Mathematical modelling in mathematics education and instruction

This paper aims at giving a concise survey of the present state-of-the-art of mathematical modelling in mathematics education and instruction. It will consist of four parts. In part 1, some basic concepts relevant to the topic will be clarified and, in particular, mathematical modelling will be defined in a broad, comprehensive sense. Part 2 will review arguments for the inclusion of modelling in mathematics teaching at schools and universities, and identify certain schools of thought within mathematics education. Part 3 will describe the role of modelling in present mathematics curricula and in everyday teaching practice. Some obstacles for mathematical modelling in the classroom will be analysed, as well as the opportunities and risks of computer usage. In part 4, selected materials and resources for teaching mathematical modelling, developed in the last few years in America, Australia and Europe, will be presented. The examples will demonstrate many promising directions of development.

Site Controller: A System for Computer-Aided Civil Engineering and Construction

A revolution\0\0\0 in earthmoving, a $100 billion industry, can be achieved with three components: the GPS location system, sensors and computers in bulldozers, and SITE CONTROLLER, a central computer system that maintains design data and directs operations. The first two components are widely available; I built SITE CONTROLLER to complete the triangle and describe it here. SITE CONTROLLER assists civil engineers in the design, estimation, and construction of earthworks, including hazardous waste site remediation. The core of SITE CONTROLLER is a site modelling system that represents existing and prospective terrain shapes, roads, hydrology, etc. Around this core are analysis, simulation, and vehicle control tools. Integrating these modules into one program enables civil engineers and contractors to use a single interface and database throughout the life of a project.

Modelling the Human Values Scale from Consumers Transactional Data Bases

The main objective of this paper aims at developing a methodology that takes into account the human factor extracted from the data base used by the recommender systems, and which allow to resolve the specific problems of prediction and recommendation. In this work, we propose to extract the user's human values scale from the data base of the users, to improve their suitability in open environments, such as the recommender systems. For this purpose, the methodology is applied with the data of the user after interacting with the system. The methodology is exemplified with a case study

On lions, impala, and bigraphs: modelling interactions in Ubiquitous Computing

As ubiquitous systems have moved out of the lab and into the world the need to think more systematically about how there are realised has grown. This talk will present intradisciplinary work I have been engaged in with other computing colleagues on how we might develop more formal models and understanding of ubiquitous computing systems. The formal modelling of computing systems has proved valuable in areas as diverse as reliability, security and robustness. However, the emergence of ubiquitous computing raises new challenges for formal modelling due to their contextual nature and dependence on unreliable sensing systems. In this work we undertook an exploration of modelling an example ubiquitous system called the Savannah game using the approach of bigraphical rewriting systems. This required an unusual intra-disciplinary dialogue between formal computing and human- computer interaction researchers to model systematically four perspectives on Savannah: computational, physical, human and technical. Each perspective in turn drew upon a range of different modelling traditions. For example, the human perspective built upon previous work on proxemics, which uses physical distance as a means to understand interaction. In this talk I hope to show how our model explains observed inconsistencies in Savannah and ex- tend it to resolve these. I will then reflect on the need for intradisciplinary work of this form and the importance of the bigraph diagrammatic form to support this form of engagement. Speaker Biography Tom Rodden Tom Rodden (rodden.info) is a Professor of Interactive Computing at the University of Nottingham. His research brings together a range of human and technical disciplines, technologies and techniques to tackle the human, social, ethical and technical challenges involved in ubiquitous computing and the increasing used of personal data. He leads the Mixed Reality Laboratory (www.mrl.nott.ac.uk) an interdisciplinary research facility that is home of a team of over 40 researchers. He founded and currently co-directs the Horizon Digital Economy Research Institute (www.horizon.ac.uk), a university wide interdisciplinary research centre focusing on ethical use of our growing digital footprint. He has previously directed the EPSRC Equator IRC (www.equator.ac.uk) a national interdisciplinary research collaboration exploring the place of digital interaction in our everyday world. He is a fellow of the British Computer Society and the ACM and was elected to the ACM SIGCHI Academy in 2009 (http://www.sigchi.org/about/awards/).

