Evolving Distributed Algorithms with Genetic Programming

Distributed systems are one of the most vital components of the economy. The most prominent example is probably the internet, a constituent element of our knowledge society. During the recent years, the number of novel network types has steadily increased. Amongst others, sensor networks, distributed systems composed of tiny computational devices with scarce resources, have emerged. The further development and heterogeneous connection of such systems imposes new requirements on the software development process. Mobile and wireless networks, for instance, have to organize themselves autonomously and must be able to react to changes in the environment and to failing nodes alike. Researching new approaches for the design of distributed algorithms may lead to methods with which these requirements can be met efficiently. In this thesis, one such method is developed, tested, and discussed in respect of its practical utility. Our new design approach for distributed algorithms is based on Genetic Programming, a member of the family of evolutionary algorithms. Evolutionary algorithms are metaheuristic optimization methods which copy principles from natural evolution. They use a population of solution candidates which they try to refine step by step in order to attain optimal values for predefined objective functions. The synthesis of an algorithm with our approach starts with an analysis step in which the wanted global behavior of the distributed system is specified. From this specification, objective functions are derived which steer a Genetic Programming process where the solution candidates are distributed programs. The objective functions rate how close these programs approximate the goal behavior in multiple randomized network simulations. The evolutionary process step by step selects the most promising solution candidates and modifies and combines them with mutation and crossover operators. This way, a description of the global behavior of a distributed system is translated automatically to programs which, if executed locally on the nodes of the system, exhibit this behavior. In our work, we test six different ways for representing distributed programs, comprising adaptations and extensions of well-known Genetic Programming methods (SGP, eSGP, and LGP), one bio-inspired approach (Fraglets), and two new program representations called Rule-based Genetic Programming (RBGP, eRBGP) designed by us. We breed programs in these representations for three well-known example problems in distributed systems: election algorithms, the distributed mutual exclusion at a critical section, and the distributed computation of the greatest common divisor of a set of numbers. Synthesizing distributed programs the evolutionary way does not necessarily lead to the envisaged results. In a detailed analysis, we discuss the problematic features which make this form of Genetic Programming particularly hard. The two Rule-based Genetic Programming approaches have been developed especially in order to mitigate these difficulties. In our experiments, at least one of them (eRBGP) turned out to be a very efficient approach and in most cases, was superior to the other representations.

Die aeroelastische Stabilitätsanalyse – ein praxisnaher Ansatz zur intervalltheoretischen Betrachtung von Modellierungsunsicherheiten am Flugzeug

Die Untersuchung des dynamischen aeroelastischen Stabilitätsverhaltens von Flugzeugen erfordert sehr komplexe Rechenmodelle, welche die wesentlichen elastomechanischen und instationären aerodynamischen Eigenschaften der Konstruktion wiedergeben sollen. Bei der Modellbildung müssen einerseits Vereinfachungen und Idealisierungen im Rahmen der Anwendung der Finite Elemente Methode und der aerodynamischen Theorie vorgenommen werden, deren Auswirkungen auf das Simulationsergebnis zu bewerten sind. Andererseits können die strukturdynamischen Kenngrößen durch den Standschwingungsversuch identifiziert werden, wobei die Ergebnisse Messungenauigkeiten enthalten. Für eine robuste Flatteruntersuchung müssen die identifizierten Unwägbarkeiten in allen Prozessschritten über die Festlegung von unteren und oberen Schranken konservativ ermittelt werden, um für alle Flugzustände eine ausreichende Flatterstabilität sicherzustellen. Zu diesem Zweck wird in der vorliegenden Arbeit ein Rechenverfahren entwickelt, welches die klassische Flatteranalyse mit den Methoden der Fuzzy- und Intervallarithmetik verbindet. Dabei werden die Flatterbewegungsgleichungen als parameterabhängiges nichtlineares Eigenwertproblem formuliert. Die Änderung der komplexen Eigenlösung infolge eines veränderlichen Einflussparameters wird mit der Methode der numerischen Fortsetzung ausgehend von der nominalen Startlösung verfolgt. Ein modifizierter Newton-Iterations-Algorithmus kommt zur Anwendung. Als Ergebnis liegen die berechneten aeroelastischen Dämpfungs- und Frequenzverläufe in Abhängigkeit von der Fluggeschwindigkeit mit Unschärfebändern vor.

