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Review of Katherine Lu Hsu, David Schur, Brian P. Sowers (eds.): The Body Unbound. Literary Approaches to the Classical Corpus
No full textTrächtigkeitsaustausch bei Kleinsäugern: der Einfluss von Männchenqualität, Infantizidverhalten und Verwandtschaft
No full textSexual selection theory suggests that in most animal species there is a disparity in parental investment, where males invest less in their offspring compared to females. Females mainly increase their reproductive success by improving the quality of their mates, and, as a result, females tend to be more discriminating in their mate choices than males. By mating with a certain male, females can gain direct benefits, such as better access to food, protection from male harassment and assistance in rearing offspring. Females may further gain indirect benefits by choosing males where their offspring are likely to inherit ‘good genes’ that would improve a female's fitness. Potential mates can be encountered either simultaneously or sequentially, and females evaluate them based on sexually selected characteristics of the male they previously encountered or mated with. Therefore, the trade-up hypothesis has been proposed as a female strategy when males are encountered in sequential order, predicting re-mating only if the second male is of superior quality compared to the first.
Interruption of early pregnancy (before implantation) is also known as pregnancy block, or ‘Bruce effect’ and it may reduce a female’s investment into offspring that might afterwards be killed by an unknown, invading male, thus serving as a mechanism of infanticide avoidance. Pregnancy block has been recorded in both laboratory and wild conditions in carnivores, primates, rodents and ungulates; however, some species, such as voles and rats, can obstruct pregnancies at later stages. Usually this termination is immediately followed by a new pregnancy sired by the invading male and may thus be called a ‘pregnancy replacement’. Male-induced pregnancy termination was initially viewed as a form of postcopulatory male-male competition, but whether it might function as a mechanism of post-copulatory, and in some species post-implantation, mate choice for females remains to be tested.
In this thesis I examined if pregnancy termination and remating, here referred to as pregnancy replacement, is as form of sequential mate choice, using bank voles (Myodes glareolus) as experimental subjects. Further, I investigated whether female mate choice was influenced by male quality, male infanticidal tendency or their relatedness to the female. Here I will discuss interesting results that shed light on the importance of different male traits and behaviors on female mate choice, as well as new findings regarding pregnancy replacement as a mechanism of sequential mate choice in female mammals.
In Chapter 1, I investigated whether female mammals can trade up sire quality in sequential mate choice during already progressed pregnancies by exchanging the breeding male in the early stage of potential pregnancy. A male-induced pregnancy termination (functional ‘Bruce effect’) could thus have an adaptive role in mate choice as a functional part of a pregnancy replacement. Females were offered a sequence of either high to low-quality male, or a low to high-quality male. The majority of females bred with high-quality males independent of their position in the sequence, indicating a pregnancy replacement to trade up sire quality in low to high quality sequence. Thus, pregnancy replacement, previously discussed as an infanticide avoidance strategy, may constitute adaptive mate choice in female mammals, and female choice may induce pregnancy replacement in mammals.
As ‘Bruce effect’ is mostly discussed as a counterstrategy to infanticide, in Chapter II I tested whether females might undergo pregnancy replacement when they encounter an infanticidal male. Males were phenotyped for infanticidal types based on their tendency to attack unrelated pups, and I exchanged the breeding male in the early stage of a potential pregnancy, allowing the female to terminate the pregnancy and breed with the new male (pregnancy replacement). The results revealed that the proportion of late litters was significantly higher if the second male encountered was infanticidal, and males' probability to reproduce was affected by both infanticidal tendency and the sequence in which it was presented to the female. However, there was no connection between infanticidal tendencies and male quality, and contrastingly to the first experiment, no effect of male quality on females’ decisions to remate. Consequently, the infanticidal status of the males, as well as the sequence in which the males are presented, were the key factors leading to pregnancy replacement.
By offering an unrelated male in the early stage of a potential pregnancy sired by a related male, in Chapter III I tested whether females would use pregnancy replacement in order to avoid inbreeding. Inbreeding, defined as reproduction among related individuals, can lead to reduced offspring fitness, and consequently affect trait evolution and population persistence (inbreeding depression). Consequently, females might use pregnancy replacement to increase offspring heterozygosity. Contrary to expectations, I found no evidence of inbreeding avoidance through pregnancy replacement, and no effect of male dominance and female breeding experience. These findings suggest that females would rather reproduce fast than lose time and energy in order to avoid potential costs of inbreeding. Possibly females might use some of the other inbreeding avoidance strategies, such as multiple mating, that might be cheaper compared to pregnancy replacement, both in energy and time.
With this thesis I provide evidence that pregnancy replacement is not solely an infanticide avoidance strategy, but also a form of sequential mate choice allowing females to trade up in sire quality when encountering a higher quality male. Despite predictions we found no evidence that females would use pregnancy replacement as a form of inbreeding avoidance. These results shed a new light on the potential benefits, as well as costs, associated with using pregnancy replacement as form of sequential mate choice in small mammals.Die Theorie der sexuellen Selektion besagt, dass es bei den meisten Tierarten ein Ungleichgewicht in der elterlichen Investition gibt, wobei Männchen weniger in ihre Nachkommen investieren als Weibchen. Weibchen steigern ihren Fortpflanzungserfolg hauptsächlich durch die Verbesserung der Qualität ihrer Paarungspartner, weshalb sie bei der Partnerwahl wählerischer sind als Männchen. Durch die Paarung mit einem bestimmten Männchen kann ein Weibchen direkte Vorteile erlangen, wie z. B. besseren Zugang zu Nahrung, Schutz vor Über- und Angriffen durch andere Männchen und Unterstützung bei der Aufzucht der Nachkommen. Darüber hinaus können Weibchen indirekte Vorteile erlangen, indem sie Männchen wählen, deren Nachkommen mit hoher Wahrscheinlichkeit ‚gute Gene‘ vererbt bekämen, die die Fitness des Weibchens verbessern würden. Potenzielle Partner können entweder gleichzeitig oder nacheinander angetroffen werden, und die Weibchen bewerten einen Partner nach den sexuell selektierten Merkmalen des Männchens, dem sie zuvor begegnet sind oder mit dem sie sich zuvor gepaart haben. Basierend darauf wurde postuliert, dass Weibchen ihre Trächtigkeiten aufwerten (‚Trade-up‘ Hypothese), wenn sie nacheinander auf Männchen treffen, wobei eine erneute Paarung nur dann vorhergesagt wird, wenn das zweite Männchen im Vergleich zum ersten von besserer Qualität ist.
Die Unterbrechung einer frühen Trächtigkeit, vor der Implantation, wird auch als Trächtigkeitsblockade oder ‚Bruce-Effekt‘ bezeichnet und könnte verhindern, dass ein Weibchen unnötig viel Ressourcen in Nachkommen investiert, die potentiell von einem eindringenden, unbekannten Männchen getötet werden. Somit kann eine Blockade der Trächtigkeit als Mechanismus zur Vermeidung von Infantizid dienen. Trächtigkeitsblockaden in frühen Trächtigkeitsstadien wurden sowohl unter Laborbedingungen als auch in freier Wildbahn bei Fleischfressern, Primaten, Nagetieren und Huftieren festgestellt; wobei einige Arten wie Wühlmäuse und Ratten die Trächtigkeit in späteren Stadien blockieren können. In der Regel folgt auf diesen Trächtigkeitsabbruch sofort eine neue Trächtigkeit, die von dem eindringenden Männchen gezeugt wird, so dass man auch von einem ‚Trächtigkeitsersatz‘ sprechen kann. Der von den Männchen ausgelöste Trächtigkeitsabbruch wurde ursprünglich als eine Form der post-kopulatorischen Konkurrenz zwischen Männchen angesehen, ob er jedoch auch als ein Mechanismus der post-kopulatorischen (und bei einigen Arten auch der post-implantativen) Partnerwahl durch die Weibchen fungieren könnte, wurde bisher nicht untersucht.
In dieser Arbeit habe ich an Wühlmäusen (Myodes glareolus) als Modelorganismen untersucht, ob der Abbruch einer Trächtigkeit und die erneute Paarung, hier als Trächtigkeitsersatz bezeichnet, eine Form der sequenziellen Partnerwahl darstellt. Des Weiteren habe ich untersucht, ob die Partnerwahl der Weibchen durch die Qualität der Männchen, ihre Infantizid-neigung oder dem Verwandtschaftsgrad zwischen Männchen und Weibchen beeinflusst wird. Ich werde in dieser Arbeit interessante Ergebnisse diskutieren, die die Bedeutung verschiedener männlicher Eigenschaften und Verhaltensweisen für die Partnerwahl von Weibchen beleuchten, sowie neue Erkenntnisse über den Trächtigkeitsersatz als Mechanismus der sequenziellen Partnerwahl bei weiblichen Säugetieren liefern.
In Kapitel 1 habe ich untersucht, ob weibliche Säugetiere bei der sequenziellen Partnerwahl während einer bereits fortgeschrittenen Trächtigkeit die Qualität des Vaters aufwerten können. Dies wurde untersucht, indem im Frühstadium einer potenziellen Trächtigkeit das ursprüngliche Zuchtmännchen gegen ein anderes, qualitativ unterschiedliches Männchen, ausgetauscht wurde. Ein durch das Männchen verursachter Trächtigkeitsabbruch (funktioneller ‚Bruce-Effekt‘) könnte somit eine adaptive Rolle bei der Partnerwahl als funktioneller Teil eines Trächtigkeitsersatzes spielen. Den Weibchen wurde entweder erst ein Männchen hoher Qualität als Paarungspartner zur Verfügung gestellt, gefolgt von einem Männchen geringerer Qualität, oder es wurde zunächst ein
Männchen geringer Qualität und dann ein Männchen hoher Qualität präsentiert. Die Mehrheit der Weibchen paarte sich mit Männchen von hoher Qualität, unabhängig von ihrer Position in der Paarungsabfolge. Dies deutet darauf hin, dass ein Trächtigkeitsersatz die Qualität des Erzeugers in der Abfolge von geringer zu hoher Qualität aufwiegt. Der Trächtigkeitsaustausch, der zuvor ausschließlich als Strategie zur Vermeidung von Infantizid diskutiert wurde, kann also auch eine adaptive Partnerwahl bei weiblichen Säugetieren darstellen, und die Fähigkeit des Weibchens ihren Partner zu wählen kann den Trächtigkeitsaustauch bei Säugetieren induzieren.
