TY  - THES
A1  - Bügner, Jörg
T1  - Nichtlineare Methoden in der trainingswissenschaftlichen Diagnostik : mit Untersuchungen aus dem Schwimmsport
T1  - Nonlinear methods for diagnostic purposes in training science
N2  - Die trainingswissenschaftliche Diagnostik in den Kernbereichen Training, Wettkampf und Leistungsfähigkeit ist durch einen hohen Praxisbezug, eine ausgeprägte strukturelle Komplexität und vielseitige Wechselwirkungen der sportwissenschaftlichen Teilgebiete geprägt. Diese Eigenschaften haben in der Vergangenheit dazu geführt, dass zentrale Fragestellungen, wie beispielsweise die Maximierung der sportlichen Leistungsfähigkeit, eine ökonomische Trainingsgestaltung, eine effektive Talentauswahl und -sichtung oder die Modellbildung noch nicht vollständig gelöst werden konnten. Neben den bereits vorhandenen linearen Lösungsansätzen werden in dieser Arbeit Methoden aus dem Bereich der Neuronalen Netzwerke eingesetzt. Diese nichtlinearen Diagnoseverfahren sind besonders geeignet für die Analyse von Prozessabläufen, wie sie beispielsweise im Training vorliegen. Im theoretischen Teil werden zunächst Gemeinsamkeiten, Abhängigkeiten und Unterschiede in den Bereichen Training, Wettkampf und Leistungsfähigkeit untersucht sowie die Brücke zwischen trainingswissenschaftlicher Diagnostik und nichtlinearen Verfahren über die Begriffe der Interdisziplinarität und Integrativität geschlagen. Angelehnt an die Theorie der Neuronalen Netze werden anschließend die Grundlagenmodelle Perzeptron, Multilayer-Perzeptron und Selbstorganisierende Karten theoretisch erläutert. Im empirischen Teil stehen dann die nichtlineare Analyse von personalen Anforderungsstrukturen, Zustände der sportlichen Form und die Prognose sportlichen Talents - allesamt bei jugendlichen Leistungsschwimmerinnen und -schwimmern - im Mittelpunkt. Die nichtlinearen Methoden werden dabei einerseits auf ihre wissenschaftliche Aussagekraft überprüft, andererseits untereinander sowie mit linearen Verfahren verglichen.
N2  - The diagnostic methods in training science concentrate on the core areas of training, competition, and performance. The methods commonly used are characterized by a high degree of practical applicability and distinct structural complexity. These characteristics have led to the question which scientific methods fit best for resolving problems like, for example, the optimization of athletic performance, efficient planning and monitoring of training processes, effective talent screening, selection and development, or the formation of analytical models. All these questions have not yet been answered sufficiently. Aside from the traditional mathematical approaches on the basis of the linear model, nonlinear methods in the field of neural networks are used in this dissertation. These nonlinear diagnostic methods are especially suitable for the analysis of coherent patterns in time series such as training processes. In the theoretical part of the dissertation, common aspects, mutual dependencies, and differences between training, competition, and performance are examined. In this context, a bridge is built between the diagnostic purposes in these fields and suitable nonlinear methods. Along the lines of the neural networks theory, the basic models Perceptron, Multilayer-Perceptron, and Self-Organizing Feature Maps are subsequently elucidated. In the empirical part of the thesis, three studies conducted with top level adolescent swimmers are presented that focus on the nonlinear analysis of personal athletic ability structures, different states of athletic shape, and the prognosis of athletic talent. The nonlinear methods are thus examined as to how worthwhile they are for analytical purposes in training science on the one hand, and they are compared to each other as well as to linear methods on the other hand.
KW  - Neuronales Netz
KW  - Längsschnittuntersuchung
KW  - Selbstorganisierende Karte
KW  - Mehrschichten-Perzeptron
KW  - Schwimmsport
KW  - Leistungsdiagnostik
KW  - neural networks
KW  - longitudinal design
KW  - swimming
KW  - multi-layer perceptron
KW  - self-organizing feature map
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5504
ER  - 
TY  - THES
A1  - Scholz, Matthias
T1  - Approaches to analyse and interpret biological profile data
T1  - Methoden zur Analyse und Interpretation biologischer Profildaten
N2  - Advances in biotechnologies rapidly increase the number of molecules of a cell which can be observed simultaneously. This includes expression levels of thousands or ten-thousands of genes as well as concentration levels of metabolites or proteins.  Such Profile data, observed at different times or at different experimental conditions (e.g., heat or dry stress), show how the biological experiment is reflected on the molecular level. This information is helpful to understand the molecular behaviour and to identify molecules or combination of molecules that characterise specific biological condition (e.g., disease).  This work shows the potentials of component extraction algorithms to identify the major factors which influenced the observed data. This can be the expected experimental factors such as the time or temperature as well as unexpected factors such as technical artefacts or even unknown biological behaviour.  Extracting components means to reduce the very high-dimensional data to a small set of new variables termed components. Each component is a combination of all original variables. The classical approach for that purpose is the principal component analysis (PCA).  It is shown that, in contrast to PCA which maximises the variance only, modern approaches such as independent component analysis (ICA) are more suitable for analysing molecular data. The condition of independence between components of ICA fits more naturally our assumption of individual (independent) factors which influence the data. This higher potential of ICA is demonstrated by a crossing experiment of the model plant Arabidopsis thaliana (Thale Cress). The experimental factors could be well identified and, in addition, ICA could even detect a technical artefact.  However, in continuously observations such as in time experiments, the data show, in general, a nonlinear distribution. To analyse such nonlinear data, a nonlinear extension of PCA is used. This nonlinear PCA (NLPCA) is based on a neural network algorithm. The algorithm is adapted to be applicable to incomplete molecular data sets. Thus, it provides also the ability to estimate the missing data. The potential of nonlinear PCA to identify nonlinear factors is demonstrated by a cold stress experiment of Arabidopsis thaliana.  The results of component analysis can be used to build a molecular network model. Since it includes functional dependencies it is termed functional network. Applied to the cold stress data, it is shown that functional networks are appropriate to visualise biological processes and thereby reveals molecular dynamics.
