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Erinnerungsboom, unzuverlässiges Erinnern und "Tricksder Erinnerung" in Jan Koneffkes "Ein Sonntagskind" (2015)
No full textKausale Entdeckung in der Praxis: Nichtparametrische bedingte Unabhängigkeitstests und Werkzeuge für die Kausalentdeckung
No full textKnowledge about causal structures is crucial for decision support in various domains. For example, in discrete manufacturing, identifying the root causes of failures and quality deviations that interrupt the highly automated production process requires causal structural knowledge. However, in practice, root cause analysis is usually built upon individual expert knowledge about associative relationships. But, "correlation does not imply causation", and misinterpreting associations often leads to incorrect conclusions. Recent developments in methods for causal discovery from observational data have opened the opportunity for a data-driven examination. Despite its potential for data-driven decision support, omnipresent challenges impede causal discovery in real-world scenarios. In this thesis, we make a threefold contribution to improving causal discovery in practice.
(1) The growing interest in causal discovery has led to a broad spectrum of methods with specific assumptions on the data and various implementations. Hence, application in practice requires careful consideration of existing methods, which becomes laborious when dealing with various parameters, assumptions, and implementations in different programming languages. Additionally, evaluation is challenging due to the lack of ground truth in practice and limited benchmark data that reflect real-world data characteristics.
To address these issues, we present a platform-independent modular pipeline for causal discovery and a ground truth framework for synthetic data generation that provides comprehensive evaluation opportunities, e.g., to examine the accuracy of causal discovery methods in case of inappropriate assumptions.
(2) Applying constraint-based methods for causal discovery requires selecting a conditional independence (CI) test, which is particularly challenging in mixed discrete-continuous data omnipresent in many real-world scenarios. In this context, inappropriate assumptions on the data or the commonly applied discretization of continuous variables reduce the accuracy of CI decisions, leading to incorrect causal structures.
Therefore, we contribute a non-parametric CI test leveraging k-nearest neighbors methods and prove its statistical validity and power in mixed discrete-continuous data, as well as the asymptotic consistency when used in constraint-based causal discovery. An extensive evaluation of synthetic and real-world data shows that the proposed CI test outperforms state-of-the-art approaches in the accuracy of CI testing and causal discovery, particularly in settings with low sample sizes.
(3) To show the applicability and opportunities of causal discovery in practice, we examine our contributions in real-world discrete manufacturing use cases. For example, we showcase how causal structural knowledge helps to understand unforeseen production downtimes or adds decision support in case of failures and quality deviations in automotive body shop assembly lines.Kenntnisse über die Strukturen zugrundeliegender kausaler Mechanismen sind eine Voraussetzung für die Entscheidungsunterstützung in verschiedenen Bereichen. In der Fertigungsindustrie beispielsweise erfordert die Fehler-Ursachen-Analyse von Störungen und Qualitätsabweichungen, die den hochautomatisierten Produktionsprozess unterbrechen, kausales Strukturwissen. In Praxis stützt sich die Fehler-Ursachen-Analyse in der Regel jedoch auf individuellem Expertenwissen über assoziative Zusammenhänge. Aber "Korrelation impliziert nicht Kausalität", und die Fehlinterpretation assoziativer Zusammenhänge führt häufig zu falschen Schlussfolgerungen. Neueste Entwicklungen von Methoden des kausalen Strukturlernens haben die Möglichkeit einer datenbasierten Betrachtung eröffnet. Trotz seines Potenzials zur datenbasierten Entscheidungsunterstützung wird das kausale Strukturlernen in der Praxis jedoch durch allgegenwärtige Herausforderungen erschwert. In dieser Dissertation leisten wir einen dreifachen Beitrag zur Verbesserung des kausalen Strukturlernens in der Praxis.
(1) Das wachsende Interesse an kausalem Strukturlernen hat zu einer Vielzahl von Methoden mit spezifischen statistischen Annahmen über die Daten und verschiedenen Implementierungen geführt. Daher erfordert die Anwendung in der Praxis eine sorgfältige Prüfung der vorhandenen Methoden, was eine Herausforderung darstellt, wenn verschiedene Parameter, Annahmen und Implementierungen in unterschiedlichen Programmiersprachen betrachtet werden. Hierbei wird die Evaluierung von Methoden des kausalen Strukturlernens zusätzlich durch das Fehlen von "Ground Truth" in der Praxis und begrenzten Benchmark-Daten, welche die Eigenschaften realer Datencharakteristiken widerspiegeln, erschwert.
Um diese Probleme zu adressieren, stellen wir eine plattformunabhängige modulare Pipeline für kausales Strukturlernen und ein Tool zur Generierung synthetischer Daten vor, die umfassende Evaluierungsmöglichkeiten bieten, z.B. um Ungenauigkeiten von Methoden des Lernens kausaler Strukturen bei falschen Annahmen an die Daten aufzuzeigen.
