Doctor of Philosophy / Department of Computing and Information Sciences / William Henry Hsu / Topic models are probabilistic models for discovering topical themes in collections of documents. In real world applications, these models provide us with the means of organizing what would otherwise be unstructured collections. They can help us cluster a huge collection into different topics or find a subset of the collection that resembles the topical theme found in an article at hand. The first wave of topic models developed were able to discover the prevailing topics in a big collection of documents spanning a period of time. It was later realized that these time-invariant models were not capable of modeling 1) the time varying number of topics they discover and 2) the time changing structure of these topics. Few models were developed to address this two deficiencies. The online-hierarchical Dirichlet process models the documents with a time varying number of topics. It varies the structure of the topics over time as well. However, it relies on document order, not timestamps to evolve the model over time. The continuous-time dynamic topic model evolves topic structure in continuous-time. However, it uses a fixed number of topics over time. In this dissertation, I present a model, the continuous-time infinite dynamic topic model, that combines the advantages of these two models 1) the online-hierarchical Dirichlet process, and 2) the continuous-time dynamic topic model. More specifically, the model I present is a probabilistic topic model that does the following: 1) it changes the number of topics over continuous time, and 2) it changes the topic structure over continuous-time. I compared the model I developed with the two other models with different setting values. The results obtained were favorable to my model and showed the need for having a model that has a continuous-time varying number of topics and topic structure.

The importance of simultaneous consideration of forms and functions in youth measures of aggressive behavior is well established. Competing models have presented these highly interrelated constructs as either independent (e.g., reactive or overt) or paired factors (e.g., reactive and overt). The current study examines these models in the context of assessing the viability of a new self-report measure, the Peer Conflict Scale – 20 Item Version. Confirmatory factor analyses were conducted on PCS 20 responses from 1,048 school-age youth living in the Gulf Coast region. Both models significantly improved upon one or two-factor alternatives, and demonstrated partial invariance across gender and grade. The models showed comparable levels of fit to the data, though some loadings for the independent factors model were non-significant. Results encourage use of the PCS 20 across research settings and developmental contexts, while also demonstrating the viability of a paired factors model of aggression.

Desenvolvemos dois modelos estatísticos para água, nos quais diferentes aspectos de sua estrutura são considerados. O modelo geométrico permite diferentes números de coordenação. Em uma aproximação de campo médio mostramos que sob pressão o modelo apresenta linha de coexistência entre fases de baixa e alta densidade, e ponto crítico. A entropia das ligações de hidrogênio tem papel fundamental na definição da inclinação da linha de coexistência. O comportamento do modelo pode estar realcionado como segundo ponto crítico da água super resfriada e com transições líquido-líquido em geral.O modelo da água quadrada é uma versão térmica do modelo do gelo, no qual considera-se a direcionalidade das ligações de hidrogênio. O modelo foi estudado na rede de Bethe e através de simulações de Monte Carlo em três situações diferentes: para a água pura e na presença de solutos polares e apolares. A água quadrada pura não apresenta transição de fase. No modelo para solvente com solutos apolares, medidas de frequência relativa de ligações e do tempo de correlação mostram que o modelo apresenta estruturação da camada de hidratação. Medidas de correlação temporal no modelo de Ising mostram comportamento oposto. Em um estudo preliminar para uma solução com solutos que realizam ligações de hidrogênio não conseguimos encontrar diagramas de coexistência com círculo fechado, para o conjunto de parâmetros utilizados, possivelmente devido à ausência de buracos. / We have developed two statistical models for water in which different features of water structure are considered. In the geometrical model different coordination numbers are present and the model allows for translational disorder. A mean-field treatment shows that under pressure the model exhibits phases of different densities and a coexistence line ending in a critical point. Entropy of the hydrogen network plays an essential role in defining the slope of the coexistence line. The model behavior might be related with the second critical point in supercooled water and to liquid-liquid transitions in general. The square water model is a thermal version of the ice model, and takes into account the directionality of the hydrogen bonds. The model was studied on a Bethe lattice and through Monte Carlo simulations, for three different situations: as pure water and in the presence of polar and apolar solutes. Pure square water does not present a phase transition. In the presence of apolar solutes, first shell square water presents ordering, as shown from comparison of relative frequency of bonds, as well as from study of time correlations. The latter was shown to present opposite behavior in case of an Ising system. In a preliminary study for a solution of hydrogen bonding solutes we were unable to find a closed loop for the sets of parameters chosen. Vacancies might need to be included.

