Algorithms and Properties of Distributionally Robust Optimization and Its Generalization

Luo, Fengqiao Northwestern University ProQuest Dissertations & T 2019 해외박사(DDOD)

This dissertation contributes to the theory and application of distributionally-robust optimization and a more general framework of robust optimization. The main problems investigated in this dissertation are distributionally-robust optimization problems with the ambiguity set defined using the Wasserstein metric, distributionally-robust optimization problems with decision dependent ambiguity, and a special class of functionally-robust optimization problems.It is shown that the class of distributionally-robust optimization problems with the ambiguity set defined using the Wasserstein metric studied in this work can be reformulated as decomposable semi-infinite programs. A cutting-surface method is developed to solve the reformulated problem assuming that a separation oracle is provided. A very efficient separation oracle that is based on piecewise-linear approximation and branch-and-bound techniques is developed for a certain problems in this class arising from the machine learning models.For the distributionally-robust optimization problems with decision dependent ambiguity, the reformulation involves nonlinear terms and they are non-convex optimization problems in general. As a special case, a distributionally-robust facility location problem with stochastic demand and location dependent customer utility is investigated. It is shown that this distributionally-robust facility location problem admits a two-stage distributionally-robust stochastic mixed 0-1 second-order cone formulation.To go beyond the robust and distributionally-robust optimization framework, a family of functionally-robust optimization problems of maximizing a convex objective with functional ambiguity are investigated. For the case that the functional ambiguity set is finite, a geometric branch-and-bound algorithmic approach is developed to solve the problem. In the case that the ambiguity set is continuous and compact, the functionally-robust optimization problem can be reformulated as a semi-infinite program and a cutting-surface algorithmic approach can be applied to the semi-infinite program.The computational performance of the algorithms developed in this work is tested with numerical problem instances, and important insights are analyzed and discussed.

Multi-scale topology optimization for composite material structure design considering fundamental eigen frequency maximization

이성한 Graduate School, Yonsei University 2023 국내석사

This thesis deals with the topology optimization (TO) of linear elastic composite structures considering fundamental eigen frequency maximization. The concept of functionally graded structures (FGS) is used for anisotropic composite material structure design. The rational approximation of material properties (RAMP) method was employed as an alternative to the solid isotropic material with penalization (SIMP) method to improve the convergence stability for eigen-frequency problem. In the SIMP method, the occurrence of local eigen-modes at low frequencies in the void region causes ill-convergence, whereas the RAMP method prevents local eigen-modes from occurring. The method of moving asymptotes is used as an optimizer. Numerical verification was performed for three structural types: cantilever beam, double-clamped beam, and four-pinned beam structure. In addition, for cantilever beam design, bi-objective optimization for maximizing fundamental eigen frequency as well as minimizing structural compliance was performed using the adaptive weighting method that quantitatively reflects the designer's preference by adjusting the weight for each objective function at each iteration. 본 연구는 기본 고유진동수 최대화가 고려된 선형 탄성 복합 재료 구조물의 위상최적화에 대해 수행되었다. 비등방성 복합 재료물 설계를 위해 경사기능구조 (Functionally Graded Structure, FGS)가 적용되었다. 고유진동수 최적화 문제의 수렴 안정성을 향상시키기 위하여 밀도법 (Solid Isotropic Material with Penalization, SIMP) 기법의 대안으로 물성치유리근사법 (Rational Approximation of Material Properties, RAMP) 기법이 도입되었다. 밀도법은 빈 공간 (void)에서 낮은 진동수의 국소적인 고유모드가 발생하여 수렴이 저해되는 반면, 물성치근사법은 국소 고유모드 발생을 방지한다. 최적화는 이동점근법 (Method of Moving Aymptotes, MMA)에 의해 수행되었다. 총 세가지 수치 예제를 통해 검증이 수행되었으며, 수치 예제는 캔틸레버빔(Cantilever beam), 이중고정빔(Double-clamped beam) 및 네점핀고정빔(Four-pinned beam)으로 구성된다. 추가적으로, 적응형 가중치 기법이 적용된 캔틸레버빔의 기본 고유진동수 최대화 및 컴플라이언스 최소화에 대한 이중 목적 최적화 설계가 수행되었다. 적응형 가중치 기법을 통해 최적화 과정 중 각 목적함수에 대한 가중치가 조정됨으로써, 설계자의 선호도가 정량적으로 반영된다.

