TY - JOUR A1 - Dashkovskiy, Sergey A1 - Kapustyan, Oleksiy A1 - Schmid, Jochen T1 - A local input-to-state stability result w.r.t. attractors of nonlinear reaction–diffusion equations JF - Mathematics of Control, Signals, and Systems N2 - We establish the local input-to-state stability of a large class of disturbed nonlinear reaction–diffusion equations w.r.t. the global attractor of the respective undisturbed system. KW - local input-to-state stability KW - global attractor KW - lonlinear reaction-diffusion equations Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-281099 VL - 32 IS - 3 ER - TY - JOUR A1 - Heins, Michael A1 - Roth, Oliver A1 - Waldmann, Stefan T1 - Convergent star products on cotangent bundles of Lie groups JF - Mathematische Annalen N2 - For a connected real Lie group G we consider the canonical standard-ordered star product arising from the canonical global symbol calculus based on the half-commutator connection of G. This star product trivially converges on polynomial functions on T\(^*\)G thanks to its homogeneity. We define a nuclear Fréchet algebra of certain analytic functions on T\(^*\)G, for which the standard-ordered star product is shown to be a well-defined continuous multiplication, depending holomorphically on the deformation parameter \(\hbar\). This nuclear Fréchet algebra is realized as the completed (projective) tensor product of a nuclear Fréchet algebra of entire functions on G with an appropriate nuclear Fréchet algebra of functions on \({\mathfrak {g}}^*\). The passage to the Weyl-ordered star product, i.e. the Gutt star product on T\(^*\)G, is shown to preserve this function space, yielding the continuity of the Gutt star product with holomorphic dependence on \(\hbar\). KW - Lie groups KW - star products Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-324324 SN - 0025-5831 VL - 386 IS - 1-2 ER - TY - JOUR A1 - Kourou, Maria A1 - Zarvalis, Konstantinos T1 - Compact sets in petals and their backward orbits under semigroups of holomorphic functions JF - Potential Analysis N2 - Let (ϕ\(_t\))\(_{t≥0}\) be a semigroup of holomorphic functions in the unit disk \(\mathbb {D}\) and K a compact subset of \(\mathbb {D}\). We investigate the conditions under which the backward orbit of K under the semigroup exists. Subsequently, the geometric characteristics, as well as, potential theoretic quantities for the backward orbit of K are examined. More specifically, results are obtained concerning the asymptotic behavior of its hyperbolic area and diameter, the harmonic measure and the capacity of the condenser that K forms with the unit disk. KW - semigroup of holomorphic functions KW - backward orbit KW - petal KW - harmonic measure KW - condenser capacity KW - Koenigs function KW - green energy KW - hyperbolic area Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-324368 SN - 0926-2601 VL - 59 IS - 4 ER - TY - JOUR A1 - Jotz, M. A1 - Mehta, R. A. A1 - Papantonis, T. T1 - Modules and representations up to homotopy of Lie n-algebroids JF - Journal of Homotopy and Related Structures N2 - This paper studies differential graded modules and representations up to homotopy of Lie n-algebroids, for general \(n\in {\mathbb {N}}\). The adjoint and coadjoint modules are described, and the corresponding split versions of the adjoint and coadjoint representations up to homotopy are explained. In particular, the case of Lie 2-algebroids is analysed in detail. The compatibility of a Poisson bracket with the homological vector field of a Lie n-algebroid is shown to be equivalent to a morphism from the coadjoint module to the adjoint module, leading to an alternative characterisation of non-degeneracy of higher Poisson structures. Moreover, the Weil algebra of a Lie n-algebroid is computed explicitly in terms of splittings, and representations up to homotopy of Lie n-algebroids are used to encode decomposed VB-Lie n-algebroid structures on double vector bundles. KW - Lie n-algebroids KW - representations up to homotopy KW - differential graded modules KW - Poisson algebras KW - adjoint and coadjoint representations Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-324333 SN - 2193-8407 VL - 18 IS - 1 ER - TY - THES A1 - Scherz, Jan T1 - Weak Solutions to Mathematical Models of the Interaction between Fluids, Solids and Electromagnetic Fields T1 - Schwache Lösungen für mathematische Modelle der Wechselwirkung zwischen Flüssigkeiten, Festkörpern und elektromagnetischen Feldern N2 - We analyze the mathematical models of two classes of physical phenomena. The first class of phenomena we consider is the interaction between one or more insulating rigid bodies and an electrically conducting fluid, inside of which the bodies are contained, as well as the electromagnetic fields trespassing both of the materials. We take into account both the cases of incompressible and compressible fluids. In both cases our main result yields the existence of weak solutions to the associated system of partial differential equations, respectively. The proofs of these results are built upon hybrid discrete-continuous approximation schemes: Parts of the systems are discretized with respect to time in order to deal with the solution-dependent test functions in the induction equation. The remaining parts are treated as continuous equations on the small intervals between consecutive discrete time points, allowing us to employ techniques which do not transfer to the discretized setting. Moreover, the solution-dependent test functions in the momentum equation are handled via the use of classical penalization methods. The second class of phenomena we consider is the evolution of a magnetoelastic material. Here too, our main result proves the existence of weak solutions to the corresponding system of partial differential equations. Its proof is based on De Giorgi's minimizing movements method, in which the system is discretized in time and, at each discrete time point, a minimization problem is solved, the associated Euler-Lagrange equations of which constitute a suitable approximation of the original equation of motion and magnetic force balance. The construction of such a minimization problem is made possible by the realization that, already on the continuous level, both of these equations can be written in terms of the same energy and dissipation potentials. The functional for the discrete minimization problem can then be constructed on the basis of these potentials. N2 - Wir analysieren die mathematischen Modelle von zwei Arten physikalischer Phänomene. Die erste Art von Phänomenen, die wir betrachten, ist die Wechselwirkung zwischen einem oder mehreren isolierenden starren Körpern und einem elektrisch leitenden Fluid, das die Körper umgibt, sowie den elektromagnetischen Feldern in beiden Materialien. Wir untersuchen sowohl den Fall inkompressibler als auch kompressibler Fluide. In beiden Fällen liefert unser Hauptresultat die Existenz von schwachen Lösungen für das zugehörige System partieller Differentialgleichungen. Die Beweise dieser Resultate beruhen auf hybriden diskret-kontinuierlichen Approximationsmethoden: Teile der Systeme werden in der Zeit diskretisiert, um das Problem der lösungsabhängigen Testfunktionen in der Induktionsgleichung zu bewältigen. Die verbleibenden Gleichungen werden als kontinuierliche Gleichungen auf den kleinen Intervallen zwischen aufeinanderfolgenden diskreten Zeitpunkten behandelt, sodass wir Techniken anwenden können, die sich nicht auf das diskretisierte System übertragen lassen. Darüber hinaus wird das Problem der lösungsabhängigen Testfunktionen in der Impulsgleichung durch die Verwendung klassischer Penalisierungsmethoden gelöst. Die zweite Art von Phänomenen, die wir betrachten, ist die Entwicklung eines magnetoelastischen Materials. Auch hier beweist unser Hauptresultat die Existenz schwacher Lösungen für das zugehörige System partieller Differentialgleichungen. Der Beweis basiert auf der Methode von De Giorgi, bei der das System in der Zeit diskretisiert und in jedem diskreten Zeitpunkt ein Minimierungsproblem gelöst wird, dessen zugehörige Euler-Lagrange-Gleichungen eine geeignete Approximation an die ursprüngliche Bewegungsgleichung und mikromagnetische Gleichung darstellen. Die Konstruktion eines solchen Minimierungsproblems wird durch die Erkenntnis ermöglicht, dass diese beiden Gleichungen bereits im kontinuierlichen System mithilfe derselben Energie- und Dissipationspotenziale ausgedrückt werden können. Das Funktional für das diskrete Minimierungsproblem kann dann auf Grundlage dieser Potenziale konstruiert werden. KW - Fluid-Struktur-Wechselwirkung KW - Magnetoelastizität KW - Magnetohydrodynamik KW - Navier-Stokes-Gleichung KW - Zeitdiskrete Approximation KW - Fluid-structure interaction KW - Magnetoelasticity KW - Magnetohydrodynamics KW - Minimizing movements KW - Navier-Stokes equations KW - Rothe method Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-349205 ER - TY - JOUR A1 - Steuding, Jörn A1 - Tongsomporn, Janyarak T1 - On the order of growth of Lerch zeta functions JF - Mathematics N2 - We extend Bourgain’s bound for the order of growth of the Riemann zeta function on the critical line to Lerch zeta functions. More precisely, we prove L(λ, α, 1/2 + it) ≪ t\(^{13/84+ϵ}\) as t → ∞. For both, the Riemann zeta function as well as for the more general Lerch zeta function, it is conjectured that the right-hand side can be replaced by t\(^ϵ\) (which is the so-called Lindelöf hypothesis). The growth of an analytic function is closely related to the distribution of its zeros. KW - Lerch zeta function KW - Hurwitz zeta function KW - (approximate) functional equation KW - order of growth KW - exponent pairs KW - MSC 11M35 Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-303981 SN - 2227-7390 VL - 11 IS - 3 ER - TY - JOUR A1 - Kanzow, Christian T1 - Y. Cui, J.-S. Pang: “Modern Nonconvex Nondifferentiable Optimization” JF - Jahresbericht der Deutschen Mathematiker-Vereinigung N2 - No abstract available. KW - Kanzow, C. Y. Cui, J.-S. Pang: “Modern Nonconvex Nondifferentiable Optimization” KW - Rezension Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-324346 SN - 0012-0456 VL - 124 IS - 2 ER - TY - JOUR A1 - Appell, Jürgen A1 - Brito, Belén López A1 - Reinwand, Simon T1 - Counterexamples on compositions JF - Mathematische Semesterberichte N2 - We give a collection of 16 examples which show that compositions \(g\) \(\circ\) \(f\) of well-behaved functions \(f\) and \(g\) can be badly behaved. Remarkably, in 10 of the 16 examples it suffices to take as outer function \(g\) simply a power-type or characteristic function. Such a collection of examples may serve as a source of exercises for a calculus course. KW - composition of functions KW - examples and counterexamples Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-324306 SN - 0720-728X VL - 70 IS - 1 ER - TY - JOUR A1 - Lu, Lu A1 - Mönius, Katja T1 - Algebraic degree of Cayley graphs over abelian groups and dihedral groups JF - Journal of Algebraic Combinatorics N2 - For a graph \(\Gamma\) , let K be the smallest field containing all eigenvalues of the adjacency matrix of \(\Gamma\) . The algebraic degree \(\deg (\Gamma )\) is the extension degree \([K:\mathbb {Q}]\). In this paper, we completely determine the algebraic degrees of Cayley graphs over abelian groups and dihedral groups. KW - Cayley graph KW - integral graph KW - algebraic degree Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-324380 SN - 0925-9899 VL - 57 IS - 3 ER - TY - JOUR A1 - Siller, Hans-Stefan A1 - Elschenbroich, Hans-Jürgen A1 - Greefrath, Gilbert A1 - Vorhölter, Katrin T1 - Mathematical modelling of exponential growth as a rich learning environment for mathematics classrooms JF - ZDM Mathematics Education N2 - Mathematical concepts are regularly used in media reports concerning the Covid-19 pandemic. These include growth models, which attempt to explain or predict the effectiveness of interventions and developments, as well as the reproductive factor. Our contribution has the aim of showing that basic mental models about exponential growth are important for understanding media reports of Covid-19. Furthermore, we highlight how the coronavirus pandemic can be used as a context in mathematics classrooms to help students understand that they can and should question media reports on their own, using their mathematical knowledge. Therefore, we first present the role of mathematical modelling in achieving these goals in general. The same relevance applies to the necessary basic mental models of exponential growth. Following this description, based on three topics, namely, investigating the type of growth, questioning given course models, and determining exponential factors at different times, we show how the presented theoretical aspects manifest themselves in teaching examples when students are given the task of reflecting critically on existing media reports. Finally, the value of the three topics regarding the intended goals is discussed and conclusions concerning the possibilities and limits of their use in schools are drawn. KW - basic mental models KW - exponential growth KW - mathematics classrooms KW - mathematical modelling KW - growth models Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-324393 SN - 1863-9690 VL - 55 IS - 1 ER - TY - JOUR A1 - Weishäupl, Sebastian T1 - The weak Gram law for Hecke \(L\)-functions JF - The Ramanujan Journal N2 - We generalize a theorem by Titchmarsh about the mean value of Hardy’s \(Z\)-function at the Gram points to the Hecke \(L\)-functions, which in turn implies the weak Gram law for them. Instead of proceeding analogously to Titchmarsh with an approximate functional equation we employ a different method using contour integration. KW - Gram’s law KW - Gram points KW - Hecke eigenforms KW - Hecke L-functions Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-324404 SN - 1382-4090 VL - 60 IS - 4 ER - TY - JOUR A1 - Greefrath, Gilbert A1 - Oldenburg, Reinhard A1 - Siller, Hans-Stefan A1 - Ulm, Volker A1 - Weigand, Hans-Georg T1 - Mathematics students’ characteristics of basic mental models of the derivative JF - Journal für Mathematik-Didaktik N2 - The concept of derivative is characterised with reference to four basic mental models. These are described as theoretical constructs based on theoretical considerations. The four basic mental models—local rate of change, tangent slope, local linearity and amplification factor—are not only quantified empirically but are also validated. To this end, a test instrument for measuring students’ characteristics of basic mental models is presented and analysed regarding quality criteria. Mathematics students (n = 266) were tested with this instrument. The test results show that the four basic mental models of the derivative can be reconstructed among the students with different characteristics. The tangent slope has the highest agreement values across all tasks. The agreement on explanations based on the basic mental model of rate of change is not as strongly established among students as one would expect due to framework settings in the school system by means of curricula and educational standards. The basic mental model of local linearity plays a rather subordinate role. The