004 Datenverarbeitung; Informatik
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Several numerical tools designed to overcome the challenges of smoothing in a non-linear and non-Gaussian setting are investigated for a class of particle smoothers. The considered family of smoothers is induced by the class of linear ensemble transform filters which contains classical filters such as the stochastic ensemble Kalman filter, the ensemble square root filter, and the recently introduced nonlinear ensemble transform filter. Further the ensemble transform particle smoother is introduced and particularly highlighted as it is consistent in the particle limit and does not require assumptions with respect to the family of the posterior distribution. The linear update pattern of the considered class of linear ensemble transform smoothers allows one to implement important supplementary techniques such as adaptive spread corrections, hybrid formulations, and localization in order to facilitate their application to complex estimation problems. These additional features are derived and numerically investigated for a sequence of increasingly challenging test problems.
In this paper, using an algorithm based on the retrospective rejection sampling scheme introduced in [A. Beskos, O. Papaspiliopoulos, and G. O. Roberts,Methodol. Comput. Appl. Probab., 10 (2008), pp. 85-104] and [P. Etore and M. Martinez, ESAIM Probab.Stat., 18 (2014), pp. 686-702], we propose an exact simulation of a Brownian di ff usion whose drift admits several jumps. We treat explicitly and extensively the case of two jumps, providing numerical simulations. Our main contribution is to manage the technical di ffi culty due to the presence of t w o jumps thanks to a new explicit expression of the transition density of the skew Brownian motion with two semipermeable barriers and a constant drift.
In diesem Artikel werden die Ergebnisse einer explorativen Datenanalyse über die Studierendenperformance in Klausur- und Hausaufgaben eines Einführungskurses der Theoretischen Informatik vorgestellt. Da bisher empirisch wenig untersucht ist, welche Probleme Studierenden in den Einführungskursen haben und die Durchfallquoten in diesen Kursen sehr hoch sind, soll auf diesem Weg ein Überblick gegeben werden. Die Ergebnisse zeigen, dass alle Studierenden unabhängig von ihrer Klausurnote die niedrigste Performance in den Klausur- und Hausaufgaben aufweisen, in denen formale Beweise gefordert sind. Dieses Ergebnis stärkt die Vermutung, dass didaktische
Ansätze und Maßnahmen sich insbesondere auf das Erlernen formaler Beweismethoden fokussieren sollten, um Informatik-Studierende nachhaltiger dabei zu unterstützen, in Theoretischer Informatik erfolgreich zu sein.
Die Lehre von wissenschaftlichem Arbeiten stellt einen zentralen Aspekt in forschungsorientierten Studiengängen wie der Informatik dar. Trotz diverser Angebote werden mittel- und langfristig Mängel in der
Arbeitsqualität von Studierenden sichtbar. Dieses Paper analysiert daher das Profil der Studierenden, deren Anwendung des wissenschaftlichen Arbeitens, und das Angebot von Proseminaren zum Thema „Einführung in das wissenschaftliche Arbeiten“ einer deutschen Universität. Die Ergebnisse mehrerer Erhebungen zeigen dabei diverse Probleme bei Studierenden auf, u. a. bei dem Prozessverständnis, dem Zeitmanagement und der Kommunikation.
Was ist Data Science?
(2018)
In Zusammenhang mit den Entwicklungen der vergangenen Jahre, insbesondere in den Bereichen Big Data, Datenmanagement und Maschinenlernen, hat sich der Umgang mit Daten und deren Analyse wesentlich weiterentwickelt. Mittlerweile wird die Datenwissenschaft als eigene Disziplin angesehen, die auch immer stärker durch entsprechende Studiengänge an Hochschulen repräsentiert wird. Trotz dieser zunehmenden Bedeutung ist jedoch oft unklar, welche konkreten Inhalte mit ihr in Verbindung stehen, da sie in verschiedensten Ausprägungen auftritt. In diesem Beitrag werden daher die hinter der Data Science stehenden informatischen Inhalte durch eine qualitative Analyse der Modulhandbücher etablierter Studiengänge aus diesem Bereich ermittelt und so ein Beitrag zur Charakterisierung dieser Disziplin geleistet. Am Beispiel der Entwicklung eines Data-Literacy-Kompetenzmodells, die als Ausblick skizziert wird, wird die Bedeutung dieser Charakterisierung für die weitere Forschung expliziert.