(2) Die Anwendung von constraint-basierten Methoden des kausalen Strukturlernens erfordert die Wahl eines bedingten Unabhängigkeitstests (CI-Test), was insbesondere bei gemischten diskreten und kontinuierlichen Daten, die in vielen realen Szenarien allgegenwärtig sind, die Anwendung erschwert. Beispielsweise führen falsche Annahmen der CI-Tests oder die Diskretisierung kontinuierlicher Variablen zu einer Verschlechterung der Korrektheit der Testentscheidungen, was in fehlerhaften kausalen Strukturen resultiert.
Um diese Probleme zu adressieren, stellen wir einen nicht-parametrischen CI-Test vor, der auf Nächste-Nachbar-Methoden basiert, und beweisen dessen statistische Validität und Trennschärfe bei gemischten diskreten und kontinuierlichen Daten, sowie dessen asymptotische Konsistenz in constraint-basiertem kausalem Strukturlernen. Eine umfangreiche Evaluation auf synthetischen und realen Daten zeigt, dass der vorgeschlagene CI-Test bestehende Verfahren hinsichtlich der Korrektheit der Testentscheidung und gelernter kausaler Strukturen übertrifft, insbesondere bei geringen Stichprobengrößen.
(3) Um die Anwendbarkeit und Möglichkeiten kausalen Strukturlernens in der Praxis aufzuzeigen, untersuchen wir unsere Beiträge in realen Anwendungsfällen aus der Fertigungsindustrie. Wir zeigen an mehreren Beispielen aus der automobilen Karosseriefertigungen wie kausales Strukturwissen helfen kann, unvorhergesehene Produktionsausfälle zu verstehen oder eine Entscheidungsunterstützung bei Störungen und Qualitätsabweichungen zu geben
Long-term bacteria-fungi-plant associations in permafrost soils inferred from palaeometagenomics
No full textThe arctic is warming 2 – 4 times faster than the global average, resulting in a strong feedback on northern ecosystems such as boreal forests, which cover a vast area of the high northern latitudes. With ongoing global warming, the treeline subsequently migrates northwards into tundra areas. The consequences of turning ecosystems are complex: on the one hand, boreal forests are storing large amounts of global terrestrial carbon and act as a carbon sink, dragging carbon dioxide out of the global carbon cycle, suggesting an enhanced carbon uptake with increased tree cover. On the other hand, with the establishment of trees, the albedo effect of tundra decreases, leading to enhanced soil warming. Meanwhile, permafrost thaws, releasing large amounts of previously stored carbon into the atmosphere. So far, mainly vegetation dynamics have been assessed when studying the impact of warming onto ecosystems. Most land plants are living in close symbiosis with bacterial and fungal communities, sustaining their growth in nutrient poor habitats. However, the impact of climate change on these subsoil communities alongside changing vegetation cover remains poorly understood. Therefore, a better understanding of soil community dynamics on multi millennial timescales is inevitable when addressing the development of entire ecosystems. Unravelling long-term cross-kingdom dependencies between plant, fungi, and bacteria is not only a milestone for the assessment of warming on boreal ecosystems. On top, it also is the basis for agriculture strategies to sustain society with sufficient food in a future warming world.
The first objective of this thesis was to assess ancient DNA as a proxy for reconstructing the soil microbiome (Manuscripts I, II, III, IV). Research findings across these projects enable a comprehensive new insight into the relationships of soil microorganisms to the surrounding vegetation. First, this was achieved by establishing (Manuscript I) and applying (Manuscript II) a primer pair for the selective amplification of ancient fungal DNA from lake sediment samples with the metabarcoding approach. To assess fungal and plant co-variation, the selected primer combination (ITS67, 5.8S) amplifying the ITS1 region was applied on samples from five boreal and arctic lakes. The obtained data showed that the establishment of fungal communities is impacted by warming as the functional ecological groups are shifting. Yeast and saprotroph dominance during the Late Glacial declined with warming, while the abundance of mycorrhizae and parasites increased with warming. The overall species richness was also alternating. The results were compared to shotgun sequencing data reconstructing fungi and bacteria (Manuscripts III, IV), yielding overall comparable results to the metabarcoding approach. Nonetheless, the comparison also pointed out a bias in the metabarcoding, potentially due to varying ITS lengths or copy numbers per genome.
The second objective was to trace fungus-plant interaction changes over time (Manuscripts II, III). To address this, metabarcoding targeting the ITS1 region for fungi and the chloroplast P6 loop for plants for the selective DNA amplification was applied (Manuscript II). Further, shotgun sequencing data was compared to the metabarcoding results (Manuscript III). Overall, the results between the metabarcoding and the shotgun approaches were comparable, though a bias in the metabarcoding was assumed. We demonstrated that fungal shifts were coinciding with changes in the vegetation. Yeast and lichen were mainly dominant during the Late Glacial with tundra vegetation, while warming in the Holocene lead to the expansion of boreal forests with increasing mycorrhizae and parasite abundance. Aside, we highlighted that Pinaceae establishment is dependent on mycorrhizal fungi such as Suillineae, Inocybaceae, or Hyaloscypha species also on long-term scales.
