@misc{BeimGrabenBlutner, author = {Beim Graben, Peter and Blutner, Reinhard}, title = {Quantum approaches to music cognition}, series = {Journal of Mathematical Psychology}, volume = {91}, journal = {Journal of Mathematical Psychology}, issn = {0022-2496}, doi = {10.1016/j.jmp.2019.03.002}, pages = {38 -- 50}, abstract = {Quantum cognition emerged as an important discipline of mathematical psychology during the last two decades. Using abstract analogies between mental phenomena and the formal framework of physical quantum theory, quantum cognition demonstrated its ability to resolve several puzzles from cognitive psychology. Until now, quantum cognition essentially exploited ideas from projective (Hilbert space) geometry, such as quantum probability or quantum similarity. However, many powerful tools provided by physical quantum theory, e.g., symmetry groups have not been utilized in the field of quantum cognition research sofar. Inspired by seminal work by Guerino Mazzola on the symmetries of tonal music, our study aims at elucidating and reconciling static and dynamic tonal attraction phenomena in music psychology within the quantum cognition framework. Based on the fundamental principles of octave equivalence, fifth similarity and transposition symmetry of tonal music that are reflected by the structure of the circle of fifths, we develop different wave function descriptions over this underlying tonal space. We present quantum models for static and dynamic tonal attraction and compare them with traditional computational models in musicology. Our approach replicates and also improves predictions based on symbolic models of music perception.}, language = {en} } @techreport{HuberRoemerMeyeretal., author = {Huber, Markus and R{\"o}mer, Ronald and Meyer, Werner and beim Graben, Peter and Wolff, Matthias}, title = {Struktur und Bedeutung-Theseus reloaded}, pages = {10}, abstract = {Bereits in der Fr{\"u}hphase der Kybernetik stellte C. E. Shannon ein Labyrinthexperiment zur Probleml{\"o}sung vor, das sich an der mythologischen Figur des Theseus orientierte. Seine L{\"o}sung kommt dabei ohne ein Bedeutungskonzept aus. Eine Problemanalyse aus psychologischer Sicht macht allerdings deutlich, dass bei diesem Experiment wesentliche kognitive Aspekte nicht ber{\"u}cksichtigt wurden. Um diese Aspekte herauszustellen, befassen wir uns kurz mit den mythologischen und historischen Hintergr{\"u}nden des Labyrinthproblems und erl{\"a}utern anschließend, warum wir {\"u}ber Shannons Modellvorstellungen hinausgehen m{\"u}ssen und Verfahren ben{\"o}tigen, mit denen wir zu semantischen Datentr{\"a}gern gelangen k{\"o}nnen. Zur Veranschaulichung unserer Methode modifizieren wir die Problemstellung, in dem wir "Theseus" die Befriedigung der Bed{\"u}rfnisse Hunger und Durst erm{\"o}glichen. Die Grundlage des Verfahrens ist die Festlegung von Zielmerkmalen und daran anschließend die Identifikation von l{\"o}sungsrelevanten Steuermerkmalen, welche "Theseus" zur Probleml{\"o}sung nutzen kann. Wir verwenden dabei den mathematischen Formalismus der Quantenmechanik, da er uns die Ableitung von semantischen Strukturen auf eine sehr elegante Weise erlaubt. Zun{\"a}chst exploriert "Theuseus" die Umgebung und erh{\"a}lt eine kompakte Repr{\"a}sentation in Form eines Weltvektors in einem Hilbertraum, der durch Tensorverkn{\"u}pfungen verschiedener Merkmalsr{\"a}ume entsteht. Die Kombination dieser Merkmalsr{\"a}ume f{\"u}hrt auf die mathematische Struktur eines Verbandes. Ausgehend vom gefundenen Weltvektor stellen wir ein Verfahren vor, mit dem "Theseus" Unterstrukturen des Verbandes bestimmen kann, welche semantischen Strukturen entsprechen und anschließend f{\"u}r die Probleml{\"o}sung verwendet werden k{\"o}nnen. Wir demonstrieren das Verfahren an verschiedenen Weltkonfigurationen. Den dabei abgeleiteten semantischen Strukturen kann man entnehmen, welche Merkmale ber{\"u}cksichtigt werden m{\"u}ssen, um die Zielmerkmale einer gegebenen Konfiguration manipulieren zu k{\"o}nnen.}, language = {de} } @inproceedings{BeimGrabenMeyerRoemeretal., author = {Beim Graben, Peter and Meyer, Werner and R{\"o}mer, Ronald and Wolff, Matthias}, title = {Bidirektionale Utterance-Meaning-Transducer f{\"u}r Zahlworte durch kompositionale minimalistische Grammatiken}, series = {Elektronische Sprachsignalverarbeitung 2019, Tagungsband der 30. Konferenz Dresden, 3.