Klassifizierung von PDEs

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Questions and Answers

Wo werden Talgdrüsen gefunden?

  • In den Muskeln
  • Im Gehirn
  • Im Herzen
  • In der Haut (correct)

Holokrine Sekretion bedeutet, dass die Zelle selbst zum Sekretionsprodukt wird.

True (A)

Was ist die Hauptfunktion von fettigem Sekret?

Einfettung der Hautoberfläche und des Haars

Ohrenschmalz (Cerumen) ist ein besonderes ______ der im äußeren Gehörgang vorkommt.

<p>Talg</p> Signup and view all the answers

Wo wird die apokrine Sekretion gefunden?

<p>Am apikalen Pol der Zelle (B)</p> Signup and view all the answers

Schweißdrüsen produzieren immer öliges Sekret.

<p>False (B)</p> Signup and view all the answers

Welche Funktion hat Schweiß?

<p>Wärmeaustausch</p> Signup and view all the answers

Spezifische Hautdrüsen dienen der Ansammlung von Drüsen an bestimmten ______ des Körpers.

<p>Stellen</p> Signup and view all the answers

Welche Funktion haben Duftstoffe (Pheromone)?

<p>Chemische Kommunikation (D)</p> Signup and view all the answers

Milchdrüsen sind modifizierte Talgdrüsen.

<p>False (B)</p> Signup and view all the answers

Was ist besonders an den Milchdrüsen bezüglich der Nervenversorgung?

<p>Gut mit Nerven versorgt</p> Signup and view all the answers

Nägel der Primaten und Hörner der Wiederkaüer sind aus ______ Zellen.

<p>verhornten</p> Signup and view all the answers

Woraus bestehen die Hörner der Wiederkaüer?

<p>Keratin (B)</p> Signup and view all the answers

Hörner der Wiederkaüer wachsen nicht lebenslang.

<p>False (B)</p> Signup and view all the answers

Nenne ein Beispiel für Horngbilde beim Geflügel.

<p>Hornschnabel</p> Signup and view all the answers

Vögel haben keine ______ in der Haut.

<p>Schweißdrüsen</p> Signup and view all the answers

Welche Drüse schützt Vögel vor Feuchtigkeit?

<p>Talgdrüse (A)</p> Signup and view all the answers

Federn dienen nicht dem Schutz vor Kälte.

<p>False (B)</p> Signup and view all the answers

Was ist die Funktion der Färbung der Federn?

<p>Tarnung, Kommunikation</p> Signup and view all the answers

Der periodische Federwechsel wird als ______ bezeichnet.

<p>Mauser</p> Signup and view all the answers

Welche Federart dient der Isolierung des Körpers?

<p>Daunenfeder (A)</p> Signup and view all the answers

Fadenfedern sind nicht gut innerviert.

<p>False (B)</p> Signup and view all the answers

Wo befinden sich Borstenfedern?

<p>Am Kopf</p> Signup and view all the answers

Tasthaare haben Kontakt mit ______.

<p>Tastnerven</p> Signup and view all the answers

Wo befinden sich Tasthaare?

<p>Am Kopf (B)</p> Signup and view all the answers

Ziegen haben keine Hautgebilde am Hals.

<p>False (B)</p> Signup and view all the answers

Was ist die Funktion der Wammen bei Rindern?

<p>Temperaturregulierung</p> Signup and view all the answers

Hähne haben am Kopf Kamm und ______.

<p>Kehllappen</p> Signup and view all the answers

Woraus bestehen Zehenendorgane?

<p>Aus Eiweiß (Keratin) (C)</p> Signup and view all the answers

Zehenendorgane haben immer Drüsen oder Haare.

<p>False (B)</p> Signup and view all the answers

Nenne ein Beispiel eines Zehenendorgans bei Fleischfressern.

<p>Krallen</p> Signup and view all the answers

Die Hufepidermis der Equiden ist gleichbedeutend mit dem ______.

<p>Hufschuh</p> Signup and view all the answers

Welche der folgenden Strukturen gehört zur Wand des Hufs?

<p>Glanzschicht (B)</p> Signup and view all the answers

Das Wachstum des Hufhorns beträgt ca. 20mm pro Monat.

<p>False (B)</p> Signup and view all the answers

Nenne eine Umbildung des Ballens beim Pferd.

<p>Sporn</p> Signup and view all the answers

Die Haut unterstützt die ______ von Mineralstoffen und Stickstoffverbindungen.

<p>Exkretion</p> Signup and view all the answers

Welche Funktion hat die Haut?

<p>Schutz und Stützfunktion (D)</p> Signup and view all the answers

Die Haut nimmt keine Reize auf.

