510 Mathematik
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Paleoearthquakes and historic earthquakes are the most important source of information for the estimation of long-term earthquake recurrence intervals in fault zones, because corresponding sequences cover more than one seismic cycle. However, these events are often rare, dating uncertainties are enormous, and missing or misinterpreted events lead to additional problems. In the present study, I assume that the time to the next major earthquake depends on the rate of small and intermediate events between the large ones in terms of a clock change model. Mathematically, this leads to a Brownian passage time distribution for recurrence intervals. I take advantage of an earlier finding that under certain assumptions the aperiodicity of this distribution can be related to the Gutenberg-Richter b value, which can be estimated easily from instrumental seismicity in the region under consideration. In this way, both parameters of the Brownian passage time distribution can be attributed with accessible seismological quantities. This allows to reduce the uncertainties in the estimation of the mean recurrence interval, especially for short paleoearthquake sequences and high dating errors. Using a Bayesian framework for parameter estimation results in a statistical model for earthquake recurrence intervals that assimilates in a simple way paleoearthquake sequences and instrumental data. I present illustrative case studies from Southern California and compare the method with the commonly used approach of exponentially distributed recurrence times based on a stationary Poisson process.
The important role that metacognition plays as a predictor for student mathematical learning and for mathematical problem-solving, has been extensively documented. But only recently has attention turned to primary grades, and more research is needed at this level. The goals of this paper are threefold: (1) to present metacognitive framework during mathematics problem-solving, (2) to describe their multi-method interview approach developed to study student mathematical metacognition, and (3) to empirically evaluate the utility of their model and the adaptation of their approach in the context of grade 2 and grade 4 mathematics problem-solving. The results are discussed not only with regard to further development of the adapted multi-method interview approach, but also with regard to their theoretical and practical implications.
This article assesses the distance between the laws of stochastic differential equations with multiplicative Levy noise on path space in terms of their characteristics. The notion of transportation distance on the set of Levy kernels introduced by Kosenkova and Kulik yields a natural and statistically tractable upper bound on the noise sensitivity. This extends recent results for the additive case in terms of coupling distances to the multiplicative case. The strength of this notion is shown in a statistical implementation for simulations and the example of a benchmark time series in paleoclimate.
Frühe mathematische Bildung
(2018)
Im vorliegenden Beitrag werden aktuelle Forschungstrends im Bereich der frühen mathematischen Bildung im Kontext jüngst formulierter Zieldimensionen für die frühe mathematische Bildung (siehe Benz et al., 2017) dargestellt. Es wird auf spielbasierte Fördermaßnahmen, Kompetenzen im Bereich „Raum und Form“, den Einfluss sprachlicher Parameter auf die Entwicklung mathematischer Kompetenzen sowie auf mathematikbezogene Kompetenzen frühpädagogischer Fachkräfte eingegangen. Darüber hinaus werden die Ergebnisse einer aktuellen Feldstudie zur Förderung früher mathematischer Kompetenzen (siehe Dillon, Kannan, Dean, Spelke & Duflo, 2017) vorgestellt. Abschließend wird die Entwicklung und Implementierung anschlussfähiger Bildungskonzepte als eine der zentralen Herausforderungen zukünftiger Forschungs- und Bildungsbemühungen diskutiert
We consider the problem of low rank matrix recovery in a stochastically noisy high-dimensional setting. We propose a new estimator for the low rank matrix, based on the iterative hard thresholding method, that is computationally efficient and simple. We prove that our estimator is optimal in terms of the Frobenius risk and in terms of the entry-wise risk uniformly over any change of orthonormal basis, allowing us to provide the limiting distribution of the estimator. When the design is Gaussian, we prove that the entry-wise bias of the limiting distribution of the estimator is small, which is of interest for constructing tests and confidence sets for low-dimensional subsets of entries of the low rank matrix.
