SPRAWOZDANIE Z DZIAŁALNOŚCI NAUKOWO-BADAWCZEJ
KATEDRY METOD KOMPUTEROWYCH UMK
W ROKU 1998
I. TEMATY BADAWCZE
1. Liczba realizowanych tematów: 14
2. Liczba zakończonych tematów: 0.
3. Działalność dotyczy badań podstawowych; nie przewidujemy wdrożeń ani przekazania rezultatów do wykorzystania poza publikacjami.
4. Nie przekazano żadnych tematów do wdrożenia.
5. Nie zaniechano realizacji żadnego tematu.
II. CZĘŚĆ OPISOWA
II.1. Przyczyny zaniechania tematów prowadzonych i rozpoczętych w 1998 roku.
W 1998 roku nie zaniechaliśmy realizacji żadnego tematu. Ze względu na braki kadrowe zrezygnowano już wcześniej z dalszego rozwijania tematu dotyczącego badania układów złożonych oraz symulacji neurobiologicznych.
II.2. Krótka charakterystyka i podsumowanie wyników uzyskanych w 1998 roku.
Problematyka badawcza KMK skoncentrowana jest wokół trzech grup tematycznych.
A) Interdyscyplinarny program badawczy dotyczący metod sztucznej inteligencji, w szczególności szeroko pojętych zagadnień modelowania sieci neuronowych.
Jest to część interdyscyplinarnego programu badawczego kierowanego przez prof. W. Ducha, finansowanego przez rozpoczęty w 1998 roku grant KBN “Systemy uczące się w zastosowaniu do analizy danych medycznych i psychometrycznych” (nakłady: 65.900 zł w 1998 roku) oraz w części związanej z kognitywistyką i modelami umysłu, nie wchodzącej w tematykę grantu, przez badania własne i statutowe KMK. Szczegółowy opis wielu projektów związanych z modelowaniem sieci neuronowych zamieściliśmy na stronie WWW pod adresem: http://www.fizyka.umk.pl/kmk/projects/kmk-proj.html
Główne zadania badawcze należące do tej grupy tematycznej to:
II.2.1 Modelowanie działania umysłu (cognitive modeling).
Część naszych wysiłków badawczych skierowana została w stronę kognitywistyki (nauk o poznawaniu) i próby stworzenia empirycznie uzasadnionej teorii umysłu w oparciu o modele sieci neuronowych. Teoria ta powinna nie tylko być pomocną w rozwiązaniu podstawowych problemów nauk o poznaniu lecz również prowadzić do nowych konstrukcji systemów uczących się, i w tym kierunku zmierzają nasze badania. Jej zarysy, w postaci hipotez określających prawdopodobne związki pomiędzy zdarzeniami w mózgu i ich korelacji z percepcją, wyższymi czynnościami poznawczymi i treścią świadomości zostały już nakreślone w kilku pracach i wystąpieniach konferencyjnych. Matematyczne metody opisu zdarzeń mentalnych wiążą się z teorią układów złożonych w zastosowaniu do sieci neuronowych z rekurencją. Kontynuowaliśmy współpracę z Instytutem Badań Psychologicznych Maxa Plancka w Monachium nad integracją sensomotoryczną, który prof. Duch odwiedził latem 1998 roku. Nawiązaliśmy również kontakt z Instytutem Neuropsychologii Maxa Plancka w Lipsku, gdzie magistrant prof. Ducha spędzi semestr letni 1999 roku pracując nad metodą czynników niezależnych w zastosowaniu do obrazów fMRI.
Pracujemy nad integracją metod uczenia maszynowego (machine learning, ML) i neuronowych metod uczenia, opracowując ogólne podejście w którym metody rozpoznawania obiektów i sieci neuronowe są szczególnymi przypadkami. Integracja mało obecnie znanych metod uczenia maszynowego daje bardzo ciekawe rezultaty i kierunek ten zamierzamy rozwijać w najbliższych kilku latach. Pierwsza praca na ten temat przedstawiona została w maju 1998 na sesji specjalnej w czasie World Congress of Computational Intelligence w Anchorage na Alasce. Szukamy alternatywnych podejść do adaptacji i opisu działania sieci neuronowych, wykorzystujących metody statystyczne, metody teorii estymacji, metody oparte na lokalnych, nieliniowych transformacjach układów współrzędnych. Pracujemy również nad modelami wykorzystującymi procesy Markowa (modele HMM i DFA, Discrete Finite Automata) oraz metodami dynamiki symbolicznej do aproksymacji dynamiki sieci neuronowych z rekurencją. Pozwala to na opis zachowania się sieci w postaci ewolucji automatów skończonych a w niektórych przypadkach w postaci reguł logicznych. Metody te są bardzo ważne dla zastosowań teorii układów złożonych (układy dynamiczne, samoorganizujące się stany krytyczne i chaotyczne) do zagadnień kognitywistyki i nauk przyrodniczych. W szczególności badamy metody upraszczania opisu złożonych układów dynamicznych, takich jak zbiór neuronów, zamierzając znaleźć serię systematycznych przybliżeń, pozwalająca na uzasadnienie przejść pomiędzy modelami na różnym poziomie szczegółowości (od zjawisk bioelektrycznych na błonach komórkowych do opisu dużych grup neuronów). Mamy nadzieję na stworzenie dobrego, opartego na sieciach neuronowych, modelu tworzenia się reprezentacji mentalnych.