amplification factor achieves the lowest agreement values. In addition, cluster analysis was conducted to identify different subgroups of the student population. Moreover, the test results can be attributed to characteristics of the task types as well as to the students’ previous experiences from mathematics classes by means of qualitative interpretation. These and other results of students’ basic mental models of the derivative are presented and discussed in detail. N2 - Der Begriff der Ableitung wird anhand von vier Grundvorstellungen charakterisiert. Diese werden als theoretische Konstrukte beschrieben, die auf theoretischen Überlegungen beruhen. Die vier Grundvorstellungen – lokale Änderungsrate, Tangentensteigung, lokale Linearität und Verstärkungsfaktor – werden empirisch quantifiziert und validiert. Zu diesem Zweck wird ein Testinstrument zur Messung der Charakteristika dieser Grundvorstellungen von Lernenden erstellt, bzgl. Gütekriterien ausgewertet und an Mathematikstudierenden (n = 266) getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass die vier Grundvorstellungen der Ableitung bei den Lernenden mit unterschiedlichen Merkmalen rekonstruiert werden können. Die Tangentensteigung weist über alle Aufgaben hinweg die höchsten Übereinstimmungswerte auf. Die Übereinstimmung bei Erklärungen, die auf der Grundvorstellung der lokalen Änderungsrate beruhen, ist bei den Studierenden nicht so stark ausgeprägt, wie man es aufgrund der Rahmenbedingungen im Schulsystem durch Lehrpläne und Bildungsstandards erwarten würde. Die Grundvorstellung der lokalen Linearität spielt eine eher untergeordnete Rolle. Der Verstärkungsfaktor erzielt die geringsten Übereinstimmungswerte. Darüber hinaus wurde eine Clusteranalyse durchgeführt, um verschiedene Untergruppen der Schülerpopulation zu identifizieren. Die Testergebnisse können mittels qualitativer Interpretation auf Merkmale der Aufgabentypen sowie auf die Vorerfahrungen der Studierenden aus dem Mathematikunterricht zurückgeführt werden. Diese und weitere Ergebnisse zu den grundlegenden mentalen Modellen der Studierenden zur Ableitung werden ausführlich dargestellt und diskutiert. KW - derivative KW - basic mental models KW - structure KW - test instrument KW - Ableitung KW - Grundvorstellung KW - Struktur KW - Testinstrument Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-324317 SN - 0173-5322 VL - 44 IS - 1 ER - TY - JOUR A1 - Kanzow, Christian A1 - Mehlitz, Patrick T1 - Convergence properties of monotone and nonmonotone proximal gradient methods revisited JF - Journal of Optimization Theory and Applications N2 - Composite optimization problems, where the sum of a smooth and a merely lower semicontinuous function has to be minimized, are often tackled numerically by means of proximal gradient methods as soon as the lower semicontinuous part of the objective function is of simple enough structure. The available convergence theory associated with these methods (mostly) requires the derivative of the smooth part of the objective function to be (globally) Lipschitz continuous, and this might be a restrictive assumption in some practically relevant scenarios. In this paper, we readdress this classical topic and provide convergence results for the classical (monotone) proximal gradient method and one of its nonmonotone extensions which are applicable in the absence of (strong) Lipschitz assumptions. This is possible since, for the price of forgoing convergence rates, we omit the use of descent-type lemmas in our analysis. KW - non-Lipschitz optimization KW - nonsmooth optimization KW - proximal gradient method Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-324351 SN - 0022-3239 VL - 195 IS - 2 ER - TY - JOUR A1 - Just, Janina A1 - Siller, Hans-Stefan T1 - The role of mathematics in STEM secondary classrooms: a systematic literature review JF - Education Sciences N2 - Nowadays, science, technology, engineering, and mathematics (STEM) play a critical role in a nation’s global competitiveness and prosperity. Thus, there is a need to educate students in these subjects to meet the current and future demands of personal life and society. While applications, especially in science, engineering, and technology, are directly obvious, mathematics underpins the other STEM disciplines. It is recognized that mathematics is the foundation for all other STEM disciplines; the role of mathematics in classrooms is not clear yet. Therefore, the question arises: What is the current role of mathematics in secondary STEM classrooms? To answer this question, we conducted a systematic literature review based on three publication databases (Web of Science, ERIC, and EBSCO Teacher Referral Center). This literature review paper is intended to contribute to the current state of the role of mathematics in STEM education in secondary classrooms. Through the search, starting with 1910 documents, only 14 eligible documents were found. In these, mathematics is often seen as a minor matter and a means to an end in the eyes of science educators. From this, we conclude that the role of mathematics in the STEM classroom should be further strengthened. Overall, the paper highlights a major research gap, and proposes possible initial solutions to close it. KW - STEM education KW - role of mathematics in STEM KW - literature review KW - STEM integration KW - STEM classroom KW - secondary education Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-288075 SN - 2227-7102 VL - 12 IS - 9 ER - TY - THES A1 - Jia, Xiaoxi T1 - Augmented Lagrangian Methods invoking (Proximal) Gradient-type Methods for (Composite) Structured Optimization Problems T1 - Erweiterte Lagrange-Methoden, die (proximale) Gradientenmethoden für (zusammengesetzte) strukturierte Optimierungsprobleme aufrufen N2 - This thesis, first, is devoted to the theoretical and numerical investigation of an augmented Lagrangian method for the solution of optimization problems with geometric constraints, subsequently, as well as constrained structured optimization problems featuring a composite objective function and set-membership constraints. It is then concerned to convergence and rate-of-convergence analysis of proximal gradient methods for the composite optimization problems in the presence of the Kurdyka--{\L}ojasiewicz property without global Lipschitz assumption. N2 - Diese Dissertation widmet sich zunächst der theoretischen und numerischen Untersuchung eines erweiterten Lagrange-Verfahrens zur Lösung von Optimierungsproblemen mit geometrischen Nebenbedingungen, in weiterer Folge, sowie eingeschränkten strukturierten Optimierungsproblemen mit einer zusammengesetzten Zielfunktion und Mengenzugehörigkeitsbeschränkungen. Es befasst sich dann mit der Konvergenz- und Konvergenzanalyse von Proximalgradientenverfahren für zusammengesetzte Optimierungsprobleme in Gegenwart der Kurdyka--{\L}ojasiewicz-Eigenschaft ohne globale Lipschitz-Annahme. KW - Augmented Lagrangian methods KW - Geometric constraints KW - Composite optimization problems KW - Kurdyka--{\L}ojasiewicz property KW - Local Lipschitz continuity Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-323745 ER - TY - JOUR A1 - Kakaroumpas, Spyridon A1 - Soler i Gibert, Odí T1 - Dyadic product BMO in the Bloom setting JF - Journal of the London Mathematical Society N2 - Ó. Blasco and S. Pott showed that the supremum of operator norms over L\(^{2}\) of all bicommutators (with the same symbol) of one-parameter Haar multipliers dominates the biparameter dyadic product BMO norm of the symbol itself. In the present work we extend this result to the Bloom setting, and to any exponent 1 < p < ∞. The main tool is a new characterization in terms of paraproducts and two-weight John–Nirenberg inequalities for dyadic product BMO in the Bloom setting. We also extend our results to the whole scale of indexed spaces between little bmo and product BMO in the general multiparameter setting, with the appropriate iterated commutator in each case. KW - dyadic product BMO KW - bicommutators KW - Bloom setting Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-318602 SN - 0024-6107 VL - 106 IS - 2 SP - 899 EP - 935 ER - TY - JOUR A1 - Easton, Andrew A1 - van Dalen, Okki A1 - Goeb, Rainer A1 - Di Bucchianico, Alessandro T1 - Bivariate copula monitoring JF - Quality and Reliability Engineering International N2 - The assumption of multivariate normality underlying the Hotelling T\(^{2}\) chart is often violated for process data. The multivariate dependency structure can be separated from marginals with the help of copula theory, which permits to model association structures beyond the covariance matrix. Copula‐based estimation and testing routines have reached maturity regarding a variety of practical applications. We have constructed a rich design matrix for the comparison of the Hotelling T\(^{2}\) chart with the copula test by Verdier and the copula test by Vuong, which allows for weighting the observations adaptively. Based on the design matrix, we have conducted a large and computationally intensive simulation study. The results show that the copula test by Verdier performs better than Hotelling T\(^{2}\) in a large variety of out‐of‐control cases, whereas the weighted Vuong scheme often fails to provide an improvement. KW - copula KW - multivariate Gaussian distribution KW - multivariate statistical process control (SPC) KW - phase I KW - phase II Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-276501 VL - 38 IS - 3 SP - 1272 EP - 1288 ER - TY - JOUR A1 - Hellmuth, Kathrin A1 - Klingenberg, Christian T1 - Computing Black Scholes with uncertain volatility — a machine learning approach JF - Mathematics N2 - In financial mathematics, it is a typical approach to approximate financial markets operating in discrete time by continuous-time models such as the Black Scholes model. Fitting this model gives rise to difficulties due to the discrete nature of market data. We thus model the pricing process of financial derivatives by the Black Scholes equation, where the volatility is a function of a finite number of random variables. This reflects an influence of uncertain factors when determining volatility. The aim is to quantify the effect of this uncertainty when computing the price of derivatives. Our underlying method is the generalized Polynomial Chaos (gPC) method in order to numerically compute the uncertainty of the solution by the stochastic Galerkin approach and a finite difference method. We present an efficient numerical variation of this method, which is based on a machine learning technique, the so-called Bi-Fidelity approach. This is illustrated with numerical examples. KW - numerical finance KW - Black Scholes equation KW - uncertainty quantification KW - uncertain volatility KW - polynomial chaos KW - Bi-Fidelity method Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-262280 SN - 2227-7390 VL - 10 IS - 3 ER - TY - THES A1 - Dippell, Marvin T1 - Constraint Reduction in Algebra, Geometry and Deformation Theory T1 - Constraint Reduktion in Algebra, Geometrie und Deformationsquantisierung N2 - To study coisotropic reduction in the context of deformation quantization we introduce constraint manifolds and constraint algebras as the basic objects encoding the additional information needed to define a reduction. General properties of various categories of constraint objects and their compatiblity with reduction are examined. A constraint Serre-Swan theorem, identifying constraint vector bundles with certain finitely generated projective constraint modules, as well as a constraint symbol calculus are proved. After developing the general deformation theory of constraint algebras, including constraint Hochschild cohomology and constraint differential graded Lie algebras, the second constraint Hochschild cohomology for the constraint algebra of functions on a constraint flat space is computed. N2 - Um koisotrope Reduktion im Kontext der Deformationsquantisierung zu betrachten, werden constraint Mannigfaltigkeiten und constraint Algebren als grundlegende Objekte definiert. Wichtige Eigenschaften verschiedener zugehöriger Kategorien, sowie deren Kompatibilität mit Reduktion werden untersucht. In Analogie zum klassischen Serre-Swan-Theorem können constraint Vektorbündel mit bestimmten endlich erzeugt projektiven constraint Moduln identifiziert werden. Außerdem wird ein Symbolkalkül für constraint Multidifferenzialoperatoren eingeführt. Nach der Entwicklung der allgemeinen Deformationstheorie von constraint Algebren mithilfe von constraint Hochschild Kohomologie und constraint differentiell gradierten Lie-Algebren, wird die zweite constraint Hochschild Kohomologie im Fall eines endlich dimensionalen constraint Vektorraums berechnet. KW - Differentialgeometrie KW - Deformationsquantisierung KW - Coisotropic reduction KW - Symplektische Geometrie Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-301670 ER - TY - JOUR A1 - Schäffner, M. A1 - Schlömerkemper, A. T1 - On Lennard-Jones systems with finite range interactions and their asymptotic analysis JF - Networks and Heterogeneous Media N2 - The aim of this work is to provide further insight into the qualitative behavior of mechanical systems that are well described by Lennard-Jones type interactions on an atomistic scale. By means of Gamma-convergence techniques, we study the continuum limit of one-dimensional chains of atoms with finite range interactions of Lennard-Jones type, including the classical Lennard-Jones potentials. So far, explicit formula for the continuum limit were only available for the case of nearest and next-to-nearest neighbour interactions. In this work, we provide an explicit expression for the continuum limit in the case of finite range interactions. The obtained homogenization formula is given by the convexification of a Cauchy-Born energy density. Furthermore, we study rescaled energies in which bulk and surface contributions scale in the same way. The related discrete-to-continuum limit yields a rigorous derivation of a one-dimensional version of Griffith' fracture energy and thus generalizes earlier derivations for nearest and next-to-nearest neighbors to the case of finite range interactions. A crucial ingredient to our proofs is a novel decomposition of the energy that allows for re fined estimates. KW - Discrete-to-continuum limits KW - atomistic models KW - Gamma-convergence KW - Cauchy-Born rule KW - variational fracture Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-228428 VL - 13 IS - 1 ER - TY - JOUR A1 - Tongsomporn, Janyarak A1 - Wananiyakul, Saeree A1 - Steuding, Jörn T1 - The values of the periodic zeta-function at the nontrivial zeros of Riemann's zeta-function JF - Symmetry N2 - In this paper, we prove an asymptotic formula for the sum of the values of the periodic zeta-function at the nontrivial zeros of the Riemann zeta-function (up to some height) which are symmetrical on the real line and the critical line. This is an extension of the previous results due to Garunkštis, Kalpokas, and, more recently, Sowa. Whereas Sowa's approach was assuming the yet unproved Riemann hypothesis, our result holds unconditionally. KW - zeta-functions KW - Riemann hypothesis Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-252261 SN - 2073-8994 