umacetalisierung der Bicyclen liefert 2-Methoxytetrahydrofuran-3-ol, aus dem durch Acetalspaltung Tetrahydrofuran-2,3-diol erhalten wird, das die Halbacetalform der entsprechenden Desoxytetrose darstellt, die auf diese Weise in einer de novo-Synthese hergestellt werden kann.

Visualisierungsverfahren zur Interaktion mit objekt-relationalen Datenbanken

In der vorliegenden Arbeit 1 wird ein neues, erweiter- und konfigurierbares Visualisierungsverfahren zur Interaktion mit komplex strukturierten Datenobjekten vorgestellt. Die Erweiterbarkeit bezieht sich dabei auf die vom Verfahren einsetzbaren Techniken der Visualisierung (Visualisierungsfunktionen) und auf die in das Verfahren integrierte Interaktion. Die mit dem Verfahren generierbaren Repräsentationen sind besonders zum Browsen in den Objekten und zum Editieren der Objekte geeignet, die typischerweise in objekt-relationalen Datenbanken gespeichert werden. Die generierten Repräsentationen können modulartig in vorhandene graphische Benutzerschnittstellen integriert werden oder als vollständige graphische Benutzerschnittstelle einer Anwendung eingesetzt werden. Modularität und Orthogonalität, also die sinnvolle Aufteilung in Funktionseinheiten und die Möglichkeit, Methoden einer Komponente auf andere Komponenten anzuwenden, werden als Mittel eingesetzt, mit weniger Komponenten mehr Funktionalität zu erreichen. Für den Teilaspekt der Benutzerschnittstelle wurde dies durch Visualisierungsvorschriften für Datenobjekte (Relationen, Tabellen) vorgeschlagen, indem ein Baum aus der Strukturdefinition (Schema) abgeleitet und als persistentes (Meta-) Datenobjekt in der Datenbank gespeichert wird. Sie werden kurz "Visualisierungen" genannt. Wie gezeigt werden kann, sind sechs Meta-Objekte die notwendige und hinreichende Anzahl und Ausprägung von Schemata und Visualisierungen zur Definition und visuellen Repräsentation beliebiger Anwendungs-Objekte (Schemata und durch sie definierte Tabellen), inklusive ihrer eigenen Schemata und Visualisierungen. Der Einsatz der Selbstreferenzierung mit Meta-Objekten hat zu mehr Sicherheit und Kompaktheit ohne nenneswerte Laufzeiteinbußen geführt.

Räumliche Modellierung der Dynamik von Landnutzung in Hessen und ihrer Wirkung auf die biologische Kohlenstoffspeicherung - Entwicklung eines GIS-basierten Modellsystems

