Es wird das Software Framework JStatCom vorgestellt, welches die Enwicklung von leistungsfähigen grafischen Benutzerschnittstellen für Daten-basierte Analysemethoden wesentlich vereinfacht, wobei der Schwerpunkt auf Methoden der Ökonometrie, insbesondere der Zeitreihenanalyse liegt. Das Konzept besteht darin, sämtliche wiederkehrenden Aufgaben mit Hilfe von Java-Klassen zu lösen, sowie die Ausführung von speziellen Algorithmen an externe Programme, wie z.B. Gauss oder Matlab, zu delegieren. Auf diese Weise können schon existierende Prozeduren aus verschiedenen Programmiersprachen wiederverwendet werden. Weiterhin wird die ökonometrische Anwendungssoftware JMulTi beschrieben, die auf Basis dieses Frameworks erstellt wurde. / This work presents the software framework JStatCom which is geared towards the development of powerful graphical user interfaces for data based analysis methods, especially for econometrics and time series analysis. The concept is to solve all recurring tasks with the help of Java classes and to delegate the execution of special algorithms to external programs, for example Gauss or Matlab. This way it is possible to reuse already existing procedures written in different programming languages. Furthermore, the econometric software JMulTi will be presented which has been developed with the help of this framework.

Viele statistische Problemstellungen erfordern in der heutigen Zeit den Einsatz von Computern. Der von uns in dieser Dissertation vorgestellte Ansatz kombiniert die Fähigkeiten der statistischen Softwareumgebung XploRe, mit den Vorteilen einer verteilten Client/Server Anwendung und den Möglichkeiten, die sich durch das Internet eröffnen. Um den Client einer großen Gruppe von Anwendern zugänglich zu machen, wurde Java zu seiner Realisierung verwendet. Das Ergebnis ist ein Statistikpaket, nutzbar via World Wide Web, das wie ein herkömmliches statistisches Softwarepaket verwendet werden kann, ohne die Notwendigkeit, das gesamte Softwarepaket zu installieren. Die vorliegende Arbeit gibt einen Überblick über die notwendige Softwareumgebung und erläutert die generelle Struktur der XploRe Quantlet Client/Server Architektur. Die Arbeit zeigt außerdem Anwendungen, in die diese Architektur bereits integriert wurde. / In today’s world, many statistical questions require the use of computational assistance. Our approach, presented in this thesis, combines the possibilities of a powerful statistical software environment, with the advantages of distributed client/server applications, and the opportunities offered by the Internet. In order to offer the client access to a large community, the Java language is used to implement the client’s functionalities. The result is a statistical package - usable via the World Wide Web - that can be used like a traditional statistical software package, but without the need for installing the entire software package on the user’s computer. This thesis provides an overview of the desired software environment, and illustrates the general structure with the implementation of the XploRe Quantlet Client/Server architecture. It also shows applications, in which this architecture has already been integrated.