In dieser Arbeit behandeln wir exakte, nicht-perturbative Ergebnisse, die mithilfe der superkonformen Index-Technik, in supersymmetrischen Eichtheorien mit vier Superladungen (d. h. N=1 Supersymmetrie in vier Dimensionen und N=2 in drei Dimensionen) gewonnen wurden. Wir benutzen die superkonforme Index-Technik um mehrere Dualitäts Vermutungen in supersymmetrischen Eichtheorien zu testen. Wir führen Tests der dreidimensionalen Spiegelsymmetrie und Seiberg ähnlicher Dualitäten durch. Das Ziel dieser Promotionsarbeit ist es moderne Fortschritte in nicht-perturbativen supersymmetrischen Eichtheorien und ihre Beziehung zu mathematischer Physik darzustellen. Im Speziellen diskutieren wir einige interessante Identitäten der Integrale, denen einfache und hypergeometrische Funktionen genügen und ihren Bezug zu supersymmetrischen Dualitäten in drei und vier Dimensionen. Methoden der exakten Berechnungen in supersymmertischen Eichtheorien sind auch auf integrierbare statistische Modelle anwendbar. Dies wird im letzten Kapitel der vorliegenden Arbeit behandelt. / In this thesis we discuss exact, non-perturbative results achieved using superconformal index technique in supersymmetric gauge theories with four supercharges (which is N = 1 supersymmetry in four dimensions and N = 2 supersymmetry in three). We use the superconformal index technique to test several duality conjectures for supersymmetric gauge theories. We perform tests of three-dimensional mirror symmetry and Seiberg-like dualities. The purpose of this thesis is to present recent progress in non-perturbative supersymmetric gauge theories in relation to mathematical physics. In particular, we discuss some interesting integral identities satisfied by basic and elliptic hypergeometric functions and their relation to supersymmetric dualities in three and four dimensions. Methods of exact computations in supersymmetric theories are also applicable to integrable statistical models, which we discuss in the last chapter of the thesis.

Este trabalho aborda o problema de modelagem de séries de vazões afluentes aos aproveitamentos hidrelétricos. A previsão de vazão natural fluvial é realizada semanalmente para 158 usinas hidrelétricas do Sistema Interligado Nacional (SIN), pois trata-se de insumo fundamental para o planejamento e operação do sistema elétrico brasileiro. Diversos modelos são utilizados na determinação destas previsões, entre os quais podem ser citados os modelos físicos, os estatísticos e aqueles que aplicam sistemas inteligentes. Apesar de contínuos aprimoramentos terem sido incorporados ao processo de previsão de vazão, existem alguns aproveitamentos hidrelétricos para os quais os resultados de estimação têm apresentado grandes desvios. Neste contexto, com a motivação de se obter uma resposta acurada, investigam-se os sistemas fuzzy como modelos concorrentes aplicados à previsão de vazões semanais. O objetivo do trabalho é reduzir os erros de estimação para uma usina piloto, incorporando à previsão de vazão os dados de precipitação. Para a construção da série histórica de precipitação média da bacia hidrográfica, fez-se uma exaustiva pesquisa por estações pluviométricas, seguida por tratamento de dados de medição e método de interpolação. Ao final do trabalho, é apresentada uma análise comparativa entre os resultados obtidos com o Modelo Autorregressivo Periódico (PAR) e o sistema de inferência fuzzy. Com base no desempenho observado, superior ao modelo autorregressivo, comprova-se a adequação do modelo proposto para a modelagem do processo hidrológico. / This work addresses the modelling problem of hydropower plants reservoir streamflow series. The natural streamflow forecasting for 157 hydroelectric power plants of the National Interconnected System - NIS is updated on a weekly basis, which is an essential input for the planning and operation of the Brazilian Electric Power System. Several models are used to determine this prediction, such as physicals, statisticals and the ones that use intelligent systems. Despite the improvements to natural streamflow forecasting, substantial deviation has been found for the expected results of some hydropower plants. Highlighted the importance of this variable, fuzzy systems applied to weekly streamflows forecasts will be investigated as alternative models, in order to obtain better results. The purpose of this work is to reduce the estimation errors for a pilot hydropower plant, incorporating precipitation data into the forecast. Therefore, an exhaustive research to acquire data from hydrometeorological stations was conducted. After being treated, a variable selection method was applied to the data, defining the most relevant input variables for the prediction model. At the end, a comparative analysis shows that the fuzzy model presents a better performance than the periodic autoregressive model used by ONS to plan the operation of the electric power system.