Da der ‚Bruce-Effekt‘ meist als Gegenstrategie zu männlichem Infantizid diskutiert wird, habe ich in Kapitel II getestet, ob die Weibchen möglicherweise eine Trächtigkeit austauschen, wenn sie auf ein infantizidales Männchen treffen. Dazu habe ich zunächst das Infantizidpotenzial (Angriff auf nicht verwandte Jungtiere oder nicht) der Männchen bestimmt und im Anschluss einem Weibchen sequentiell zwei Männchen verschiedenen Infantizidpotenzials zur Paarung angeboten. Der Austausch fand dabei innerhalb des Frühstadiums einer potenziellen Trächtigkeit statt, sodass noch die Möglichkeit bestand, dass das Weibchen die Trächtigkeit beenden und sich mit dem neuen Männchen paaren konnte (Trächtigkeitsersatz). Die Ergebnisse zeigten, dass der Anteil der späten Würfe signifikant höher war, wenn das zweite Männchen ein höheres Infantizidpotenzial hatte, als das erste Männchen. Außerdem hing die Wahrscheinlichkeit, dass die Männchen sich fortpflanzen, sowohl von ihrem Infantizidpotenzial als auch von der Reihenfolge, in der sie dem Weibchen präsentiert wurden, ab. Es gab jedoch keinen Zusammenhang zwischen der Infantizidpotenzial und der Qualität des Männchens, und im Gegensatz zum ersten Experiment hatte die Qualität des Männchens keinen Einfluss auf die Entscheidung des Weibchens, sich erneut zu paaren. Folglich sind das Infantizidpotenzial der Männchen sowie die Reihenfolge, in der die Männchen auf die Weibchen treffen, entscheidend dafür ob die Weibchen die erste Trächtigkeit abbrechen und sich mit einem infantizidalen Männchen erneut fortpflanzen.
In Kapitel III habe ich getestet, ob Weibchen die Trächtigkeit ersetzen, um Inzucht zu vermeiden. Hierfür wurde den Weibchen innerhalb des frühen, zweiten Trimesters einer potenziellen Trächtigkeit, gezeugt durch ein nah verwandtes Männchen, ein nicht mit ihnen verwandtes Männchen als Paarungspartner angeboten. Inzucht, d. h. die Fortpflanzung zwischen verwandten Individuen, kann die Fitness der Nachkommen verringern und sich folglich auf die Evolution von Merkmalen und das Fortbestehen der Population auswirken (Inzuchtdepression); daher könnten die Weibchen den Trächtigkeitsersatz nutzen, um die Heterozygotie der Nachkommen zu erhöhen. Im Gegensatz zu den Vorhersagen fand ich keine Hinweise auf Inzuchtvermeidung durch Trächtigkeitsersatz sowie keine Auswirkungen von männlicher Dominanz und weiblicher Reproduktionserfahrung. Die Ergebnisse dieses Experiments deuten darauf hin, dass Weibchen sich lieber schnell fortpflanzen, als Zeit und Energie zu verlieren, um mögliche Kosten von Inzucht zu vermeiden. Alternativ ist es auch möglich, dass andere Strategien, die im Vergleich zu dem Ersatz einer Trächtigkeit geringere Kosten hinsichtlich Energie- und Zeitaufwandes aufweisen, z.B. Mehrfachpaarungen, zum Einsatz kommen um Inzucht zu vermeiden.
In dieser Arbeit gebe ich Antworten auf die Frage, wann sich ein Ersatz der Trächtigkeit für Weibchen lohnt, und bestätige, dass der Trächtigkeitsersatz nicht nur ein Mechanismus zur Vermeidung von Infantizid ist, sondern auch eine Form der sequenziellen Partnerwahl, die dazu dient, die Qualität des Vaters zu verbessern, wenn die Weibchen auf ein höherwertiges Männchen treffen. Entgegen den Vorhersagen ließen sich keine Beweise dafür finden, dass die Weibchen den Trächtigkeitsersatz als eine Form der Inzuchtvermeidung nutzen. Diese Ergebnisse geben neue Einblicke hinsichtlich potenzieller Vorteile, aber auch Kosten, die mit dem Trächtigkeitsersatz als Form der sequenziellen Partnerwahl bei kleinen Säugetieren verbunden sind
Matching behavior to the environment
No full textEnvironmental changes affect animals’ survival, reproduction, and ultimately, fitness. The individualized niche framework posits that individuals within a population match their phenotype to the environment to increase fitness. Such phenotype-environment matching can be achieved through evolved individual-level processes such as environmental selection (i.e., niche choice) or phenotypic plasticity (i.e., niche conformance). Since animals typically first respond to environmental changes through their behavior, consistent among-individual differences in behavior, i.e., animal personalities, can importantly contribute to individualized niches. However, how individuals achieve a match between personality and the environment remains unexplored. This is a crucial avenue to explore since such individual-level processes can increase population mean fitness provided sufficient individuals use them.
Personality traits often form suites of correlated behaviors (i.e., behavioral syndromes) that could restrict movement decisions. Individuals who are more risk-taking towards predators (boldness) are often more risk-taking towards conspecifics (aggressiveness). Further, personality traits like aggressiveness (and dominance rank) should determine outcomes of intraspecific competition. Such traits related to social aspects of behavior should be relevant under social contexts, e.g., aggressiveness should matter under different levels of intraspecific competition. Conversely, non-social traits should be relevant under specific environmental contexts, e.g., boldness should matter under various levels of predation risk. Thus, behavioral syndromes including both social and non-social traits likely affect movement decisions in environments that vary in both social and environmental factors. Yet, such behavioral syndromes remain poorly understood.
Dispersal is fundamental to population dynamics and distribution, and is, thus, key to understanding how animals track favorable environmental change. Dispersal often correlates with animal personalities, with dispersers typically being bolder, more explorative, active, and aggressive. However, current empirical research demonstrates contrasting findings. Theory predicts that behavioral phenotypes should disperse from different social and environmental conditions to match their behavioral phenotype to the habitat (i.e., matching habitat choice). Mechanistically, this is likely due to variations in phenotype-specific cost-benefits of dispersal in different contexts. In the wild, multiple social and environmental factors act concurrently. Yet, how multiple co-occurring factors affect personality-dependent dispersal remains largely unstudied.
The main objective of this thesis is to assess how personality traits related to social and non-social aspects of behavior form behavioral syndromes, contribute to the process of individualized niches, and relate to dispersal under various social and environmental contexts. This main objective is assessed in three core chapters. In Chapter I, I assessed among-individual correlations between two non-social personality traits (boldness and exploration) correlated with two traits related to social behavior (aggressiveness and dominance-related behavior). By repeatedly assessing the behavior of bank voles (Myodes glareolus) in standardized assays under lab conditions, I found that explorative individuals were bolder, more aggressive, and had higher levels of dominance-related behavior than less explorative conspecifics. Thus, confirming the existence of a behavioral syndrome of intraspecific competitiveness. By joining social and non-social aspects of personality, the findings from this chapter contribute to the ecological validation of personality traits and further our understanding of the existence of behavioral syndromes in animal societies.
In Chapter II, I assessed whether and how risk-taking behavior contributes to the process of achieving a phenotype-environment match, i.e., individualized niches. Individualized niches were assessed under natural conditions for wild populations of common voles (Microtus arvalis). By in situ reducing safe environments in parts of the landscape, I found that behaviorally phenotyped individuals moved to choose habitats of predation risk that matched their risk-taking behavior (boldness and exploration), rather than plastically changing their behavior. These findings support matching habitat choice as a niche-altering mechanism. Thus, with this chapter, I provide evidence for a previously only theorized process and increase our understanding of individualized niches predicted by personality.
Finally, building on findings from Chapters I and II, in Chapter III, I assessed whether and how personality traits covary with dispersal under different levels of predation risk and intraspecific competition. By assessing the dispersal propensity of behaviorally phenotyped bank voles under near-natural conditions outdoors, I found that the behavioral phenotype of dispersing individuals varied with both the environment of predation risk and intraspecific competition. Thus, demonstrating that individuals try to disperse from environments that do not match their behavioral phenotype of boldness, exploration, and dominance-related behavior. This chapter demonstrates that multiple social and environmental factors can concurrently affect covariance between dispersal and personality, and supports dispersal strategies as the process of inducing matching habitat choice.
