TY - THES A1 - Sharma, Shubham T1 - Integrated approaches to earthquake forecasting T1 - Integrierte Ansätze zur Vorhersage von Erdbeben BT - insights from Coulomb stress, seismotectonics, and aftershock sequences BT - Erkenntnisse aus Coulomb-Stress, Seismotektonik und Nachbebenfolgen N2 - A comprehensive study on seismic hazard and earthquake triggering is crucial for effective mitigation of earthquake risks. The destructive nature of earthquakes motivates researchers to work on forecasting despite the apparent randomness of the earthquake occurrences. Understanding their underlying mechanisms and patterns is vital, given their potential for widespread devastation and loss of life. This thesis combines methodologies, including Coulomb stress calculations and aftershock analysis, to shed light on earthquake complexities, ultimately enhancing seismic hazard assessment. The Coulomb failure stress (CFS) criterion is widely used to predict the spatial distributions of aftershocks following large earthquakes. However, uncertainties associated with CFS calculations arise from non-unique slip inversions and unknown fault networks, particularly due to the choice of the assumed aftershocks (receiver) mechanisms. Recent studies have proposed alternative stress quantities and deep neural network approaches as superior to CFS with predefined receiver mechanisms. To challenge these propositions, I utilized 289 slip inversions from the SRCMOD database to calculate more realistic CFS values for a layered-half space and variable receiver mechanisms. The analysis also investigates the impact of magnitude cutoff, grid size variation, and aftershock duration on the ranking of stress metrics using receiver operating characteristic (ROC) analysis. Results reveal the performance of stress metrics significantly improves after accounting for receiver variability and for larger aftershocks and shorter time periods, without altering the relative ranking of the different stress metrics. To corroborate Coulomb stress calculations with the findings of earthquake source studies in more detail, I studied the source properties of the 2005 Kashmir earthquake and its aftershocks, aiming to unravel the seismotectonics of the NW Himalayan syntaxis. I simultaneously relocated the mainshock and its largest aftershocks using phase data, followed by a comprehensive analysis of Coulomb stress changes on the aftershock planes. By computing the Coulomb failure stress changes on the aftershock faults, I found that all large aftershocks lie in regions of positive stress change, indicating triggering by either co-seismic or post-seismic slip on the mainshock fault. Finally, I investigated the relationship between mainshock-induced stress changes and associated seismicity parameters, in particular those of the frequency-magnitude (Gutenberg-Richter) distribution and the temporal aftershock decay (Omori-Utsu law). For that purpose, I used my global data set of 127 mainshock-aftershock sequences with the calculated Coulomb Stress (ΔCFS) and the alternative receiver-independent stress metrics in the vicinity of the mainshocks and analyzed the aftershocks properties depend on the stress values. Surprisingly, the results show a clear positive correlation between the Gutenberg-Richter b-value and induced stress, contrary to expectations from laboratory experiments. This observation highlights the significance of structural heterogeneity and strength variations in seismicity patterns. Furthermore, the study demonstrates that aftershock productivity increases nonlinearly with stress, while the Omori-Utsu parameters c and p systematically decrease with increasing stress changes. These partly unexpected findings have significant implications for future estimations of aftershock hazard. The findings in this thesis provides valuable insights into earthquake triggering mechanisms by examining the relationship between stress changes and aftershock occurrence. The results contribute to improved understanding of earthquake behavior and can aid in the development of more accurate probabilistic-seismic hazard forecasts and risk reduction strategies. N2 - Ein umfassendes Verständnis der seismischen Gefahr und Erdbebenauslösung ist wichtig für eine Minderung von Erdbebenrisiken. Die zerstörerische Natur von Erdbeben motiviert Forscher dazu, trotz der scheinbaren Zufälligkeit der Erdbebenereignisse an Vorhersagen zu arbeiten. Das Verständnis der den Beben zugrunde liegenden