하이퍼파라미터 최적화를 통한 제약 DBSCAN

김종원 포항공과대학교 대학원 2022 국내석사

We study how to find hyperparameters of Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise (DBSCAN) with good performance while satisfying both cluster-level and instance-level constraints. DBSCAN is widely used for clustering due to its ability to deal with non-convex data with arbitrary shapes. DBSCAN automatically selects the number of clusters but has the disadvantage that it cannot reflect prior knowledge when we have an appropriate number of clusters as prior knowledge. In order to reflect prior knowledge to clustering, there have been quite a few attempts to transform prior knowledge into constraints. However, it is not straightforward to add several cluster constraints, which is a cluster-level constraint, to DBSCAN. Most previous works focused on instance-level constraints (must-link, cannot-link, semi-supervised). Recently, optimization techniques have been increasing to add cluster-level constraints (maximum diameter of a cluster, etc) with decision variables that affect overall clustering performance. Since DBSCAN is very sensitive to hyperparameters, we propose a Hyperparameter optimization with these two levels of Constraints for DBSCAN (HC-DBSCAN). We resolve several challenges of evaluation metrics of DBSCAN hyperparameter optimization. We introduce a new objective function for local optimization, the Penalized Davies Bouldin score. It is efficient and deals with noise clusters and appropriate clustering performance measures. We use the idea of DBCV and the idea that a local optimization method for a region that satisfies the constraint performs well enough. The objective function and constraint functions are black-box. We use the Alternating Direction Method of Multiplier Bayesian Optimization (ADMMBO) to solve the black-box problem. We show our approach’s effectiveness through numerical experiments with simulated and real datasets. HC-DBSCAN is efficient, solves constraints better than the benchmark, and shows good clustering performance.

Modeling of avalanche gain for high-speed InP/InGaAs avalanche photodiodes

박준규 Graduate School, Yonsei University 2009 국내석사

InP/InGaAs 애벌런치 포토다이오드는 높은 항복 이득 (Avalanche Gain) 과 민감성 때문에 10-Gbps 속도의 광수신 소자로 사용되고 있다. 일반적으로 애벌런치 포토다이오드는 항복 이득의 특성을 증가시키기 위해 항복전압 근처에서 동작한다. 그러나 애벌런치 포토다이오드의 공정 변화로 인한 애벌런치 포토다이오드의 항복 이득, 누설 전류 등의 특성 변화로 인한 애벌런치 포토다이오드의 동작 특성에 영향을 주어 원하는 소자의 동작을 얻을 수 없게 된다.본 논문에서는 Silvaco TCAD 시뮬레이션 툴을 이용하여 InP/InGaAs 애벌런치 포토다이오드의 증폭층, 접합 계면의 두께, 접합 계면의 불순물 농도, 흡수층의 변화를 통해 특성 변화에 대해 연구해 보고 항복 이득을 높이기 위한 방안에 대해 고찰해 보았다. 통계적 모델링과 신경망 모델링을 통한 공정 요소 변화로 인한 소자의 동작 변화 요소들을 분석해 보았다. 만족도 함수 (Desirability function) 을 이용하여 공정 최적화 조건을 찾아보았다.추가로 우리가 가장 큰 항복 이득을 얻기 위해서는 InGaAs 흡수층의 두께를 고려해야 한다는 것을 알 수 있었다. 항복 이득과 대역폭은 서로 상반되는 관계를 가지고 있다. 빠른 속도에서 동작하는 조건들을 고려하여 InGaAs 흡수층의 두께를 조절하는 것이 필요하다.InP/InGaAs avalanche photodiodes (APDs) have been widely used for high-speed optical receivers because of their advantages of high avalanche gain and high sensitivity. Generally, avalanche photodiodes are operated at near the breakdown voltage to improve gain characteristic. However, process variations of APD can cause the fluctuations of characteristics, such as avalanche gain, capacitance, and dark current, which degrade proper operating characteristics of APDs.The characteristic variations of InP/InGaAs avalanche photodiodes are investigated using commercial TCAD (Technology Computer Aided Design). The analysis of variance (ANOVA) of statistical modeling and neural network modeling technique was used to analyze the significance level. The desirability function was used in the design-space optimization.We analyze avalanche gain, breakdown voltage, heel electric field and find optimal fabrication condition for 10-Gbps by modeling methods. In addition, if we want to maximize the avalanche gain, the InGaAs absorption layer thickness should be optimized considering high-speed operation of the optical receivers because gain bandwidth and avalanche gain are relation of tradeoff.

Quantitative Analysis of Financial Derivatives and Time Varying Copulas : 금융 파생상품의 정량분석과 시간종속 코플라 함수

Kim, Beom Jin 연세대학교 일반대학원 2016 국내박사

In this thesis, we present a direct computation method for pricing American put option using finite difference method and a partial differential equation for time-dependent copulas. These are related to stochastic processes that arise in finance. The American option pricing problem can be posed either as a linear complementarity problem (LCP) or as a free boundary value problem. These two different formulations have led to a number of different methodologies. We obtain a solution by solving discrete Black-Scholes equation with the free boundary condition. Copula is a function that links univariate distributions to joint multivariate distribution. Sklar's theorem, which is the foundation theorem for copulas, states that for a given joint multivariate distribution function and the relevant marginal distribution function(MDF) there exists a function, called copula. We find relations between the Fokker-Planck equation and the copula. Firstly, we present a direct computation scheme for pricing American put option using finite difference method(FDM) characterized by the node moving and the fixed node scale in continuation region. The work is motivated by the necessity for better understanding of the solution surface near free boundary(early exercise boundary). We exploit an intermediate function which has Lipschitz character near free boundary. The intermediate function produces a linearly converging algorithm to locate the free boundary which appears as the real root of a cubic polynomial. Our method shows good performance in accuracy and convergence speed. Secondly, we present a simple numerical method to find the optimal exercise boundary in an American put option. We formulate an intermediate function with the fixed free boundary that has Lipschitz character near optimal exercise boundary. Employing it, we can easily determine the optimal exercise boundary by solving a quadratic equation in time-recursive way. We also present several numerical results which illustrate comparison to other methods. Thirdly, we present an intermediate function that helps the valuation of American put options under Kou's jump-diffusion model. This function from the partial integro-differential equation has Lipschitz character near optimal exercise boundary. We use finite difference method characterized by explicit scheme in continuation region and extrapolation near optimal exercise boundary. We also present several numerical results which illustrate comparison to other methods. Fourthly, we present a computation of Heston model for American put option which involves difficulty because of the presence of early exercise boundary and the stochastic volatility. We introduce a straightforward and an efficient finite difference method. Our method provides a direct solution for both early exercise boundary and option price. The accuracy of numerical solution simply depends on mesh size. Convergence of the scheme is discussed. Finally, we develop a theoretical framework addressing the joint distribution and provide a general equation for time-dependent copulas related to stochastic processes that arise in finance. We derive a parabolic equation for the copula governing the stochastic behavior with independent drifts and volatilities of multivariate objects. In fact, the Fokker-Planck equation for the stochastic differential equations with independent drifts and volatilities is modeled for the inference function for margins(IFM). We also present numerical results which illustrate several sensitivity analyses of our scheme. 이 논문은 아메리칸 풋 옵션의 가격결정을 반복계산 없이 곧바로 계산을 수행하는 방법을 유한차분법으로 제시하였고 시간종속 코플라함수의 편미분방정식을 제시하였다. 이러한 내용들 은 금융시장에서 발생하는 확률과정과 관련되어 있다. 아메리칸 풋 옵션 가격결정 문제는 선형상보성문제나 자유경계문제로 제기될 수 있다. 이 두 가지의 서로 다른 공식은 많은 계산 방법들을 개발하게 하였다. 우리는 자유경계조건으로 이 루어진 블렉-슐즈 방정식의 이산적 해결을 통해서 해를 얻었다. 코플라는 일변수분포들을 결합분포로 연결시키는 함수다. Sklar의 정리에 의하면 주어진 결합분포함수에 대하여 적절히 연결된 주변확률분포함수가 존재하는데 그것이 코플라 함수다. 우리는 포커-플랑크 방정식과 코플라 함수와의 관련성을 발견하였다. 첫번째로, 우리는 옵션의 보유 영역에서 고정된 노드 사이즈와 움직이는 노드로 특징 지어진 유한차분법을 통한 아메리칸 풋 옵션의 가격결정을 곧바로 계산할 수 있는 방법을 제시하였 다. 이러한 연구의 모티브는 자유경계근방의 옵션가격 곡면에서 보다 더 깊은 이해가 필요함이었다. 우리는 자유경계근방에서 Lipschitz함수의 특징을 갖는 중간함수를 도출해 냈다. 중간 함수는 국소적 자유경계에서 3차 방정식의 실근을 갖는 선형수렴알고리즘을 만들어준다. 우리의 계산방법은 정확도나 수렴속도의 측면에서 좋은 성과를 보여준다. 두번째로, 우리는 아메리칸 풋 옵션의 최적행사경계를 찾기 위한 간단한 수치적 계산 방법을 제시하였다. 우리는 최적행사경계 근방에서 Lipschitz함수의 특성을 갖는 고정된 자유경계로 서의 중간함수를 만들었다. 그것을 도입하여 우리가 유도한 시간에 따른 귀납적 2차방정식을 풀어서 자유경계를 쉽게 결정할 수 있다. 우리는 몇가지의 수치적 결과를 다른 방법들과 비교 하여 도해로 제시하였다. 세번째로, 우리는 Kou의 점프-확산 모델을 기반으로 아메리칸 풋 옵션의 가치평가에 도움을 주는 중간함수를 제시하였다. 편적분-미분 방정식으로부터 유도된 이 함수는 최적행사경계 근 방에서 Lipschitz함수의 특성을 갖는다. 우리는 옵션보유 영역에서는 explicit scheme을 그리고 최적행사경계에서는 외삽으로 특징된 차분법을 사용하였다. 우리는 역시 몇 가지의 수치적 결과를 다른 방법들과 비교하여 도해로 제시하였다. 네번째로, 우리는 Heston 모델의 아메리칸 풋 옵션 계산을 제시하였는데 이는 사전행사경계와 확률론적 변동성을 갖고 있으므로 어려움을 수반한다. 우리는 간편하고 효과적인 계산방법 을 유도하였다. 우리의 계산방법은 사전행사경계와 옵션가격을 반복계산없이 곧바로 계산하는 방법을 제공한다. 수치적 계산해의 정확도는 mesh의 크기에 의존된다. 이 방법의 수렴성을 논하였다. 마지막으로, 우리는 결합분포의 이론적 체계의 자리매김을 발전시키고 금융에서 시간종속 코플라함수와 확률과정과 관련된 일반적인 방정식을 제공한다. 우리는 다변량 객체의 독립된 드 리프트 및 변동성과 함께 확률론적 거동을 지배하는 코플라 함수를 위한 포물형 방정식을 유도하였다. 실은, 독립된 드리프트 및 변동성으로 이루어진 확률미분방정식을 위한 포커-플랑 크 방정식은 주변밀도 함수의 추론을 위한 모델화가 되었다. 우리는 우리의 방법을 상세히 해석한 몇 가지의 도해를 통해 수치적 결과를 제시하였다.

서비스전달 시스템을 고려한 서비스가치의 함수추정 및 최적화 연구 : 의료서비스를 중심으로

박근완 高麗大學校 大學院 2012 국내박사

This study was performed based on a process approach, not on an integrated approach. In other words, this study is to identify service attribute in a perspective of service delivery system. There are four kinds of objective of this study and first objective is to suggest "Research methodology framework of service delivery system analysis" that may analyze service delivery system of service organization. Second objective is to support decision making of service outsourcing. In other words, after identifying service attribute of each individual module, decision making of outsourcing depending on each service module is supported. Third objective is to suggest risk factor for a study of service field based on multi-dimension that identifies service organization in an integrated way. Final objective is to suggest risk factor for methodology under an assumption of linear function (e.g. SEM, regression analysis) that is mainly used by a study of service field. For these objectives, research method was progressed by dividing it into mainly three categories. First, after performing an analysis of service delivery system that is possessed by service organization, service time, service cost and service value at each service stage were identified based on the deduced service delivery system. Second, after deducing service value function based on 7 kinds of function (Linear, Quadratic, Logarithmic, Inverse, Power, S-curve, Exponential), a function considering service stage and treatment group (short treatment, regular treatment, long treatment) was deduced by using partitioning technique. Finally, after reflecting service value function deduced previously in objective function of optimization model, service time and service cost that maximize the sum of service value at each service stage based on a constraint for service time and service cost of service organization was estimated. As a result of study, in case of short treatment, it could be observed that in order to increase the total service value, service time of treatment part should be reduced (1.88; unit:min) and service time of hygiene part should also be reduced (2.08). In case of service cost, it could be observed that service cost of treatment part should be increased (3.94; unit: ₩1,000) and service cost of hygiene part should be reduced (5.72) reversely. Through this adjustment of service time and cost, service value of treatment part was increased (3.09, unit: 100 points full score) and service value of hygiene part was reduced (4.08 points). In case of regular treatment, it could be observed that in order to increase overall service value, service time of treatment part should be increased (6.42; unit: min) and service time of hygiene part should be reduced (1.99) reversely. In case of service cost, service cost of treatment part should be increased (9.05; unit: ₩1,000) and that of hygiene part should be reduced (3.09). Through this adjustment of service time and cost, service value of treatment part was increased (10.81, unit: 100 points full score) and service value of hygiene part was reduced (7.98 points). In case of long treatment, in order to increase overall service value, it could be observed that service time of treatment part should be increased (22.75) and service time of hygiene part should be reduced (3.62) reversely. In case of service cost, service cost of treatment part should be increased (43; unit:₩1,000) and service cost of hygiene part should be reduced (23.06) reversely. Through this adjustment of service time and cost, service value of treatment part was increased (16.53, unit: 100 points full score) and service value of hygiene part was reduced (5.57 point). Finally, based on the above result, decision making for outsourcing was made. In other words, in case of service value of long treatment and regular treatment, it could be observed that its service value under the optimized condition is higher than that of current condition but in case of short treatment, its service value under the current condition is higher than service value under the optimized condition. This result means that decision making of service outsourcing for short treatment may well be considered. In addition, it could be observed that service value of treatment part is higher than that of hygiene part. Also through this result, outsourcing of service stage as well as treatment group is worth mentioning as well. 본 연구는 서비스속성(service attribute)에 대한 파악을 목적으로 다차원(multi-dimension) 중심의 통합적 접근방법이 아닌, 프로세스 접근방법(process approach)을 사용하여 연구를 진행하였다. 간단히 서비스전달 시스템(service delivery system) 관점하의 서비스속성을 파악하는 연구이다. 연구목적은 크게 네 가지로, 첫 번째는 서비스조직의 서비스전달 시스템을 분석할 수 있는 ?서비스전달 시스템 연구방법론의 틀(Research methodology framework)?을 제시하는 것이다. 두 번째는 서비스 아웃소싱에 관한 의사결정(decision making)을 지원해 주는 것이다. 즉 개개의 모듈(서비스단계)에 대한 서비스속성을 파악한 후 이에 대한 서비스단계별 아웃소싱 의사결정을 지원해 주는 것이다. 세 번째는 서비스조직을 통합적으로 파악하는 다차원(multi-dimension) 중심의 서비스분야 연구에 대한 위험성을 제시하는 것이다. 끝으로 서비스분야의 연구들이 주로 사용하는 선형함수 가정하의 방법론(e.g. SEM, 회귀분석 등)에 대한 위험성을 제시하는 것이다. 이를 위해 연구방법은 크게 세 가지로 구분하여 진행하였다. 우선 서비스조직이 보유하고 있는 서비스전달 시스템 분석을 수행한 후, 도출된 서비스전달 시스템을 기반으로 각 서비스단계에서의 서비스시간(service time), 서비스비용(service cost), 서비스가치(service value)를 파악하였다. 두 번째는 총 7가지 함수(Linear, Quadratic, Logarithmic, Inverse, Power, S-curve, Exponential)를 기반으로 서비스가치 함수를 도출 한 후, 분할 기법(partitioning technique)을 사용하여 서비스단계(service stage) 및 진료그룹(treatment group)을 감안한 서비스가치 함수를 도출하였다. 끝으로 앞서 도출된 서비스가치 함수를 최적화 모형(optimization mdoel)의 목적함수(objective function)에 반영하고, 서비스조직과 고객관점하의 서비스시간과 서비스비용 등의 제약식(constraint)을 통해 각 서비스단계의 서비스가치 합을 최대화 하는 의사결정변수(decision variable), 즉 서비스시간과 서비스비용을 산출하였다. 연구결과 Short treatment의 경우, 전체 서비스가치를 증가시키기 위해서는 진료(treatment) 부문의 서비스시간을 감소(1.88; unit: min)시키고, 위생(hygiene) 부문의 서비스시간 역시 감소(2.08) 시켜야 했으며, 서비스비용의 경우 진료 부문의 서비스비용은 증가(3.94; unit: 1,000 won)시키고, 위생 부문의 서비스비용은 반대로 감소(5.72)시켜야 하는 것을 볼 수 있었다. 위와 같은 서비스시간과 서비스비용의 조정을 통해 진료 부문은 서비스가치가 증가(3.09, unit: 100점 만점)되었고, 위생부문의 서비스가치는 감소(4.08 point) 되었다. Regular treatment의 경우, 전체 서비스가치를 증가시키기 위해서는 진료 부문의 서비스시간을 증가(6.42; unit: min)시키고, 위생 부문의 서비스시간은 반대로 감소(1.99) 시켜야 하는 것을 볼 수 있었다. 서비스비용의 경우 진료 부문의 서비스비용은 증가(9.05; unit: 1,000 won)시켜야 하고, 위생 부문의 서비스비용은 반대로 감소(3.09)시켜야 했다. 위와 같은 서비스시간과 서비스비용의 조정을 통해 진료 부문은 서비스가치가 증가(10.81, unit: 100점 만점)되었고, 위생부문의 서비스가치는 감소(7.98 point) 되었다. Long treatment의 경우, 전체 서비스가치를 증가시키기 위해서는 진료 부문의 서비스시간을 증가(22.75)시키고, 위생 부문의 서비스시간은 반대로 감소(3.62) 시켜야 했다. 서비스비용의 경우 진료 부문의 서비스비용은 증가(43; unit: 1,000 won)시켜야 하고, 위생 부문의 서비스비용은 반대로 감소(23.06)시켜야 했다. 위와 같은 서비스시간과 서비스비용의 조정을 통해 진료 부문은 서비스가치가 증가(16.53, unit: 100점 만점)되었고, 위생부문의 서비스가치는 감소(5.57 point) 되었다. 끝으로 위의 연구결과를 기반으로 아웃소싱 의사결정을 하였다. 즉 Long treatment와 Regular treatment의 서비스가치는 현재 상태보다 최적 상태의 서비스가치가 높은 것을 볼 수 있지만, Short treatment의 경우는 현재 상태의 서비스가치가 최적 상태의 서비스가치보다 높은 것을 볼 수 있었다. 이러한 결과는 Short treatment에 대한 서비스 아웃소싱 의사결정을 고려할 수 있다는 것이다. 또한 진료 부문의 서비스가치가 위생 부문의 서비스가치보다 높은 것을 볼 수 있다. 이 같은 연구결과를 통해 진료그룹의 아웃소싱뿐만 아닌 서비스단계의 아웃소싱 의사결정 또한 언급할 수 있다.

Automatic Transfer Function Optimization for Direct Volume Rendering in Mixed Reality : Transfer Function Parameters Optimization Based on Visibility Utilizing Built-in Biometric Interfaces

송명지 가천대학교 글로벌캠퍼스 일반대학원 2024 국내석사

혼합물 실험 설계법(Mixture Designs)을 이용한 천연 복합 추출물의 제조공정 최적화 및 면역기능 평가 연구

서태수 강원대학교 대학원 2022 국내박사

최근 다양한 유행성 질환, 노인성 질환 대응 면역 관련 기능성 원료 개발에 생약추출물이나 한약재를 구성하는 기초 물질들에 대한 관심이 높아지고 있으며, 이에 새로운 천연 면역증진 원료에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있다. 본 연구에서는 면역기능, 항염증 등에 효능이 우수한 한의학 처방을 바탕으로 식품원료로써 활용이 가능한 황금(黃芩), 금은화(金銀花), 강황(薑黃), 나복자(蘿菔子), 자소엽(紫蘇葉)의 최적 추출조건 및 조성비 설정을 통해 면역기능을 살펴보고 면역기능 건강기능식품 소재로서의 가능성을 알아보고자 연구하였다. 천연 복합 추출물의 조성비 설정을 위해 심플렉스 중심법으로 설계된 실험조건을 바탕으로 Raw 264.7 세포의 세포독성을 측정한 결과, 모든 조건에서 세포독성을 나타내지 않았으며, Nitric Oxide (NO)를 측정한 결과, 금은화 4.5 g, 황금 31.8 g, 나복자 4.5 g, 강황 4.5 g, 자소엽 4.5 g 천연 복합 추출물 조건에서 LPS 대비 50.7 %로 다른 조건들보다 우수한 NO 생성 억제능을 확인하였다. Minitab® 16 Statistical Software 프로그램에 심플렉스 중심법으로 설계된 실험조건별 NO assay 결과를 대입하여 금은화 9.1 %, 황금 63.6 %, 나복자 9.1 %, 강황 9.1 %, 자소엽 9.1 %의 최적 혼합비율을 설정하였으며, 최적추출조건 확립을 위해 중심 합성법으로 설계된 실험조건을 바탕으로 Raw 264.7 세포의 세포독성을 측정한 결과, 모든 천연 복합 추출물 제조 조건에서 세포독성을 나타내지 않았고 NO assay 결과, 60 분, 15 배 정제수 혼합 처리군에서 LPS 대비 40.7 %로 확인하였다. Minitab® 16 Statistical Software 프로그램에 NO assay 결과를 대입하여 추출시간 48 분, 용매배수 13 배로 최적추출조건을 설정하였다. 최적화된 천연 복합 추출물 (NCE)과 양성대조군인 홍삼 추출물 (RE)의 MTT assay 결과 모든 처리농도에서 세포독성은 없는 것으로 나타났으며, NO assay 결과, 천연 복합 추출물 (NCE)을 100 ㎍/mL 이상 처리한 처리군에서 농도 의존적으로 감소하는 것으로 나타났다. 단일 원료 대비 천연 복합 추출물 시너지 효과 확인하기 위해 각각의 단일 추출물과 천연 복합 추출물의 NO assay결과, 250 ㎍/mL 농도에서 LPS 대비 천연 복합 추출물 39.6 %로 단일 원료 대비 NO 생성억제능이 가장 우수한 것을 확인하였다. 천연 복합 추출물의 염증성 사이토카인 유전자 발현량을 측정하기 위해 Raw 264.7 세포의 독성을 평가한 결과 모든 농도에서 세포독성이 나타나지 않았으며, 염증성 사이토카인 유전자인 TNF-α 유전자 발현은 LPS 처리군과 천연 복합 추출물 처리군 간 유의적인 차이는 없는 것으로 나타났으나 천연 복합 추출물 처리군에서 농도 의존적으로 IL-1β, IL-6의 발현이 저해되는 것을 확인하였다. 천연 복합 추출물의 유효성분을 HPLC를 이용하여 분석한 결과, Baicalein 0.30 ± 0.05 mg/g, Chlorogenic acid 1.41 ± 0.08 mg/g, Rosmarinic acid 11.00 ± 0.12 mg/g으로 확인하였다. 면역저해를 유발 후 천연 복합 추출물의 면역증진 동물실험 결과, Cyclophosphamide (CPA)를 2차 투여 후 mouse의 몸무게가 감소하여 면역이 저하된 것을 확인할 수 있었으며, 천연 복합 추출물 처리 시 비장 지수가 유의적으로 증가하는 것으로 나타났고 T cell과 B cell 모두 증식능을 증가시키는 것을 확인하였으나 유의적인 차이는 없는 것으로 나타났다. 복강 대식세포의 유전자 발현을 분석한 결과 면역 활성이 저해된 처리군들에서 유사한 수준의 TNF-α유전자 발현에는 유의적인 차이가 없는 것으로 나타났으며, IL-1β 및 IL-6의 유전자 발현은 천연 복합 추출물 처리군에서 농도 의존적으로 증가하였고, 면역 저해를 유발하였음에도 정상군과 유사한 수준으로 면역력을 회복하는 것을 확인할 수 있었다. 천연 복합 추출물 처리군에서 COX-2 및 iNOS 유전자 발현이 증가하는 것으로 나타났다. 혈청 내 NO 함량은 천연 복합 추출물 처리군에서 negative control과 비교하여 증가하였으며, 100 mg/kg 처리군에서 normal 수준으로 유의하게 증가하는 것으로 나타났다. 이상의 결과로 미루어 보아 천연 복합 추출물이 염증반응을 완화하고 면역 저하 시 비장세포의 증식 및 대식세포 유전자의 발현을 증가시켜 면역을 증진 시켜 면역조절 기능이 있는 것으로 사료되며, 향후 면역기능 개별인정형 건강기능식품 소재로 활용이 가능할 것으로 사료된다. Recently, interest in basic materials constituting herbal extracts or herbal medicines has increased in the development of immune-related functional raw materials for various infectious diseases and senile diseases, and thus demand for new natural immune-promoting raw materials has exploded. In this study, based on oriental medicine prescriptions that are effective in immune function and anti-inflammatory, the study was conducted to examine immune function and to find out the possibility of immune function as a health functional food by setting optimal extraction conditions and composition ratio of Scutellaria baicalensis, Lonicera japonica Thunb, Curcuma longa L., Raphani semen, Perilla frutescens Britton var. acuta Kudo. As a result of measuring the cytotoxicity of Raw 264.7 cells based on the experimental conditions designed by the simplex centroid method to set the composition ratio of natural complex extracts, it did not show cytotoxicity under all conditions. As a result of measuring nitric oxide (NO), it was confirmed that No. 11 had better NO generation inhibition than other conditions at 50.7 % compared to LPS under natural complex extract conditions. The results of NO assay by experimental conditions designed with a simplex centroid method were substituted into the Minitab® 16 Statistical Software program to set the optimal mixing ratio of 9.1 % Lonicera japonica Thunb, 63.6 % Scutellaria baicalensis, 9.1 % Raphani semen, 9.1 % Curcuma longa L., and Perilla frutescens Britton var. acuta Kudo. The experimental conditions designed by the central synthesis method to establish optimal extraction conditions, Raw 264.7 cells were not cytotoxic under all natural complex extract manufacturing conditions, and NO assay showed No. 7 had better 40.7 % NO production inhibition than other conditions. The results of NO assay were substituted into the Minitab® 16 Statistical Software program to set the optimal extraction conditions at 48 minutes of extraction time and 13 times of solvent drainage. The MTT assay results of the optimized natural complex extract (NCE) and the positive control red ginseng extract (RE) showed no cytotoxicity at all treatment concentrations, and the NO assay results showed a concentration-dependent decrease in the treatment group treated with 100 ㎍/mL. The synergy effect of natural complex extracts compared to a natural products, NO assay of each single natural product extract and natural complex extracts confirmed that the NO production performance of natural composite extract was significantly the best. As a result of evaluating the toxicity of Raw 264.7 cells to measure the gene expression of inflammatory cytokines in natural complex extracts, it was confirmed that cytotoxicity was not found at all concentrations, and concentration-dependent expression of IL-1β, and IL-6 was inhibited in the natural complex extract treatment group. As a result of analysis the natural complex extracts by HPLC, Baicalein 0.30 ± 0.05 mg/g, Chlorogenic acid 1.41 ± 0.08 mg/g, and Rosmarinic acid 11.00 ± 0.12 mg/g were confirmed. Results of immunostimulatory animal experiments, Cyclophosphamide (CPA), it was confirmed that the mouse weight decreased and immunity decreased, and the spleen index significantly increased when treating natural complex extracts, and both T cell and B cell increased their proliferative ability. As a result of analysis the gene expression of abdominal macrophages, it was confirmed that gene expression of IL-1β and IL-6 increased concentration-dependent in the natural complex extract treatment group and recovered immunity to a level similar to that of the normal group. In the natural complex extracts treatment group, COX-2 and iNOS gene expression was found to increase. The NO content in the serum was increased compared to negative control in the natural complex extracts treatment group, and significantly increased to the normal level in the 100 mg/kg treatment group. As a result, natural complex extracts are believed to have an immune control function by alleviating inflammatory reactions, increasing the proliferation of spleen cells and expression of macrophage genes when immunocompromised, and can be used as an individual health functional food material in the future.

Optimization of Sasa quelpaertensis Nakai Extract as a Natural Antioxidant and Whitening Product

한은혜 대구한의대학교 대학원 2021 국내석사

The medicinal properties of natural products are attributed to the presence of phytochemicals under various extraction conditions, such as the extraction method, type of solvent, extraction time, and temperature. In this study, optimization of extraction was performed using response surface methodology (RSM) to obtain materials with antioxidant activity and whitening effects from Sasa quelpaertensis Nakai. The central composite design, an RSM, was carried out to design an experimental model related to obtaining antioxidants by ethanol extraction and whitening effect materials by hydrothermal extraction from S. quelpaertensis Nakai. The optimal ethanol extraction conditions were determined as follows: ethanol concentration of 54%, extraction temperature of 52°C, and extraction time of 3 h. The optimal hydrothermal extraction conditions were as follow: total extraction time of 1 h, extraction temperature of 41°C, solid-liquid ratio of 1:19, and ultrasonic irradiation time of 8 min. Extraction was performed under the same predicted optimal conditions, and experiments using optimal extracts were carried out in triplicate to verify the significance of each optimum extraction condition. As a result, the actual activity value was confirmed to be similar to the predicted value. Moreover, quantitative analysis of indicator substances with antioxidant properties, such as tricin and p-coumaric acid, and whitening effects, such as p-coumaric acid and arbutin, was conducted using high-performance liquid chromatography analysis; the cell viability was measured to assess for toxicity by conducting a 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2, 5-diphenyl tetrazolium bromide assay on extracts produced under optimized extraction conditions. Therefore, the optimized extracts from S. quelpaertensis Nakai could be utilized for industrial applications. 천연물의 의약적 특성은 추출방법, 용매의 종류, 추출시간, 추출온도 등 다양한 추출조건을 통한 식물 화학 물질에 따라 차이를 나타낸다. 본 연구에서는 제주조릿대 (Sasa quelpaertensis Nakai) 유래 항산화 및 미백 기능성 원료 생산 추출 공정 최적화를 위해 반응표면분석법 (RSM)을 적용하였다. 실험 조건 도출을 위해 중심 합성 계획법을 적용하였으며, 항산화 활성 및 미백 활성 물질 생산을 위해 각각 에탄올 추출공정과 열수추출공정을 적용하여 조건 최적화 및 검증을 수행하였다. 제주조릿대를 시료로 한 에탄올 추출공정의 최적조건은 에탄올 농도 54%, 추출온도 52℃, 추출시간 3 시간이며, 열수 추출공정의 최적조건은 총 추출시간 1 시간, 추출온도 41℃, 고액비 1:19, 초음파 조사시간 8 분으로 나타났다. 각각의 최적 추출조건의 유의성 검증을 위해 동일 조건에서 추출 및 3 반복 실험결과 활성예측 값과 실제 실험활성 값이 유사함을 확인하였다. 고성능 액체 크로마토그래피 분석을 통해 각 공정의 최적의 추출조건에서 생산된 에탄올 및 열수 추출물에서 각각 항산화 활성을 나타내는 지표성분 tricin, p-coumaric acid 과 미백활성을 나타내는 지표성분들 p-coumaric acid, arbutin 의 검출여부 및 수율 등을 확인하였다. 또한, 독성 테스트를 위해 세포 생존력 분석을 수행하였고, 미백활성을 나타낸 열수추출물에서는 멜라닌 합성 저해 분석을 수행하였다. 결과적으로, 최적추출 조건에서 생산된 제주조릿대 추출물은 항산화 및 미백의 기능성 화장품 소재로서의 활용이 가능한 것으로 판단된다.

Topology optimized design for thermal conductors using functionally graded composite structure

민경태 Graduate School, Yonsei University 2023 국내석사

본 학위 논문은 경사기능재료(Functionally graded material, FGM)를 이용한 열전도체의 구조설계를 위한 새로운 방법을 제시한다. 복합 재료 단위 구조체의 유효 물성을 얻기 위하여 주기적인 경계 조건을 부여하고, 대표체적요소(Representative volume element, RVE) 균질화법을 이용하여 단위 구조체의 유효 열전도율 텐서 성분을 구한다. 또한, 신경망 피팅의 머신 러닝 방법을 이산화된 RVE 데이터에 적용하여 단위 구조의 연속적인 형상 변화에 대응하는 유효 열전도율를 도출하는 설계 모듈을 구축한다. 본 연구에서는 열 컴플라이언스를 최소화하고자 하는 설계 목표와 복합 재료 및 섬유 재료에 대한 부피분율의 제약 조건을 가지고 임의의 설계영역 및 열 경계 조건 아래에서 열전도 최적화 문제를 정식화하였다. 최적화 과정을 통해 전체적인 복합구조의 위상적 배치와 국소적인 섬유 재료의 배치가 동시에 최적화되어 구조의 성능을 극대화할 수 있다. 제안된 방법을 검증하기 위해 몇 가지 수치 예제가 도입된다. 마지막으로, 얻은 위상 최적화 결과에 비균질화 투영 방법을 적용하여 복잡한 미시 구조를 제조 가능한 수준으로 변환한다. This master’s thesis presents a novel method for the structural design of thermal conductors with the functionally graded materials (FGM). To obtain the effective material properties of the composite unit structure, periodic boundary conditions are imposed, and the effective thermal conductivity tensor components of the unit structure are obtained using the representative volume element (RVE) homogenization method. In addition, the machine learning method of neural network fitting is applied to the discretized RVE data to build a design module that derives effective thermal conductivity corresponding to the continuous shape change of the unit structure. In this study, with the design objective of minimizing the thermal compliance and constraints of volume fractions for the composite and fiber material, thermal conduction optimization problems are formulated under arbitrary design domains and thermal boundary conditions. Through the optimization process, the overall topological layout of the composite and the local layout of the fibrous material are simultaneously optimized to maximize the performance of the structure. Several numerical examples are introduced to validate the proposed method. Finally, the de-homogenization projection method is applied to the obtained topology optimization results to convert the complex micro-scale structures to a manufacturable level.