Self-Assembly of Stimuli-Responsive Water-Soluble [60]Fullerene End-Capped Ampholytic Block Copolymer

Well-defined, water-soluble, pH and temperature stimuli-responsive [60]fullerene (C₆₀) containing ampholytic block copolymer of poly((methacrylic acid)-block-(2-(dimethylamino)ethyl methacrylate))-block–C₆₀ (P(MAA-b-DMAEMA)-b-C₆₀) was synthesized by the atom transfer radical polymerization (ATRP) technique. The self-assembly behaviour of the C₆₀ containing polyampholyte in aqueous solution was characterized by dynamic light scattering (DLS), and transmission electron microscopy. This amphiphilic mono-C₆₀ end-capped block copolymer shows enhanced solubility in aqueous medium at room and elevated temperatures and at low and high pH but phase-separates at intermediate pH of between 5.4 and 8.8. The self assembly of the copolymer is different from that of P(MAA-b-DMAEMA). Examination of the association behavior using DLS revealed the co-existence of unimers and aggregates at low pH at all temperatures studied, with the association being driven by the balance of hydrophobic and electrostatic interactions. Unimers and aggregates of different microstructures are also observed at high pH and at temperatures below the lower critical solution temperature (LCST) of PDMAEMA. At high pH and at temperatures above the LCST of PDMAEMA, the formation of micelles and aggregates co-existing in solution is driven by the combination of hydrophobic, electrostatic, and charge-transfer interactions.

Quantified set inversion with applications to control

This paper describes a new reliable method, based on modal interval analysis (MIA) and set inversion (SI) techniques, for the characterization of solution sets defined by quantified constraints satisfaction problems (QCSP) over continuous domains. The presented methodology, called quantified set inversion (QSI), can be used over a wide range of engineering problems involving uncertain nonlinear models. Finally, an application on parameter identification is presented

Soluciones isotónicas versus hipotónicas como líquidos de mantenimiento en niños en estado crítico

El desarrollo de hiponatremia aguda en los pacientes hospitalizados se ha asociado con el uso de líquidos de mantenimiento hipotónicos.3,5-7,11-13,15-21 El propósito de este estudio es determinar si el uso de soluciones hipotónicas (60 meq/l Na) como líquidos de mantenimiento en niños críticos inducen más hiponatremia aguda que soluciones isotónicas (lactato ringer). Método: Se realizó un estudio retrospectivo de cohorte, que incluyó los niños que ingresaron a la UCIP de la Fundación Cardioinfantil desde septiembre de 2009 a diciembre de 2011 con edades entre 6 meses y 10 años, quienes requirieron líquidos endovenosos de mantenimiento con 60 meq/l de sodio o lactato Ringer. Resultados: En total se estudiaron 117 pacientes de los cuales 71 niños recibieron 60 meq/L de Na y 46 recibieron lactato Ringer, las características demográficas y clínicas fueron similares en ambos grupos. De los pacientes que recibieron 60 meq/L de sodio se encontró hiponatremia en un 28,1% ( n= 20) vs 17.4% ( n=8) de los que recibieron 130 meq /l sodio, sin observar diferencias significativas ( RR 1,863 IC95% 0,779- 4,680 p=0.1302) . Conclusiones: En niños críticos que requieren líquidos de mantenimiento no se encontraron diferencias en la frecuencia de aparición de hiponatremia sintomática inducidas por el tipo de solución utilizada. El lactato de Ringer y la Dextrosa con 60 mq/lit de sodio fueron seguros y efectivos para sostener el estado de hidratación.

La proyección de imagen a partir de Soft Power, mediante Nation Branding y Diplomacia Pública en el caso de Japón, durante el periodo 2002 – 2010

En el actual contexto de globalización y con el comienzo de la era de la información, cada vez más Estados han buscado proyectar una imagen favorable con el objetivo de atraer atención y crear una reputación que permitan cumplir objetivos de política exterior y fomentar el desarrollo económico, logrando de esta manera un posicionamiento en el sistema internacional mediante estrategias novedosas, que incluyen elementos tanto diplomáticos, políticos, económicos, como comerciales y culturales. Para Japón, Nation Branding y la diplomacia pública han sido dos de las principales herramientas para lograr este reposicionamiento internacional, resaltando atractivos como las tradiciones culturales, el turismo, los incentivos para negocios, y trabajando en conjunto entre el gobierno nacional, el sector privado y la sociedad civil para crear relaciones entre el país y gobiernos y sociedades a nivel internacional.