Modelling stereoscopic vision systems for robotic applications

Aquesta tesi s'emmarca dins del projecte CICYT TAP 1999-0443-C05-01. L'objectiu d'aquest projecte és el disseny, implementació i avaluació de robots mòbils, amb un sistema de control distribuït, sistemes de sensorització i xarxa de comunicacions per realitzar tasques de vigilància. Els robots han de poder-se moure per un entorn reconeixent la posició i orientació dels diferents objectes que l'envolten. Aquesta informació ha de permetre al robot localitzar-se dins de l'entorn on es troba per poder-se moure evitant els possibles obstacles i dur a terme la tasca encomanada. El robot ha de generar un mapa dinàmic de l'entorn que serà utilitzat per localitzar la seva posició. L'objectiu principal d'aquest projecte és aconseguir que un robot explori i construeixi un mapa de l'entorn sense la necessitat de modificar el propi entorn. Aquesta tesi està enfocada en l'estudi de la geometria dels sistemes de visió estereoscòpics formats per dues càmeres amb l'objectiu d'obtenir informació geomètrica 3D de l'entorn d'un vehicle. Aquest objectiu tracta de l'estudi del modelatge i la calibració de càmeres i en la comprensió de la geometria epipolar. Aquesta geometria està continguda en el que s'anomena emph{matriu fonamental}. Cal realitzar un estudi del càlcul de la matriu fonamental d'un sistema estereoscòpic amb la finalitat de reduir el problema de la correspondència entre dos plans imatge. Un altre objectiu és estudiar els mètodes d'estimació del moviment basats en la geometria epipolar diferencial per tal de percebre el moviment del robot i obtenir-ne la posició. Els estudis de la geometria que envolta els sistemes de visió estereoscòpics ens permeten presentar un sistema de visió per computador muntat en un robot mòbil que navega en un entorn desconegut. El sistema fa que el robot sigui capaç de generar un mapa dinàmic de l'entorn a mesura que es desplaça i determinar quin ha estat el moviment del robot per tal de emph{localitzar-se} dins del mapa. La tesi presenta un estudi comparatiu dels mètodes de calibració de càmeres més utilitzats en les últimes dècades. Aquestes tècniques cobreixen un gran ventall dels mètodes de calibració clàssics. Aquest mètodes permeten estimar els paràmetres de la càmera a partir d'un conjunt de punts 3D i de les seves corresponents projeccions 2D en una imatge. Per tant, aquest estudi descriu un total de cinc tècniques de calibració diferents que inclouen la calibració implicita respecte l'explicita i calibració lineal respecte no lineal. Cal remarcar que s'ha fet un gran esforç en utilitzar la mateixa nomenclatura i s'ha estandaritzat la notació en totes les tècniques presentades. Aquesta és una de les dificultats principals a l'hora de poder comparar les tècniques de calibració ja què cada autor defineix diferents sistemes de coordenades i diferents conjunts de paràmetres. El lector és introduït a la calibració de càmeres amb la tècnica lineal i implícita proposada per Hall i amb la tècnica lineal i explicita proposada per Faugeras-Toscani. A continuació es passa a descriure el mètode a de Faugeras incloent el modelatge de la distorsió de les lents de forma radial. Seguidament es descriu el conegut mètode proposat per Tsai, i finalment es realitza una descripció detallada del mètode de calibració proposat per Weng. Tots els mètodes són comparats tant des del punt de vista de model de càmera utilitzat com de la precisió de la calibració. S'han implementat tots aquests mètodes i s'ha analitzat la precisió presentant resultats obtinguts tant utilitzant dades sintètiques com càmeres reals. Calibrant cada una de les càmeres del sistema estereoscòpic es poden establir un conjunt de restriccions geomètri ques entre les dues imatges. Aquestes relacions són el que s'anomena geometria epipolar i estan contingudes en la matriu fonamental. Coneixent la geometria epipolar es pot: simplificar el problema de la correspondència reduint l'espai de cerca a llarg d'una línia epipolar; estimar el moviment d'una càmera quan aquesta està muntada sobre un robot mòbil per realitzar tasques de seguiment o de navegació; reconstruir una escena per aplicacions d'inspecció, propotipatge o generació de motlles. La matriu fonamental s'estima a partir d'un conjunt de punts en una imatges i les seves