Evolutionary synthesis of stochastic gene network models using feature-based search spaces

A feature-based fitness function is applied in a genetic programming system to synthesize stochastic gene regulatory network models whose behaviour is defined by a time course of protein expression levels. Typically, when targeting time series data, the fitness function is based on a sum-of-errors involving the values of the fluctuating signal. While this approach is successful in many instances, its performance can deteriorate in the presence of noise. This thesis explores a fitness measure determined from a set of statistical features characterizing the time series' sequence of values, rather than the actual values themselves. Through a series of experiments involving symbolic regression with added noise and gene regulatory network models based on the stochastic 'if-calculus, it is shown to successfully target oscillating and non-oscillating signals. This practical and versatile fitness function offers an alternate approach, worthy of consideration for use in algorithms that evaluate noisy or stochastic behaviour.

Extending relAPS to first order logic

RelAPS is an interactive system assisting in proving relation-algebraic theorems. The aim of the system is to provide an environment where a user can perform a relation-algebraic proof similar to doing it using pencil and paper. The previous version of RelAPS accepts only Horn-formulas. To extend the system to first order logic, we have defined and implemented a new language based on theory of allegories as well as a new calculus. The language has two different kinds of terms; object terms and relational terms, where object terms are built from object constant symbols and object variables, and relational terms from typed relational constant symbols, typed relational variables, typed operation symbols and the regular operations available in any allegory. The calculus is a mixture of natural deduction and the sequent calculus. It is formulated in a sequent style but with exactly one formula on the right-hand side. We have shown soundness and completeness of this new logic which verifies that the underlying proof system of RelAPS is working correctly.

Generating Relation Algebras for Qualitative Spatial Reasoning

Basic relationships between certain regions of space are formulated in natural language in everyday situations. For example, a customer specifies the outline of his future home to the architect by indicating which rooms should be close to each other. Qualitative spatial reasoning as an area of artificial intelligence tries to develop a theory of space based on similar notions. In formal ontology and in ontological computer science, mereotopology is a first-order theory, embodying mereological and topological concepts, of the relations among wholes, parts, parts of parts, and the boundaries between parts. We shall introduce abstract relation algebras and present their structural properties as well as their connection to algebras of binary relations. This will be followed by details of the expressiveness of algebras of relations for region based models. Mereotopology has been the main basis for most region based theories of space. Since its earliest inception many theories have been proposed for mereotopology in artificial intelligence among which Region Connection Calculus is most prominent. The expressiveness of the region connection calculus in relational logic is far greater than its original eight base relations might suggest. In the thesis we formulate ways to automatically generate representable relation algebras using spatial data based on region connection calculus. The generation of new algebras is a two pronged approach involving splitting of existing relations to form new algebras and refinement of such newly generated algebras. We present an implementation of a system for automating aforementioned steps and provide an effective and convenient interface to define new spatial relations and generate representable relational algebras.

Optimisation et approximation adiabatique

L'approximation adiabatique en mécanique quantique stipule que si un système quantique évolue assez lentement, alors il demeurera dans le même état propre. Récemment, une faille dans l'application de l'approximation adiabatique a été découverte. Les limites du théorème seront expliquées lors de sa dérivation. Ce mémoire à pour but d'optimiser la probabilité de se maintenir dans le même état propre connaissant le système initial, final et le temps d'évolution total. Cette contrainte sur le temps empêche le système d'être assez lent pour être adiabatique. Pour solutionner ce problème, une méthode variationnelle est utilisée. Cette méthode suppose connaître l'évolution optimale et y ajoute une petite variation. Par après, nous insérons cette variation dans l'équation de la probabilité d'être adiabatique et développons en série. Puisque la série est développée autour d'un optimum, le terme d'ordre un doit nécessairement être nul. Ceci devrait nous donner un critère sur l'évolution la plus adiabatique possible et permettre de la déterminer. Les systèmes quantiques dépendants du temps sont très complexes. Ainsi, nous commencerons par les systèmes ayant des énergies propres indépendantes du temps. Puis, les systèmes sans contrainte et avec des fonctions d'onde initiale et finale libres seront étudiés.

