Proseminar

Kollektives Verhalten und Schwarmdynamiken

Wintersemester 2017/2018

Proseminar: Kollektives Verhalten und Schwarmdynamiken

Leif Bergerhoff, Prof. Dr. Joachim Weickert

Wintersemester 2017/2018

(Pro-)Seminar (2 h)

Hinweise: Im Sinne der Studien- und Prüfungsordnungen der Bachelor-/Master-Studiengänge Mathematik ist diese Veranstaltung ein Seminar. Ein Hauptseminarschein kann nicht erworben werden.
Im Sinne der Studien- und Prüfungsordnungen der Informatikstudiengänge handelt es sich um ein Proseminar. Es kann kein Seminarschein für diese Studiengänge erworben werden.

Ameisen- und Vogelschwarm. (Quelle: www.collective-behavior.com)

01.08.2017: Die Themenübersicht wurde aktualisiert und Seminartermine hinzugefügt.

01.08.2017: Die Folien der Einführungsveranstaltung wurden hinzugefügt.

28.07.2017: Die Registrierungsphase ist vorbei.

20.07.2017: Die Themenübersicht wurde aktualisiert.

20.07.2017: Zusätzliches Material wurde hinzugefügt.

Wichtige Termine – Beschreibung – Registrierung – Voraussetzungen – Einführungsveranstaltung – Themenübersicht – Zusätzliches Material – Literatur

Einführungsveranstaltung (Anwesenheit erforderlich):
Die Einführungsveranstaltung wird am Montag, den 31. Juli 2017 um 14:00 Uhr in Gebäude E1.7, Raum 4.10 stattfinden.
Bei dieser Besprechung werden die Themen auf die Teilnehmer verteilt. Es besteht Anwesenheitspflicht für alle Kursteilnehmer. Bitte vergessen Sie nicht, dass Sie sich vorher registrieren müssen (siehe unten).

Seminartermine im Wintersemester 2017/2018:
Mittwoch, 16:15 Uhr in Gebäude E1.7, Raum 4.10.

Inhalt:
Oftmals inspiriert durch natürliche Prozesse sind in den letzten Jahrzehnten eine Reihe von mathematischen Modellen zur Beschreibung kollektiven Verhaltens entwickelt worden. Ging es zunächst um die Modellierung und das Verständnis von Schwarmdynamiken, so werden Schwarmmodelle heutzutage vielfach als heuristische Verfahren in Bereichen der Optimierung, sowie in der Robotik und Bildverarbeitung angewandt.
Im Rahmen dieses Seminars wollen wir einige grundlegende Modelle und deren Anwendungen kennenlernen. Dabei beschränken wir uns auf Modelle, die das Verhalten eines Schwarms auf der Ebene seiner einzelnen Mitglieder beschreiben.

Voraussetzungen:
Das Proseminar richtet sich an Studierende der Mathematik und Informatik mit Mathematikkenntnissen im Umfang von 2-3 Semestern. Bildverarbeitungskenntnisse sind nicht erforderlich.

Sprache:
Vortragssprache ist Deutsch. Das Verständnis englischsprachiger Fachliteratur ist erforderlich.

Die Registrierung für diesen Kurs ist offen
von Freitag, 21. Juli, 2017, 12:00 Uhr
bis Freitag, 28. Juli, 2017, 12:00 Uhr.

Da die Anzahl der Vorträge begrenzt ist, bitten wir um Ihr Verständnis, dass Teilnehmer strikt nach dem Zeitpunkt der Registrierung zugelassen werden – keine Ausnahmen.

Regelmäßige Teilnahme:
Es wird erwartet, dass Teilnehmer(innen) zu allen Terminen erscheinen, außer bei einem wichtigem Grund, der nicht auf eigenem Verschulden beruht (Nachweise bitte sofort einreichen).

Individuelle Vorbesprechung:
Ihren Vortrag müssen Sie spätestens in der vorausgehenden Kalenderwoche mit dem jeweiligen Seminarbetreuer besprechen. Es liegt in Ihrer Verantwortung, diese Frist einzuhalten. Vereinbaren Sie dafür rechtzeitig einen Termin! Bitte legen Sie zur Vorbesprechung einen reifen Entwurf Ihres Vortrags vor. Selbstverständlich können Sie uns auch schon früher während der Vorbereitung Ihres Vortrags konsultieren.

Präsentation:
Vortragsdauer ist 30 Minuten pro Sprecher, plus 15 Minuten für Diskussion. Bitte halten Sie diese Zeitvorgaben ein. Bei den Präsentationsmitteln haben Sie freie Wahl zwischen Beamer, Overheadprojektor und Whiteboard. Diese können auch miteinander kombiniert werden. Die Vortragssprache ist Deutsch.

Nichterscheinen beim eigenen Vortragstermin:
Absagen des eigenen Vortragstermins oder Nichterscheinen beim eigenen Vortrag ist aus verschiedenen Gründen unsozial: Nachfolgende, darauf aufbauende Vorträge werden in Mitleidenschaft gezogen, Lieblingsthemen anderer Studierender werden blockiert, und im schlimmsten Fall haben Sie sogar einem Kommilitonen den Proseminarplatz streitig gemacht. Daher behalten wir uns vor, Studierende, die aus von ihnen verschuldeten Gründen ihren eigenen Vortragstermin nicht wahrnehmen, von zukünftigen Proseminaren und Seminaren unserer Gruppe auszuschließen.