Mechanismen und Muster ist angesichts ihres Potenzials für weitreichende Verwüstung und den Verlust von Menschenleben von entscheidender Bedeutung. Diese Arbeit kombiniert Methoden, einschließlich der Berechnung der Coulombschen Spannung und der Analyse von Nachbeben, um die Komplexitäten von Erdbeben besser zu verstehen und letztendlich die Bewertung der seismischen Gefahr zu verbessern. Das Coulomb Spannungskriterium (CFS) wird oft verwendet, um die räumliche Verteilung von Nachbeben nach großen Erdbeben vorherzusagen. Jedoch ergeben sich Unsicherheiten bei der Berechnung von CFS aus nicht eindeutigen slip-inversion und der unbekannten Störungsnetzwerken, insbesondere aufgrund der Unsicherheit bezüglich der Nachbebenmechanismen (Empfänger). Neueste Studien deuten darauf hin dass alternative Spannungsgrößen und Deep-Learning-Ansätze gegenüber CFS mit vordefinierten Empfängermechanismen. Um diese Ergebnisse zu hinterfragen, habe ich 289 Slip-inversion uberlegensind aus der SRCMOD-Datenbank verwendet, um realistischere CFS-Werte für einen geschichteten Halbraum und variable Empfängermechanismen zu berechnen. Dabei habe ich auch den Einfluss von Magnitudenschwellenwerten, Gittergrößenvariationen und der Nachbeben-Dauer auf die vorhersagemöglichkeiten der Spannungsmetriken unter Verwendung der ROC-Analyse (Receiver Operating Characteristic) untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die berudzsidtizung von variablen Empfangermechanism und größere Nachbeben und kürzere Zeiträume die vorhersagekraft steigern, wobei die relative Rangfolge der verschiedenen Spannungsmetriken nicht geändert wird. Um die Coulomb Spannungsberechnungen genauer mit den Ergebnissen von Erdbebenstudien abzugleichen, habe ich die Quelleneigenschaften des Erdbebens von Kaschmir aus dem Jahr 2005 und seiner Nachbeben mit dem ziel, die Seismotektonik des NW-Himalaya Syntaxis zu entschlüsseln, detailliert untersucht. Ich habe gleichzeitig das Hauptbeben und seine größten Nachbeben unter Verwendung von seismischen Phaseneinsetzen relokalisiert und anschließend eine umfassende Analyse der Coulomb Spannungsänderungen auf den Bruchflächen der Nachbeben durchgeführt. Durch die Berechnung der Coulomb Spannungsänderungen an den während der Nachbeben aktivierten Störungen konnte ich herausfinden, dass alle großen Nachbeben in Regionen mit positiven Spannungsänderungen liegen, was auf eine Auslösung durch entweder ko-seismische oder post-seismische Verschiebungen des Hauptbebens hinweist. Schließlich habe ich die Beziehung zwischen den durch Hauptbeben verursachten Spannungsänderungen und den damit verbundenen seismischen Parametern untersucht, insbesondere denen der Häufigkeits-Magnituden (Gutenberg-Richter) Verteilung und des zeitlichen Nachbebenabklingens (Omori-Utsu-Gesetz). Zu diesem Zweck habe ich meinen globalen Datensatz von 127 Hauptbeben-Nachbeben-Sequenzen mit den in der Umgebung der Hauptbeben berechneten Coulomb Spannungen ($\Delta$CFS) zusammen mit den alternativen, empfänger-unabhängigen Spannungsmetriken, verwendet und die Eigenschaften in Abhängigkeit der Spannungswerte analysiert. Überraschenderweise zeigen die Ergebnisse eine klar positive Korrelation zwischen dem $b$-Wert der Gutenberg-Richter-Verteilung und der induzierten Spannung, was im Kontrast zu den Erwartungen aus Laborexperimenten steht. Diese Beobachtung unterstreicht die Bedeutung struktureller Heterogenitäten und Festigkeitsvariationen in seismischen Mustern. Darüber hinaus zeigt die Studie, dass die Anzahl von Nachbeben nichtlinear mit der Spannung zunimmt, während die Omori-Utsu-Parameter $c$ und $p$ systematisch mit zunehmenden Spannungsänderungen abnehmen. Diese teilweise unerwarteten Ergebnisse haben bedeutende Auswirkungen auf zukünftige Abschätzungen der Nachbebengefahr. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern wertvolle Einblicke in die Mechanismen der Erdbebenauslösung, indem sie die Beziehung zwischen Spannungsänderungen und dem Auftreten von Nachbeben untersuchen. Die Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis des Verhaltens von Erdbeben bei und können bei der Entwicklung genauerer probabilistischer, seismischer Gefahreneinschätzungen und Risikominderungsstrategien helfen. KW - earthquake KW - forecasting KW - hazards KW - seismology KW - Erdbeben KW - Vorhersage KW - Gefahren KW - Seismologie Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-636125 ER - TY - RPRT A1 - Borck, Rainald A1 - Mulder, Peter T1 - Energy policies