(Phys.org) - Découvrir les façons dont de nombreux phénomènes apparemment divers sont liés est l'un des objectifs primordiaux de la recherche scientifique, étant donné que l'universalité permet souvent d'étendre un aperçu dans un domaine à de nombreux autres domaines.

En travaillant dans ce sens, les chercheurs d'une nouvelle étude ont développé un cadre général pour le modèle du "premier passage sous redémarrage", qui décrit un large éventail de phénomènes statistiques en physique, chimie, la biologie, la finance, et d'autres domaines. En identifiant une stratégie optimale et en montrant qu'elle ne peut être surpassée par aucune autre stratégie, les chercheurs ont pris des mesures pour améliorer les performances de nombreux processus divers avec un large éventail d'applications, tels qu'un codage informatique efficace, réactions biochimiques dans les cellules, et l'alimentation de la faune.

Les chercheurs, Arnab Pal au Technion-Israel Institute of Technology et Shlomi Reuveni à la Harvard Medical School, ont publié un article sur leur développement d'un cadre théorique général pour le premier passage sous redémarrage dans un récent numéro de Lettres d'examen physique .

"Nous avons développé un cadre théorique pour le premier passage sous redémarrage, " Pal a dit Phys.org . "Le cadre est extrêmement général et offre des applications à une classe large et diversifiée de problèmes en informatique, physique computationnelle, biophysique, physique statistique hors équilibre, et plus."

Le premier passage sous redémarrage est une variante du cadre « temps de premier passage », qui a été développé à l'origine dans le contexte des systèmes hors équilibre et utilisé, par exemple, pour étudier le temps qu'il faut à une particule avec un mouvement aléatoire pour atteindre un certain endroit. Plus généralement, le premier temps de passage est le temps mis par toute variable aléatoire pour atteindre une certaine valeur seuil. Il est particulièrement utile pour rendre compte de la nature intrinsèquement probabiliste des processus statistiques, comme la décharge de neurones, extinction de fluorescence, ou l'activité boursière.

Plus récemment, les chercheurs ont étudié ce qui se passe lorsqu'un processus est arrêté et redémarré à partir de son point de départ initial. Des études ont montré que le redémarrage peut avoir des avantages pour certains problèmes qui « prennent un mauvais départ », par exemple, un algorithme de recherche qui recherche aléatoirement une solution à un problème, mais commence à chercher le long d'un chemin qui va dans la mauvaise direction. Redémarrer pourrait alors aider à sauver une recherche futile en la redémarrant. Plus généralement, le redémarrage pourrait aider dans une situation où il n'est pas clair si le processus se terminera rapidement ou seulement après une longue période de temps.

Alors que le premier passage sous redémarrage a été utilisé pour décrire une grande variété de processus, une partie du problème avec cette variété est qu'il n'y a actuellement pas de général, approche unificatrice qui pourrait être appliquée quels que soient les détails particuliers du processus ou du mécanisme de redémarrage.

En développant un cadre général pour les processus de premier passage sous redémarrage, Pal et Reuveni ont résolu ce problème. En utilisant ce cadre, ils ont ensuite identifié une stratégie optimale, appelé redémarrage brutal, qui surpasse toutes les stratégies de redémarrage possibles en termes d'obtention du temps de premier passage moyen le plus court.

Comme l'expliquent les chercheurs, le redémarrage rapide est très simple par essence :arrêtez simplement le processus et redémarrez-le après un certain laps de temps, avec le temps exact en fonction du problème. Les résultats ont une grande variété d'applications potentielles.

« Dans la théorie de la recherche de nourriture, on étudie le mouvement des animaux à la recherche de nourriture, des partenaires et un abri dans la nature, et c'est assez fascinant de voir comment les animaux essaient d'optimiser leurs activités de recherche de nourriture, " dit Pal. " Le premier passage sous redémarrage peut alors être utilisé comme une description idéalisée pour certaines de ces activités. Une possible, encore inexploré, la direction dans laquelle cela pourrait être pris est l'étude des schémas de migration préhistoriques des groupes humains à la recherche de territoires nouveaux et plus accommodants.

"Une autre application est le développement de stratégies de recherche plus efficaces qui peuvent aider à retrouver des objets perdus, ou aider à construire des opérations de sauvetage pour les avions écrasés ou les sous-marins perdus. Les processus de recherche apparaissent aussi naturellement dans le cadre de réactions biochimiques lorsqu'une molécule recherche un site cible réactif, et le premier passage sous redémarrage pourrait également être utilisé pour décrire des réactions enzymatiques."

Actuellement, un inconvénient de la stratégie de redémarrage brutal est qu'elle peut être difficile à mettre en œuvre à l'aide de molécules en raison du coût énergétique élevé. À l'avenir, les chercheurs prévoient d'analyser plus avant ce problème pour proposer des stratégies de redémarrage presque optimales qui fonctionnent presque aussi bien mais consomment moins d'énergie. Ces stratégies pourraient devenir particulièrement importantes dans les cellules vivantes ou dans les dispositifs moléculaires fabriqués par l'homme.

"Le redémarrage est couramment utilisé pour accélérer l'achèvement des algorithmes informatiques aléatoires, mais son importance physique, chimique, et les processus biologiques commencent tout juste à se réaliser, ", a déclaré Pal. "Nous avons l'intention d'explorer le redémarrage dans ces contextes et sommes particulièrement intéressés de savoir si les systèmes biologiques ont trouvé un moyen de tirer également parti du redémarrage et des avantages qu'il peut offrir."

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