Lie symmetries in cortical inspired CNNs

Our scope in this thesis is to propose architectures of CNNs in such a way to model the early visual pathway, including the Lateral Geniculate Nucleus and the Horizontal Connectivity of the primary visual cortex. Moreover, we will show how cortically inspired architectures allow to perform contrast perceptual invariance as well as grouping and the emergence of visual percepts. Particularly, the LGN is modeled with a first layer l0 containing a single filter Ψ0 that pre-filters the image I. Since the RPs of the LGN cells can be modeled as a LoG, we expect to obtain a radially symmetric filter with a similar shape; to this end, we prove the rotational invariance of Ψ0 and we study the influence of this filter to the subsequent layer. Indeed, we compare the statistic distribution of the filters in the second layer l1 of our architecture with the statistic distribution of the RPs of V1 cells of a macaque. Then, we model the horizontal connectivity of V1 implementing a transition kernel K1 to the layer l1. In this setting, we study the vector fields and the association fields induced by the connectivity kernel K1. To this end, we first approximate the filters bank in l1 with a Gabor function and use the parameters just found to re-parameterize the kernel. Thanks to this step, the kernel is now re-parameterized into a sub-Riemmanian space R2 × S1. Now we are able to compare the vector and association fields induced by K1 with the models of the horizontal connectivity.

Neurogeometry of stereo vision

This work aims to develop a neurogeometric model of stereo vision, based on cortical architectures involved in the problem of 3D perception and neural mechanisms generated by retinal disparities. First, we provide a sub-Riemannian geometry for stereo vision, inspired by the work on the stereo problem by Zucker (2006), and using sub-Riemannian tools introduced by Citti-Sarti (2006) for monocular vision. We present a mathematical interpretation of the neural mechanisms underlying the behavior of binocular cells, that integrate monocular inputs. The natural compatibility between stereo geometry and neurophysiological models shows that these binocular cells are sensitive to position and orientation. Therefore, we model their action in the space R3xS2 equipped with a sub-Riemannian metric. Integral curves of the sub-Riemannian structure model neural connectivity and can be related to the 3D analog of the psychophysical association fields for the 3D process of regular contour formation. Then, we identify 3D perceptual units in the visual scene: they emerge as a consequence of the random cortico-cortical connection of binocular cells. Considering an opportune stochastic version of the integral curves, we generate a family of kernels. These kernels represent the probability of interaction between binocular cells, and they are implemented as facilitation patterns to define the evolution in time of neural population activity at a point. This activity is usually modeled through a mean field equation: steady stable solutions lead to consider the associated eigenvalue problem. We show that three-dimensional perceptual units naturally arise from the discrete version of the eigenvalue problem associated to the integro-differential equation of the population activity.

Neurogeometry of reaching

The purpose of the thesis is to develop a model for the functional behaviour of neurons in the primary motor cortex (M1) responsible for arm reaching movements. From Georgopoulos neurophysiological data, we provide a first bundle structure compatible with the hypercolumnar organization and with the position-direction selectivity of motor cortical cells. We then extend this model to encode the direction of arm movement which varies in time, as experimentally measured by Hatsopoulos by introducing the notion of movement fragments. We provide a sub-Riemannian model which describes the time-dependent directional selectivity of cells though integral curves of the geometric structure we set up. The sub-Riemannian distance we define allows to implement a grouping algorithm able to detect a set of hand motor trajectories. These paths, identified by using a kernel defined in terms of kinematic variables, are compatible with the motor primitives obtained from neurophysiological results by spectral analysis applied directly on cortical variables. In a second part of the work, we propose geodesics in this space as an alternative model of models for arm movement trajectories. We define a special class of curves, called admissible, on which to study the geodesics problem: we provide a connectivity property in terms of admissible paths and the existence of normal length minimizers. Admissible geodesics are used as a model of reaching paths, finding a first validation through Flash and Hogan minimizing trajectories.