correspondències en una segona imatge. La tesi presenta un estat de l'art de les tècniques d'estimació de la matriu fonamental. Comença pels mètode lineals com el dels set punts o el mètode dels vuit punts, passa pels mètodes iteratius com el mètode basat en el gradient o el CFNS, fins arribar las mètodes robustos com el M-Estimators, el LMedS o el RANSAC. En aquest treball es descriuen fins a 15 mètodes amb 19 implementacions diferents. Aquestes tècniques són comparades tant des del punt de vista algorísmic com des del punt de vista de la precisió que obtenen. Es presenten el resultats obtinguts tant amb imatges reals com amb imatges sintètiques amb diferents nivells de soroll i amb diferent quantitat de falses correspondències. Tradicionalment, l'estimació del moviment d'una càmera està basada en l'aplicació de la geometria epipolar entre cada dues imatges consecutives. No obstant el cas tradicional de la geometria epipolar té algunes limitacions en el cas d'una càmera situada en un robot mòbil. Les diferencies entre dues imatges consecutives són molt petites cosa que provoca inexactituds en el càlcul de matriu fonamental. A més cal resoldre el problema de la correspondència, aquest procés és molt costós en quant a temps de computació i no és gaire efectiu per aplicacions de temps real. En aquestes circumstàncies les tècniques d'estimació del moviment d'una càmera solen basar-se en el flux òptic i en la geometria epipolar diferencial. En la tesi es realitza un recull de totes aquestes tècniques degudament classificades. Aquests mètodes són descrits unificant la notació emprada i es remarquen les semblances i les diferencies entre el cas discret i el cas diferencial de la geometria epipolar. Per tal de poder aplicar aquests mètodes a l'estimació de moviment d'un robot mòbil, aquest mètodes generals que estimen el moviment d'una càmera amb sis graus de llibertat, han estat adaptats al cas d'un robot mòbil que es desplaça en una superfície plana. Es presenten els resultats obtinguts tant amb el mètodes generals de sis graus de llibertat com amb els adaptats a un robot mòbil utilitzant dades sintètiques i seqüències d'imatges reals. Aquest tesi finalitza amb una proposta de sistema de localització i de construcció d'un mapa fent servir un sistema estereoscòpic situat en un robot mòbil. Diverses aplicacions de robòtica mòbil requereixen d'un sistema de localització amb l'objectiu de facilitar la navegació del vehicle i l'execució del les trajectòries planificades. La localització es sempre relativa al mapa de l'entorn on el robot s'està movent. La construcció de mapes en un entorn desconegut és una tasca important a realitzar per les futures generacions de robots mòbils. El sistema que es presenta realitza la localització i construeix el mapa de l'entorn de forma simultània. A la tesi es descriu el robot mòbil GRILL, que ha estat la plataforma de treball emprada per aquesta aplicació, amb el sistema de visió estereoscòpic que s'ha dissenyat i s'ha muntat en el robot. També es descriu tots el processos que intervenen en el sistema de localització i construcció del mapa. La implementació d'aquest processos ha estat possible gràcies als estudis realitzats i presentats prèviament (calibració de càmeres, estimació de la matriu fonamental, i estimació del moviment) sense els quals no s'hauria pogut plantejar aquest sistema. Finalment es presenten els mapes en diverses trajectòries realitzades pel robot GRILL en el laboratori. Les principals contribucions d'aquest treball són: ·Un estat de l'art sobre mètodes de calibració de càmeres. El mètodes són comparats tan des del punt de vista del model de càmera utilitzat com de la precisió dels mètodes. ·Un estudi dels mètodes d'estimació de la matriu fonamental. Totes les tècniques estudiades són classificades i descrites des d'un punt de vista algorísmic. ·Un recull de les tècniques d'estimació del moviment d'una càmera centrat en el mètodes basat en la geometria epipolar diferencial. Aquestes tècniques han estat adaptades per tal d'estimar el moviment d'un robot mòbil. ·Una aplicació de robòtica mòbil per tal de construir un mapa dinàmic de l'entorn i localitzar-se per mitja d'un sistema estereoscòpic. L'aplicació presentada es descriu tant des del punt de vista del maquinari com del programari que s'ha dissenyat i implementat.