and pollution in two developing country cities BT - A quantitative model T2 - CEPA Discussion Papers N2 - We study the effect of energy and transport policies on pollution in two developing country cities. We use a quantitative equilibrium model with choice of housing, energy use, residential location, transport mode, and energy technology. Pollution comes from commuting and residential energy use. The model parameters are calibrated to replicate key variables for two developing country cities, Maputo, Mozambique, and Yogyakarta, Indonesia. In the counterfactual simulations, we study how various transport and energy policies affect equilibrium pollution. Policies may be induce rebound effects from increasing residential energy use or switching to high emission modes or locations. In general, these rebound effects tend to be largest for subsidies to public transport or modern residential energy technology. T3 - CEPA Discussion Papers - 78 KW - pollution KW - energy policy KW - discrete choice KW - developing country cities Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-638472 SN - 2628-653X IS - 78 ER - TY - RPRT A1 - Andres, Maximilian A1 - Bruttel, Lisa T1 - Communicating Cartel Intentions T2 - CEPA Discussion Papers N2 - While the economic harm of cartels is caused by their price-increasing effect, sanctioning by courts rather targets at the underlying process of firms reaching a price-fixing agreement. This paper provides experimental evidence on the question whether such sanctioning meets the economic target, i.e., whether evidence of a collusive meeting of the firms and of the content of their communication reliably predicts subsequent prices. We find that already the mere mutual agreement to meet predicts a strong increase in prices. Conversely, express distancing from communication completely nullifies its otherwise price-increasing effect. Using machine learning, we show that communication only increases prices if it is very explicit about how the cartel plans to behave. T3 - CEPA Discussion Papers - 77 KW - cartel KW - collusion KW - communication KW - machine learning KW - experiment Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-638469 SN - 2628-653X IS - 77 ER - TY - THES A1 - Mostafa, Amr T1 - DNA origami nanoforks: A platform for cytochrome c single molecule surface enhanced Raman spectroscopy N2 - This thesis presents a comprehensive exploration of the application of DNA origami nanofork antennas (DONAs) in the field of spectroscopy, with a particular focus on the structural analysis of Cytochrome C (CytC) at the single-molecule level. The research encapsulates the design, optimization, and application of DONAs in enhancing the sensitivity and specificity of Raman spectroscopy, thereby offering new insights into protein structures and interactions. The initial phase of the study involved the meticulous optimization of DNA origami structures. This process was pivotal in developing nanoscale tools that could significantly enhance the capabilities of Raman spectroscopy. The optimized DNA origami nanoforks, in both dimer and aggregate forms, demonstrated an enhanced ability to detect and analyze molecular vibrations, contributing to a more nuanced understanding of protein dynamics. A key aspect of this research was the comparative analysis between the dimer and aggregate forms of DONAs. This comparison revealed that while both configurations effectively identified oxidation and spin states of CytC, the aggregate form offered a broader range of detectable molecular states due to its prolonged signal emission and increased number of molecules. This extended duration of signal emission in the aggregates was attributed to the collective hotspot area, enhancing overall signal stability and sensitivity. Furthermore, the study delved into the analysis of the Amide III band using the DONA system. Observations included a transient shift in the Amide III band's frequency, suggesting dynamic alterations in the secondary structure of CytC. These shifts, indicative of transitions between different protein structures, were crucial in understanding the protein’s functional mechanisms and interactions. The research presented in this thesis not only contributes significantly to the field of spectroscopy but also illustrates the potential of interdisciplinary approaches in biosensing. The use of DNA origami-based systems in spectroscopy has opened new avenues for research, offering a detailed and