Teaching mathematics and programming : new approaches with empirical evaluation

Programming and mathematics are core areas of computer science (CS) and consequently also important parts of CS education. Introductory instruction in these two topics is, however, not without problems. Studies show that CS students find programming difficult to learn and that teaching mathematical topics to CS novices is challenging. One reason for the latter is the disconnection between mathematics and programming found in many CS curricula, which results in students not seeing the relevance of the subject for their studies. In addition, reports indicate that students' mathematical capability and maturity levels are dropping. The challenges faced when teaching mathematics and programming at CS departments can also be traced back to gaps in students' prior education. In Finland the high school curriculum does not include CS as a subject; instead, focus is on learning to use the computer and its applications as tools. Similarly, many of the mathematics courses emphasize application of formulas, while logic, formalisms and proofs, which are important in CS, are avoided. Consequently, high school graduates are not well prepared for studies in CS. Motivated by these challenges, the goal of the present work is to describe new approaches to teaching mathematics and programming aimed at addressing these issues: Structured derivations is a logic-based approach to teaching mathematics, where formalisms and justifications are made explicit. The aim is to help students become better at communicating their reasoning using mathematical language and logical notation at the same time as they become more confident with formalisms. The Python programming language was originally designed with education in mind, and has a simple syntax compared to many other popular languages. The aim of using it in instruction is to address algorithms and their implementation in a way that allows focus to be put on learning algorithmic thinking and programming instead of on learning a complex syntax. Invariant based programming is a diagrammatic approach to developing programs that are correct by construction. The approach is based on elementary propositional and predicate logic, and makes explicit the underlying mathematical foundations of programming. The aim is also to show how mathematics in general, and logic in particular, can be used to create better programs.

THE LOGICAL SYSTEM OF FREGE'S GRUNDGESTZE: A RATIONAL RECONSTRUCTION

This paper aims at clarifying the nature of Frege's system of logic, as presented in the first volume of the Grundgesetze . We undertake a rational reconstruction of this system, by distinguishing its propositional and predicate fragments. This allows us to emphasise the differences and similarities between this system and a modern system of classical second-order logic.

A Technique for Digital Color Image Watermarking Using ICA

With the increase of use of digital media the need for the methods of multimedia protection becomes extremely important. The number of the solutions to the problem from encryption to watermarking is large and is growing every year. In this work digital image watermarking is considered, specifically a novel method of digital watermarking of color and spectral images. An overview of existing methods watermarking of color and grayscale images is given in the paper. Methods using independent component analysis (ICA) for detection and the ones using discrete wavelet transform (DWT) and discrete cosine transform (DCT) are considered in more detail. A novel method of watermarking proposed in this paper allows embedding of a color or spectral watermark image into color or spectral image consequently and successful extraction of the watermark out of the resultant watermarked image. A number of experiments have been performed on the quality of extraction depending on the parameters of the embedding procedure. Another set of experiments included the test of the robustness of the algorithm proposed. Three techniques have been chosen for that purpose: median filter, low-pass filter (LPF) and discrete cosine transform (DCT), which are a part of a widely known StirMark - Image Watermarking Robustness Test. The study shows that the proposed watermarking technique is fragile, i.e. watermark is altered by simple image processing operations. Moreover, we have found that the contents of the image to be watermarked do not affect the quality of the extraction. Mixing coefficients, that determine the amount of the key and watermark image in the result, should not exceed 1% of the original. The algorithm proposed has proven to be successful in the task of watermark embedding and extraction.

