Die Produktion von Polyrhythmen ist ein wichtiger experimenteller Zugang für die Untersuchung der menschlichen Motorik. Durch Variation des Tempos (externer Kontrollparameter) bei rhythmischen Bewegungsabläufen können qualitative Übergänge in der Koordinationsdynamik induziert werden. Diese Übergänge lassen sich mit der Methode der symbolischen Dynamik in experimentellen Zeitreihen nachweisen und sind ein wichtiger Hinweis darauf, dass die untersuchten Bewegungsabläufe nichtlinearen Kontrollprozessen unterliegen. <br>Die theoretische Beschreibung bimanueller Rhythmusproduktion mit gekoppelten Differenzengleichungen führt auf ein Modell mit nichtlinearer Fehlerkontrolle. Es ist eine wichtige Eigenschaft der Kontrollprozesse, dass sie mit zeitverzögerter Rückkopplung arbeiten. Neben deterministischen Steuerungsmechanismen ist die Motorik des Menschen ausserdem von Fluktuationen auf zwei Ebenen gekennzeichnet, der kognitiven Kontrollebene und der Ebene der motorischen Systeme. Daher ist die Koordination von Bewegungen das Ergebnis von Wechselwirkungen zwischen nichtlinearen, zeitverzögerten Kontrollprozessen und stochastischen Fluktuationen.

Zugl.: Hannover, Universiẗat, Diss., 2009.

Der in der Literatur verwendete Wissensbegriff ist vielschichtig. In dieser Arbeit werden sechs Facetten des Begriffes Wissen aus Sicht der Software-Entwicklung herausgearbeitet: Träger, Güte, Ausdrücklichkeit, Sprachbezug, Abstraktionsebene und Inhalt. Während traditionelle, schwergewichtige Software-Entwicklungsprozesse primär explizites und formal-sprachliches Wissen fokussieren, das sich bspw. in Anforderungsdokumenten oder Quelltexten widerspiegelt, betonen leichtgewichtige Prozesse neben dem formal-sprachlichen Wissen auch implizites und nicht-sprachliches Wissen, das durch Konzepte wie Pair-Progamming oder Planspiele bei der Projektplanung stimuliert wird. Bei einer Untersuchung des V-Modells und des Extreme Programming werden weitere Unterschiede alternativer Vorgehensweisen bei der Software-Entwicklung aus Sicht des Wissensmanagements dargestellt. Abgeschlossen wird die Arbeit mit einer Zusammenstellung spezieller Anforderungen an ein Wissensmanagement in der Software-Entwicklung.

Die Einführung mobiler Technologien in Unternehmen erfolgt häufig technikgetrieben und ohne genaue Kenntnis der konkreten, zu realisierenden Nutzenpotenziale. Es wird deshalb ein Vorgehensmodell vorgestellt, mit dem das Mobilitätspotenzial von Geschäftsprozessen systematisch analysiert werden kann. Im Vordergrund steht dabei die Verteilungsstruktur der Geschäftsprozesse. Ein weiterer wichtiger Bestandteil dieses Modells ist die Wirtschaftlichkeitsbewertung für mobile Prozesse. Das Modell wird am Beispiel von Vertriebsprozessen eines Versicherungsunternehmens erläutert.

Der in der Literatur verwendete Wissensbegriff ist vielschichtig. In dieser Arbeit werden sechs Facetten des Begriffes Wissen aus Sicht der Software-Entwicklung herausgearbeitet: Träger, Güte, Ausdrücklichkeit, Sprachbezug, Abstraktionsebene und Inhalt. Während traditionelle, schwergewichtige Software-Entwicklungsprozesse primär explizites und formal-sprachliches Wissen fokussieren, das sich bspw. in Anforderungsdokumenten oder Quelltexten widerspiegelt, betonen leichtgewichtige Prozesse neben dem formal-sprachlichen Wissen auch implizites und nicht-sprachliches Wissen, das durch Konzepte wie Pair-Progamming oder Planspiele bei der Projektplanung stimuliert wird. Bei einer Untersuchung des V-Modells und des Extreme Programming werden weitere Unterschiede alternativer Vorgehensweisen bei der Software-Entwicklung aus Sicht des Wissensmanagements dargestellt. Abgeschlossen wird die Arbeit mit einer Zusammenstellung spezieller Anforderungen an ein Wissensmanagement in der Software-Entwicklung.

