Dissertation
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Optimal control problems are optimization problems governed by ordinary or partial differential equations (PDEs). A general formulation is given byrn \min_{(y,u)} J(y,u) with subject to e(y,u)=0, assuming that e_y^{-1} exists and consists of the three main elements: 1. The cost functional J that models the purpose of the control on the system. 2. The definition of a control function u that represents the influence of the environment of the systems. 3. The set of differential equations e(y,u) modeling the controlled system, represented by the state function y:=y(u) which depends on u. These kind of problems are well investigated and arise in many fields of application, for example robot control, control of biological processes, test drive simulation and shape and topology optimization. In this thesis, an academic model problem of the form \min_{(y,u)} J(y,u):=\min_{(y,u)}\frac{1}{2}\|y-y_d\|^2_{L^2(\Omega)}+\frac{\alpha}{2}\|u\|^2_{L^2(\Omega)} subject to -\div(A\grad y)+cy=f+u in \Omega, y=0 on \partial\Omega and u\in U_{ad} is considered. The objective is tracking type with a given target function y_d and a regularization term with parameter \alpha. The control function u takes effect on the whole domain \Omega. The underlying partial differential equation is assumed to be uniformly elliptic. This problem belongs to the class of linear-quadratic elliptic control problems with distributed control. The existence and uniqueness of an optimal solution for problems of this type is well-known and in a first step, following the paradigm 'first optimize, then discretize', the necessary and sufficient optimality conditions are derived by means of the adjoint equation which ends in a characterization of the optimal solution in form of an optimality system. In a second step, the occurring differential operators are approximated by finite differences and the hence resulting discretized optimality system is solved with a collective smoothing multigrid method (CSMG). In general, there are several optimization methods for solving the optimal control problem: an application of the implicit function theorem leads to so-called black-box approaches where the PDE-constrained optimization problem is transformed into an unconstrained optimization problem and the reduced gradient for these reduced functional is computed via the adjoint approach. Another possibilities are Quasi-Newton methods, which approximate the Hessian by a low-rank update based on gradient evaluations, Krylov-Newton methods or (reduced) SQP methods. The use of multigrid methods for optimization purposes is motivated by its optimal computational complexity, i.e. the number of required computer iterations scales linearly with the number of unknowns and the rate of convergence, which is independent of the grid size. Originally multigrid methods are a class of algorithms for solving linear systems arising from the discretization of partial differential equations. The main part of this thesis is devoted to the investigation of the implementability and the efficiency of the CSMG on commodity graphics cards. GPUs (graphic processing units) are designed for highly parallelizable graphics computations and possess many cores of SIMD-architecture, which are able to outperform the CPU regarding to computational power and memory bandwidth. Here they are considered as prototype for prospective multi-core computers with several hundred of cores. When using GPUs as streamprocessors, two major problems arise: data have to be transferred from the CPU main memory to the GPU main memory, which can be quite slow and the limited size of the GPU main memory. Furthermore, only when the streamprocessors are fully used to capacity, a remarkable speed-up comparing to a CPU is achieved. Therefore, new algorithms for the solution of optimal control problems are designed in this thesis. To this end, a nonoverlapping domain decomposition method is introduced which allows the exploitation of the computational power of many GPUs resp. CPUs in parallel. This algorithm is based on preliminary work for elliptic problems and enhanced for the application to optimal control problems. For the domain decomposition into two subdomains the linear system for the unknowns on the interface is solved with a Schur complement method by using a discrete approximation of the Steklov-Poincare operator. For the academic optimal control problem, the arising capacitance matrix can be inverted analytically. On this basis, two different algorithms for the nonoverlapping domain decomposition for the case of many subdomains are proposed in this thesis: on the one hand, a recursive approach and on the other hand a simultaneous approach. Numerical test compare the performance of the CSMG for the one domain case and the two approaches for the multi-domain case on a GPU and CPU for different variants.