comprehensive understanding of protein structures and interactions. The insights gained from this research are expected to have lasting implications in scientific fields ranging from drug development to the study of complex biochemical pathways. This thesis thus stands as a testament to the power of integrating nanotechnology, biochemistry, and spectroscopic techniques in addressing complex scientific questions. N2 - Diese Dissertation präsentiert eine umfassende Untersuchung der Anwendung von DNA-Origami-Nanogabelantennen (DONAs) im Bereich der Spektroskopie, mit einem besonderen Fokus auf der strukturellen Analyse von Cytochrom C (CytC) auf Einzelmolekülebene. Die Forschung umfasst das Design, die Optimierung und die Anwendung von DONAs zur Steigerung der Sensitivität und Spezifität der Raman-Spektroskopie und bietet somit neue Einblicke in Proteinstrukturen und -interaktionen. Die erste Phase der Studie beinhaltete die sorgfältige Optimierung von DNA-Origami-Strukturen. Dieser Prozess war entscheidend für die Entwicklung von Nanowerkzeugen, die die Fähigkeiten der Raman-Spektroskopie erheblich verbessern könnten. Die optimierten DNA-Origami-Nanogabeln, sowohl in Dimer- als auch in Aggregatform, zeigten eine verbesserte Fähigkeit, molekulare Schwingungen zu detektieren und zu analysieren, was zu einem nuancierteren Verständnis der Proteindynamik beitrug. Ein Schlüsselaspekt dieser Forschung war die vergleichende Analyse zwischen den Dimer- und Aggregatformen von DONAs. Dieser Vergleich zeigte, dass beide Konfigurationen effektiv Oxidations- und Spin-Zustände von CytC identifizieren konnten, wobei die Aggregatform aufgrund ihrer längeren Signalemission und der erhöhten Anzahl von Molekülen ein breiteres Spektrum an detektierbaren molekularen Zuständen bot. Die verlängerte Dauer der Signalemission in den Aggregaten wurde auf den kollektiven Hotspot-Bereich zurückgeführt, der die Gesamtsignalstabilität und -empfindlichkeit erhöhte. Darüber hinaus ging die Studie auf die Analyse der Amid-III-Bande unter Verwendung des DONA-Systems ein. Zu den Beobachtungen gehörte eine vorübergehende Verschiebung der Frequenz der Amid-III-Bande, was auf dynamische Veränderungen in der Sekundärstruktur von CytC hindeutete. Diese Verschiebungen, die auf Übergänge zwischen verschiedenen Proteinstrukturen hindeuteten, waren entscheidend für das Verständnis der funktionellen Mechanismen und Interaktionen des Proteins. Die in dieser Dissertation präsentierte Forschung leistet nicht nur einen bedeutenden Beitrag zum Gebiet der Spektroskopie, sondern veranschaulicht auch das Potenzial interdisziplinärer Ansätze in der Biosensorik. Der Einsatz von DNA-Origami-basierten Systemen in der Spektroskopie hat neue Wege für die Forschung eröffnet und bietet ein detailliertes und umfassendes Verständnis von Proteinstrukturen und -interaktionen. Die aus dieser Forschung gewonnenen Erkenntnisse werden voraussichtlich langfristige Auswirkungen auf wissenschaftliche Bereiche haben, die von der Arzneimittelentwicklung bis hin zur Untersuchung komplexer biochemischer Prozesse reichen. Diese Dissertation steht somit als Zeugnis für die Kraft der Integration von Nanotechnologie, Biochemie und spektroskopischen Techniken bei der Beantwortung komplexer wissenschaftlicher Fragen. KW - DNA origami KW - DNA origami nanoantennas (DONA) KW - SERS KW - Cytochrome C Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-635482 ER - TY - THES A1 - Munk, Sarah Chaya T1 - The Messianic Jewish Movement and its relation to Torah T1 - Die messianisch-jüdische Bewegung und ihre Beziehung zur Thora BT - a theological field study BT - eine theologische Feldstudie N2 - Die vorliegende Arbeit zur Messianisch Jüdischen Bewegung und ihrer Beziehung zur Torah erforscht exemplarisch anhand von 10 Interviews mit ausgewählten Jeshua-gläubigen Juden in Leitungsfunktionen die verschiedenen Aspekte der Beziehung zur Torah. Dabei entsteht durch die Auswahl der Interviewpartner eine für die Bewegung als ganze typische Bandbreite von verschiedenen Positionen, die sich zwar in vielen Punkten überlappen, doch vielfach grundverschieden sind und zum Teil einander widersprechen. Besonderes Augenmerk wird auf die theologisch begründeten, divergenten und sich widersprechenden Positionen gelegt, mit dem Versuch, diese verständlich zu machen. Nach einer kurzen Einführung zur Messianisch Jüdischen Bewegung werden Aspekte der Messianisch-Jüdischen Doppelidentität beleuchtet und ihre Relevanz für die