<p>False (B)</p> Signup and view all the answers

Welchen Einfluss hat UVB-Strahlung auf die Haut?

<p>Vitamin D Synthese</p> Signup and view all the answers

Die Unterhaut speichert Fett, Wasser und ______.

<p>Mineralsalze</p> Signup and view all the answers

Welche Schicht bildet einen Verband in der Epidermis?

<p>Mehrschichtiges Plattenepithel (A)</p> Signup and view all the answers

Die Lederhaut ist gefäßfrei.

<p>False (B)</p> Signup and view all the answers

Welche Aufgabe haben die Haare?

<p>Isolation</p> Signup and view all the answers

Die Haupttsubstanz der Haare ist ______.

<p>Keratin</p> Signup and view all the answers

Ordne die folgenden Haarwachstumsphasen zu:

<p>Einzelhaar = Phase des Wachstums Ruhephase = Phase des Wachstums Haarwachstum = Phase der Abstoßung und Regeneration</p> Signup and view all the answers

Durch was wird die Haarfarbe beeinflusst?

<p>Einlagerung von Pigmenten (Melanin) (A)</p> Signup and view all the answers

Haar und Hauptpigment müssen gleich sein.

<p>False (B)</p> Signup and view all the answers

Was ist der Unterschied zwischen Dechhaar und Leithaaren?

<p>Dechhaar ist charakteristisch für das Fell der Tiere, Leithaare sind große, lange Haare</p> Signup and view all the answers

______ sind steife Dechhaare mit gespaltener Spitze.

<p>Borstenhaare</p> Signup and view all the answers

Die Haut dient als Barriere gegen die ______.

<p>Umwelt</p> Signup and view all the answers

Welche der folgenden Drüsen ist eine modifizierte Schweißdrüse?

<p>Milchdrüse (B)</p> Signup and view all the answers

Vögel haben Schweißdrüsen.

<p>False (B)</p> Signup and view all the answers

Wie heißt der periodische Federwechsel bei Vögeln?

<p>Mauser</p> Signup and view all the answers

Ordne die folgenden Haararten ihrer Beschreibung zu:

<p>Dechhaar = Charakteristisch für das Fell der Tiere Borstenhaar = Steife Dechhaare mit gespaltener Spitze Langhaar = Fest, dick, nur an einigen Koerperregionen Flaumhaar = Duenn, fein, mehr oder weniger gehaeuselet</p> Signup and view all the answers

Flashcards

Holokrine Sekretion

Zellen füllen sich mit Sekret, die Zelle löst sich auf.

Säckenartig

Befindet sich um das Haar angeordnet

Fettiges Sekret

Einfettung von Hautoberfläche und Haar, macht geschmeidig und wasserabstoßend

Haarbalgdrüse

Sind auch im äußeren Gehörgang

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Apokrine Sekretion

Sekret wird am apikalen Pol angesammelt und durch Apozytose abgegeben.

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Wässriges Sekret

Dient zum Wärmeaustausch

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Spezifische Hautdrüsen

Ansammlung von Drüsen an bestimmten Stellen des Körpers

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Markierung

Erkennung anderer Tiere, chemische Kommunikation

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Milchdrüsen

Modifizierte Schweißdrüse

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Milchdrüsen

Die Haut ist meist fein behaart und gut mit Nerven versorgt

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Horn der Wiederkäuer

Aus verhornten Zellen, Keratin, wächst lebenslang

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Horngebilde beim Geflügel

Hornschabel mit Wachshaut, Schuppen, Ballen, Krallen, Sporn

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Talddrüsen bei Vögel

Schützt vor Feuchtigkeit

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Funktion der Federn

Schutz vor Wasser und Kälte, Färbung, Unterstützung beim Fliegen

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Mauser

Periodischer Federwechsel

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Konturfedern

Körperfedern, Schwungfedern

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Daunenfedern

Isolierung des Körpers, sitzen unter Dachfedern

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Fadenfedern

Gut innerviert, Sensoren für Federstellung

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Borstenfedern

Am Kopf, Funktion wie Tasthaare

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Ziegen

An der Hals, mandel- bis fingerförmige Hautanhänge

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Rinder

loser Hautbezirk vor Brusteingang

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Hühner

Kamm und Kehllappen

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Zehenendorgane

mächtige, stark verhornte Epidermis

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Hufe der Equiden

Stiftleiste, Hautüberzug

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Hufepidermis

Hornschuh

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Wand des Hufs

Glasurschicht, Schutzschicht, Verbindungsschicht

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Sporn und Kastanie

Umwandlung des Sohlen und Fußwurzelballens

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Schutz und Stützfunktion der Haut

