68-XX COMPUTER SCIENCE (For papers involving machine computations and programs in a specific mathematical area, see Section -04 in that area)
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Time series classification mimics the human understanding of similarity. When it comes to larger datasets, state of the art classifiers reach their limits in terms of unreasonable training or testing times. One representative example is the 1-nearest-neighbor DTW classifier (1-NN DTW) that is commonly used as the benchmark to compare to and has several shortcomings: it has a quadratic time and it degenerates in the presence of noise. To reduce the computational complexity lower bounding techniques or recently a nearest centroid classifier have been introduced. Still, execution times to classify moderately sized datasets on a single core are in the order of hours. We present our Bag-Of-SFA-Symbols in Vector Space (BOSS VS) classifier that is robust and accurate due to invariance to noise, phase shifts, offsets, amplitudes and occlusions. We show that it is as accurate while being multiple orders of magnitude faster than state of the art classifiers. Using the BOSS VS allows for mining massive time series datasets and real-time analytics.
We propose a novel optimization model for resource assignment in heterogeneous wireless network. The model adopts two objective functions maximizing the number of served users and the minimum granted utility at once. A distinctive feature of our new model is to consider two consecutive time slots, in order to include handover as an additional decision dimension.
Furthermore, the solution algorithm that we propose refines a heuristic solution approach recently proposed in literature, by considering a real joint optimization of the considered resources. The simulation study shows that the new model leads to a significant reduction in handover frequency, when compared to a traditional scheme based on maximum SNR.
SCIP-JACK is a customized, branch-and-cut based solver for Steiner tree and related problems. ug [SCIP-JACK, MPI] extends SCIP-JACK to a massively par- allel solver by using the Ubiquity Generator (UG) framework. ug [SCIP-JACK, MPI] was the only solver that could run on a distributed environment at the (latest) 11th DIMACS Challenge in 2014. Furthermore, it could solve three well-known open instances and updated 14 best known solutions to instances from the bench- mark libary STEINLIB. After the DIMACS Challenge, SCIP-JACK has been con- siderably improved. However, the improvements were not reflected on ug [SCIP- JACK, MPI]. This paper describes an updated version of ug [SCIP-JACK, MPI], especially branching on constrains and a customized racing ramp-up. Furthermore, the different stages of the solution process on a supercomputer are described in detail. We also show the latest results on open instances from the STEINLIB.
Calculation of clinch and elimination numbers for sports leagues with multiple tiebreaking criteria
(2018)
The clinch (elimination) number is a minimal number of future wins (losses) needed to clinch (to be eliminated from) a specified place in a sports league. Several optimization models and computational results are shown in this paper for calculating clinch and elimination numbers in the presence of predefined multiple tiebreaking criteria. The main subject of this paper is to provide a general algorithmic framework based on integer programming with utilizing possibly multilayered upper and lower bounds.
Lattice problems are a class of optimization problems that are notably hard. There are no classical or quantum algorithms known to solve these problems efficiently. Their hardness has made lattices a major cryptographic primitive for post-quantum cryptography. Several different approaches have been used for lattice problems with different computational profiles; some suffer from super-exponential time, and others require exponential space. This motivated us to develop a novel lattice problem solver, CMAP-LAP, based on the clever coordination of different algorithms that run massively in parallel. With our flexible framework, heterogeneous modules run asynchronously in parallel on a large-scale distributed system while exchanging information, which drastically boosts the overall performance. We also implement full checkpoint-and-restart functionality, which is vital to high-dimensional lattice problems. Through numerical experiments with up to 103,680 cores, we evaluated the performance and stability of our system and demonstrated its high capability for future massive-scale experiments.
Reversible Markov chains are the basis of many applications. However, computing transition probabilities by a finite sampling of a Markov chain can lead to truncation errors. Even if the original Markov chain is reversible, the approximated Markov chain might be non-reversible and will lose important properties, like the real valued spectrum. In this paper, we show how to find the closest reversible Markov chain to a given transition matrix. It turns out that this matrix can be computed by solving a convex minimization problem.
In this paper, the concepts and design for an efficient information service for mathematical software and further mathematical research data are presented. The publication-based approach and the Web-based approach are the main building blocks of the service and will be discussed. Heuristic methods are used for identification, extraction, and ranking of information about software and other mathematical research data. The methods provide not only information about the research data but also link software and mathematical research data to the scientific context.
In a recent paper, Conte et al. [CGMR2017] presented an algorithm for enumerating all acyclic orientations of a graph G=(V,E) with a single source (and related orientations) with delay O(|V||E|). In this paper we revisit the problem by going back to an early paper by de Fraysseix et al. [FMR1995], who proposed an algorithm for enumerating all bipolar orientations of a graph based on a recursion formula. We first formalize de Fraysseix et al.'s algorithm for bipolar orientations and determine that its delay is also O(|V||E|). We then apply their recursion formula to the case of Conte et al.'s enumeration problem and show that this yields a more efficient enumeration algorithm with delay O(\sqrt(|V|)|E|). Finally, a way to further streamline the algorithm that leads to a particularly simple implementation is suggested.