Beziehung zur Torah aufgezeigt. Diesem folgt ein Überblick über die Foren, in denen Jeshua-gläubige Juden über ihre Beziehung zur Torah diskutieren. Die umfangreiche Bibliographie am Ende der Arbeit erlaubt Einblick in einen lebhaften, noch längst nicht abgeschlossenen Diskussionsprozess innerhalb der Bewegung. Eine knapp kommentierte Begriffsdifferenzierung dient als Übersicht über die wichtigsten Bedeutungen von Torah, die in der Messianisch Jüdischen Bewegung Verwendung finden. Nach diesen Vorarbeiten wird die Feldstudie präsentiert. Eine Beschreibung des Forschungsfeldes und methodologische Reflexionen sind den Interviews vorangestellt. In den Interviews werden zunächst die Assoziationen mit dem Begriff Torah erfasst und die begriffliche Füllung und Verwendung geklärt. Hier schon zeigen sich einige gravierende Unterschiede. Die theologischen Positionen und Verständnisse von Torah werden mit dem biographischen Kontext und Hauptwirkungsfeld und mit Nennung der wichtigsten formenden Einflüsse dargestellt. Festgehalten werden zunächst die Punkte, in denen bei allen Übereinstimmung herrscht, denn sie dienen als gemeinsame Basis. Alle studieren die schriftliche Torah und erachten diese wie auch den übrigen Tanach und die Schriften des Neuen Testaments in der vorliegenden Form als göttlich inspiriert und autoritativ verbindlich. Alle haben für sich einen positiven Zugang zur Torah, entsprechend ihrer eigenen Begriffsdefinition, gefunden. Für alle weist die schriftliche Torah und der Tanach auf Jeshua hin. Alle sind sich einig, dass Jeshua die Torah nicht außer Kraft gesetzt, sondern erfüllt hat. Und alle fühlen als Jude in irgendeiner Weise eine Verantwortung gegenüber der Torah. In Bezug auf das Halten von Geboten sagen alle, dass sich keiner dadurch den Weg in den Himmel erwerben kann. G-ttes Treue gegenüber Seinen Verheißungen für Israel wird von allen bekräftigt, doch ob der neue Bund in Jeshua den alten Bund vom Berg Sinai abgelöst hat, oder ob er einfach zum bereits bestehenden Bund von Sinai hinzukommt, ob rituelle Gebote nach Jeshua's Tod und Auferstehung und der Zerstörung des Tempels weiter gehalten werden sollen, ob die Gebote zur Absonderung von den Nationen weiter gehalten werden sollen, ob und unter welchen Bedingungen rabbinischer Halacha gefolgt werden soll und was die Einzelnen in ihren Familien und Gemeinden tun und lehren, dies wird Interview um Interview erörtert. Es zeigt sich, wie verschiedene Leseweisen und Gewichtungen von Schlüsselschriftstellen die verschiedenen Positionen hervorbringen. So wie die Verschiedenartigkeit der Positionen in Beziehung zur Torah bereits ahnen lässt, sind die Interview-Partner zur Frage nach einer Messianisch Jüdischen Halacha geteilter Meinung. Doch auch hier wird der Begriff Halacha von den Repräsentanten verschieden gefüllt. Zum Schluss der Feldstudie werden die Versuche, Messianisch Jüdische Halacha zu produzieren und die Probleme und Kritikpunkte, die von anderen Interviewpartnern dagegen geäußert wurden erläutert. Den Abschluss der Arbeit bilden ein theologischer Rahmen, der all die verschiedenen Positionen und Beziehungen zur Torah fassen kann und einige Ansatzpunkte für eine mögliche Messianisch Jüdische hermeneutische Theologie der Torah. N2 - This study on the Messianic Jewish movement and its relationship to the Torah explores the various aspects of the relationship to the Torah on the basis of 10 interviews with selected Yeshua-believing Jews in leadership positions. The selection of interviewees results in a range of different positions typical of the movement as a whole, which overlap in many respects but are often fundamentally different and sometimes contradictory. Particular attention is paid to the theologically based, divergent and contradictory positions in an attempt to make these understandable. After a brief introduction to the Messianic Jewish movement, aspects of the Messianic Jewish dual identity are examined and their relevance for the relationship to the Torah is demonstrated. This is followed by an overview of the forums in which Yeshua-believing Jews discuss their relationship to the Torah. The extensive bibliography at the end of the work provides an insight into a lively discussion process within the movement that is still far from complete. A briefly annotated differentiation of terms serves as an overview of the most important meanings of Torah used in the Messianic Jewish movement. Following this preliminary work, the field