Przy współpracy z logikami, filozofami i pedagogami z UMK utworzyliśmy nowe pismo, “Kognitywistyka i media w edukacji”, którego pierwszy numer, liczący ponad 300 stron, ukazał się pod koniec 1998 roku. Pismo to ma na celu integrację środowiska osób interesujących się kognitywistyką w Polsce. Prof. Duch przewodniczy komitetowi naukowemu tego pisma, pracuje również nad serią książek stanowiących wprowadzenie do kognitywistyki. Kontynuowano prace nad wykładem “Umysł, mózg i sieci neuronowe”, będącym wstępem do kognitywistyki, integrującym wiadomości dotyczące filozofii, neurofizjologii, psychologii poznawczej i sieci neuronowych. Prof. W. Duch korzystał ze stypendium UMK na napisanie pierwszego tomu wstępu do kognitywistyki. Projekt ten znacznie się rozrósł i w pierwszym tomie przedyskutowane zostaną problemy związane z tworzeniem teorii umysłu, począwszy od problemów filozoficznych i modeli historycznych, przez teorie psychologiczne i badania nad mózgiem, do modeli matematycznych. W ramach interdyscyplinarnego programu badawczego związanego z zastosowaniami i rozwojem teorii sieci neuronowych w fizyce, chemii, ekonomii, lingwistyce i innych naukach zorganizowano szereg seminariów. Dążymy do powołania kognitywistyki jako odrębnego kierunku studiów i rozwoju interdyscyplinarnego programu badań. Służyć temu mają “konwersatoria kognitywne”, organizowane na naszej uczelni oraz utworzenie w najbliższej przyszłości Centrum Nauk Kognitywnych. Zamierzamy również powołać w 1998 roku nowe pismo, “Kognitywistyka i edukacja medialna”, którego celem będzie integracja środowiska naukowców zainteresowanych kognitywistyką. Wspólnie z pracownikami z innych jednostek UMK dążymy do powołania (w roku akademickim 1999/2000) specjalizacji kognitywnej w ramach filozofii oraz nowego, interdyscyplinarnego kierunku studiów specjalnych w tym zakresie.
Ostatnie publikacje związane z tematem to:
II.2.2 Rozwój teorii i zastosowań systemów neurorozmytych.
Prof. Duch wraz z asystentami, doktorantami i magistrantami prowadzi prace nad uniwersalnym systemem neurorozmytym, Feature Space Mapping (FSM). Jest to system uczący się tak, jak sieci neuronowe a jednocześnie zdolny do korzystania z reguł logiki rozmytej, pozwalających na sekwencyjne procesy rozumowania wraz z użyciem predefiniowanej wiedzy w modelach uczących się, podobnie jak robi się to w systemach eksperckich. Testowano i rozwijano oprogramowanie systemu FSM opartego na własnym, oryginalnym podejściu do systemów neurorozmytych, zainspirowanym przez model umysłu oparty na przestrzeniach psychologicznych. Prace te wspierane były przez zakończony w 1997 roku grant indywidualny KBN “Teoria i zastosowania systemów neurorozmytych” a obecnie przez grant “Systemy uczące się w zastosowaniu do analizy danych medycznych i psychometrycznych”. Rozwój systemu FSM w zastosowaniach do aproksymacji i klasyfikacji wchodzi w zakres dwóch prac doktorskich (Adamczak, Jankowski) przygotowywanych w naszym zespole. Część dotycząca logiki rozmytej i możliwości wykorzystania tego systemu w procesach wnioskowania, jako systemu ekspertowego, będzie również tematem niezależnej pracy doktorskiej.