Incompressible limit and well-posedness of PDE models of tissue growth

Both compressible and incompressible porous medium models are used in the literature to describe the mechanical aspects of living tissues. Using a stiff pressure law, it is possible to build a link between these two different representations. In the incompressible limit, compressible models generate free boundary problems where saturation holds in the moving domain. Our work aims at investigating the stiff pressure limit of reaction-advection-porous medium equations motivated by tumor development. Our first study concerns the analysis and numerical simulation of a model including the effect of nutrients. A coupled system of equations describes the cell density and the nutrient concentration and the derivation of the pressure equation in the stiff limit was an open problem for which the strong compactness of the pressure gradient is needed. To establish it, we use two new ideas: an L3-version of the celebrated Aronson-Bénilan estimate, and a sharp uniform L4-bound on the pressure gradient. We further investigate the sharpness of this bound through a finite difference upwind scheme, which we prove to be stable and asymptotic preserving. Our second study is centered around porous medium equations including convective effects. We are able to extend the techniques developed for the nutrient case, hence finding the complementarity relation on the limit pressure. Moreover, we provide an estimate of the convergence rate at the incompressible limit. Finally, we study a multi-species system. In particular, we account for phenotypic heterogeneity, including a structured variable into the problem. In this case, a cross-(degenerate)-diffusion system describes the evolution of the phenotypic distributions. Adapting methods recently developed in the context of two-species systems, we prove existence of weak solutions and we pass to the incompressible limit. Furthermore, we prove new regularity results on the total pressure, which is related to the total density by a power law of state.

Potential theory on metric spaces

This work revolves around potential theory in metric spaces, focusing on applications of dyadic potential theory to general problems associated to functional analysis and harmonic analysis. In the first part of this work we consider the weighted dual dyadic Hardy's inequality over dyadic trees and we use the Bellman function method to characterize the weights for which the inequality holds, and find the optimal constant for which our statement holds. We also show that our Bellman function is the solution to a stochastic optimal control problem. In the second part of this work we consider the problem of quasi-additivity formulas for the Riesz capacity in metric spaces and we prove formulas of quasi-additivity in the setting of the tree boundaries and in the setting of Ahlfors-regular spaces. We also consider a proper Harmonic extension to one additional variable of Riesz potentials of functions on a compact Ahlfors-regular space and we use our quasi-additivity formula to prove a result of tangential convergence of the harmonic extension of the Riesz potential up to an exceptional set of null measure

Spectral asymptotic properties of semi-regular non-commutative harmonic oscillators

The study carried out in this thesis is devoted to spectral analysis of systems of PDEs related also with quantum physics models. Namely, the research deals with classes of systems that contain certain quantum optics models such as Jaynes-Cummings, Rabi and their generalizations that describe light-matter interaction. First we investigate the spectral Weyl asymptotics for a class of semiregular systems, extending to the vector-valued case results of Helffer and Robert, and more recently of Doll, Gannot and Wunsch. Actually, the asymptotics by Doll, Gannot and Wunsch is more precise (that is why we call it refined) than the classical result by Helffer and Robert, but deals with a less general class of systems, since the authors make an hypothesis on the measure of the subset of the unit sphere on which the tangential derivatives of the X-Ray transform of the semiprincipal symbol vanish to infinity order. Abstract Next, we give a meromorphic continuation of the spectral zeta function for semiregular differential systems with polynomial coefficients, generalizing the results by Ichinose and Wakayama and Parmeggiani. Finally, we state and prove a quasi-clustering result for a class of systems including the aforementioned quantum optics models and we conclude the thesis by showing a Weyl law result for the Rabi model and its generalizations.

Analisi comparata di sistemi scolastici: la matematica e il caso finlandese

Dalle rilevazioni PISA condotte dall'OCSE nel 2003, gli studenti finlandesi sono risultati i migliori in Europa in capacità di lettura e competenze matematiche. Vari esperti in didattica si sono quindi interrogati cercando quali aspetti rendessero eccellente il sistema finlandese. Altri, invece, hanno sostenuto che le prove PISA rilevassero solo alcune abilità senza tener conto delle conoscenze apprese a scuola, quindi il successo finlandese potrebbe essere dovuto al caso. Infatti nei test TIMSS, gli alunni finlandesi hanno avuto risultati mediocri. La tesi cerca di spiegare i “segreti” del sistema scolastico finlandese e di confrontarlo con la scuola italiana. Sono state osservate in loco le lezioni di matematica in alcune classi campione di una scuola finlandese all’ottavo e nono anno di scolarità. Si analizza la didattica sotto diversi punti di vista e si confrontano i libri di testo finlandesi e italiani su uno specifico argomento ritenuto di cruciale importanza: i polinomi. Si evidenzia che la differenza nei risultati delle rilevazioni non dipende tanto dalle differenze dei sistemi scolastici quanto all'impostazione culturale dei giovani finlandesi.