Scheduling of guarded command based models

Formal methods provide a means of reasoning about computer programs in order to prove correctness criteria. One subtype of formal methods is based on the weakest precondition predicate transformer semantics and uses guarded commands as the basic modelling construct. Examples of such formalisms are Action Systems and Event-B. Guarded commands can intuitively be understood as actions that may be triggered when an associated guard condition holds. Guarded commands whose guards hold are nondeterministically chosen for execution, but no further control flow is present by default. Such a modelling approach is convenient for proving correctness, and the Refinement Calculus allows for a stepwise development method. It also has a parallel interpretation facilitating development of concurrent software, and it is suitable for describing event-driven scenarios. However, for many application areas, the execution paradigm traditionally used comprises more explicit control flow, which constitutes an obstacle for using the above mentioned formal methods. In this thesis, we study how guarded command based modelling approaches can be conveniently and efficiently scheduled in different scenarios. We first focus on the modelling of trust for transactions in a social networking setting. Due to the event-based nature of the scenario, the use of guarded commands turns out to be relatively straightforward. We continue by studying modelling of concurrent software, with particular focus on compute-intensive scenarios. We go from theoretical considerations to the feasibility of implementation by evaluating the performance and scalability of executing a case study model in parallel using automatic scheduling performed by a dedicated scheduler. Finally, we propose a more explicit and non-centralised approach in which the flow of each task is controlled by a schedule of its own. The schedules are expressed in a dedicated scheduling language, and patterns assist the developer in proving correctness of the scheduled model with respect to the original one.

Ilmoitusmenettely rahanpesun torjumiseksi

Rahanpesu on rikollisesta toiminnasta hankitun varallisuuden siirtoa lailliseen talousjärjestelmään. Rahanpesu on liitännäinen teko ja se edellyttää aina esirikosta. Esirikos voi olla mikä tahansa rikos, josta varallisuutta hankitaan - huumausainerikos tai talousrikos. Tutkielmassa on selvitetty lainopillista menetelmää käyttäen Suomen rahanpesulain ja ilmoitusmenettelyn tavoitteita ja sisältöä, sekä kansainvälisen rahanpesusäännöstön vaikutuksia Suomen säännöstöön. Empiiristä aineistoa kerättiin teemahaastattelujen avulla ja sen avulla selvitettiin, miten Suomen ilmoitusvelvolliset noudattavat laissa ja ilmoitusmenettelyssä asetettuja velvollisuuksia käytännössä. Tutkimustulosten mukaan, ilmoitusvelvollisiin kohdistetaan suora normatiivinen ohjaus. Ilmoitusvelvolliset noudattavat, hyväksyvät sääntelyn ja uskovat siihen. Tämä auttaa Suomen viranomaisia rahanpesutorjuntatyössä. Suomen rahanpesusäännöstöä on kehitetty vuosien aikana vastamaan kansainvälisiä vaatimuksia. Sääntelyssä on vielä puutteita. On olemassa myös muita ulkopuolisia tekijöitä, jotka hankaloittavat rahanpesun tehokasta torjuntaa.

Implementing RDF metadata in Hydra

Workshop at Open Repositories 2014, Helsinki, Finland, June 9-13, 2014

Designing a Bit Preservation System

Poster at Open Repositories 2014, Helsinki, Finland, June 9-13, 2014

[Kurzrezensionen]

Kirjallisuusarvostelu

The concept of emerging power in international politics and economy

ABSTRACT This paper aims to analyze the concept of emerging power established to the understanding of international affairs. The work observes that the use of the lexicon emerging - regarding to markets, countries or powers - as qualifier for a range of international relations phenomena became a constituent part of the matter. In spite of that, the empirical denotation of the predicate is ahead of the amount of efforts on its theoretical contextualization. Our methodological hypothesis is that the rational denial of the concepts prevailing connotative spectrum by acknowledging the embedded wisdom about cognate phenomena synthesizes a theoretical framework on its accurate use.