Barriere gegen die Umwelt, angeborene Immunabwehr

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Unterstützung der Exkretion

Schweißdrüsen in Lederhaut

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Sinnesorgan Haut

Nervenendigungen reichen bis Epidermis

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Mechanorezeptoren Haut

Nimmt Reize von mech. Empfindungen auf und leitet ans Gehirn

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freie Nervenendigungen

Schmerzrezeptoren

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Temperaturregulation der Haut

Schweiß, Kontraktion der Hautmuskulatur, Haare, Durchblutung der Haut

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Vitaminsynthese der Haut

Provitamin D wird unter Einfluss von UVB-Strahlung in Vitamin D3 umgewandelt

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Speicherfunktion der Haut

Fett, Wasser und Mineralsalze in Unterhaut gespeichert

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Atmung der Haut

Gasaustausch über Körperoberfläche

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Epidermis

Äußere Schicht der Haut

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Basalschicht

Zellteilung

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Hornschicht

Periodisch bei Häutung

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Melanozyten

Pigmentbildung (Melanin), Schutz vor UV-Strahlung

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Lederhaut

Papillarkörper, straffes Bindegewebe und elastische Fasern

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Lederhaut

Versorgt Epidermis mit Nährstoffen und Sauerstoff

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Unterhaut

Fett und lockeres Bindegewebe

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Haarkleid

Haare + Luftraum

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Hauptsubstanz Haar

Zysteinreiches Keratin

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Haarfärbung

Einlagerung von Pigmenten (Melanin) in Zellen der Epidermis

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Study Notes

Partial Differential Equations

  • 2nd order linear PDEs in two independent variables have a general form: $Au_{xx} + 2Bu_{xy} + Cu_{yy} + Du_x + Eu_y + Fu = G$, where A, B, C, D, E, F, and G are functions of x and y.
  • The discriminant is $\Delta = B^2 - AC$.

Classification Based on Discriminant

  • Hyperbolic: $\Delta > 0$
  • Parabolic: $\Delta = 0$
  • Elliptic: $\Delta < 0$

Wave Equation Example

  • For $u_{tt} = c^2 u_{xx}$, $A = c^2$, $B = 0$, $C = -1$, thus $\Delta = c^2 > 0$, classifying it as hyperbolic.

Heat Equation Example

  • For $u_t = k u_{xx}$, $A = k$, $B = 0$, $C = 0$, thus $\Delta = 0$, classifying it as parabolic.

Laplace's Equation Example

  • For $u_{xx} + u_{yy} = 0$, $A = 1$, $B = 0$, $C = 1$, thus $\Delta = -1 < 0$, classifying it as elliptic.

Well-Posedness Conditions

  • Existence: A solution must exist.
  • Uniqueness: The solution must be unique.
  • Stability: The solution must depend continuously on initial/boundary data.
  • A PDE is ill-posed if any of the above conditions are not met.

Common PDEs

  • Wave Equation: $u_{tt} = c^2 u_{xx}$, describes vibrations and waves, where $c$ is the wave speed.
  • Heat Equation: $u_t = k u_{xx}$, describes heat diffusion, $k$ is the thermal diffusivity.
  • Laplace's Equation: $u_{xx} + u_{yy} = 0$ (2D), $u_{xx} + u_{yy} + u_{zz} = 0$ (3D), describes steady-state phenomena at equilibrium.
  • Poisson's Equation: $u_{xx} + u_{yy} = f(x, y)$ (2D), a generalization of Laplace's equation.

Boundary Conditions Types

  • Dirichlet: $u$ is specified on the boundary.
  • Neumann: $\frac{\partial u}{\partial n}$ is specified on the boundary, where n is the normal direction.
  • Robin: A linear combination of $u$ and $\frac{\partial u}{\partial n}$ is specified on the boundary.

Solution Methods

  • Separation of Variables: Assume $u(x, t) = X(x)T(t)$, substitute into the PDE, separate variables, and solve the resulting ODEs.
  • Fourier Transforms: Transform the PDE into Fourier space, solve the resulting equation, and inverse transform to obtain the solution.
  • Numerical Methods: Such as Finite Difference Method and Finite Element Method are also used for solving PDEs.

Algorithmic Game Theory

  • Game theory: The study of mathematical models of strategic interactions among rational agents, with applications in economics, political science, biology, and computer science.

Prisoner's Dilemma Example

  • Two suspects are arrested and face a deal with potential outcomes summarized in a payoff matrix.
  • Each suspect's dominant strategy is to confess, even though the outcome is not Pareto efficient.