In diesem Bericht wurden die Arbeiten und Ergebnisse dargestellt, die am FORWISS im Rahmen des Verbundprojekts AENEAS im Zeitraum vom 1.10.1995 bis zum 31.12.1999 erzielt wurden. Die Forschungsziele des Vorhabens wurden durch eine industrielle Anwendung im Bereich der Stahlverarbeitung motiviert und konzentrierten sich im Wesentlichen auf die folgenden Punkte: • Modellierung von nichtlinearen und zeitvarianten Prozessen, die analytisch nicht fassbar sind und nur durch Messdaten repräsentiert werden. • Modellierung von Größen, die nicht direkt messbar sind, aber auf nichtlineare Weise von anderen, messbaren Größen abhängen. • Kombination von analytischen bzw. statistischen Modellen und Neuronalen Netzen, um die jeweiligen Vorteile der Verfahren zu vereinen. Als Ergebnis des Vorhabens wurden eine Reihe neuer Ansätze zum kontinuierlichen Lernen entwickelt, darunter eine neuartige, lebenslang adaptive Netzarchitektur mit entscheidenden Vorteilen im Bereich des kontinuierlichen Lernens im Vergleich zu allen bisher bekannten Verfahren. Zum zweiten Punkt wurde eine Theorie der Analyse iterierter Prozesse entwickelt, die auf das mathematische Problem der Lösung von Funktionswurzeln führte. Für nichtlineare Systeme gibt es keine analytischen Lösungsmöglichkeiten, daher wurden erstmals Neuronale Netze zur Lösung dieses Problems verwendet. Die Ergebnisse aller grundlagenorientierten Arbeiten flossen in die Lösung eines industriellen Anwendungsproblems ein, bei der End- und Zwischenprofile warmgewalzter Stahlbänder modelliert und prognostiziert werden sollten. Dieser Prozess ist charakterisiert durch Nichtlinearität, Zeitvarianz („Tagesform“ der Anlage) und durch die nicht direkte Messbarkeit der Zwischenprofile, die sich als inverse Iteration (Funktionswurzel) aus dem Endprofil ergeben. Dieses Problem konnte auf elegante Weise durch eine Verknüpfung von analytischen und neuronalen Ansätzen gelöst werden. Neben dem unmittelbaren Wert der Ergebnisse bei der Lösung der beispielhaften Anwendung lassen sich die entwickelten Verfahren zum kontinuierlichen Lernen und zur Analyse iterierter Prozesse auf eine Vielzahl anderer Problemstellungen verallgemeinern und stellen eine gute Basis für weitere Forschungsarbeiten dar.

Das Problem, eine Erklärung für eine Reihe von Beobachtungen zu finden, stellt sich in vielen alltäglichen Situationen, zum Beispiel bei sozialen Attributionsprozessen oder der klinischen Diagnose. Der dabei zugrunde liegende Erklärungsprozess wird oft als abduktives Schließen bezeichnet und kann als Verstehensprozess aufgefasst werden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, eine mögliche Beteiligung automatischer Prozesse beim Lösen solcher Probleme zu untersuchen. Es wird angenommen, dass mit Hilfe der Aktivierung und Hemmung von mit Beobachtungen verknüpftem Wissen eine mentale Repräsentation aufgebaut wird, die die Erklärung für die Beobachtungen darstellt. Demzufolge sollten Erklärungen, die mit gezeigten Beobachtungen kausal verknüpft sind, aktiviert, und Erklärungen, die aufgrund neuer Beobachtungen verworfen werden, gehemmt werden. Um dies zu prüfen, klassifizierten Probanden während der Lösung diagnostischer Probleme Testreize, die entweder mit möglichen, verworfenen oder für das aktuelle Problem irrelevanten Erklärungen verknüpft waren. Die Reaktionszeit und die Antwortgüte auf die Testreize wurden als Maß für die Aktivierung der damit verknüpften Erklärung verwendet. Die Ergebnisse belegen das Wirken von Aktivierungsprozessen. Hinweise auf eine Hemmung verworfener Erklärungen konnten hingegen nicht gefunden werden.