A System for Models of First Order Theories

If you want to know whether a property is true or not in a specific algebraic structure,you need to test that property on the given structure. This can be done by hand, which can be cumbersome and erroneous. In addition, the time consumed in testing depends on the size of the structure where the property is applied. We present an implementation of a system for finding counterexamples and testing properties of models of first-order theories. This system is supposed to provide a convenient and paperless environment for researchers and students investigating or studying such models and algebraic structures in particular. To implement a first-order theory in the system, a suitable first-order language.( and some axioms are required. The components of a language are given by a collection of variables, a set of predicate symbols, and a set of operation symbols. Variables and operation symbols are used to build terms. Terms, predicate symbols, and the usual logical connectives are used to build formulas. A first-order theory now consists of a language together with a set of closed formulas, i.e. formulas without free occurrences of variables. The set of formulas is also called the axioms of the theory. The system uses several different formats to allow the user to specify languages, to define axioms and theories and to create models. Besides the obvious operations and tests on these structures, we have introduced the notion of a functor between classes of models in order to generate more co~plex models from given ones automatically. As an example, we will use the system to create several lattices structures starting from a model of the theory of pre-orders.

Significations lexicales et notionnelles dans les domaines de spécialité

Département de linguistique et de traduction

Towards a Privacy-enhanced Social Networking Site

L’avénement des réseaux sociaux, tel que Facebook, MySpace et LinkedIn, a fourni une plateforme permettant aux individus de rester facilement connectés avec leurs amis, leurs familles ou encore leurs collègues tout en les encourageant activement à partager leurs données personnelles à travers le réseau. Avec la richesse des activités disponibles sur un réseau social, la quantité et la variété des informations personnelles partagées sont considérables. De plus, de part leur nature numérique, ces informations peuvent être facilement copiées, modifiées ou divulguées sans le consentement explicite de leur propriétaire. Ainsi, l’information personnelle révélée par les réseaux sociaux peut affecter de manière concrète la vie de leurs utilisateurs avec des risques pour leur vie privée allant d’un simple embarras à la ruine complète de leur réputation, en passant par l’usurpation d’identité. Malheureusement, la plupart des utilisateurs ne sont pas conscients de ces risques et les outils mis en place par les réseaux sociaux actuels ne sont pas suffisants pour protéger efficacement la vie privée de leurs utilisateurs. En outre, même si un utilisateur peut contrôler l’accès à son propre profil, il ne peut pas contrôler ce que les autres révèlent à son sujet. En effet, les “amis” d’un utilisateur sur un réseau social peuvent parfois révéler plus d’information à son propos que celui-ci ne le souhaiterait. Le respect de la vie privée est un droit fondamental pour chaque individu. Nous pré- sentons dans cette thèse une approche qui vise à accroître la prise de conscience des utilisateurs des risques par rapport à leur vie privée et à maintenir la souveraineté sur leurs données lorsqu’ils utilisent un réseau social. La première contribution de cette thèse réside dans la classification des risques multiples ainsi que les atteintes à la vie privée des utilisateurs d’un réseau social. Nous introduisons ensuite un cadre formel pour le respect de la vie privée dans les réseaux sociaux ainsi que le concept de politique de vie privée (UPP). Celle-ci définie par l’utilisateur offre une manière simple et flexible de spécifier et communiquer leur attentes en terme de respect de la vie privée à d’autres utilisateurs, tiers parties ainsi qu’au fournisseur du réseau social. Par ailleurs, nous dé- finissons une taxonomie (possiblement non-exhaustive) des critères qu’un réseau social peut intégrer dans sa conception pour améliorer le respect de la vie privée. En introduisant le concept de réseau social respectueux de la vie privée (PSNS), nous proposons Privacy Watch, un réseau social respectueux de la vie privée qui combine les concepts de provenance et d’imputabilité afin d’aider les utilisateurs à maintenir la souveraineté sur leurs données personnelles. Finalement, nous décrivons et comparons les différentes propositions de réseaux sociaux respectueux de la vie privée qui ont émergé récemment. Nous classifions aussi ces différentes approches au regard des critères de respect de la vie privée introduits dans cette thèse.