In this thesis, in order to shed light on the biological function of the membrane-bound Glucocorticoid Receptor (mGR), proteomic changes induced by 15 min in vivo acute stress and by short in vitro activation of the mGR were analyzed in T-lymphocytes. The numerous overlaps between the two datasets suggest that the mGR mediates physiologically relevant actions and participates in the early stress response, triggering rapid early priming events that pave the way for the slower genomic GC activities. In addition, a new commercially available method with suitable sensitivity to detect the human mGR is reported and the transcriptional origin of this protein investigated. Our results indicates that specific GR-transcripts, containing exon 1C and 1D, are associated with the expression of this membrane isoform.
Sklaverei und Demokratie? Für viele Plantagenbesitzer auf Kuba wurden die Vereinigten Staaten vor dem amerikanischen Bürgerkrieg zu einer attraktiven Alternative zur despotischen Kolonialmacht Spanien. Kubanische Emigranten in den USA versuchten um 1850 mit Hilfe von amerikanischen Expansionisten und Sklavereibefürwortern Kuba durch Militärexpeditionen Spanien zu entreißen und die Insel an seinen großen Nachbarn im Norden zu annektieren. Um für ihr Unternehmen zu werben, brachten Exilkubaner zahlreiche Zeitungen in US-Metropolen wie New York oder New Orleans heraus, in welchen sie ihren Lesern die Vorteile einer Annexion erläuterten. Im Fokus der Dissertation stehen die Argumente der kubanischen Exilpresse und ihrer Gegner.
Diese Arbeit stellt die Ergebnisse eines abgeschlossenen Dissertationsprojektes zur sozialen Einbettung eines ländlichen Kreditmarktes im 19. Jahrhundert dar. Das Hauptziel der Untersuchung war es, herauszufinden, ob die soziale Einbettung von Akteuren einen messbaren positiven oder negativen Effekt auf ihren ökonomischen Erfolg im Rahmen eines historischen Kreditmarktes hatte. Das Fallbeispiel der Untersuchung ist der ländliche Kreditmarkt des in der Nähe von Reutlingen im Königreich von Württemberg im Südwesten Deutschlands gelegenen Dorfes Ohmenhausen. Die Datengrundlage der Untersuchung sind die Hypothekenbücher, Vermögensinventare, Steuerlisten und Kirchenbücher des Dorfes. In Übereinstimmung mit der Neuen Institutionenökonomik werden Kreditmärkte als soziale Netzwerke von Schuldnern und Gläubigern betrachtet. Die soziale Einbettung der Dorfbewohner ist über die (Re-)Konstruktion ihrer dorfinternen Verwandtschaftsnetzwerke operationalisiert worden. Die Akteure in diesen Verwandtschaftsnetzwerken sind alle Haushalte, die Grundsteuern bezahlt haben. Diese Haushalte besaßen Land und waren deshalb in der Lage Hypotheken aufzunehmen. Die Untersuchung wird durch den Vergleich der Verteilung der Kredite innerhalb der Verwandtschaftsnetzwerke der Stichjahre von 1825 und 1850 durchgeführt. Im Jahr 1830 trat eine signifikante Reform der Pfandgesetzgebung in Kraft. Deshalb wurde jeweils ein Stichjahr vor dem Inkrafttreten der Reform mit einem Stichjahr nach Inkrafttreten der Reform verglichen. Dies geschah um zu untersuchen, ob die Reform einen Einfluss auf die Marktstruktur hatte und ob sich im Rahmen der Reform auch die Verteilung der Kredite innerhalb der Verwandtschaftsnetzwerke änderte.
Die Dissertation untersucht die Vorstellungen über „kranke Pflanzen“ in der griechisch-römischen Antike. Ziel der Arbeit ist es, diese anhand der Schriftzeugnisse von Homer bis Boethius am Anfang des 6. Jahrhunderts darzustellen. Die Darstellung der Phytomedizin der Antike erfolgt dabei in vier Themenkomplexen: in einem lexikalischen Teil werden die konkreten Schäden und der Umgang mit ihnen aufgezeigt; in der Folge werden deren Stellenwert in wissenschaftlicher, gesellschaftlicher und poetologischer Hinsicht beleuchtet. Kern der Arbeit ist die systematische Darstellung der antiken phytomedizinischen Kenntnisse zu den einzelnen Pflanzenkrankheiten und sonstigen Schadfaktoren sowie eine Darstellung der in der antiken Literatur verankerten Gegenmaßnahmen.