Este trabalho aborda o problema de modelagem de séries de vazões afluentes aos aproveitamentos hidrelétricos. A previsão de vazão natural fluvial é realizada semanalmente para 158 usinas hidrelétricas do Sistema Interligado Nacional (SIN), pois trata-se de insumo fundamental para o planejamento e operação do sistema elétrico brasileiro. Diversos modelos são utilizados na determinação destas previsões, entre os quais podem ser citados os modelos físicos, os estatísticos e aqueles que aplicam sistemas inteligentes. Apesar de contínuos aprimoramentos terem sido incorporados ao processo de previsão de vazão, existem alguns aproveitamentos hidrelétricos para os quais os resultados de estimação têm apresentado grandes desvios. Neste contexto, com a motivação de se obter uma resposta acurada, investigam-se os sistemas fuzzy como modelos concorrentes aplicados à previsão de vazões semanais. O objetivo do trabalho é reduzir os erros de estimação para uma usina piloto, incorporando à previsão de vazão os dados de precipitação. Para a construção da série histórica de precipitação média da bacia hidrográfica, fez-se uma exaustiva pesquisa por estações pluviométricas, seguida por tratamento de dados de medição e método de interpolação. Ao final do trabalho, é apresentada uma análise comparativa entre os resultados obtidos com o Modelo Autorregressivo Periódico (PAR) e o sistema de inferência fuzzy. Com base no desempenho observado, superior ao modelo autorregressivo, comprova-se a adequação do modelo proposto para a modelagem do processo hidrológico. / This work addresses the modelling problem of hydropower plants reservoir streamflow series. The natural streamflow forecasting for 157 hydroelectric power plants of the National Interconnected System - NIS is updated on a weekly basis, which is an essential input for the planning and operation of the Brazilian Electric Power System. Several models are used to determine this prediction, such as physicals, statisticals and the ones that use intelligent systems. Despite the improvements to natural streamflow forecasting, substantial deviation has been found for the expected results of some hydropower plants. Highlighted the importance of this variable, fuzzy systems applied to weekly streamflows forecasts will be investigated as alternative models, in order to obtain better results. The purpose of this work is to reduce the estimation errors for a pilot hydropower plant, incorporating precipitation data into the forecast. Therefore, an exhaustive research to acquire data from hydrometeorological stations was conducted. After being treated, a variable selection method was applied to the data, defining the most relevant input variables for the prediction model. At the end, a comparative analysis shows that the fuzzy model presents a better performance than the periodic autoregressive model used by ONS to plan the operation of the electric power system.

