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Strategic Retailers in Energy Markets
No full textDiese Arbeit betrachtet mehrstufige Spiele, die Situationen an Energiemärkten modellieren. Dort treffen Akteure mit individuellen Zielen, wie Anbieter, Kunden, und Netzwerkbetreiber, ihre Entscheidungen in einer hierarchischen Abfolge.
Anbieter in Energiemärkten verfügen über Marktmacht. Daher ist es unser Ziel, strategisches Verhalten von Anbietern in solchen Märkten zu analysieren. Kapitel 1 motiviert die Fragestellung dieser Arbeit und gibt einen Überblick über die mathematischen Konzepte und relevante Ergebnisse. In Kapitel 2 betrachten wir ein Multi-Leader-Follower Spiel, das ein Anbieterduopol modelliert. Die Kunden schließen Verträge über einen längeren Zeitraum ab und treffen Kaufentscheidungen. Wir charakterisieren die Nash-Gleichgewichte des Spiels und stellen analytische Lösungen für den symmetrischen Fall vor. Die Anwendbarkeit unseres Lösungsalgorithmus wird anhand einer Fallstudie gezeigt.
In Kapitel 3 wird das Modell aus Kapitel 2 weiterentwickelt. Wir betrachten mehrere strategische Anbieter und elastische Nachfrage, bei der die Kunden ihre gekauften Mengen an Preisänderungen anpassen. Außerdem beinhaltet das Modell Unsicherheiten. Auch für dieses Modell werden Nash-Gleichgewichte charakterisiert, ein Lösungsalgorithmus entwickelt, und eine Fallstudie durchgeführt. In Kapitel 4 betrachten wir den Europäischen Entry-Exit Gasmarkt mit einem monopolistischen Anbieter. Das vierstufige Modell beinhaltet die physikalischen Betrachtung des Gasflusses in einem Pipeline-Netzwerk und wir analysieren verschiedene Regeln zur Preisgebung. Durch wiederholtes Zusammenfassen von Stufen leiten wir eine numerisch lösbare Formulierung des Problems her, wobei wir uns auf die Analyse der beiden Marktlevel fokussieren. Problemspezifische Optimalitätsbedingungen für die Kundenentscheidungen erlauben eine geeignete einstufige Reformulierung dieser Marktlevel. Wir zeigen die numerische Lösbarkeit des Gesamtproblems anhand von mehreren Testinstanzen.This paper considers multi-level games that model situations in energy markets. There, agents with individual goals, such as retailers, customers, and network operators, make their decisions in a hierarchical sequence. Retailers in energy markets have market power. Therefore, it is our aim to analyze strategic behavior of retailers in these markets. Chapter 1 motivates the research question of this thesis and provides an overview of the mathematical concepts and relevant results. In Chapter 2 we consider a retailer duopoly, modeled as multi-leader-follower game. Customers sign contracts over a longer time period and then make purchase decisions. We characterize the Nash equilibria of the game and present analytical solutions for the symmetric case. The applicability of our solution algorithm is demonstrated in a case study based on data from the German electricity market. In Chapter 3, the model of Chapter 2 is developed further. We consider several strategic retailers and elastic demand, i.e., customers adapt purchase quantities to price changes. The model also incorporates uncertainties. We provide a characterization of Nash equilibria, develop a solution algorithm, and conduct a case study using German electricity market data. In Chapter 4 we consider the European entry-exit gas market with a monopolistic seller. The four-level model includes physical consideration of gas flow in a pipeline network. We analyze different pricing rules with varying degree of price discrimination. By repeatedly merging levels we derive a numerically solvable formulation of the problem, focusing on the analysis of the two market levels. Problem-specific optimality conditions for the customers' decisions allow for a suitable single-level reformulation of these market levels. We demonstrate the numerical solvability of the overall problem using several test instances
Quantum Computing 2+1-dimensional Quantum Electrodynamics
No full textIn dieser Arbeit werden Fortschritte bei Quantensimulationsmethoden für Gittereichtheorien untersucht, wobei der Schwerpunkt auf der (2+1)-dimensionalen Quantenelektrodynamik (QED) liegt, die wichtige Merkmale mit der (3+1)-dimensionalen Quantenchromodynamik (QCD) teilt, wie z.B. Confinement und asymptotische Freiheit. Es werden zwei Hauptprojekte entwickelt. Das erste Projekt untersucht die laufende Kopplung in einer kompakten reinen U(1)-Eichtheorie mit Hilfe eines Ansatzes der Stufenskalierungsfunktion. Eine Quantenvariationsmethode ermöglicht Berechnungen über einen weiten Bereich von Kopplungen. Ergebnisse des Plaquette Erwartungswertes werden mit klassischen Monte-Carlo-Simulationen abgeglichen, um im Prinzip den physikalischen Wert des Gitterabstands zu erhalten. Diese Methode kann potentiell auf die Untersuchung der QED ausgeweitet werden, bei der auch fermionische Materie einbezogen wird. Im zweiten Projekt wird das statische Potenzial zwischen zwei Ladungen untersucht, wobei das Coulomb-, Confining- und String-Breaking-Regime analysiert