(Phys.org) - Att upptäcka hur många till synes olika fenomen är relaterade är ett av de övergripande målen för vetenskaplig undersökning, eftersom universalitet ofta gör att insikten inom ett område kan utvidgas till många andra områden.

Arbetar enligt dessa linjer, forskare i en ny studie har utvecklat en allmän ram för modellen "första passage under omstart", som beskriver ett brett spektrum av statistiska fenomen inom fysiken, kemi, biologi, finansiera, och andra fält. Genom att identifiera en optimal strategi och visa att den inte kan överträffas av någon annan strategi, forskarna har tagit steg för att förbättra prestandan för många olika processer med ett brett spektrum av applikationer, till exempel effektiv datorkodning, biokemiska reaktioner i celler, och djurliv.

Forskarna, Arnab Pal vid Technion-Israel Institute of Technology och Shlomi Reuveni vid Harvard Medical School, har publicerat ett papper om deras utveckling av en allmän teoretisk ram för första passage under omstart i ett nyligen utgåva av Fysiska granskningsbrev .

"Vi har utvecklat en teoretisk ram för första passage under omstart, "Berättade Pal Phys.org . "Ramverket är extremt generellt och erbjuder applikationer för en bred och varierad klass av problem inom datavetenskap, beräkningsfysik, biofysik, icke-jämviktsstatistisk fysik, och mer."

Första passagen under omstart är en variant av ramverket "första passeringstid", som ursprungligen utvecklades inom ramen för icke-jämviktssystem och användes, till exempel, för att studera den tid det tar för en partikel med slumpmässig rörelse att nå en viss plats. Mer allmänt, den första passeringstiden är den tid det tar för en slumpmässig variabel att nå ett visst tröskelvärde. Det är särskilt användbart för att redovisa statistikprocessernas inneboende sannolikhet, såsom neuronavfyrning, fluorescenssläckning, eller börsaktivitet.

På senare tid, forskare har undersökt vad som händer när en process stoppas och startas igen från den första utgångspunkten. Studier har visat att omstart kan ha fördelar för vissa problem som "får en dålig start" — t.ex. en sökalgoritm som slumpmässigt söker efter en lösning på ett problem, men börjar leta längs en väg som går åt fel håll. Omstart kan sedan hjälpa till att rädda en meningslös sökning genom att starta den på nytt. Mer allmänt, omstart kan hjälpa i en situation när det är oklart om processen kommer att sluta snabbt eller bara efter en lång tid.

Medan första passagen under omstart har använts för att beskriva en mängd olika processer, en del av problemet med denna sort är att det för närvarande inte finns någon allmän, enhetande tillvägagångssätt som kan tillämpas oavsett de specifika detaljerna i processen eller omstartsmekanismen.

Genom att utveckla en allmän ram för processer under första omgången under omstart, Pal och Reuveni har tagit upp detta problem. Med hjälp av detta ramverk, de identifierade sedan en optimal strategi, kallas skarp omstart, som överträffar alla möjliga omstartstrategier när det gäller att uppnå den kortaste genomsnittliga första passagen.

Som forskarna förklarar, skarp omstart är väldigt enkelt i huvudsak:stoppa helt enkelt processen och starta den igen efter en viss tid, med den exakta tiden beroende på problemet. Resultaten har en mängd olika möjliga tillämpningar.

"Inom foderteori, man studerar rörelsen hos djur som letar efter mat, kamrater och skydd i det vilda, och det är ganska fascinerande att se hur djur försöker optimera sina födosökningsaktiviteter, " Pal sa. "Första passagen under omstart kan sedan användas som en idealiserad beskrivning för några av dessa aktiviteter. En möjlig, ännu outforskat, i vilken riktning detta kan tas är studiet av förhistoriska migrationsmönster för mänskliga grupper som söker nya och mer tillmötesgående territorier.

"En annan tillämpning är utvecklingen av mer effektiva sökstrategier som kan hjälpa till att hitta förlorade föremål, eller hjälpa till att bygga räddningsinsatser för kraschade flygplan eller förlorade ubåtar. Sökprocesser visas också naturligt i samband med biokemiska reaktioner när en molekyl söker efter en reaktiv målplats, och första passagen under omstart kan också användas för att beskriva enzymatiska reaktioner. "

För närvarande, en nackdel med den skarpa omstartstrategin är att det kan vara svårt att implementera med hjälp av molekyler på grund av de höga energikostnaderna. I framtiden, forskarna planerar att ytterligare analysera detta problem för att komma fram till nästan optimala omstartsstrategier som fungerar nästan lika bra men förbrukar mindre energi. Dessa strategier kan bli särskilt viktiga i levande celler eller i konstgjorda molekylära enheter.

"Omstart används rutinmässigt för att påskynda slutförandet av randomiserade datoralgoritmer, men dess betydelse i fysisk, kemisk, och biologiska processer börjar bara förverkligas, "Vi har för avsikt att utforska omstart i dessa sammanhang och är särskilt intresserade av att ta reda på om biologiska system har hittat ett sätt att också dra nytta av omstart och de fördelar det kan erbjuda."

© 2017 Phys.org