Quantum nonlocality, cryptography and complexity

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

Modélisation du carnet d'ordres limites et prévision de séries temporelles

Le contenu de cette thèse est divisé de la façon suivante. Après un premier chapitre d’introduction, le Chapitre 2 est consacré à introduire aussi simplement que possible certaines des théories qui seront utilisées dans les deux premiers articles. Dans un premier temps, nous discuterons des points importants pour la construction de l’intégrale stochastique par rapport aux semimartingales avec paramètre spatial. Ensuite, nous décrirons les principaux résultats de la théorie de l’évaluation en monde neutre au risque et, finalement, nous donnerons une brève description d’une méthode d’optimisation connue sous le nom de dualité. Les Chapitres 3 et 4 traitent de la modélisation de l’illiquidité et font l’objet de deux articles. Le premier propose un modèle en temps continu pour la structure et le comportement du carnet d’ordres limites. Le comportement du portefeuille d’un investisseur utilisant des ordres de marché est déduit et des conditions permettant d’éliminer les possibilités d’arbitrages sont données. Grâce à la formule d’Itô généralisée il est aussi possible d’écrire la valeur du portefeuille comme une équation différentielle stochastique. Un exemple complet de modèle de marché est présenté de même qu’une méthode de calibrage. Dans le deuxième article, écrit en collaboration avec Bruno Rémillard, nous proposons un modèle similaire mais cette fois-ci en temps discret. La question de tarification des produits dérivés est étudiée et des solutions pour le prix des options européennes de vente et d’achat sont données sous forme explicite. Des conditions spécifiques à ce modèle qui permettent d’éliminer l’arbitrage sont aussi données. Grâce à la méthode duale, nous montrons qu’il est aussi possible d’écrire le prix des options européennes comme un problème d’optimisation d’une espérance sur en ensemble de mesures de probabilité. Le Chapitre 5 contient le troisième article de la thèse et porte sur un sujet différent. Dans cet article, aussi écrit en collaboration avec Bruno Rémillard, nous proposons une méthode de prévision des séries temporelles basée sur les copules multivariées. Afin de mieux comprendre le gain en performance que donne cette méthode, nous étudions à l’aide d’expériences numériques l’effet de la force et la structure de dépendance sur les prévisions. Puisque les copules permettent d’isoler la structure de dépendance et les distributions marginales, nous étudions l’impact de différentes distributions marginales sur la performance des prévisions. Finalement, nous étudions aussi l’effet des erreurs d’estimation sur la performance des prévisions. Dans tous les cas, nous comparons la performance des prévisions en utilisant des prévisions provenant d’une série bivariée et d’une série univariée, ce qui permet d’illustrer l’avantage de cette méthode. Dans un intérêt plus pratique, nous présentons une application complète sur des données financières.

A non reductionist logicism with explicit definitions

This paper introduces and examines the logicist construction of Peano Arithmetic that can be performed into Leśniewski’s logical calculus of names called Ontology. Against neo-Fregeans, it is argued that a logicist program cannot be based on implicit definitions of the mathematical concepts. Using only explicit definitions, the construction to be presented here constitutes a real reduction of arithmetic to Leśniewski’s logic with the addition of an axiom of infinity. I argue however that such a program is not reductionist, for it only provides what I will call a picture of arithmetic, that is to say a specific interpretation of arithmetic in which purely logical entities play the role of natural numbers. The reduction does not show that arithmetic is simply a part of logic. The process is not of ontological significance, for numbers are not shown to be logical entities. This neo-logicist program nevertheless shows the existence of a purely analytical route to the knowledge of arithmetical laws.

Topological Invariants in Hydrodynamics and Hydromagnetics

In this thesis we are studying possible invariants in hydrodynamics and hydromagnetics. The concept of flux preservation and line preservation of vector fields, especially vorticity vector fields, have been studied from the very beginning of the study of fluid mechanics by Helmholtz and others. In ideal magnetohydrodynamic flows the magnetic fields satisfy the same conservation laws as that of vorticity field in ideal hydrodynamic flows. Apart from these there are many other fields also in ideal hydrodynamic and magnetohydrodynamic flows which preserves flux across a surface or whose vector lines are preserved. A general study using this analogy had not been made for a long time. Moreover there are other physical quantities which are also invariant under the flow, such as Ertel invariant. Using the calculus of differential forms Tur and Yanovsky classified the possible invariants in hydrodynamics. This mathematical abstraction of physical quantities to topological objects is needed for an elegant and complete analysis of invariants.Many authors used a four dimensional space-time manifold for analysing fluid flows. We have also used such a space-time manifold in obtaining invariants in the usual three dimensional flows.In chapter one we have discussed the invariants related to vorticity field using vorticity field two form w2 in E4. Corresponding to the invariance of four form w2 ^ w2 we have got the invariance of the quantity E. w. We have shown that in an isentropic flow this quantity is an invariant over an arbitrary volume.In chapter three we have extended this method to any divergence-free frozen-in field. In a four dimensional space-time manifold we have defined a closed differential two form and its potential one from corresponding to such a frozen-in field. Using this potential one form w1 , it is possible to define the forms dw1 , w1 ^ dw1 and dw1 ^ dw1 . Corresponding to the invariance of the four form we have got an additional invariant in the usual hydrodynamic flows, which can not be obtained by considering three dimensional space.In chapter four we have classified the possible integral invariants associated with the physical quantities which can be expressed using one form or two form in a three dimensional flow. After deriving some general results which hold for an arbitrary dimensional manifold we have illustrated them in the context of flows in three dimensional Euclidean space JR3. If the Lie derivative of a differential p-form w is not vanishing,then the surface integral of w over all p-surfaces need not be constant of flow. Even then there exist some special p-surfaces over which the integral is a constant of motion, if the Lie derivative of w satisfies certain conditions. Such surfaces can be utilised for investigating the qualitative properties of a flow in the absence of invariance over all p-surfaces. We have also discussed the conditions for line preservation and surface preservation of vector fields. We see that the surface preservation need not imply the line preservation. We have given some examples which illustrate the above results. The study given in this thesis is a continuation of that started by Vedan et.el. As mentioned earlier, they have used a four dimensional space-time manifold to obtain invariants of flow from variational formulation and application of Noether's theorem. This was from the point of view of hydrodynamic stability studies using Arnold's method. The use of a four dimensional manifold has great significance in the study of knots and links. In the context of hydrodynamics, helicity is a measure of knottedness of vortex lines. We are interested in the use of differential forms in E4 in the study of vortex knots and links. The knowledge of surface invariants given in chapter 4 may also be utilised for the analysis of vortex and magnetic reconnections.