Modelling climate change: the role of unresolved processes

Our understanding of the climate system has been revolutionized recently, by the development of sophisticated computer models. The predictions of such models are used to formulate international protocols, intended to mitigate the severity of global warming and its impacts. Yet, these models are not perfect representations of reality, because they remove from explicit consideration many physical processes which are known to be key aspects of the climate system, but which are too small or fast to be modelled. The purpose of this paper is to give a personal perspective of the current state of knowledge regarding the problem of unresolved scales in climate models. A recent novel solution to the problem is discussed, in which it is proposed, somewhat counter-intuitively, that the performance of models may be improved by adding random noise to represent the unresolved processes.

Performance and prediction: Bayesian modelling of fallible choice in chess

Evaluating agents in decision-making applications requires assessing their skill and predicting their behaviour. Both are well developed in Poker-like situations, but less so in more complex game and model domains. This paper addresses both tasks by using Bayesian inference in a benchmark space of reference agents. The concepts are explained and demonstrated using the game of chess but the model applies generically to any domain with quantifiable options and fallible choice. Demonstration applications address questions frequently asked by the chess community regarding the stability of the rating scale, the comparison of players of different eras and/or leagues, and controversial incidents possibly involving fraud. The last include alleged under-performance, fabrication of tournament results, and clandestine use of computer advice during competition. Beyond the model world of games, the aim is to improve fallible human performance in complex, high-value tasks.

Using remotely sensed data to support flood modelling

Recent severe flooding in the UK has highlighted the need for better information on flood risk, increasing the pressure on engineers to enhance the capabilities of computer models for flood prediction. This paper evaluates the benefits to be gained from the use of remotely sensed data to support flood modelling. The remotely sensed data available can be used either to produce high-resolution digital terrain models (DTMs) (light detection and ranging (Lidar) data), or to generate accurate inundation mapping of past flood events (airborne synthetic aperture radar (SAR) data and aerial photography). The paper reports on the modelling of real flood events that occurred at two UK sites on the rivers Severn and Ouse. At these sites a combination of remotely sensed data and recorded hydrographs was available. It is concluded first that light detection and ranging Lidar generated DTMs support the generation of considerably better models and enhance the visualisation of model results and second that flood outlines obtained from airborne SAR or aerial images help develop an appreciation of the hydraulic behaviour of important model components, and facilitate model validation. The need for further research is highlighted by a number of limitations, namely: the difficulties in obtaining an adequate representation of hydraulically important features such as embankment crests and walls; uncertainties in the validation data; and difficulties in extracting flood outlines from airborne SAR images in urban areas.

Global hydrology modelling and uncertainty: running multiple ensembles with a campus grid.

Uncertainties associated with the representation of various physical processes in global climate models (GCMs) mean that, when projections from GCMs are used in climate change impact studies, the uncertainty propagates through to the impact estimates. A complete treatment of this ‘climate model structural uncertainty’ is necessary so that decision-makers are presented with an uncertainty range around the impact estimates. This uncertainty is often underexplored owing to the human and computer processing time required to perform the numerous simulations. Here, we present a 189-member ensemble of global river runoff and water resource stress simulations that adequately address this uncertainty. Following several adaptations and modifications, the ensemble creation time has been reduced from 750 h on a typical single-processor personal computer to 9 h of high-throughput computing on the University of Reading Campus Grid. Here, we outline the changes that had to be made to the hydrological impacts model and to the Campus Grid, and present the main results. We show that, although there is considerable uncertainty in both the magnitude and the sign of regional runoff changes across different GCMs with climate change, there is much less uncertainty in runoff changes for regions that experience large runoff increases (e.g. the high northern latitudes and Central Asia) and large runoff decreases (e.g. the Mediterranean). Furthermore, there is consensus that the percentage of the global population at risk to water resource stress will increase with climate change.

Automated pre-processing strategies for species occurrence data used in biodiversity modelling

To construct Biodiversity richness maps from Environmental Niche Models (ENMs) of thousands of species is time consuming. A separate species occurrence data pre-processing phase enables the experimenter to control test AUC score variance due to species dataset size. Besides, removing duplicate occurrences and points with missing environmental data, we discuss the need for coordinate precision, wide dispersion, temporal and synonymity filters. After species data filtering, the final task of a pre-processing phase should be the automatic generation of species occurrence datasets which can then be directly ’plugged-in’ to the ENM. A software application capable of carrying out all these tasks will be a valuable time-saver particularly for large scale biodiversity studies.

Graphical tracking systems revisited: a practical approach to computer scheduling in horticulture

Graphical tracking is a technique for crop scheduling where the actual plant state is plotted against an ideal target curve which encapsulates all crop and environmental characteristics. Management decisions are made on the basis of the position of the actual crop against the ideal position. Due to the simplicity of the approach it is possible for graphical tracks to be developed on site without the requirement for controlled experimentation. Growth models and graphical tracks are discussed, and an implementation of the Richards curve for graphical tracking described. In many cases, the more intuitively desirable growth models perform sub-optimally due to problems with the specification of starting conditions, environmental factors outside the scope of the original model and the introduction of new cultivars. Accurate specification for a biological model requires detailed and usually costly study, and as such is not adaptable to a changing cultivar range and changing cultivation techniques. Fitting of a new graphical track for a new cultivar can be conducted on site and improved over subsequent seasons. Graphical tracking emphasises the current position relative to the objective, and as such does not require the time consuming or system specific input of an environmental history, although it does require detailed crop measurement. The approach is flexible and could be applied to a variety of specification metrics, with digital imaging providing a route for added value. For decision making regarding crop manipulation from the observed current state, there is a role for simple predictive modelling over the short term to indicate the short term consequences of crop manipulation.

Dynamic modelling of a wind catcher/tower turret for natural ventilation

This paper discusses experimental and theoretical investigations and Computational Fluid Dynamics (CFD) modelling considerations to evaluate the performance of a square section wind catcher system connected to the top of a test room for the purpose of natural ventilation. The magnitude and distribution of pressure coefficients (C-p) around a wind catcher and the air flow into the test room were analysed. The modelling results indicated that air was supplied into the test room through the wind catcher's quadrants with positive external pressure coefficients and extracted out of the test room through quadrants with negative pressure coefficients. The air flow achieved through the wind catcher depends on the speed and direction of the wind. The results obtained using the explicit and AIDA implicit calculation procedures and CFX code correlate relatively well with the experimental results at lower wind speeds and with wind incidents at an angle of 0 degrees. Variation in the C-p and air flow results were observed particularly with a wind direction of 45 degrees. The explicit and implicit calculation procedures were found to be quick and easy to use in obtaining results whereas the wind tunnel tests were more expensive in terms of effort, cost and time. CFD codes are developing rapidly and are widely available especially with the decreasing prices of computer hardware. However, results obtained using CFD codes must be considered with care, particularly in the absence of empirical data.

Using modelling tools to optimise the calculation and subsequent reduction of cable distortion parameters with application to oil well logging systems

This paper discusses how the use of computer-based modelling tools has aided the design of a telemetry unit for use with oil well logging. With the aid of modern computer-based simulation techniques, the new design is capable of operating at data rates of 2.5 times faster than previous designs.