N2  - Fortschritte in der Biotechnologie ermöglichen es, eine immer größere Anzahl von Molekülen in einer Zelle gleichzeitig zu erfassen. Das betrifft sowohl die Expressionswerte tausender oder zehntausender Gene als auch die Konzentrationswerte von Metaboliten oder Proteinen.  Diese Profildaten verschiedener Zeitpunkte oder unterschiedlicher experimenteller Bedingungen (z.B. unter Stressbedingungen wie Hitze oder Trockenheit) zeigen, wie sich das biologische Experiment auf molekularer Ebene widerspiegelt. Diese Information kann genutzt werden, um molekulare Abläufe besser zu verstehen und um Moleküle oder Molekül-Kombinationen zu bestimmen, die für bestimmte biologische Zustände (z.B.: Krankheit) charakteristisch sind.  Die Arbeit zeigt die Möglichkeiten von Komponenten-Extraktions-Algorithmen zur Bestimmung der wesentlichen Faktoren, die einen Einfluss auf die beobachteten Daten ausübten. Das können sowohl die erwarteten experimentellen Faktoren wie Zeit oder Temperatur sein als auch unerwartete Faktoren wie technische Einflüsse oder sogar unerwartete biologische Vorgänge.  Unter der Extraktion von Komponenten versteht man die Reduzierung dieser stark hoch-dimensionalen Daten auf wenige neue Variablen, die eine Kombination aus allen ursprünglichen Variablen darstellen und als Komponenten bezeichnet werden. Die Standard-Methode für diesen Zweck ist die Hauptkomponentenanalyse (PCA).  Es wird gezeigt, dass - im Vergleich zur nur die Varianz maximierenden PCA - moderne Methoden wie die Unabhängige Komponentenanalyse (ICA) für die Analyse molekularer Datensätze besser geeignet sind. Die Unabhängigkeit von Komponenten in der ICA entspricht viel besser unserer Annahme individueller (unabhängiger) Faktoren, die einen Einfluss auf die Daten ausüben. Dieser Vorteil der ICA wird anhand eines Kreuzungsexperiments mit der Modell-Pflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) demonstriert. Die experimentellen Faktoren konnten dabei gut identifiziert werden und ICA erkannte sogar zusätzlich einen technischen Störfaktor.  Bei kontinuierlichen Beobachtungen wie in Zeitexperimenten zeigen die Daten jedoch häufig eine nichtlineare Verteilung. Für die Analyse dieser nichtlinearen Daten wird eine nichtlinear erweiterte Methode der PCA angewandt. Diese nichtlineare PCA (NLPCA) basiert auf einem neuronalen Netzwerk-Algorithmus. Der Algorithmus wurde für die Anwendung auf unvollständigen molekularen Daten erweitert. Dies ermöglicht es, die fehlenden Werte zu schätzen. Die Fähigkeit der nichtlinearen PCA zur Bestimmung nichtlinearer Faktoren wird anhand eines Kältestress-Experiments mit Arabidopsis thaliana demonstriert.  Die Ergebnisse aus der Komponentenanalyse können zur Erstellung molekularer Netzwerk-Modelle genutzt werden. Da sie funktionelle Abhängigkeiten berücksichtigen, werden sie als Funktionale Netzwerke bezeichnet. Anhand der Kältestress-Daten wird demonstriert, dass solche funktionalen Netzwerke geeignet sind, biologische Prozesse zu visualisieren und dadurch die molekularen Dynamiken aufzuzeigen.
KW  - Bioinformatik
KW  - Hauptkomponentenanalyse
KW  - Unabhängige Komponentenanalyse
KW  - Neuronales Netz
KW  - Maschinelles Lernen
KW  - Fehlende Daten
KW  - Ackerschmalwand
KW  - nichtlineare PCA (NLPCA)
KW  - molekulare Netzwerke
KW  - nonlinear PCA (NLPCA)
KW  - molecular networks
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7839
ER  -