werden. Es beinhaltet die Entwicklung eines maßgeschneiderten Variationsansatzes, der Systemsymmetrien und gegenseitige Information zur Darstellung fermionischer Freiheitsgrade einbezieht. Die Ergebnisse von einem Quantengerät mit gefangenen Ionen stimmen gut mit klassischen Simulationen überein und bestätigen die Methode. Darüber hinaus werden in dieser Arbeit supraleitende Quantenbauelemente evaluiert, wobei Probleme mit dem Rauschen festgestellt werden, aber auch Verbesserungen der Hardware und des Potenzials durch Fehlerbegrenzung. Insgesamt unterstreicht diese Arbeit die Realisierbarkeit von Variations-Quantenalgorithmen für Gittereichtheorie-Simulationen und zeigt, wie vielversprechend sie für die Weiterentwicklung der theoretischen Physik mit Quantencomputern sind.This thesis explores advancements in quantum simulation methods for lattice gauge theories, focusing on (2+1)-dimensional Quantum Electrodynamics (QED), which shares key features with (3+1)-dimensional Quantum Chromodynamics (QCD), such as confinement and asymptotic freedom. Two main projects are developed. The first investigates the running coupling in a compact U(1) pure gauge theory using a step scaling function approach. A quantum variational method enables computation across a wide range of couplings. The plaquette expectation value is matched with classical Monte Carlo simulations to obtain, in principle, the physical value of the lattice spacing. This method can be eventually extended to study QED, where fermionic matter is included. The second project examines the static potential between two charges, analyzing Coulomb, confining, and string-breaking regimes. It involves developing a custom variational Ansatz that incorporates system symmetries and mutual information to represent fermionic degrees of freedom. Results from a trapped-ion quantum device align well with exact classical simulations, validating the method. Additionally, the thesis evaluates superconducting devices, identifying noise challenges but noting improvements in hardware and the potential of error mitigation. Overall, this work highlights the viability of variational quantum algorithms for lattice gauge theory simulations and demonstrates their promise for advancing theoretical physics with quantum computing
Monolayers of Transition Metal Dichalcogenides and Conjugated Organic Materials Interfaces with Novel Opto-electronic Properties
No full textÜbergangsmetall-Dichalkogenide (TMDCs) sind aufgrund ihrer einstellbaren Bandlücken und starken Licht-Materie-Wechselwirkungen zentrale Materialien der modernen Materialwissenschaft. Die Grenzfläche zwischen organischen Molekülen und Monolagen (ML)-TMDCs bietet ein großes Potenzial für künftige elektronische und optoelektronische Anwendungen. Diese Arbeit untersucht die organische/ML-WS2-Grenzfläche anhand der Moleküle Terrylene, Perylene und eines Perylen-Derivats (OMP). Zunächst wird eine einfache Methode zur Synthese kontinuierlicher, homogener ML-WS2-Filme vorgestellt, die als Plattform für weitere Studien dient. Anschließend wird der bedeckungsabhängige Reorientierungseffekt von Terrylene auf der ML-WS2-Oberfläche mit Photoemissionsspektroskopie (PES) und Rastertunnelmikroskopie (STM) untersucht. Eine Reduktion der Ionisierungsenergie bei zunehmender Schichtdicke wird beobachtet, was auf geänderte molekulare Packung und stärkere intermolekulare Quadrupolwechselwirkungen zurückgeführt wird. Die Studie wird auf Perylene und OMP erweitert. Unterschiede in der Molekülstruktur und -packung führen zu variierender Kopplung mit dem Substrat. Während Terrylene eine starke Wechselwirkung mit ML-WS2 zeigt, ist die Kopplung von OMP aufgrund sterischer Effekte der Methylgruppen schwächer. Diese Unterschiede spiegeln sich in der Energieniveauausrichtung und der Änderung der Austrittsarbeit wider. Abschließend werden die exzitonischen Eigenschaften dieser Heterostrukturen mittels UV-Vis-Spektroskopie untersucht. Die molekularen Deckschichten beeinflussen dielektrische Abschirmung und verändern die Exziton-Bindungsenergie sowie mögliche Energietransfermechanismen. Diese Arbeit liefert neue Einblicke in das Wachstum und die Funktionalität organischer/2D-Grenzflächen und legt damit die Grundlage für zukünftige Anwendungen in optoelektronischen Bauelementen auf Basis zweidimensionaler Materialien.Transition metal dichalcogenides (TMDCs) are gaining attention for their tunable bandgaps and strong light–matter interactions, making them promising candidates for advanced electronic and optoelectronic applications. In particular, hybrid interfaces between organic molecules and monolayer (ML) TMDCs enable the integration of molecular functionalities with 2D semiconductors. This work focuses on the interface between organic molecules and ML WS2, using terrylene, perylene, and a perylene derivative (OMP) as model systems. A scalable synthesis method for continuous ML WS2 is first introduced, yielding uniform and high-coverage films suitable for interface studies. The interaction between terrylene and ML WS2 is investigated