The third objective of the thesis was to assess soil community development on a temporal gradient (Manuscripts III, IV). Shotgun sequencing was applied on sediment samples from the northern Siberian lake Lama and the soil microbial community dynamics compared to ecosystem turnover. Alongside, podzolization processes from basaltic bedrock were recovered (Manuscript III). Additionally, the recovered soil microbiome was compared to shotgun data from granite and sandstone catchments (Manuscript IV, Appendix). We assessed if the establishment of the soil microbiome is dependent on the plant taxon and as such comparable between multiple geographic locations or if the community establishment is driven by abiotic soil properties and as such the bedrock area. We showed that the development of soil communities is to a great extent driven by the vegetation changes and temperature variation, while time only plays a minor role. The analyses showed general ecological similarities especially between the granite and basalt locations, while the microbiome on species-level was rather site-specific. A greater number of correlated soil taxa was detected for deep-rooting boreal taxa in comparison to grasses with shallower roots. Additionally, differences between herbaceous taxa of the late Glacial compared to taxa of the Holocene were revealed.
With this thesis, I demonstrate the necessity to investigate subsoil community dynamics on millennial time scales as it enables further understanding of long-term ecosystem as well as soil development processes and such plant establishment. Further, I trace long-term processes leading to podzolization which supports the development of applied carbon capture strategies under future global warming.Die Arktis erwärmt sich schneller als der weltweite Durschnitt, was die dortigen Ökosysteme wie die borealen Nadelwälder stark beeinflusst. Die Baumgrenze verschiebt sich durch veränderte Wachstumsbedingungen nach Norden und breitet sich in Tundra-Gegenden aus. Das führt zu komplexen Auswirkungen auf den Kohlenstoffkreislauf, da durch das Baumwachstum vermehrt CO2 im Boden gespeichert wird. Andererseits wird der Albedo-Effekt der Tundra verringert und der Boden erwärmt sich verstärkt. Das wiederum führt zum Tauen von Permafrost und setzt große Mengen an gespeichertem Kohlenstoff frei. Bislang wurde vor allem die Auswirkung der Erwärmung auf Vegetationsdynamiken untersucht. Für ein gesundes Pflanzenwachstum stehen die meisten Landpflanzen in engem Austausch mit einer Vielzahl an Bakterien und Pilzen. Es ist bislang wenig verstanden, wie diese Bodengemeinschaften durch den Klimawandel beeinflusst werden. Es ist deshalb notwendig, verstärkt auch die Langzeitabhängigkeiten der Pflanzen von Mikroorganismen zu betrachten. Dies ist nicht nur ein Meilenstein bei der Untersuchung des Klimawandels auf arktische Ökosysteme. Zudem wird so die Entwicklung angepasster Strategien im Bereich der Landwirtschaft ermöglicht, was die Grundlage dafür ist, die wachsende Bevölkerung auch in Zukunft mit ausreichend Nahrungsmitteln versorgen zu können.
Im ersten Teil meiner Arbeit untersuche ich das Potential, die Dynamiken von Bodenmikroorganismen aus Seesedimenten zu rekonstruieren. Ich habe gezeigt, dass molekulargenetische Analysen das sowohl für Pilze als auch Bakterien auf großen Zeitskalen ermöglichen. Eine Zuweisung der Mikroorganismen zu ihren Funktionen im Ökosystem ermöglichte, Dynamiken in den Nährstoffkreisläufen sowie in Pilzökologien zu verstehen.
Die Analyse der komplexen Assoziationen von Pilzen und Pflanzen bildete den zweiten Teil meiner Arbeit. Hier konnte ich zeigen, dass Pilze und Pflanzen spezifische Muster in ihren Vorkommen miteinander zeigen und dass die Vegetation das Pilzvorkommen auch auf großen Zeitskalen beeinflusst. Die Tundravegetation des Spätglazials war vor allem von Flechten und Hefevorkommen dominiert, während die Einwanderung von borealen Wäldern in die untersuchten Gebiete zu zunehmder Mykorrhiza- und Parasitenverbreitung führte. Ich habe auch gezeigt, dass die Etablierung von Pinaceen langfristig von spezifischen Mykorrhiza-Pilzen wie Suillineae, Inocybaceae oder Hyaloscypha-Arten abhängt.
Das dritte Ziel meiner Arbeit war es, zeitliche Dynamiken in der Zusammensetzung von Bodenorganismen im Bezug zur Entstehung von Böden zu rekonstruieren. Mir gelang es, die Verwitterung von Basalt nachzuvollziehen und daraus die Entstehung von Podsol abzuleiten. Ein Vergleich zu Bodengesellschaften aus Granit- und Sandstein-Einzugsgebieten zeigte, dass sich die Granit- und Basalt-Bodeneigenschaften ähneln. Allerdings zeigten die Pflanzen an den Standorten ein sehr ortsspezifisches Mikrobiom und somit eine lokale Anpassung an die Wachstumsbedingungen.