study is presented. A description of the research field and methodological reflections precede the interviews. In the interviews, the associations with the term Torah are first recorded and the conceptual meaning and use clarified. This already reveals some serious differences. The theological positions and understandings of Torah are presented with the biographical context and main field of influence, and the most important formative influences are named. The points on which they all agree are noted first, as they serve as a common basis. All study the written Torah and consider it, as well as the rest of the Tanakh and the writings of the New Testament in their present form, to be divinely inspired and authoritative. All have found a positive approach to the Torah according to their own definition of the term. For all of them, the written Torah and the Tanakh point to Yeshua. All agree that Yeshua did not abrogate the Torah, but fulfilled it. And all feel a responsibility as a Jew to the Torah in some way. With regard to keeping commandments, all say that no one can earn their way to heaven by doing so. G-d's faithfulness to His promises to Israel is affirmed by all, but whether the new covenant in Yeshua superseded the old covenant of Mt. Sinai, or whether it is simply added to the already existing covenant of Sinai, whether ritual commandments are to continue to be kept after Yeshua's death and resurrection and the destruction of the Temple, whether the commandments aiming at separation from the nations should continue to be kept, whether and under what conditions rabbinic halacha should be followed and what individuals do and teach in their families and communities - all this is discussed interview by interview. It becomes clear how different ways of reading and weighting key scriptures produce different positions. Just as the diversity of positions in relation to the Torah already suggests, the interview partners are divided on the question of a Messianic Jewish Halacha. But here too, the term halacha is interpreted differently by the representatives. At the end of the field study, the attempts to produce Messianic Jewish Halacha and the problems and points of criticism expressed by other interviewees are explained. The work concludes with a theological framework able to contain all the different positions and relationships to the Torah and some starting points for a possible Messianic Jewish hermeneutic theology of the Torah. KW - Messianic Jewish Movement KW - Torah KW - theological field study KW - Messianic Judaism KW - Jewish identity KW - New religious movements KW - Messianism KW - Messianic Jews KW - Torah observance KW - Halacha KW - Judaism KW - Jewish denominations KW - Jewish Christians KW - Hebrew Catholics KW - Messianische Juden KW - Halacha KW - hebräische Katholiken KW - Judenchristen KW - jüdische Konfessionen KW - jüdische Identität KW - Judentum KW - messianisch-jüdische Bewegung KW - messianische Juden KW - messianisches Judentum KW - Messianismus KW - neue religiöse Bewegungen KW - Thora KW - Einhaltung der Thora KW - theologische Feldstudie Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-636441 ER - TY - CHAP A1 - Kay, Alex James T1 - Holocaust Research in Germany BT - current status and future challenges T2 - Hurbán Folyóirat Y1 - 2020 UR - https://hdke.hu/wp-content/uploads/2024/01/3-kay-alex-j.pdf UR - https://hdke.hu/folyoirat/2023-2/ SN - 3004-023X VL - 2 SP - 22 EP - 28 PB - Holokauszt Emlékközpont – Holocaust Memorial Center CY - Budapest ER - TY - THES A1 - Huegle, Johannes T1 - Causal discovery in practice: Non-parametric conditional independence testing and tooling for causal discovery T1 - Kausale Entdeckung in der Praxis: Nichtparametrische bedingte Unabhängigkeitstests und Werkzeuge für die Kausalentdeckung N2 - Knowledge about causal structures is crucial for decision support in various domains. For example, in discrete manufacturing, identifying the root causes of failures and quality deviations that interrupt the highly automated production process requires causal structural knowledge. However, in practice, root cause analysis is usually built upon individual expert knowledge about associative relationships. But, "correlation does not imply causation", and misinterpreting associations often leads to incorrect conclusions. Recent developments in methods for causal discovery from observational data have opened the opportunity for a data-driven examination. Despite