W 1998 roku skupiliśmy się na rozwoju oprogramowania tego systemu, implementując nowe funkcje realizowane przez neurony, w tym funkcje uniwersalne, dające zarówno zlokalizowane jak i zdelokalizowane gęstości. Funkcje biradialne pozwalają na płynne przejście do funkcji prostokątnych i trapezoidalnych, dzięki czemu sieć FSM można zamienić w sieć realizującą funkcje logiczne, zarówno logiki klasycznej, rozmytej jak i logiki przybliżonej. Rozwiązaliśmy też zagadnienie obracania gęstości, i to zarówno na etapie inicjalizacji, gdzie pozostawiamy uproszczoną macierz obrotu nie dokonując dalszej optymalizacji jej parametrów (wersja przetestowana), jak i wersję pozwalająca za pomocą N parametrów dokonywać obrotu gęstości w N-wymiarowej przestrzeni w czasie uczenia. Zaimplementowano również kilka efektywnych sposobów inicjalizacji parametrów adaptacyjnych sieci FSM (można go zastosować również w sieciach RBF). Sieć FSM zastosowaliśmy do wspomagania diagnoz medycznych i psychometrycznych, osiągając bardzo dobre wyniki. Opracowano też graficzny interfejsem do naszego oprogramowania.
Ostatnie publikacje związane z tematem to:
II.2.3 Ekstrakcja reguł logicznych i poszukiwanie wiedzy w bazach danych
Bardzo rozwinęliśmy metody ekstrakcji reguł logicznych z danych treningowych za pomocą sieci neuronowych i metod globalnej optymalizacji. Jest to część bardzo modnej obecnie dziedziny, określanej jako “data mining”, czyli dogłębna analiza danych lub poszukiwanie wiedzy w bazach danych. Oprócz systemu FSM stosujemy w tym celu nowe algorytmy dla wielowarstwowych perceptronów trenowanych metodą wstecznej propagacji. Połączyliśmy nasze metody ekstrakcji reguł logicznych z metodami opartymi na algorytmach globalnej maksymalizacji (multisympleks, metoda stopniowego studzenia) wartości predykcyjnej reguł logicznych – był to temat pracy magisterskiej Grzegorza Żala, obronionej we wrześniu 1998. Opracowaliśmy też szereg nowych metod ekstrakcji reguł opartych na drzewach decyzyjnych i algorytmach szukania, ale nie zostały one jeszcze przetestowane.
Temat ekstrakcji reguł logicznych nabiera coraz większego znaczenia. W 1998 roku W. Duch zorganizował sesję specjalną na kongresie WCCI'98 w Anchorage (Alaska). Nasze wyniki prezentowane były na kilku prestiżowych konferencjach naukowych i w pracy napisanej na zamówienie pisma “Journal of Advanced Computational Intelligence”. Niektóre nasze rezultaty przechowywane są jako wzorcowe (benchmark) w dostępnym przez Internet repozytorium baz danych do testowania metod uczenia maszynowego na Uniwersytecie Irvine w Kalifornii. Mamy też wiele ciekawych rezultatów dla danych medycznych i w ramach grantu KBN analizujemy dane medyczne zbierane w kraju i za granicą oraz dane psychometryczne. Otrzymane przez nas reguły pozwolą stworzyć system ekspercki do wspomagania diagnoz psychiatrycznych.
Temat ten rozwijany jest przy współpracy z grupa prof. M. Ishikawy z Kyushu Institute of Technology oraz z grupą prof. N. Kasabova z University of Otago, Nowa Zelandia.
Publikacje:
II.2.4 Rozwój nowych algorytmów uczenia sieci neuronowych
Jednym z największych problemów w rozwoju zastosowań sieci neuronowych, powodującym trudności w zbieżności algorytmów uczenia się oraz problemy z doborem właściwej architektury jest brak dobrych metod inicjalizacji parametrów sieci. Początkowo prowadziliśmy prace nad inicjalizacją sieci FSM z estymacją gęstości w oparciu o metody wstępnej klasteryzacji, uzyskując w ten sposób bardzo dobre wyniki. Zbadaliśmy użyteczność kilku metod klasteryzacji pod kątem ich przydatności do wstępnej inicjalizacji. W ostatnim okresie do inicjalizacji zastosowaliśmy również znane z statystyki wielowymiarowej metody dyskryminacji Fishera i dyskryminacji liniowej. Metody te określają zarówno liczbę neuronów, wagi, progi a także pozwalają na optymalizację nachyleń sigmoid dla indywidualnych neuronów. W niektórych przypadkach po inicjalizacji sieć rozwiązuje problemy klasyfikacyjne bez dalszego uczenia się. W bardziej skomplikowanych przypadkach (szum w danych) dodatkowo zastosowaliśmy optymalizację struktury sieci pozwalającą na otrzymanie bardzo prostych struktur. Zwykła regularyzacja w przypadku dużych sieci, mających wiele parametrów, daje dobre wyniki, prowadząc do dużej liczby małych wag. Zastosowana przez nas metoda regularyzacji pozwala sieci na usunięcie zbędnych połączeń z warstwą wejściową (selekcja cech istotnych dla klasyfikacji) pozostawiając potrzebne silne połączenia (duże wagi), zarówno dodatnie i ujemne.