Ich konnte mit dieser Arbeit zeigen, dass die Rekonstruktion von Bodenmikroorganismen im Vergleich zur Vegetation einen Einblick in Ökosystemdynamiken unter Klimawandel ermöglicht. Dies ermöglicht ein besseres Verständnis von Bodenentstehungsprozessen und vereinfacht die Entwicklung angewandter carbon capture Strategien
Zählen von Homomorphismen über Körper mit Primzahlordnung
No full textHomomorphisms are a fundamental concept in mathematics expressing the similarity of structures. They provide a framework that captures many of the central problems of computer science with close ties to various other fields of science. Thus, many studies over the last four decades have been devoted to the algorithmic complexity of homomorphism problems. Despite their generality, it has been found that non-uniform homomorphism problems, where the target structure is fixed, frequently feature complexity dichotomies. Exploring the limits of these dichotomies represents the common goal of this line of research.
We investigate the problem of counting homomorphisms to a fixed structure over a finite field of prime order and its algorithmic complexity. Our emphasis is on graph homomorphisms and the resulting problem #_{p}Hom[H] for a graph H and a prime p. The main research question is how counting over a finite field of prime order affects the complexity.
In the first part of this thesis, we tackle the research question in its generality and develop a framework for studying the complexity of counting problems based on category theory. In the absence of problem-specific details, results in the language of category theory provide a clear picture of the properties needed and highlight common ground between different branches of science. The proposed problem #Mor^{C}[B] of counting the number of morphisms to a fixed object B of C is abstract in nature and encompasses important problems like constraint satisfaction problems, which serve as a leading example for all our results. We find explanations and generalizations for a plethora of results in counting complexity. Our main technical result is that specific matrices of morphism counts are non-singular. The strength of this result lies in its algebraic nature. First, our proofs rely on carefully constructed systems of linear equations, which we know to be uniquely solvable. Second, by exchanging the field that the matrix is defined by to a finite field of order p, we obtain analogous results for modular counting. For the latter, cancellations are implied by automorphisms of order p, but intriguingly we find that these present the only obstacle to translating our results from exact counting to modular counting. If we restrict our attention to reduced objects without automorphisms of order p, we obtain results analogue to those for exact counting. This is underscored by a confluent reduction that allows this restriction by constructing a reduced object for any given object. We emphasize the strength of the categorial perspective by applying the duality principle, which yields immediate consequences for the dual problem of counting the number of morphisms from a fixed object.
In the second part of this thesis, we focus on graphs and the problem #_{p}Hom[H]. We conjecture that automorphisms of order p capture all possible cancellations and that, for a reduced graph H, the problem #_{p}Hom[H] features the complexity dichotomy analogue to the one given for exact counting by Dyer and Greenhill. This serves as a generalization of the conjecture by Faben and Jerrum for the modulus 2. The criterion for tractability is that H is a collection of complete bipartite and reflexive complete graphs. From the findings of part one, we show that the conjectured dichotomy implies dichotomies for all quantum homomorphism problems, in particular counting vertex surjective homomorphisms and compactions modulo p. Since the tractable cases in the dichotomy are solved by trivial computations, the study of the intractable cases remains. As an initial problem in a series of reductions capable of implying hardness, we employ the problem of counting weighted independent sets in a bipartite graph modulo prime p. A dichotomy for this problem is shown, stating that the trivial cases occurring when a weight is congruent modulo p to 0 are the only tractable cases. We reduce the possible structure of H to the bipartite case by a reduction to the restricted homomorphism problem #_{p}Hom^{bip}[H] of counting modulo p the number of homomorphisms between bipartite graphs that maintain a given order of bipartition. This reduction does not have an impact on the accessibility of the technical results, thanks to the generality of the findings of part one. In order to prove the conjecture, it suffices to show that for a connected bipartite graph that is not complete, #_{p}Hom^{bip}[H] is #_{p}P-hard. Through a rigorous structural study of bipartite graphs, we establish this result for the rich class of bipartite graphs that are (K_{3,3}\{e}, domino)-free. This overcomes in particular the substantial hurdle imposed by squares, which leads us to explore the global structure of H and prove the existence of explicit structures that imply hardness.Homomorphismen sind ein grundlegendes Konzept der Mathematik, das die Ähnlichkeit von Strukturen ausdrückt. Sie bieten einen Rahmen, der viele der zentralen Probleme der Informatik umfasst und enge Verbindungen zu verschiedenen Wissenschaftsbereichen aufweist. Aus diesem Grund haben sich in den letzten vier Jahrzehnten viele Studien mit der algorithmischen Komplexität von Homomorphismusproblemen beschäftigt. Trotz ihrer Allgemeingültigkeit wurden Komplexitätsdichotomien häufig für nicht-uniforme Homomorphismusprobleme nachgewiesen, bei denen die Zielstruktur fixiert ist. Die Grenzen dieser Dichotomien zu erforschen, ist das gemeinsame Ziel dieses Forschungskalküls.