its potential for data-driven decision support, omnipresent challenges impede causal discovery in real-world scenarios. In this thesis, we make a threefold contribution to improving causal discovery in practice. (1) The growing interest in causal discovery has led to a broad spectrum of methods with specific assumptions on the data and various implementations. Hence, application in practice requires careful consideration of existing methods, which becomes laborious when dealing with various parameters, assumptions, and implementations in different programming languages. Additionally, evaluation is challenging due to the lack of ground truth in practice and limited benchmark data that reflect real-world data characteristics. To address these issues, we present a platform-independent modular pipeline for causal discovery and a ground truth framework for synthetic data generation that provides comprehensive evaluation opportunities, e.g., to examine the accuracy of causal discovery methods in case of inappropriate assumptions. (2) Applying constraint-based methods for causal discovery requires selecting a conditional independence (CI) test, which is particularly challenging in mixed discrete-continuous data omnipresent in many real-world scenarios. In this context, inappropriate assumptions on the data or the commonly applied discretization of continuous variables reduce the accuracy of CI decisions, leading to incorrect causal structures. Therefore, we contribute a non-parametric CI test leveraging k-nearest neighbors methods and prove its statistical validity and power in mixed discrete-continuous data, as well as the asymptotic consistency when used in constraint-based causal discovery. An extensive evaluation of synthetic and real-world data shows that the proposed CI test outperforms state-of-the-art approaches in the accuracy of CI testing and causal discovery, particularly in settings with low sample sizes. (3) To show the applicability and opportunities of causal discovery in practice, we examine our contributions in real-world discrete manufacturing use cases. For example, we showcase how causal structural knowledge helps to understand unforeseen production downtimes or adds decision support in case of failures and quality deviations in automotive body shop assembly lines. N2 - Kenntnisse über die Strukturen zugrundeliegender kausaler Mechanismen sind eine Voraussetzung für die Entscheidungsunterstützung in verschiedenen Bereichen. In der Fertigungsindustrie beispielsweise erfordert die Fehler-Ursachen-Analyse von Störungen und Qualitätsabweichungen, die den hochautomatisierten Produktionsprozess unterbrechen, kausales Strukturwissen. In Praxis stützt sich die Fehler-Ursachen-Analyse in der Regel jedoch auf individuellem Expertenwissen über assoziative Zusammenhänge. Aber "Korrelation impliziert nicht Kausalität", und die Fehlinterpretation assoziativer Zusammenhänge führt häufig zu falschen Schlussfolgerungen. Neueste Entwicklungen von Methoden des kausalen Strukturlernens haben die Möglichkeit einer datenbasierten Betrachtung eröffnet. Trotz seines Potenzials zur datenbasierten Entscheidungsunterstützung wird das kausale Strukturlernen in der Praxis jedoch durch allgegenwärtige Herausforderungen erschwert. In dieser Dissertation leisten wir einen dreifachen Beitrag zur Verbesserung des kausalen Strukturlernens in der Praxis. (1) Das wachsende Interesse an kausalem Strukturlernen hat zu einer Vielzahl von Methoden mit spezifischen statistischen Annahmen über die Daten und verschiedenen Implementierungen geführt. Daher erfordert die Anwendung in der Praxis eine sorgfältige Prüfung der vorhandenen Methoden, was eine Herausforderung darstellt, wenn verschiedene Parameter, Annahmen und Implementierungen in unterschiedlichen Programmiersprachen betrachtet werden. Hierbei wird die Evaluierung von Methoden des kausalen Strukturlernens zusätzlich durch das Fehlen von "Ground Truth" in der Praxis und begrenzten Benchmark-Daten, welche die Eigenschaften realer Datencharakteristiken widerspiegeln, erschwert. Um diese Probleme zu adressieren, stellen wir eine plattformunabhängige modulare Pipeline für kausales Strukturlernen und ein Tool zur Generierung synthetischer Daten vor, die umfassende Evaluierungsmöglichkeiten bieten, z.B. um Ungenauigkeiten von Methoden des Lernens kausaler Strukturen bei falschen Annahmen an die Daten aufzuzeigen. (2) Die Anwendung von constraint-basierten Methoden des kausalen Strukturlernens