Essays on the Axiomatic Theory of Matching

This dissertation mimics the Turkish college admission procedure. It started with the purpose to reduce the inefficiencies in Turkish market. For this purpose, we propose a mechanism under a new market structure; as we prefer to call, semi-centralization. In chapter 1, we give a brief summary of Matching Theory. We present the first examples in Matching history with the most general papers and mechanisms. In chapter 2, we propose our mechanism. In real life application, that is in Turkish university placements, the mechanism reduces the inefficiencies of the current system. The success of the mechanism depends on the preference profile. It is easy to show that under complete information the mechanism implements the full set of stable matchings for a given profile. In chapter 3, we refine our basic mechanism. The modification on the mechanism has a crucial effect on the results. The new mechanism is, as we call, a middle mechanism. In one of the subdomain, this mechanism coincides with the original basic mechanism. But, in the other partition, it gives the same results with Gale and Shapley's algorithm. In chapter 4, we apply our basic mechanism to well known Roommate Problem. Since the roommate problem is in one-sided game patern, firstly we propose an auxiliary function to convert the game semi centralized two-sided game, because our basic mechanism is designed for this framework. We show that this process is succesful in finding a stable matching in the existence of stability. We also show that our mechanism easily and simply tells us if a profile lacks of stability by using purified orderings. Finally, we show a method to find all the stable matching in the existence of multi stability. The method is simply to run the mechanism for all of the top agents in the social preference.

Graph algorithms for bioinformatics

Biological data are inherently interconnected: protein sequences are connected to their annotations, the annotations are structured into ontologies, and so on. While protein-protein interactions are already represented by graphs, in this work I am presenting how a graph structure can be used to enrich the annotation of protein sequences thanks to algorithms that analyze the graph topology. We also describe a novel solution to restrict the data generation needed for building such a graph, thanks to constraints on the data and dynamic programming. The proposed algorithm ideally improves the generation time by a factor of 5. The graph representation is then exploited to build a comprehensive database, thanks to the rising technology of graph databases. While graph databases are widely used for other kind of data, from Twitter tweets to recommendation systems, their application to bioinformatics is new. A graph database is proposed, with a structure that can be easily expanded and queried.

Graph-based analysis of brain resting-state fMRI data in nocturnal frontal lobe epileptic patients

Il lavoro che ho sviluppato presso l'unità di RM funzionale del Policlinico S.Orsola-Malpighi, DIBINEM, è incentrato sull'analisi dati di resting state - functional Magnetic Resonance Imaging (rs-fMRI) mediante l'utilizzo della graph theory, con lo scopo di valutare eventuali differenze in termini di connettività cerebrale funzionale tra un campione di pazienti affetti da Nocturnal Frontal Lobe Epilepsy (NFLE) ed uno di controlli sani. L'epilessia frontale notturna è una peculiare forma di epilessia caratterizzata da crisi che si verificano quasi esclusivamente durante il sonno notturno. Queste sono contraddistinte da comportamenti motori, prevalentemente distonici, spesso complessi, e talora a semiologia bizzarra. L'fMRI è una metodica di neuroimaging avanzata che permette di misurare indirettamente l'attività neuronale. Tutti i soggetti sono stati studiati in condizioni di resting-state, ossia di veglia rilassata. In particolare mi sono occupato di analizzare i dati fMRI con un approccio innovativo in campo clinico-neurologico, rappresentato dalla graph theory. I grafi sono definiti come strutture matematiche costituite da nodi e links, che trovano applicazione in molti campi di studio per la modellizzazione di strutture di diverso tipo. La costruzione di un grafo cerebrale per ogni partecipante allo studio ha rappresentato la parte centrale di questo lavoro. L'obiettivo è stato quello di definire le connessioni funzionali tra le diverse aree del cervello mediante l'utilizzo di un network. Il processo di modellizzazione ha permesso di valutare i grafi neurali mediante il calcolo di parametri topologici che ne caratterizzano struttura ed organizzazione. Le misure calcolate in questa analisi preliminare non hanno evidenziato differenze nelle proprietà globali tra i grafi dei pazienti e quelli dei controlli. Alterazioni locali sono state invece riscontrate nei pazienti, rispetto ai controlli, in aree della sostanza grigia profonda, del sistema limbico e delle regioni frontali, le quali rientrano tra quelle ipotizzate essere coinvolte nella fisiopatologia di questa peculiare forma di epilessia.