Die Bienaymé-Galton-Watson Prozesse können für die Untersuchung von speziellen und sich entwickelnden Populationen verwendet werden. Die Populationen umfassen Individuen, welche sich identisch, zufällig, selbstständig und unabhängig voneinander fortpflanzen und die jeweils nur eine Generation existieren. Die n-te Generation ergibt sich als zufällige Summe der Individuen der (n-1)-ten Generation. Die Relevanz dieser Prozesse begründet sich innerhalb der Historie und der inner- und außermathematischen Bedeutung. Die Geschichte der Bienaymé-Galton-Watson-Prozesse wird anhand der Entwicklung des Konzeptes bis heute dargestellt. Dabei werden die Wissenschaftler:innen verschiedener Disziplinen angeführt, die Erkenntnisse zu dem Themengebiet beigetragen und das Konzept in ihren Fachbereichen angeführt haben. Somit ergibt sich die außermathematische Signifikanz. Des Weiteren erhält man die innermathematische Bedeutsamkeit mittels des Konzeptes der Verzweigungsprozesse, welches auf die Bienaymé-Galton-Watson Prozesse zurückzuführen ist. Die Verzweigungsprozesse stellen eines der aussagekräftigsten Modelle für die Beschreibung des Populationswachstums dar. Darüber hinaus besteht die derzeitige Wichtigkeit durch die Anwendungsmöglichkeit der Verzweigungsprozesse und der Bienaymé-Galton-Watson Prozesse innerhalb der Epidemiologie. Es werden die Ebola- und die Corona-Pandemie als Anwendungsfelder angeführt. Die Prozesse dienen als Entscheidungsstütze für die Politik und ermöglichen Aussagen über die Auswirkungen von Maßnahmen bezüglich der Pandemien. Neben den Prozessen werden ebenfalls der bedingte Erwartungswert bezüglich diskreter Zufallsvariablen, die wahrscheinlichkeitserzeugende Funktion und die zufällige Summe eingeführt. Die Konzepte vereinfachen die Beschreibung der Prozesse und bilden somit die Grundlage der Betrachtungen. Außerdem werden die benötigten und weiterführenden Eigenschaften der grundlegenden Themengebiete und der Prozesse aufgeführt und bewiesen. Das Kapitel erreicht seinen Höhepunkt bei dem Beweis des Kritikalitätstheorems, wodurch eine Aussage über das Aussterben des Prozesses in verschiedenen Fällen und somit über die Aussterbewahrscheinlichkeit getätigt werden kann. Die Fälle werden anhand der zu erwartenden Anzahl an Nachkommen eines Individuums unterschieden. Es zeigt sich, dass ein Prozess bei einer zu erwartenden Anzahl kleiner gleich Eins mit Sicherheit ausstirbt und bei einer Anzahl größer als Eins, die Population nicht in jedem Fall aussterben muss. Danach werden einzelne Beispiele, wie der linear fractional case, die Population von Fibroblasten (Bindegewebszellen) von Mäusen und die Entstehungsfragestellung der Prozesse, angeführt. Diese werden mithilfe der erlangten Ergebnisse untersucht und einige ausgewählte zufällige Dynamiken werden im nachfolgenden Kapitel simuliert. Die Simulationen erfolgen durch ein in Python erstelltes Programm und werden mithilfe der Inversionsmethode realisiert. Die Simulationen stellen beispielhaft die Entwicklungen in den verschiedenen Kritikalitätsfällen der Prozesse dar. Zudem werden die Häufigkeiten der einzelnen Populationsgrößen in Form von Histogrammen angebracht. Dabei lässt sich der Unterschied zwischen den einzelnen Fällen bestätigen und es wird die Anwendungsmöglichkeit der Bienaymé-Galton-Watson Prozesse bei komplexeren Problemen deutlich. Histogramme bekräftigen, dass die einzelnen Populationsgrößen nur endlich oft vorkommen. Diese Aussage wurde von Galton aufgeworfen und in der Extinktions-Explosions-Dichotomie verwendet. Die dargestellten Erkenntnisse über das Themengebiet und die Betrachtung des Konzeptes werden mit einer didaktischen Analyse abgeschlossen. Die Untersuchung beinhaltet die Berücksichtigung der Fundamentalen Ideen, der Fundamentalen Ideen der Stochastik und der Leitidee „Daten und Zufall“. Dabei ergibt sich, dass in Abhängigkeit der