Wir untersuchen das Problem und seine algorithmische Komplexität, Homomorphismen zu einer festen Struktur über einem endlichen Körper mit Primzahlordnung zu zählen. Wir konzentrieren uns auf Graphenhomomorphismen und das daraus resultierende Problem #_{p}Hom[H] für einen Graphen H und eine Primzahl p. Die Hauptforschungsfrage ist, wie das Zählen über einem endlichen Körper mit Primzahlordnung die Komplexität beeinflusst.
Im ersten Teil wird die Forschungsfrage in ihrer Allgemeinheit behandelt und ein Rahmen für die Untersuchung der Komplexität von Zählproblemen auf der Grundlage der Kategorientheorie entwickelt. Losgelöst von problemspezifischen Details liefern die Ergebnisse in der Sprache der Kategorientheorie ein klares Bild der benötigten Eigenschaften und zeigen Gemeinsamkeiten zwischen verschiedenen Wissenschaftsgebieten auf. Das vorgeschlagene Problem #Mor^{C}[B] des Zählens der Anzahl von Morphismen zu einem festen Objekt B von C ist abstrakter Natur und umfasst wichtige Probleme wie Constraint Satisfaction Problems, die als leitendes Beispiel für alle unsere Ergebnisse dienen. Wir finden Erklärungen und Verallgemeinerungen für eine Vielzahl von Ergebnissen in der Komplexitätstheorie von Zählproblemen. Unser wichtigstes technisches Ergebnis ist, dass bestimmte Matrizen von Morphismenzahlen nicht singulär sind. Die Stärke dieses Ergebnisses liegt in seiner algebraischen Natur. Erstens basieren unsere Beweise auf sorgfältig konstruierten linearen Gleichungssystemen, von denen wir wissen, dass sie eindeutig lösbar sind. Zweitens, indem wir den Körper, über dem die Matrix definiert ist, durch einen endlichen Körper der Ordnung p ersetzen, erhalten wir analoge Ergebnisse für das modulare Zählen. Für letztere sind Annullierungen durch Automorphismen der Ordnung p impliziert, aber faszinierenderweise stellen diese das einzige Hindernis für die Übertragung unserer Ergebnisse von der exakten auf die modulare Zählung dar. Wenn wir unsere Aufmerksamkeit auf reduzierte Objekte ohne Automorphismen der Ordnung p beschränken, erhalten wir Ergebnisse, die zu denen des exakten Zählens analog sind. Dies wird durch eine konfluente Reduktion unterstrichen, die für jedes beliebige Objekt ein reduziertes Objekt konstruiert. Wir heben die Stärke der kategorialen Perspektive durch die Anwendung des Dualitätsprinzips hervor, das direkte Konsequenzen für das duale Problem des Zählens der Anzahl der Morphismen von einem fixen Objekts aus liefert.
Im zweiten Teil konzentrieren wir uns auf Graphen und das Problem #_{p}Hom[H]. Wir stellen die Vermutung auf, dass Automorphismen der Ordnung p alle möglichen Annullierungen erklären und dass das Problem #_{p}Hom[H] für einen reduzierten Graphen H eine Komplexitätsdichotomie analog zu der aufweist, die von Dyer und Greenhill für das exakte Zählen bewiesen wurde. Dies stellt eine Verallgemeinerung der Vermutung von Faben und Jerrum für den Modulus 2 dar. Das Kriterium für die effiziente Lösbarkeit ist, dass H lediglich aus vollständigen bipartiten und reflexiven vollständigen Graphen besteht. Basierend auf den Ergebnisse des ersten Teils zeigen wir, dass die Vermutung Dichotomien für alle Quantenhomomorphismenprobleme impliziert, insbesondere für das Zählen modulo p von Homomorphismen surjektiv auf Knoten und von Verdichtungen. Da die effizient lösbaren Fälle in der Dichotomie durch triviale Berechnungen gelöst werden, bleibt es, die unlösbaren Fälle zu untersuchen. Als erstes Problem in einer Reihe von Reduktionen, deren Ziel es ist, Härte zu implizieren, verwenden wir das Problem des Zählens gewichteter unabhängiger Mengen in einem bipartiten Graphen modulo p. Für dieses Problem beweisen wir eine Dichotomie, die besagt, dass nur die trivialen Fälle effizient lösbar sind. Diese treten auf, wenn ein Gewicht kongruent modulo p zu 0 ist. Durch eine Reduktion auf das eingeschränkte Homomorphismusproblem #_{p}Hom^{bip}[H] reduzieren wir die mögliche Struktur von H auf den bipartiten Fall. Hierbei handelt es sich um das Problem des Zählens modulo p der Homomorphismen zwischen bipartiten Graphen, die eine gegebene Ordnung der Bipartition erhalten. Dank der Allgemeingültigkeit der Ergebnisse des ersten Teils hat diese Reduktion keinen Einfluss auf die Verfügbarkeit der technischen Ergebnisse. Für einen Beweis der Vermutung genügt es zu zeigen, dass #_{p}Hom^{bip}[H] für einen zusammenhängenden und nicht vollständigen bipartiten Graphen #_{p}P-schwer ist. Durch eine rigorose Untersuchung der Struktur von bipartiten Graphen beweisen wir dieses Ergebnis für die umfangreiche Klasse von bipartiten Graphen, die (K_{3,3}\{e}, domino)-frei sind. Dies überwindet insbesondere die substantielle Hürde, die durch Quadrate gegeben ist und uns dazu veranlasst, die globale Struktur von H zu untersuchen und die Existenz expliziter Strukturen zu beweisen, die Härte implizieren
Kafkas Sprache unter der Lupe
No full textDie Unterrichtsanregungen zeigen exemplarisch den Nutzen von sprachlichen Zugängen im Literaturunterricht. Die Lernenden erschließen den Text Vor dem Gesetz unter Berücksichtigung des Machtgefälles zwischen den Figuren und beachten insbesondere sprachliche Mittel