Metodi di map-matching per l'identificazione degli itinerari dei ciclisti

Negli ultimi anni si è assistito al considerevole aumento della disponibilità di dati GPS e della loro precisione, dovuto alla diffusione e all’evoluzione tecnologica di smartphone e di applicazioni di localizzazione. Il processo di map-matching consiste nell’integrare tali dati - solitamente una lista ordinata di punti, identificati tramite coordinate geografiche ricavate mediante un sistema di localizzazione, come il GPS - con le reti disponibili; nell’ambito dell’ingegneria dei trasporti, l’obiettivo è di identificare il percorso realmente scelto dall’utente per lo spostamento. Il presente lavoro si propone l’obiettivo di studiare alcune metodologie di map-matching per l’identificazione degli itinerari degli utenti, in particolare della mobilità ciclabile. Nel primo capitolo è esposto il funzionamento dei sistemi di posizionamento e in particolare del sistema GPS: ne sono discusse le caratteristiche, la suddivisione nei vari segmenti, gli errori di misurazione e la cartografia di riferimento. Nel secondo capitolo sono presentati i vari aspetti del procedimento di map-matching, le sue principali applicazioni e alcune possibili classificazioni degli algoritmi di map-matching sviluppati in letteratura. Nel terzo capitolo è esposto lo studio eseguito su diversi algoritmi di map-matching, che sono stati testati su un database di spostamenti di ciclisti nell’area urbana di Bologna, registrati tramite i loro smartphone sotto forma di punti GPS, e sulla relativa rete. Si analizzano altresì i risultati ottenuti in un secondo ambiente di testing, predisposto nell’area urbana di Catania, dove sono state registrate in modo analogo alcune tracce di prova, e utilizzata la relativa rete. La comparazione degli algoritmi è eseguita graficamente e attraverso degli indicatori. Vengono inoltre proposti e valutati due algoritmi che forniscono un aggiornamento di quelli analizzati, al fine di migliorarne le prestazioni in termini di accuratezza dei risultati e di costo computazionale.

Kernel density correlation based non-rigid point set matching for statistical model-based 2D/3D reconstruction

This paper presents a kernel density correlation based nonrigid point set matching method and shows its application in statistical model based 2D/3D reconstruction of a scaled, patient-specific model from an un-calibrated x-ray radiograph. In this method, both the reference point set and the floating point set are first represented using kernel density estimates. A correlation measure between these two kernel density estimates is then optimized to find a displacement field such that the floating point set is moved to the reference point set. Regularizations based on the overall deformation energy and the motion smoothness energy are used to constraint the displacement field for a robust point set matching. Incorporating this non-rigid point set matching method into a statistical model based 2D/3D reconstruction framework, we can reconstruct a scaled, patient-specific model from noisy edge points that are extracted directly from the x-ray radiograph by an edge detector. Our experiment conducted on datasets of two patients and six cadavers demonstrates a mean reconstruction error of 1.9 mm

A Flow Trace Generator using Graph-based Traffic Classification Techniques

We propose a novel methodology to generate realistic network flow traces to enable systematic evaluation of network monitoring systems in various traffic conditions. Our technique uses a graph-based approach to model the communication structure observed in real-world traces and to extract traffic templates. By combining extracted and user-defined traffic templates, realistic network flow traces that comprise normal traffic and customized conditions are generated in a scalable manner. A proof-of-concept implementation demonstrates the utility and simplicity of our method to produce a variety of evaluation scenarios. We show that the extraction of templates from real-world traffic leads to a manageable number of templates that still enable accurate re-creation of the original communication properties on the network flow level.