VL - 13 IS - 12 ER - TY - JOUR A1 - Pirner, Marlies T1 - A review on BGK models for gas mixtures of mono and polyatomic molecules JF - Fluids N2 - We consider the Bathnagar–Gross–Krook (BGK) model, an approximation of the Boltzmann equation, describing the time evolution of a single momoatomic rarefied gas and satisfying the same two main properties (conservation properties and entropy inequality). However, in practical applications, one often has to deal with two additional physical issues. First, a gas often does not consist of only one species, but it consists of a mixture of different species. Second, the particles can store energy not only in translational degrees of freedom but also in internal degrees of freedom such as rotations or vibrations (polyatomic molecules). Therefore, here, we will present recent BGK models for gas mixtures for mono- and polyatomic particles and the existing mathematical theory for these models. KW - multi-fluid mixture KW - kinetic model KW - BGK approximation KW - degrees of freedom in internal energy KW - existence of solutions KW - large-time behaviour Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-250161 SN - 2311-5521 VL - 6 IS - 11 ER - TY - JOUR A1 - Hellmuth, Kathrin A1 - Klingenberg, Christian A1 - Li, Qin A1 - Tang, Min T1 - Multiscale convergence of the inverse problem for chemotaxis in the Bayesian setting JF - Computation N2 - Chemotaxis describes the movement of an organism, such as single or multi-cellular organisms and bacteria, in response to a chemical stimulus. Two widely used models to describe the phenomenon are the celebrated Keller–Segel equation and a chemotaxis kinetic equation. These two equations describe the organism's movement at the macro- and mesoscopic level, respectively, and are asymptotically equivalent in the parabolic regime. The way in which the organism responds to a chemical stimulus is embedded in the diffusion/advection coefficients of the Keller–Segel equation or the turning kernel of the chemotaxis kinetic equation. Experiments are conducted to measure the time dynamics of the organisms' population level movement when reacting to certain stimulation. From this, one infers the chemotaxis response, which constitutes an inverse problem. In this paper, we discuss the relation between both the macro- and mesoscopic inverse problems, each of which is associated with two different forward models. The discussion is presented in the Bayesian framework, where the posterior distribution of the turning kernel of the organism population is sought. We prove the asymptotic equivalence of the two posterior distributions. KW - inverse problems KW - Bayesian approach KW - kinetic chemotaxis equation KW - Keller–Segel model KW - multiscale modeling KW - asymptotic analysis KW - velocity jump process KW - mathematical biology Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-250216 SN - 2079-3197 VL - 9 IS - 11 ER - TY - THES A1 - Stumpf, Pascal T1 - On coverings and reduced residues in combinatorial number theory T1 - Über Abdeckungen und prime Restklassen in kombinatorischer Zahlentheorie N2 - Our starting point is the Jacobsthal function \(j(m)\), defined for each positive integer \(m\) as the smallest number such that every \(j(m)\) consecutive integers contain at least one integer relatively prime to \(m\). It has turned out that improving on upper bounds for \(j(m)\) would also lead to advances in understanding the distribution of prime numbers among arithmetic progressions. If \(P_r\) denotes the product of the first \(r\) prime numbers, then a conjecture of Montgomery states that \(j(P_r)\) can be bounded from above by \(r (\log r)^2\) up to some constant factor. However, the until now very promising sieve methods seem to have reached a limit here, and the main goal of this work is to develop other combinatorial methods in hope of coming a bit closer to prove the conjecture of Montgomery. Alongside, we solve a problem of Recamán about the maximum possible length among arithmetic progressions in the least (positive) reduced residue system modulo \(m\). Lastly, we turn towards three additive representation functions as introduced by Erdős, Sárközy and Sós who studied their surprising different monotonicity behavior. By an alternative approach, we answer a question of Sárközy and demostrate that another conjecture does not hold. N2 - Der Startpunkt dieser Arbeit ist die Jacobsthal-Funktion \(j(m)\), die für jede natürliche Zahl \(m\) als die kleinste Zahl definiert ist, so dass je \(j(m)\) aufeinanderfolgende ganze Zahlen mindestens eine zu \(m\) teilerfremde Zahl enthalten. Es hat sich herausgestellt, dass Verbesserungen oberer Abschätzungen für \(j(m)\) gleichzeitig zu Fortschritten im Verständnis der Verteilung der Primzahlen in arithmetischen Folgen führen. Bezeichnet \(P_r\) das Produkt der ersten \(r\) Primzahlen, dann besagt eine Vermutung von Montgomery, dass \(j(P_r)\) bis auf einen konstanten Faktor durch \(r (\log r)^2\) von oben abgeschätzt werden kann. Allerdings scheinen die hier bisher sehr vielversprechenden Siebmethoden eine Grenze erreicht zu haben, und das Hauptziel dieser Arbeit ist es andere kombinatorische Methoden zu entwickeln, in der Hoffnung einem Beweis der Vermutung von Montgomery ein wenig näher zu kommen. Auf diesem Weg lösen wir nebenbei ein Problem von Recamán über die maximal mögliche Länge unter den arithmetischen Folgen im kleinsten (positiven) primen Restklassensystem modulo \(m\). Außerdem wenden wir uns am Ende drei additiven Darstellungsfunktionen zu, wie sie von Erdős, Sárközy und Sós eingeführt wurden, die deren überraschend unterschiedliches Monotonieverhalten untersucht haben. Mit einem alternativen Ansatz beantworten wir hier eine Frage von Sárközy und zeigen auf, dass eine andere Vermutung nicht bestehen kann. KW - Kombinatorische Zahlentheorie KW - coverings KW - reduced residues KW - Jacobsthal function Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-293504 ER - TY - THES A1 - Lechner, Theresa T1 - Proximal Methods for Nonconvex Composite Optimization Problems T1 - Proximal-Verfahren für nichtkonvexe zusammengesetzte Optimierungsprobleme N2 - Optimization problems with composite functions deal with the minimization of the sum of a smooth function and a convex nonsmooth function. In this thesis several numerical methods for solving such problems in finite-dimensional spaces are discussed, which are based on proximity operators. After some basic results from convex and nonsmooth analysis are summarized, a first-order method, the proximal gradient method, is presented and its convergence properties are discussed in detail. Known results from the literature are summarized and supplemented by additional ones. Subsequently, the main part of the thesis is the derivation of two methods which, in addition, make use of second-order information and are based on proximal Newton and proximal quasi-Newton methods, respectively. The difference between the two methods is that the first one uses a classical line search, while the second one uses a regularization parameter instead. Both techniques lead to the advantage that, in contrast to many similar methods, in the respective detailed convergence analysis global convergence to stationary points can be proved without any restricting precondition. Furthermore, comprehensive results show the local convergence properties as well as convergence rates of these algorithms, which are based on rather weak assumptions. Also a method for the solution of the arising proximal subproblems is investigated. In addition, the thesis contains an extensive collection of application examples and a detailed discussion of the related numerical results. N2 - In Optimierungsproblemen mit zusammengesetzten Funktionen wird die Summe aus einer glatten und einer konvexen, nicht glatten Funktion minimiert. Die vorliegende Arbeit behan- delt mehrere numerische Verfahren zur Lösung solcher Probleme in endlich-dimensionalen Räumen, welche auf Proximity Operatoren basieren. Nach der Zusammenfassung einiger grundlegender Resultate aus der konvexen und nicht- glatten Analysis wird ein Verfahren erster Ordnung, das Proximal-Gradienten-Verfahren, vorgestellt und dessen Konvergenzeigenschaften ausführlich behandelt. Bekannte Resultate aus der Literatur werden dabei zusammengefasst und durch weitere Ergebnisse ergänzt. Im Anschluss werden im Hauptteil der Arbeit zwei Verfahren hergeleitet, die zusätzlich Informationen zweiter Ordnung nutzen und auf Proximal-Newton- beziehungsweise Proximal-Quasi- Newton-Verfahren beruhen. Der Unterschied zwischen beiden Verfahren liegt darin, dass bei ersterem eine klassische Schrittweitensuche verwendet wird, während das zweite stattdessen einen Regularisierungsparameter nutzt. Beide Techniken führen dazu, dass im Gegensatz zu vielen verwandten Verfahren in der jeweils ausführlichen Konvergenzanalyse die globale Konvergenz zu stationären Punkten ohne weitere einschränkende Voraussetzungen bewiesen werden kann. Ferner zeigen umfassende Resultate die lokalen Konvergenzeigenschaften sowie Konvergenzraten der Algorithmen auf, welche auf lediglich schwachen Annahmen beruhen. Ein Verfahren zur Lösung auftretender Proximal-Teilprobleme ist ebenfalls Bestandteil dieser Arbeit. Die Dissertation beinhaltet zudem eine umfangreiche Sammlung von Anwendungsbeispielen und zugehörigen numerischen Ergebnissen. KW - Optimierung KW - composite optimization KW - proximal gradient method KW - proximal Newton method Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-289073 ER - TY - JOUR A1 - Campana, Francesca Calà A1 - Borzì, Alfio T1 - On the SQH Method for Solving Differential Nash Games JF - Journal of Dynamical and Control Systems N2 - A sequentialquadratic Hamiltonian schemefor solving open-loop differential Nash games is proposed and investigated. This method is formulated in the framework of the Pontryagin maximum principle and represents an efficient and robust extension of the successive approximations strategy for solving optimal control problems. Theoretical results are presented that prove the well-posedness of the proposed scheme, and results of numerical experiments are reported that successfully validate its computational performance. KW - successive approximations strategy KW - sequential quadratic hamiltonian method KW - differential nash games KW - pontryagin maximum principle Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-269111 SN - 1573-8698 VL - 28 ER - TY - JOUR A1 - Homburg, Annika A1 - Weiß, Christian H. A1 - Frahm, Gabriel A1 - Alwan, Layth C. A1 - Göb, Rainer T1 - Analysis and forecasting of risk in count processes JF - Journal of Risk and Financial Management N2 - Risk measures are commonly used to prepare for a prospective occurrence of an adverse event. If we are concerned with discrete risk phenomena such as counts of natural disasters, counts of infections by a serious disease, or counts of certain economic events, then the required risk forecasts are to be computed for an underlying count process. In practice, however, the discrete nature of count data is sometimes ignored and risk forecasts are calculated based on Gaussian time series models. But even if methods from count time series analysis are used in an adequate manner, the performance of risk forecasting is affected by estimation uncertainty as well as certain discreteness phenomena. To get a thorough overview of the aforementioned issues in risk forecasting of count processes, a comprehensive simulation study was done considering a broad variety of risk measures and count time series models. It becomes clear that Gaussian approximate risk forecasts substantially distort risk assessment and, thus, should be avoided. In order to account for the apparent estimation uncertainty in risk forecasting, we use bootstrap approaches for count time series. The relevance and the application of the proposed approaches are illustrated by real data examples about counts of storm surges and counts of financial transactions. KW - count time series KW - expected shortfall KW - expectiles KW - Gaussian approximation KW - mid quantiles KW - tail conditional expectation KW - value at risk Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-236692 SN - 1911-8074 VL - 14 IS - 4 ER - TY - THES A1 - Kortum, Joshua T1 - Global Existence and Uniqueness Results for Nematic Liquid Crystal and Magnetoviscoelastic Flows T1 - Globale Existenz- und Eindeutigkeitsresultate für nematische Flüssigkristall- und magnetoviskoelastische Flüsse N2 - Liquid crystals and polymeric fluids are found in many technical applications with liquid crystal displays probably being the most prominent one. Ferromagnetic materials are well established in industrial and everyday use, e.g. as magnets in generators, transformers and hard drive disks. Among ferromagnetic materials, we find a subclass which undergoes deformations if an external magnetic field is applied. This effect is exploited in actuators, magnetoelastic sensors, and new fluid materials have been produced which retain their induced magnetization during the flow. A central issue consists of a proper modelling for those materials. Several models exist regarding liquid crystals and liquid crystal flows, but up to now, none of them has provided a full insight into all observed effects. On materials encompassing magnetic, elastic and perhaps even fluid dynamic effects, the mathematical literature seems sparse in terms of models. To some extent, one can unify the modeling of nematic liquid crystals and magnetoviscoelastic materials employing a so-called energetic variational approach. Using the least action principle from theoretical physics, the actual task reduces to finding appropriate energies describing the observed behavior. The procedure leads to systems of evolutionary partial differential equations, which are analyzed in this work. From the mathematical point of view, fundamental questions on existence, uniqueness and stability of solutions remain unsolved. Concerning the Ericksen-Leslie system modelling nematic liquid crystal flows, an approximation to this model is given by the so-called Ginzburg-Landau approximation. Solutions to the latter are intended to approximately represent solutions to the Ericksen-Leslie system. Indeed, we verify this presumption in two spatial dimensions. More precisely, it is shown that weak solutions of the Ginzburg-Landau approximation converge to solutions of the Ericksen-Leslie system in the energy space for all positive times of evolution. In order to do so, theory for the Euler equations invented by DiPerna and Majda on weak compactness and concentration measures is used. The second part of the work deals with a system of partial differential equations modelling magnetoviscoelastic fluids. We provide a well-posedness result in two spatial dimensions for large energies and large times. Along the verification of that conclusion, existing theory on the Ericksen-Leslie system and the harmonic map flow is deployed and suitably extended. N2 - Flüssigkristalle und polymere Flüssigkeiten finden sich in vielen technischen Anwendungen, wobei die Liquid Crystal Displays (kurz LCDs) wahrscheinlich die bekanntesten sind. Ebenso haben viele ferromagnetische Materialien Gebrauch in der Technologie gefunden, zum Beispiel als Generatoren, Transformatoren und Hard Drive Disks. Bei einigen ferromagnetischen Materialien führt die äußere Anwendung eines Magnetfeldes zu Verformungen. Dieser Effekt wird z. B. in Aktoren ausgenutzt und es wurden neue Flüssigkeiten gefunden, welche ihre eingangs induzierte Magnetisierung beibehalten. Bis heute besteht ein Problem darin, derartige Materialien korrekt zu modellieren. Für Flüssigkristalle und Flüssigkristallströmungen existieren mehrere Modelle, aber bisher hat keines von ihnen einen vollständigen Einblick in alle beobachteten Effekte liefern können. Zu Materialien, welche magnetischen, elastischen und vielleicht sogar fluiddynamischen Effekten unterliegen, ist die Literatur bezüglich der Modellierung auf mathematischer Seite eher spärlich. Bis zu einem gewissen Grad kann man die Modellierung von Flüssigkristallen und magnetoviskoelastischen Materialien durch einen Variationsansatz für das Wirkungsfunktional vereinheitlichen. Verwendet man das Prinzip der kleinsten Wirkung aus der theoretischen Physik, reduziert sich die eigentliche Aufgabe darauf, geeignete Energien zu finden, um das beobachtete Verhalten zu beschreiben. Das Verfahren führt zu Systemen zeitabhängiger partieller Differentialgleichungen, welche in dieser Arbeit betrachtet werden. Aus mathematischer Sicht bleiben grundsätzliche Fragen zu Existenz, Eindeutigkeit und Stabilität von Lösungen offen. Bezüglich des Ericksen-Leslie-Modells für nematische Flüssigkristalle ist eine Approximation dieses Modells durch die sogenannte Ginzburg-Landau-Näherung gegeben. In dieser Arbeit wird bewiesen, dass Lösungen des letzteren Modells gegen Lösungen des erstgenannten in zwei Raumdimensionen konvergieren. Präzi- se ausgedrückt wird gezeigt, dass schwache Lösungen des Ginzburg-Landau-Systems auf beliebig großen Zeitintervallen gegen Lösungen des Ericksen-Leslie-Systems konvergieren unter der Annahme, dass die Energie des physikalischen Systems beschränkt ist. Dazu wird die von DiPerna und Majda entwickelte Theorie für die Euler-Gleichungen zu Konzentrationen unter schwacher Konvergenz verwendet. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit einem System partieller Differentialgleichungen zur Modellierung magnetoviskoelastischer Flüssigkeiten. Wir zeigen, dass in zwei Raumdimensionen in gewissem Sinne ein wohlgestelltes Problem für beliebig große Energien und Zeiten vorliegt. Für den Beweis dieses Resultats verwenden und erweitern wir die bestehende Theorie zum Ericksen-Leslie-System und zum Wärmefluss harmonischer Abbildungen. KW - Magnetoelastizität KW - Mikromagnetismus KW - Flüssigkristall KW - Partielle Differentialgleichung KW - Schwache Kompaktheit KW - Magnetoviscoelastic Fluids KW - Nematic Liquid Crystals KW - Weak Solutions KW - Magnetoviskoelastische Flüsse KW - Nematische Flüssigkristalle KW - Schwache Lösungen Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-278271 ER - TY - THES A1 - Barth, Dominik T1 - Computation of multi-branch-point covers and applications in Galois theory T1 - Berechnung von Mehrpunktüberlagerungen und Anwendungen in der Galoistheorie N2 - We present a technique for computing multi-branch-point covers with prescribed ramification and demonstrate the applicability of our method in relatively large degrees by computing several families of polynomials with symplectic and linear Galois groups. As a first application, we present polynomials over \(\mathbb{Q}(\alpha,t)\) for the primitive rank-3 groups \(PSp_4(3)\) and \(PSp_4(3).C_2\) of degree 27 and for the 2-transitive group \(PSp_6(2)\) in its actions on 28 and 36 points, respectively. Moreover, the degree-28 polynomial for \(PSp_6(2)\) admits infinitely many totally real specializations. Next, we present the first (to the best of our knowledge) explicit polynomials for the 2-transitive linear groups \(PSL_4(3)\) and \(PGL_4(3)\) of degree 40, and the imprimitive group \(Aut(PGL_4(3))\) of degree 80. Additionally, we negatively answer a question by König whether there exists a degree-63 rational function with rational coefficients and monodromy group \(PSL_6(2)\) ramified over at least four points. This is achieved due to the explicit computation of the corresponding hyperelliptic genus-3 Hurwitz curve parameterizing this family, followed by a search for rational points on it. As a byproduct of our calculations we obtain the first explicit \(Aut(PSL_6(2))\)-realizations over \(\mathbb{Q}(t)\). At last, we present a technique by Elkies for bounding the transitivity degree of Galois groups. This provides an alternative way to verify the Galois groups from the previous chapters and also yields a proof that the monodromy group of a degree-276 cover computed by Monien is isomorphic to the sporadic 2-transitive Conway group \(Co_3\). N2 - Wir stellen eine Technik zur Berechnung von Mehrpunktüberlagerungen mit vorgeschriebener Verzweigung vor und demonstrieren die Anwendbarkeit unserer Methode in relativ großen Graden durch die Berechnung mehrerer Familien von Polynomen mit symplektischen und linearen Galoisgruppen. Als erste Anwendung präsentieren wir Polynome über \(\mathbb{Q}(\alpha,t)\) für die primitiven Rang-3-Gruppen \(PSp_4(3)\) und \(PSp_4(3).C_2\) vom Grad 27 und für die 2-fach transitive Gruppe \(PSp_6(2)\) in ihren Operationen auf 28 bzw. 36 Punkten. Außerdem lässt das Polynom vom Grad 28 für \(PSp_6(2)\) unendlich viele total-reelle Spezialisierungen zu. Als Nächstes präsentieren wir die (unseres Wissens nach) ersten expliziten Polynome für die 2-fach transitiven linearen Gruppen \(PSL_4(3)\) und \(PGL_4(3)\) vom Grad 40 und die imprimitive Gruppe \(Aut(PGL_4(3))\) vom Grad 80. Zusätzlich geben wir eine negative Antwort auf die Frage von König, ob es eine rationale Funktion vom Grad 63 mit rationalen Koeffizienten gibt, die über mindestens vier Punkten verzweigt ist und Monodromiegruppe \(PSL_6(2)\) besitzt. Dies wird durch die explizite Berechnung der entsprechenden hyperelliptischen Geschlecht-3 Hurwitzkurve erreicht, die diese Familie parametrisiert, gefolgt von einer Suche nach rationalen Punkten auf ihr. Als Nebenprodukt unserer Berechnungen erhalten wir die ersten expliziten \(Aut(PSL_6(2))\)-Realisierungen über \(\mathbb{Q}(t)\). Schließlich stellen wir eine Technik von Elkies zur Beschränkung des Transitivitätsgrades von Galoisgruppen vor. Diese bietet einen alternativen Weg, die Galoisgruppen aus den vorherigen Kapiteln zu verifizieren und liefert auch einen Beweis dafür, dass die Monodromiegruppe einer von Monien berechneten Grad-276 Überlagerung isomorph zur sporadischen 2-fach transitiven Conway-Gruppe \(Co_3\) ist. KW - Galois-Theorie KW - Hurwitz-Raum KW - Monodromie KW - Überlagerung KW - Belyi map Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-277025 ER - TY - JOUR A1 - Kraus, Daniela A1 - Moucha, Annika A1 - Roth, Oliver T1 - A sharp Bernstein–type inequality and application to the Carleson embedding theorem with matrix weights JF - Analysis and Mathematical Physics N2 - We prove a sharp Bernstein-type inequality for complex polynomials which are positive and satisfy a polynomial growth condition on the positive real axis. This leads to an improved upper estimate in the recent work of Culiuc and Treil (Int. Math. Res. Not. 2019: 3301–3312, 2019) on the weighted martingale Carleson embedding theorem with matrix weights. In the scalar case this new upper bound is optimal. KW - Bernstein-type inequality KW - complex polynomials KW - Carleson embedding theorem Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-270485 SN - 1664-235X VL - 12 IS - 1 ER - TY - JOUR A1 - Fall, Mouhammed Moustapha A1 - Minlend, Ignace Aristide A1 - Ratzkin, Jesse T1 - Foliation of an Asymptotically Flat End by Critical Capacitors JF - The Journal of Geometric Analysis N2 - We construct a foliation of an asymptotically flat end of a Riemannian manifold by hypersurfaces which are critical points of a natural functional arising in potential theory. These hypersurfaces are perturbations of large coordinate spheres, and they admit solutions of a certain over-determined boundary value problem involving the Laplace–Beltrami operator. In a key step we must invert the Dirichlet-to-Neumann operator, highlighting the nonlocal nature of our problem. KW - asymptotically flat ends KW - foliation KW - over-determined problem Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-269997 SN - 1559-002X VL - 32 IS - 2 ER - TY - JOUR A1 - Kanzow, Christian A1 - Raharja, Andreas B. A1 - Schwartz, Alexandra T1 - An Augmented Lagrangian Method for Cardinality-Constrained Optimization Problems JF - Journal of Optimization Theory and Applications N2 - A reformulation of cardinality-constrained optimization problems into continuous nonlinear optimization problems with an orthogonality-type constraint has gained some popularity during the last few years. Due to the special structure of the constraints, the reformulation violates many standard assumptions and therefore is often solved using specialized algorithms. In contrast to this, we investigate the viability of using a standard safeguarded multiplier penalty method without any problem-tailored modifications to solve the reformulated problem. We prove global convergence towards an (essentially strongly) stationary point under a suitable problem-tailored quasinormality constraint qualification. Numerical experiments illustrating the performance of the method in comparison to regularization-based approaches are provided. KW - quasinormality constraint qualification KW - cardinality constraints KW - augmented Lagrangian KW - global convergence KW - stationarity Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-269166 SN - 1573-2878 VL - 189 IS - 3 ER - TY - JOUR A1 - Haack, J. A1 - Hauck, C. A1 - Klingenberg, C. A1 - Pirner, M. A1 - Warnecke, S. T1 - A Consistent BGK Model with Velocity-Dependent Collision Frequency for Gas Mixtures JF - Journal of Statistical Physics N2 - We derive a multi-species BGK model with velocity-dependent collision frequency for a non-reactive, multi-component gas mixture. The model is derived by minimizing a weighted entropy under the constraint that the number of particles of each species, total momentum, and total energy are conserved. We prove that this minimization problem admits a unique solution for very general collision frequencies. Moreover, we prove that the model satisfies an H-Theorem and characterize the form of equilibrium. KW - plasma physics KW - multi-fluid mixture KW - kinetic model KW - BGK approximation KW - velocity-dependent collision frequency KW - entropy minimization Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-269146 SN - 1572-9613 VL - 184 IS - 3 ER - TY - JOUR A1 - Falk, Michael A1 - Fuller, Timo T1 - New characterizations of multivariate Max-domain of attraction and D-Norms JF - Extremes N2 - In this paper we derive new results on multivariate extremes and D-norms. In particular we establish new characterizations of the multivariate max-domain of attraction property. The limit distribution of certain multivariate exceedances above high thresholds is derived, and the distribution of that generator of a D-norm on R\(^{d}\), whose components sum up to d, is obtained. Finally we introduce exchangeable D-norms and show that the set of exchangeable D-norms is a simplex. KW - extremal exchangeable D-norms KW - multivariate extreme value theory KW - multivariate max-domain of attraction KW - D-norm KW - generator of D-norm KW - multivariate exceedance KW - co-extremality coefficient KW - exchangeable D-norms Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-269071 SN - 1572-915X VL - 24 IS - 4 ER - TY - JOUR A1 - Natemeyer, Carolin A1 - Wachsmuth, Daniel T1 - A proximal gradient method for control problems with non-smooth and non-convex control cost JF - Computational Optimization and Applications N2 - We investigate the convergence of the proximal gradient method applied to control problems with non-smooth and non-convex control cost. Here, we focus on control cost functionals that promote sparsity, which includes functionals of L\(^{p}\)-type for p\in [0,1). We prove stationarity properties of weak limit points of the method. These properties are weaker than those provided by Pontryagin’s maximum principle and weaker than L-stationarity. KW - sparse control problems KW - proximal gradient method KW - non-smooth and non-convex optimization Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-269069 SN - 1573-2894 VL - 80 IS - 2 ER - TY - JOUR A1 - Kanzow, Christian A1 - Raharja, Andreas B. A1 - Schwartz, Alexandra T1 - Sequential optimality conditions for cardinality-constrained optimization problems with applications JF - Computational Optimization and Applications N2 - Recently, a new approach to tackle cardinality-constrained optimization problems based on a continuous reformulation of the problem was proposed. Following this approach, we derive a problem-tailored sequential optimality condition, which is satisfied at every local minimizer without requiring any constraint qualification. We relate this condition to an existing M-type stationary concept by introducing a weak sequential constraint qualification based on a cone-continuity property. Finally, we present two algorithmic applications: We improve existing results for a known regularization method by proving that it generates limit points satisfying the aforementioned optimality conditions even if the subproblems are only solved inexactly. And we show that, under a suitable Kurdyka–Łojasiewicz-type assumption, any limit point of a standard (safeguarded) multiplier penalty method applied directly to the reformulated problem also satisfies the optimality condition. These results are stronger than corresponding ones known for the related class of mathematical programs with complementarity constraints. KW - augmented Lagrangian method KW - cardinality constraints KW - sequential optimality condition KW - conecontinuity type constraint qualification KW - relaxation method Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-269052 SN - 1573-2894 VL - 80 IS - 1 ER - TY - JOUR A1 - Dashkovskiy, Sergey A1 - Slynko, Vitalii T1 - Stability conditions for impulsive dynamical systems JF - Mathematics of Control, Signals, and Systems N2 - In this work, we consider impulsive dynamical systems evolving on an infinite-dimensional space and subjected to external perturbations. We look for stability conditions that guarantee the input-to-state stability for such systems. Our new dwell-time conditions allow the situation, where both continuous and discrete dynamics can be unstable simultaneously. Lyapunov like methods are developed for this purpose. Illustrative finite and infinite dimensional examples are provided to demonstrate the application of the main results. These examples cannot be treated by any other published approach and demonstrate the effectiveness of our results. KW - lyapunov methods KW - stability KW - robustness KW - impulsive systems KW - infinite-dimensional systems KW - nonlinear systems KW - input-to-state stability Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-268390 SN - 1435-568X VL - 34 IS - 1 ER - TY - JOUR A1 - Homburg, Annika A1 - Weiß, Christian H. A1 - Alwan, Layth C. A1 - Frahm, Gabriel A1 - Göb, Rainer T1 - Evaluating approximate point forecasting of count processes JF - Econometrics N2 - In forecasting count processes, practitioners often ignore the discreteness of counts and compute forecasts based on Gaussian approximations instead. For both central and non-central point forecasts, and for various types of count processes, the performance of such approximate point forecasts is analyzed. The considered data-generating processes include different autoregressive schemes with varying model orders, count models with overdispersion or zero inflation, counts with a bounded range, and counts exhibiting trend or seasonality. We conclude that Gaussian forecast approximations should be avoided. KW - count time series KW - estimation error KW - Gaussian approximation KW - predictive performance KW - quantile forecasts KW - Value at Risk Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-196929 SN - 2225-1146 VL - 7 IS - 3 ER - TY - JOUR A1 - Breitenbach, Tim A1 - Helfrich-Förster, Charlotte A1 - Dandekar, Thomas T1 - An effective model of endogenous clocks and external stimuli determining circadian rhythms JF - Scientific Reports N2 - Circadian endogenous clocks of eukaryotic organisms are an established and rapidly developing research field. To investigate and simulate in an effective model the effect of external stimuli on such clocks and their components we developed a software framework for download and simulation. The application is useful to understand the different involved effects in a mathematical simple and effective model. This concerns the effects of Zeitgebers, feedback loops and further modifying components. We start from a known mathematical oscillator model, which is based on experimental molecular findings. This is extended with an effective framework that includes the impact of external stimuli on the circadian oscillations including high dose pharmacological treatment. In particular, the external stimuli framework defines a systematic procedure by input-output-interfaces to couple different oscillators. The framework is validated by providing phase response curves and ranges of entrainment. Furthermore, Aschoffs rule is computationally investigated. It is shown how the external stimuli framework can be used to study biological effects like points of singularity or oscillators integrating different signals at once. The mathematical framework and formalism is generic and allows to study in general the effect of external stimuli on oscillators and other biological processes. For an easy replication of each numerical experiment presented in this work and an easy implementation of the framework the corresponding Mathematica files are fully made available. They can be downloaded at the following link: https://www.biozentrum.uni-wuerzburg.de/bioinfo/computing/circadian/. KW - computational biology and bioinformatics KW - systems biology Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-261655 VL - 11 IS - 1 ER - TY - JOUR A1 - Helin, Tapio A1 - Kretschmann, Remo T1 - Non-asymptotic error estimates for the Laplace approximation in Bayesian inverse problems JF - Numerische Mathematik N2 - In this paper we study properties of the Laplace approximation of the posterior distribution arising in nonlinear Bayesian inverse problems. Our work is motivated by Schillings et al. (Numer Math 145:915–971, 2020. https://doi.org/10.1007/s00211-020-01131-1), where it is shown that in such a setting the Laplace approximation error in Hellinger distance converges to zero in the order of the noise level. Here, we prove novel error estimates for a given noise level that also quantify the effect due to the nonlinearity of the forward mapping and the dimension of the problem. In particular, we are interested in settings in which a linear forward mapping is perturbed by a small nonlinear mapping. Our results indicate that in this case, the Laplace approximation error is of the size of the perturbation. The paper provides insight into Bayesian inference in nonlinear inverse problems, where linearization of the forward mapping has suitable approximation properties. KW - Bayesian inverse problems KW - Laplace approximation KW - nonlinear inverse problems Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-265399 VL - 150 IS - 2 ER - TY - JOUR A1 - Bartsch, Jan A1 - Borzì, Alfio A1 - Fanelli, Francesco A1 - Roy, Souvik T1 - A numerical investigation of Brockett’s ensemble optimal control problems JF - Numerische Mathematik N2 - This paper is devoted to the numerical analysis of non-smooth ensemble optimal control problems governed by the Liouville (continuity) equation that have been originally proposed by R.W. Brockett with the purpose of determining an efficient and robust control strategy for dynamical systems. A numerical methodology for solving these problems is presented that is based on a non-smooth Lagrange optimization framework where the optimal controls are characterized as solutions to the related optimality systems. For this purpose, approximation and solution schemes are developed and analysed. Specifically, for the approximation of the Liouville model and its optimization adjoint, a combination of a Kurganov–Tadmor method, a Runge–Kutta scheme, and a Strang splitting method are discussed. The resulting optimality system is solved by a projected semi-smooth Krylov–Newton method. Results of numerical experiments are presented that successfully validate the proposed framework. KW - numerical analysis KW - Brockett KW - ensemble optimal control problems Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-265352 VL - 149 IS - 1 ER - TY - JOUR A1 - Kalousek, Martin A1 - Mitra, Sourav A1 - Schlömerkemper, Anja T1 - Existence of weak solutions of diffuse interface models for magnetic fluids JF - Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics N2 - In this article we collect some recent results on the global existence of weak solutions for diffuse interface models involving incompressible magnetic fluids. We consider both the cases of matched and unmatched specific densities. For the model involving fluids with identical densities we consider the free energy density to be a double well potential whereas for the unmatched density case it is crucial to work with a singular free energy density. KW - mathematics KW - magnetic fluids KW - diffuse interface models Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-257642 VL - 21 IS - 1 ER - TY - JOUR A1 - Schönlein, Michael T1 - Ensemble reachability of homogenous parameter‐depedent systems JF - Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics N2 - In this paper we consider the class (θA, B) of parameter-dependent linear systems given by matrices A ∈ ℂ\(^{nxn}\) and B ∈ ℂ\(^{nxm}\). This class is of interest for several applications and the frequently met task for such systems is to steer the origin toward a given target family f(θ) by using an input that is independent from the parameter. This paper provides a collection of necessary and sufficient conditions for ensemble reachability for these systems. KW - ensemble reachability KW - homogenous parameter-depedent systems KW - mathematics Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-257637 VL - 20 IS - 1 ER - TY - THES A1 - Schmeller, Christof T1 - Uniform distribution of zero ordinates of Epstein zeta-functions T1 - Gleichverteilung von Imaginärteilen nichttrivialer Nullstellen der Epsteinschen Zetafunktion N2 - The dissertation investigates the wide class of Epstein zeta-functions in terms of uniform distribution modulo one of the ordinates of their nontrivial zeros. Main results are a proof of a Landau type theorem for all Epstein zeta-functions as well as uniform distribution modulo one for the zero ordinates of all Epstein zeta-functions asscoiated with binary quadratic forms. N2 - Die vorliegende Arbeit untersucht, bei welchen Epsteinschen Zetafunktionen die Imaginärteile der nichttrivialen Nullstellen gleichverteilt modulo eins sind. Als zentrales Ergebnis wird dies für alle Epsteinschen Zetafunktionen, die durch binäre quadratische Formen gebildet werden, bewiesen. Außerdem wird unter anderem Landau's Theorem für alle Epsteinschen Zetafunktionen gezeigt. KW - Zetafunktion KW - Epstein, Paul KW - Gleichverteilung KW - Epstein zeta-function KW - Uniform distribution modulo one KW - Landau type theorem Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-251999 ER - TY - THES A1 - Bartsch, Jan T1 - Theoretical and numerical investigation of optimal control problems governed by kinetic models T1 - Theoretische und numerische Untersuchung von Optimalsteuerungsproblemen mit kinetischen Modellen N2 - This thesis is devoted to the numerical and theoretical analysis of ensemble optimal control problems governed by kinetic models. The formulation and study of these problems have been put forward in recent years by R.W. Brockett with the motivation that ensemble control may provide a more general and robust control framework for dynamical systems. Following this formulation, a Liouville (or continuity) equation with an unbounded drift function is considered together with a class of cost functionals that include tracking of ensembles of trajectories of dynamical systems and different control costs. Specifically, $L^2$, $H^1$ and $L^1$ control costs are taken into account which leads to non--smooth optimization problems. For the theoretical investigation of the resulting optimal control problems, a well--posedness theory in weighted Sobolev spaces is presented for Liouville and related transport equations. Specifically, existence and uniqueness results for these equations and energy estimates in suitable norms are provided; in particular norms in weighted Sobolev spaces. Then, non--smooth optimal control problems governed by the Liouville equation are formulated with a control mechanism in the drift function. Further, box--constraints on the control are imposed. The control--to--state map is introduced, that associates to any control the unique solution of the corresponding Liouville equation. Important properties of this map are investigated, specifically, that it is well--defined, continuous and Frechet differentiable. Using the first two properties, the existence of solutions to the optimal control problems is shown. While proving the differentiability, a loss of regularity is encountered, that is natural to hyperbolic equations. This leads to the need of the investigation of the control--to--state map in the topology of weighted Sobolev spaces. Exploiting the Frechet differentiability, it is possible to characterize solutions to the optimal control problem as solutions to an optimality system. This system consists of the Liouville equation, its optimization adjoint in the form of a transport equation, and a gradient inequality. Numerical methodologies for solving Liouville and transport equations are presented that are based on a non--smooth Lagrange optimization framework. For this purpose, approximation and solution schemes for such equations are developed and analyzed. For the approximation of the Liouville model and its optimization adjoint, a combination of a Kurganov--Tadmor method, a Runge--Kutta scheme, and a Strang splitting method are discussed. Stability and second--order accuracy of these resulting schemes are proven in the discrete $L^1$ norm. In addition, conservation of mass and positivity preservation are confirmed for the solution method of the Liouville model. As numerical optimization strategy, an adapted Krylow--Newton method is applied. Since the control is considered to be an element of $H^1$ and to obey certain box--constraints, a method for calculating a $H^1$ projection is presented. Since the optimal control problem is non-smooth, a semi-smooth adaption of Newton's method is taken into account. Results of numerical experiments are presented that successfully validate the proposed deterministic framework. After the discussion of deterministic schemes, the linear space--homogeneous Keilson--Storer master equation is investigated. This equation was originally developed for the modelling of Brownian motion of particles immersed in a fluid and is a representative model of the class of linear Boltzmann equations. The well--posedness of the Keilson--Storer master equation is investigated and energy estimates in different topologies are derived. To solve this equation numerically, Monte Carlo methods are considered. Such methods take advantage of the kinetic formulation of the Liouville equation and directly implement the behaviour of the system of particles under consideration. This includes the probabilistic behaviour of the collisions between particles. Optimal control problems are formulated with an objective that is constituted of certain expected values in velocity space and the $L^2$ and $H^1$ costs of the control. The problems are governed by the Keilson--Storer master equation and the control mechanism is considered to be within the collision kernel. The objective of the optimal control of this model is to drive an ensemble of particles to acquire a desired mean velocity and to achieve a desired final velocity configuration. Existence of solutions of the optimal control problem is proven and a Keilson--Storer optimality system characterizing the solution of the proposed optimal control problem is obtained. The optimality system is used to construct a gradient--based optimization strategy in the framework of Monte--Carlo methods. This task requires to accommodate the resulting adjoint Keilson--Storer model in a form that is consistent with the kinetic formulation. For this reason, we derive an adjoint Keilson--Storer collision kernel and an additional source term. A similar approach is presented in the case of a linear space--inhomogeneous kinetic model with external forces and with Keilson--Storer collision term. In this framework, a control mechanism in the form of an external space--dependent force is investigated. The purpose of this control is to steer the multi--particle system to follow a desired mean velocity and position and to reach a desired final configuration in phase space. An optimal control problem using the formulation of ensemble controls is stated with an objective that is constituted of expected values in phase space and $H^1$ costs of the control. For solving the optimal control problems, a gradient--based computational strategy in the framework of Monte Carlo methods is developed. Part of this is the denoising of the distribution functions calculated by Monte Carlo algorithms using methods of the realm of partial differential equations. A standalone C++ code is presented that implements the developed non--linear conjugated gradient strategy. Results of numerical experiments confirm the ability of the designed probabilistic control framework to operate as desired. An outlook section about optimal control problems governed by non--linear space--inhomogeneous kinetic models completes this thesis. N2 - Diese Arbeit widmet sich der numerischen und theoretischen Analyse von Proble- men der optimalen Kontrolle von Ensembles, die durch kinetische Modelle gesteuert werden. Die Formulierung und Untersuchung von Ensemble–Kontrollproblemen