Signal Processing Techniques

Cointegration beschreibt einen statistischen Zusammenhang zwischen zwei oder mehr Zeitreihen, die jeweils nicht-stationär sind, jedoch eine langfristige Gleichgewichtsbeziehung aufweisen. Wenn zwei Zeitreihen $x_t$ und $y_t$ cointegriert sind, bedeutet dies, dass eine lineare Kombination dieser Zeitreihen stationär ist, obwohl die einzelnen Zeitreihen es nicht sind. Dies kann mit dem folgenden Ausdruck veranschaulicht werden:

Hierbei ist $\beta$ der Koeffizient, der die Beziehung zwischen $x_t$ und $y_t$ beschreibt. Wenn $z_t$ stationär ist, spricht man von Cointegration. Cointegration ist besonders nützlich in der Ökonometrie, da sie darauf hinweist, dass die Zeitreihen langfristig zusammenhängen, was für ökonomische Modelle von großer Bedeutung ist. Ein klassisches Beispiel für Cointegration ist der Zusammenhang zwischen den Preisen von Konsumgütern und den Einkommen der Verbraucher.

Die mikrostrukturelle Evolution beschreibt die Veränderungen in der Mikrostruktur eines Materials über die Zeit, insbesondere während physikalischer oder chemischer Prozesse wie Kristallisation, Wärmebehandlung oder mechanischer Verformung. Diese Veränderungen können das Verhalten und die Eigenschaften eines Materials erheblich beeinflussen, darunter Festigkeit, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Die Mikrostruktur umfasst Merkmale wie Korngröße, Phasenverteilung und Kristallorientierung, die durch verschiedene Faktoren wie Temperatur, Druck und chemische Zusammensetzung beeinflusst werden.

Ein Beispiel für mikrostrukturelle Evolution ist die Kornverfeinerung, die bei der Wärmebehandlung von Metallen auftritt: Bei höheren Temperaturen können sich die Körner vergrößern, was die Festigkeit des Materials verringern kann. Umgekehrt kann eine kontrollierte Abkühlung zu einer feinen Kornstruktur führen, die die mechanischen Eigenschaften verbessert. Solche Veränderungen werden oft mathematisch modelliert, um die Beziehung zwischen den Prozessparametern und der resultierenden Mikrostruktur zu quantifizieren.

Ein Random Walk ist ein stochastischer Prozess, der beschreibt, wie sich ein Teilchen zufällig von einem Punkt zu einem anderen bewegt. In diesem Kontext bezeichnet man einen absorbing state (aufnehmenden Zustand) als einen Zustand, von dem aus das Teilchen nicht mehr weiter wandern kann, d.h. sobald es diesen Zustand erreicht, bleibt es dort. Dies bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit, nach dem Erreichen eines aufnehmenden Zustands wieder zu einem anderen Zustand zurückzukehren, gleich Null ist.

In mathematischer Form kann man das so ausdrücken: Sei $S_t$ der Zustand des Systems zum Zeitpunkt $t$. Wenn $S_t$ ein aufnehmender Zustand ist, dann gilt $P(S_{t+1} = S_t | S_t) = 1$. Diese Konzepte finden Anwendung in verschiedenen Bereichen, darunter Physik, Finanzmathematik und Biologie, um Phänomene wie Markov-Ketten oder die Verbreitung von Krankheiten zu modellieren. In der Praxis ist es wichtig, die Struktur und Verteilung der aufnehmenden Zustände zu verstehen, da sie entscheidend für das langfristige Verhalten des Random Walks sind.

Diffusion Models sind eine Klasse von probabilistischen Modellen, die zur Erzeugung von Daten verwendet werden, insbesondere in den Bereichen der Bild- und Sprachsynthese. Sie funktionieren, indem sie einen Prozess simulieren, der Rauschen schrittweise hinzufügt und dann durch einen Umkehrprozess wieder entfernt. Der zentrale Mechanismus dieser Modelle basiert auf der Diffusionstheorie, die beschreibt, wie sich Informationen oder Partikel in einem Medium ausbreiten.

In der Praxis wird ein Bild beispielsweise schrittweise mit Rauschen versehen, bis es vollständig verrauscht ist. Das Modell lernt dann, in umgekehrter Reihenfolge zu arbeiten, um das Rauschen schrittweise zu reduzieren und ein neues, realistisches Bild zu erzeugen. Mathematisch wird dieser Prozess oft durch Stochastische Differentialgleichungen beschrieben, wobei die Übergangswahrscheinlichkeiten der Zustände eine wesentliche Rolle spielen. Diffusion Models haben in den letzten Jahren an Popularität gewonnen, da sie in der Lage sind, hochrealistische und qualitativ hochwertige Daten zu generieren.

Spin-Gläser sind magnetische Materialien, die durch ein komplexes Wechselspiel zwischen frustrierenden Wechselwirkungen und zufälligen magnetischen Momenten charakterisiert sind. Im Gegensatz zu ferromagnetischen Materialien, in denen sich die Spins der Atome in eine einheitliche Richtung ausrichten, zeigen Spin-Gläser eine unregelmäßige und chaotische Anordnung der Spins. Diese Anordnung führt dazu, dass die Spins in verschiedenen Regionen des Materials in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet sind, was zu einer fehlenden langfristigen Ordnung führt.

Ein wichtiges Merkmal von Spin-Gläsern ist ihr Verhalten bei unterschiedlichen Temperaturen; bei hohen Temperaturen verhalten sie sich wie paramagnetische Materialien, während sie bei tiefen Temperaturen in einen gefrorenen, metastabilen Zustand übergehen. In diesem Zustand sind die Spins in einer Vielzahl von energetisch gleichwertigen Konfigurationen gefangen. Die theoretische Beschreibung von Spin-Gläsern erfordert oft den Einsatz von statistischer Mechanik und Konzepten wie der Replica-Symmetrie-Brechung (RSB), um die komplexen Wechselwirkungen und das Verhalten unter verschiedenen Bedingungen zu erklären.

State Observer Kalman Filtering ist eine leistungsstarke Technik zur Schätzung des internen Zustands eines dynamischen Systems, das von Rauschen und Unsicherheiten beeinflusst wird. Der Kalman-Filter kombiniert Messungen mit einem mathematischen Modell des Systems, um die besten Schätzungen der Systemzustände zu liefern. Dabei wird eine rekursive Berechnung verwendet, um die Schätzungen kontinuierlich zu aktualisieren, was bedeutet, dass der Filter bei jeder neuen Messung lernt und sich anpasst.

Mathematisch wird der Zustand des Systems durch den Vektor $x$ beschrieben, und die Schätzung erfolgt durch die Gleichung:

Hierbei ist $K_k$ der Kalman-Gewinn, $y_k$ die aktuelle Messung und $H$ die Beobachtungsmatrix. Der Kalman-Filter ist besonders nützlich in der Regelungstechnik und Robotik, da er es ermöglicht, auch in Gegenwart von rauschenden oder unvollständigen Daten präzise Schätzungen zu erhalten.