春天的游泳池景观是罕见的和高度修改。默塞德春池和草原保护区由6500英亩受保护的土地组成，保存着敏感的春池栖息地和生物。保护区包含了一些经过改造的池塘，这些池塘对历史景观进行了广泛的改变，比分布在整个基地的季节性湿地综合体更长的时间捕捉和保留水。通过结合经验数据和二维水动力模型，我们的项目旨在更好地了解加州大学默塞德春季池和草原保护区的水是如何流动的，以便评估潜在水文恢复活动的可行性，并更好地了解潜在的管理策略。本研究旨在评估通过对先前改造过的地形进行微小改变，重新连接历史河道，从而增加洪水淹没，从而恢复或增强现有天然春池综合体的可行性。

使用HEC-RAS雨水覆盖网格方法开发了2D流体动力学模型，以评估默塞德古龙池和草原储备的Avocet Pond的春池综合体的恢复潜力。在该目前修改的系统中，堤坝将自然频道和Reroute Overland的流入储存器的储物，从下游景观过程中除去水。增加对自然栖息地的淹没使寿命历史与有限和可变的水多主水一体地联系起来的天然古氏池种。通过减少常年库存池液体过期和湿地特征的淹没和水文连通性增加，可以减少侵入性植物和动物物种。基本壳氢生物病症被确定为评估各种恢复情景的益处的形成依据。建议的恢复情景实施了简单的地形修改，如传送堤或缺口储存池塘的小休息。模型模拟表明，通过最小的地形改变可以重新连接历史流动路径，导致湿地和其他下游环境的淹没以及整体库存池流入和氢超期的减少。该研究的结果将作为景观规模恢复的景观规模恢复，这是通过过去的土地使用而改变的春季泳池草地栖息地，以便在国家的其他保存土地上实施类似的恢复评估方法。

开发新的合成方法和策略是有机化学研究的重要领域。特别有用的是迅速和合理地产生复杂的分子架构，具有多种新键和新立体封闭的转化，来自简单，成立和模块化前体。本文讨论了两种这种反应的合成调查和利用。

在I部分中，讨论了芳族二烯和苯二甲酸烯二烯能的反应，与环重排雷复分解（RRM）结合制备角度融合的多环内酰胺，用于制备角度稠合的多环内酯内酯。借助计算分子建模研究了IMDA反应的机制。确定反应通过协调机制进行;然而，竞争激进的途径占对某些基材观察的立体化学的不忠和碎片。

改进的模块化合成前体，以直接将芳族胺与苯烯片段前体直接涂，这允许制备小型杂环化合物。该两步协议产生拓扑有趣的结构，包含两个或更多个新环，以及两个新的SP3立体中心。计算建模还引导了对酮酮基材的未知类似反应的发展，其产生碳环产物。

在烯烃复分解反应中，出现了难以解释的立体选择性和反应性。计算研究能够阐明在这些类型的底物中，反应机理与烯烃链长度之间微妙而基本的关系。

在第二部分中，讨论了对合成生物碱天然产物甲胺酮的努力。合成策略采用先前由Vanderwal实验室开发的Zincke醛重排/ IMDA级联。使用4-苯基吡啶作为模型系统，预期的转化成功地给出了缺乏氧吲哚子结构的高级合成中间体，以及目标中存在的关键C3-O4和C5-C16键。详细阐述了这种中间体朝向目标。

制备了一些保护的4-(2-氨基苯基)吡啶类似物，以促进氧化吲哚的形成，并避免模型系统中出现的后期并发症。这些化合物要么没有形成锌盐，要么没有打开吡啶环，或者随后的重排/IMDA，因此划定了这类化学合成的边界。

在这项工作中，我们提出了各种基于能量的方法，这些方法是显微镜，高光谱和医学成像和数据挖掘领域的问题的解决方案。这些解决方案由极端化的角度配制，能量函数从观察结果和期望的性质中捕获溶液的偏差。首先，我们提出了提高原子力显微镜的成像率的新方法。我们提出并通过实验证明了图像伪装，作为解放扫描仪位置限制的方式，从而实现更快的扫描。传统上，扫描仪以光栅模式进行测量;在这项工作中，我们证明了通过使用变分图像修复的非光栅模式采样来实现高质量的表面再现。使用非光栅扫描模式，可以使用现有的热机械漂移错误去除方法。我们提出了通过利用自交叉点的高效纠正技术提出该任务的解决方案。我们的型号仅需要几点对扫描时间对扫描时间产生最小的自交叉点。我们的校正模型在一些特殊的校正模型可能在数值上不稳定，但易于生产，案例。 We propose a fitness based on analysis of the model energy that quantifies how well our method will perform for a given scan path. With minor experimental design modifications, often resulting simply from uncertainties in the scanner positioning, this fitness can be drastically increased and issues thereby alleviated. Due to its desirable properties, we focus specifically on improving the Archimedean spiral scan. By considering basic limitations of the scanner's tip speed and resonant frequency, we derive the parametrization that exactly obeys limitations while minimizing total scan time. With small and reasonable approximations the form of this scan becomes analytically simple to state and easy to implement in practice. We defend this optimal parameterization against other choices from the perspectives of scan time, scanner limitations, and sampling distribution uniformity.

在医学成像领域，我们解决了同时进行脑电图和功能性磁共振成像的信号清洗问题。在采集过程中，主要信号是通过随时间变化的弹道心电效应产生的。注意到信号的一些性质，我们提出应用一个已知的低秩+稀疏矩阵分解的现有模型。我们对20个同时捕获的个体进行了实验，观察Gabor闪烁后α波段神经活动的减少，发现与已知的独立成分分析方法相比，该方法大大提高了信号清洗结果。在高光谱分解领域，我们解决了与光谱变异性有关的分解问题。我们提出并研究使用社会稀疏性来加强现有模型上下文中的稀疏性假设，这些模型提取每个材料的端元束。在三个实验中，两个定量的和一个定性的，我们证明社会稀疏-特别是群体套索-改善了解决方案。

在本工作的最后一章，我们研究了最近流行的机器学习问题的主题建模。我们提出了两个模型来解决这个问题-潜在的狄利克雷分配和非负矩阵分解-在他们的原始形式，回顾了文献，并提出了什么是已知的分析关系，他们共享。在实际应用中，由于问题是非凸的，推理或优化技术对解的质量起着重要作用。因此，我们还总结了这些模型的三种流行算法，并将算法本身框架在特定于主题建模问题的共同变分设置中。除了为模型和算法提供这一视角之外，我们还通过实验证明了方法和实际主题模型结果的性能差异。这项工作的最后贡献是研究从文档中提取的主题分布属性的两个指标，这些文档包含额外的信息，例如时间或位置。

我们使用2011年从马德里采集的带有地理标签的Twitter数据集研究这些指标，发现这些简单的指标为主题提供了一个有用的总结，当主题数量很大时，可以显著简化研究主题模型结果的初始过程。

要了解生命细胞的工作，我们需要识别其分子组成部分，并确定它们如何相互关联。迄今为止，鉴定新的大分子组件的研究主要限于低通量生物化学测定。大分子组件的结构也难以获得，并且主要用于各个组分或其组件的小子集，其可用于常规方法，例如X射线晶体学和核磁共振光谱。在本文中，我描述了我对利用新技术和数据集的四种新型管道发展的贡献，以便于识别大分子组件和它们的结构的确定。首先，我们设计了一种算法来识别编码生物合成大分子组件的基因。其次，我们开发了一种基于亲和纯化，质谱和计算评分的先前未知的HIV-人蛋白组件的平台。第三，为了帮助分离和纯化的挑战性的大分子组件的结构测定，我们提出了一种基于体内遗传相互作用和整合建模的新策略。最后，为了促进大分子组件及其组分的小分子调节剂的理性发现，我们提出了一种基于调用配体结合位点的计算鉴定，该方法在无配和结构中不可检测，由于结构分辨率不足或平坦度没有配体。

我们被日常生活中自主系统的前景所吸引。然而，确保这些系统的安全运行是一个巨大的挑战:在现实世界的不确定环境中引入复杂的系统，同时始终保证安全，在自动驾驶汽车、协作工厂机器人和辅助机器人等应用中是不可能的。这些系统将不可避免地需要在有限的计算资源和不完全的环境和其他智能体知识下进行实时决策。本论文旨在通过使自主系统能够:

（1）基于已知信息，对理论安全保证有效保证

（2） 通过对环境和其他因素的不确定性进行推理，弥合该理论与现实世界之间的安全鸿沟。

为了实现这一目标，本论文涵盖了各种可扩展安全和实时决策方法，这些方法来源于控制理论、认知科学和学习，并以严格的理论和机器人平台上的物理测试为支持。我们首先概述可达性分析及其在具有安全保证的最优控制中的应用。然后，我们通过分解系统或以热启动方式更新以前的解决方案来解决与可达性计算相关的维数灾难。接下来，我们将在一个简化的低维空间中探索在线规划，并提供预计算的安全保证和离线跟踪控制。这扩展到元规划，在线算法在快速/保守模式和慢速/精确模式之间切换。然后，我们将所有这些工具应用于在难以预测的代理（如行人）之间的不确定环境中导航。我们使用贝叶斯机器学习方法对人类意图进行推理，并以概率安全的方式进行导航。最后，本文以代码库和可达性教程示例为结束。

在过去二十年中，无网格方法在各种工程和科学应用中取得了重大进展。无网格方法可分为两大类：基于伽辽金弱形式的方法和基于配点的强形式的方法。例如，无单元伽辽金法（EFG）和再生核粒子法（RKPM）是在伽辽金框架下建立的，径向基配点法（RBCM）和再生核配点法（RKCM）是在配点的强形式上直接建立的。虽然无网格伽辽金法和配点法已经取得了很大的成功，但对这两类方法的数值性能的深入比较却很少。本文研究了伽辽金法和强形式配置无网格法的精度、收敛性、稳定性和有效性，重点研究了RKPM、RBCM和RKCM。讨论了这些方法的数值性能比较及其优缺点。本文首先研究了在不同近似参数下RKCM、RBCM和RKPM的收敛性和精度。对RKCM和RBCM采用不同的配置点布置，研究配置点的数量和位置对收敛行为的影响。同时，还研究了具有各种求积规则的区域积分技术，结果表明，要达到最优收敛，需要良好的区域积分技术。另一方面，RBCM和RKCM等强形式配置方法可以获得与RKPM相似的精度，而不会遇到高级求积规则中涉及的复杂性。其次，研究了非均匀离散条件下配置方法的性能。结果表明，与采用直接节点积分（DNI）或高斯积分的RKPM方法相比，RKCM和RBCM方法对离散化过程中的非均匀性相对不敏感。另一方面，RKPM要求采用先进的求积规则，如稳定协调节点积分（SCNI）和变分一致积分（VCI），以克服解对离散化非均匀性的敏感性。这三种方法的比较表明，RBCM在粗离散化时精度最高，但在模型精化时存在病态性。另一方面，RKCM和RBCM在模型细化下更稳定，但与RBCM相比，在粗离散化中提供的结果精度较低。RKCM是RKPM的一个有吸引力的替代方案，因为它能够获得稳定性和良好的收敛性，而无需制定完善的求积规则

随着智能手机甚至汽车行业对半导体的重要性和需求不断增加，热原子层沉积(ALD)获得了巨大的工业兴趣，因为它提供了一种高效沉积超高一致性薄膜的方法。在NAND (Not-And)型快闪存储器器件中，金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)的新型设计中越来越多地遇到这种材料，而选用它的主要原因是它能产生具有高展弦比表面结构的超共形介质薄膜。在传统热ALD方法的基础上，等离子体增强原子层沉积(PEALD)可以降低操作温度，并在等离子体物种的参与下加快沉积过程。尽管这两种方法很受欢迎，但它们的运行策略的开发仍然是一项复杂和昂贵的任务，这推动了精确和全面的仿真模型的构建。

已经开展了一系列研究以阐明了PEALD过程的机制和概念。特别地，过程表征侧重于使用BIS（第三级）的SiO2薄晶热原子层沉积（ALD）的基于基于第一原理的三维的多尺寸计算流体动力学（CFD）模型的基于第一原理的三维的多尺寸计算流体动力学（CFD）模型。丁基氨基）硅烷（BTBA）和臭氧作为前体。此外，将包含等离子体产生室的综合多尺度计算流体动力学（CFD）模型用于利用四（二甲基脒）铪（TDMAHF）和O 2等离子体作为前体的HFO 2薄膜的沉积。

尽管研究努力很大，ALD和PEALD进程尚未从过程控制的观点出现完全相同。本研究旨在使用先前开发的MultiScale CFD仿真模型来设计和评估优化的控制方案，以处理工业相关的干扰。具体地，提出了使用比例积分（PI）控制器和运行到运行（R2R）控制器的集成控制方案，并评估以确保高质量的保形薄膜沉积。使用MultiScale CFD模型模拟典型干扰下的ALD和PEALD过程，并且集成控制器应用于过程域中。使用从开环结果确定的控制器参数，开发的集成PI-R2R控制器以两个控制器的组合努力成功地减轻了反应堆中的干扰。

外延复合氧化物异质结构的新现象和功能已经引起了巨大的科学关注，因为它们所体现的有趣的基础物理和潜在的技术应用。从本质上讲，在界面上的电荷和自旋重构可以导致奇异的性质，这与单个材料固有的性质完全不同，例如，两种绝缘材料之间的导电界面和反铁磁附近的界面铁磁性。电荷和自旋自由度之间的相互作用可能特别有趣，导致了一个迷人的领域，称为多铁。在这个论文中,系统研究是进行电子(电荷)和磁(spin)交互/重建整个界面的all-oxide模型组成的异质结构系统铁磁物质(FM)拉老$ _ {0.7}$ $ _ {0.3}MnO (LSMO)美元和美元的热能(铁电和反铁磁性的)BiFeO _3(拍频振荡器)美元。研究证明了利用这些奇异的界面性质来控制块体性质的两种途径，即BFO中的铁电性和LSMO中的铁磁性。

旅程从高质量的BFO / LSMO异质结构的增长，使用反射高能电子衍射与脉冲激光沉积相结合，为横跨界面进行电子和磁耦合现象提供了一个重要平台。首先，我们已经观察到由于所谓的“极性不连续性”，即界面的封闭件累积界面的界面电子相互作用的新颖后果，并提供薄膜中铁电偏振态的确定性控制。该观察表明，基于此类材料对未来电子产品的重要意义，提出了强大的临近效应。其次，我们在该界面上揭示了强大的磁耦合，以增强的矫顽电场的形式以及显着的交换 - 偏置耦合。基于我们的X射线磁性圆形二色性研究，交换偏置耦合的起源归因于在与LSMO界面的反铁磁BFO子分子中形成的新型铁磁状态。第三，使用场效应几何形状，我们提出了一种使用电场来控制LSMO中的磁场的通路，其中界面铁磁状态的接地状态与铁电偏振强烈地相关。MagnetOcransport测量清楚地证明了通过等温切换BFO的铁电偏振的两种不同的交换 - 偏置状态之间的可逆开关/控制。这是朝着电场控制磁化的重要步骤，该电场可以实现新的电气可电控制的旋转调速装置，并为产生电可控旋转极化电流提供新的基础。最后，已经提出了一种将实验结果与第一原理和现象学模型计算相结合，已经提出了一种微观模型来理解磁电耦合的潜在物理，提供了实现磁体的电场控制的进一步见解。

总之，我们对BFO / LSMO异化件的界面电子和磁性性质的研究表明，界面上的电荷，旋转，轨道和晶格自由度之间的强烈相互作用，这对新途径具有重要意义控制散装功能的界面特性（本研究中铁电极和铁磁磁化）。界面处的这种偶联可以延伸到其他氧化物，并将对该显影氧化物异料蔗种的显影领域产生显着的物理概念。

该项目探讨能源生产对环境和健康的影响如何挑战厄瓜多尔公民的新兴话语。我关注的是厄瓜多尔国家炼油厂和埃斯梅拉达斯市之间的关系，埃斯梅拉达斯是一个主要由黑人后裔和历史上被边缘化的社区，随着国家进行国家结构转型，这将考验一个“革命性”的未来，新的实质性公民权利，以及国家医疗的新设想。对埃斯梅拉达斯来说，石油工业代表着一场关键的规划斗争;这座炼油厂最初建在城外，现在被不断暴露在受污染的空气和水中的棚户区所包围。虽然这座城市被承诺将迎来一个发展的黄金时代，但他们在石油工业方面长达30年的经验却给他们带来了人口爆炸、大规模失业、基础设施老化和公共卫生危机。然而，在2006年，由于新当选的政府承诺将社会公正和福祉嵌入公民的国家概念中，居民们对根本性的变化充满希望。这场“公民革命”承诺重新分配厄瓜多尔的能源资源，以改善所有厄瓜多尔人的生活质量和公民素质。然而，该项目表明，虽然新的政治体制打算通过能源生产促进福祉，但企业逻辑继续塑造生物政治过程，使环境污染及其健康影响可见，即使Esmeraldeños采用新颖的公民概念和壮观的抗议活动来推动一个宜居环境。

毫无疑问，高通量数据获取技术已经改变了生命科学的面貌，部分原因是使生物信息学和生物医学信息学的计算学科成为可能和必要。这些领域主要集中在开发分析数据的工具和生成关于自然界对象的假设，在这种背景下，我们解决了计算生命科学领域的三个紧迫问题，每个问题都需要超出单台计算机所能获得的计算能力。我们开发了一种用于鉴定哺乳动物基因组同源启动子中保守基序实例的无比对方法。在这个过程中，我们重新发现了一个重要的功能DNA元件，控制着早期胚胎发育的神经组织的发展。我们进一步识别了一些其他有趣的基序，并利用现有的功能指标，如基因本体论和组织特异性表达数据库，对它们进行了描述。我们发现，应用于整个基因组的重复序列结构的算法比应用于单个染色体的算法揭示了人类基因组中更多的重复结构。虽然这似乎是显而易见的，但由于技术上的限制，目前没有任何工具能够回答这个问题。最后，我们提出了一个专门针对计算科学家的应用程序调度框架。这个框架允许选择调度目标函数，但由于对结果可再现性的固有需求，通常着眼于可靠性而不是速度