Algorithmic Game Theory Definition

  • Algorithmic game theory: Combines game theory and computer science, dealing with computational aspects like computing solution concepts and analyzing the complexity of games.

Nash Equilibrium

  • Nash equilibrium: A set of strategies where no player benefits from changing their strategy, given others' strategies.
  • Computing a Nash equilibrium: Polynomial time for two-player zero-sum games using linear programming, PPAD-complete for general games.

Mechanism Design

  • Mechanism design: Designing mechanisms to achieve desired outcomes when participants have private information and act strategically.

Auctions Example

  • Auctions: A mechanism design example where the goal is to allocate a good to the highest-valuing bidder while maximizing revenue for the seller.

Types of Auctions

  • Sealed-bid auction: each bidder submits a bid without knowing the other bids
  • First-price auction: the highest bidder wins and pays their bid
  • Second-price auction: the highest bidder wins and pays the second-highest bid

Vickrey Auction

  • Vickrey auction: A second-price sealed-bid auction where the highest bidder wins but pays the second-highest bid and is incentive compatible and efficient.

Physical Principles of Semiconductor Devices

Band Bending & Non-Equilibrium:

  • HW 8 is due today.
  • No lab this week. (Thanksgiving Recess)

Band Bending at equilibrium (Review):

  • A charge transfer occurs to align the Fermi levels when two materials with different work functions are joined.
  • The charge transfer results in a charge density near the junction, and an electric field (related to the slope of the band edges).

Metal-Semiconductor Junction Example (Review):

  • Consider a metal and an n-type semiconductor brought into contact.
  • Electrons flow from the semiconductor to the metal where $\phi_m > \phi_s$, creates a region depleted of electrons near the junction.
  • The depletion region has a positive charge due to ionized donors.

Band Bending equations (Review):

\begin{align*} \frac{d\varepsilon}{dx} &= \frac{\rho(x)}{\varepsilon_s} \ \frac{d^2\psi}{dx^2} &= -\frac{\rho(x)}{\varepsilon_s} \ \varepsilon(x) &= -\frac{d\psi}{dx} \end{align*}

  • $\psi$ is the electrostatic potential, and $\varepsilon_s$ is the permittivity of the semiconductor, and $\rho(x)$ is the charge density

Width of Depletion Region (Review):

  • The depletion region, $W$, can be found by solving Poisson's equation with the appropriate boundary conditions.

$W = \sqrt{\frac{2\varepsilon_s}{qN_d}(V_{bi})}$

  • Where $N_d$ is the donor concentration, $V_{bi}$ is the built-in potential

Non-Equilibrium Conditions:

  • the Fermi level is no longer flat across the device when an external voltage is applied to the junction.
  • The applied voltage changes the potential difference across the junction, and thus the width of the depletion region.

Forward Bias:

  • applied on p-side of the p-n junction as a positive voltage reduces the potential barrier.
  • This allows more current to flow across the junction, and the depletion region narrows.

Reverse Bias:

  • A negative voltage is applied to the p-side to increase the potential barrier.
  • reduces the current flow across the junction and The depletion region widens.

Quasi-Fermi Levels:

  • Under non-equilibrium conditions, the Fermi level splits into two quasi-Fermi levels, one for the electrons ($F_n$) and one for the holes ($F_p$).
  • Degree of non-equilibrium is indicated by separation between Quasi-Fermi levels.
  • Back to equlibrium quasi-Fermi levels recombine

np product:

  • We define $n_i^2$ as: $n_i^2 = n_o p_o = N_c N_v e^{-E_g/kT}$
  • Under equilibrium conditions we know:

$n_o = N_c e^{-(E_c - E_f)/kT}$ $p_o = N_v e^{-(E_f - E_v)/kT}$

  • Under non-equilibrium conditions:

$n = N_c e^{-(E_c - F_n)/kT}$ $p = N_v e^{-(F_p - E_v)/kT}$

np product (continued):

$np = N_c N_v e^{-(E_c - F_n)/kT} e^{-(F_p - E_v)/kT}$

  • Since $E_g = E_c - E_v$, we can write:

$np = N_c N_v e^{-(E_g + F_p - F_n)/kT} $ $np = \underbrace{N_c N_v e^{-E_g/kT}}_{n_i^2} e^{(F_n - F_p)/kT} $ $np = n_i^2 e^{(F_n - F_p)/kT} $

Low-Level Injection:

  • The condition where the injected minority carrier concentration is much smaller than the majority carrier concentration. e.g. n-type semiconductor under low-level injection: $\delta p ## Heat equation

Definition

  • Let $u(x,t)$ be the temperature of a bar at position $x$ and time $t$.
  • Heat equation is: $\frac{\partial u}{\partial t} = k\frac{\partial^2 u}{\partial x^2}$, where $k$ is the thermal diffusivity.