Respuestas de elección durante el contraste negativo sucesivo consumatorio en ratas

En ratas, el cambio de una solución preferida (agua azucarada al 32%) por otra menos preferida (agua azucarada al 4%) produce una caída del consumo por debajo de un grupo control no devaluado, el cual siempre recibe acceso a la solución de valor bajo. Este fenómeno denominado contraste negativo sucesivo consumatorio ocurre incluso cuando la devaluación coincide con cambios en las claves ambientales o gustativas y cuando hay múltiples opciones de respuesta (con el reforzador de valor bajo disponible en varios lugares). En este artículo se presenta un experimento donde un grupo de ratas se entrenó en la fase pre-cambio con una solución preferida con sabor a almendra (32%A) y otro con una menos preferida (4%A). La fase post-cambio se realizó en un contexto distinto y novedoso, donde todos los animales pudieron elegir entre consumir 4% o 4%A. Se observó un efecto de contraste negativo en los animales que experimentaron la devaluación y una preferencia por la solución con el sabor a almendra utilizado durante la fase precambio en los sujetos de ambos grupos.

Hidrolipoclasia con solución salina hipotónica versus isotónica en adiposidad localizada

Introducción: La hidrolipoclasia es una técnica de moldeamiento corporal consistente en la infiltración de una solución en el tejido adiposo con la consiguiente aplicación de ultrasonido para producir lisis en los adipocitos y reducción del tejido adiposo en el área de tratamiento. Sin embargo, existen múltiples variaciones a la técnica, entre ellas el tipo de solución utilizada. El objetivo de este estudio fue comparar los resultados con la técnica de hidrolipoclasia en cuanto a reducción de medidas con el uso de solución salina hipotónica versus isotónica. Metodología: Estudio descriptivo de corte transversal, se analizaron historias clínicas de pacientes a los que se les realizó hidrolipoclasia entre enero de 2013 y febrero 2014 en dos centros médicos estéticos de Bogotá. Se compararon dos técnicas (utilizando solución salina isotónica versus hipotónica) en cuanto a la disminución de medidas antropométricas tomadas antes y después del tratamiento. Los datos fueron analizados mediante la comparación de medias utilizando la prueba t de Student. Resultados: Se analizaron 37 historias clínicas, 19 pacientes sometidos a hidrolipoclasia con solución salina hipotónica y 18 con isotónica. Después de la realización de un procedimiento hubo una disminución estadísticamente significativa (p: 0,000) en todas las medidas antropométricas evaluadas, siendo mayor comparativamente en los pacientes tratados con solución hipotónica en cintura, perímetro abdominal y perímetro a nivel de crestas iliacas. Los efectos secundarios incluyeron equimosis y hematomas. No se presentaron complicaciones. Conclusión: La hidrolipoclasia es segura y eficaz en el manejo de adiposidad localizada, teniendo una mayor efectividad cuando se utiliza solución salina hipotónica.

Las armas de destrucción masiva y el orden mundial

Un sistema de defensa que funcionaría como escudo antimisiles, destruyendo todo misil que entraba a espacio aéreo norteamericano, en caso de algún ataque del imperio del mal de ese entonces, la Unión Soviética