Introdução: O WHOQOL-Bref, a versão abreviada da medida genérica de qualidade de vida (QV) desenvolvida pela Organização Mundial da Saúde, foi desenvolvida simultaneamente em várias culturas e línguas sob a base da Teoria Clássica em psicometria. Este é composto por 26 itens que formam quatro domínios: físico, psicológico, social e ambiental. Uma vez que este pode ser considerado uma medida de QV subjetiva, alguns autores sugerem que a influência da sintomatologia depressiva no escore de QV possa ser verificada. Ademais, está bem adequado para examinar a influência da cultura na QV, mas sua validade transcultural em pacientes deprimidos continua não estudada. QV e depressão têm uma complexa relação conceitual. Até onde nós sabemos, não existe nenhum estudo avaliando a potencial sobreposição entre as medidas de QV e depressão utilizando dados transculturais. O “Longitudinal Investigation of Depression Outcomes” (LIDO) foi um estudo multi-cêntrico e transnacional, observacional que acompanhou pacientes com transtorno depressivo em serviços de cuidados primários por 12 meses em 6 países. Potencialmente, os dados do LIDO nos permitem testar empiricamente a relação entre as medidas de depressão e de QV. O modelo de Rasch, uma técnica estatística moderna, tem sido visto como uma diretriz que coloca em operação os axiomas das medidas aditivas. Este modelo apresenta uma série de análises para obter uma variável com uma estrutura aditiva, e, portanto, adequada para ser medida em nível intervalar. Também, é capaz de acessar a invariância transcultural de uma medida. Objetivos: O objetivo principal de nosso estudo é avaliar as propriedades de medida do WHOQOL-Bref usando a análise de Rasch de seus domínios e itens em pacientes deprimidos de serviços de cuidados primários de diferentes países. Os objetivos secundários são: verificar se os itens do WHOQOLBref são invariantes entre os pacientes que têm um episódio depressivo atual, testar a invariância das medidas dos itens num contexto transcultural, e verificar a validade da versão brasileira do WHOQOL-Bref em adultos com depressão maior usando a análise de Rasch. Esta tese é composta por quatro estudos. O primeiro estudo (estudo 1) é um artigo de revisão que tem como objetivo apresentar as bases do modelo de Rasch, usando o exemplo prático de uma escala de depressão. O segundo (estudo 2) apresenta a avaliação da invariância dos itens do WHOQOLBref entre pacientes deprimidos e não deprimidos. O terceiro (estudo 3) enfoca nas propriedades de medida e na avaliação transcultural dos itens do WHOQOL-Bref e o quarto (estudo 4) é sobre a versão brasileira desta medida. Métodos: Sujeitos: Para o estudo 2, a amostra consistiu de 2359 sujeitos, dos quais 1193 tinham o diagnóstico confirmado de episódio depressivo atual e eram provenientes de seis países (Austrália, Brasil, Israel, Rússia, Espanha, e EUA) incluídos na avaliação basal do LIDO. Estes mesmos 1193 pacientes deprimidos fizeram parte da amostra do estudo 3. O estudo 4 incluiu os 208 pacientes deprimidos da amostra brasileira. Medidas: Nós utilizamos os seguintes instrumentos de medida: a Center for Epidemiological Studies Depression Scale (CES-D) para avaliar a severidade da depressão; o World Health Organization Quality of Life Instrument – versão abreviada (WHOQOL-Bref) como medida genérica de QV; e o Composite International Diagnostic Interview (CIDI), versão 2.1 para o diagnóstico de depressão. Análise Estatística: Estudo 2: A análise de Rasch foi utilizada para ver se os itens que exibiriam funcionamento diferencial (DIF), como uma maneira de acessar a invariância em relação ao fator depressão definido como o diagnóstico de depressão usando o CIDI. Estudos 3 e 4: Uma análise de Rasch completa foi realizada para acessar as propriedades de medida dos domínios e dos itens do WHOQOL-Bref. As análises dos DIF foram feitas para verificar os vieses de idade, gênero e a invariância transcultural. Resultados: Estudo 2: Onze dos 26 itens do WHOQOL-Bref apresentaram DIF devido ao fator depressão e o domínio físico foi o que apresentou mais itens com DIF. Estudo 3: Os domínios físico, psicológico e ambiental necessitaram de ajustes para se adequar ao modelo de Rasch, principalmente devido à inadequação de itens individualmente ou DIF devido à idade. O domínio social manteve as suas fracas propriedades psicométricas demonstradas em estudos prévios. Apenas cinco itens foram totalmente invariantes entre os países, mas os vieses entre os outros itens desapareceram quando analisado juntos, indicando um cancelamento deste efeito. Estudo 4: Após usar a análise de Rasch na amostra brasileira, os 4 domínios do WHOQOL-Bref demonstraram medidas apropriadas de adequação ao modelo. Alguns itens necessitaram ajustes: 4 itens mudaram de escores (‘dor’; ‘finanças’, ‘serviços’ e ‘transporte’), 2 itens (‘trabalho’ e ‘atividade’) apresentaram dependência local nas