Der Anstieg der Weltbevölkerung, der Mobilität und des Warenhandels fördert die zunehmende Einschleppung von Biota. Ein Teil dieser gebietsfremden Arten kann sich etablieren, ausbreiten und die heimische Biodiversität gefährden ("invasive Arten"). In Mitteleuropa haben sich mehr als 150 gebietsfremde Populationen der ursprünglich submediterran verbreiteten Mauereidechse (Podarcis muralis) etabliert. Diese verkörpern ein ideales Modellsystem zur Untersuchung der Rolle des geografischen Ursprungs für den Etablierungserfolg, zur Überprüfung genetischer Konsequenzen von biologischen Invasionen sowie zur Untersuchung der Auswirkungen intraspezifischer Hybridisierung auf heimische Linien. Über eine mtDNA-Sequenzierung wurden in dieser Dissertation 77 eingeschleppte Populationen in Mitteleuropa acht geografisch abgrenzbaren evolutionären Linien zugeordnet (Kapitel I). Dieser Datensatz wurde in Kombination mit Artverbreitungsmodellen zur Überprüfung intraspezifischer Nischendivergenz genutzt. Trotz deutlicher Nischendifferenzierung zwischen den Linien, wurde nur eine schwache Korrelation zwischen geographischem Ursprung und invasivem Vorkommen gefunden. Linien mit enger realisierter Nische sind vermutlich aufgrund ihrer breiten fundamentalen Nische dennoch fähig erfolgreich Gebiete weit außerhalb ihres Areals zu kolonisieren. Für die populationsgenetischen Analysen dieser Arbeit bewährten sich, alternativ zu Gewebeproben, nicht-invasiv gewonnene Mundschleimhautproben zur DNA-Analyse (Kapitel II). Über eine DNA-Sequenzierung konnte der Ursprung (Poebene und nördliche Adriaregion) der nördlichsten eingeschleppten Ruineneidechsen-Population (Podarcis siculus) bestimmt werden (Kapitel III). Zudem wurde eine syntop in eine P. muralis Population eingeschleppte Podarcis liolepis Population erstmals in Deutschland nachgewiesen (Kapitel IV). Beide stammen vermutlich aus den Ost-Pyrenäen. Die Mikrosatelliten-Analyse zeigte keinen Genfluss zwischen beiden Arten. Verglichen mit natürlichen Populationen aus Süd-Frankreich konnten die eingeschleppten Populationen beider Arten aufgrund von hohem Aussetzungsdruck eine hohe genetische Diversität erhalten. Entlang des Oberrheingrabens treffen heimische Mauereidechsen auf eingeschleppte italienische Linien. In diesen Populationen wurde eine schnelle genetische Assimilation durch Hybridisierung mit gebietsfremden Mauereidechsen nachgewiesen (Kapitel V). Die genetische Diversität dieser Hybridpopulationen war wesentlich höher als die reiner eingeschleppter oder reiner natürlicher Populationen. Der Zusammenhang zwischen genetischer Diversität und Durchmischungsgrad war nicht-linear und erreichte frühzeitig ein Plateau hoher genetischer Diversität bei einer Vermischung von zwei Linien. Das Ausmaß an Introgression und die schnelle Bildung von Hybridschwärmen zeigt, dass Einschleppungen die genetische Integrität natürlicher Populationen stark gefährden. Die kleinräumige, genetische Analyse einer expandierenden Population in Passau (Kapitel VI) zeigt, dass eine signifikante Strukturierung schnell und kleinräumig entstehen kann. Die genetische Differenzierung wurde unter Abnahme der genetischen Diversität vom Einschleppungszentrum zum Expansionsrand stärker. Das abschließende Kapitel VII fasst die wichtigsten Resultate für die Naturschutzpraxis zusammen. Die Schwierigkeiten der phänotypischen Zuordnung von Populationen zu evolutionären Linien sowie der naturschutzrechtliche Umgangs mit Einschleppungen werden diskutiert.