wur- den in den letzten Jahren von R.W. Brockett vorgeschlagen und vorangetrieben, mit der Motivation, dass Ensemblekontrolle einen allgemeineren und robusteren Rahmen für die Kontrolle von dynamischen Systemen bieten kann. In Anlehnung an diese Formulierung der Ensemble–Steuerung werden eine Liouville– (oder Kontinuitäts– ) Gleichung mit unbeschränkter Driftfunktion und eine Klasse von Kostenfunk- tionalen miteinbezogen, die das Nachverfolgen der Ensembles und verschiedener Kon- trollkosten berücksichtigen. Insbesondere werden L2, H1 und L1 Kontrollkosten be- trachtet. Für die theoretische Untersuchung der resultierenden Optimalsteuerungs- problemen wird eine Gutgestelltheitstheorie in gewichteten Sobolev–Räumen für die Liouville– und Transportgleichungen vorgestellt. Insbesondere werden Existenz– und Eindeutigkeitsresultate sowie Energieabschätzungen in geeigneten Normen präsen- tiert; insbesondere in gewichteten Sobolev–Räumen. Dann wird eine Klasse von nicht–glatten Optimalsteuerungsproblemen formuliert mit der Liouville–Gleichung als Nebenbedingung und einem Kontrollmechanismus in der Driftfunktion. Weiter- hin werden Box–Einschränkungen angenommen. ... KW - Optimale Kontrolle KW - Optimierung / Nebenbedingung KW - Liouville and transport equations KW - Ensemble optimal control Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-249066 ER - TY - JOUR A1 - Mönius, Katja T1 - Eigenvalues of zero-divisor graphs of finite commutative rings JF - Journal of Algebraic Combinatorics N2 - We investigate eigenvalues of the zero-divisor graph Γ(R) of finite commutative rings R and study the interplay between these eigenvalues, the ring-theoretic properties of R and the graph-theoretic properties of Γ(R). The graph Γ(R) is defined as the graph with vertex set consisting of all nonzero zero-divisors of R and adjacent vertices x, y whenever xy=0. We provide formulas for the nullity of Γ(R), i.e., the multiplicity of the eigenvalue 0 of Γ(R). Moreover, we precisely determine the spectra of \(\Gamma ({\mathbb {Z}}_p \times {\mathbb {Z}}_p \times {\mathbb {Z}}_p)\) and \(\Gamma ({\mathbb {Z}}_p \times {\mathbb {Z}}_p \times {\mathbb {Z}}_p \times {\mathbb {Z}}_p)\) for a prime number p. We introduce a graph product ×Γ with the property that Γ(R)≅Γ(R\(_1\))×Γ⋯×ΓΓ(R\(_r\)) whenever R≅R\(_1\)×⋯×R\(_r\). With this product, we find relations between the number of vertices of the zero-divisor graph Γ(R), the compressed zero-divisor graph, the structure of the ring R and the eigenvalues of Γ(R). KW - EJMA-D-19-00287 KW - Zero-divisor graphs KW - Graph eigenvalues KW - Graphnullity KW - Graph products KW - Local rings Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-232792 SN - 0925-9899 VL - 54 ER - TY - JOUR A1 - Almeida, R. A1 - Hristova, S. A1 - Dashkovskiy, S. T1 - Uniform bounded input bounded output stability of fractional‐order delay nonlinear systems with input JF - International Journal of Robust and Nonlinear Control N2 - The bounded input bounded output (BIBO) stability for a nonlinear Caputo fractional system with time‐varying bounded delay and nonlinear output is studied. Utilizing the Razumikhin method, Lyapunov functions and appropriate fractional derivatives of Lyapunov functions some new bounded input bounded output stability criteria are derived. Also, explicit and independent on the initial time bounds of the output are provided. Uniform BIBO stability and uniform BIBO stability with input threshold are studied. A numerical simulation is carried out to show the system's dynamic response, and demonstrate the effectiveness of our theoretical results. KW - bounded input bounded output stability KW - Caputo fractional derivative KW - Lyapunov functions KW - Razumikhin method KW - time‐varying delay Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-218554 VL - 31 IS - 1 SP - 225 EP - 249 ER - TY - THES A1 - Meyer, Michael T1 - Practical isogeny-based cryptography T1 - Praktische Isogenie-basierte Kryptographie N2 - This thesis aims at providing efficient and side-channel protected implementations of isogeny-based primitives, and at their application in threshold protocols. It is based on a sequence of academic papers. Chapter 3 reviews the original variable-time implementation of CSIDH and introduces several optimizations, e.g. a significant improvement of isogeny computations by using both Montgomery and Edwards curves. In total, our improvements yield a speedup of 25% compared to the original implementation. Chapter 4 presents the first practical constant-time implementation of CSIDH. We describe how variable-time implementations of CSIDH leak information on private keys, and describe ways to mitigate this. Further, we present several techniques to speed up the implementation. In total, our constant-time implementation achieves a rather small slowdown by a factor of 3.03. Chapter 5 reviews practical fault injection attacks on CSIDH and presents countermeasures. We evaluate different attack models theoretically and practically, using low-budget equipment. Moreover, we present countermeasures that mitigate the proposed fault injection attacks, only leading to a small performance overhead of 7%. Chapter 6 initiates the study of threshold schemes based on the Hard Homogeneous Spaces (HHS) framework of Couveignes. Using the HHS equivalent of Shamir’s secret sharing in the exponents, we adapt isogeny based schemes to the threshold setting. In particular, we present threshold versions of the CSIDH public key encryption and the CSI-FiSh signature scheme. Chapter 7 gives a sieving algorithm for finding pairs of consecutive smooth numbers that utilizes solutions to the Prouhet-Tarry-Escott (PTE) problem. Recent compact isogeny-based protocols, namely B-SIDH and SQISign, both require large primes that lie between two smooth integers. Finding such a prime can be seen as a special case of finding twin smooth integers under the additional stipulation that their sum is a prime. N2 - Die vorliegende Dissertation stellt effiziente und Seitenkanal-geschützte Implementierungen Isogenie-basierter Verfahren bereit, und behandelt deren Verwendung in Threshold-Protokollen. Sie basiert auf einer Reihe von Veröffentlichungen. Kapitel 3 untersucht die originale variable-time Implementierung von CSIDH und beschreibt einige Optimierungen, wie etwa die effizientere Berechnung von Isogenien durch die Verwendung von Montgomery- und Edwards-Kurven. Insgesamt erreichen die Optimierungen eine Beschleuningung von 25% gegenüber der Referenzimplementierung. Kapitel 4 enthält die erste effiziente constant-time Implementierung von CSIDH. Es beschreibt inwiefern variable-time Implementierungen Informationen über private Schlüssel liefern, und entsprechende Gegenmaßnahmen. Des Weiteren werden einige Techniken zur Optimierung der Implementierung beschrieben. Insgesamt ist die constant-time Implementierung nur etwa 3x langsamer. Kapitel 5 untersucht praktische Fault-injection Attacken auf CSIDH und beschreibt Gegenmaßnahmen. Es betrachtet verschiedene Angriffsmodelle theoretisch und praktisch unter der Verwendung von low-budget Equipment. Die Gegenmaßnahmen führen zu einer sehr kleinen Performance-Verschlechterung von 7%. Kapitel 6 initiiert die Untersuchung von Threshold-Verfahren basierend auf Hard Homogeneous Spaces (HHS). Unter Verwendung der HHS-Version von Shamir Secret Sharing im Exponenten, werden Threshold-Varianten der CSIDH Verschlüsselung und des CSI-FiSh Signaturschemas definiert. Kapitel 7 enthält einen Sieb-Algorithmus zur Suche nach Paaren von aufeinanderfolgenden glatten Zahlen, unter Verwendung von Lösungen des Prouhet-Tarry-Escott-Problems. Die kürzlich veröffentlichten Isogenie-Verfahren B-SIDH und SQISign benötigen große Primzahlen, die zwischen zwei glatten ganzen Zahlen liegen. Die Suche nach solchen Primzahlen ist ein Spezialfall der Suche nach glatten benachbarten Zahlen, unter der zusätzlichen Bedingung dass deren Summe prim ist. KW - Kryptologie KW - Post-Quantum-Kryptografie KW - isogeny-based cryptography KW - CSIDH KW - elliptic curves KW - Elliptische Kurve Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-246821 ER - TY - THES A1 - Calà Campana, Francesca T1 - Numerical methods for solving open-loop non zero-sum differential Nash games T1 - Numerische Methoden zur Lösung von Open-Loop-Nicht-Nullsummen-Differential-Nash-Spielen N2 - This thesis is devoted to a theoretical and numerical investigation of methods to solve open-loop non zero-sum differential Nash games. These problems arise in many applications, e.g., biology, economics, physics, where competition between different agents appears. In this case, the goal of each agent is in contrast with those of the others, and a competition game can be interpreted as a coupled optimization problem for which, in general, an optimal solution does not exist. In fact, an optimal strategy for one player may be unsatisfactory for the others. For this reason, a solution of a game is sought as an equilibrium and among the solutions concepts proposed in the literature, that of Nash equilibrium (NE) is the focus of this thesis. The building blocks of the resulting differential Nash games are a dynamical model with different control functions associated with different players that pursue non-cooperative objectives. In particular, the aim of this thesis is on differential models having linear or bilinear state-strategy structures. In this framework, in the first chapter, some well-known results are recalled, especially for non-cooperative linear-quadratic differential Nash games. Then, a bilinear Nash game is formulated and analysed. The main achievement in this chapter is Theorem 1.4.2 concerning existence of Nash equilibria for non-cooperative differential bilinear games. This result is obtained assuming a sufficiently small time horizon T, and an estimate of T is provided in Lemma 1.4.8 using specific properties of the regularized Nikaido-Isoda function. In Chapter 2, in order to solve a bilinear Nash game, a semi-smooth Newton (SSN) scheme combined with a relaxation method is investigated, where the choice of a SSN scheme is motivated by the presence of constraints on the players’ actions that make the problem non-smooth. The resulting method is proved to be locally convergent in Theorem 2.1, and an estimate on the relaxation parameter is also obtained that relates the relaxation factor to the time horizon of a Nash equilibrium and to the other parameters of the game. For the bilinear Nash game, a Nash bargaining problem is also introduced and discussed, aiming at determining an improvement of all players’ objectives with respect to the Nash equilibrium. A characterization of a bargaining solution is given in Theorem 2.2.1 and a numerical scheme based on this result is presented that allows to compute this solution on the Pareto frontier. Results of numerical experiments based on a quantum model of two spin-particles and on a population dynamics model with two competing species are presented that successfully validate the proposed algorithms. In Chapter 3 a functional formulation of the classical homicidal chauffeur (HC) Nash game is introduced and a new numerical framework for its solution in a time-optimal formulation is discussed. This methodology combines a Hamiltonian based scheme, with proximal penalty to determine the time horizon where the game takes place, with a Lagrangian optimal control approach and relaxation to solve the Nash game at a fixed end-time. The resulting numerical optimization scheme has a bilevel structure, which aims at decoupling the computation of the end-time from the solution of the pursuit-evader game. Several numerical experiments are performed to show the ability of the proposed algorithm to solve the HC game. Focusing on the case where a collision may occur, the time for this event is determined. The last part of this thesis deals with the analysis of a novel sequential quadratic Hamiltonian (SQH) scheme for solving open-loop differential Nash games. This method is formulated in the framework of Pontryagin’s maximum principle and represents an efficient and robust extension of the successive approximations strategy in the realm of Nash games. In the SQH method, the Hamilton-Pontryagin functions are augmented by a quadratic penalty term and the Nikaido-Isoda function is used as a selection criterion. Based on this fact, the key idea of this SQH scheme is that the PMP characterization of Nash games leads to a finite-dimensional Nash game for any fixed time. A class of problems for which this finite-dimensional game admits a unique solution is identified and for this class of games theoretical results are presented that prove the well-posedness of the proposed scheme. In particular, Proposition 4.2.1 is proved to show that the selection criterion on the Nikaido-Isoda function is fulfilled. A comparison of the computational performances of the SQH scheme and the SSN-relaxation method previously discussed is shown. Applications to linear-quadratic Nash games and variants with control constraints, weighted L1 costs of the players’ actions and tracking objectives are presented that corroborate the theoretical statements. N2 - Diese Dissertation handelt von eine theoretischen und numerischen Untersuchung von Methoden zur Lösung von Open-Loop-Nicht-Nullsummen-Differential-Nash-Spielen. Diese Probleme treten in vielen Anwendungen auf, z.B., Biologie, Wirtschaft, Physik, in denen die Konkurrenz zwischen verschiedenen Wirkstoffen bzw. Agenten auftritt. In diesem Fall steht das Ziel jedes Agenten im Gegensatz zu dem der anderen und ein Wettbewerbsspiel kann als gekoppeltes Optimierungsproblem interpretiert werden. Im Allgemeinen gibt es keine optimale Lösung für ein solches Spiel. Tatsächlich kann eine optimale Strategie für einen Spieler für den anderen unbefriedigend sein. Aus diesem Grund wird ein Gle- ichgewicht eines Spiels als Lösung gesucht, und unter den in der Literatur vorgeschlagenen Lösungskonzepten steht das Nash-Gleichgewicht (NE) im Mittelpunkt dieser Arbeit. ... KW - Differential Games KW - Bilinear differential games KW - Homicidal Chauffeur game KW - Sequential Quadratic Hamiltonian scheme KW - Pontryagin maximum principle KW - Relaxation method Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-245900 ER - TY - JOUR A1 - Homburg, Annika A1 - Weiß, Christian H. A1 - Alwan, Layth C. A1 - Frahm, Gabriel A1 - Göb, Rainer T1 - A performance analysis of prediction intervals for count time series JF - Journal of Forecasting N2 - One of the major motivations for the analysis and modeling of time series data is the forecasting of future outcomes. The use of interval forecasts instead of point forecasts allows us to incorporate the apparent forecast uncertainty. When forecasting count time series, one also has to account for the discreteness of the range, which is done by using coherent prediction intervals (PIs) relying on a count model. We provide a comprehensive performance analysis of coherent PIs for diverse types of count processes. We also compare them to approximate PIs that are computed based on a Gaussian approximation. Our analyses rely on an extensive simulation study. It turns out that the Gaussian approximations do considerably worse than the coherent