Badanie wstępnych transformacji danych wejściowych doprowadziło nas do odkrycia zupełnie nowej klasy sieci neuronowych, które nazwaliśmy sieciami nieeuklidesowymi, gdyż wykorzystują nieeuklidesowe miary odległości. Obecnie rozwijamy algorytmy uczenia tych modeli, co powinno zaowocować szeregiem prac w nadchodzącym roku.
Przy współpracy z Department of Artificial Intelligence, Louis Paster Universite w Strasbourgu dokonano przeglądu metod globalnej minimalizacji w zastosowaniu do uczenia sieci neuronowych (grupa w Strasbourgu specjalizuje się w zastosowaniach algorytmów genetycznych do optymalizacji struktur sieci).
Publikacje związane z tym tematem:
II.2.5 Zastosowanie metod inteligencji obliczeniowej do analizy danych medycznych i psychometrycznych.
Od początku 1998 roku realizujemy nowy grant KBN dotyczący analizy danych medycznych w oparciu o rozwijane przez nas metody typu sieci neuronowych, metod opartych na podobieństwie i ekstrakcji reguł logicznych. Korzystając z publicznie dostępnych medycznych baz danych osiągnęliśmy już liczne i ciekawe rezultaty, w niektórych przypadkach otrzymując najlepsze z dotychczas publikowanych dokładności. Do analizy otrzymaliśmy też dane z polskich, niemieckich i japońskich ośrodków naukowych. Planujemy wydanie książki poświęconej różnym metodom analizy danych dotyczących chorób wątroby - będzie to porównanie wielu metod w zastosowaniu do trudnego problemu praktycznego. Zebraliśmy też sporo danych psychometrycznych, które posłużą do opracowania systemu do diagnostyki problemów osobowościowych.
Publikacje związane z tym tematem:
II.2.6 Ontogeniczne sieci neuronowe
Przy współpracy z dr Visakanem Kadirkamanathanem z Computer Science Department, University of Sheffield, prowadzono dalsze prace nad ontogenicznym modelem sieci neuronowej (zmienna liczba neuronów) IncNet. Uzyskano doskonałe rezultaty w ramach uproszonej metody uczenia sieci IncNet opartej na filtrze Kalmana, w szczególności w zastosowaniu do klasyfikacji danych medycznych. Prace naukowe wykonane w ramach tej współpracy są częścią pracy doktorskiej mgr Jankowskiego, której obrona powinna się odbyć w 1999 roku. W oparciu o uzyskane wyniki rozpoczęliśmy prace nad kontrolą złożoności innych sieci ontogenicznych (wersje RBF i FSM).
Publikacje związane z tym tematem:
II.2.7 Wizualizacja i redukcja wymiarowości danych
Wprowadziliśmy nowe metody pozwalające na jednoczesną klasyfikację i wizualizację, łączące zalety samoorganizujacych map Kohonena i skalowania wielowymiarowego (MDS). Opracowano nowe algorytmy minimalizacji dla MDS i porównano różne metody redukcji wymiarowości i ich przydatność do określania najważniejszych cech lub ich nieliniowej kombinacji. Praca będzie kontynuowana a metoda opisana bardziej szczegółowo w pracy doktorskiej A. Nauda. Przy współpracy z grupą Visi Lab Uniwersytetu w Antwerpii, gdzie A. Naud przebywał na rocznym stażu, algorytm SOM zastosowano również w zagadnieniach klasyfikacji obrazu, w szczególności klasyfikacji tekstur. Próbowaliśmy też zastosować tą metodę do wizualizacji granic dla dowolnego klasyfikatora w wielowymiarowych przestrzeniach. Oprogramowanie pozwalające na interaktywne oglądanie granic decyzji powinno powstać w 1999 roku.