Schriftliche Ausarbeitung:
Bitte fertigen Sie bis spätestens drei Wochen nach Vorlesungsende eine schriftliche Ausarbeitung Ihres Vortrags an. Die Deadline ist Freitag, 23. Februar 2018, 23:59 Uhr. Dies ist eine Zusammenfassung, die in der Regel einen Umfang von drei bis fünf Seiten hat und in die Bewertung eingeht. Bitte mailen Sie die Ausarbeitung als PDF-Datei an Leif Bergerhoff. Wir empfehlen die Anfertigung der Ausarbeitung mit LaTeX, aber wir akzeptieren auch die Erstellung mit anderen Textverarbeitungsprogrammen (z.B. Libre Office).

Plagiarismus:
Beachten Sie unbedingt die Standards wissenschaftlichen Arbeitens: Zitate und übernommenes Material (Daten, Bilder) müssen als solche gekennzeichnet und mit Quellenangabe versehen sein. Ein Literaturverzeichnis ist erforderlich. Ansonsten gilt das Seminar als nicht bestanden.

Teilnahme an Diskussionen:
Die Diskussionen nach den Präsentationen sind ein essenzieller Teil dieses Proseminars. Das bedeutet, dass die Teilnehmer Fragen stellen und damit positive und negative Aspekte der vorgestellten Idee finden sollen. Die aktive Teilnahme ist Teil der Schlussnote.

Verspätungen:
Um den Vortragenden nicht zu unterbrechen oder zu stören, müssen alle Teilnehmer rechtzeitig im Seminarraum sein. Teilnehmer, die regelmäßig zu spät kommen, müssen damit rechnen, dass dies einen negativen Einfluss auf ihre Note haben wird.

Nach der Einführungsveranstaltung werden hier die Folien der zugehörigen Präsentation zur Verfügung gestellt. Sie enthalten u.A. wichtige Informationen zur Vorbereitung eines guten Vortrags.

Wenn Ihre Registrierung erfolgreich war, erhalten Sie das Passwort vor der Einführungsveranstaltung.

Als zusätzliche Einführung in die Thematik eignet sich u.a. die unter [11] verlinkte Veröffentlichung. Darin werden die Grundzüge kollektiven Verhaltens anhand von Beispielen in der Natur und der Gesellschaft erläutert.

1. C. Blum and D. Merkle:
   Swarm Intelligence.
   Kapitel 2, Kapitel 3
   Natural Computing Series. Springer, Berlin, 2008.


2. A. Czirók, A.-L. Barabási, and T. Vicsek:
   Collective motion of self-propelled particles: Kinetic phase transition in one dimension.
   Physical Review Letters, 82(1):209–212, 1999.


3. I. D. Couzin, J. Krause, R. James, G. D. Ruxton, and N. R. Franks:
   Collective memory and spatial sorting in animal groups.
   Journal of Theoretical Biology, 218(1):1-11, September 2002.


4. M. R. D'Orsogna, Y. L. Chuang, A. L. Bertozzi, and L. S. Chayes:
   Self-propelled particles with soft-core interactions: Patterns, stability, and collapse.
   Phys. Rev. Lett., 96:104302, March 2006.


5. M. Dorigo, V. Maniezzo, and A. Colorni:
   Ant system: optimization by a colony of cooperating agents.
   IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, Part B (Cybernetics), 26(1):29-41, February 1996.


6. V. Gazi and K. M. Passino:
   Stability analysis of swarms.
   IEEE Transactions on Automatic Control, 48(4):692-697, April 2003.


7. B. K. Panigrahi, Y. Shi, and M.-H. Lim:
   Handbook of Swarm Intelligence.
   Kapitel a, Kapitel b, Kapitel c
   Volume 8 of Adaptation, Learning, and Optimization. Springer, Berlin, 2011.


8. J. Kennedy and R. Eberhart:
   Particle swarm optimization.
   Proceedings of the IEEE International Conference on Neural Networks, volume 4, pages 1942-1948. IEEE, November 1995.


9. L. Perko:
   Differential Equations and Dynamical Systems.
   Kapitel 2.1, Kapitel 2.2, Kapitel 2.5, Kapitel 2.9, Kapitel 2.14, Kapitel 3.1
   Number 7 in Texts in Applied Mathematics. Springer, New York, third edition, 2001.


10. C. W. Reynolds:
    Flocks, herds and schools: A distributed behavioral model.
    Proceedings of the 14th Annual Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques, SIGGRAPH ’87, pages 25-34, New York, NY, USA, 1987. ACM.


11. D. J. T. Sumpter:
    The principles of collective animal behaviour.
    Philosophical Transactions of the Royal Society of London B: Biological Sciences, 361(1465):5-22, 2006.


12. T. Vicsek, A. Czirók, E. Ben-Jacob, I. Cohen, and O. Shochet:
    Novel type of phase transition in a system of self-driven particles.
    Phys. Rev. Lett., 75(6):1226-1229, August 1995.


13. C. A. Yates, R. E. Baker, R. Erban, and P. K. Maini:
    Refining self-propelled particle models for collective behaviour.
    Canadian Applied Mathematics Quarterly, 18(3), 2010.

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