Identification et modélisation lexicographique des dépendances syntaxiques régies du français: le cas des dépendances nominales

Cette recherche porte sur l’interface entre la sémantique lexicale et la syntaxe, et elle s’inscrit dans le cadre du projet de base lexicale DiCo (acronyme pour Dictionnaire de combinatoire) à l’Observatoire de Linguistique Sens-Texte [OLST] de l’Université de Montréal. Le projet découle d'une volonté d'inscrire de façon concise et complète, à même le dictionnaire, le comportement syntaxique typique à chaque unité lexicale. Dans cette optique, nous encodons la cooccurrence des lexies nominales du DiCo avec leurs actants à l'intérieur d'un tableau de régime lexical (aussi connu sous le nom de schéma valenciel, structure argumentale, cadre de sous-catégorisation, structure prédicats-arguments, etc.), en notant entre autres les dépendances syntaxiques de surface impliquées. Dans ce mémoire, nous présentons les propriétés syntaxiques d'une dépendance nominale du français, celle que nous avons nommée attributive adnominale, de façon à exposer une méthodologie d'identification et de caractérisation des dépendances syntaxiques de surface. Nous donnons également la liste des dépendances nominales régies identifiées au cours de ce travail. Par la suite, nous exposons la création d'une base de données de régimes généralisés du français nommée CARNAVAL. Finalement, nous discutons des applications possibles de notre travail, particulièrement en ce qui a trait à la création d'une typologie des régimes lexicaux du français.

The legality of online Privacy-Enhancing Technologies

L’utilisation d’Internet prend beaucoup d’ampleur depuis quelques années et le commerce électronique connaît une hausse considérable. Nous pouvons présentement acheter facilement via Internet sans quitter notre domicile et avons accès à d’innombrables sources d’information. Cependant, la navigation sur Internet permet également la création de bases de données détaillées décrivant les habitudes de chaque utilisateur, informations ensuite utilisées par des tiers afin de cerner le profil de leur clientèle cible, ce qui inquiète plusieurs intervenants. Les informations concernant un individu peuvent être récoltées par l’interception de données transactionnelles, par l’espionnage en ligne, ainsi que par l’enregistrement d’adresses IP. Afin de résoudre les problèmes de vie privée et de s’assurer que les commerçants respectent la législation applicable en la matière, ainsi que les exigences mises de l’avant par la Commission européenne, plusieurs entreprises comme Zero-knowledge Systems Inc. et Anonymizer.com offrent des logiciels permettant la protection de la vie privée en ligne (privacy-enhancing technologies ou PETs). Ces programmes utilisent le cryptage d’information, une méthode rendant les données illisibles pour tous à l’exception du destinataire. L’objectif de la technologie utilisée a été de créer des systèmes mathématiques rigoureux pouvant empêcher la découverte de l’identité de l’auteur même par le plus déterminé des pirates, diminuant ainsi les risques de vol d’information ou la divulgation accidentelle de données confidentielles. Malgré le fait que ces logiciels de protection de la vie privée permettent un plus grand respect des Directives européennes en la matière, une analyse plus approfondie du sujet témoigne du fait que ces technologies pourraient être contraires aux lois concernant le cryptage en droit canadien, américain et français.

Utilisation de représentations de mots pour l’étiquetage de rôles sémantiques suivant FrameNet

Dans la sémantique des cadres de Fillmore, les mots prennent leur sens par rapport au contexte événementiel ou situationnel dans lequel ils s’inscrivent. FrameNet, une ressource lexicale pour l’anglais, définit environ 1000 cadres conceptuels, couvrant l’essentiel des contextes possibles. Dans un cadre conceptuel, un prédicat appelle des arguments pour remplir les différents rôles sémantiques associés au cadre (par exemple : Victime, Manière, Receveur, Locuteur). Nous cherchons à annoter automatiquement ces rôles sémantiques, étant donné le cadre sémantique et le prédicat. Pour cela, nous entrainons un algorithme d’apprentissage machine sur des arguments dont le rôle est connu, pour généraliser aux arguments dont le rôle est inconnu. On utilisera notamment des propriétés lexicales de proximité sémantique des mots les plus représentatifs des arguments, en particulier en utilisant des représentations vectorielles des mots du lexique.