Publikacja:
II.2.8 Alternatywne podejście do układów adaptujących się
Badaliśmy teorie alternatywne w stosunku do sieci neuronowych. Naszym celem jest tu integracja metod uczenia maszynowego (ML, machine learning) i metod statystycznych z metodami sieci neuronowych. Metody oparte na pamięci (memory-based methods) znajdują szerokie zastosowanie praktyczne skutecznie konkurując z sieciami neuronowymi. Udało się nam opracować ogólny schemat dla metod opartych na podobieństwie, obejmujący jako szczególne przypadki metody rozpoznawania obiektów, takie jak różne warianty k-NN czy kwantyzacji wektorowej, wiele modeli sieci neuronowych, w tym najbardziej popularne modele MLP i RBF, oraz wiele innych metod. Z teorii wynika szereg zupełnie nowych algorytmów, implementowanych i testowanych obecnie w ramach pracy doktorskiej przez mgr K. Grudzińskiego. Zamierzamy stworzyć oprogramowanie, które pozwoli na automatyczne wybranie jednej z wielu metod mieszczących się we wspólnym schemacie, metody najlepiej działającej dla konkretniej bazy danych.
W minionym roku prof. W. Duch zorganizował sesje specjalne poświęcone integracji metod uczenia maszynowego i sieci neuronowych na kongresie 1998 IEEE World Congress on Computational Intelligence, w Anchorage, Alaska oraz na konferencji The 8th Workshop on Open Systems and Information Dynamics, 3-5.03.1998 w Toruniu. Temat ten zamierzamy intensywnie rozwijać w nadchodzących latach. We wrześniu 1999 roku odbędzie się piąta z serii konferencja Engineering Applications of Neural Networks, organizowana tym razem przez prof. Ducha w Warszawie.
Publikacje związane z tym tematem:
II.2.9 Inteligentne oprogramowanie dla potrzeb chemii komputerowej.
Projekt “Intelligent support for computational chemistry" realizowany jest w ramach programu współpracy COST Unii Europejskiej, w której biorą udział eksperci z Max-Planck-Institut für Astrophysik z Garching k. Monachium, Computer Based Learning Unit, University of Leeds, Center for Scientific Computing, Espoo, Finlandia), Laboratory of Chemical Physics, University of Groningen, Holandia, Queen's University of Belfast, Department of Computer Science oraz Comenius University, Department of Physical Chemistry. Prof. Duch jest zastępcą kierownika tego projektu i był osobą odpowiedzialną za przygotowanie tego wniosku. Rola grupy prof. Ducha będzie się ograniczać w nadchodzących latach tylko do części projektu związanej ze sztuczną inteligencją, opracowania reguł dla systemu eksperckiego na podstawie analizy przykładowych obliczeń za pomocą algorytmów neuronowych. Kwestie opracowania oprogramowania numerycznego i graficznego interfejsu użytkownika rozwijane są przez pozostałych uczestników tego projektu. Nadal brakuje nam dużej bazy danych przykładowych obliczeń. W 1998 roku powstała tylko niewielka baza obliczeń wykonanych metodą sprzężonych klasterów. Baza ta została przeanalizowana przez nasz zespół ale jest za mała by znaleźć praktyczne zastosowanie.
Nawiązaliśmy również kontakt Dr. Volkmarem Vill’em z Instytutu Chemii Organicznej Uniwersytetu Hamburga, którego przez kilka dni października odwiedzał mgr Rafał Adamczak. Celem tej współpracy jest opracowanie systemu, który posłuży do przewidywania własności fizykochemicznych ciekłych kryształów na podstawie ich wzoru strukturalnego.
B) Metody fizyki i chemii komputerowej rozwiązywania równań opisujących własności i zachowanie się atomów i cząsteczek.
Prof. J. Wasilewski z współpracownikami prowadził badania w ramach tematu: “Struktura energetyczna małych cząsteczek”. Uczestniczył też w badaniach kierowanych przez prof. K. Jankowskiego z Instytutu Fizyki UMK, dotyczących nowych metod opisu efektów korelacji elektronowej w stanach niezamknięto-powłokowych atomów i cząsteczek. Prof. Wasilewski pracuje również nad symulacjami komputerowymi w fizyce atomowo-molekularnej, szczególnie nad modelowaniem oddziaływania cząsteczek z powierzchniami krystalicznymi.