Bei der Preisberechnung von Finanzderivaten bieten sogenannte Jump-diffusion-Modelle mit lokaler Volatilität viele Vorteile. Aus mathematischer Sicht jedoch sind sie sehr aufwendig, da die zugehörigen Modellpreise mittels einer partiellen Integro-Differentialgleichung (PIDG) berechnet werden. Wir beschäftigen uns mit der Kalibrierung der Parameter eines solchen Modells. In einem kleinste-Quadrate-Ansatz werden hierzu Marktpreise von europäischen Standardoptionen mit den Modellpreisen verglichen, was zu einem Problem optimaler Steuerung führt. Ein wesentlicher Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Lösung der PIDG aus theoretischer und vor allem aus numerischer Sicht. Die durch ein implizites Zeitdiskretisierungsverfahren entstandenen, dicht besetzten Gleichungssysteme werden mit einem präkonditionierten GMRES-Verfahren gelöst, was zu beinahe linearem Aufwand bezüglich Orts- und Zeitdiskretisierung führt. Trotz dieser effizienten Lösungsmethode sind Funktionsauswertungen der kleinste-Quadrate-Zielfunktion immer noch teuer, so dass im Hauptteil der Arbeit Modelle reduzierter Ordnung basierend auf Proper Orthogonal Decomposition Anwendung finden. Lokale a priori Fehlerabschätzungen für die reduzierte Differentialgleichung sowie für die reduzierte Zielfunktion, kombiniert mit einem Trust-Region-Ansatz zur Globalisierung liefern einen effizienten Algorithmus, der die Rechenzeit deutlich verkürzt. Das Hauptresultat der Arbeit ist ein Konvergenzbeweis für diesen Algorithmus für eine weite Klasse von Optimierungsproblemen, in die auch das betrachtete Kalibrierungsproblem fällt.
In dieser Arbeit präsentieren wir einen systematischen Ansatz zur Multithread Implementierung von Divide und Conquer sowie inkrementellen Algorithmen. Wir stellen für beide Kategorien von Algorithmen ein Framework vor. Beide Frameworks sollen die Behandlung von Threads erleichtern, die Implementierung von parallelen Algorithmen beschleunigen und die Rechenzeit verringern. Mit Hilfe der Frameworks parallelisieren wir beispielhaft zahlreiche Algorithmen insbesondere aus dem Bereich Computational Geometry, unter anderem: Sortieralgorithmen, konvexe Hülle Algorithmen und Triangulierungen. Der Programmcode zu diese Arbeit ist in C++ unter Verwendung templatisierter Klassen implementiert und basiert auf der LEDA Bibliothek.
The main objective of the present thesis was to investigate whether antibody effects observed in earlier in vitro studies can translate into the protection against chemical carcinogenesis in vivo as the basis of an immunoprophylactic approach against carcinogens. As model for chemical carcinogenesis, we selected B[a]P the prototype polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH), an environmental pollutant emanating from both natural and anthropogenic sources. Many in vivo models conveniently use high doses of carcinogens mostly given as single bolus, which provides simple surrogate readouts, but poorly reflects chronic exposure to the low concentrations found in the environment. In addition, these concentrations cannot be matched with equimolar antibody concentrations obtained by immunisation. However, low B[a]P concentrations do not permit to directly measure chemical carcinogenesis. Therefore, in the present thesis, the pharmacokinetic, metabolism and B[a]P mediated immunotoxicity were chosen as experimental read-outs. B[a]P conjugate vaccines based on ovalbumin, tetanus toxoid and diphtheria toxoid (DT) as carrier proteins were developed to actively immunise mice against B[a]P. B[a]P-DT conjugate induced the most robust immune response. The antibodies reacted not only with B[a]P but also with the proximate carcinogen 7,8-diol-B[a]P. Antibodies modulated the bioavailability of B[a]P and its metabolic activation in a dose-dependent manner by sequestration in the blood. In order to further improve the vaccination, we replaced the protein carrier by promiscuous T-helper cell epitopes to induce higher antibody titer with increased specificity for the B[a]P hapten. We hypothesised that a reduction of B cell binding sites on the carrier, compared to whole protein carrier, should favour the activation of B cells recognising the hapten instead of the carrier protein. An