Das Problem, eine Erklärung für eine Reihe von Beobachtungen zu finden, stellt sich in vielen alltäglichen Situationen, zum Beispiel bei sozialen Attributionsprozessen oder der klinischen Diagnose. Der dabei zugrunde liegende Erklärungsprozess wird oft als abduktives Schließen bezeichnet und kann als Verstehensprozess aufgefasst werden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, eine mögliche Beteiligung automatischer Prozesse beim Lösen solcher Probleme zu untersuchen. Es wird angenommen, dass mit Hilfe der Aktivierung und Hemmung von mit Beobachtungen verknüpftem Wissen eine mentale Repräsentation aufgebaut wird, die die Erklärung für die Beobachtungen darstellt. Demzufolge sollten Erklärungen, die mit gezeigten Beobachtungen kausal verknüpft sind, aktiviert, und Erklärungen, die aufgrund neuer Beobachtungen verworfen werden, gehemmt werden. Um dies zu prüfen, klassifizierten Probanden während der Lösung diagnostischer Probleme Testreize, die entweder mit möglichen, verworfenen oder für das aktuelle Problem irrelevanten Erklärungen verknüpft waren. Die Reaktionszeit und die Antwortgüte auf die Testreize wurden als Maß für die Aktivierung der damit verknüpften Erklärung verwendet. Die Ergebnisse belegen das Wirken von Aktivierungsprozessen. Hinweise auf eine Hemmung verworfener Erklärungen konnten hingegen nicht gefunden werden.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung universeller Skalengesetze, die in gekoppelten chaotischen Systemen beobachtet werden. Ergebnisse werden erzielt durch das Ersetzen der chaotischen Fluktuationen in der Störungsdynamik durch stochastische Prozesse. <br /> <br /> Zunächst wird ein zeitkontinuierliches stochastisches Modell fürschwach gekoppelte chaotische Systeme eingeführt, um die Skalierung der Lyapunov-Exponenten mit der Kopplungsstärke (coupling sensitivity of chaos) zu untersuchen. Mit Hilfe der Fokker-Planck-Gleichung werden Skalengesetze hergeleitet, die von Ergebnissen numerischer Simulationen bestätigt werden. <br /> <br /> Anschließend wird der neuartige Effekt der vermiedenen Kreuzung von Lyapunov-Exponenten schwach gekoppelter ungeordneter chaotischer Systeme beschrieben, der qualitativ der Abstoßung zwischen Energieniveaus in Quantensystemen ähnelt. Unter Benutzung der für die coupling sensitivity of chaos gewonnenen Skalengesetze wird ein asymptotischer Ausdruck für die Verteilungsfunktion kleiner Abstände zwischen Lyapunov-Exponenten hergeleitet und mit Ergebnissen numerischer Simulationen verglichen.<br /> <br /> Schließlich wird gezeigt, dass der Synchronisationsübergang in starkgekoppelten räumlich ausgedehnten chaotischen Systemen einem kontinuierlichen Phasenübergang entspricht, mit der Kopplungsstärke und dem Synchronisationsfehler als Kontroll- beziehungsweise Ordnungsparameter. Unter Benutzung von Ergebnissen numerischer Simulationen sowie theoretischen Überlegungen anhand einer partiellen Differentialgleichung mit multiplikativem Rauschen werden die Universalitätsklassen der zwei beobachteten Übergangsarten bestimmt (Kardar-Parisi-Zhang-Gleichung mit Sättigungsterm, gerichtete Perkolation). / Subject of this work is the investigation of universal scaling laws which are observed in coupled chaotic systems. Progress is made by replacing the chaotic fluctuations in the perturbation dynamics by stochastic processes. <br /> <br /> First, a continuous-time stochastic model for weakly coupled chaotic systems is introduced to study the scaling of the Lyapunov exponents with the coupling strength (coupling sensitivity of chaos). By means of the the Fokker-Planck equation scaling relations are derived, which are confirmed by results of numerical simulations. <br /> <br /> Next, the new effect of avoided crossing of Lyapunov exponents of weakly coupled disordered chaotic systems is described, which is qualitatively similar to the energy level repulsion in quantum systems. Using the scaling relations obtained for the coupling sensitivity of chaos, an asymptotic expression for the distribution function of small spacings between Lyapunov exponents is derived and compared with results of numerical simulations. <br /> <br /> Finally, the synchronization transition in strongly coupled spatially extended chaotic systems is shown to resemble a continuous phase transition, with the coupling strength and the synchronization error as control and order parameter, respectively. Using results of numerical simulations and theoretical considerations in terms of a multiplicative noise partial differential equation, the universality classes of the observed two types of transition are determined (Kardar-Parisi-Zhang equation with saturating term, directed percolation).