respostas, e 1 item foi excluído (’sono’), mostrando multidimensionalidade. Conclusões: Nossos achados indicam que a maioria dos itens do WHOQOL-Bref não apresentam DIF para a ocorrência de um episodio atual de depressão maior e a variância associada com a depressão com esta medida genérica de QV é restrita a algumas facetas. Portanto, nós recomendamos este ajuste restrito em futuras análises desta medida para pacientes deprimidos. Também, nossos resultados demonstram que os domínios do WHOQOL-Bref com alguns ajustes apresentam propriedades de Rasch no contexto transcultural de seis países. Finalmente, após sofrer ajustes pela análise de Rasch, o WHOQOL-Bref parece ser um instrumento psicometricamente válido para avaliar a QV de pacientes brasileiros de um serviço de cuidados primários. / Backgound: The WHOQOL-Bref, the abbreviated generic measure of quality of life (QOL) developed by the World Health Organization, was developed simultaneously in several cultures and languages under the framework of Classical Test Theory. It has 26 items covering four domains: Physical, Psychological, Social Relationships and Environment. Since it can be considered a measure of subjective QOL, some authors have suggested that its assessment should be checked for the influence of depressive symptomatology on the QOL score. Moreover, it is well placed to examine the influence of culture on QOL, but its cross-cultural validity in depressed individuals remains unstudied. Quality of life and depression have a complex conceptual relationship. To our knowledge, there is no study addressing the potential overlap of QOL and depression measuring using a cross-cultural database. The Longitudinal Investigation of Depression Outcomes (LIDO) study was a multicenter, cross-national observational study that followed patients with depressive disorders in primary care settings for 12 months in six countries. Potentially, the LIDO database allows us to test empirically the relationship between depression and QOL measurement. The Rasch model, a modern statistical tecnique, is seen as a template which puts into operation the axioms of additive conjoint measurement. This model presents a set of analyses to obtain a variable with additive structure and, hence is suitable to be measured on an interval scale. Also, this abble to assess the cultural invariance of a measure. Objectives: The main purpose of our study is to look at the measurement properties of the WHOQOL-Bref using Rasch analysis of the domains and items of WHOQOL-Bref) in depressed patients from primary care services from different countries. Secondary puposes are: to verify whether the items of the WHOQOL-Bref are invariant among patients having a current major depressive episode, to test the invariance of item measures in cross-cultural settings, and to assess the validity of the Brazilian version of WHOQOL-Bref in adults with major depression using the Rasch analysis. This thesis is composed by four studies. The first study is a review article aiming at presenting the basical features of the Rasch model using a pratical example of a depression scale. The second study (study 2) presents an evaluation of the invariance of the WHOQOL-Bref items between depressed and non depressed patients. The third study (study 3) focus on the mesurement properties and the crosscultural evaluation of the items of the WHOQOL-Bref and the fourth study (study 4) is on the Brazilian version of this measure. Methods: Subjects: In the study 2, the sample consisted of 2,359 subjects, of which 1,193 had a confirmed diagnosis of a current major depressive episode from six countries (Australia, Brazil, Israel, Russia, Spain, and the USA) involved in the baseline assessment of the LIDO study. These same 1,193 major depressed patients consisted the sample of the study 3. Study 4 had 208 major depressed patients from Brazilian sample. Measures: We used the following measurement instruments: the Center for Epidemiological Studies Depression Scale (CES-D) to assess severity of depression; the World Health Organization Quality of Life Instrument - Abbreviated version (WHOQOL-Bref) was used as a generic quality of life (QOL) instrument; and the Composite International Diagnostic Interview (CIDI), version 2.1 for the diagnosis of depression. Analysis: Study 2: The Rasch anlysis was used to look at items exhibiting differential item functioning (DIF) as a way of assessing invariance in relation to a depression factor defined by the diagnosis of depression using the Composite International Diagnostic Interview (CIDI). Study 3 and 4: A complete Rasch analysis was run to assess measurement properties of the WHOQOL-Bref domains and items. DIF analysis was made to verify bias by age, gender and cross-cultural invariance. Results: Study 2: Eleven out of the 26 items of the WHOQOL-Bref showed DIF due to the depression factor and the Physical domain