Author summary <br /> The use of orally inhaled drugs for treating lung diseases is appealing since they have the potential for lung selectivity, i.e. high exposure at the site of action -the lung- without excessive side effects. However, the degree of lung selectivity depends on a large number of factors, including physiochemical properties of drug molecules, patient disease state, and inhalation devices. To predict the impact of these factors on drug exposure and thereby to understand the characteristics of an optimal drug for inhalation, we develop a predictive mathematical framework (a "pharmacokinetic model"). In contrast to previous approaches, our model allows combining knowledge from different sources appropriately and its predictions were able to adequately predict different sets of clinical data. Finally, we compare the impact of different factors and find that the most important factors are the size of the inhaled particles, the affinity of the drug to the lung tissue, as well as the rate of drug dissolution in the lung. In contrast to the common belief, the solubility of a drug in the lining fluids is not found to be relevant. These findings are important to understand how inhaled drugs should be designed to achieve best treatment results in patients. <br /> The fate of orally inhaled drugs is determined by pulmonary pharmacokinetic processes such as particle deposition, pulmonary drug dissolution, and mucociliary clearance. Even though each single process has been systematically investigated, a quantitative understanding on the interaction of processes remains limited and therefore identifying optimal drug and formulation characteristics for orally inhaled drugs is still challenging. To investigate this complex interplay, the pulmonary processes can be integrated into mathematical models. However, existing modeling attempts considerably simplify these processes or are not systematically evaluated against (clinical) data. In this work, we developed a mathematical framework based on physiologically-structured population equations to integrate all relevant pulmonary processes mechanistically. A tailored numerical resolution strategy was chosen and the mechanistic model was evaluated systematically against data from different clinical studies. Without adapting the mechanistic model or estimating kinetic parameters based on individual study data, the developed model was able to predict simultaneously (i) lung retention profiles of inhaled insoluble particles, (ii) particle size-dependent pharmacokinetics of inhaled monodisperse particles, (iii) pharmacokinetic differences between inhaled fluticasone propionate and budesonide, as well as (iv) pharmacokinetic differences between healthy volunteers and asthmatic patients. Finally, to identify the most impactful optimization criteria for orally inhaled drugs, the developed mechanistic model was applied to investigate the impact of input parameters on both the pulmonary and systemic exposure. Interestingly, the solubility of the inhaled drug did not have any relevant impact on the local and systemic pharmacokinetics. Instead, the pulmonary dissolution rate, the particle size, the tissue affinity, and the systemic clearance were the most impactful potential optimization parameters. In the future, the developed prediction framework should be considered a powerful tool for identifying optimal drug and formulation characteristics.
In this paper, we examine conditioning of the discretization of the Helmholtz problem. Although the discrete Helmholtz problem has been studied from different perspectives, to the best of our knowledge, there is no conditioning analysis for it. We aim to fill this gap in the literature. We propose a novel method in 1D to observe the near-zero eigenvalues of a symmetric indefinite matrix. Standard classification of ill-conditioning based on the matrix condition number is not true for the discrete Helmholtz problem. We relate the ill-conditioning of the discretization of the Helmholtz problem with the condition number of the matrix. We carry out analytical conditioning analysis in 1D and extend our observations to 2D with numerical observations. We examine several discretizations. We find different regions in which the condition number of the problem shows different characteristics. We also explain the general behavior of the solutions in these regions.
In der dualen IT-Ausbildung als Verbindung von beruflicher und akademischer Qualifikation werden die berufstypischen Werkzeuge, wie z. B. Laptops, ebenso in den Lehr-Lern-Prozessen der akademischen Unterrichtseinheiten eingesetzt. Im Prüfungswesen wird oft auf klassische Papierklausuren zurückgegriffen. Unterrichtseinheiten mit hohem Blended-Learning-Anteil ohne E-Prüfung werden dabei als „nicht konsistent“ wahrgenommen. In diesem Artikel wird eine empirische Studie dargelegt, die untersucht, welche Einflüsse aus der persönlichen Lernbiografie bei den Lehrenden in einer dualen IT-Ausbildung dazu führen können, die Möglichkeiten eines E-Assessments als summative Modulprüfung anzunehmen oder abzulehnen. Beispielhaft wurden in der dargelegten Studie Interviews mit Dozenten geführt und diese hinsichtlich der Verbindung zwischen Lernbiografie, Gestaltung der Didaktik der Lehr-Lern-Prozesse, Zufriedenheit und Veränderungsbereitschaft untersucht.
Creation of topographic maps
(2014)
Location analyses are among the most common tasks while working with spatial data and geographic information systems. Automating the most frequently used procedures is therefore an important aspect of improving their usability. In this context, this project aims to design and implement a workflow, providing some basic tools for a location analysis. For the implementation with jABC, the workflow was applied to the problem of finding a suitable location for placing an artificial reef. For this analysis three parameters (bathymetry, slope and grain size of the ground material) were taken into account, processed, and visualized with the The Generic Mapping Tools (GMT), which were integrated into the workflow as jETI-SIBs. The implemented workflow thereby showed that the approach to combine jABC with GMT resulted in an user-centric yet user-friendly tool with high-quality cartographic outputs.
Im Rahmen eines Informatikstudiums wird neben theoretischen Grundlagen und Programmierfähigkeiten auch gezielt vermittelt, wie moderne Software in der Praxis entwickelt wird. Dabei wird oftmals eine Form der Projektarbeit gewählt, um Studierenden möglichst realitätsnahe Erfahrungen zu ermöglichen. Die Studierenden entwickeln einzeln oder in kleineren Teams Softwareprodukte für ausgewählte Problemstellungen. Neben fachlichen Inhalte stehen durch gruppendynamische Prozesse auch überfachliche Kompetenzen im Fokus. Dieser Beitrag präsentiert eine Interviewstudie mit Dozierenden von Softwareprojektpraktika an der RWTH Aachen und konzentriert sich auf die Ausgestaltung der Veranstaltungen sowie Förderung von überfachlichen Kompetenzen nach einem Kompetenzprofil für Softwareingenieure.