using photoemission spectroscopy (PES) and scanning tunneling microscopy (STM). With increasing molecular coverage, terrylene molecules reorient, leading to changes in molecular packing and intermolecular coupling. This reorientation is accompanied by a reduction in ionization energy, reflecting stronger quadrupolar interactions in the multilayer regime compared to the first flat-lying layer. The study is extended to perylene and OMP. Each molecule exhibits different coupling strength with the ML WS2 substrate due to variations in electronic structure and steric effects. OMP, with bulky methyl groups, interacts more weakly with the surface and forms less compact packing, resulting in distinct energy level alignment and work function shifts compared to terrylene. Finally, UV-vis spectroscopy is used to explore how these molecular overlayers affect the excitonic properties of ML WS2. The presence of the organic layer modifies the dielectric environment, leading to changes in exciton binding energies and possibly influencing energy transfer mechanisms. Overall, this study offers insights into molecular packing, electronic coupling, and excitonic behavior at organic/2D interfaces, paving the way for their use in future hybrid devices
Benchmarking machine learning methods for the identification of mislabeled data
No full textSupervised machine learning recently gained growing importance in various fields of research. To train reliable models, data scientists need credible data, which is not always available. A particularly hard and widespread problem deteriorating the performance of methods are mislabeled samples (Northcutt in J Artif Intell Res 70:1373-1411, 2021). Common sources of mislabeling are weakly defined classes, labels that change their meaning, unsuitable annotators, or ambiguous guidelines for labeling. Because mislabeling lowers prediction quality, it is essential for scientists to be able to identify wrong labels before actually starting the learning process. For that, numerous algorithms for the identification of noisy instances have been developed. However, so far, a comprehensive empirical comparison of available methods has been missing. In this paper, we survey and benchmark methods for the identification of mislabeled samples in tabular data. We discuss the theoretical background of label noise and how it can lead to mislabeling, review categorizations of identification methods, and briefly introduce 34 specific approaches together with popular data sets. Finally, 20 selected methods are benchmarked using artificially blurred data with controllable mislabeling and a new real-life genomic dataset with known errors. We compare methods varying the amount and the type of noise, as well as the sample size and domain of data. We find that most of the methods have the highest performance on datasets with a noise level of around 20-30% where the best filters identify around 80% of the noisy instances with relatively high precision (0.58 0.65). Acquiring precise predictions seems to be a more challenging task than identifying most of the noisy instances: while the average recall score over all models ranges from 0.48 to 0.77, the average precision score ranges from 0.16 to 0.55. Furthermore, none of the methods excels over all others in isolation, while ensemble-based methods often outperform individual models. We provide all data sets and analysis code to enable a better handling of mislabeled data and give recommendations on usage of noise filters depending on various dataset parameters.Open Access funding enabled and organized by Projekt DEAL.Charité - Universitätsmedizin Berlin (3093)Peer Reviewe
Identifying conservation hotspots and assessing species commonness and rarity: Baseline arthropod diversity in German nature reserves via national Malaise trap monitoring
No full textCurrently, knowledge of arthropod diversity and distributions in terrestrial habitats is limited due to a lack of taxonomists and consistent monitoring, hindering insect conservation efforts. To address this, we conducted an extensive country‐wide study in Germany using a year‐long Malaise trap monitoring effort supported by citizen scientists. Our study provides a benchmark of species occurrence in 21 German nature‐protected areas. Metabarcoding methods revealed unexpectedly high small‐scale and largely undescribed diversity, with 14,445 operational taxonomic units (OTUs) found. Of these OTUs, 8,589 were assigned to a species, but only 3,064 have been evaluated in German red lists. Seventeen invasive species were identified, five of which are potentially new records for Germany. High potential regional endemism was found, with 33% of OTUs detected in only one protected area, while widespread OTUs were rare making up 1.2% of the OTUs. Six protected areas showed significantly higher local contributions to beta diversity, emphasising the importance of protecting regionally diverse habitats.German Federal Ministry of Education and Research (BMBF)VDI/VDT Innovation + Technik GmbH 10.13039/100009380Peer Reviewe
