Gerechte Zuordnungen: Kollektive Entscheidungsprobleme aus der Perspektive von Mathematik und theoretischer Informatik

Wir untersuchen verschiedene Fragestellungen der Sozialwahltheorie aus Sicht der Computational Social Choice. Für ein Problem, das in Bezug zu einem Kollektiv von Agenten steht (z.B. Aufteilungen von Ressourcen oder Repräsentantenwahlen), stehen verschiedene Alternativen als Lösung zur Verfügung; ein wesentlicher Aspekt sind dabei die diversen Pr\"aferenzen der Agenten gegenüber den Alternativen. Die Qualität der Lösungen wird anhand von Kriterien aus den Sozialwissenschaften (Fairness), der Spieltheorie (Stabilität) und den Wirtschaftswissenschaften (Effizienz) charakterisiert. In Computational Social Choice werden solche Fragestellungen mit Werkzeugen der Mathematik (z.B. Logik und Kombinatorik) und Informatik (z.B. Komplexitätstheorie und Algorithmik) behandelt. Als roter Faden zieht sich die Frage nach sogenannten "`gerechten Zuordnungen"' durch die Dissertation. Für die Zuordnung von Gütern zu Agenten zeigen wir, wie mithilfe eines dezentralisierten Ansatzes Zuordnungen gefunden werden können, die Ungleichheit minimieren. Wir analysieren das Verhalten dieses Ansatzes für Worst-Case-Instanzen und benutzen dabei eine innovative Beweismethode, die auf impliziten rekursiven Konstruktionen unter Verwendung von Argumenten der Infinitesimalrechnung beruht. Bei der Zuordnung von Agenten zu Aktivitäten betrachten wir das vereinfachte Szenario, in dem die Agenten Präferenzen bezüglich der Aktivitäten haben und die Menge der zulässigen Zuordnungen Beschränkungen bezüglich der Teilnehmerzahlen pro Aktivität unterliegt. Wir führen verschiedene Lösungskonzepte ein und erläutern die Zusammenhänge und Unterschiede dieser Konzepte. Die zugehörigen Entscheidungsprobleme zur Existenz und Maximalität entsprechender Zuordnungen unterziehen wir einer ausführlichen Komplexitätsanalyse. Zuordnungsprobleme können auch als Auktionen aufgefasst werden. Wir betrachten ein Szenario, in dem die Agenten Gebote auf Transformationen von Gütermengen abgeben. In unserem Modell sind diese durch die Existenz von Gütern charakterisiert, die durch die Transformationen nicht verbraucht werden. Von Interesse sind die Kombinationen von Transformationen, die den Gesamtnutzen maximieren. Wir legen eine (parametrisierte) Komplexitätsanalyse dieses Modells vor. Etwas abseits der Grundfragestellung liegen unsere Untersuchungen zu kombinierten Wettkämpfen. Diese interpretieren wir als Wahlproblem, d.h. als Aggregation von Ordnungen. Wir untersuchen die Anfälligkeit für Manipulationen durch die Athleten.We investigate questions from social choice theory from the viewpoint of computational social choice. We consider the setting that a group of agents faces a collective decision problem (e.g., resource allocation or the choice of a representative): they have to choose among various alternatives. A crucial aspect are the agents' individual preferences over these alternatives. The quality of the solutions is measured by various criteria from the fields of social sciences (fairness), game theory (stability) and economics (efficiency). In computational social choice, such problems are analyzed and accessed via methods of mathematics (e.g., logic and combinatoric) and theoretical computer science (e.g. complexity theory and algorithms). The question of so called `fair assignments' runs like a common thread through most parts of this dissertation. Regarding allocations of goods to agents, we show how to achieve allocations with minimal inequality by means of a distributed approach. We analyze the behavior of this approach for worst case instances; therefor we use an innovative proof technique which relies on implicit recursive constructions and insights from basic calculus. For assignments of agents to activities, we consider a simplified scenario where the agents express preferences over activities and the set of feasible assignments is restricted by the number of agents which can participate in a (specific) activity. We introduce several solution concepts and elucidate the connections and differences between these concepts. Furthermore, we provide an elaborated complexity analysis of the associated decision problems addressing existence and maximality of the corresponding solution concepts. Assignment problems can also be seen as auctions. We consider a scenario where the agents bid on transformations of goods. In our model, each transformation requires the existence of a `tool good' which is not consumed by the transformation. We are interested in combinations of transformations which maximize the total utility. We study the computational complexity of this model in great detail, using methods from both classical and parameterized complexity theory. Slightly off topic are our investigations on combined competitions. We interpret these as a voting problem, i.e., as the aggregation of orders. We investigate the susceptibility of these competitions to manipulation by the athletes