Produkte designen Organisationen
No full textThe automotive industry is a prime example of digital technologies reshaping mobility. Connected, autonomous, shared, and electric (CASE) trends lead to new emerging players that threaten existing industrial-aged companies. To respond, incumbents need to bridge the gap between contrasting product architecture and organizational principles in the physical and digital realms. Over-the-air (OTA) technology, that enables seamless software updates and on-demand feature additions for customers, is an example of CASE-driven digital product innovation. Through an extensive longitudinal case study of an OTA initiative by an industrial- aged automaker, this dissertation explores how incumbents accomplish digital product innovation. Building on modularity, liminality, and the mirroring hypothesis, it presents a process model that explains the triggers, mechanisms, and outcomes of this process. In contrast to the literature, the findings emphasize the primacy of addressing product architecture challenges over organizational ones and highlight the managerial implications for success.Die Entwicklung neuer digitaler Produktinnovation erfordert in etablierten Industrieunternehmen die Integration von digitalen und physischen Elementen. Dies ist besonders in der Automobilindustrie sichtbar, wo der Trend zu vernetzter, autonomer, gemeinsam genutzter und elektrischer Mobilität zu einem neuen Wettbewerb führt, welcher etablierte Marktteilnehmer bedroht. Diese müssen lernen wie die Integration von gegensätzlichen Produktarchitekturen und Organisationsprinzipien aus der digitalen und physischen Produktentwicklung funktioniert.
Die vorliegende Dissertation widmet sich diesem Problem. Basierend auf einer Fallstudie einer digitalen Produktinnovationsinitiative eines Premiummobilitätsanbieters rund um die Integration von Over-the-Air-Technologie für Software-Updates liefert sie wichtige Erkenntnisse. Erstens, etablierte Organisationen müssen Ihre Produktarchitektur befähigen, um verschiedene Produktarchitekturprinzipien in Einklang zu bringen. Zweitens, verschiedene Produktentwicklungsprozesse pro Produktebene müssen aufeinander abgestimmt werden. Drittens, die Organisationsstruktur muss erweitert werden, um die verschiedenen Produktebenen abzubilden. Darüber hinaus müssen auch Ressourcenallokationsprozesse auf die Entwicklungsprozesse abgestimmt werden.
Basierend auf diesen Erkenntnissen und mit der bestehenden Fachliteratur wird in der Dissertation ein Prozessmodell entwickelt, welches erklären soll, wie etablierte Industrieunternehmen digitale Produktinnovation erreichen. Kernauslöser sind externer Marktdruck sowie existierende Architekturprinzipien. Wechselseitige Mechanismen wie die Befähigung der Produktarchitektur, die Erweiterung der Organisationstruktur, die Anpassung der Produktentwicklungsprozesse und die Anpassung der Ressourcenallokationsprozesse erklären den Prozess welcher in einer neuen Produktarchitektur sowie einer erweiterten Organisationsstruktur mündet. Der Forschungsbeitrag der Arbeit liegt im Bereich der digitalen Produktinnovation. Sie verlagert den Forschungsfokus auf Fragen der Produktarchitektur und verbindet diese durch Konzepte der Modularität mit organisatorischen Fragestellungen. Für die Praxis ergeben sich vier Hebel die Entscheidungsträger/innen nutzen können, um die Fähigkeiten zur digitalen Produktinnovation zu stärken
Der Data Act
No full textDer Data Act bildet den vorläufigen Schlussstein der EU-Datenregulierung. Die verschiedenen Instrumente der Verordnung tarieren vor allem die Beziehungen der Datenökonomie mit Datenzugangsrechten, weitreichenden Regelungen zu Datenverträgen und Cloud-Services sowie mit spezifischen Interoperabilitätsvorgaben neu aus. Der Beitrag gibt – mit einem Schwerpunkt im Datenwirtschaftsrecht – einen Überblick über die Neuregelungen, zeigt übergreifende Weichenstellungen auf und benennt strukturelle Herausforderungen
Geodynamic modeling of process interactions at continental plate boundaries
No full textPlate tectonic boundaries constitute the suture zones between tectonic plates. They are shaped by a variety of distinct and interrelated processes and play a key role in geohazards and georesource formation. Many of these processes have been previously studied, while many others remain unaddressed or undiscovered. In this work, the geodynamic numerical modeling software ASPECT is applied to shed light on further process interactions at continental plate boundaries. In contrast to natural data, geodynamic modeling has the advantage that processes can be directly quantified and that all parameters can be analyzed over the entire evolution of a structure. Furthermore, processes and interactions can be singled out from complex settings because the modeler has full control over all of the parameters involved. To account for the simplifying character of models in general, I have chosen to study generic geological settings with a focus on the processes and interactions rather than precisely reconstructing a specific region of the Earth.
