Singularity analysis, Hadamard products, and tree recurrences

We present a toolbox for extracting asymptotic information on the coefficients of combinatorial generating functions. This toolbox notably includes a treatment of the effect of Hadamard products on singularities in the context of the complex Tauberian technique known as singularity analysis. As a consequence, it becomes possible to unify the analysis of a number of divide-and-conquer algorithms, or equivalently random tree models, including several classical methods for sorting, searching, and dynamically managing equivalence relationsComment: 47 pages. Submitted for publicatio

Mixed Poisson approximation of node depth distributions in random binary search trees

We investigate the distribution of the depth of a node containing a specific key or, equivalently, the number of steps needed to retrieve an item stored in a randomly grown binary search tree. Using a representation in terms of mixed and compounded standard distributions, we derive approximations by Poisson and mixed Poisson distributions; these lead to asymptotic normality results. We are particularly interested in the influence of the key value on the distribution of the node depth. Methodologically our message is that the explicit representation may provide additional insight if compared to the standard approach that is based on the recursive structure of the trees. Further, in order to exhibit the influence of the key on the distributional asymptotics, a suitable choice of distance of probability distributions is important. Our results are also applicable in connection with the number of recursions needed in Hoare's [Comm. ACM 4 (1961) 321-322] selection algorithm Find.Comment: Published at http://dx.doi.org/10.1214/105051604000000611 in the Annals of Applied Probability (http://www.imstat.org/aap/) by the Institute of Mathematical Statistics (http://www.imstat.org

On Buffon Machines and Numbers

The well-know needle experiment of Buffon can be regarded as an analog (i.e., continuous) device that stochastically "computes" the number 2/pi ~ 0.63661, which is the experiment's probability of success. Generalizing the experiment and simplifying the computational framework, we consider probability distributions, which can be produced perfectly, from a discrete source of unbiased coin flips. We describe and analyse a few simple Buffon machines that generate geometric, Poisson, and logarithmic-series distributions. We provide human-accessible Buffon machines, which require a dozen coin flips or less, on average, and produce experiments whose probabilities of success are expressible in terms of numbers such as, exp(-1), log 2, sqrt(3), cos(1/4), aeta(5). Generally, we develop a collection of constructions based on simple probabilistic mechanisms that enable one to design Buffon experiments involving compositions of exponentials and logarithms, polylogarithms, direct and inverse trigonometric functions, algebraic and hypergeometric functions, as well as functions defined by integrals, such as the Gaussian error function.Comment: Largely revised version with references and figures added. 12 pages. In ACM-SIAM Symposium on Discrete Algorithms (SODA'2011

Fringe trees, Crump-Mode-Jagers branching processes and mm-ary search trees

This survey studies asymptotics of random fringe trees and extended fringe trees in random trees that can be constructed as family trees of a Crump-Mode-Jagers branching process, stopped at a suitable time. This includes random recursive trees, preferential attachment trees, fragmentation trees, binary search trees and (more generally) $m$-ary search trees, as well as some other classes of random trees. We begin with general results, mainly due to Aldous (1991) and Jagers and Nerman (1984). The general results are applied to fringe trees and extended fringe trees for several particular types of random trees, where the theory is developed in detail. In particular, we consider fringe trees of $m$-ary search trees in detail; this seems to be new. Various applications are given, including degree distribution, protected nodes and maximal clades for various types of random trees. Again, we emphasise results for $m$-ary search trees, and give for example new results on protected nodes in $m$-ary search trees. A separate section surveys results on height, saturation level, typical depth and total path length, due to Devroye (1986), Biggins (1995, 1997) and others. This survey contains well-known basic results together with some additional general results as well as many new examples and applications for various classes of random trees

Bivariate Gamma Distributions for Image Registration and Change Detection

This paper evaluates the potential interest of using bivariate gamma distributions for image registration and change detection. The first part of this paper studies estimators for the parameters of bivariate gamma distributions based on the maximum likelihood principle and the method of moments. The performance of both methods are compared in terms of estimated mean square errors and theoretical asymptotic variances. The mutual information is a classical similarity measure which can be used for image registration or change detection. The second part of the paper studies some properties of the mutual information for bivariate Gamma distributions. Image registration and change detection techniques based on bivariate gamma distributions are finally investigated. Simulation results conducted on synthetic and real data are very encouraging. Bivariate gamma distributions are good candidates allowing us to develop new image registration algorithms and new change detectors