Matematica e DSA: analisi delle consegne per una formulazione adeguata

Scopo di questa tesi è verificare se, testi di matematica modificati da un punto di vista grafico e senza variazioni a livello di competenze matematiche richieste, possano facilitare i ragazzi con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA). Aspetti non legati alla matematica, come la difficoltà a leggere il testo troppo lungo, a ricordare o sapere il significato di alcune parole, a non avere una immagine di riferimento, bloccano il ragazzo impedendo all’insegnante una corretta valutazione. Viene presentata dapprima una parte teorica sui disturbi e sulle leggi che tutelano i ragazzi, in seguito viene analizzata nel dettaglio la parte sperimentale, riportando un’analisi di quanto emerso da interviste semi-strutturate e questionari posti a ragazzi DSA di diverse associazioni.

La sfida di educare alla financial literacy: realizzazione e analisi di un percorso didattico, rivolto a studenti della scuola di II grado, attraverso gli strumenti della didattica della matematica

La financial literacy viene definita dall’Ocse come il processo per mezzo del quale i cittadini migliorano la loro comprensione su prodotti finanziari, i concetti ad essi correlati e i rischi associati e, attraverso l’informazione, l’istruzione e consigli oggettivi, sviluppano le capacità e la fiducia nella propria consapevolezza dei rischi e delle opportunità finanziarie, di sapere dove chiedere aiuto, e intraprendere altre azioni efficaci per migliorare il proprio benessere economico. Attraverso una contestualizzazione sociale, scolastica e metodologica, il lavoro di tesi si propone di indagare i livelli di financial literacy tra gli studenti di quattro classi superiori di diverso grado. Una prima indagine avviene attraverso un pre-test sulle conoscenze finanziarie, cultura e rapporto affettivo con il mondo finanziario. Successivamente viene proposto un percorso composto da tre attività originali riguardanti il “gioco in borsa”, la pianificazione e il futuro, e le leggi finanziarie. Si analizzano: l’applicazione di conoscenze matematiche, i ragionamenti e gli atteggiamenti degli studenti nelle quattro classi.

Il modello di oscillatore armonico come caso di studio per mostrare il ruolo della matematica nella fisica: anchor equations ed epistemic games come strumenti di analisi di libri di testo e tutorial

Nel modo in cui oggigiorno viene intrapresa la ricerca, l’interdisciplinarità assume una posizione di sempre maggior rilievo in pressoché ogni ambito del sapere. Questo è particolarmente evidente nel campo delle discipline STEM (Scienza, Tecnologia, Ingegneria, Matematica), considerando che i problemi a cui esse fanno fronte (si pensi agli studi sul cambiamento climatico o agli avanzamenti nel campo dell’intelligenza artificiale) richiedono la collaborazione ed integrazione di discipline diverse. Anche nella ricerca educativa, l’interdisciplinarità ha acquisito negli ultimi anni una notevole rilevanza ed è stata oggetto di riflessioni teoriche e di valutazioni sulle pratiche didattiche. Nell’ampio contesto di questo dibattito, questa tesi si focalizza sull’analisi dell’interdisciplinarità tra fisica e matematica, ma ancora più nel dettaglio sul ruolo che la matematica ha nei modelli fisici. L’aspetto che si vuole sottolineare è l’esigenza di superare una concezione banale e semplicistica, sebbene diffusa, per la quale la matematica avrebbe una funzione strumentale rispetto alla fisica, a favore invece di una riflessione che metta in luce il ruolo strutturale della formalizzazione matematica per l’avanzamento della conoscenza in fisica. Per fare ciò, si prende in esame il caso di studio dell’oscillatore armonico attraverso due lenti diverse che mettono in luce altrettanti temi. La prima, quella dell’anchor equation, aiuterà a cogliere gli aspetti fondamentali del ruolo strutturale della matematica nella modellizzazione dell’oscillatore armonico. La seconda, quella degli epistemic games, verrà utilizzata per indagare materiale didattico, libri di testo e tutorial, per comprendere come diverse tipologie di risorse possano condurre gli studenti ad intendere in modi diversi la relazione di interdisciplinarità tra fisica e matematica in questo contesto.