-8. M{\"a}rz 2019}, booktitle = {Elektronische Sprachsignalverarbeitung 2019, Tagungsband der 30. Konferenz Dresden, 3.-8. M{\"a}rz 2019}, editor = {Birkholz, Peter and Stone, Simon}, publisher = {TUDpress}, address = {Dresden}, isbn = {978-3-95908-157-3}, pages = {76 -- 82}, abstract = {Sprachgesteuerte Benutzerschnittstellen stehen oftmals vor der Aufgabe, physikalische Gr{\"o}ßenangaben und andere Zahlworte verstehen und {\"a}ußern zu m{\"u}ssen. Wir beschr{\"a}nken uns hier auf die sprachliche Produktion und das Verstehen von Zahlworten. Um nicht s{\"a}mtliche Zahlw{\"o}rter in einer Datenbank (dem mentalen Lexikon) vorhalten zu m{\"u}ssen, sollen morphologische Komposita durch eine geeignete Grammatik ableitbar sein. Wir kodieren sprachliche Zeichen als geordnete Tripel von Exponenten, syntaktischen Typen und Semantiken. Der syntaktische Typ wird durch eine minimalistische Grammatik (MG) beschrieben. F{\"u}r die Semantik verwenden wir den Lambda-Kalk{\"u}l der arithmetischen Termalgebra. Auf dem MG-Lexikon operieren syntaktische Erzeugungsfunktionen, die durch linguistische Inferenzregeln vorgegeben sind. Sprachproduktion und Sprachverstehen lassen sich dann durch einen bidirektionalen Utterance-Meaning-Transducer (UMT) beschreiben. Bei der Sprachproduktion gehen wir von einer semantischen Repr{\"a}sentation einer Zahl als arithmetische Termstruktur aus. Durch Datenbankabfrage wird daraus eine Zeichenfolge, welche die passenden Lexikon-Eintr{\"a}ge enth{\"a}lt. Daraus berechnet der UMT die Morphologie der {\"A}ußerung. Beim Sprachverstehen wird zur Eingabe die abgefragte Zeichenfolge auf dem Stack eines Priority-Queue-Parsers abgespeichert. Durch Anwendung der minimalistischen Inferenzregeln erzeugt der UMT dann schrittweise die semantische Termstruktur.}, language = {de} } @misc{BeimGrabenJimenezMarinDiezetal., author = {Beim Graben, Peter and Jimenez-Marin, Antonio and Diez, Ibai and Cortes, Jesus and Desroches, Mathieu and Rodrigues, Serafim}, title = {Metastable resting state brain dynamics}, series = {Frontiers in Computational Neuroscience}, volume = {13}, journal = {Frontiers in Computational Neuroscience}, doi = {10.3389/fncom.2019.00062}, pages = {13}, abstract = {Metastability refers to the fact that the state of a dynamical system spends a large amount of time in a restricted region of its available phase space before a transition takes place, bringing the system into another state from where it might recur into the previous one. beim Graben and Hutt (2013) suggested to use the recurrence plot (RP) technique introduced by Eckmann et al. (1987) for the segmentation of system's trajectories into metastable states using recurrence grammars. Here, we apply this recurrence structure analysis (RSA) for the first time to resting-state brain dynamics obtained from functional magnetic resonance imaging (fMRI). Brain regions are defined according to the brain hierarchical atlas (BHA) developed by Diez et al. (2015), and as a consequence, regions present high-connectivity in both structure (obtained from diffusion tensor imaging) and function (from the blood-level dependent-oxygenation—BOLD—signal). Remarkably, regions observed by Diez et al. were completely time-invariant. Here, in order to compare this static picture with the metastable systems dynamics obtained from the RSA segmentation, we determine the number of metastable states as a measure of complexity for all subjects and for region numbers varying from 3 to 100. We find RSA convergence toward an optimal segmentation of 40 metastable states for normalized BOLD signals, averaged over BHA modules. Next, we build a bistable dynamics at population level by pooling 30 subjects after Hausdorff clustering. In link with this finding, we reflect on the different modeling frameworks that can allow for such scenarios: heteroclinic dynamics, dynamics with riddled basins of attraction, multiple-timescale dynamics. Finally, we characterize the metastable states both functionally and structurally, using templates for resting state networks (RSNs) and the automated anatomical labeling (AAL) atlas, respectively.}, language = {en} } @misc{RoemerBeimGrabenWolff, author = {R{\"o}mer, Ronald and Beim Graben, Peter and Wolff, Matthias}, title = {Entscheidungstheoretische Modellierung der konsummatorischen Endhandlung - Vergleich von klassischen und quantenmechanischen Ans{\"a}tzen}, series = {Elektronische Sprachsignalverarbeitung 2019, Tagungsband der 30. Konferenz Dresden, 6.