Vernetzte Standardarbeitsplatzrechner (sog. Cluster) sind eine attraktive Umgebung zur Ausf"uhrung paralleler Programme; f"ur einige Anwendungsgebiete bestehen jedoch noch immer ungel"oste Probleme. Ein solches Problem ist die Verl"asslichkeit und Rechtzeitigkeit der Programmausf"uhrung: In vielen Anwendungen ist es wichtig, sich auf die rechtzeitige Fertigstellung eines Programms verlassen zu k"onnen. Mechanismen zur Kombination dieser Eigenschaften f"ur parallele Programme in verteilten Rechenumgebungen sind das Hauptanliegen dieser Arbeit. Zur Behandlung dieses Anliegens ist eine gemeinsame Metrik f"ur Verl"asslichkeit und Rechtzeitigkeit notwendig. Eine solche Metrik ist die Responsivit"at, die f"ur die Bed"urfnisse dieser Arbeit verfeinert wird. Als Fallstudie werden Calypso und Charlotte, zwei Systeme zur parallelen Programmierung, im Hinblick auf Responsivit"at untersucht und auf mehreren Abstraktionsebenen werden Ansatzpunkte zur Verbesserung ihrer Responsivit"at identifiziert. L"osungen f"ur diese Ansatzpunkte werden zu allgemeineren Mechanismen f"ur (parallele) responsive Dienste erweitert. Im Einzelnen handelt es sich um 1. eine Analyse der Responsivit"at von Calypsos ``eager scheduling'' (ein Verfahren zur Lastbalancierung und Fehlermaskierung), 2. die Behebung eines ``single point of failure,'' zum einen durch eine Responsivit"atsanalyse von Checkpointing, zum anderen durch ein auf Standardschnittstellen basierendes System zur Replikation bestehender Software, 3. ein Verfahren zur garantierten Ressourcenzuteilung f"ur parallele Programme und 4.die Einbeziehung semantischer Information "uber das Kommunikationsmuster eines Programms in dessen Ausf"uhrung zur Verbesserung der Leistungsf"ahigkeit. Die vorgeschlagenen Mechanismen sind kombinierbar und f"ur den Einsatz in Standardsystemen geeignet. Analyse und Experimente zeigen, dass diese Mechanismen die Responsivit"at passender Anwendungen verbessern. / Clusters of standard workstations have been shown to be an attractive environment for parallel computing. However, there remain unsolved problems to make them suitable to some application scenarios. One of these problems is a dependable and timely program execution: There are many applications in which a program should be successfully completed at a predictable point of time. Mechanisms to combine the properties of both dependable and timely execution of parallel programs in distributed computing environments are the main objective of this dissertation. Addressing these properties requires a joint metric for dependability and timeliness. Responsiveness is such a metric; it is refined for the purposes of this work. As a case study, Calypso and Charlotte, two parallel programming systems, are analyzed and their shortcomings on several abstraction levels with regard to responsiveness are identified. Solutions for them are presented and generalized, resulting in widely applicable mechanisms for (parallel) responsive services. Specifically, these solutions are: 1) a responsiveness analysis of Calypso's eager scheduling (a mechanism for load balancing and fault masking), 2) ameliorating a single point of failure by a responsiveness analysis of checkpointing and by a standard interface-based system for replication of legacy software, 3) managing resources in a way suitable for parallel programs, and 4) using semantical information about the communication pattern of a program to improve its performance. All proposed mechanisms can be combined and are suitable for use in standard environments. It is shown by analysis and experiments that these mechanisms improve the responsiveness of eligible applications.

Partikelsimulationen repräsentieren eine Klasse von daten- und rechenintensiven Simulationsanwendungen, die in unterschiedlichen Bereichen der Wissenschaft und der industriellen Forschung zum Einsatz kommen. Der hohe Berechnungsaufwand der eingesetzten Lösungsmethoden und die großen Datenmengen, die zur Modellierung realistischer Probleme benötigt werden, machen die Nutzung paralleler Rechentechnik hierfür unverzichtbar. Parallelrechner mit verteiltem Speicher stellen dabei eine weit verbreitete Architektur dar, bei der eine Vielzahl an parallel arbeitenden Rechenknoten über ein Verbindungsnetzwerk miteinander Daten austauschen können. Die Berechnung von Wechselwirkungen zwischen Partikeln stellt oft den Hauptaufwand einer Partikelsimulation dar und wird mit Hilfe schneller Lösungsmethoden, wie dem Barnes-Hut-Algorithmus oder der Schnellen Multipolmethode, durchgeführt. Effiziente parallele Implementierungen dieser Algorithmen benötigen dabei eine Sortierung der Partikel nach ihren räumlichen Positionen. Die Sortierung ist sowohl notwendig, um einen effizienten Zugriff auf die Partikeldaten zu erhalten, als auch Teil von Optimierungen zur Erhöhung der Lokalität von Speicherzugriffen, zur Minimierung der Kommunikation und zur Verbesserung der Lastbalancierung paralleler Berechnungen. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung eines effizienten parallelen Sortierverfahrens und der dafür benötigten Kommunikationsoperationen zur Datenumverteilung in Partikelsimulationen. Hierzu werden eine Vielzahl existierender paralleler Sortierverfahren für verteilten Speicher analysiert und mit den Anforderungen von Seiten der Partikelsimulationsanwendungen verglichen. Besondere Herausforderungen ergeben sich dabei hinsichtlich der Aufteilung der Partikeldaten auf verteilten Speicher, der Gewichtung zu sortierender Daten zur verbesserten Lastbalancierung, dem Umgang mit doppelten Schlüsselwerten sowie der Verfügbarkeit und Nutzung speichereffizienter Kommunikationsoperationen. Um diese Anforderungen zu erfüllen, wird ein neues paralleles Sortierverfahren entwickelt und in die betrachteten Anwendungsprogramme integriert. Darüber hinaus wird ein neuer In-place-Algorithmus für der MPI_Alltoallv-Kommunikationsoperation vorgestellt, mit dem der Speicherverbrauch für die notwendige Datenumverteilung innerhalb der parallelen Sortierung deutlich reduziert werden kann. Das Verhalten aller entwickelten Verfahren wird jeweils isoliert und im praxisrelevanten Einsatz innerhalb verschiedener Anwendungsprogramme und unter Verwendung unterschiedlicher, insbesondere auch hochskalierbarer Parallelrechner untersucht.