The Genesis of the “Brain-Eating” Amoeba

The Creator made all creatures, including amoebas, with variation and plasticity in their genome for global differences of climate, terrain, and environment. God made all creatures to multiply and fill the earth. Diversification and speciation from the original kind would be normal even in a perfect world. Naegleria fowleri is a global amoeba pathogen that is the causative agent of primary amoebic meningoencephalitis (PAM), thus termed “brain-eating.” Many people are evidently exposed, based upon antibody levels, to this amoeba while swimming in warm waters. Only a small percentage succumb to the germ, but once invasion happens, only about 1% survive. Because it is such a devastating disease, most people do not survive the infection. This common pathogen is a free-living ameboflagellate present in very warm water during the summer time

Light Scattering Microscopy for Tumor Cell Recognition

Light scattering microscopy is suggested to providesome insight into cell architecture and to giveinformation on cell malignancy or morphologicalchanges upon necrosis or apoptosis. In the presentpaper a microscope setup for scattering experimentswith high angular resolution is reported, and firstdata obtained from test models (polystyrene beads),cell monolayers and 3-dimensional cell spheroidsare reported. Data are compared with simulationsbased on Mie scattering and discussed in view oftheir possible use for tumor cell recognition withintissue samples. The discussion includes presentlimitations due to spatial resolution or inhomogeneous illumination and suggests possibilities ofimprovement

Entwicklung und Charakterisierung eines plasmonischen, nanodrahtbasierten Biosensors mit simultaner elektrochemischer Steuerung

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neuartiger Proteinsensor auf der Basis von Gold-Nanodrähten entwickelt. Es werden hierfür antennenartig ausgerichtete Nanodrähte auf Goldoberflächen hergestellt. Die Nanodrähte werden anschließend hinsichtlich ihrer atomaren Struktur und chemischen Zusammensetzung analysiert. Dabei kann die einkristalline und defektarme Struktur der chemisch reinen Gold-Nanodrähte unter Verwendung eines Querschnittsverfahrens atomar aufgelöst werden. Nachfolgend werden die elektrochemischen und optischen Eigenschaften der Nanodrahtoberflächen untersucht. Dabei kann verifiziert werden, dass nahezu alle Nanodrähte über das Substrat elektrisch kontaktiert sind. Ferner zeigt sich anhand optischer Transmissionsmessungen eine plasmonische Transversalmode, welche in Luft bei etwa 530 nm liegt. Deren Brechungsindexsensitivität im physiologischen Bereich wird zu S = 245 nm/RIU bestimmt und anschließend zur zeitaufgelösten sowie konzentrationsabhängigen Proteindetektion genutzt. Im abschließenden Kapitel wird die plasmonische Proteindetektion durch das simultane Anlegen eines elektrochemischen Potentials ergänzt. Es wird zunächst sichergestellt, dass die Position des plasmonischen Signals unter Verwendung eines Elektrodenpotentials reversibel gesteuert werden kann. Erste Proteinmessungen zeigen nachfolgend, das mithilfe dieser optischen Messtechnik eine elektrochemisch induzierte Proteinanreicherung an der Nanodrahtoberfläche detektiert werden kann. Dieses Konzept ist im Bereich der biomedizinischen Diagnostik als vielversprechend anzusehen, insbesondere im Hinblick auf ein verbessertes Detektionslimit von Proteinen, sowie für eine selektive Detektion unterschiedlich geladener Proteine

Machine learning Modell für die Abtragsvorhersage in der Roboter-Glaskeramik-Politur