Die gegenwärtige Entwicklung der internationalen Klimapolitik verlangt von Deutschland eine Reduktion seiner Treibhausgasemissionen. Wichtigstes Treibhausgas ist Kohlendioxid, das durch die Verbrennung fossiler Energieträger in die Atmosphäre freigesetzt wird. Die Reduktionsziele können prinzipiell durch eine Verminderung der Emissionen sowie durch die Schaffung von Kohlenstoffsenken erreicht werden. Senken beschreiben dabei die biologische Speicherung von Kohlenstoff in Böden und Wäldern. Eine wichtige Einflussgröße auf diese Prozesse stellt die räumliche Dynamik der Landnutzung einer Region dar. In dieser Arbeit wird das Modellsystem HILLS entwickelt und zur Simulation dieser komplexen Wirkbeziehungen im Bundesland Hessen genutzt. Ziel ist es, mit HILLS über eine Analyse des aktuellen Zustands hinaus auch Szenarien über Wege der zukünftigen regionalen Entwicklung von Landnutzung und ihrer Wirkung auf den Kohlenstoffhaushalt bis 2020 zu untersuchen. Für die Abbildung der räumlichen und zeitlichen Dynamik von Landnutzung in Hessen wird das Modell LUCHesse entwickelt. Seine Aufgabe ist die Simulation der relevanten Prozesse auf einem 1 km2 Raster, wobei die Raten der Änderung exogen als Flächentrends auf Ebene der hessischen Landkreise vorgegeben werden. LUCHesse besteht aus Teilmodellen für die Prozesse: (A) Ausbreitung von Siedlungs- und Gewerbefläche, (B) Strukturwandel im Agrarsektor sowie (C) Neuanlage von Waldflächen (Aufforstung). Jedes Teilmodell umfasst Methoden zur Bewertung der Standorteignung der Rasterzellen für unterschiedliche Landnutzungsklassen und zur Zuordnung der Trendvorgaben zu solchen Rasterzellen, die jeweils am besten für eine Landnutzungsklasse geeignet sind. Eine Validierung der Teilmodelle erfolgt anhand von statistischen Daten für den Zeitraum von 1990 bis 2000. Als Ergebnis eines Simulationslaufs werden für diskrete Zeitschritte digitale Karten der Landnutzugsverteilung in Hessen erzeugt. Zur Simulation der Kohlenstoffspeicherung wird eine modifizierte Version des Ökosystemmodells Century entwickelt (GIS-Century). Sie erlaubt einen gesteuerten Simulationslauf in Jahresschritten und unterstützt die Integration des Modells als Komponente in das HILLS Modellsystem. Es werden verschiedene Anwendungsschemata für GIS-Century entwickelt, mit denen die Wirkung der Stilllegung von Ackerflächen, der Aufforstung sowie der Bewirtschaftung bereits bestehender Wälder auf die Kohlenstoffspeicherung untersucht werden kann. Eine Validierung des Modells und der Anwendungsschemata erfolgt anhand von Feld- und Literaturdaten. HILLS implementiert eine sequentielle Kopplung von LUCHesse mit GIS-Century. Die räumliche Kopplung geschieht dabei auf dem 1 km2 Raster, die zeitliche Kopplung über die Einführung eines Landnutzungsvektors, der die Beschreibung der Landnutzungsänderung einer Rasterzelle während des Simulationszeitraums enthält. Außerdem integriert HILLS beide Modelle über ein dienste- und datenbankorientiertes Konzept in ein Geografisches Informationssystem (GIS). Auf diesem Wege können die GIS-Funktionen zur räumlichen Datenhaltung und Datenverarbeitung genutzt werden. Als Anwendung des Modellsystems wird ein Referenzszenario für Hessen mit dem Zeithorizont 2020 berechnet. Das Szenario setzt im Agrarsektor eine Umsetzung der AGENDA 2000 Politik voraus, die in großem Maße zu Stilllegung von Ackerflächen führt, während für den Bereich Siedlung und Gewerbe sowie Aufforstung die aktuellen Trends der Flächenausdehnung fortgeschrieben werden. Mit HILLS ist es nun möglich, die Wirkung dieser Landnutzungsänderungen auf die biologische Kohlenstoffspeicherung zu quantifizieren. Während die Ausdehnung von Siedlungsflächen als Kohlenstoffquelle identifiziert werden kann (37 kt C/a), findet sich die wichtigste Senke in der Bewirtschaftung bestehender Waldflächen (794 kt C/a). Weiterhin führen die Stilllegung von Ackerfläche (26 kt C/a) sowie Aufforstung (29 kt C/a) zu einer zusätzlichen Speicherung von Kohlenstoff. Für die Kohlenstoffspeicherung in Böden zeigen die Simulationsexperimente sehr klar, dass diese Senke nur von beschränkter Dauer ist.

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.

Negative Größen bei Diophant?

In this paper we champion Diophantus of Alexandria and Isabella Basmakova against Norbert Schappacher. In two publications ([46] and [47]) he puts forward inter alia two propositions: Questioning Diophantus' originality he considers affirmatively the possibility, that the Arithmetica are the joint work of a team of authors like Bourbaki. And he calls Basmakova's claim (in [5]), that Diophantus uses negative numbers, a "nonsense", reproaching her for her "thoughtlessness". First, we disprove Schappacher's Bourbaki thesis. Second, we investigate the semantic meaning and historical significance of Diophantus' keywords leipsis and mparxis. Next, we discuss Schappacher's epistemology of the history of mathematics and defend Basmakova's methods. Furthermore, we give 33 places where Diophantus uses negative quantities as intermediate results; they appear as differences a - b of positive rational numbers, the subtrahend b being bigger than the minuend a; they each represent the (negative) basis (pleyra) of a square number (tetragonos), which is afterwards computed by the formula (a - b)^2 = a^2 + b^2 - 2ab. Finally, we report how the topic "Diophantus and the negative numbers" has been dealt with by translators and commentators from Maximus Planudes onwards.