Forskere afdækker universelle træk ved første passage under genstart

(Phys.org) - At opdage måderne, hvorpå mange tilsyneladende forskellige fænomener hænger sammen, er et af de overordnede mål for videnskabelig undersøgelse, da universalitet ofte gør det muligt at udvide en indsigt i et område til mange andre områder.

Arbejde på disse linjer, forskere i en ny undersøgelse har udviklet en generel ramme for modellen "første passage under genstart", som beskriver en lang række statistiske fænomener i fysik, kemi, biologi, finansiere, og andre felter. Ved at identificere en optimal strategi og vise, at den ikke kan overgås af nogen anden strategi, forskerne har taget skridt i retning af at forbedre udførelsen af ​​mange forskellige processer med en bred vifte af applikationer, såsom effektiv computerkodning, biokemiske reaktioner i celler, og dyrelivssøgning.

Forskerne, Arnab Pal ved Technion-Israel Institute of Technology og Shlomi Reuveni på Harvard Medical School, har udgivet et papir om deres udvikling af en generel teoretisk ramme for første passage under genstart i et nylig nummer af Fysisk gennemgangsbreve .

"Vi har udviklet en teoretisk ramme for første passage under genstart, "Fortalte Pal Phys.org . "Rammerne er ekstremt generelle og tilbyder applikationer til en bred og forskelligartet problematik inden for datalogi, beregningsfysik, biofysik, ikke-ligevægt statistisk fysik, og mere."

Første passage under genstart er en variation af "første passage tid" -rammen, som oprindeligt blev udviklet i forbindelse med ikke-ligevægtssystemer og brugt, for eksempel, at studere den tid, det tager for en partikel med tilfældig bevægelse at nå et bestemt sted. Mere generelt, den første passage tid er den tid, det tager for enhver tilfældig variabel at nå en bestemt tærskelværdi. Det er især nyttigt til at redegøre for den i sagens natur sandsynlige karakter af statistiske processer, såsom neuronfyring, fluorescensdæmpning, eller aktiemarkedsaktivitet.

For nylig, forskere har undersøgt, hvad der sker, når en proces stoppes og startes igen fra det oprindelige udgangspunkt. Undersøgelser har vist, at genstart kan have fordele for visse problemer, der "starter dårligt" - f.eks. en søgealgoritme, der tilfældigt søger efter en løsning på et problem, men starter med at søge ad en sti, der går i den forkerte retning. Genstart kunne derefter hjælpe med at redde en forgæves søgning ved at starte den på ny. Mere generelt, genstart kan hjælpe i en situation, hvor det er uklart, om processen vil ende hurtigt eller først efter en lang periode.

Mens første passage under genstart er blevet brugt til at beskrive en lang række processer, en del af problemet med denne sort er, at der i øjeblikket ikke er nogen generel, samlende tilgang, der kan anvendes uanset de særlige detaljer i processen eller genstartmekanismen.

Ved at udvikle en generel ramme for første passage -processer under genstart, Pal og Reuveni har løst dette problem. Ved hjælp af denne ramme, de identificerede derefter en optimal strategi, kaldes skarp genstart, der overgår alle mulige genstartstrategier med hensyn til at opnå den korteste gennemsnitlige første passage tid.

Som forskerne forklarer, skarp genstart er meget enkel i det væsentlige:stop blot processen og start den igen efter et bestemt tidsrum, med den nøjagtige tid afhængigt af problemet. Resultaterne har en lang række potentielle anvendelser.

"I foderteori, man studerer dyrenes bevægelse, der leder efter mad, kammerater og ly i naturen, og det er ret fascinerende at se, hvordan dyr forsøger at optimere deres foderaktiviteter, "Pal sagde." Første passage under genstart kan derefter bruges som en idealiseret beskrivelse for nogle af disse aktiviteter. En mulig, endnu uudforsket, retning, hvor dette kunne tages, er studiet af forhistoriske migrationsmønstre for menneskelige grupper, der søger nye og mere imødekommende områder.

"En anden applikation er i udviklingen af ​​mere effektive søgestrategier, der kan hjælpe med at finde tabte objekter, eller hjælpe med at konstruere redningsaktioner for styrtede fly eller tabte ubåde. Søgeprocesser vises også naturligt i forbindelse med biokemiske reaktioner, når et molekyle søger efter et reaktivt målsted, og første passage under genstart kunne også bruges til at beskrive enzymatiske reaktioner. "

I øjeblikket, en ulempe ved den skarpe genstartstrategi er, at det kan være svært at implementere ved hjælp af molekyler på grund af de høje energiske omkostninger. I fremtiden, forskerne planlægger at analysere dette problem yderligere for at komme med næsten optimale genstartstrategier, der fungerer næsten lige så godt, men bruger mindre energi. Disse strategier kan blive særligt vigtige i levende celler eller i menneskeskabte molekylære enheder.

"Genstart bruges rutinemæssigt til at fremskynde færdiggørelsen af ​​randomiserede computeralgoritmer, men dens betydning i fysisk, kemisk, og biologiske processer er lige ved at blive realiseret, "Pal sagde." Vi har til hensigt at undersøge genstart i disse sammenhænge og er især interesseret i at finde ud af, om biologiske systemer har fundet en måde at også drage fordel af genstart og de fordele, det kan tilbyde. "

© 2017 Phys.org