presented more items displaying DIF. Study 3: The Physical, Psychological and Environment domains of the WHOQOL-Bref required adjustments to conform to the Rasch model expectations, mainly because of individual item misfit, or Differential Item Functioning (DIF) due to age. The Social domain maintained its poor psychometric properties evidenced by previous studies. Only five items were totally invariant across countries, but the bias of other items disappeared when pooled, indicating cancellation effects. Study 4: After using Rasch analysis, the 4 domains of WHOQOL-Bref showed appropriate fit to this model. Some items needed adjustments: 4 items were rescored (‘Pain’; ‘Finances’, ‘Services’ and ‘Transport’), 2 items (‘Work’ and ‘Activity’) identified they have dependency of responses, and 1 item was deleted (’Sleep’), showing multidimensionality. Conclusions: Our findings indicate that the majority of WHOQOL-Bref items do not exhibit DIF for a current major depressive episode and the variance associated with depression in this generic QOL measure is restricted to some facets of this construct. Thus, we recommend this restricted adjustment for depression in future analyses of this measure. Also, our results support the Rasch properties of the domains of the WHOQOL-Bref, with some modification, as a measure of generic subjective QOL in the context of primary care depressed patients in six countries worldwide. Finally, the WHOQOL-Bref, after Rasch adjustments, seems to be a psychometrically valid instrument that it is suitable for evaluating the QOL of Brazilian depressed outpatients from primary care setting.

Title: Interactive Processing of Volumetric Data Author: Jan Kolomazník Department: Department of Software and Computer Science Education Supervisor: RNDr. Josef Pelikán, Department of Software and Computer Science Education Abstract: Interactive visualization and segmentation of volumetric data are quite lim- ited due to the increased complexity of the task and size of the input data in comparison to two-dimensional processing. A special interactive segmentation workflow is presented, based on minimal graph-cut search. The overall execution time was lowered by implementing all the computational steps on GPU, which required a design of massively parallel algorithms (using thousands of threads). To lower the computational burden even further the graph is constructed over the image subregions com- puted by parallel watershed transformation. As a suitable formalism for a range of massively parallel algorithms was chosen cellular automata. A set of cellular automata extensions was defined, which allows efficient mapping and computation on GPU. Several variants of parallel watershed transformation are then defined in the form of cellular automaton. A novel form of 2D transfer function was presented, to improve direct volume visualization of the input data, suited for discriminating image features by their shape and...

Parameter estimation techniques have been successfully and extensively applied to deterministic models based on ordinary differential equations but are in early development for stochastic models. In this thesis, we first investigate using parameter estimation techniques for a deterministic model to approximate parameters in a corresponding stochastic model. The basis behind this approach lies in the Kurtz limit theorem which implies that for large populations, the realizations of the stochastic model converge to the deterministic model. We show for two example models that this approach often fails to estimate parameters well when the population size is small. We then develop a new method, the MCR method, which is unique to stochastic models and provides significantly better estimates and smaller confidence intervals for parameter values. Initial analysis of the new MCR method indicates that this method might be a viable method for parameter estimation for continuous time Markov chain models.

The evolution of big data has led to financial time series becoming increasingly complex, noisy, non-stationary and nonlinear. Takens theorem can be used to analyze and forecast nonlinear time series, but even small amounts of noise can hopelessly corrupt a Takens approach. In contrast, Singular Spectrum Analysis is an excellent tool for both forecasting and noise reduction. Fortunately, it is possible to combine the Takens approach with Singular Spectrum analysis (SSA), and in fact, estimation of key parameters in Takens theorem is performed with Singular Spectrum Analysis. In this thesis, we combine the denoising abilities of SSA with the Takens theorem approach to make the manifold reconstruction outcomes of Takens theorem less sensitive to noise. In particular, in the course of performing the SSA on a noisy time series, we branch of into a Takens theorem approach. We apply this approach to a variety of noisy time series.