Desenvolupament computacional de la semblança molecular quàntica

La present Tesi Doctoral, titulada desenvolupament computacional de la semblança molecular quàntica, tracta, fonamentalment, els aspectes de càlcul de mesures de semblança basades en la comparació de funcions de densitat electrònica.El primer capítol, Semblança quàntica, és introductori. S'hi descriuen les funcions de densitat de probabilitat electrònica i llur significança en el marc de la mecànica quàntica. Se n'expliciten els aspectes essencials i les condicions matemàtiques a satisfer, cara a una millor comprensió dels models de densitat electrònica que es proposen. Hom presenta les densitats electròniques, mencionant els teoremes de Hohenberg i Kohn i esquematitzant la teoria de Bader, com magnituds fonamentals en la descripció de les molècules i en la comprensió de llurs propietats.En el capítol Models de densitats electròniques moleculars es presenten procediments computacionals originals per l'ajust de funcions densitat a models expandits en termes de gaussianes 1s centrades en els nuclis. Les restriccions físico-matemàtiques associades a les distribucions de probabilitat s'introdueixen de manera rigorosa, en el procediment anomenat Atomic Shell Approximation (ASA). Aquest procediment, implementat en el programa ASAC, parteix d'un espai funcional quasi complert, d'on se seleccionen variacionalment les funcions o capes de l'expansió, d'acord als requisits de no negativitat. La qualitat d'aquestes densitats i de les mesures de semblança derivades es verifica abastament. Aquest model ASA s'estén a representacions dinàmiques, físicament més acurades, en quant que afectades per les vibracions nuclears, cara a una exploració de l'efecte de l'esmorteïment dels pics nuclears en les mesures de semblança molecular. La comparació de les densitats dinàmiques respecte les estàtiques evidencia un reordenament en les densitats dinàmiques, d'acord al que constituiria una manifestació del Principi quàntic de Le Chatelier. El procediment ASA, explícitament consistent amb les condicions de N-representabilitat, s'aplica també a la determinació directe de densitats electròniques hidrogenoides, en un context de teoria del funcional de la densitat.El capítol Maximització global de la funció de semblança presenta algorismes originals per la determinació de la màxima sobreposició de les densitats electròniques moleculars. Les mesures de semblança molecular quàntica s'identifiquen amb el màxim solapament, de manera es mesuri la distància entre les molècules, independentment dels sistemes de referència on es defineixen les densitats electròniques. Partint de la solució global en el límit de densitats infinitament compactades en els nuclis, es proposen tres nivells de aproximació per l'exploració sistemàtica, no estocàstica, de la funció de semblança, possibilitant la identificació eficient del màxim global, així com també dels diferents màxims locals. Es proposa també una parametrització original de les integrals de recobriment a través d'ajustos a funcions lorentzianes, en quant que tècnica d'acceleració computacional. En la pràctica de les relacions estructura-activitat, aquests avenços possibiliten la implementació eficient de mesures de semblança quantitatives, i, paral·lelament, proporcionen una metodologia totalment automàtica d'alineació molecular. El capítol Semblances d'àtoms en molècules descriu un algorisme de comparació dels àtoms de Bader, o regions tridimensionals delimitades per superfícies de flux zero de la funció de densitat electrònica. El caràcter quantitatiu d'aquestes semblances possibilita la mesura rigorosa de la noció química de transferibilitat d'àtoms i grups funcionals. Les superfícies de flux zero i els algorismes d'integració usats han estat publicats recentment i constitueixen l'aproximació més acurada pel càlcul de les propietats atòmiques. Finalment, en el capítol Semblances en estructures cristal·lines hom proposa una definició original de semblança, específica per la comparació dels conceptes de suavitat o softness en la distribució de fonons associats a l'estructura cristal·lina. Aquests conceptes apareixen en estudis de superconductivitat a causa de la influència de les interaccions electró-fonó en les temperatures de transició a l'estat superconductor. En aplicar-se aquesta metodologia a l'anàlisi de sals de BEDT-TTF, s'evidencien correlacions estructurals entre sals superconductores i no superconductores, en consonància amb les hipòtesis apuntades a la literatura sobre la rellevància de determinades interaccions.Conclouen aquesta tesi un apèndix que conté el programa ASAC, implementació de l'algorisme ASA, i un capítol final amb referències bibliogràfiques.

A Galerkin boundary element method for high frequency scattering by convex polygons

In this paper we consider the problem of time-harmonic acoustic scattering in two dimensions by convex polygons. Standard boundary or finite element methods for acoustic scattering problems have a computational cost that grows at least linearly as a function of the frequency of the incident wave. Here we present a novel Galerkin boundary element method, which uses an approximation space consisting of the products of plane waves with piecewise polynomials supported on a graded mesh, with smaller elements closer to the corners of the polygon. We prove that the best approximation from the approximation space requires a number of degrees of freedom to achieve a prescribed level of accuracy that grows only logarithmically as a function of the frequency. Numerical results demonstrate the same logarithmic dependence on the frequency for the Galerkin method solution. Our boundary element method is a discretization of a well-known second kind combined-layer-potential integral equation. We provide a proof that this equation and its adjoint are well-posed and equivalent to the boundary value problem in a Sobolev space setting for general Lipschitz domains.

A well-posed integral equation formulation for three-dimensional rough surface scattering

We consider the problem of scattering of time-harmonic acoustic waves by an unbounded sound-soft rough surface. Recently, a Brakhage Werner type integral equation formulation of this problem has been proposed, based on an ansatz as a combined single- and double-layer potential, but replacing the usual fundamental solution of the Helmholtz equation with an appropriate half-space Green's function. Moreover, it has been shown in the three-dimensional case that this integral equation is uniquely solvable in the space L-2 (Gamma) when the scattering surface G does not differ too much from a plane. In this paper, we show that this integral equation is uniquely solvable with no restriction on the surface elevation or slope. Moreover, we construct explicit bounds on the inverse of the associated boundary integral operator, as a function of the wave number, the parameter coupling the single- and double-layer potentials, and the maximum surface slope. These bounds show that the norm of the inverse operator is bounded uniformly in the wave number, kappa, for kappa > 0, if the coupling parameter h is chosen proportional to the wave number. In the case when G is a plane, we show that the choice eta = kappa/2 is nearly optimal in terms of minimizing the condition number.

