(Phys.org)—Scoprire i modi in cui sono collegati molti fenomeni apparentemente diversi è uno degli obiettivi generali dell'indagine scientifica, poiché l'universalità spesso consente di estendere lo sguardo in un'area a molte altre aree.

Lavorando su queste linee, i ricercatori in un nuovo studio hanno sviluppato un quadro generale per il modello "primo passaggio in ripartenza", che descrive una vasta gamma di fenomeni statistici in fisica, chimica, biologia, finanza, e altri campi. Identificando una strategia ottimale e dimostrando che non può essere superata da nessun'altra strategia, i ricercatori hanno preso provvedimenti per migliorare le prestazioni di molti processi diversi con un'ampia gamma di applicazioni, come la codifica computerizzata efficiente, reazioni biochimiche nelle cellule, e il foraggiamento della fauna selvatica.

I ricercatori, Arnab Pal al Technion-Israel Institute of Technology e Shlomi Reuveni alla Harvard Medical School, hanno pubblicato un articolo sul loro sviluppo di un quadro teorico generale per il primo passaggio sotto riavvio in un recente numero di Lettere di revisione fisica .

"Abbiamo sviluppato un quadro teorico per il primo passaggio in ripartenza, "Pal ha detto Phys.org . "Il framework è estremamente generale e offre applicazioni a una classe ampia e diversificata di problemi nell'informatica, fisica computazionale, biofisica, fisica statistica di non equilibrio, e altro."

Primo passaggio in ripartenza è una variazione del quadro "tempo di primo passaggio", che è stato originariamente sviluppato nel contesto dei sistemi di non equilibrio e utilizzato, ad esempio, studiare il tempo impiegato da una particella con moto casuale per raggiungere una certa posizione. Più generalmente, il tempo di primo passaggio è il tempo impiegato da una qualsiasi variabile casuale per raggiungere un certo valore di soglia. È particolarmente utile per tenere conto della natura intrinsecamente probabilistica dei processi statistici, come l'attivazione dei neuroni, spegnimento della fluorescenza, o attività di borsa.

Più recentemente, i ricercatori hanno studiato cosa succede quando un processo viene interrotto e ripreso dal punto di partenza iniziale. Gli studi hanno dimostrato che il riavvio può avere vantaggi per alcuni problemi che "iniziano male", ad esempio, un algoritmo di ricerca che scansiona casualmente una soluzione a un problema, ma inizia a cercare lungo un sentiero che va nella direzione sbagliata. Il riavvio potrebbe quindi aiutare a salvare una ricerca inutile ricominciandola. Più generalmente, il riavvio potrebbe aiutare in una situazione in cui non è chiaro se il processo terminerà rapidamente o solo dopo un lungo periodo di tempo.

Mentre il primo passaggio in fase di riavvio è stato utilizzato per descrivere un'ampia varietà di processi, parte del problema con questa varietà è che attualmente non esiste un generale, approccio unificante che potrebbe essere applicato indipendentemente dai dettagli particolari del processo o del meccanismo di riavvio.

Sviluppando un quadro generale per i processi di primo passaggio in fase di riavvio, Pal e Reuveni hanno affrontato questo problema. Utilizzando questo quadro, hanno quindi individuato una strategia ottimale, chiamato ripartenza brusca, che supera tutte le possibili strategie di ripartenza in termini di raggiungimento del tempo medio di primo passaggio più breve.

Come spiegano i ricercatori, il riavvio rapido è in sostanza molto semplice:basta interrompere il processo e riavviarlo dopo un determinato periodo di tempo, con l'esatto lasso di tempo a seconda del problema. I risultati hanno un'ampia varietà di potenziali applicazioni.

"Nella teoria del foraggiamento, si studia il movimento degli animali in cerca di cibo, compagni e riparo nella natura, ed è piuttosto affascinante vedere come gli animali cercano di ottimizzare le loro attività di foraggiamento, "Ha detto Pal. "Il primo passaggio in fase di riavvio può quindi essere utilizzato come descrizione idealizzata per alcune di queste attività. uno possibile, ancora inesplorato, la direzione in cui questo potrebbe essere preso è lo studio dei modelli migratori preistorici di gruppi umani alla ricerca di territori nuovi e più accomodanti.

"Un'altra applicazione è nello sviluppo di strategie di ricerca più efficienti che possono aiutare a trovare oggetti smarriti, o aiuta a costruire operazioni di salvataggio per aerei schiantati o sottomarini persi. I processi di ricerca compaiono anche naturalmente nel contesto delle reazioni biochimiche quando una molecola cerca un sito bersaglio reattivo, e il primo passaggio in fase di riavvio potrebbe essere utilizzato anche per descrivere le reazioni enzimatiche."

Attualmente, uno svantaggio della strategia di ripartenza brusca è che può essere difficile da implementare utilizzando molecole a causa dell'alto costo energetico. Nel futuro, i ricercatori hanno in programma di analizzare ulteriormente questo problema per elaborare strategie di riavvio quasi ottimali che funzionino quasi altrettanto bene ma consumino meno energia. Queste strategie potrebbero diventare particolarmente importanti nelle cellule viventi o nei dispositivi molecolari creati dall'uomo.

"Il riavvio viene utilizzato di routine per accelerare il completamento di algoritmi informatici randomizzati, ma la sua importanza nel fisico, chimico, e i processi biologici stanno appena iniziando a realizzarsi, Ha detto Pal. "Intendiamo esplorare la ripartenza in questi contesti e siamo particolarmente interessati a scoprire se i sistemi biologici hanno trovato il modo di sfruttare anche la ripartenza e i benefici che può offrire".

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