(Phys.org)—Het ontdekken van de manieren waarop veel schijnbaar diverse fenomenen met elkaar in verband staan, is een van de overkoepelende doelen van wetenschappelijk onderzoek. omdat universaliteit het vaak mogelijk maakt om inzicht op één gebied uit te breiden naar vele andere gebieden.

Langs deze lijnen werken, onderzoekers in een nieuwe studie hebben een algemeen raamwerk ontwikkeld voor het "eerste passage onder herstart"-model, die een breed scala aan statistische verschijnselen in de natuurkunde beschrijft, scheikunde, biologie, financiën, en andere velden. Door een optimale strategie te identificeren en te laten zien dat deze door geen enkele andere strategie kan worden overtroffen, de onderzoekers hebben stappen gezet om de prestaties van veel verschillende processen met een breed scala aan toepassingen te verbeteren, zoals efficiënte computercodering, biochemische reacties in cellen, en het foerageren van wilde dieren.

De onderzoekers, Arnab Pal aan het Technion-Israel Institute of Technology en Shlomi Reuveni aan de Harvard Medical School, hebben een paper gepubliceerd over hun ontwikkeling van een algemeen theoretisch kader voor eerste passage onder herstart in een recent nummer van Fysieke beoordelingsbrieven .

"We hebben een theoretisch kader ontwikkeld voor de eerste doorgang onder herstart, "Pal vertelde" Phys.org . "Het raamwerk is extreem algemeen en biedt toepassingen voor een brede en diverse klasse van problemen in de informatica, computationele fysica, biofysica, niet-evenwicht statistische fysica, en meer."

Eerste passage onder herstart is een variatie op het kader "eerste passagetijd", die oorspronkelijk werd ontwikkeld in de context van niet-evenwichtssystemen en werd gebruikt, bijvoorbeeld, om de tijd te bestuderen die een deeltje met willekeurige beweging nodig heeft om een ​​bepaalde locatie te bereiken. Algemener, de eerste passagetijd is de tijd die een willekeurige variabele nodig heeft om een ​​bepaalde drempelwaarde te bereiken. Het is vooral handig om rekening te houden met de inherent probabilistische aard van statistische processen, zoals het afvuren van neuronen, fluorescentie blussen, of beursactiviteit.

Recenter, onderzoekers hebben onderzocht wat er gebeurt als een proces wordt gestopt en opnieuw wordt gestart vanaf het oorspronkelijke startpunt. Studies hebben aangetoond dat opnieuw opstarten voordelen kan hebben voor bepaalde problemen die "slecht van start gaan", bijvoorbeeld een zoekalgoritme dat willekeurig zoekt naar een oplossing voor een probleem, maar begint te zoeken langs een pad dat de verkeerde kant op gaat. Opnieuw opstarten kan dan helpen een zinloze zoektocht te redden door hem opnieuw te starten. Algemener, opnieuw opstarten kan helpen in een situatie waarin het onduidelijk is of het proces snel zal eindigen of pas na een lange periode.

Terwijl de eerste passage onder herstart is gebruikt om een ​​breed scala aan processen te beschrijven, een deel van het probleem met deze variëteit is dat er momenteel geen algemene, verenigende benadering die kan worden toegepast ongeacht de specifieke details van het proces of het herstartmechanisme.

Door een algemeen raamwerk te ontwikkelen voor eerste passageprocessen onder herstart, Pal en Reuveni hebben dit probleem aangepakt. Met behulp van dit kader, vervolgens identificeerden ze een optimale strategie, scherpe herstart genoemd, die alle mogelijke herstartstrategieën overtreft wat betreft het behalen van de kortste gemiddelde eerste passagetijd.

Zoals de onderzoekers uitleggen, een scherpe herstart is in wezen heel eenvoudig:stop het proces en start het opnieuw na een bepaalde tijd, met de exacte hoeveelheid tijd, afhankelijk van het probleem. De resultaten hebben een breed scala aan potentiële toepassingen.

"In de foerageertheorie, men bestudeert de beweging van dieren die op zoek zijn naar voedsel, vrienden en onderdak in het wild, en het is best fascinerend om te zien hoe dieren hun foerageeractiviteiten proberen te optimaliseren, Pal zei. "Eerste passage onder herstart kan dan worden gebruikt als een geïdealiseerde beschrijving voor sommige van deze activiteiten. een mogelijke, nog onontgonnen, richting waarin dit zou kunnen worden genomen, is de studie van prehistorische migratiepatronen van menselijke groepen die op zoek zijn naar nieuwe en meer accommoderende gebieden.

"Een andere toepassing is de ontwikkeling van efficiëntere zoekstrategieën die kunnen helpen bij het vinden van verloren voorwerpen, of helpen bij het opzetten van reddingsoperaties voor neergestorte vliegtuigen of verloren onderzeeërs. Zoekprocessen verschijnen van nature ook in de context van biochemische reacties wanneer één molecuul naar een reactieve doelsite zoekt, en de eerste passage onder herstart kan ook worden gebruikt om enzymatische reacties te beschrijven."

Momenteel, een nadeel van de scherpe herstartstrategie is dat het misschien moeilijk te implementeren is met behulp van moleculen vanwege de hoge energetische kosten. In de toekomst, de onderzoekers zijn van plan dit probleem verder te analyseren om tot bijna optimale herstartstrategieën te komen die bijna net zo goed presteren, maar minder energie verbruiken. Deze strategieën kunnen vooral belangrijk worden in levende cellen of in door de mens gemaakte moleculaire apparaten.

"Restart wordt routinematig gebruikt om de voltooiing van gerandomiseerde computeralgoritmen te versnellen, maar het belang ervan in fysieke, chemisch, en biologische processen beginnen zich pas te realiseren, " zei Pal. "We zijn van plan herstart in deze context te onderzoeken en zijn vooral geïnteresseerd om te weten te komen of biologische systemen een manier hebben gevonden om ook te profiteren van herstart en de voordelen die het kan bieden."

© 2017 Fys.org