In Chapter 2, 2D models of continental rifts with different crustal thicknesses between 20 and 50 km and extension velocities in the range of 0.5-10 mm/yr are used to obtain a speed limit for the thermal steady-state assumption, commonly employed to address the temperature fields of continental rifts worldwide. Because the tectonic deformation from ongoing rifting outpaces heat conduction, the temperature field is not in equilibrium, but is characterized by a transient, tectonically-induced heat flow signal. As a result, I find that isotherm depths of the geodynamic evolution models are shallower than a temperature distribution in equilibrium would suggest. This is particularly important for deep isotherms and narrow rifts. In narrow rifts, the magnitude of the transient temperature signal limits a well-founded applicability of the thermal steady-state assumption to extension velocities of 0.5-2 mm/yr. Estimation of the crustal temperature field affects conclusions on all temperature-dependent processes ranging from mineral assemblages to the feasible exploitation of a geothermal reservoir.
In Chapter 3, I model the interactions of different rheologies with the kinematics of folding and faulting using the example of fault-propagation folds in the Andean fold-and-thrust belt. The evolution of the velocity fields from geodynamic models are compared with those from trishear models of the same structure. While the latter use only geometric and kinematic constraints of the main fault, the geodynamic models capture viscous, plastic, and elastic deformation in the entire model domain. I find that both models work equally well for early, and thus relatively simple stages of folding and faulting, while results differ for more complex situations where off-fault deformation and secondary faulting are present. As fault-propagation folds can play an important role in the formation of reservoirs, knowledge of fluid pathways, for example via fractures and faults, is crucial for their characterization.
Chapter 4 deals with a bending transform fault and the interconnections between tectonics and surface processes. In particular, the tectonic evolution of the Dead Sea Fault is addressed where a releasing bend forms the Dead Sea pull-apart basin, while a restraining bend further to the North resulted in the formation of the Lebanese mountains. I ran 3D coupled geodynamic and surface evolution models that included both types of bends in a single setup. I tested various randomized initial strain distributions, showing that basin asymmetry is a consequence of strain localization. Furthermore, by varying the surface process efficiency, I find that the deposition of sediment in the pull-apart basin not only controls basin depth, but also results in a crustal flow component that increases uplift at the restraining bend.
Finally, in Chapter 5, I present the computational basis for adding further complexity to plate boundary models in ASPECT with the implementation of earthquake-like behavior using the rate-and-state friction framework. Despite earthquakes happening on a relatively small time scale, there are many interactions between the seismic cycle and the long time spans of other geodynamic processes. Amongst others, the crustal state of stress as well as the presence of fluids or changes in temperature may alter the frictional behavior of a fault segment. My work provides the basis for a realistic setup of involved structures and processes, which is therefore important to obtain a meaningful estimate for earthquake hazards.
While these findings improve our understanding of continental plate boundaries, further development of geodynamic software may help to reveal even more processes and interactions in the future.Plattentektonische Grenzen bilden die Nahtstellen zwischen tektonischen Platten. Sie werden durch eine Vielzahl von unterschiedlichen und miteinander verknüpften Prozessen geformt und spielen eine Schlüsselrolle im Bereich der Georisiken und der Entstehung von Georessourcen. Viele dieser Prozesse sind bereits erforscht, während viele andere noch unbearbeitet oder unentdeckt sind. In dieser Arbeit wird die geodynamische numerische Modellierungssoftware ASPECT verwendet, um weitere Prozessinteraktionen an kontinentalen Plattengrenzen zu untersuchen. Im Gegensatz zu natürlichen Daten hat die geodynamische Modellierung den Vorteil, dass Prozesse direkt quantifiziert und alle Parameter über die gesamte Entwicklung einer Struktur analysiert werden können. Außerdem können Prozesse und Wechselwirkungen aus komplexen Zusammenhängen herausgefiltert werden, da der Modellierer volle Kontrolle über alle beteiligten Parameter hat. Um dem vereinfachenden Charakter von Modellen im Allgemeinen Rechnung zu tragen, habe ich mich für die Untersuchung allgemeiner geologischer Gegeben-heiten entschieden, wobei der Schwerpunkt auf den Prozessen und Wechselwirkungen liegt, anstatt eine bestimmte Region der Erde genau zu rekonstruieren.