The three core chapters are framed by a general introduction and a general discussion. In the general introduction, I introduce core concepts and theory of among-individual differences in behavior and how they relate to niche theory and dispersal. In the general discussion, I synthesize the main findings in the core chapters, discuss potential outcomes, and identify future avenues of research. Importantly, this thesis tests, further develops, and bridges gaps between multiple theoretical frameworks and contrasting empirical patterns in research on personality-dependent dispersal. Consequently, providing valuable knowledge for understanding how individuals, and thus populations, may react to environmental changes.Umweltveränderungen wirken sich auf das Überleben, die Fortpflanzung und letztlich auf die Fitness der Tiere aus. Das Konzept der individualisierten Nische geht davon aus, dass Individuen innerhalb einer Population ihren Phänotyp an die Umwelt anpassen, um ihre Fitness zu steigern. Eine solche Anpassung des Phänotyps an die Umwelt kann durch evolutive Prozesse auf individueller Ebene, zum Beispiel über Umweltauswahl (d. h. Nischenwahl) oder phänotypische Plastizität (d. h. Nischenanpassung), erreicht werden. Da Tiere in der Regel zuerst durch ihr Verhalten auf Umweltveränderungen reagieren, können konsistente individuelle Verhaltensunterschiede, d. h. Tierpersönlichkeiten, einen wichtigen Beitrag zu individuellen Nischen leisten. Es ist jedoch bisher nicht erforscht, wie Individuen eine Übereinstimmung zwischen ihrer Persönlichkeit und ihrer Umwelt erzielen. Dies ist jedoch ein wichtiger Ansatzpunkt, da solche Prozesse auf individueller Ebene die durchschnittliche Fitness der Population erhöhen können, sofern genügend Individuen sie nutzen.
Persönlichkeitsmerkmale bilden oft eine Reihe korrelierter Verhaltensweisen (d. h. Verhaltenssyndrome), die die tierischen Entscheidungen hinsichtlich Bewegung einschränken könnten. In der Tat sind Individuen, die gegenüber Raubtieren risikofreudiger sind (Risikobereitschaft), oft auch gegenüber Artgenossen risikofreudiger (Aggressivität). Darüber hinaus sollten Persönlichkeitsmerkmale wie Aggressivität (und Dominanzrang) die Ergebnisse der innerartlichen Konkurrenz bestimmen. Solche Merkmale, die sich auf das Sozialverhalten beziehen, sollten in sozialen Kontexten relevant sein, z. B. kann sich Aggressivität auf die Habitatnutzung bei unterschiedlich starkem intraspezifischen Wettbewerb auswirken. Umgekehrt sollten nicht-soziale Merkmale in spezifischen Umweltkontexten relevant sein, z. B. sollte Risikobereitschaftfür die Habitatnutzung bei unterschiedlichem Prädationsrisiko von Bedeutung sein. Daher beeinflussen Verhaltenssyndrome, die sowohl soziale als auch nicht-soziale Merkmale umfassen, wahrscheinlich Entscheidungen im Zusammenhang mit Bewegung in Umgebungen, die sowohl in Bezug auf soziale als auch auf Umweltfaktoren variieren. Dennoch sind solche Verhaltenskorrelationen noch wenig erforscht.
Die Ausbreitung von Tieren bzw. das Ausbreitungspotenzial von Individuen ist von grundlegender Bedeutung für Populationsdynamiken und -verteilung und somit der Schlüssel zum Verständnis, wie Tiere Umweltveränderungen verfolgen. In der Tat korreliert das Ausbreitungspotenzial in der Regel mit den Persönlichkeiten der betreffenden Tiere, wobei ausbreitungswillige Individuen oft risikofreudiger, erkundungsfreudiger, aktiver und aggressiver sind. Die aktuelle empirische Forschung zeigt jedoch auch konträre Ergebnisse.
Theoretische Überlegungen zu dem Thema gehen davon aus, dass sich verschiedene Verhaltensphänotypen unter verschiedenen sozialen und ökologischen Bedingungen ausbreiten sollten, um ihren Verhaltensphänotyp an den Lebensraum anzupassen (d. h. die Wahl des passenden Lebensraums). Mechanistisch gesehen ist dies wahrscheinlich auf die unterschiedlichen phänotypspezifischen Kosten-Nutzen-Verhältnisse der Ausbreitung in verschiedenen Kontexten zurückzuführen. In der freien Natur wirken mehrere soziale Faktoren und Umweltfaktoren gleichzeitig. Wie sich mehrere gleichzeitig auftretende Faktoren auf die persönlichkeitsabhängige Ausbreitung von Tieren auswirken, ist jedoch noch weitgehend unerforscht.
Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, zu untersuchen, wie Persönlichkeitsmerkmale, die mit sozialem und nicht-sozialem Verhalten zusammenhängen, Verhaltenssyndrome bilden, zur Formation individueller Nischen beitragen und mit dem Ausbreitungspotenzial in verschiedenen sozialen und ökologischen Kontexten zusammenhängen. Dieses Hauptziel wird in drei Kapiteln untersucht. In Kapitel I untersuchte ich die individuellen Korrelationen zwischen zwei nicht-sozialen Persönlichkeitsmerkmalen (Risikobereitschaft und Erkundungspotenzial), die mit zwei Merkmalen des Sozialverhaltens (Aggressivität und Dominanzverhalten) korreliert sind. Indem ich das Verhalten von Rötelmäuse (Myodes glareolus) in standardisierten Tests unter Laborbedingungen wiederholt untersucht habe, stellte ich fest, dass erkundungsfreudige Individuen risikofreudigerund aggressiver waren und ein höheres Maß an Dominanzverhalten zeigten als weniger erkundungsfreudige Artgenossen. Dies bestätigt das Vorhandensein eines Verhaltenssyndroms das mit der intraspezifischen Konkurrenz bei Wühlmäusen zusammenhängt. Durch die Verknüpfung sozialer und nicht-sozialer Aspekte der Persönlichkeit tragen die Ergebnisse dieses Kapitels zur ökologischen Validierung von Persönlichkeitsmerkmalen bei und fördern unser Verständnis für die Existenz von Verhaltenssyndromen in Tiergesellschaften. Darüber hinaus stellt es einen Baustein für die nachfolgenden Kapitel dar.
In Kapitel II habe ich untersucht, ob und wie risikofreudiges Verhalten zum Prozess der Anpassung von Phänotyp und Umwelt, d. h. zu individuellen Nischen, beiträgt. Hierfür wurden unter natürlichen Bedingungen individuelle Nischen für wilde Populationen von Feldmäuse (Microtus arvalis) untersucht. Indem ich in situ sichere Umgebungen in Teilen der Landschaft reduziert habe, fand ich heraus, dass Individuen sich so bewegten, dass die von ihnen gewählten Habitate ihrer Risikophänotyp, der zuvor bestimmt wurde, (Risikobereitschaft und Erkundungsfreude) ) entsprachen, anstatt ihr Verhalten plastisch zu verändern. Diese Ergebnisse unterstützen die Wahl des passenden Lebensraums als Mechanismus zur Veränderung der Nische. Mit diesem Kapitel liefere ich also Beweise für einen bisher nur theoretisch angenommenen Prozess und verbessere unser Verständnis von individuellen Nischen, die durch die Persönlichkeit vorhergesagt werden können.
Aufbauend auf den Erkenntnissen aus den Kapiteln I und II habe ich schließlich in Kapitel III untersucht, ob und wie Persönlichkeitsmerkmale mit der Ausbreitungstendenz bei unterschiedlichem Prädationsrisiko und unterschiedlich starker intraspezifischer Konkurrenz zusammenhängen. Indem ich die Ausbreitungsneigung von verhaltensphänotypisierten Rötelmäuse unter naturnahen Bedingungen im Freien untersucht habe, stellte ich fest, dass der Verhaltensphänotyp der ausbreitungswilligen Individuen mit dem Prädationsrisiko und der Stärke der intraspezifischen Konkurrenzvariiert. Dies zeigt, dass die Individuen versuchen, sich aus Umgebungen zu entfernen, die nicht zu ihrem Verhaltensphänotyp (Risikobereitschaft, Erkundungsfreude und Dominanzverhalten) passen. Dieses Kapitel zeigt, dass mehrere soziale und ökologische Faktoren gleichzeitig die Kovarianz zwischen Ausbreitungspotenzial und Persönlichkeit beeinflussen können, und unterstützt Ausbreitungsstrategien als Prozess, der eine passende Auswahl des Lebensraums hervorruft.
Die drei werden von einer allgemeinen Einführung und einer allgemeinen Diskussion eingerahmt. In der allgemeinen Einführung stelle ich die wichtigsten Konzepte und Theorien über individuelle Verhaltensunterschiede vor und erläutere, wie sie mit der Nischentheorie und der Ausbreitung von Tieren zusammenhängen. In der allgemeinen Diskussion fasse ich die wichtigsten Ergebnisse aus den Kapiteln zusammen, erörtere mögliche Ergebnisse und zeige zukünftige Forschungsmöglichkeiten auf. Ein wichtiger Aspekt dieser Arbeit ist, dass sie verschiedene theoretische Rahmen und widersprüchliche empirische Muster aus der Forschung zum persönlichkeitsabhängigen Ausbreitungspotenzial prüft, weiterentwickelt und vorhandene Lücken schließt. Damit liefert sie wertvolle Erkenntnisse für das Verständnis, wie Individuen und damit Populationen auf Umweltveränderungen reagieren können
Langzeitsseismizitätsmodellierung in der Energiedimension
No full textSeismicity is one of the most impactful natural hazards, characterized by an inherent randomness that precludes the exact spatiotemporal prediction of its events, the earthquakes. Earthquakes cause harm to humans indirectly, mostly through damage to infrastructure. Therefore, the main route to mitigating this harm is to prepare our infrastructure to withstand the earthquake shaking they may be subject to in their lifetime. This is practically achieved by the definition of building codes that use the results of probabilistic seismic hazard assessment (PSHA). Seismicity modeling is a key component of this strategy, estimating the spatial distribution, the possible sizes, and the occurrence rates (or probabilities) of future earthquakes. Contemporary models of natural seismicity typically aim for a description of the steady-state seismicity over long time scales to then estimate the shaking at the location of and over the lifetime of infrastructure.