Im 21. Jahrhundert gehören optische Systeme zu den Schlüsseltechnologien und spielen eine entscheidende Rolle im technischen Fortschritt. Einer der letzten Prozessschritte in der Fertigungskette von Glas Hochleistungsoptiken ist die Politur. In der Industrie herrscht immer noch kein umfassendes Prozessverständnis. Zwar sind empirische Parametersätze vorhanden, jedoch gibt es keine Erkenntnis, inwiefern sich eine Änderung einzelner Parameter auf den Materialabtrag auswirkt. Ziel dieser Arbeit ist daher die Entwicklung eines datengetriebenen Poliermodells für die Robotergestützte-Politur von Optiken. Durch den Einsatz von Sensoren am Bearbeitungskopf werden alle relevanten Prozessparameter aufgezeichnet. Auf Grundlage der Daten wird ein maschinenlernendes Modell zur Vorhersage von Materialabtrag auf gekrümmten Flächen erstellt und validiert. Das Modell erreicht eine Vorhersagengenauigkeit des Abtrages von 99,22 % (R²-Wert), welches bei Prozessvorhersagen als sehr gut bewertet wird.Im 21. Jahrhundert gehören optische Systeme zu den Schlüsseltechnologien und spielen eine entscheidende Rolle im technischen Fortschritt. Hochgenaue optische Linsen finden sich u. a. in Astrospiegeln, Lasergyroskopen oder Lithographie-Linsen und die Anforderungen an Stückzahl und Qualität steigen kontinuierlich. Einer der letzten Prozessschritte in der Fertigungskette von Glas Hochleistungsoptiken ist in der Regel die Politur. Von diesem Prozessschritt hängt maßgeblich die Bauteilqualität ab. Trotz langer Tradition und Verwendung in der Industrie herrscht immer noch kein umfassendes Prozessverständnis. Zwar sind empirische Parametersätze vorhanden, jedoch gibt es keine Erkenntnis, inwiefern sich eine Änderung einzelner Parameter auf den Materialabtrag auswirkt. Während zahlreiche Untersuchungen empirische Prozessmodelle betrachteten, blieb der Einsatz von datengetriebenen Poliermodellen bislang weitgehend unbeachtet. Ziel dieser Arbeit ist daher die Entwicklung eines datengetriebenen Poliermodells für die Robotergestützte-Politur von Optiken. Durch den Einsatz von Sensoren am Bearbeitungskopf werden alle relevanten Prozessparameter aufgezeichnet. Durch Datenanalyse können Anomalien und Muster im Prozess detektiert und darauf reagiert bzw. für weitere Analysen genutzt werden. Des Weiteren wird auf Grundlage der Daten ein maschinenlernendes Modell zur Vorhersage von Materialabtrag auf gekrümmten Flächen erstellt und validiert. Das vorliegende Machine learning Modell bildet den betrachteten Polierprozess ab und Einflüsse auf diesen werden durch den Sensoreinsatz abgebildet. Das Modell erreicht eine Vorhersagengenauigkeit des Abtrages von 99,22 % (R²-Wert), welches bei Prozessvorhersagen als sehr gut bewertet wird.In the 21st century, optical systems are part of key technologies and play a decisive role in technical progress. High-precision optical lenses are found in astro-mirrors, laser gyroscopes or lithography lenses, among others, and requirements in terms of quantity and quality are continuously increasing. One of the last process steps in the production chain of high-performance glass optics is usually polishing. Thus, their component quality depends significantly on this process step. Despite a long tradition and use in industry, there is still no comprehensive understanding of the process. Although empirical parameter sets are available, there is no understanding of how changing individual parameters affect material removal. While numerous studies have investigated empirical process models, the use of data-driven polishing models has so far remained unaddressed. The aim of this work is therefore to develop a data-driven polishing model for the robot-assisted polishing of optics. By using sensors on the processing head, all relevant process parameters are recorded. Through data analysis, anomalies and patterns in the process can be detected and reacted to or used for further analysis. Furthermore, a machine learning model for predicting material removal on curved surfaces is created and validated on the basis of the data. This machine learning model represents the polishing process under consideration and influences on this are mapped by the use of sensors. The model has a material removal prediction accuracy of 99.22% (R² Value), which means a good value in process predictions

Formats and Features of Professional Development as Predictors of Self-Reported Changes in Music Teachers' Knowledge and Skills