internal processing of the carrier and cleavage of the B[a]P-BA and subsequent presentation of the carrier peptide by MHC II molecules to T cell receptor should induce a B cell dependent immune response by activating B cells capable to recognise B[a]P. We demonstrated that a vaccination against B[a]P using promiscuous T-helper cell epitopes as a carrier is feasible and some tested peptide conjugates were more immunogenic as whole protein conjugates with increased specificity. We showed that vaccination against B[a]P reduces immunotoxicity. B[a]P suppressed the proliferative response of both T and B cells after a sub-acute administration, an effect that was completely reversed by vaccination. In immunized mice the immunotoxic effect of B[a]P on IFN-γ, Il-12, TNF-ï¡ production and B cell activation was restored. In addition, specific antibodies inhibited the induction of Cyp1a1 by B[a]P in lymphocytes and Cyp1b1 in the liver, enzymes that are known to convert the procarcinogen B[a]P to the ultimate DNA-adduct forming metabolite, a major risk factor of chemical carcinogenesis. In order to replace Freund adjuvant and to improve the immunisation strategy in terms of antibody quantity and quality, several adjuvants that are potentially compatible with their use in humans were tested. In combination with Freund adjuvant, the conjugate-vaccine induced high levels of B[a]P-specific antibodies. We showed that all adjuvants tested induced specific antibodies against B[a]P and 7,8-diol-B[a]P, its carcinogenic metabolite. The highest antibody levels were obtained with Quil A, MF-59 and Alum. Biological activity in terms of enhanced retention of B[a]P was confirmed in mice immunised with Quil A, Montanide, Alum and MF-59. Our findings demonstrate that a vaccination against B[a]P is feasible in combination with adjuvants licensed in humans. Based on these results and with the current understanding of the mechanisms of chemical carcinogenesis of the ubiquitous carcinogen B[a]P and of the effects of specific antibodies, an immunoprophylactic approach against chemical carcinogenesis is absolutely warranted. Nevertheless, the direct effects of B[a]P-specific antibodies on the different stages of carcinogenesis (e.g. adduct formation) and whether these effects may translate into long-term protective effect against tumourigenesis needs to be proven in further experiments.
Als Möglichkeiten zur Steigerung der Nachhaltigkeit einer stationären Rehabilitation stehen aktuell vor allem zwei Varianten der Nachbehandlung im Mittelpunkt des wissenschaftlichen Interesses - einerseits wird eine solche Nachsorge häufig über persönliche (Telefon)Kontakte realisiert, andererseits werden auch immer öfter die Möglichkeiten des Einsatzes neuer Medien untersucht. Um eine vergleichende Betrachtung dieser beiden Nachsorgevarianten zu ermöglichen, wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein individuelles, indikationsübergreifendes und ortsunabhängiges Nachsorgeangebot entwickelt und parallel auf eben diese beiden Arten realisiert (persönlich-telefonisch vs. web-basiert), die Untersuchung der Effektivität erfolgte mittels einer randomisierten kontrollierten Mehrzeitpunktbefragung. Alle teilnehmenden Patientinnen und Patienten wurden noch während ihres Rehabilitationsaufenthalts zu einer von drei Gruppen randomisiert: eine Gruppe wurde persönlich-telefonisch nachbetreut, eine Gruppe erhielt Zugang zu einer für diesen Zweck erstellten Internet-Plattform, die dritte Gruppe erhielt keinerlei Nachsorge und diente als Kontrollgruppe. Zu insgesamt vier Messzeitpunkten (Aufnahme, Entlassung, 3-monats- und 12-monats Katamnese) wurde die berichtete Symptombelastung hinsichtlich Depressivität, psychosomatischer Beschwerden und gesundheitsbezogener Lebensqualität erfasst. Aufgrund der vorliegenden Ergebnisse scheint vornehmlich die minimale Intervention der automatisierten web-basierten Nachsorge einen statistisch abgesicherten positiven Effekt auf die Nachhaltigkeit der betrachteten Ergebnismaße nach einer stationären psychosomatischen Rehabilitation zu haben und kann folglich als der vielversprechendere Ansatz zur Verbesserung der Nachhaltigkeit von erzielten Rehabilitationseffekten gesehen werden.