In the living cell, the organization of the complex internal structure relies to a large extent on molecular motors. Molecular motors are proteins that are able to convert chemical energy from the hydrolysis of adenosine triphosphate (ATP) into mechanical work. Being about 10 to 100 nanometers in size, the molecules act on a length scale, for which thermal collisions have a considerable impact onto their motion. In this way, they constitute paradigmatic examples of thermodynamic machines out of equilibrium. This study develops a theoretical description for the energy conversion by the molecular motor myosin V, using many different aspects of theoretical physics. Myosin V has been studied extensively in both bulk and single molecule experiments. Its stepping velocity has been characterized as a function of external control parameters such as nucleotide concentration and applied forces. In addition, numerous kinetic rates involved in the enzymatic reaction of the molecule have been determined. For forces that exceed the stall force of the motor, myosin V exhibits a 'ratcheting' behaviour: For loads in the direction of forward stepping, the velocity depends on the concentration of ATP, while for backward loads there is no such influence. Based on the chemical states of the motor, we construct a general network theory that incorporates experimental observations about the stepping behaviour of myosin V. The motor's motion is captured through the network description supplemented by a Markov process to describe the motor dynamics. This approach has the advantage of directly addressing the chemical kinetics of the molecule, and treating the mechanical and chemical processes on equal grounds. We utilize constraints arising from nonequilibrium thermodynamics to determine motor parameters and demonstrate that the motor behaviour is governed by several chemomechanical motor cycles. In addition, we investigate the functional dependence of stepping rates on force by deducing the motor's response to external loads via an appropriate Fokker-Planck equation. For substall forces, the dominant pathway of the motor network is profoundly different from the one for superstall forces, which leads to a stepping behaviour that is in agreement with the experimental observations. The extension of our analysis to Markov processes with absorbing boundaries allows for the calculation of the motor's dwell time distributions. These reveal aspects of the coordination of the motor's heads and contain direct information about the backsteps of the motor. Our theory provides a unified description for the myosin V motor as studied in single motor experiments. / Die hier vorgelegte Arbeit entwickelt unter Verwendung vieler verschiedener Aspekte der statistischen Physik eine Theorie der chemomechanischen Kopplung für den Energieumsatz des molekularen Motors Myosin V. Das Myosin V ist sowohl in chemokinetischen wie in Einzelmolekülexperimenten grundlegend untersucht worden. Seine Schrittgeschwindigkeit ist in Abhängigkeit verschiedener externer Parameter, wie der Nukleotidkonzentration und einer äußeren Kraft, experimentell bestimmt. Darüber hinaus ist eine große Anzahl verschiedener chemokinetischer Raten, die an der enzymatischen Reaktion des Moleküls beteiligt sind, quantitativ erfasst. Unter der Wirkung externer Kräfte, die seine Anhaltekraft überschreiten, verhält sich der Motor wie eine Ratsche: Für Kräfte, die entlang der Schrittbewegung des Motors wirken, hängt seine Geschwindigkeit von der ATP-Konzentration ab, für rückwärts angreifende Kräfte jedoch ist die Bewegung des Motors unabhängig von ATP. Auf der Grundlage der chemischen Zustände des Motors wird eine Netzwerktheorie aufgebaut, die die experimentellen Beobachtungen des Schrittverhaltens für Myosin V einschließt. Diese Netzwerkbeschreibung dient als Grundlage für einen Markovprozess, der die Dynamik des Motors beschreibt. Die Verwendung diskreter Zustände bietet den Vorteil der direkten Erfassung der chemischen Kinetik des Moleküls. Darüber hinaus werden chemische und mechanische Eigenschaften des Motors in gleichem Maße im Modell berücksichtigt. Durch die Erfassung der Enzymkinetik mittels eines stochastischen Prozesses lässt sich die Motordynamik mit Hilfe des stationären Zustands der Netzwerkdarstellung beschreiben. Um diesen zu bestimmen, verwenden wir eine graphentheoretische Methode, die auf Kirchhoff zurückgreift. Wir zeigen in Einklang mit den Gesetzen der Thermodynamik für Nichtgleichgewichtssysteme, dass das Schrittverhalten des Motors von mehreren chemomechanischen Zyklen beeinflusst wird. Weiterhin untersuchen wir das funktionale Verhalten mechanischer Schrittraten in Abhängigkeit der äußeren Kraft unter Verwendung einer geeigneten Fokker-Planck-Gleichung. Hierfür wird auf die Theorie einer kontinuierlichen Beschreibung von molekularen Methoden zurückgegriffen. Wir berechnen Größen wie die mittlere Schrittgeschwindigkeit, das Verhältnis von Vorwärts- und Rückwärtsschritten, und die Lauflänge des Motors in Abhängigkeit einer äußeren angreifenden Kraft sowie der Nukleotidkonzentration, und vergleichen diese mit experimentellen Daten. Für Kräfte, die kleiner als die Anhaltekraft des Motors sind, unterscheidet sich der chemomechanische Zyklus grundlegend von demjenigen, der für große Kräfte dominiert. Diese Eigenschaft resultiert in einem Schrittverhalten, das mit den experimentellen Beobachtungen übereinstimmt. Es ermöglicht weiterhin die Zerlegung des Netzwerks in einzelne Zyklen, die die Bewegung des Motors für verschiedene Bereiche externer Kräfte erfassen. Durch die Erweiterung unseres Modells auf Markovprozesse mit absorbierenden Zuständen können so die Wartezeitenverteilungen für einzelne Zyklen des Motors analytisch berechnet werden. Sie erteilen Aufschluss über die Koordination des Motors und enthalten zudem direkte Informationen über seine Rückwärtsschritte, die experimentell nicht erfasst sind. Für das gesamte Netzwerk werden die Wartezeitenverteilungen mit Hilfe eines Gillespie-Algorithmus bestimmt. Unsere Theorie liefert eine einheitliche Beschreibung der Eigenschaften von Myosin V, die in Einzelmolekülexperimenten erfasst werden können.