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This thesis focuses on improving the SAT solving technology. The improvements focus on two major subjects: sequential SAT solving and parallel SAT solving. To better understand sequential SAT algorithms, the abstract reduction system Generic CDCL is introduced. With Generic CDCL, the soundness of solving techniques can be modeled. Next, the conflict driven clause learning algorithm is extended with the three techniques local look-ahead, local probing and all UIP learning that allow more global reasoning during search. These techniques improve the performance of the sequential SAT solver Riss. Then, the formula simplification techniques bounded variable addition, covered literal elimination and an advanced cardinality constraint extraction are introduced. By using these techniques, the reasoning of the overall SAT solving tool chain becomes stronger than plain resolution. When using these three techniques in the formula simplification tool Coprocessor before using Riss to solve a formula, the performance can be improved further. Due to the increasing number of cores in CPUs, the scalable parallel SAT solving approach iterative partitioning has been implemented in Pcasso for the multi-core architecture. Related work on parallel SAT solving has been studied to extract main ideas that can improve Pcasso. Besides parallel formula simplification with bounded variable elimination, the major extension is the extended clause sharing level based clause tagging, which builds the basis for conflict driven node killing. The latter allows to better identify unsatisfiable search space partitions. Another improvement is to combine scattering and look-ahead as a superior search space partitioning function. In combination with Coprocessor, the introduced extensions increase the performance of the parallel solver Pcasso. The implemented system turns out to be scalable for the multi-core architecture. Hence iterative partitioning is interesting for future parallel SAT solvers. The implemented solvers participated in international SAT competitions. In 2013 and 2014 Pcasso showed a good performance. Riss in combination with Copro- cessor won several first, second and third prices, including two Kurt-Gödel-Medals. Hence, the introduced algorithms improved modern SAT solving technology.

In this era of increasingly fast communication people are being exposed to quantitative information, from national and international sources, through a range of media including newspapers, magazines, television, radio, pod-casts, YouTube and other areas of the Internet. Contexts include health statistics, environmental issues, traffic statistics, wars, gun laws and so on. It is becoming more and more important that citizens are able to critically read and interpret this information, and to do so requires an understanding of statistical concepts. Research has shown that students are motivated and engaged in learning through the use of authentic, real life tasks. The media provides current information, which can be used to help develop both students’ awareness of how social issues are constructed as well as vital statistical concepts. This paper proposes that secondary school students\' application of a model for statistical analysis to material taken from media sources, enhances their understanding of statistical concepts. This model, called the Five Step Framework, is described and exemplified for the particular context of opinion polling.

There is a worldwide development, better to say a non-development: We teach paper & pencil skills in primary schools almost like we did 30 or 50 or 100 years ago. Till today the primary school teachers spend up to more than 100 hours in the class room to teach and to train old fashioned algorithms though in daily life situations and for business purposes everybody uses a calculator. Why do we waste so much time of our children to teach them things which later on they will not need? We see an emotional dichotomy. Despite the research results from many research projects in many countries there still is the fear that the use of calculators in primary grades will harm mental arithmetic and estimation skills. To explain and to overcome that fear we will reflect the nature of number sense and of paper&pencil skills more carefully. We realize that the development of number sense is an intuitive and unconscious mental process while the ability to get an exact calculation result is trained logically and consciously. To overcome the above dichotomy we must solve the hidden dichotomy number sense versus precise calculation result. We need a new balance. Different types of examples will be given how we can further the development of number sense in a technology dominated curriculum.