-8. M{\"a}rz 2019}, journal = {Elektronische Sprachsignalverarbeitung 2019, Tagungsband der 30. Konferenz Dresden, 6.-8. M{\"a}rz 2019}, editor = {Birkholz, Peter and Stone, Simon}, edition = {1. Auflage}, publisher = {TUDpress}, address = {Dresden}, isbn = {978-3-959081-57-3}, pages = {186 -- 196}, abstract = {Ein wesentlicher Bestandteil kognitiver - und damit auch sprach-verarbeitender - Agentensysteme ist die Verhaltenssteuerung. Eine ihrer wichtigsten Aufgaben besteht darin, Entscheidungsprobleme, die in der Auseinandersetzung mit der physischen Umgebung eines Agenten auftreten, rational zu l{\"o}sen. Zun{\"a}chst diskutieren wir die klassischen, nutzenbasierten Entscheidungsmodelle f{\"u}r sequentielle- und episodische Umgebungen am Beispiel des Mouse-Maze-Problems. Zu letzteren geh{\"o}ren die sogenannten konsummatorischen Endhandlungen, sie stehen im Mittelpunkt dieser Arbeit. Weil sich Entscheidungen bei Endhandlungen final auf die Lebensdauer des Agenten auswirken k{\"o}nnen, d{\"u}rfen Fehlleistungen und T{\"a}uschungen nur {\"a}ußerst selten auftreten. Aus diesem Grund stellen wir der rationalen Methode die psychologische Methode entgegen, die zus{\"a}tzlich auf der Einf{\"u}hrung von semantischen Kategorien beruht. Die daf{\"u}r ben{\"o}tigten semantischen Repr{\"a}sentationen modellieren wir nach einem quantenmechanischen Formalismus. Daraus leitet sich die zentrale Fragestellung dieser Arbeitab: Bietet die quantenmechanische Perspektive einen Mehrwert bei der Modellierung der konsummatorischen Endhandlung und l{\"a}sst sich dieser Formalismus inden Perzeptions-Aktionszyklus (PAC) eines kognitiven Agenten einbetten.}, language = {de} } @misc{RoemerbeimGrabenHuberetal., author = {R{\"o}mer, Ronald and beim Graben, Peter and Huber, Markus and Wolff, Matthias and Wirsching, G{\"u}nther and Schmitt, Ingo}, title = {Behavioral Control of Cognitive Agents Using Database Semantics and Minimalist Grammars}, series = {Proceedings 10th IEEE International Conference on Cognitive Infocommunications, CogInfoCom 2019, Oct. 23-25}, journal = {Proceedings 10th IEEE International Conference on Cognitive Infocommunications, CogInfoCom 2019, Oct. 23-25}, address = {Naples, Italy}, isbn = {978-1-7281-4793-2}, issn = {2380-7350}, doi = {10.1109/CogInfoCom47531.2019.9089947}, pages = {73 -- 78}, language = {en} } @misc{BeimGrabenRoemerMeyeretal., author = {Beim Graben, Peter and R{\"o}mer, Ronald and Meyer, Werner and Huber, Markus and Wolff, Matthias}, title = {Reinforcement learning of minimalist numeral grammars}, series = {10th IEEE International Conference on Cognitive Infocommunications (CogInfoCom), Naples, Italy}, journal = {10th IEEE International Conference on Cognitive Infocommunications (CogInfoCom), Naples, Italy}, isbn = {978-1-7281-4793-2}, issn = {2380-7350}, doi = {10.1109/CogInfoCom47531.2019.9089924}, pages = {13}, abstract = {Speech-controlled user interfaces facilitate the operation of devices and household functions to laymen. State-of-the-art language technology scans the acoustically analyzed speech signal for relevant keywords that are subsequently inserted into semantic slots to interpret the user's intent. In order to develop proper cognitive information and communication technologies, simple slot-filling should be replaced by utterance meaning transducers (UMT) that are based on semantic parsers and a mental lexicon, comprising syntactic, phonetic and semantic features of the language under consideration. This lexicon must be acquired by a cognitive agent during interaction with its users. We outline a reinforcement learning algorithm for the acquisition of the syntactic morphology and arithmetic semantics of English numerals, based on minimalist grammar (MG), a recent computational implementation of generative linguistics. Number words are presented to the agent by a teacher in form of utterance meaning pairs (UMP) where the meanings are encoded as arithmetic terms. Since MG encodes universal linguistic competence through inference rules, thereby separating innate linguistic knowledge from the contingently acquired lexicon, our approach unifies generative grammar and reinforcement learning, hence potentially resolving the still pending Chomsky-Skinner controversy.}, language = {en} }