erfordert die Wahl eines bedingten Unabhängigkeitstests (CI-Test), was insbesondere bei gemischten diskreten und kontinuierlichen Daten, die in vielen realen Szenarien allgegenwärtig sind, die Anwendung erschwert. Beispielsweise führen falsche Annahmen der CI-Tests oder die Diskretisierung kontinuierlicher Variablen zu einer Verschlechterung der Korrektheit der Testentscheidungen, was in fehlerhaften kausalen Strukturen resultiert. Um diese Probleme zu adressieren, stellen wir einen nicht-parametrischen CI-Test vor, der auf Nächste-Nachbar-Methoden basiert, und beweisen dessen statistische Validität und Trennschärfe bei gemischten diskreten und kontinuierlichen Daten, sowie dessen asymptotische Konsistenz in constraint-basiertem kausalem Strukturlernen. Eine umfangreiche Evaluation auf synthetischen und realen Daten zeigt, dass der vorgeschlagene CI-Test bestehende Verfahren hinsichtlich der Korrektheit der Testentscheidung und gelernter kausaler Strukturen übertrifft, insbesondere bei geringen Stichprobengrößen. (3) Um die Anwendbarkeit und Möglichkeiten kausalen Strukturlernens in der Praxis aufzuzeigen, untersuchen wir unsere Beiträge in realen Anwendungsfällen aus der Fertigungsindustrie. Wir zeigen an mehreren Beispielen aus der automobilen Karosseriefertigungen wie kausales Strukturwissen helfen kann, unvorhergesehene Produktionsausfälle zu verstehen oder eine Entscheidungsunterstützung bei Störungen und Qualitätsabweichungen zu geben. KW - causal discovery KW - causal structure learning KW - causal AI KW - non-parametric conditional independence testing KW - manufacturing KW - causal reasoning KW - mixed data KW - kausale KI KW - kausale Entdeckung KW - kausale Schlussfolgerung KW - kausales Strukturlernen KW - Fertigung KW - gemischte Daten KW - nicht-parametrische bedingte Unabhängigkeitstests Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-635820 ER - TY - THES A1 - Dörries, Timo Julian T1 - Anomalous transport and non-Gaussian dynamics in mobile-immobile models N2 - The mobile-immobile model (MIM) has been established in geoscience in the context of contaminant transport in groundwater. Here the tracer particles effectively immobilise, e.g., due to diffusion into dead-end pores or sorption. The main idea of the MIM is to split the total particle density into a mobile and an immobile density. Individual tracers switch between the mobile and immobile state following a two-state telegraph process, i.e., the residence times in each state are distributed exponentially. In geoscience the focus lies on the breakthrough curve (BTC), which is the concentration at a fixed location over time. We apply the MIM to biological experiments with a special focus on anomalous scaling regimes of the mean squared displacement (MSD) and non-Gaussian displacement distributions. As an exemplary system, we have analysed the motion of tau proteins, that diffuse freely inside axons of neurons. Their free diffusion thereby corresponds to the mobile state of the MIM. Tau proteins stochastically bind to microtubules, which effectively immobilises the tau proteins until they unbind and continue diffusing. Long immobilisation durations compared to the mobile durations give rise to distinct non-Gaussian Laplace shaped distributions. It is accompanied by a plateau in the MSD for initially mobile tracer particles at relevant intermediate timescales. An equilibrium fraction of initially mobile tracers gives rise to non-Gaussian displacements at intermediate timescales, while the MSD remains linear at all times. In another setting bio molecules diffuse in a biosensor and transiently bind to specific receptors, where advection becomes relevant in the mobile state. The plateau in the MSD observed for the advection-free setting and long immobilisation durations persists also for the case with advection. We find a new clear regime of anomalous diffusion with non-Gaussian distributions and a cubic scaling of the MSD. This regime emerges for initially mobile and for initially immobile tracers. For an equilibrium fraction of initially mobile tracers we observe an intermittent ballistic scaling of the MSD. The long-time effective diffusion coefficient is enhanced by advection, which we physically explain with the variance of mobile durations. Finally, we generalize the MIM to incorporate arbitrary immobilisation time distributions and focus on a Mittag-Leffler immobilisation time distribution with power-law tail ~ t^(-1-mu) with 0