Analysis of partial match queries in multidimensional search trees

A la portada diu "Article-based thesis". Tesi amb diferents seccions retallades per dret de l'editor.The main contribution of this thesis is to deepen and generalize previous work done in the average-case analysis of partial match queries in several types of multidimensional search trees. In particular, our focus has been the analysis of fixed PM queries. Our results about them generalize previous results which covered the case where only one coordinate is specified in the PM query- and for any dimension-or the case of 2-dimensional data structures. Using a combinatorial approach, different to the probabilistic approaches used by other researchers, we obtain asymptotic formulas for the expected cost of fixed PM queries in relaxed and standard K-d trees. We establish that, in both cases, the expected cost satisfies a common pattern in the relationship with the expected cost of random PM queries. Moreover, the same pattern appeared in the analysis, previously done by other researchers, of the expected cost of fixed partial match in 2-dimensional quad trees. Those results led us to conjecture that such formula would be pervasive to describe the expected cost of partial match queries in many different multidimensional trees, assuming some additional technical conditions about the family of multidimensional search trees under consideration. Indeed, we prove this to be the case also for K-dimensional quad trees. However, we disprove that conjecture for a new variant of K-d trees with local balancing that we define: relaxed K-dt trees. We analyze the expected cost of random PM queries and fixed PM queries in them and, while we do not find a closed-form expression for the expected cost of xed PM queries, we prove that it cannot be of the same form that we had conjectured. For random PM queries in both relaxed and standard K-dt trees, we obtain two very general results that unify several specific results that appear scattered across the literature. Finally, we also analyze random PM queries in quad-K-d trees -a generalization of both quad trees and K-d trees- and obtain a very general result that includes as particular cases previous results in relaxed K-d trees and quad trees.La principal contribución de esta tesis es profundizar y generalizar resultados anteriores referentes al análisis en caso medio de búsquedas parciales en varios tipos de árboles multidimensionales de búsqueda. En particular nos enfocamos en el análisis de búsquedas parciales fijas. Nuestros resultados sobre ellas generalizan resultados previos que cubren el caso donde solamente una coordenada es especificada en la búsqueda parcial-y para cualquier dimensión-o el caso de estructuras de datos de dos dimensiones. Usando un enfoque combinatorio, diferente a los enfoques probabilísticos utilizados por otros investigadores, obtenemos fórmulas asintóticas para el costo esperado de búsquedas parciales fijas en árboles K-d relajados y estándares. Establecemos que, en ambos casos, el costo esperado satisface un patrón común en la relación con el costo esperado de búsquedas parciales aleatorias. Además, el mismo patrón apareció en el análisis, previamente hecho por otros investigadores, del costo esperado de búsquedas parciales fijas en quadtrees de dos dimensiones. Esos resultados nos llevaron a conjeturar que tal fómula sería generalizada para describir el costo esperado de consultas de búsqueda parcial en muchos árboles multidimensionales diferentes, asumiendo algunas condiciones técnicas adicionales sobre la familia de árboles multidimensionales de búsqueda bajo consideración. De hecho, demostramos que este también es el caso en quadtrees de K dimensiones. Sin embargo, definimos una nueva variante de árboles K-d con reorganizacion local que cumplen tales condiciones, los árboles K-dt relajados, analizamos el costo esperado de búsquedas parciales aleatorias y fijas en ellos y, aunque no encontramos una expresión cerrada para el coste esperado de las búsquedas parciales fijas, demostramos que no puede ser de la misma forma que habíamos conjeturado. También obtenemos dos resultados muy generales para busquedas parciales aleatorias en árboles K-dt relajados y estándares que unifican varios resultados específicos que aparecen dispersos en la literatura. Finalmente, analizamos búsquedas parciales aleatorias en una generalizacion de quadtrees y árboles K-d, llamada árboles quad-K-d, y obtenemos un resultado general que incluye como casos particulares resultados previos en árboles K-d relajados y quadtrees.Són moltes les aplicacions en què es requereix administrar col·leccions de dades multidimensionals, en les quals cada objecte és identificat per un punt en un espai real o abstracte; un exemple paradigmàtics són els sistemes d’informació geogràfica. Aquestes aplicacions fan servir sovint estructures de dades multidimensionals que permetin consultes associatives -aquelles on s'especifiquen condicions per a més d'una coordenada- a més de les operacions tradicionals d’inserció, actualització, eliminació i cerca exacta. Un dels principals tipus de consultes associatives és la cerca parcial, on només s'especifiquen algunes coordenades i l'objectiu és determinar quins objectes coincideixen amb elles. Les consultes de cerca parcial són particularment importants perquè la seva anàlisi forma la base de l’anàlisi d'altres tipus de consultes associatives, com ara les cerques per rangs ortogonals (quins punts estan dins d'una àrea (hiper)rectangular donada?), les consultes per regió (per exemple, donats un punt i una distància, quins