Analysis discrete function theory

There is a recent trend to describe physical phenomena without the use of infinitesimals or infinites. This has been accomplished replacing differential calculus by the finite difference theory. Discrete function theory was first introduced in l94l. This theory is concerned with a study of functions defined on a discrete set of points in the complex plane. The theory was extensively developed for functions defined on a Gaussian lattice. In 1972 a very suitable lattice H: {Ci qmxO,I qnyo), X0) 0, X3) 0, O < q < l, m, n 5 Z} was found and discrete analytic function theory was developed. Very recently some work has been done in discrete monodiffric function theory for functions defined on H. The theory of pseudoanalytic functions is a generalisation of the theory of analytic functions. When the generator becomes the identity, ie., (l, i) the theory of pseudoanalytic functions reduces to the theory of analytic functions. Theugh the theory of pseudoanalytic functions plays an important role in analysis, no discrete theory is available in literature. This thesis is an attempt in that direction. A discrete pseudoanalytic theory is derived for functions defined on H.

Algorithmen für q-holonome Funktionen und q-hypergeometrische Reihen

Die q-Analysis ist eine spezielle Diskretisierung der Analysis auf einem Gitter, welches eine geometrische Folge darstellt, und findet insbesondere in der Quantenphysik eine breite Anwendung, ist aber auch in der Theorie der q-orthogonalen Polynome und speziellen Funktionen von großer Bedeutung. Die betrachteten mathematischen Objekte aus der q-Welt weisen meist eine recht komplizierte Struktur auf und es liegt daher nahe, sie mit Computeralgebrasystemen zu behandeln. In der vorliegenden Dissertation werden Algorithmen für q-holonome Funktionen und q-hypergeometrische Reihen vorgestellt. Alle Algorithmen sind in dem Maple-Package qFPS, welches integraler Bestandteil der Arbeit ist, implementiert. Nachdem in den ersten beiden Kapiteln Grundlagen geschaffen werden, werden im dritten Kapitel Algorithmen präsentiert, mit denen man zu einer q-holonomen Funktion q-holonome Rekursionsgleichungen durch Kenntnis derer q-Shifts aufstellen kann. Operationen mit q-holonomen Rekursionen werden ebenfalls behandelt. Im vierten Kapitel werden effiziente Methoden zur Bestimmung polynomialer, rationaler und q-hypergeometrischer Lösungen von q-holonomen Rekursionen beschrieben. Das fünfte Kapitel beschäftigt sich mit q-hypergeometrischen Potenzreihen bzgl. spezieller Polynombasen. Wir formulieren einen neuen Algorithmus, der zu einer q-holonomen Rekursionsgleichung einer q-hypergeometrischen Reihe mit nichttrivialem Entwicklungspunkt die entsprechende q-holonome Rekursionsgleichung für die Koeffizienten ermittelt. Ferner können wir einen neuen Algorithmus angeben, der umgekehrt zu einer q-holonomen Rekursionsgleichung für die Koeffizienten eine q-holonome Rekursionsgleichung der Reihe bestimmt und der nützlich ist, um q-holonome Rekursionen für bestimmte verallgemeinerte q-hypergeometrische Funktionen aufzustellen. Mit Formulierung des q-Taylorsatzes haben wir schließlich alle Zutaten zusammen, um das Hauptergebnis dieser Arbeit, das q-Analogon des FPS-Algorithmus zu erhalten. Wolfram Koepfs FPS-Algorithmus aus dem Jahre 1992 bestimmt zu einer gegebenen holonomen Funktion die entsprechende hypergeometrische Reihe. Wir erweitern den Algorithmus dahingehend, dass sogar Linearkombinationen q-hypergeometrischer Potenzreihen bestimmt werden können. ________________________________________________________________________________________________________________