In Kapitel 2 werden 2D-Modelle von kontinentalen Rifts mit unterschiedlichen Krustendicken zwischen 20 und 50 km, sowie Extensionsgeschwindigkeiten im Bereich von 0,5-10 mm/Jahr verwendet, um eine Geschwindigkeitsgrenze für die Annahme eines thermischen Gleichgewichtszustandes zu erhalten, welcher üblicherweise verwendet wird, um die Temperaturfelder kontinentaler Rifts weltweit zu beschreiben. Da die Geschwindigkeit der tektonischen Deformation die der Wärmeleitung übersteigt, befindet sich das Temperaturfeld nicht im Gleichgewicht, sondern ist durch ein transientes, tektonisch induziertes Wärmestromsignal gekennzeichnet. Daraus ergibt sich, dass die Tiefen der Isothermen in den geodynamischen Entwicklungsmodellen flacher liegen, als es eine Temperaturverteilung im Gleichgewichtszustand vermuten ließe. Dies macht sich besondersbei tiefen Isothermen und narrow Rifts bemerkbar. In narrow Rifts begrenzt die Magnitude des transienten Temperatursignals eine fundierte Anwendbarkeit der thermischen Gleichgewichtsannahme auf Extensionsgeschwindigkeiten im Bereich von 0,5-2 mm/Jahr. Die Abschätzung des Temperaturfeldes der Erdkruste wirkt sich auf alle temperaturabhängigen Prozesse aus, von der Mineralzusammensetzung bis hin zur möglichen Nutzung eines geothermischen Reservoirs.
In Kapitel 3 modelliere ich die Wechselwirkungen verschiedener Rheologien mit der Kinematik von Auffaltungen und Verwerfungen am Beispiel von fault-propagation folds im andinen Falten- und Überschiebungsgürtel. Die Entwicklung der Geschwindigkeitsfelder aus geodynamischen Modellen wird mit denen aus Trishear-Modellen für dieselbe Struktur verglichen. Während letztere nur geometrische und kinematische Charakteristika der Hauptverwerfung verwenden, erfassen die geodynamischen Modelle sowohl viskose, wie auch plastische und elastische Verformung im gesamten Modellbereich. Meine Forschung zeigt, dass beide Modelle für frühe und damit vergleichbar einfache Phasen der Auffaltung und Verwerfung gleichermaßen gut anwendbar sind, während die Ergebnisse für komplexere Situationen, in denen Verfor-mungen außerhalb der Hauptstörung sowie sekundäre Verwerfungen auftreten, auseinander gehen. Da fault-propagation folds eine wichtige Rolle bei der Bildung von Lagerstätten spielen können, ist Kenntnis zu Migrationswegen von Fluiden, zum Beispiel über Klüfte und Verwerfungen, für ihre Charakterisierung von entscheidender Bedeutung.
Kapitel 4 befasst sich mit Biegungen von Transformstörungen sowie den Zusammenhängen zwischen Tektonik und Oberflächenprozessen. Insbesondere wird die tektonische Entwicklung der Verwerfung am Toten Meer behandelt, wo eine von Extension geprägte Biegung der Verwerfung das Pull-Apart-Becken des Toten Meeres bildet, während eine weiter nördlich gelegene von Kompression geprägte Biegung zur Bildung eines Gebirgszuges im Libanon führte. Für dieses Kapitel habe ich gekoppelte 3D Modelle der Geodynamik und Oberflächenentwicklung genutzt sowie beide Arten von Biegungen in einem Modell erforscht. Das Testen von verschiedenen, zufälligen Initialspannungsverteilungen zeigte, dass die Asymmetrie des Beckens eine Folge der Spannungslokalisierung ist. Außerdem habe ich durch Variation der Oberflächenprozesseffizienz herausgearbeitet, dass die Sedimentierung im Pull-Apart-Becken nicht nur die Beckentiefe steuert, sondern auch zu einer Strömungskomponente von Erdkrustenmaterial führt, die die Ablift an der von Kompression geprägten Biegung der Transformstörung erhöht.
Anschließend stelle ich in Kapitel 5 die Implementierung von erdbebenähnlichem Verhalten unter Verwendung der Rate-and-State Gleichungen vor, welche die Grundlage für die Erweiterung der Komplexität von Plattengrenzenmodellen in ASPECT bildet. Obwohl Erdbeben auf einer relativ kurzen Zeitskala stattfinden, gibt es viele Wechselwirkungen zwischen dem seismischen Zyklus und den langen Zeitspannen anderer geodynamischer Prozesse. Unter anderem können der Spannungszustand der Kruste sowie das Vorhandensein von Fluiden oder Änderungen der Temperatur das Reibungsverhalten eines Störungssegmentes verändern. Meine Arbeit liefert die Grundlage für einen realistischen Aufbau der beteiligten Strukturen und Prozesse, der wichtig ist, um eine aussagekräftige Abschätzung der Erdbebengefährdung zu erhalten.
Während diese Ergebnisse unser Verständnis der kontinentalen Plattengrenzen verbessern, kann die Weiterentwicklung geodynamischer Software dazu beitragen, in Zukunft weitere Prozesse und Wechselwirkungen aufzudecken