Dr J. Meller prowadził badania nad rozwojem metod obliczeniowych, algorytmów i programów komputerowych pozwalających uwzględniać korelację elektronową pod ogólnym hasłem “Rozwój metod oddziaływania konfiguracyjnego i metod pokrewnych” w ramach badań własnych i statutowych, współpracując z ośrodkami zagranicznymi w Francji, Izraelu i Japonii, gdzie przebywał jako stypendysta Japan Society for Promotion of Science (JSPS) prawie cały 1998 rok. Dr Meller odwiedził również Fritz Haber Center, Hebrew University w Jerozolimie, zajmując się rozwojem metod dynamiki molekularnej w zastosowaniu do symulacji białek przy współpracy z prof. Ronem Elberem, jednym z najlepszych specjalistów w tej dziedzinie w skali światowej.
Najważniejsze uzyskane wyniki w tej grupie tematów to:
II.2.10 Teoretyczne badania struktury energetycznej małych cząsteczek (prof. Wasilewski).
Kontynuowano badania stanów oscylacyjnych i efektów sprzężenia oscylacyjno-rotacyjnego w małych cząsteczkach metodami wykraczającymi poza elementarne przybliżenie harmoniczne. Rozpoczęto także badania stanów oscylacyjno-rotacyjnych metodami pseudospektralnymi. Wymieniona tematyka wchodzi m. innymi w zakres pracy doktorskiej mgr S. Zelka Zastosowanie technik wielociałowych w badaniach oscylacji molekularnych oraz mgr L. Cyrnka.
W oparciu o prace grupy Lighta zbudowano zespół programów komputerowych realizujących podejście Discrete Variable Representation (DVR) do numerycznego wyznaczania poziomów oscylacyjnych cząsteczek dwu- i trój-atomowych. Przebadano stabilność numeryczną algorytmów w róznych warunkach. W podejściu DVR wyznaczono poziomy oscylacyjno-rotacyjne układów HeNe+ i HeAr+, oraz poziomy oscylacyjne (z pełnym uwzględnieniem efektów anharmonicznych i ruchów o dużych amplitudach) układów LiCN, LiNC, HNS, HSN, SO2. Wyniki tych obliczeń włączone zostaną do kilku publikacji. Badania te były tematem pracy magisterskiej wykonanej pod kierunkiem J. Wasilewskiego, (specjalność: fizyka komputerowa): Cyrnek L., Reprezentacja zmiennej dyskretnej w badaniach oscylacji molekularnych, Katedra Metod Komputerowych, UMK Toruń, 1998. Wstępne wyniki zaprezentowane zostały na konferencji FAMO:
L. Cyrnek, J. Wasilewski, Vib-Rot States of Diatomic molecules Calculated Using the Discrete Variable Representation (DVR) Approach; Sympozjum FAMO, Toruń, 26.02.1998
Badano punkty stacjonarne na singletowych i trypletowych powierzchniach energetycznych cząsteczki SO2. Zastosowano podejścia typu CAS SCF i DFT, oraz bazy funkcyjne wysokiej jakości. Ogólną charakterystykę rodziny stanów walencyjnych tego układu w ramach grupy C2v przedyskutowano na podstawie diagramu Walsha, i porównano na tym poziomie z izowalencyjną cząsteczką ozonu, O3. W obu wypadkach stwierdzono analogiczne nieciągłości energii orbitalnych dla pośrednich wartości kąta walencyjnego, które umożliwiają precyzyjną lokalizację i wyjaśnienie genezy poszczególnych minimów i barier energetycznych. Na poziomie CAS SCF uzyskano dobre odtworzenie energii adiabatycznych przejść elektronowych, parametrów widma oscylacyjnego (z uwzględnieniem efektów anharmonicznych), oraz stabilności poszczególnych stanów względem symetrycznych (S + O2) i asymetrycznych (SO + O) kanałów dysocjacji. Badania przy wykorzystaniu metod typu DFT są kontynuowane.