This cumulative doctoral thesis explores the transfer of long-term seismicity modeling from the space of the seismic moment—a static measure of earthquake size tightly linked to the slip on the fault—to the space of energy. That is, the underlying physical quantity used in the description of earthquake size is exchanged. Energy, as opposed to seismic moment, is a more direct measure of the frequencies of the seismic spectrum that are most harmful to infrastructure. Different aspects of this transfer step of long-term seismicity modeling from seismic moment to energy are treated in the three peer-reviewed manuscripts that compose this thesis.
The first manuscript derives the ‘Energy-Conserving Seismicity’ (ENCOS) framework central to this thesis. This framework is the translation of contemporary strain rate balancing seismicity models to energy space. Besides strain rate estimates, the new method additionally requires and makes use of estimates of the three-dimensional stress field, leading to an estimate of the interseismically accumulating elastic power on one hand side of the balance. Conservation of energy replaces the balance of seismic moment with strain rates, and the seismic efficiency takes the place of the coupling coefficient. The framework is specified for the Gutenberg-Richter energy frequency distribution and applied exemplarily to Southern California. The study concludes that the estimated elastic power of around 800 MW is compatible with the radiated energy of past earthquakes, showing the framework’s general plausibility.
The second manuscript turns to a physical quantity that is relevant for the ENCOS energy partitioning: the surface heat flow. A Bayesian method is developed to quantify the amplitude of known surface heat flow patterns—such as fault generated anomalies—given their superposition with unknown fluctuations present in heat flow data sets. The method’s core approach is to model these fluctuations in a Bayesian setting to fully characterize uncertainties. After validity and limitations of the model have been investigated by various means, the method is applied to the San Andreas fault, where probabilistic bounds on the frictional power are computed in the Mojave, Carrizo, Creeping, and North Coast section.
The third manuscript applies the results of the first two manuscripts to the long-standing San Andreas heat flow paradox, the lack of an expected surface heat flow anomaly in the vicinity of the fault. Expressing the heat flow anomaly in terms of elastic power and seismic efficiency, the paradox is retrieved for the Mojave section. An analysis of many mechanisms for the resolution of the paradox leaves four hypotheses that can possibly reconcile the paradox: stochastic heat flow measurement fluctuations may conceal an existing anomaly, the elastic power may be unexpectedly low, the seismic efficiency on the San Andreas fault may be high, or the scaled energy—ratio of radiated energy to seismic moment—may be low.
In a concluding discussion, I elaborate how the three manuscripts intertwine in the overarching topic of long-term seismicity modeling in energy space. A preluding methods section explores some of the fundamental physical principles underlying the presented seismicity modeling.Seismizität ist eine der größten Naturgefahren, besitzt jedoch eine intrinsische Zufälligkeit, die die exakte örtliche und zeitliche Voraussage ihrer Ereignisse, der Erdbeben, verhindert. Erdbeben schaden Menschen überwiegend indirekt durch die Beschädigung und Zerstörung von Gebäuden. Die wirksamste Maßnahme, uns gegen Schäden durch Erdbeben zu wappnen, ist es daher, unsere Infrastruktur so zu errichten, dass sie den in ihrer Nutzungsdauer zu erwartenden Erschütterungen standhält. In der Praxis wird dies durch das Aufstellen von Baunormen erreicht, die die Ergebnisse probabilistischer seismischer Gefährdungseinschätzung (PSHA) berücksichtigen. Ein grundlegender Bestandteil dieser Gefährdungseinschätzung ist die Seismizitätsmodellierung, welche zum Ziel hat, die Wiederkehrraten beziehungsweise Auftretenswahrscheinlichkeiten von Erdbeben bezüglich ihrer Muster im Raum und ihrer Stärke zu beschreiben. Aktuelle Modelle natürlicher Seismizität nutzen typischerweise eine Beschreibung von Seismizität als einen über lange Zeit gleichbleibenden Prozess, um die auftretende Erschütterung an den Standorten der Gebäude über deren Nutzungsdauer abzuschätzen.
Die vorliegende kumulative Dissertation befasst sich mit Langzeitseismizitätsmodellierung (LSM) aus einem neuen Blickwinkel. Statt dem seismischen Moment – einem statischen Maß der Erdbebengröße, welches eng mit dem Versatz auf der Störung zusammenhängt – wird die Energie als zugrundeliegende physikalische Größe verwendet. Im Gegensatz zum seismischen
Moment ist die (abgestrahlte) Energie ein direkteres Maß jener Frequenzen des seismischen Spektrums, die der Infrastruktur am gefährlichsten werden. Verschiedene Aspekte dieser Übersetzung der LSM von seismischem Moment zur Energie werden in den drei Publikationen behandelt, aus denen sich diese kumulative Dissertation zusammensetzt.
Das erste Manuskript entwickelt den für diese Arbeit zentralen, auf der Energieerhaltung basierenden methodischen Rahmen zur LSM: Das „Energy-Conserving Seismicity“ (ENCOS) Framework. Neben dem Geschwindigkeitsgradienten braucht und nutzt die neu entwickelte Methode ein Modell des dreidimensionalen Spannungsfeldes, um die interseismisch akkumulierende elastische Leistung zu bestimmen. Energieerhaltung gleicht die so akkumulierte elastische Energie mit der in Erdbeben freigesetzten Energie aus und ersetzt das Gleichgewicht des Geschwindigkeitsgradienten mit dem kumulativen seismischen Moment, auf dem existierende Methoden aufbauen. Die seismische Effizienz, das Verhältnis von abgestrahlter zu insgesamt freigesetzter Energie, übernimmt gleichfalls die Rolle der Kopplungskoeffizienten. Die Methodik wird für die Gutenberg–Richter-Energiefrequenzverteilung ausformuliert und exemplarisch in Südkalifornien angewandt. Das Ergebnis der Studie, eine interseismisch akkumulierende elastische Leistung von 800 MW
die mit der abgestrahlten Energie vergangener Erdbeben kompatibel ist, stütz die grundsätzliche Plausibilität der Methodik.
Das zweite Manuskript befasst sich mit einer zusätzlichen physikalischen Größe, die für die Energieaufteilung in der ENCOS Methodik relevant ist: Wärmefluss an der Erdoberfläche. Um die Amplitude bekannter Wärmeflussmuster (wie durch Störungen erzeugter Wärmeflussanomalien) unter Einfluss unbekannter Fluktuationen, wie sie sich in Wärmestromdichtendatensätzen finden, quantifizieren zu können, wird eine Bayesische Methode entwickelt. Nachdem Gültigkeit und Einschränkungen des zugrundeliegenden Modells
bestimmt wurden, wird die Methode auf die San Andreas-Störung in Südkalifornien (passend zum untersuchten Gebiet des ersten Manuskripts) angewandt. Probabilistische Grenzen für die in Wärme umgewandelte Leistung werden für vier Störungssegmente (Mojave, Carrizo, Creeping und North Coast) berechnet.
Im dritten Manuskript werden die Methodiken der ersten beiden Manuskripte auf den seit langem offenen Wärmeflussparadox der San Andreas-Störung angewandt, welcher das Fehlen einer erwarteten Wärmeflussanomalie an der Erdoberfläche nahe der San Andreas-Störung beschreibt. Nach einer Umformulierung des Paradoxes über die elastische Leistung und die seismische Effizienz wird der Paradox unter Zuhilfenahme der vorher berechneten Leistung für die Mojave-Sektion der Störung betrachtet. Nach einer Analyse mehrerer möglicher Mechanismen zur Auflösung des Paradoxes verbleiben vier plausible Hypothesen: Zufällige Fluktuationen in den Wärmeflussmessdaten könnten eine existierende Anomalie überdecken, die elastische Leistung könnte unerwartet niedrig ausfallen, die seismische Effizienz könnte auf der San Andreas-Störung untypisch hoch sein oder das Verhältnis von abgestrahlter Energie zu seismischem Moment könnte für die San Andreas-Störung unerwartet niedrig ausfallen.
In der abschließenden Diskussion dieser Dissertation erläutere ich, wie die drei Manuskripte im Rahmen des übergreifenden Themas der LSM zusammenhängen. Ein den Manuskripten vorgezogener Methodenteil führt einige der für diese Arbeit fundamentalen physikalischen Prinzipien ein
Procesos de movimiento con desplazamiento aleatorio y sus aplicaciones
No full textThe thesis starts with a generalized model of Stochastic resetting that extends the classical concept through a random resetting amplitude. In particular there are two scenarios: independent and dependent Random amplitude stochastic resetting (RASR). A general analytical formalism of RASR is provided explicitly based on the first renewal picture, whereby the reduction to special cases is provided. The quantitative analysis is specified through the discussion of the mean value and the variance of the height in presence of a ballistic free propagation for Poissonian and constant pace resetting. These choices of resetting interval lengths are based on the geophysical application of sediment dynamics, in which the free propagation mimics the gradual increase (deposition) or decrease (erosion) of a sedimentation profile, whereas the resets represent an additional erosion mechanism. The latter mechanism could be seasonal (constant pace resetting) or random in time weather events such as extreme floods. The qualitative difference between independent and dependent RASR is that the latter class becomes stationary, whereas the former remains non-stationary. Apart from the above geophysical scenarios, this extension of the resetting dynamics can be applied to population dynamics interrupted by epidemics or crises-interrupted financial markets. All these applications correspond to the intermittent picture of a parent process with superimposed resetting statistic, which motivates the investigations of the RASR-model as a random search strategy.
The following chapter investigates the search properties of the continuous time random walk (CTRW), which can be derived from the independent RASR-class. The problem leads to the derivation of a nonhomogeneous Wiener-Hopf equation that exactly calculates the mean first-passage time (MFPT). Apart from the fact, that the derived formalism may also be used for the indirect estimation of the jump-length PDF by assuming a given MFPT, it is shown by use of a specific jump-size PDF that the MFPT is infinite for symmetric random walks, but it becomes finite only for asymmetric jumps with a negative mean. Asymmetric jumps can be physically explained through an active movement as, e.g., chemotaxis or animal movement. However, for the quantitative description of molecular dynamics, symmetric CTRWs are presumed, for which the MFPT is not a proper quantity. In the subsequent chapters the author extended and modified these calculations for removing this failure of the MFPT for the investigation of symmetric random walks.