The broadcast function MPI_Bcast() from the MPI-1.1 standard is one of the most heavily used collective operations for the message passing programming paradigm. This diploma thesis makes use of a feature called "Multicast", which is supported by several network technologies (like Ethernet or InfiniBand), to create an efficient MPI_Bcast() implementation, especially for large communicators and small-sized messages. A preceding analysis of existing real-world applications leads to an algorithm which does not only perform well for synthetical benchmarks but also even better for a wide class of parallel applications. The finally derived broadcast has been implemented for the open source MPI library "Open MPI" using IP multicast. The achieved results prove that the new broadcast is usually always better than existing point-to-point implementations, as soon as the number of MPI processes exceeds the 8 node boundary. The performance gain reaches a factor of 4.9 on 342 nodes, because the new algorithm scales practically independently of the number of involved processes. / Die Broadcastfunktion MPI_Bcast() aus dem MPI-1.1 Standard ist eine der meistgenutzten kollektiven Kommunikationsoperationen des nachrichtenbasierten Programmierparadigmas. Diese Diplomarbeit nutzt die Multicastfähigkeit, die von mehreren Netzwerktechnologien (wie Ethernet oder InfiniBand) bereitgestellt wird, um eine effiziente MPI_Bcast() Implementation zu erschaffen, insbesondere für große Kommunikatoren und kleinere Nachrichtengrößen. Eine vorhergehende Analyse von existierenden parallelen Anwendungen führte dazu, dass der neue Algorithmus nicht nur bei synthetischen Benchmarks gut abschneidet, sondern sein Potential bei echten Anwendungen noch besser entfalten kann. Der letztendlich daraus entstandene Broadcast wurde für die Open-Source MPI Bibliothek "Open MPI" entwickelt und basiert auf IP Multicast. Die erreichten Ergebnisse belegen, dass der neue Broadcast üblicherweise immer besser als jegliche Punkt-zu-Punkt Implementierungen ist, sobald die Anzahl von MPI Prozessen die Grenze von 8 Knoten überschreitet. Der Geschwindigkeitszuwachs erreicht einen Faktor von 4,9 bei 342 Knoten, da der neue Algorithmus praktisch unabhängig von der Knotenzahl skaliert.

Partikelsimulationen repräsentieren eine Klasse von daten- und rechenintensiven Simulationsanwendungen, die in unterschiedlichen Bereichen der Wissenschaft und der industriellen Forschung zum Einsatz kommen. Der hohe Berechnungsaufwand der eingesetzten Lösungsmethoden und die großen Datenmengen, die zur Modellierung realistischer Probleme benötigt werden, machen die Nutzung paralleler Rechentechnik hierfür unverzichtbar. Parallelrechner mit verteiltem Speicher stellen dabei eine weit verbreitete Architektur dar, bei der eine Vielzahl an parallel arbeitenden Rechenknoten über ein Verbindungsnetzwerk miteinander Daten austauschen können. Die Berechnung von Wechselwirkungen zwischen Partikeln stellt oft den Hauptaufwand einer Partikelsimulation dar und wird mit Hilfe schneller Lösungsmethoden, wie dem Barnes-Hut-Algorithmus oder der Schnellen Multipolmethode, durchgeführt. Effiziente parallele Implementierungen dieser Algorithmen benötigen dabei eine Sortierung der Partikel nach ihren räumlichen Positionen. Die Sortierung ist sowohl notwendig, um einen effizienten Zugriff auf die Partikeldaten zu erhalten, als auch Teil von Optimierungen zur Erhöhung der Lokalität von Speicherzugriffen, zur Minimierung der Kommunikation und zur Verbesserung der Lastbalancierung paralleler Berechnungen. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung eines effizienten parallelen Sortierverfahrens und der dafür benötigten Kommunikationsoperationen zur Datenumverteilung in Partikelsimulationen. Hierzu werden eine Vielzahl existierender paralleler Sortierverfahren für verteilten Speicher analysiert und mit den Anforderungen von Seiten der Partikelsimulationsanwendungen verglichen. Besondere Herausforderungen ergeben sich dabei hinsichtlich der Aufteilung der Partikeldaten auf verteilten Speicher, der Gewichtung zu sortierender Daten zur verbesserten Lastbalancierung, dem Umgang mit doppelten Schlüsselwerten sowie der Verfügbarkeit und Nutzung speichereffizienter Kommunikationsoperationen. Um diese Anforderungen zu erfüllen, wird ein neues paralleles Sortierverfahren entwickelt und in die betrachteten Anwendungsprogramme integriert. Darüber hinaus wird ein neuer In-place-Algorithmus für der MPI_Alltoallv-Kommunikationsoperation vorgestellt, mit dem der Speicherverbrauch für die notwendige Datenumverteilung innerhalb der parallelen Sortierung deutlich reduziert werden kann. Das Verhalten aller entwickelten Verfahren wird jeweils isoliert und im praxisrelevanten Einsatz innerhalb verschiedener Anwendungsprogramme und unter Verwendung unterschiedlicher, insbesondere auch hochskalierbarer Parallelrechner untersucht.