Publikacje:
W ramach szeregu metod typu MO (RHF, UHF, ROHF, CAS SCF, MP2) i DFT (S-VWN, B-LYP) badano względną stabilność izomerów układu H2CO2. Izomery te: peroxy-methylene (I), dioxirane (II, C2v), methylene-bis(oxy) (III, C2v) i kwas mrówkowy (IV, formic acid) są m. innymi produktami oddziaływania rodnika metylowego (CH2, 3B1) i tlenu molekularnego (O2, 3
Sg-), np. w płomieniu acetylenowym. W wyniku oddziaływania powstać mogą produkty zarówno w stanach singletowych, jak i trypletowych. Jako wynik przeprowadzonych obliczeń (w bazie typu DZP) stwierdzono, że w stanach singletowych stabilność układów wzrasta w kolejności I, II, IV; III nie jest układem stabilnym, w symetrii C2v dysocjuje na CO2 i H2, a po zniesieniu ograniczeń symetrii przechodzi w IV. W stanach trypletowych II i III nie są odróżnialne, I i IV przechodzą w konformacje niepłaskie, powyżej odpowiednich stanów singletowych. Względne stabilności obliczone metodami MP2 i B-LYP są w porównywalnej zgodności z danymi literaturowymi, w metodach nieskorelowanych stabilności te są generalnie za niskie, w przybliżeniu lokalnym (S-VWN) - za wysokie.Publikacja:
W ramach współpracy z prof. J. Heldtem (WSP Słupsk) podjęto badania teoretyczne niższych stanów elektronowych glioksalu (C2O2H2) przy zastosowaniu różnych wariantów metody funkcjonałów gęstości (DFT). Podejście takie zastosowane także z dobrym wynikiem do otwartpowłokowego stanu singletowego; tego typu zastosowania są w literaturze nieliczne. Obliczenia teoretyczne mają na celu interpretację wyników doświadczalnych, otrzymanych przez prof. Heldta w ramach współpracy międzynarodowej najnowszą techniką “zwolnionej fluorescencji” (slow fluorescence).
Podjęto szczegółowe badania nad modelowaniem zjawisk powierzchniowych w kryształach jonowych i nad teoretyczną analizą procesów oddziaływania małych cząsteczek z takimi powierzchniami. Badania te, rozpoczęte w 1996 roku w ramach stażu prof. Wasilewskiego na Uniwersytecie w Bochum (RFN), są kontynuowane w Toruniu. Wykorzystuje się w nich metody funkcjonałów gęstości (DFT) i są one przedmiotem pracy doktorskiej mgr M. Wierzbowskiej (przewód doktorski: Oddziaływanie małych cząsteczek z powierzchniami kryształów jonowych został otwarty 28.05.1997). Zastosowano modele elektrostatyczne dla opisu stwierdzonej doświadczalnie kontrakcji struktury kryształu przy powierzchni i redystrybucji ładunku elektrycznego. Przebadano szereg modeli pola Madelunga o różnych rozmiarach i kształtach. Wstępne wyniki zostały zaprezentowane na konferencji DFT-97 w Wiedniu, 9.97, i na konferencji fizyki komputerowej w Krakowie, 11.97. Mgr Wierzbowska przebywała w zespole prof. Staemmlera na Wydziale Chemii Uniwersytetu w Bochum (Niemcy), na 3-miesięcznym stażu (1.3-31.5.1998) a od 01.09 jest przez 6 miesięcy na stypendium Romana Herzoga (administrowanym przez Fundację Alexandra von Humboldta); tematyka naukowa związana jest ściśle z przygotowaniem pracy doktorskiej. W ramach stypendium przewidziane są jeszcze 4 miesiące pobytu.
Inne prace dotyczące teoretycznego badania struktury energetycznej małych cząsteczek (prof. Wasilewski): ukazało się szereg prac zakończonych w latach poprzednich i wysłanych do publikacji (ujęte w spisie prac), oraz wygłoszono szereg referatów na seminariach międzynarodowych. Regularnie odbywało się również seminarium przy współpracy z Instytutem Chemii, na którym pracownicy zespołu prof. Wasilewskiego wygłosili wiele referatów.
II.2.11 Opracowanie nowych metod opisu efektów korelacji elektronowej.
Badania te wykonywane były w ramach grantu KBN (kierowanego przez prof. K. Jankowskiego z Instytutu Fizyki UMK), w realizacji którego uczestniczy prof. Wasilewski, oraz przez dr Mellera i prof. Ducha w ramach badań statutowych.
Prowadzone były badania układów modelowych w ramach nowych wersji wieloreferencyjnych metod sprzężonych klasterów (MRCC - Multi-Reference Coupled Clusters) w sformułowaniach walencyjnie-uniwersalnym, stanowo-uniwersalnym i stanowo-specyficznym. Badania dotyczyły wpływu bazy jednocząstkowej (formy orbitali molekularnych) na zbieżność rozwinięcia klasterowego dla stanów podstawowych i wzbudzonych, ze szczególnym uwzględnienie występowania tzw. stanów obcych (“intruderów“).
Publikacja:
Dr Meller ukończył wspólnie z prof. Duchem pracę związaną z zakończonym już wcześniej tematem. Do druku wysłana została praca:
II.2.12 Symulacje komputerowe w fizyce atomowo-molekularnej (badania własne, prof. Wasilewski).