Càlcul diferencial: anàlisi de corbes

Oferim als estudiants universitaris i als lectors interessats aquesta guia didàctica de la matemàtica universitària com a fruit dels nostres anys de docència de les matemàtiques a la Universitat. El resultat final ha esdevingut una col·lecció de setze petits volums agrupats en els dos mòduls d'Àlgebra Lineal i de Càlcul Infinitesimal. Aquest volum tracta les principals característiques que poden tenir les gràfiques de les funcions. S’estudien en primer lloc les aproximacions polinòmiques d’una corba en un punt amb la coneguda fórmula de Taylor. En la segona part es fa un anàlisi del càlcul de les asímptotes, el creixement i decreixement, els punts extrems, la concavitat i convexitat i també dels punts d’inflexió

Càlcul diferencial: derivades

Oferim als estudiants universitaris i als lectors interessats aquesta guia didàctica de la matemàtica universitària com a fruit dels nostres anys de docència de les matemàtiques a la Universitat. El resultat final ha esdevingut una col·lecció de setze petits volums agrupats en els dos mòduls d'Àlgebra Lineal i de Càlcul Infinitesimal. En aquest volum iniciem amb l’estudi de les derivades. Des de l’establiment, a la segona meitat del segle XVII, del Càlcul infinitesimal per Newton i Leibniz de manera independent, amb l’objectiu posat en la determinació de la recta tangent a una corba en un punt donat, el concepte de derivada ha tingut un paper preeminent en l’estudi del ritme de variació d’una funció i ha suposat una eina de gran utilitat en l’estudi de molts problemes de les ciències exactes i experimentals

Un análisis comparativo del papel del bucle fonológico versus la agenda visoespacial en el cálculo en niños de 7-8 años = A comparative analysis of the phonological loop versus the visuo-spatial sketchpad in mental arithmetic tasks in 7-8 y.o. children

En esta investigación se ha estudiado la relación entre dos subsistemas de la memoria de trabajo (bucle fonológico y agenda viso-espacial) y el rendimiento en cálculo con una muestra de 94 niños españoles de 7-8 años. Hemos administrado dos pruebas de cálculo diseñadas para este estudio y seis medidas simples de memoria de trabajo (de contenido verbal, numérico y espacial) de la «Batería de Tests de Memoria de Treball» de Pickering, Baqués y Gathercole (1999), y dos pruebas visuales complementarias. Los resultados muestran una correlación importante entre las medidas de contenido verbal y numérico y el rendimiento en cálculo. En cambio, no hemos encontrado ninguna relación con las medidas espaciales. Se concluye, por lo tanto, que en escolares españoles existe una relación importante entre el bucle fonológico y el rendimiento en tareas de cálculo. En cambio, el rol de la agenda viso-espacial es nulo

Jocs de càlcul per a nens i nenes de 6 a 12 anys

Es presenten un seguit de coneixements i habilitats que haurien d’adquirir els alumnes de 6 a 12 anys dividits en cicle inicial, mitjà i superior, tot practicant jocs. Es presenten també 7 jocs amb instruccions per dur-los a terme

El papel de la memoria de trabajo en el cálculo mental un cuarto de siglo después de Hitch = The role of working memory in mental arithmetic a quarter of century after Hitch

Desde que Hitch (1978) publicó el primer estudio sobre el rol de la memoria de trabajo en el cálculo han ido aumentando las investigaciones en este campo. Muchos trabajos han estudiado un único subsistema, pero nuestro objetivo es identificar qué subsistema de la memoria de trabajo (bucle fonológico, agenda viso-espacial o ejecutivo central) está más implicado en el cálculo mental. Para ello hemos realizado un estudio correlacional en el que hemos administrado dos pruebas aritméticas y nueve pruebas de la “Bateria de Test de Memòria de Treball” de Pickering, Baqués y Gathercole (1999) a una muestra de 94 niños españoles de 7-8 años. Nuestros resultados indican que el bucle fonológico y sobretodo el ejecutivo central inciden de forma estadísticamente significativa en el rendimiento aritmético