In the third main chapter of the thesis, a formalism for the calculation of the survival probability in first-passage time problems for symmetric random walks in semi-infinite space is provided. Therefore, a Sturm-Liouville system of equations may provide the unique solution, which is shown for a concrete example of jump-size densities in the discrete time scenario. In addition, the Sturm-Liouville system is also derived for the survival probability of a CTRW. The previous example of jump-size PDF is applied also in the continuous-time setting for arbitrary waiting-time distribution, that holds for Markovian and non-Markovian CTRW.
In the last chapter of this thesis, the MFPT of a CTRW in the presence of a uniformly moving target is discussed. Formally, the MFPT depends on the whole jump-sizes and waiting-times distributions within this configuration. Thus, the simple picture that emerged for a fixed target, when the MFPT depends on the mean waiting time, only, is (almost always) broken. Nevertheless, for a uniformly departing target, the MFPT of a CTRW may fulfill the property to be independent of the entire waiting-time PDF for a certain class of jump-size densities, that is derived within the thesis. Moreover, it is shown that the average of the entire process, i.e., jumps plus uniform movement must be negative to provide a finite MFPT, which is not satisfied by symmetric jump-size PDFs in the presence of a departing target. However, for an arriving target, the MFPT is finite even for symmetric CTRWs. This has been observed for a paradigmatic setting for waiting-time PDF and jump-size density, for which the exact result is provided analytically.Die Doktorarbeit führt zu Beginn ein verallgemeinertes Modell des stochastischen Zurücksetzens ein, bei dem ein Bewegungsprozess zu stochastischen Ereignissen um zufallsverteilte Distanzen verschoben wird. Die Dynamik des verallgemeinerten Modells ist folglich durch drei Größen charakterisiert, dem Rücksetzintervall, der rücksetzfreien Dynamik und der Rücksetzamplitude, welche dabei als Zufallsvariablen angenommen werden. Ein direktes Anwendungsgebiet findet sich in der wissenschaftlichen Disziplin der Geophysik, innerhalb derer das hier eingeführte Modell Gesteinsbildungsprozesse zu beschreiben ersucht. Im Genauerem ahmt die rücksetzfreie Ausbreitung die allmähliche Zunahme des Sedimentgesteins (Ablagerung) oder dessen Abnahme (Erosion) nach, wobei die Rücksetzereignisse einen zusätzlichen Erosionsmechanismus darstellen. Insbesondere wird zwischen zwei Klassen unterschieden: dem unabhängigen stochastischen Zurücksetzen mit zufallsverteilter Rücksetzamplitude, bei dem das Höhenprofil des Sedimentgesteins negative Werte annehmen kann, und dem unabhängigen stochastischen Zurücksetzen mit zufallsverteilter Rücksetzamplitude, welches ausschließlich positive Werte des Höhenprofils bedingt, sofern eine räumlich nicht-negative Zufallsbewegung der rücksetzfreien Dynamik zugrunde liegt. Der qualitative Unterschied zwischen unabhängigem und abhängigem stochastischem Zurücksetzen mit zufallsverteilter Rücksetzamplitude besteht darin, dass die zuletzt genannte Klasse bei ballistischer rücksetzfreier Dynamik und Poisson-verteilten Rücksetzereignissen stationär wird, während die zuerst genannte Klasse keine Stationarität annimmt. Die Wahl verschiedener Verteilungen der Rücksetzintervalle ist durch die geophysikalische Anwendung zu begründen, wobei periodische Erosionsereignisse saisonal bedingt sein können und zeitlich-zufallsverteilte Erosionsereignisse eine Modellierung von extremen Wetterereignissen wie Hochwasser erlaubt. Über die Geophysik hinaus lassen sich noch weitere Anwendungsgebiete finden. Das hier eingeführte, verallgemeinerte Modell kann zur Beschreibung von durch Epidemien beeinflusste Bevölkerungsdynamiken oder durch Krisen gestörte Finanzmarktdynamiken dienlich sein. Beide Anwendungen lassen sich zu einem übergeordnetem Prozess, namens unterbrochener Suchstrategie (Englisch: intermittent search startegy), zusammenfassen, wobei die überlagerten Rücksetzungsstatistiken weitere Untersuchungen auf diesem Gebiet durchaus motivieren.
In den anschließenden Kapiteln werden die Sucheigenschaften des Zufallspfads in kontinuierlicher Zeit untersucht. Die Untersuchung der Sucheigenschaften des Zufallspfads in kontinuierlicher Zeit spezifiziert sich zuerst auf das Problem eines endlichen Erstdurchlaufzeitmittels auf der positiven Halbachse, wobei von einer asymmetrischen Verteilung der Sprunglängen mit endlichem Mittelwert und endlicher Varianz sowie Wartezeiten mit endlichem Mittelwert ausgegangen wird. Dabei wird eine inhomogene Wiener-Hopf-Gleichung hergeleitet, die das Erstdurchlaufzeitmittel exakt zu bestimmen vermag, anstatt sich auf die Angabe einer Näherung für Startpositionen, weit entfernt von dem absorbierenden Rand, zu beschränken, bei der die Dynamik durch die Advektions-Diffusions-Gleichung approximiert werden kann. Im Gegensatz zur letztgenannten hängt das exakte Erstdurchlaufzeitmittel für Anfangswerte nahe des absorbierenden Randes von der gesamten Verteilung der Sprungamplituden ab, jedoch ebenfalls ausschließlich vom Mittelwert der Wartezeiten. Unter der Annahme, dass das Erstdurchlaufzeitmittel bekannt ist, kann der hergeleitete Formalismus für die indirekte Bestimmung der Sprunglängenverteilung genutzt werden. Darüber hinaus wird anhand einer spezifischen Sprungamplitudenverteilung gezeigt, dass das Erstdurchlaufzeitmittel für symmetrische Zufallspfade für alle Anfangspositionen unendlich ist und nur für asymmetrische Sprungverteilungen mit einem negativen Mittelwert endlich wird. Asymmetrische Sprünge können physikalisch betrachtet durch eine aktive Bewegung begründet sein, wie z. B. bei der Chemotaxis oder bei Tierbewegungen. Für die quantitative Beschreibung der Brown'schen Bewegung werden jedoch symmetrische Zufallspfade in kontinuierlicher Zeit angenommen, für die das Erstdurchlaufzeitmittel folglich keine geeignete Größe ist. In den zwei folgenden Kapiteln werden die Berechnungen erweitert bzw. das zugrundeliegende Modell modifiziert, um das Versagen des Erstdurchlaufzeitmittels für die Untersuchung von symmetrischen Zufallspfaden zu beheben.
Im dritten Hauptkapitel wird ein Formalismus zur Berechnung der Wahrscheinlichkeit, dass ein symmetrischer Zufallspfad die negative Halbachse bis zu einer bestimmten Zeit nicht betritt, vorgestellt. Im Genaueren wird das Sturm-Liouville-Problem aus der Wiener-Hopf-Gleichung abgeleitet, wobei die zuletzt genannte die Sucheigenschaften zeitdiskreter Zufallspfade diskutiert. Anhand einer konkreten, symmetrischen Sprungverteilung erlauben Wiener-Hopf Techniken, unter Annahme einer beschränkten, zu untersuchenden Größe, das Finden einer eindeutigen Lösung. Aus diesem Ergebnis lassen sich die notwendigen Randbedingungen, die das Cauchy-Problem des Sturm-Liouville-Problems vollständig definieren, bestimmen, wodurch das eindeutige Ergebnis auch durch diese unabhängige Methode erhalten werden kann. Darüber hinaus wird gezeigt, dass das Sturm-Liouville-Problem auch für das Suchproblem von Zufallspfaden in kontinuierlicher Zeit gilt. Die vorangegangene Sprunglängenverteilung wird dabei auch auf den entsprechenden zeitkontinuierlichen Prozess für beliebige Wartezeitverteilungen angewandt, die sowohl Markow'sche als auch nicht-Markow'sche Zufallspfade in kontinuierlicher Zeit beinhalten.
Im letzten Kapitel der Doktorarbeit wird das Erstdurchlaufzeitmittel eines Zufallspfades in kontinuierlicher Zeit und in Anwesenheit eines sich gleichförmig bewegenden Ziels diskutiert. Innerhalb dieser Konfiguration hängt das Erstdurchlaufzeitmittel formal betrachtet von den gesamten Sprunglängen- und Wartezeitverteilungen ab. Das einfache Bild, das sich für ein statisches Ziel ergibt, bei dem das Erstdurchlaufzeitmittel nur von der mittleren Wartezeit abhängt, ist somit also (fast immer) ungültig, obgleich beide Konfigurationen im asymptotischen Limit, d. h. für große Anfangsentfernungen zum Ziel, faktisch übereinstimmen. Neben der asymptotischen Betrachtung existiert in Gegenwart eines sich entfernenden Ziels jedoch eine bestimmte Klasse von Sprunglängenverteilungen, bei der das Erstdurchlaufzeitmittel unabhängig von der gesamten Wartezeitverteilung ist und ausschließlich dessen Mittelwert berücksichtigt. Diese spezielle Klasse von Sprunglängenverteilungen wird in diesem Kapitel hergeleitet. Allgemein muss das arithmetische Mittel der Position des gesamten Prozesses, d. h. des Zufallspfades in Überlagerung mit der gleichförmigen Bewegung, negativ sein, um ein endliches Erstdurchlaufzeitmittel zu erhalten, was bei einer symmetrischen Verteilung der Sprunglängen und eines sich entfernenden Ziels faktisch nicht gegeben ist. In Gegenwart eines sich nähernden Ziels hingegen nimmt der Erstdurchlaufmittelwert eines symmetrischen Zufallspfades endliche Werte an, was für eine spezifische, symmetrische Sprunglängenverteilung analytisch belegt und numerisch motiviert wird.La tesis doctoral comienza introduciendo un modelo generalizado de restablecimiento estocástico, en el que un proceso de movimiento se desplaza a eventos estocásticos mediante distancias distribuidas aleatoriamente. La dinámica del modelo generalizado se caracteriza por tres variables, el intervalo de restablecimiento, la dinámica sin restablecimiento y la amplitud de restablecimiento, que se suponen variables aleatorias. Un campo de aplicación directa se encuentra en la disciplina científica de la geofísica, dentro de la cual el modelo aquí introducido pretende describir los procesos de formación de rocas. Más en detalle, la propagación sin restablecimiento imita el aumento gradual de la roca sedimentaria (deposición) o su disminución (erosión), por lo que los eventos de restablecimiento representan un mecanismo de erosión adicional. En particular, se distinguen dos clases: el restablecimiento estocástico de amplitud aleatoria independiente, en el que el perfil de altura de la roca sedimentaria puede asumir valores negativos, y el restablecimiento estocástico de amplitud de aleatoria dependiente, que sólo requiere valores positivos del perfil de altura, siempre que un movimiento aleatorio espacialmente no negativo subyazca a la dinámica sin restablecimiento. La diferencia cualitativa entre el restablecimiento estocástico con amplitud de restablecimiento distribuida aleatoriamente independiente y dependiente es que la última clase se vuelve estacionaria con dinámica balística sin restablecimiento y eventos de restablecimiento distribuidos de Poisson, mientras que la primera clase no asume estacionariedad. La selección de ambas distribuciones de los intervalos de restablecimiento se justifica por la aplicación geofísica, según la cual los fenómenos de erosión periódicos pueden ser estacionales y los fenómenos de erosión distribuidos temporalmente al azar permiten modelizar fenómenos meteorológicos extremos como las inundaciones. Además de la geofísica, pueden encontrarse otros ámbitos de aplicación. El modelo generalizado que aquí se presenta puede ser útil para describir dinámicas de población influidas por epidemias o dinámicas de mercados financieros perturbados por crisis. Ambas aplicaciones pueden resumirse en un proceso de nivel superior denominado estrategia de búsqueda intermitente (inglés: intermittent search strategy), y las estadísticas de restablecimiento superpuestas motivan sin duda nuevas investigaciones en este ámbito.
En los siguientes capítulos se analizan las propiedades de búsqueda del paseo aleatorio en tiempo continuo. La investigación de las propiedades de búsqueda del paseo aleatorio en tiempo continuo se especifica primero en el problema del tiempo medio de primer paso finito en el semieje positivo, suponiendo una distribución asimétrica de longitudes de salto con media finita y varianza finita, así como tiempos de espera con media finita. Se deduce una ecuación integral de Wiener-Hopf no homogénea, que es capaz de determinar exactamente la media del tiempo de primer paso, en lugar de limitarse a la especificación de una aproximación para posiciones iniciales alejadas del borde absorbente, donde la dinámica puede aproximarse mediante la ecuación de advección-difusión. A diferencia de este último, la media exacta del tiempo de primer paso para valores iniciales próximos al borde absorbente depende de la distribución total de las amplitudes de salto, pero también exclusivamente del valor medio de los tiempos de espera. Suponiendo que se conozca el medio del tiempo de primer paso, se muestra cómo el formalismo derivado puede utilizarse también para la determinación indirecta de la distribución de saltos. Además, se utiliza una distribución de amplitud de salto específica para demostrar que la media del tiempo de primer paso de los pasos aleatorios simétricos es infinita para todas las posiciones iniciales y sólo se hace finita para distribuciones de salto asimétricas con un valor medio negativo. Desde un punto de vista físico, los saltos asimétricos pueden deberse a un movimiento activo, por ejemplo, la quimiotaxis o los movimientos de animales. Para la descripción cuantitativa del movimiento browniano, sin embargo, se suponen pasoes aleatorios simétricos en tiempo continuo, para las que la media del tiempo del primer paso no es, por tanto, una cantidad adecuada. En los dos capítulos siguientes se amplían los cálculos y se modifica el modelo subyacente con el fin de eliminar el fallo de la media del tiempo de primer paso para la investigación de trayectorias aleatorias simétricas.
En el tercer capítulo principal, se presenta un formalismo para calcular la probabilidad de que un paseo aleatorio simétrico no entre en el semieje negativo hasta un cierto tiempo. Más concretamente, la ecuación de Sturm-Liouville se deriva de la ecuación integral de Wiener-Hopf, donde se muestra que esta última discute las propiedades de búsqueda de los pasos aleatorios en tiempo discreto. Utilizando el ejemplo concreto de una distribución de saltos simétrica y doble exponencial, las técnicas de Wiener-Hopf permiten hallar una solución única, suponiendo una cantidad limitada a analizar. A partir de este resultado, se pueden determinar las condiciones de contorno necesarias, que definen completamente el problema de Cauchy de la ecuación de Sturm-Liouville, por lo que el resultado único también se puede obtener por este método independiente. Además, en el cuarto capítulo se demuestra que la ecuación de Sturm-Liouville también se aplica al problema de búsqueda de pasos aleatorios en tiempo continuo. El ejemplo anterior de una distribución de longitud de salto simétrica y doble exponencial se aplica también al correspondiente proceso en tiempo continuo para distribuciones arbitrarias de tiempo de espera, que contienen pasos aleatorios en tiempo continuo tanto markovianos como no markovianos.
En el último capítulo de la tesis doctoral se discute el tiempo medio de primer paso de un paseo aleatorio en tiempo continuo en presencia de un objeto en movimiento uniforme. Dentro de esta configuración, el tiempo medio del primer paso depende formalmente de la longitud total del salto y de las distribuciones del tiempo de espera. La imagen simple que resulta para un objetivo estático, en el que el tiempo medio del primer paso depende sólo del tiempo medio de espera, es por tanto (casi siempre) inválida, aunque ambas configuraciones en el límite asintótico, es decir, para grandes distancias iniciales al objetivo, son de hecho las mismas. Sin embargo, además de la consideración asintótica, existe una cierta clase de distribuciones de longitud de salto en presencia de un objetivo móvil, en la que la media del tiempo de primer paso es independiente de la distribución total del tiempo de espera y sólo tiene en cuenta su valor medio. Esta clase especial de distribuciones de longitud de salto se deriva en este capítulo. En general, la media de la posición de todo el proceso, es decir, el paseo aleatorio en superposición con el movimiento uniforme, debe ser negativa para obtener una media finita del tiempo de primer paso, lo que no ocurre con una distribución simétrica de longitudes de salto y un objetivo móvil. Sin embargo, en presencia de un objetivo que se aproxima, el valor medio del tiempo de primer paso del paseo aleatorio simétrico asume valores finitos, lo que se demuestra analíticamente y se motiva numéricamente para una distribución de longitud de salto específica y simétrica
Das Tierkrematorium
No full textDie Klausur wurde von Lea Rück für die Übung im Schwerpunkt "Staat -Wirtschaft - Kommunales" erstellt
Die Energiewende als Bildungsauftrag im Sachunterricht im Kontext der Bildung für nachhaltige Entwicklung – Windenergie
No full text„Für das Thema Nachhaltige Entwicklung gibt es keine einfach Lösung. Wenn es eine gäbe, dann wäre es die Bildung für Nachhaltige Entwicklung“ (Holzbaur 2020, S. 335)
Mit der Bildung für nachhaltige Entwicklung sollen junge Menschen dazu befähigt werden, gegenwärtig und zukünftig nachhaltig zu handeln. Als perspektivenvernetzender Themenbereich im Sachunterricht nimmt die Vermittlung der Inhalte und Kompetenzen von Bildung für nachhaltige Entwicklung in der Grundschule eine besondere Stellung ein. Es stellt sich dabei vor allem die Frage, wie eine Befähigung zum nachhaltigen Handeln im Unterricht konkret gestaltet werden kann, um die komplexen Inhalte und benötigten Kompetenzen, die es für eine Nachhaltige Entwicklung bedarf, kindgerecht, aber dennoch bildungswirksam zu vermitteln. Als wichtige Umsetzung einer Nachhaltigen Entwicklung kann das Thema Energiewende angemessen aufgearbeitet werden, um Bildung für nachhaltige Entwicklung im Sachunterricht zu vermitteln.
Der auf die schulische Praxis ausgerichtete Band 5 der Potsdamer Beiträge zur Innovation des Sachunterrichts stellt eine didaktisch legitimierte Themenreihung zur Energiewende am Beispiel der Windenergie vor, die es erlaubt, unter Berücksichtigung von Zielen, Inhalten und Kompetenzen der Bildung für nachhaltige Entwicklung das komplexe Thema der Energiewende bildungswirksam bereits in der Grundschule zu implementieren. Der Band richtet sich vorrangig an alle Lehrkräfte des Sachunterrichts und dessen Bezugsfächer, stellt durch eine umfassende fachwissenschaftliche Aufarbeitung des Themenbereichs jedoch auch für fachfremde Lehrkräfte eine Planungsgrundlage dar
Surface uplift, exhumation, and drainage evolution of the Central Tian Shan, Kyrgyzstan
No full textQuantifying the patterns and rates of erosion, and understanding the relative contributions of tectonics, climate, and lithology to these, are crucial to improving understanding of the Earth surface dynamic system. A long-standing debate in the geosciences concerns whether erosion rates significantly increased during the late Cenozoic, potentially due to Pliocene-Quaternary glaciations, Cenozoic tectonic reactivation and evolving surface processes. As the largest intra-continental mountain belt in Central Asia, the Tian Shan presents a high-topography landscape with extensively glaciated valleys, as well as high-elevation, low-relief surfaces and intermontane basins. Late Cenozoic progressive uplift of the Tian Shan coincided with regional aridification and gradual global cooling, adding complexity but also significance to isolate and quantify their respective roles in modulating topography and erosion of this mountain belt. This work investigates the interaction between surface uplift, exhumation and drainage evolution of the Central Tian Shan, Kyrgyzstan, using low-temperature thermochronology, geomorphology, remote sensing, structural geology, thermal-kinematic modeling, river long profile analysis and field geology analysis.