The purpose of this study was to describe the self-reported professional development activities of music teachers in the United States and to determine whether selected formats and features of professional development experiences commonly available to music teachers were significant predictors of music teachers' self-reported enhancements in knowledge and skills. The Music Teacher Professional Development Survey was distributed to a simple random sample of 2,257 music teachers in all 50 States and the District of Columbia. It contained items that pertained to participants' professional development activities during the 2012-2013 school year, asking them to describe one of those experiences in-depth and to rate how that experience affected their knowledge and skills. A total of 493 teachers responded to the survey, and 326 completed it. Notable findings indicated that (a) music teachers attended professional development outside of their schools or districts to find professional development relevant to their roles as music teachers, (b) they undertook individual learning to supplement their formal professional development, and commonly spent more than 20 hours during the 2012-2013 school year doing so; and (c) their ideal professional development experiences would be a workshop that involved other music teachers, was relatively short in length, would take place in their own schools or districts, and related to their areas of teaching specialization. Three professional development formats (in-district professional development workshop, workshop sponsored by a college or university, and graduate coursework) were entered into a fixed coefficients multiple regression model with out-of-district music/ music education conference as the referent group and state membership as fixed variables. Results revealed statistically significant effects for (a) graduate coursework and (b) in-district professional development in comparison to the referent group on participants' ratings of enhanced knowledge and skills. Effects for in-district professional development workshops were negative, suggesting that participants rated their enhancements in knowledge and skills significantly lower than the referent group. For features of professional development, fixed coefficient multiple regression analysis results indicated that (a) time span, (b) opportunities of active learning, (c) activity type, and (d) content focus were significant predictors of music teachers' ratings of enhanced knowledge and skill

Korrelation zwischen genetischen Mutationen und klinischem Verlauf der Langerhanszell-Histiozytose des Kindesalters und deren Spätfolgen

Zusammenfassend konnte diese Arbeit durch umfassende Daten eines Behandlungszentrums über sowohl immunhistochemische und molekulare Daten, als auch klinische Verlaufsparameter und zudem Spätfolgen, einen Überblick über aktuelle Zusammenhänge zwischen molekularen Erkrankungsmodellen und Einflussfaktoren für Verlauf der kindlichen LCH und deren Spätfolgen bieten. In einer retrospektiven Analyse konnte von 55 Patienten über einen Zeitraum von 31 (1983-2014) Jahren der Wandel in Diagnostik und Therapie von Szintigraphie, Bestrahlunge und VP16/Etoposid-Behandlung bis hin zu neusten Ansätzen mit Kinaseinhibitoren und Interleukin-1-Rezeptor-Antagonisten diskutiert werden. Die vorliegende Studie zeigte mit 46 % und 30 % eine ähnliche Inzidenz an BRAF- und MAP2K1-Mutationen, wie bereits in der Literatur angegeben, darunter eine bisher erst einmalig vorbeschriebene BRAFV600D-Mutation in einer Knochenläsion. Es konnte ein signifikanter Zusammenhang zwischen einer BRAFV600E-Mutation und dem Kleinkindalter, beziehungsweise Hautbefall aufgezeigt werden. Bei einem maximalen Follow-up von 31 Jahren wurden bei 41 % der Patienten Spätfolgen der LCH erhoben. Die größtenteils orthopädischen und hormonellen Spätfolgen waren tendenziell eher bei älteren Kindern, bei multisystemischem Befall und signifikant erhöht beim Auftreten von Rezidiven im Verlauf zu sehen. Der Mutationsstatus zeigte dabei keinen Einfluss auf die Spätfolgen. Die immunhistochemischen Untersuchungen deuteten in der VE1-Expressionsanalyse auf eine geringere Spezifität und Sensitivität, verglichen mit der molekularen Sequenzierung hin und könnten auf gewebeabhängige Unterschiede in der Verwendbarkeit des Antikörpers hinweisen. Es konnte weiter gezeigt werden, dass das mit dem Modell der mit BRAFV600E-Mutationen assoziierten Oncogene-induced Senescence zusammenhängende Tumorsuppressorprotein p16-Expression in allen bis auf einem Fall vorhanden war. Ein Zusammenhang zwischen der Stärke der p16-Expression und dem klinischen Status konnte nicht hergestellt werden

Light Dose is a Limiting Factor to Maintain Cell Viability in Fluorescence Microscopy and Single Molecule Detection

A test system for cell viability based on colony formation has been established and applied to high resolution fluorescence microscopy and single molecule detection. Living cells were irradiated either by epi-illumination or by total internal reflection (TIR) of a laser beam, and light doses where at least 90% of irradiated cells survived were determined. These light doses were in the range of a few J/cm2 up to about 200 J/cm2 depending on the wavelength of illumination as well as on the presence or absence of a fluorescent dye (e.g., the membrane marker laurdan). In general, cells were less sensitive to TIR than to epi-illumination. However, comparably high light doses needed for repetitive excitation of single molecules limit the application of super-resolution microscopy to living cells