Acoustic scattering by mildly rough unbounded surfaces in three dimensions

For a nonlocally perturbed half- space we consider the scattering of time-harmonic acoustic waves. A second kind boundary integral equation formulation is proposed for the sound-soft case, based on a standard ansatz as a combined single-and double-layer potential but replacing the usual fundamental solution of the Helmholtz equation with an appropriate half- space Green's function. Due to the unboundedness of the surface, the integral operators are noncompact. In contrast to the two-dimensional case, the integral operators are also strongly singular, due to the slow decay at infinity of the fundamental solution of the three-dimensional Helmholtz equation. In the case when the surface is sufficiently smooth ( Lyapunov) we show that the integral operators are nevertheless bounded as operators on L-2(Gamma) and on L-2(Gamma G) boolean AND BC(Gamma) and that the operators depend continuously in norm on the wave number and on G. We further show that for mild roughness, i.e., a surface G which does not differ too much from a plane, the boundary integral equation is uniquely solvable in the space L-2(Gamma) boolean AND BC(Gamma) and the scattering problem has a unique solution which satisfies a limiting absorption principle in the case of real wave number.

A kinematically distorted flux rope model for magnetic clouds

Constant-α force-free magnetic flux rope models have proven to be a valuable first step toward understanding the global context of in situ observations of magnetic clouds. However, cylindrical symmetry is necessarily assumed when using such models, and it is apparent from both observations and modeling that magnetic clouds have highly noncircular cross sections. A number of approaches have been adopted to relax the circular cross section approximation: frequently, the cross-sectional shape is allowed to take an arbitrarily chosen shape (usually elliptical), increasing the number of free parameters that are fit between data and model. While a better “fit” may be achieved in terms of reducing the mean square error between the model and observed magnetic field time series, it is not always clear that this translates to a more accurate reconstruction of the global structure of the magnetic cloud. We develop a new, noncircular cross section flux rope model that is constrained by observations of CMEs/ICMEs and knowledge of the physical processes acting on the magnetic cloud: The magnetic cloud is assumed to initially take the form of a force-free flux rope in the low corona but to be subsequently deformed by a combination of axis-centered self-expansion and heliocentric radial expansion. The resulting analytical solution is validated by fitting to artificial time series produced by numerical MHD simulations of magnetic clouds and shown to accurately reproduce the global structure.

Dicopper(II) complexes of a new di-para-xylyldioxatetraazamacrocycle and cascade species with dicarboxylate anions: thermodynamics and structural properties

The new dioxatetraazamacrocycle (L-1) was synthesized by a 2 + 2 condensation and characterized. Stability constants of its copper(II) complexes were determined by spectrophotometry in DMSO at 298.2 K in 0. 10 mol dm(-3) KClO4. Mainly dinuclear complexes are formed and the presence of mononuclear species is dependent on the counterion (Cl- or ClO4-). The association constants of the dinuclear copper(II) complexes with dicarboxylate anions [oxalate (oxa(2-)), malonate (mal(2-)), succinate (suc(2-)), and glutarate (glu(2-))] were also determined by spectrophotometry at 298.2 K in DMSO, and it was found that values decrease with an increase of the alkyl chain between the carboxylate groups. X-Band EPR spectra of the dicopper(II) complexes and of their cascade species in frozen DMSO exhibit dipole-dipole coupling, and their simulation, together with their UV-vis spectra, showed that the copper centres of the complexes in solution had square pyramidal geometries though with different distortions. From the experimental data, it was also possible to predict the Cu...Cu distances, the minimum being found at 6.4 angstrom for the (Cu2LCl4)-Cl-1 complex and then successively this distance slightly increases when the chloride anions are replaced by dicarboxylate anions, from 6.6 angstrom for oxa(2-) to 7.8 for glu(2-). The crystal structures of the dinuclear copper cascade species with oxa(2-) and suc(2-) were determined and showed one anion bridging both copper centres and Cu...Cu distances of 5.485(7) angstrom and 6.442(8) angstrom, respectively.