Previous thermochronologic studies from the highest parts of the Tian Shan, i.e. the Khan Tengri and Pobedi massifs, as well as the foreland fold-and-thrust belts both on the southern and northern sides of the central Tian Shan, have reported accelerated exhumation since the Late Miocene (~10 Ma), linked to the reactivation of inherited fault structures propagating toward the foreland basins. However, the spatial and temporal patterns of exhumation along major fault zones such as the Pobedi Thrust, remain poorly understood. New low-temperature thermochronologic data (apatite and zircon (U-Th-Sm)/He, apatite fission-track) from this study reveal spatially variable exhumation histories across the region. In contrast to enhanced exhumation in the Khan Tengri and Pobedi massifs, our samples from the Pobedi Thrust farther westward indicate that a minimal amount of Cenozoic exhumation is overshadowed by Late Paleozoic and Mesozoic cooling, despite the region's high topography. I also observe late-Cenozoic tilting and deformation of pre-Oligocene topography. I explain the lateral variations in exhumation along the same fault zone by a transpressional tectonic regime along these faults.
To further investigate the interplay between tectonics, glaciation and erosion, I analyze the Terskey Range, which has been significantly glaciated during the Quaternary. Reanalysis of thermochronologic data from the Barskoon and Kyzyl Suu Valleys, along with new data from valley-bottom samples, reveals a shared tectonic history, with a period of increased tilting around 9-10 Ma. However, in contrast to the mostly fluvial Kyzyl Suu Valley, the glaciated Barskoon Valley experienced a significant increase in relief over the last millions of years (2.7 ± 2 Ma), likely driven by rapid valley deepening and accelerated erosion during glaciation. While glacial erosion plays an important role in shaping the landscape of the Terskey Range, our results suggest that substantial impacts of Quaternary climate change on erosion are likely limited to intensely glaciated regions.
Lastly, I assess how tectonics and river dynamics influence drainage evolution in the central South Tian Shan, focusing on the fluvial drainage pattern of the Saryjaz River in SE Kyrgyzstan, which marks the lateral transition from longitudinal to transverse drainage in the central Tian Shan. Detailed topographic and fluvial analyses, including knickpoint characteristics, indicate transient knickpoints caused by a large-magnitude river capture event. These findings suggest that the incision in the Saryjaz catchment was not driven by accelerated uplift or base-level fall, but rather by intrinsic processes related to the overfilling of Neogene intermontane basins, influenced by both tectonic and climate factors. These findings provide new insights into the complex interactions between tectonics, climate, and surface processes that have shaped the landscape evolution of the central South Tian Shan.Die Quantifizierung von Mustern und Raten der Erosion sowie das Verständnis der relativen Beiträge von Tektonik, Klima und Lithologie sind entscheidend für ein besseres Verständnis des dynamischen Systems der Erdoberfläche. Eine lange bestehende Debatte in den Geowissenschaften betrifft die Frage, ob sich die Erosionsraten im späten Känozoikum signifikant erhöht haben – möglicherweise infolge der pliozän-pleistozänen Vergletscherung, känozoischer tektonischer Reaktivierung und sich entwickelnder Oberflächenprozesse. Als größter innerkontinentaler Gebirgsgürtel in Zentralasien weist das Tian-Shan-Gebirge eine hochgelegene Topographie mit stark vergletscherten Tälern, hoch gelegenen, reliefarmen Flächen sowie intermontanen Becken auf. Die fortschreitende Hebung des Tian Shan im späten Känozoikum fiel mit regionaler Aridifizierung und allmählicher globaler Abkühlung zusammen – was die Isolierung und Quantifizierung der jeweiligen Einflüsse auf Topographie und Erosion komplex, aber wissenschaftlich bedeutsam macht.
Diese Arbeit untersucht die Wechselwirkungen zwischen Oberflächenhebung, Exhumierung und Entwässerungsentwicklung im zentralen Tian Shan (Kirgisistan) mithilfe von Niedrigtemperatur-Thermochronologie, Geomorphologie, Fernerkundung, Strukturgeologie, thermisch-kinematischer Modellierung, Analyse von Flusslängsprofilen und Geländebeobachtungen.
Frühere thermochronologische Studien aus den höchsten Bereichen des Tian Shan – insbesondere aus den Khan-Tengri- und Pobedi-Massiven sowie aus den Falten- und Überschiebungsgürteln im Vorland auf der Nord- und Südseite des zentralen Tian Shan – berichten von beschleunigter Exhumierung seit dem späten Miozän (~10 Ma), verbunden mit der Reaktivierung älterer Störungszonen, die sich in die Vorlandbecken hinein ausbreiten. Die räumlich-zeitlichen Muster der Exhumierung entlang wichtiger Störungszonen, wie der Pobedi-Überschiebung, sind jedoch bisher nur unzureichend verstanden. Neue Thermochronologiedaten (Apatit- und Zirkon-(U-Th-Sm)/He, Apatit-Spaltspuranalyse) aus dieser Studie zeigen räumlich variierende Exhumierungsgeschichten in der Region. Im Gegensatz zur verstärkten Exhumierung in den Khan-Tengri- und Pobedi-Massiven deuten unsere Proben aus dem westlich gelegenen Bereich der Pobedi-Überschiebung darauf hin, dass eine minimale känozoische Exhumierung durch spätpaläozoische und mesozoische Abkühlung überlagert wird – trotz der hohen Topographie der Region. Zudem lassen sich spätkänozoische Kippungen und Deformationen prä-oligozäner Topographie beobachten. Diese lateralen Unterschiede in der Exhumierung entlang derselben Störungszone erkläre ich durch ein transpressives tektonisches Regime entlang dieser Störungen.
Zur weiteren Untersuchung des Zusammenspiels von Tektonik, Vergletscherung und Erosion analysiere ich das Terskey-Gebirge, das während des Quartärs stark vergletschert war. Die Neubewertung thermochronologischer Daten aus den Tälern Barskoon und Kyzyl Suu zeigt zusammen mit neuen Daten von Talsohlenproben eine gemeinsame tektonische Entwicklung mit einer Phase verstärkter Kippung um 9–10 Ma. Im Gegensatz zum überwiegend fluvial geprägten Kyzyl-Suu-Tal erfuhr das vergletscherte Barskoon-Tal in den letzten Millionen Jahren (2,7 ± 2 Ma) eine signifikante Reliefvergrößerung, vermutlich ausgelöst durch rasche Talvertiefung und beschleunigte Erosion während der Vergletscherung. Während glaziale Erosion eine wichtige Rolle bei der Landschaftsformung im Terskey-Gebirge spielt, legen unsere Ergebnisse nahe, dass erhebliche Auswirkungen des quartären Klimawandels auf die Erosion wahrscheinlich auf intensiv vergletscherte Regionen beschränkt sind.
Abschließend bewerte ich den Einfluss von Tektonik und Flussdynamik auf die Entwässerungsentwicklung im zentralen südlichen Tian Shan mit Fokus auf das Flussmuster des Saryjaz-Flusses im Südosten Kirgisistans. Dieser markiert den lateralen Übergang von längsgerichteter zu quer verlaufender Entwässerung im zentralen Tian Shan. Detaillierte topographische und fluviale Analysen, einschließlich der Eigenschaften von Knickpunkten, weisen auf transiente Knickpunkte hin, die durch ein großes Flussanzapfungsereignis verursacht wurden. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Eintiefung im Einzugsgebiet des Saryjaz nicht durch beschleunigte Hebung oder Basisniveauabsenkung verursacht wurde, sondern durch intrinsische Prozesse im Zusammenhang mit der Überfüllung neogener intermontaner Becken, beeinflusst durch sowohl tektonische als auch klimatische Faktoren. Diese Erkenntnisse liefern neue Einblicke in die komplexen Wechselwirkungen zwischen Tektonik, Klima und Oberflächenprozessen, die die Landschaftsentwicklung im zentralen südlichen Tian Shan geprägt haben
Applications of Machine Learning to Simulation-based Fault Injection for Reliability Analysis
No full textAs integrated circuit (IC) manufacturing entered into the nanoscale range, the likelihood of faults in ICs has increased due to various physical, environmental, and material-related factors. These faults can propagate throughout the system, potentially leading to system failure. As a result, circuit reliability has become critically important in both safety-critical and commercial applications. Simulation-based fault injection (i.e., fault simulation) is a widely adopted technique for reliability analysis, offering advantages such as early-stage implementation without requiring modifications to source code. However, its primary limitation lies in its time-intensive nature, especially when applied to complex circuit systems. This thesis introduces Machine Learning (ML) methodologies for reliability analysis based on fault simulation, providing a more time- and labor-efficient alternative to traditional fault simulation approaches.