Physical interpretation

  • Describes how temperature changes over time in a given region.
  • The rate of change of temperature at a point is proportional to the second spatial derivative of the temperature

Boundary conditions

  • Dirichlet boundary condition: $u(0,t) = T_1$ and $u(L,t) = T_2$
  • Neumann boundary condition: $\frac{\partial u}{\partial x}(0,t) = 0$ and $\frac{\partial u}{\partial x}(L,t) = 0$

Initial condition

  • $u(x,0) = f(x)$

Solution

  • Using separation of variables, we assume that $u(x,t) = X(x)T(t)$.
  • Substituting into the heat equation, we get: $X(x)T'(t) = kX''(x)T(t)$
  • Dividing both sides by $X(x)T(t)$, we get: $\frac{T'(t)}{kT(t)} = \frac{X''(x)}{X(x)} = -\lambda$
  • Where $\lambda$ is a constant.

Ordinary Differential Equations

  • $\qquad T'(t) = -k\lambda T(t)$
  • $\qquad X''(x) = -\lambda X(x)$

Solving for $T(t)$

  • $\qquad T(t) = Ae^{-k\lambda t}$

Solving for $X(x)$

$\qquad X''(x) = -\lambda X(x)$ The general solution is: $\qquad X(x) = B\cos(\sqrt{\lambda}x) + C\sin(\sqrt{\lambda}x)$

Applying boundary conditions

  • Dirichlet boundary condition: $u(0,t) = 0$ and $u(L,t) = 0$ $\qquad X(0) = 0 \Rightarrow B = 0$ $\qquad X(L) = 0 \Rightarrow C\sin(\sqrt{\lambda}L) = 0$ $\qquad \sqrt{\lambda}L = n\pi$ $\qquad \lambda = \frac{n^2\pi^2}{L^2}$ $\qquad X(x) = C\sin(\frac{n\pi x}{L})$
  • Neumann boundary condition: $\frac{\partial u}{\partial x}(0,t) = 0$ and $\frac{\partial u}{\partial x}(L,t) = 0$ $\qquad X'(0) = 0 \Rightarrow -B\sqrt{\lambda}\sin(0) + C\sqrt{\lambda}\cos(0) = 0 \Rightarrow C = 0$ $\qquad X'(L) = 0 \Rightarrow -B\sqrt{\lambda}\sin(\sqrt{\lambda}L) + C\sqrt{\lambda}\cos(\sqrt{\lambda}L) = 0$ $\qquad \sqrt{\lambda}L = n\pi$ $\qquad \lambda = \frac{n^2\pi^2}{L^2}$ $\qquad X(x) = B\cos(\frac{n\pi x}{L})$

General solution

  • $\qquad u(x,t) = \sum_{n=1}^{\infty} A_n \sin(\frac{n\pi x}{L})e^{-k\frac{n^2\pi^2}{L^2}t}$

Applying initial condition

  • $\qquad u(x,0) = f(x) = \sum_{n=1}^{\infty} A_n \sin(\frac{n\pi x}{L})$
  • $\qquad A_n = \frac{2}{L}\int_0^L f(x)\sin(\frac{n\pi x}{L})dx$

The Laplace Distribution

Definition

  • The Laplace distribution with location parameter $\mu$ and scale parameter $b > 0$ has the probability density function (pdf)
  • $f(x) = \frac{1}{2b} \exp \left( -\frac{|x - \mu|}{b} \right)$.

Parameters

  • Location: $\mu$
  • Scale: $b$

Support

  • The support of the Laplace distribution is $x \in (-\infty, \infty)$.

Mean

  • The mean of the Laplace distribution is $E[X] = \mu$.

Variance

  • The variance of the Laplace distribution is $Var[X] = 2b^2$.

Relation to Exponential Distribution

  • If $X \sim \text{Laplace}(\mu, b)$, then $|X - \mu|$ follows an exponential distribution with rate parameter $\lambda = \frac{1}{b}$.

Applications

  • Modeling data with heavier tails than the normal distribution.
  • Bayesian inference:
  • The Laplace distribution is the maximum entropy distribution for a random variable with a fixed first moment.
  • Image processing: The Laplace distribution is used in image compression and denoising.

Generating Laplace Random Variables

To generate random variables from the Laplace distribution, you can use the following method:

  1. Generate $U$ from a uniform distribution on $(0, 1)$.
  2. Compute $X = \mu - b \cdot \text{sgn}(U - 0.5) \cdot \ln(1 - 2|U - 0.5|)$.

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