Prowadzono prace rozpoznawcze i studialne w następujących kierunkach: oddziaływanie tlenu molekularnego z atomami i małymi cząsteczkami; zastosowanie różnego typu funkcjonałów mieszanych w metodzie DFT; zastosowanie metod DFT do opisu stanów otwartopowłokowych.
Wykonano obliczenia krzywych potencjalnych dla stanów X
2S1/2, A 2P1/2 układów HeNe+, HeAr+. Zastowano metodę funkcjonałów gęstości w wariancie "adiabatycznej kontynuacji", dokonując reparametryzacji oryginalnego funkcjonału Becke'go B3. Użyto wysokiej klasy bazy funkcyjne typu cc-pVQZ (klasa "quadruple-zeta"), specjalnie poszerzone dla dobrego opisu polaryzowalności He w polu jonów dodatnich atomów ciężkich; uwzględniono sprzężenie spin-orbita. Otrzymane krzywe potencjalne użyte zostały do wyznaczenia (metodą całkowania numerycznego) rodzin poziomów oscylacyjno-rotacyjnych, i na tej podstawie, poprzez analizę Dunhama - zestawów stałych molekularnych charakteryzujących poszczególne stany elektronowe. Stosując stosunkowo proste i niekosztowne podejście typu DFT uzyskano ostatecznie odtworzenie znanych doświadczalnie wartości stałych molekularnych z dokładnością porównywalną z najlepszymi wynikami innych autorów, obliczonymi przy użyciu najbardziej zaawansowanych metod molekularnej mechaniki kwantowej.Publikacja:
II.2.13. Rozwój i zastosowania metod dynamiki molekularnej (dr J. Meller)
W 1998 roku w ramach współpracy z Centrum Fritza Habera Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie, gdzie dr Meller odbył 6-tygodniowy staż przy końcu 1998 roku, kontynuowaliśmy badania nad rozwojem algorytmów symulacyjnych typu dynamiki molekularnej oraz zastosowaniem tych algorytmów do symulacji białek na wielką skalę. Badania te prowadzimy również korzystając z grantu UMK “Klasyczne i kwantowe modele białek hemowych” (J. Meller, główny wykonawca) przy współpracy z Instytutem Fizyki UMK.
Publikacje związane z tym tematem:
C) Badania w zakresie dydaktyki wspomaganej metodami komputerowymi.
II.2.14. Badania w zakresie dydaktyki wspomaganej metodami komputerowymi.
Badania w zakresie komputerowego wspomagania edukacji rozpoczęto w ramach grantu biura TEMPUS. Są one nadal kontynuowane przez pracujących w Katedrze Metod Komputerowych wykładowców. Wykonywaliśmy prace w zakresie komputerowych metod wspomagania dydaktyki, zastosowania hipertekstu i technik multimedialnych w edukacji, a w szczególności w nauczaniu matematyki, fizyki i chemii teoretycznej. Czynnie włączyliśmy się również do formułowania nowych programów nauczania nauk komputerowych (computational science) oraz do reformy programu nauczania przedmiotów o charakterze informatycznym na Wydziale Fizyki i Astronomii UMK, za którą odpowiedzialny jest prof. Wasilewski z naszej Katedry. Utrzymujemy strony WWW dotyczące wszystkich spraw związanych z komputerami, fizyką komputerową, sieciami neuronowymi, sztuczną inteligencją, kognitywistyką, badaniami nad mózgiem. Wydane w 1997 roku dwie książki W. Ducha posiadają rozbudowane i ciągle uaktualniane strony w Internecie pod adresem WWW:
http://www.fizyka.umk.pl/~duch/book-fsk.html
z licznymi dowiązaniami do najnowszych informacji o poruszanych w nich tematach. Są to pierwsze książki nadające się jako podręcznik do dziedziny określanej w krajach anglosaskich mianem “information science”, dotyczącej zastosowań komputerów do przetwarzania informacji, i w niektórych ośrodkach akademickich już znalazły takie zastosowanie. Ze stron tych korzysta bardzo wiele osób.
Publikacja:
III. PUBLIKACJE
III.1. W omawianym okresie ukazały się ogółem 23 prace, w tym:
oryginalnych prac badawczych: 13
podręczników i skryptów: 0
publikacji naukowo-popularnych: 0
redakcji książek naukowych, tłumaczeń: 0
artykułów, recenzji: 10
III.2. Liczba prac przyjętych do druku: 11
III.3. Przykłady publikacji związanych z działalnością naukową KMK: