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。

采用HEC-RAS网格降雨法建立了一个二维水动力模型，以评估Merced春池和草原保护区Avocet池塘的春池综合体的恢复潜力。在这个目前改进过的系统中，堤坝切断了自然渠道，并将地面水流改道进入作为水库的蓄水池，将下游景观过程中的水移走。自然栖息地不断增加的洪水对原生春季池物种有利，它们的生命历史与有限和可变的水周期紧密相连。通过减少常年蓄水池的水周期，增加湿地的淹没和水文连通性，可以减少入侵动植物物种。建立了基本水文生态条件，作为评价各种恢复情景效益的形成依据。建议的修复方案是进行简单的地形改造，例如在运输堤上凿出小缺口或凿出淤泥池护堤。模型模拟表明，通过最小的地形改变，可以重新连接历史流道，从而增加湿地和其他下游环境的淹没，并减少总体蓄水池流入和水力周期。本研究的结果将作为春季池草地生境景观尺度恢复的示范，以使类似的恢复评估方法可用于其他保护土地。

开发新的合成方法和策略是有机化学研究的一个重要领域。特别有用的是能从简单的、非手性的和模块化的前体快速合理地生成具有多个新键和新立体中心的复杂分子结构的转化。本文讨论了这两个反应的综合研究和开发。

在第一部分中，讨论了芳香二烯和烯丙基亲二烯的分子内Diels-Alder（IMDA）反应，结合环重排复分解（RRM）制备成角度融合的多环内酰胺。借助计算分子模型研究了IMDA反应的机理。反应决心通过一种协调一致的机制进行；然而，竞争性自由基途径解释了某些底物的立体化学不忠和碎片。

开发了一种改进的、模块化的前体合成方法，将芳香胺与丙二烯片段前体直接偶联，从而可以制备一个小的杂环化合物库。该两步协议生成拓扑有趣的结构，包含两个或多个新环和两个新的sp3立体中心。计算建模还指导了烯丙基酮底物未知类似反应的发展，该底物产生碳环产物。

在烯烃复分解反应中制备了意外的立体化和反应性观察，这不能容易地解释。计算研究能够在这些类型的底物中阐明反应机理和烯系系长度之间的微妙且基本关系。

第二部分讨论了生物碱天然产物gelsemine的合成。合成策略采用了Vanderwal实验室先前开发的Zincke醛重排/IMDA级联反应。使用4-苯基吡啶作为模型系统，预期的转化成功地提供了一种高级合成中间体，该中间体仅缺少oxindole亚结构，以及靶中存在的关键C3-O4和C5-C16键。详细阐述了该中间产品的目标。

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，这些方法解决了显微镜、高光谱和医学成像以及数据挖掘领域的问题。这些解决方案是从极值化的角度制定的，能量函数捕获了解决方案与观测值的偏差和期望的性质。首先，我们提出了提高原子力显微镜成像采集率的新方法。我们提出并实验证明图像修复是一种释放扫描仪位置限制的方法，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，我们证明了高质量的表面再现是可以实现的采样与非光栅图案使用变分图像修复。对于非光栅扫描模式，现有的热机械漂移误差消除方法不再可用。我们提出了一种利用自交点的高效校正技术来解决这一问题的方法。我们的模型只需要几个对扫描时间影响最小的自相交点。我们的修正模型在一些特殊的情况下可能数值不稳定，尽管很容易产生。我们提出了一种基于模型能量分析的适应度，该适应度量化了我们的方法在给定扫描路径下的性能。通过微小的实验设计修改（通常仅由扫描仪定位的不确定性引起），可大幅提高适用性，从而缓解问题。由于其理想的性质，我们特别关注于改进阿基米德螺旋扫描。通过考虑扫描仪尖端速度和共振频率的基本限制，我们推导出了在最小化总扫描时间的同时完全符合限制的参数化。通过小而合理的近似，该扫描的形式在分析上变得易于陈述，并且在实践中易于实现。我们从扫描时间、扫描仪限制和采样分布均匀性的角度对这种最佳参数化与其他选择进行了辩护。

在医学成像领域，我们解决了同时脑电图和功能磁共振成像的信号清洁问题。在采集期间，通过脉冲性能产生挑战变异性随着时间的推移而产生的主导信号。注意信号的一些属性，我们建议应用已知为低秩+稀疏矩阵分解的现有型号。我们在同时捕获时进行了20个体的实验，以观察Gabor闪光后的α带神经活动的降低，并发现所提出的方法与已知独立分量分析的现有方法相比，显着提高了信号清洁结果。在Hyperspectral解密的域中，我们通过频谱可变性解决了解密的问题。我们建议和学习使用社会稀疏，在提取每重点捆绑的现有模型的背景下执行稀疏假设。在三个实验中，两个量化和一个定性，我们证明了社会稀疏 - 特别是卢赛索 - 改善了解决方案。

在这项工作的最后一章中，我们调查最近流行的机器学习问题主题建模。我们提出了解决这个问题 - 潜在的Dirichlet分配和非负数矩阵分组的两个模型 - 以其原始形式，回顾文献，并展示了他们共享的分析关系所知的内容。在实践中，由于问题是非凸的，所推断或优化技术在解决方案质量中起作用。因此，我们还总结了这些模型的三种流行算法，并在特定于主题建模问题的常见变分设置中框架本身。除了将这种模型和算法的贡献贡献在一起之外，我们还在实验上展示了方法的性能差异以及实际的主题模型结果。这项工作的最终贡献是研究从文档提取的主题的分配特性，提取附加信息的两个指标。时间或地点。

我们使用从2011年的Madrid获取的地理标记的Twitter数据集进行了这些指标，并发现这些简单的指标为主题提供了一个有用的摘要，并且可以显着简化研究主题的初始过程，当主题的数量很大时，研究主题模型的初始过程。

为了了解活细胞的工作原理，我们需要识别其分子成分并确定它们之间的相互联系。迄今为止，识别新的大分子组装体的研究主要局限于低通量生物化学分析。大分子组装体的结构也很难获得，并且大多数可用于单个组件的一小部分或其组装体，这些组件可采用常规方法，如X射线晶体学和核磁共振光谱法。在这篇论文中，我描述了我对开发四种新型管道的贡献，这些管道利用新技术和数据集来促进大分子组装的识别和结构的确定。首先，我们设计了一个算法来识别编码生物合成大分子组件的基因。第二，我们开发了一个基于亲和纯化、质谱和计算评分的平台来识别以前未知的HIV人类蛋白质组装体。第三，为了帮助难以分离和纯化的大分子组装体的结构测定，我们提出了一种基于体内基因相互作用测量和集成建模的新策略。最后，为了促进大分子组装体及其组分的小分子调节剂的合理发现，我们提出了一种新方法，该方法基于计算识别在无配体结构中无法检测到的假定配体结合位点，由于缺乏配体时结构分辨率或平面度不足。

我们被日常生活中自治系统的承诺所吸引。然而，确保这些系统安全运行是一个巨大的挑战：在自动驾驶车辆、协作工厂机器人和辅助机器人等应用中，将复杂系统引入现实世界的不确定环境，同时始终保证安全是不可能的。这些系统将不可避免地需要在有限的计算资源和对环境和其他代理的不完全了解的情况下做出实时决策。本论文旨在通过使自治系统能够：

（1） 根据已知信息有效地进行理论安全保证，以及

(2)通过对环境和其他行为体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，本文涵盖了各种可扩展的安全和实时决策的方法，这些方法来自控制理论、认知科学和学习，并得到了严格的理论和机器人平台上的物理测试的支持。我们首先概述了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一种暖开始的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诅咒。接下来，我们将在一个简化的、低维的在线空间中探索规划，并预先计算出安全保证和离线跟踪控制。这被扩展到元规划，在线算法在更快/保守模式和更慢/准确模式之间切换。然后，我们将所有这些工具应用于在不确定的环境中，在难以预测的主体(如人类行人)中导航。我们使用贝叶斯机器学习方法来推理人类的意图，并以概率安全的方式导航。最后，论文以代码库信息和可达性教程示例结束。

在过去的二十年中，无网格方法在各种工程和科学应用中取得了实质性的进展。无网格方法可以分为两个分支，基于Galerkin弱形式的方法和基于并置的强形式的方法。例如，在Galerkin框架下建立了无单元Galerkin方法(EFG)和再生核粒子方法(RKPM)，而径向基配置方法(RBCM)和再生核配置方法(RKCM)则直接建立在带有配置的强形式上。虽然无网格伽辽金方法和配置方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尚不多见。本文研究了Galerkin法和强形式配置法的精度、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以及各自的优缺点。本文首先研究了不同近似参数下RKCM、RBCM和RKPM的收敛性和精度。在RKCM和RBCM中采用了不同的配置点布置，研究了配置点的数量和位置对收敛行为的影响。同时，研究了具有不同积分规则的区域积分方法，结果表明，该方法需要完善的区域积分方法才能达到最优收敛。另一方面，像RBCM和RKCM这样的强形式搭配方法可以达到与RKPM相似的精度，而不会遇到高级求积规则所涉及的复杂性。 Next, the performance of collocation methods under non-uniform discretization has also been investigated. The results indicate that both RKCM and RBCM solutions are relatively insensitive to the non-uniformity in discretization compared to RKPM with direct nodal integration (DNI) or Gauss integration under the same domain discretization. RKPM, on the other hand, requires the employment of advanced quadrature rules such as the Stabilized conforming nodal integration (SCNI) and the Variational Consistent Integration (VCI) to overcome solution sensitivity to discretization non-uniformity. The comparison of these three methods shows that while RBCM generates best accuracy in coarse discretization, the method is suffered from ill-conditioning in the model refinement. RKCM and RBCM, on the other hand, are more stable under model refinement but offer less accurate results compared to RBCM in coarse discretization. RKCM appears to be an attractive alternative of RKPM due to its ability in gaining stability and good convergence without the need of well-formulated quadrature rules

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。

为了阐明PEALD过程的机理和概念，已经进行了一系列的研究。特别是，工艺表征侧重于开发基于第一性原理的三维多尺度计算流体力学（CFD）模型，以及使用双（叔丁胺基）硅烷（BTBAS）和臭氧作为前体的SiO2薄膜热原子层沉积（ALD）的反应器几何优化。此外，一个包含等离子体产生室的综合多尺度计算流体力学（CFD）模型用于利用四（二甲酰胺基）铪（TDMAHf）和O2等离子体作为前驱体沉积HfO2薄膜。

尽管进行了大量的研究工作，但从过程控制的角度来看，ALD和PEALD过程尚未得到充分的描述。本研究旨在使用先前开发的多尺度CFD仿真模型来设计和评估优化控制方案，以应对工业相关干扰。具体而言，提出并评估了一种使用比例积分（PI）控制器和运行到运行（R2R）控制器的集成控制方案，以确保高质量保形薄膜的沉积。采用多尺度CFD模型对典型扰动下的ALD和PEALD过程进行了数值模拟，并将集成控制器应用于过程域。利用开环结果确定的控制器参数，开发的集成PI-R2R控制器在两个控制器的共同作用下，成功地缓解了反应堆中的干扰。

外延氧化氧化物异质结构的新颖现象和官能化由于有趣的基本物理学以及它们体现的技术应用潜力而引起了巨大的科学关注。基本上，界面处的电荷和旋转重建可以导致异国特性，其与各个材料的固有的完全不同，例如，在反霉素附近的两个绝缘材料和界面铁磁之间的导电界面。电荷和旋转自由度之间的相互作用可能是特别有趣的，导致令人着迷的领域，称为多元。在本文中，对由Ferromagnet（FM）La $ _ {0.7} $ SR $组成的全氧化物模型异质结构系统的界面上的电子（电荷）和磁性（旋转）相互作用/重建进行系统研究。_ {0.3} $ MNO $ _3 $（LSMO）和多重（铁电和反铁磁）BIFEO $ _3 $（BFO）。该研究表明，使用这些异种界面性能的两种途径来控制堆积性质，BFO和LSMO中的铁磁性的铁电性。

这一旅程始于高质量的BFO/LSMO异质结构的生长，该异质结构具有单元单元精度控制，使用反射高能电子衍射结合脉冲激光沉积，为研究跨界面的电子和磁耦合现象提供了重要的平台。首先，我们观察到由于所谓的“极性不连续”的界面电子相互作用的一个新结果，即一个内置的静电势在异质界面上积累，并提供了对薄膜中铁电极化态的确定性控制。这一观察结果表明了一种强大的非局域效应，对基于这种材料的未来电子学具有重要意义。其次，我们在界面处发现了强磁耦合，表现为增强的矫顽力场和显著的交换偏置耦合。基于我们的x射线磁圆二色性研究，交换偏置耦合的起源归因于在LSMO界面的反铁磁BFO亚晶格中形成的一种新的铁磁态。第三，利用场效应几何，我们提出了一种利用电场控制LSMO磁性的方法，其中界面铁磁态的基态与铁电极化密切相关。磁输运测量清楚地表明，通过等温开关BFO的铁电极化，在两个不同的交换偏压态之间实现了可逆开关/控制。这是利用电场控制磁化的重要一步，可能使一类新的电可控自旋电子器件成为可能，并为电可控自旋极化电流的产生提供了新的基础。最后，将实验结果与第一性原理和唯象模型计算相结合，提出了一个微观模型来理解磁电耦合的基本物理特性，为实现磁场控制提供了进一步的见解。

综上所述，我们对BFO/LSMO异质界面电子和磁性的研究表明，界面电荷、自旋、轨道和晶格自由度之间存在很强的相互作用，这对利用界面特性控制体功能(本研究中的铁电极化和铁磁磁化)的新途径具有重要的意义。这种界面上的耦合可能扩展到其他氧化物，并将在复杂氧化物异质界面这一发展领域发挥显著的物理概念。

本项目探讨了能源生产对环境和健康的影响如何挑战厄瓜多尔公民权的新兴话语。我关注厄瓜多尔国家炼油厂和埃斯梅拉达斯市之间的关系，埃斯梅拉达斯市是一个主要的非洲后裔和历史上被边缘化的社区，因为该国正在谈判一个国家结构转型，这将考验“革命”未来、新的实质性公民权利的承诺，以及国家关怀的新想象。石油行业代表着埃斯梅拉达斯的一场关键规划斗争；炼油厂最初建在城外，现在被不断暴露在污染空气和水下的棚户区所包围。尽管这座城市被承诺将迎来发展的黄金时代，但他们三十年的石油工业经验却让他们面临人口爆炸、大规模失业、基础设施老化和公共卫生危机。然而，2006年，由于新当选的政府承诺将社会公正和福祉纳入公民身份的国家概念，居民们对根本性的改变抱有希望。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，尽管新的政治体制打算通过能源生产促进福祉，但企业逻辑继续影响着使环境污染及其健康影响成为可见的生物政治过程，就在埃斯梅拉德尼奥斯利用新颖的公民概念和壮观的抗议活动来推动宜居环境的时候。

高通量数据采集技术无可争辩地改变了生命科学的面貌，部分原因是它使生物信息学和生物医学信息学的计算学科成为可能，而且是必要的。这些领域主要集中于开发用于分析数据和生成关于自然界中物体的假设的工具，正是在这种背景下，我们解决了计算生命科学领域中的三个紧迫问题，每个问题都需要超出单个计算机所能获得的计算能力。我们开发了一种无比对的方法，用于从哺乳动物基因组中的同源启动子中识别保守的基序实例。在此过程中，我们重新发现了一种重要的功能性DNA元素，它在胎儿早期发育过程中控制着神经组织的发育。我们进一步确定了许多其他有趣的基序，并用可用的功能指标（如基因本体和组织特异性表达数据库）对它们进行了表征。我们表明，应用一种算法发现应用于整个基因组的重复序列结构，可以发现人类基因组中的重复结构明显多于应用于单个染色体的相同算法。尽管这看起来很明显，但由于技术限制，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。该框架允许选择调度目标函数，但由于对结果再现性的内在需求，通常以速度可靠性为目标