gewählten Perspektive die Anwendung der Bienaymé-Galton-Watson Prozesse innerhalb der Schule plausibel ist und von Vorteil für die Schüler:innen sein kann. Für die Behandlung wird exemplarisch der Rahmenlehrplan für Berlin und Brandenburg analysiert und mit dem Kernlehrplan Nordrhein-Westfalens verglichen. Die Konzeption des Lehrplans aus Berlin und Brandenburg lässt nicht den Schluss zu, dass die Bienaymé-Galton-Watson Prozesse angewendet werden sollten. Es lässt sich feststellen, dass die zugrunde liegende Leitidee nicht vollumfänglich mit manchen Fundamentalen Ideen der Stochastik vereinbar ist. Somit würde eine Modifikation hinsichtlich einer stärkeren Orientierung des Lehrplans an den Fundamentalen Ideen die Anwendung der Prozesse ermöglichen. Die Aussage wird durch die Betrachtung und Übertragung eines nordrhein-westfälischen Unterrichtsentwurfes für stochastische Prozesse auf die Bienaymé-Galton-Watson Prozesse unterstützt. Darüber hinaus werden eine Concept Map und ein Vernetzungspentagraph nach von der Bank konzipiert um diesen Aspekt hervorzuheben.
We consider a statistical inverse learning (also called inverse regression) problem, where we observe the image of a function f through a linear operator A at i.i.d. random design points X-i , superposed with an additive noise. The distribution of the design points is unknown and can be very general. We analyze simultaneously the direct (estimation of Af) and the inverse (estimation of f) learning problems. In this general framework, we obtain strong and weak minimax optimal rates of convergence (as the number of observations n grows large) for a large class of spectral regularization methods over regularity classes defined through appropriate source conditions. This improves on or completes previous results obtained in related settings. The optimality of the obtained rates is shown not only in the exponent in n but also in the explicit dependency of the constant factor in the variance of the noise and the radius of the source condition set.
We study travelling chimera states in a ring of nonlocally coupled heterogeneous (with Lorentzian distribution of natural frequencies) phase oscillators. These states are coherence-incoherence patterns moving in the lateral direction because of the broken reflection symmetry of the coupling topology. To explain the results of direct numerical simulations we consider the continuum limit of the system. In this case travelling chimera states correspond to smooth travelling wave solutions of some integro-differential equation, called the Ott–Antonsen equation, which describes the long time coarse-grained dynamics of the oscillators. Using the Lyapunov–Schmidt reduction technique we suggest a numerical approach for the continuation of these travelling waves. Moreover, we perform their linear stability analysis and show that travelling chimera states can lose their stability via fold and Hopf bifurcations. Some of the Hopf bifurcations turn out to be supercritical resulting in the observation of modulated travelling chimera states.
Given two weighted graphs (X, b(k), m(k)), k = 1, 2 with b(1) similar to b(2) and m(1) similar to m(2), we prove a weighted L-1-criterion for the existence and completeness of the wave operators W-+/- (H-2, H-1, I-1,I-2), where H-k denotes the natural Laplacian in l(2)(X, m(k)) w.r.t. (X, b(k), m(k)) and I-1,I-2 the trivial identification of l(2)(X, m(1)) with l(2) (X, m(2)). In particular, this entails a general criterion for the absolutely continuous spectra of H-1 and H-2 to be equal.
We prove that if u is a locally Lipschitz continuous function on an open set chi subset of Rn + 1 satisfying the nonlinear heat equation partial derivative(t)u = Delta(vertical bar u vertical bar(p-1) u), p > 1, weakly away from the zero set u(-1) (0) in chi, then u is a weak solution to this equation in all of chi.