punts estan a aquesta distància o menys d'aquest punt?) o les consultes del veí més proper (on cal trobar els k punts més propers a un punt donat). En aquesta tesi analitzem en profunditat el rendiment mitjà de les cerques parcials en arbres multidimensionals de cerca representatius, els quals constitueixen una subclasse significativa de les estructures de dades multidimensionals. Els arbres multidimensionals de cerca, en particular els quadtrees i els arbres K-d, van ser definits a mitjans de la dècada dels anys 1970 com una generalització dels arbres binaris de cerca. Les consultes de cerca parcial s'hi responen realitzant un recorregut recursiu d'alguns subarbres. Durant molts anys l’anàlisi en arbres multidimensionals de cerca es va fer amb la suposició important, i sovint implícita, que en cada crida recursiva es generen a l'atzar noves coordenades de la consulta de cerca parcial. La raó d'aquesta suposició simplificadora va ser que, per als costos mitjans, aquesta anàlisi és equivalent a analitzar el rendiment de l'algorisme de cerca parcial quan l'entrada és una consulta de cerca parcial aleatòria. A principis d'aquesta dècada, alguns equips van començar a analitzar el cas mitjà de cerques parcials sense aquesta suposició: les coordenades especificades de la consulta romanen fixes durant totes les crides recursives. Aquestes consultes s'anomenen cerques parcials fixes. L'objectiu d'aquest enfocament recent és analitzar el rendiment de l'algorisme de cerca parcial, però ara les quantitats d’interès depenen de la consulta particular q donada com a entrada. L’anàlisi de cerques parcials fixes, juntament amb el de les aleatòries -que té un paper important per a l’anàlisi de les primeres- ens dóna una descripció molt detallada i precisa del rendiment de l'algorisme de cerca parcial que podria ser estesa a altres consultes associatives rellevants. La principal contribució d'aquesta tesi és aprofundir i generalitzar resultats previs referents a l’anàlisi en cas mitjà de les cerques parcials en diversos tipus d'arbres multidimensionals de cerca. En particular ens enfoquem en l’anàlisi de les cerques parcials fixes. Els nostres resultats en generalitzen resultats previs els quals cobreixen el cas on només una coordenada està especificada a la cerca parcial i per a qualsevol dimensió no el cas d'estructures de dades de dues dimensions. Usant un enfocament combinatori, diferent als enfocaments probabilístics utilitzats per altres investigadors, obtenim fórmules asimptòtiques per al cost esperat de cerques parcials fixes en arbres K-d relaxats i estàndards. Establim que, en tots dos casos, el cost esperat satisfà un patró comú en la relació amb el cost esperat de cerques parcials aleatòries. A més, el mateix patró va aparèixer en l’anàlisi, prèviament fet per altres investigadors, del cost esperat de cerques parcials fixes en quadtrees de dues dimensions. Aquests resultats ens van portar a conjecturar que tal fórmula seria general per descriure el cost esperat de consultes de cerca parcial en molts arbres multidimensionals diferents, assumint algunes condicions tècniques addicionals sobre la família d'arbres multidimensionals de cerca sota consideració. De fet, demostrem que aquest és també el cas pels quadtrees de K dimensions. Tanmateix, definim una nova variant de arbres K-d amb equilibri local que compleixen aquestes condicions, els arbres K-dt relaxats, n'analitzem el cost esperat de cerques parcials aleatòries i fixes i, tot i no trobar una expressió tancada per al cost esperat de les cerques parcials fixes, demostrem que no pot ser de la mateixa forma que havíem conjecturat. També obtenim dos resultats molt generals per a les cerques parcials aleatòries en arbres K-dt relaxats i estàndards, els quals unifiquen diversos resultats específics que apareixen dispersos a la literatura. Finalment, analitzem cerques parcials aleatòries en una generalització de quadtrees i arbres K-d, anomenada arbres quad-K-d, i obtenim un resultat general que inclou com a casos particulars resultats previs en arbres K-d relaxats i quadtreesPostprint (published version

Identifying the miRNA Signature Association with Aging-Related Senescence in Glioblastoma.

Glioblastoma (GBM) is the most common malignant brain tumor and its malignant phenotypic characteristics are classified as grade IV tumors. Molecular interactions, such as protein-protein, protein-ncRNA, and protein-peptide interactions are crucial to transfer the signaling communications in cellular signaling pathways. Evidences suggest that signaling pathways of stem cells are also activated, which helps the propagation of GBM. Hence, it is important to identify a common signaling pathway that could be visible from multiple GBM gene expression data. microRNA signaling is considered important in GBM signaling, which needs further validation. We performed a high-throughput analysis using micro array expression profiles from 574 samples to explore the role of non-coding RNAs in the disease progression and unique signaling communication in GBM. A series of computational methods involving miRNA expression, gene ontology (GO) based gene enrichment, pathway mapping, and annotation from metabolic pathways databases, and network analysis were used for the analysis. Our study revealed the physiological roles of many known and novel miRNAs in cancer signaling, especially concerning signaling in cancer progression and proliferation. Overall, the results revealed a strong connection with stress induced senescence, significant miRNA targets for cell cycle arrest, and many common signaling pathways to GBM in the network