ML models are effective in analyzing large datasets to identify patterns between input features and desired outcomes. To explore the feasibility of predicting fault simulation results with ML, permanent faults (stuck-at-0 and stuck-at-1) are used initially due to their simplicity compared to transient faults. Neural Networks (NNs) are selected as the preliminary ML model. The first step of applying ML to fault simulation is to extract relevant features and convert them into abstract data suitable for ML inputs. Fault simulation outcomes are influenced by the circuit's structure and the applied simulation test case. In the NN approach, features are derived from the circuit's netlist and simulation waveform to create the dataset. These features are input into the NN models in vector format together with labels indicating fault simulation results. The NNs learn from them to search for the pattern for prediction.
To comprehensively take advantage of the circuit's structural feature that NNs neglect, Graph Neural Networks (GNNs) are employed as the advanced model. In the GNN approach, the circuit's relevant features are modeled as a graph, where nodes represent gates and edges represent interconnections. The graph model is input into GNNs, which learn to map the features to fault simulation results. The NN and GNN approach have been validated on six circuits, achieving accuracies between 83% and 100%. Experimental results show that GNNs outperform NNs in hyperparameter tuning efficiency, handling imbalanced datasets, and prediction accuracy. Furthermore, an approach to accelerate fault simulation using the proposed methods is demonstrated and evaluated, highlighting the technique to balance the efficiency and accuracy of the proposed approach.
Subsequently, this thesis extends its focus to the more complex faults, transient faults, specifically Single Event Upsets (SEUs). A GNN-based method has been proposed to identify critical flip-flops for SEU fault tolerance in circuits, leveraging the superior performance of GNNs over NNs. Unlike the earlier approach targeting all gate types, this method models the circuit as a graph where only flip-flops serve as nodes. Breadth-First Search (BFS) is used to identify the shortest paths between flip-flops. Edges are created between flip-flops if the number of combinational gates on the path is below a defined threshold. Additionally, vectors are generated to encode the types and order of combinational gates along the edges. Four different GNNs are tested in order to search for the best one. The proposed method is validated on two open-source RISC-V cores, achieving prediction accuracies of 97.76% for Ibex and 98.67% for RI5CY. The approach's efficiency in accelerating the identification of critical flip-flops in these circuits is also analyzed.
SEU fault simulation extends beyond the identification of critical flip-flops, offering a wide range of application scenarios. This thesis introduces an innovative approach utilizing Spatio-Temporal Graph Convolutional Networks (STGCNs) to directly predict SEU fault simulation results. Similar to previous methods, the circuit is represented as a graph, but temporal data from test cases is incorporated to create spatio-temporal graphs, capturing the time-sensitive behavior of SEU faults. STGCNs are trained on these graphs to identify SEU fault propagation patterns and enable predictive capabilities. Two sampling methods are introduced to evaluate the performance of the STGCN approach. Spatial sampling selects SEU faults based on their locations (flip-flops), while temporal sampling chooses faults based on injection time. Validation on six test circuits demonstrates prediction accuracies between 93% and 99%. Methods for accelerating SEU fault analysis using STGCNs with different sampling strategies are also provided. Among these, hybrid sampling, which combines spatial and temporal sampling, is identified as the optimal approach for balancing efficiency and accuracy.Mit der Herstellung integrierter Schaltkreise (IC) im Nanomaßstab ist die Wahrscheinlichkeit von Fehlern in ICs aufgrund verschiedener physikalischer, umweltbedingter und materialbezogener Faktoren gestiegen. Diese Fehler können sich im gesamten System ausbreiten und möglicherweise zu Systemausfällen führen. Infolgedessen ist die Zuverlässigkeit der Schaltkreise sowohl in sicherheitskritischen als auch in kommerziellen Anwendungen von entscheidender Bedeutung geworden. Die simulationsbasierte Fehlerinjektion (d. h. Fehlersimulation) ist eine weit verbreitete Technik zur Zuverlässigkeitsanalyse, die Vorteile wie eine Implementierung im Frühstadium bietet, ohne dass Änderungen am Quellcode erforderlich sind. Die Hauptbeschränkung liegt jedoch in ihrem zeitintensiven Charakter, insbesondere bei der Anwendung auf komplexe Schaltkreissysteme. Diese Arbeit stellt Methoden des maschinellen Lernens (ML) für die Zuverlässigkeitsanalyse auf der Grundlage von Fehlersimulationen vor und bietet eine zeit- und arbeitseffizientere Alternative zu herkömmlichen Fehlersimulationsansätzen.
ML-Modelle sind effektiv bei der Analyse großer Datensätze, um Muster zwischen Eingabemerkmalen und gewünschten Ergebnissen zu identifizieren. Um die Machbarkeit der Vorhersage von Fehlersimulationsergebnissen mit ML zu untersuchen, werden zunächst permanente Fehler (Stuck-at-0 und Stuck-at-1) aufgrund ihrer Einfachheit im Vergleich zu vorübergehenden Fehlern verwendet. Neuronale Netze (NNs) werden als vorläufiges ML-Modell ausgewählt. Der erste Schritt bei der Anwendung von ML auf die Fehlersimulation besteht darin, relevante Merkmale zu extrahieren und sie in abstrakte Daten umzuwandeln, die für ML-Eingaben geeignet sind. Die Ergebnisse der Fehlersimulation werden von der Struktur der Schaltung und dem angewandten Simulationstestfall beeinflusst. Beim NN-Ansatz werden Merkmale aus der Netzliste und der Simulationswellenform der Schaltung abgeleitet, um den Datensatz zu erstellen. Diese Merkmale werden zusammen mit Beschriftungen, die die Ergebnisse der Fehlersimulation angeben, im Vektorformat in die NN-Modelle eingegeben. Die NNs lernen von ihnen, nach dem Muster für die Vorhersage zu suchen.
Um die strukturellen Merkmale der Schaltung, die von NNs vernachlässigt werden, umfassend auszunutzen, werden Graph Neural Networks (GNNs) als erweitertes Modell eingesetzt. Beim GNN-Ansatz werden die relevanten Merkmale der Schaltung als Graph modelliert, wobei Knoten Gatter und Kanten Verbindungen darstellen. Das Graphmodell wird in GNNs eingegeben, die lernen, die Merkmale auf Ergebnisse der Fehlersimulation abzubilden. Der NN- und GNN-Ansatz wurde an sechs Schaltkreisen validiert und erreichte Genauigkeiten zwischen 83% und 100%. Versuchsergebnisse zeigen, dass GNNs NNs in Bezug auf die Effizienz der Hyperparameter-Abstimmung, den Umgang mit unausgewogenen Datensätzen und die Vorhersagegenauigkeit übertreffen. Darüber hinaus wird ein Ansatz zur Beschleunigung der Fehlersimulation unter Verwendung der vorgeschlagenen Methoden demonstriert und bewertet, wobei die Technik zur Ausbalancierung der Effizienz und Genauigkeit des vorgeschlagenen Ansatzes hervorgehoben wird.
Anschließend erweitert diese Arbeit ihren Fokus auf die komplexeren Fehler, vorübergehende Fehler, insbesondere Single Event Upsets (SEUs). Es wurde eine GNN-basierte Methode vorgeschlagen, um kritische Flipflops für die SEU-Fehlertoleranz in Schaltkreisen zu identifizieren, wobei die überlegene Leistung von GNNs gegenüber NNs genutzt wird. Im Gegensatz zum früheren Ansatz, der auf alle Gate-Typen abzielte, modelliert diese Methode den Schaltkreis als Graph, in dem nur Flipflops als Knoten dienen. Die Breitensuche (Breadth-First Search, BFS) wird verwendet, um die kürzesten Pfade zwischen Flipflops zu identifizieren. Kanten werden zwischen Flipflops erstellt, wenn die Anzahl der kombinatorischen Gatter auf dem Pfad unter einem definierten Schwellenwert liegt. Zusätzlich werden Vektoren generiert, um die Typen und die Reihenfolge der kombinatorischen Gatter entlang der Kanten zu kodieren. Vier verschiedene GNNs werden getestet, um das beste zu finden. Die vorgeschlagene Methode wird auf zwei Open-Source-RISC-V-Kernen validiert und erreicht Vorhersagegenauigkeiten von 97,76% für Ibex und 98,67% für RI5CY. Die Effizienz des Ansatzes bei der Beschleunigung der Identifizierung kritischer Flipflops in diesen Schaltkreisen wird ebenfalls analysiert.
Die SEU-Fehlersimulation geht über die Identifizierung kritischer Flipflops hinaus und bietet eine breite Palette von Anwendungsszenarien. Diese Arbeit stellt einen innovativen Ansatz vor, der Spatio-Temporal Graph Convolutional Networks (STGCNs) verwendet, um SEU-Fehlersimulationsergebnisse direkt vorherzusagen. Ähnlich wie bei früheren Methoden wird der Schaltkreis als Graph dargestellt, aber es werden zeitliche Daten aus Testfällen einbezogen, um räumlich-zeitliche Graphen zu erstellen, die das zeitabhängige Verhalten von SEU-Fehlern erfassen. STGCNs werden anhand dieser Graphen trainiert, um Ausbreitungsmuster von SEU-Fehlern zu erkennen und Vorhersagefähigkeiten zu ermöglichen. Um die Leistung des STGCN-Ansatzes zu bewerten, werden zwei Sampling-Methoden eingeführt. Beim räumlichen Sampling werden SEU-Fehler anhand ihrer Standorte (Flip-Flops) ausgewählt, während beim zeitlichen Sampling Fehler anhand der Injektionszeit ausgewählt werden. Die Validierung an sechs Testschaltkreisen zeigt Vorhersagegenauigkeiten zwischen 93% und 99%. Es werden auch Methoden zur Beschleunigung der SEU-Fehleranalyse unter Verwendung von STGCNs mit unterschiedlichen Sampling-Strategien bereitgestellt. Unter diesen wird das hybride Sampling, das räumliches und zeitliches Sampling kombiniert, als optimaler Ansatz zum Ausgleich von Effizienz und Genauigkeit identifiziert