Heutzutage ist eine Vielzahl der mehrstöckigen Gebäude mit Personenaufzugsgruppen
ausgestattet. Uns wohl bekannt sind die sogenannten konventionellen Systeme. Bei
diesen Systemen betätigt jeder ankommende Passagier eine der beiden Richtungstasten
und teilt dem dahinterstehenden Steuerungsalgorithmus seine gewünschte Startetage
und Fahrtrichtung mit. Betreten wird der zuerst auf der Startetage ankommende Aufzug
mit gleicher Fahrtrichtung und ausreichend Kapazität. Die entsprechende Zieletage
wird dem System erst nach dem Betreten der Fahrgastkabine mitgeteilt. Neben diesen
konventionellen Systemen gibt es Aufzugsgruppen mit Zielrufsteuerung. Die Besonderheit
eines zielrufgesteuerten Systems ist, dass ein ankommender Passagier bereits auf
der Startetage seine gewünschte Zieletage angibt und eine Rückmeldung vom System
erhält, welchen Aufzug er nutzen soll. Diese Zuweisung durch das System hat das Ziel,
die Warte- und Reisezeiten der Passagiere zu minimieren. Ein wesentlicher Faktor bei
der Berechnung warte- und reisezeitminimaler Fahrpläne ist das momentane Verkehrsmuster.
Eine Einteilung der Verkehrsszenarien lässt sich am besten bei Bürogebäuden
vornehmen. So ist es typisch für die Morgenstunden, dass jeder Passagier auf einer
Zugangsebene seine Fahrt beginnt und alle Passagiere die gleiche Fahrtrichtung haben.
Unter einer Zugangsebene ist z. B. der Haupteingang oder ein Parkdeck zu verstehen.
Ein weiterer wesentlicher Punkt bei Zielrufsystemen ist die Art der Zuweisung der Passagiere
durch das System. Zum einen gibt es unmittelbar zuweisende (UZ-) Systeme.
In einem UZ-System wird nach jeder Ankunft eines Passagiers eine Momentaufnahme
des momentanen Verkehrs erstellt und es findet eine Neuplanung und Zuweisung statt.
Eine solche Momentaufnahme werden wir im späteren Verkauf als Schnappschussproblem
bezeichnen. Jeder Passagier bekommt im Anschluss an die Lösung des Schnappschussproblems
eine Mitteilung vom System, z. B. über ein Display, welchen Aufzug
er benutzen soll. Zum anderen gibt es verzögert zuweisende (VZ-) Systeme. In diesen
Systemen wird die Erstellung und Lösung eines Schnappschussproblems bis kurz vor
Ankunft eines Aufzuges auf einer Etage verzögert. In einem VZ-System teilt das System
allen wartenden Passagieren die geplanten Zieletagen des ankommenden Aufzugs mit.
Jeder Passagier, der einen Ruf getätigt hat und zu einer dieser Zieletagen fahren will,
kann jetzt diesen Aufzug betreten. Durch die Verzögerung muss im Vergleich zu einem
UZ-System eine weitaus größere Menge von Passagieren zugewiesen werden. Dadurch
kann der Lösungsprozess bedeutend aufwändiger werden. Vorteil eines VZ-Systems ist
hingegen der größere Freiheitsgrad bei der Optimierung, da aufgrund der späten Zuweisung
die weitere Verkehrsentwicklung mit einbezogen werden kann.
VZ-Systeme sind aufgrund des größeren Freiheitsgrades interessant für die
Praxis ist, wir uns demzufolge in dieser Arbeit mit einer effizienteren Lösung dieser
Art von Schnappschussproblemen befassen. Es genügt dabei den Lösungsprozess eines
Schnappschussproblems zu betrachten. Das Ziel ist eine Reduzierung der benötigten
Rechenzeit. Unter Reoptimierung verstehen wir die Konstruktion
zulässiger Spalten in den jeweiligen Iterationsrunden der Spaltengenerierung
innerhalb eines Schnappschussproblems. Als eine Iterationsrunde bezeichnet wir einer
Menge zulässiger Touren mit negativen reduzierten Kosten. Eine effiziente Reoptimierung
zeichnet sich durch die Wiederverwendung und Aufbereitung von Informationen
aus vorangegangenen Iterationsrunden desselben Schnappschussproblems aus. Zu den
wichtigen Informationen gehört der konstruierte Suchbaum der vorherigen Iterationsrunde
mit seinen ausgeloteten (abgeschnittenen) Blättern sowie konstruierten Touren
bzw. Spalten, welche in der Iterationsrunde ihrer Konstruktion nicht zur Lösung des
Teilproblems der Spaltengenerierung beitrugen. Eine solche Wiederverwendung und
Aufbereitung von Informationen nennen wir Warmstart.
Estimating 3D Shape of the Head Skeleton of Basking Sharks Using Annotated Landmarks on a 2D Image
(2022)
Basking sharks are thought to be one of the most efficient filter-feeding fish in terms of the throughput of water filtered through their gills. Details about the underlying morphology of their branchial region have not been studied due to various challenges in acquiring real-world data. The present thesis aims to facilitate this, by developing a mathematical shape model which constructs the 3D structure of the head skeleton of a basking shark using annotated landmarks on a single 2D image. This is an ill-posed problem as estimating the depth of a 3D object from a single 2D view is, in general, not possible. To reduce this ambiguity, we create a set of pre-defined training shapes in 3D from CT scans of basking sharks. First, the damaged structures of the sharks in the scans are corrected via solving a set of optimization problems, before using them as accurate 3D representations of the object. Then, two approaches are employed for the 2D-to-3D shape fitting problem–an Active Shape Model approach and a Kendall’s Shape Space approach. The former represents a shape as a point on a high-dimensional Euclidean space, whereas the latter represents a shape as an equivalence class of points in this Euclidean space. Kendall’s shape space approach is a novel technique that has not yet been applied in this context, and a comprehensive comparison of the two approaches suggests this approach to be superior for the problem at hand. This can be credited to an improved interpolation of the training shapes.