PIs. Furthermore, special characteristics such as overdispersion, zero inflation, or trend clearly affect the PIs' performance. We conclude by presenting two empirical applications of PIs for count time series: the demand for blood bags in a hospital and the number of company liquidations in Germany. KW - coherent forecasting KW - count time series KW - estimation error KW - Gaussian approximation KW - prediction interval Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-217906 VL - 40 IS - 4 SP - 603 EP - 609 ER - TY - THES A1 - Raharja, Andreas Budi T1 - Optimisation Problems with Sparsity Terms: Theory and Algorithms T1 - Optimierungsprobleme mit Dünnbesetzten Termen: Theorie und Algorithmen N2 - The present thesis deals with optimisation problems with sparsity terms, either in the constraints which lead to cardinality-constrained problems or in the objective function which in turn lead to sparse optimisation problems. One of the primary aims of this work is to extend the so-called sequential optimality conditions to these two classes of problems. In recent years sequential optimality conditions have become increasingly popular in the realm of standard nonlinear programming. In contrast to the more well-known Karush-Kuhn-Tucker condition, they are genuine optimality conditions in the sense that every local minimiser satisfies these conditions without any further assumption. Lately they have also been extended to mathematical programmes with complementarity constraints. At around the same time it was also shown that optimisation problems with sparsity terms can be reformulated into problems which possess similar structures to mathematical programmes with complementarity constraints. These recent developments have become the impetus of the present work. But rather than working with the aforementioned reformulations which involve an artifical variable we shall first directly look at the problems themselves and derive sequential optimality conditions which are independent of any artificial variable. Afterwards we shall derive the weakest constraint qualifications associated with these conditions which relate them to the Karush-Kuhn-Tucker-type conditions. Another equally important aim of this work is to then consider the practicability of the derived sequential optimality conditions. The previously mentioned reformulations open up the possibilities to adapt methods which have been proven successful to handle mathematical programmes with complementarity constraints. We will show that the safeguarded augmented Lagrangian method and some regularisation methods may generate a point satisfying the derived conditions. N2 - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Optimierungsproblemen mit dünnbesetzten Termen, und zwar entweder in der Restriktionsmenge, was zu kardinalitätsrestringierten Problemen führen, oder in der Zielfunktion, was zu Optimierungsproblemen mit dünnbesetzten Lösungen führen. Die Herleitung der sogenannten sequentiellen Optimalitätsbedingungen für diese Problemklassen ist eines der Hauptziele dieser Arbeit. Im Bereich der nichtlinearen Optimierung gibt es in jüngster Zeit immer mehr Interesse an diesen Bedingungen. Im Gegensatz zu der mehr bekannten Karush-Kuhn-Tucker Bedingung sind diese Bedingungen echte Optimalitätsbedingungen. Sie sind also in jedem lokalen Minimum ohne weitere Voraussetzung erfüllt. Vor Kurzem wurden solche Bedingungen auch für mathematische Programme mit Komplementaritätsbedingungen hergeleitet. Zum gleichen Zeitpunkt wurde es auch gezeigt, dass Optimierungsproblemen mit dünnbesetzten Termen sich als Problemen, die ähnliche Strukturen wie mathematische Programme mit Komplementaritätsbedingungen besitzen, umformulieren lassen. Diese jüngsten Entwicklungen motivieren die vorliegende Arbeit. Hier werden wir zunächst die ursprunglichen Problemen direkt betrachten anstatt mit den Umformulierungen, die eine künstliche Variable enthalten, zu arbeiten. Dies ermöglicht uns, um Optimalitätsbedingungen, die von künstlichen Variablen unabhängig sind, zu gewinnen. Danach werden wir die entsprechenden schwächsten Constraint Qualifikationen, die diese Bedingungen mit Karush-Kuhn-Tucker-ähnlichen Bedingungen verknüpfen, herleiten. Als ein weiteres Hauptziel der Arbeit werden wir dann untersuchen, ob die gerade hergeleiteten Bedingungen eine praktische Bedeutung haben. Die vor Kurzem eingeführten Umformulierungen bieten die Möglichkeiten, um die für mathematische Programme mit Komplementaritätsbedingungen gut funktionierenden Methoden hier auch anzuwenden. Wir werden zeigen, dass das safeguarded augmented Lagrangian Method und einige Regularisierungsmethoden theoretisch in der Lage sind, um einen Punkt, der den hergeleiteten Bedingungen genügt, zu generieren. KW - Optimierungsproblem KW - Regularisierungsverfahren KW - Cardinality Constraints KW - Augmented Lagrangian KW - Regularisation Methods Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-241955 ER - TY - THES A1 - Wenz, Andreas T1 - Computation of Belyi maps with prescribed ramification and applications in Galois theory T1 - Berechnung von Belyi-Funktionen mit vorgegebener Monodromiegruppe und Anwendungen in der Galoistheorie N2 - We compute genus-0 Belyi maps with prescribed monodromy and strictly verify the computed results. Among the computed examples are almost simple primitive groups that satisfy the rational rigidity criterion yielding polynomials with prescribed Galois groups over Q(t). We also give an explicit version of a theorem of Magaard, which lists all sporadic groups occurring as composition factors of monodromy groups of rational functions. N2 - Wir berechnen Geschlecht-0 Belyi-Funktionen mit vorgegebener Monodromiegruppe und liefern rigorose Verifikationsbeweise. Unter den berechneten Exemplaren finden sich fast-einfache primitive Gruppen, welche das sogenannte "Rationale-Starrheitskriterium" erfüllen, die zu Galois-Realisierungen über Q(t) führen. Außerdem liefern wir eine explizite Version eines Satzes von Magaard, der alle sporadischen Gruppen auflistet, die als Kompositionsfaktoren von Monodromiegruppen rationaler Funktionen auftreten. KW - Galois-Theorie KW - Überlagerung KW - Belyi map KW - Explicit Computation KW - Belyi-Funktionen KW - Explizite Berechnung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-240838 ER - TY - THES A1 - Herrmann, Marc T1 - The Total Variation on Surfaces and of Surfaces T1 - Die totale Variation auf Oberflächen und von Oberflächen N2 - This thesis is concerned with applying the total variation (TV) regularizer to surfaces and different types of shape optimization problems. The resulting problems are challenging since they suffer from the non-differentiability of the TV-seminorm, but unlike most other priors it favors piecewise constant solutions, which results in piecewise flat geometries for shape optimization problems.The first part of this thesis deals with an analogue of the TV image reconstruction approach [Rudin, Osher, Fatemi (Physica D, 1992)] for images on smooth surfaces. A rigorous analytical framework is developed for this model and its Fenchel predual, which is a quadratic optimization problem with pointwise inequality constraints on the surface. A function space interior point method is proposed to solve it. Afterwards, a discrete variant (DTV) based on a nodal quadrature formula is defined for piecewise polynomial, globally discontinuous and continuous finite element functions on triangulated surface meshes. DTV has favorable properties, which include a convenient dual representation. Next, an analogue of the total variation prior for the normal vector field along the boundary of smooth shapes in 3D is introduced. Its analysis is based on a differential geometric setting in which the unit normal vector is viewed as an element of the two-dimensional sphere manifold. Shape calculus is used to characterize the relevant derivatives and an variant of the split Bregman method for manifold valued functions is proposed. This is followed by an extension of the total variation prior for the normal vector field for piecewise flat surfaces and the previous variant of split Bregman method is adapted. Numerical experiments confirm that the new prior favours polyhedral shapes. N2 - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Anwendung der totalen Variation (TV) als Regularisierung auf Oberflächen und in verschiedenen Problemen der Formoptimierung. Die daraus entstehenden Optimierungsprobleme sind aufgrund der TV-Seminorm nicht differenzierbar und daher eine Herausforderung. Allerdings werden dadurch, im Gegensatz zu anderen Regularisierungen, stückweise konstante Lösungen favorisiert. Dies führt bei Problemen der Formoptimierung zu stückweise flachen Geometrien. Der erste Teil dieser Arbeit widmet sich der Erweiterung des Ansatzes zur mathematischen Bildverarbeitung [Rudin, Osher, Fatemi (Physica D, 1992)] von flachen Bildern auf glatte Oberflächen und deren Texturen. Für das damit verbundene Optimierungsproblem wird das Fenchel präduale Problem hergeleitet. Dies ist ein quadratisches Optimierungsproblem mit Ungleichungsrestriktionen für dessen Lösung ein Innere-Punkte-Verfahren in Funktionenräumen vorgestellt wird. Basierend auf einer Quadraturformel, wird im Anschluss eine diskrete Variante (DTV) der TV-Seminorm für global unstetige und stetige Finite- Elemente-Funktionen auf triangulierten Oberflächen entwickelt. (DTV) besitzt positive Eigenschaften, wie eine praktische duale Darstellung. Im letzten Teil wird zuerst ein TV-Analogon für die Oberflächennormale von glatten Formen in 3D gezeigt und mit Hilfe von Differentialgeometrie analysiert. Danach wird eine mögliche Erweiterungen für stückweise glatte Oberflächen vorgestellt. Zur Lösung von beiden Regularisierungen wird eine Variante des Split-Bregman-Verfahrens für Funktionen mitWerten auf Mannigfaltigkeiten benutzt. KW - Gestaltoptimierung KW - optimization KW - total variation KW - Formoptimierung KW - Shape Optimization KW - Optimierung KW - Totale Variation KW - Finite-Elemente-Methode Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-240736 ER - TY - JOUR A1 - Breitenbach, Tim A1 - Borzì, Alfio T1 - The Pontryagin maximum principle for solving Fokker–Planck optimal control problems JF - Computational Optimization and Applications N2 - The characterization and numerical solution of two non-smooth optimal control problems governed by a Fokker–Planck (FP) equation are investigated in the framework of the Pontryagin maximum principle (PMP). The two FP control problems are related to the problem of determining open- and closed-loop controls for a stochastic process whose probability density function is modelled by the FP equation. In both cases, existence and PMP characterisation of optimal controls are proved, and PMP-based numerical optimization schemes are implemented that solve the PMP optimality conditions to determine the controls sought. Results of experiments are presented that successfully validate the proposed computational framework and allow to compare the two control strategies. KW - Fokker–Planck equation KW - Pontryagin maximum principle KW - non-smooth optimal control problems KW - stochastic processes Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-232665 SN - 0926-6003 VL - 76 ER - TY - JOUR A1 - Steuding, Jörn A1 - Suriajaya, Ade Irma T1 - Value-Distribution of the Riemann Zeta-Function Along Its Julia Lines JF - Computational Methods and Function Theory N2 - For an arbitrary complex number a≠0 we consider the distribution of values of the Riemann zeta-function ζ at the a-points of the function Δ which appears in the functional equation ζ(s)=Δ(s)ζ(1−s). These a-points δa are clustered around the critical line 1/2+i\(\mathbb {R}\) which happens to be a Julia line for the essential singularity of ζ at infinity. We observe a remarkable average behaviour for the sequence of values ζ(δ\(_a\)). KW - Riemann zeta-function KW - value-distribution KW - critical line KW - Julia line Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-232621 SN - 1617-9447 VL - 20 ER - TY - JOUR A1 - Mitra, Sourav T1 - Local Existence of Strong Solutions of a Fluid–Structure Interaction Model JF - Journal of Mathematical Fluid Mechanics N2 - We are interested in studying a system coupling the compressible Navier–Stokes equations with an elastic structure located at the boundary of the fluid domain. Initially the fluid domain is rectangular and the beam is located on the upper side of the rectangle. The elastic structure is modeled by an Euler–Bernoulli damped beam equation. We prove the local in time existence of strong solutions for that coupled system. KW - fluid–structure interaction model KW - compressible fluid KW - Euler–Bernoulli damped beam KW - local existence Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-235097 SN - 1422-6928 VL - 22 ER - TY - JOUR A1 - Greefrath, Gilbert A1 - Oldenburg, Reinhard A1 - Siller, Hans-Stefan A1 - Ulm, Volker A1 - Weigand, Hans-Georg T1 - Basic Mental Models of Integrals - Theoretical Conception, Development of a Test Instrument, and first Results JF - ZDM – Mathematics Education N2 - A basic mental model (BMM—in German ‘Grundvorstellung’) of a mathematical concept is a content-related interpretation that gives meaning to this concept. This paper defines normative and individual BMMs and concretizes them using the integral as an example. Four BMMs are developed about the concept of definite integral, sometimes used in specific teaching approaches: the BMMs of area, reconstruction, average, and accumulation. Based on theoretical work, in this paper we ask how these BMMs could be identified empirically. A test instrument was developed, piloted, validated and applied with 428 students in first-year mathematics courses. The test results show that the four normative BMMs of the integral can be detected and separated empirically. Moreover, the results allow a comparison of the existing individual BMMs and the requested normative BMMs. Consequences for future developments are discussed. KW - basic mental model KW - Grundvorstellung KW - integral KW - empirical evidence KW - approaches in textbooks Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-232830 SN - 1863-9690 VL - 53 ER - TY - JOUR A1 - Karl, Veronika A1 - Neitzel, Ira A1 - Wachsmuth, Daniel T1 - A Lagrange multiplier method for semilinear elliptic state constrained optimal control problems JF - Computational Optimization and Applications N2 - In this paper we apply an augmented Lagrange method to a class of semilinear ellip-tic optimal control problems with pointwise state constraints. We show strong con-vergence of subsequences of the primal variables to a local solution of the original problem as well as weak convergence of the adjoint states and weak-* convergence of the multipliers associated to the state constraint. Moreover, we show existence of stationary points in arbitrary small neighborhoods of local solutions of the original problem. Additionally, various numerical results are presented. KW - optimal control KW - semilinear elliptic operators KW - state constraints KW - augmented Lagrange method Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-232811 SN - 0926-6003 VL - 77 ER - TY - JOUR A1 - Feireisl, Eduard A1 - Klingenberg, Christian A1 - Markfelder, Simon T1 - On the density of “wild” initial data for the compressible Euler system JF - Calculus of Variations and Partial Differential Equations N2 - We consider a class of “wild” initial data to the compressible Euler system that give rise to infinitely many admissible weak solutions via the method of convex integration. We identify the closure of this class in the natural L1-topology and show that its complement is rather large, specifically it is an open dense set. KW - Euler system Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-232607 SN - 0944-2669 VL - 59 ER - TY - JOUR A1 - Günster, Stephan Michael A1 - Weigand, Hans-Georg T1 - Designing digital technology tasks for the development of functional thinking JF - ZDM – Mathematics Education N2 - In this paper we introduce a theoretical framework concerned with fostering functional thinking in Grade 8 students by utilizing digital technologies. This framework is meant to be used to guide the systematic variation of tasks for implementation in the classroom while using digital technologies. Examples of problems and tasks illustrate this process. Additionally, results of an empirical investigation with Grade 8 students, which focusses on the students’ skills with digital technologies, how they utilize these tools when engaging with the developed tasks, and how they influence their functional thinking, are presented. The research aim is to investigate in which way tasks designed according to the theoretical framework could promote functional thinking while using digital technologies in the sense of the operative principle. The results show that the developed framework — Function-Operation-Matrix — is a sound basis for initiating students’ actions in the sense of the operative principle, to foster the development of functional thinking in its three aspects, namely, assignment, co-variation and object, and that digital technologies can support this process in a meaningful way. KW - functional thinking KW - operative principle KW - task design KW - digital technologies KW - empirical investigation Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-231913 VL - 52 ER - TY - THES A1 - Reinwand, Simon T1 - Functions of Bounded Variation: Theory, Methods, Applications T1 - Funktionen beschränkter Variation: Theorie, Methoden, Anwendungen N2 - Functions of bounded variation are most important in many fields of mathematics. This thesis investigates spaces of functions of bounded variation with one variable of various types, compares them to other classical function spaces and reveals natural “habitats” of BV-functions. New and almost comprehensive results concerning mapping properties like surjectivity and injectivity, several kinds of continuity and compactness of both linear and nonlinear operators between such spaces are given. A new theory about different types of convergence of sequences of such operators is presented in full detail and applied to a new proof for the continuity of the composition operator in the classical BV-space. The abstract results serve as ingredients to solve Hammerstein and Volterra integral equations using fixed point theory. Many criteria guaranteeing the existence and uniqueness of solutions in BV-type spaces are given and later applied to solve boundary and initial value problems in a nonclassical setting. A big emphasis is put on a clear and detailed discussion. Many pictures and synoptic tables help to visualize and summarize the most important ideas. Over 160 examples and counterexamples illustrate the many abstract results and how delicate some of them are. N2 - Funktionen beschränkter Variation sind in vielen Bereichen der Mathematik besonders wichtig. Diese Dissertation untersucht Räume von Funktionen einer Variable von beschränkter Variation unterschiedlichen Typs, vergleicht sie mit klassischen Funktionenräumen und enthüllt natürliche „Lebensräume“ von BV-Funktionen. Neue und umfassende Ergebnisse über Abbildungseigenschaften wie Surjektivität und Injektivität, verschiedene Arten von Stetigkeit und Kompaktheit von linearen und nichtlinearen Operatoren zwischen solchen Räumen werden präsentiert. Eine neue Theorie über verschiedene Konvergenzarten von solchen Operatoren wird entwickelt und schließlich auf einen neuen Beweis für die Stetigkeit des Kompositionsoperators im klassischen BV-Raum angewendet. Diese abstrakten Ergebnisse dienen als Zutat für die Lösung von Hammerstein- und Volterra-Integralgleichungen mithilfe von Fixpunktsätzen. Diese liefern viele Kriterien, welche die Existenz und Eindeutigkeit von Lösungen garantieren, die sodann auf Anfangs- und Randwertprobleme in einem nichtklassischen Setting angewendet werden. Besonders Augenmerk liegt auf einer klaren und detaillierte Darstellung. Viele Abbildungen und Tabellen helfen, die wichtigsten Ideen zu visualisieren und zusammenzufassen. Über 160 Beispiele und Gegenbeispiele illustrieren die abstrakten Ergebnisse und zeigen deren Grenzen. KW - Funktion von beschränkter Variation KW - Nichtlinearer Operator KW - Integralgleichung KW - Fixpunktsatz KW - Gleichmäßige Konvergenz KW - Mapping Properties KW - Abbildungseigenschaften KW - Functions with Primitive KW - Funktionen mit Stammfunktion KW - Linearer Operator KW - Operatortheorie Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-235153 SN - 9783736974036 PB - Cuvillier-Verlag, Göttingen ER - TY - THES A1 - Mönius, Katja T1 - Algebraic and Arithmetic Properties of Graph Spectra T1 - Algebraische und Arithmetische Eigenschaften von Graph Spektren N2 - In the present thesis we investigate algebraic and arithmetic properties of graph spectra. In particular, we study the algebraic degree of a graph, that is the dimension of the splitting field of the characteristic polynomial of the associated adjacency matrix over the rationals, and examine the question whether there is a relation between the algebraic degree of a graph and its structural properties. This generalizes the yet open question ``Which graphs have integral spectra?'' stated by Harary and Schwenk in 1974. We provide an overview of graph products since they are useful to study graph spectra and, in particular, to construct families of integral graphs. Moreover, we present a relation between the diameter, the maximum vertex degree and the algebraic degree of a graph, and construct a potential family of graphs of maximum algebraic degree. Furthermore, we determine precisely the algebraic degree of circulant graphs and find new criteria for isospectrality of circulant graphs. Moreover, we solve the inverse Galois problem for circulant graphs showing that every finite abelian extension of the rationals is the splitting field of some circulant graph. Those results generalize a theorem of So who characterized all integral circulant graphs. For our proofs we exploit the theory of Schur rings which was already used in order to solve the isomorphism problem for circulant graphs. Besides that, we study spectra of zero-divisor graphs over finite commutative rings. Given a ring \(R\), the zero-divisor graph over \(R\) is defined as the graph with vertex set being the set of non-zero zero-divisors of \(R\) where two vertices \(x,y\) are adjacent if and only if \(xy=0\). We investigate relations between the eigenvalues of a zero-divisor graph, its structural properties and the algebraic properties of the respective ring. N2 - In der vorliegenden Dissertation untersuchen wir algebraische und arithmetische Eigenschaften von Graph Spektren. Insbesondere studieren wir den algebraischen Grad eines Graphen, d.h. die Dimension des Zerfällungskörpers des charakteristischen Polynoms der zugehörigen Adjazenzmatrix über den rationalen Zahlen, und beschäftigen uns mit der Frage, ob es einen Zusammenhang zwischen dem algebraischen Grad eines Graphen und seinen strukturellen Eigenschaften gibt. Dies verallgemeinert die bis heute noch offene Fragestellung "Welche Graphen haben ganzzahliges Spektrum?", welche 1974 von Harary und Schwenk aufgeworfen wurde. Wir geben einen Überblick über verschiedene Graphprodukte, da diese oftmals hilfreich sind bei der Untersuchung von Graph Spektren, und konstruieren damit Familien von integralen Graphen. Außerdem stellen wir einen Zusammenhang zwischen dem Diameter, dem maximalen Eckengrad und dem algebraischen Grad von Graphen vor, und konstruieren eine potenzielle Familie von Graphen, welche alle maximalen algebraischen Grad haben. Zudem bestimmen wir den algebraischen Grad zirkulärer Graphen und finden neue Kriterien für Isospektralität solcher Graphen. Darüber hinaus lösen wir das inverse Galois Problem für zirkuläre Graphen, indem wir zeigen, dass jede endliche abelsche Erweiterung der rationalen Zahlen Zerfällungskörper eines zirkulären Graphen ist. Diese Resultate verallgemeinern einen Satz von So, in dem sämtliche integrale zirkuläre Graphen charakterisiert werden. Für unsere Beweise verwenden wir die Theorie der Schur Ringe, die bereits verwendet wurde, um das Isomorphieproblem für zirkuläre Graphen zu lösen. Zu guter Letzt untersuchen wir Spektren von Nullteilergraphen über kommutativen Ringen. Zu einem gegebenen Ring \(R\) ist der zugehörige Nullteilergraph über \(R\) definiert als der Graph, dessen Eckenmenge den Nullteilern von \(R\) entspricht, und in dem je zwei Ecken \(x,y\) benachbart sind, wenn \(xy=0\) gilt. Wir studieren Zusammenhänge zwischen den Eigenwerten von Nullteilergraphen, deren strukturellen Eigenschaften und den algebraischen Eigenschaften der entsprechenden Ringe. KW - Algebraische Zahlentheorie KW - Graph KW - Graph spectrum KW - Integral graph KW - Cayley graph KW - Schur ring KW - Zero-divisor graph KW - Kombinatorik Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-230850 ER - TY - JOUR A1 - del Alamo, Miguel A1 - Li, Housen A1 - Munk, Axel A1 - Werner, Frank T1 - Variational Multiscale Nonparametric Regression: Algorithms and Implementation JF - Algorithms N2 - Many modern statistically efficient methods come with tremendous computational challenges, often leading to large-scale optimisation problems. In this work, we examine such computational issues for recently developed estimation methods in nonparametric regression with a specific view on image denoising. We consider in particular certain variational multiscale estimators which are statistically optimal in minimax sense, yet computationally intensive. Such an estimator is computed as the minimiser of a smoothness functional (e.g., TV norm) over the class of all estimators such that none of its coefficients with respect to a given multiscale dictionary is statistically significant. The so obtained multiscale Nemirowski-Dantzig estimator (MIND) can incorporate any convex smoothness functional and combine it with a proper dictionary including wavelets, curvelets and shearlets. The computation of MIND in general requires to solve a high-dimensional constrained convex optimisation problem with a specific structure of the constraints induced by the statistical multiscale testing criterion. To solve this explicitly, we discuss three different algorithmic approaches: the Chambolle-Pock, ADMM and semismooth Newton algorithms. Algorithmic details and an explicit implementation is presented and the solutions are then compared numerically in a simulation study and on various test images. We thereby recommend the Chambolle-Pock algorithm in most cases for its fast convergence. We stress that our analysis can also be transferred to signal recovery and other denoising problems to recover more general objects whenever it is possible to borrow statistical strength from data patches of similar object structure. KW - non-smooth large-scale optimisation KW - image denoising KW - variational estimation KW - multiscale methods KW - MIND estimator Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-219332 SN - 1999-4893 VL - 13 IS - 11 ER - TY - THES A1 - Berberich, Jonas Philipp T1 - Fluids in Gravitational Fields – Well-Balanced Modifications for Astrophysical Finite-Volume Codes T1 - Fluide in Gravitationsfeldern - Wohl-Balancierte Modifikationen für Astrophysikalische Finite-Volumen-Codes N2 - Stellar structure can -- in good approximation -- be described as a hydrostatic state, which which arises due to a balance between gravitational force and pressure gradient. Hydrostatic states are static solutions of the full compressible Euler system with gravitational source term, which can be used to model the stellar interior. In order to carry out simulations of dynamical processes occurring in stars, it is vital for the numerical method to accurately maintain the hydrostatic state over a long time period. In this thesis we present different methods to modify astrophysical finite volume codes in order to make them \emph{well-balanced}, preventing them from introducing significant discretization errors close to hydrostatic states. Our well-balanced modifications are constructed so that they can meet the requirements for methods applied in the astrophysical context: They can well-balance arbitrary hydrostatic states with any equation of state that is applied to model thermodynamical relations and they are simple to implement in existing astrophysical finite volume codes. One of our well-balanced modifications follows given solutions exactly and can be applied on any grid geometry. The other methods we introduce, which do no require any a priori knowledge, balance local high order approximations of arbitrary hydrostatic states on a Cartesian grid. All of our modifications allow for high order accuracy of the method. The improved accuracy close to hydrostatic states is verified in various numerical experiments. N2 - Die Struktur von Sternen kann in guter Näherung als hydrostatischer Zustandbeschrieben werden, der durch ein Gleichgewicht zwischen Gravitationskraft undDruckgradient gegeben ist. Hydrostatische Zustände sind statische Lösungen dervollständigen komprimierbaren Euler-Gleichungen mit Gravitationsquellenterm, diezur Modellierung des Sterninneren verwendet werden können. Um Simulationendynamischer Prozesse in Sternen durchführen zu können, ist es wichtig, dass dieverwendete numerische Methode den hydrostatischen Zustand über einen langenZeitraum genau aufrechterhalten kann. In dieser Arbeit stellen wir verschiedene Me-thoden vor, um astrophysikalische Finite-Volumen-Codes so zu modifizieren, dasssie diewell-balancing-Eigenschaft erhalten, d.h., dass sie keine signifikanten Diskre-tisierungsfehler nahe hydrostatischer Zustände verursachen. Unsere well-balancing-Modifikationen sind so konstruiert, dass sie die Anforderungen für Methoden er-füllen, die im astrophysikalischen Kontext angewendet werden: Sie können beliebi-ge hydrostatische Zustände mit jeder Zustandsgleichung, die zur Modellierung derthermodynamischen Beziehungen angewendet wird, balancieren und sind einfach invorhandene astrophysikalische Finite-Volumen-Codes zu implementieren. Eine un-serer well-balancing Modifikationen erhält bekannte Lösungen exakt und kann aufjede Gittergeometrie angewendet werden. Die anderen Methoden, für die keine A-priori-Kenntnisse erforderlich sind, balancieren lokale Approximationen beliebigerhydrostatischer Zustände mit hoher Fehlerordnung auf einem kartesischen Gitter.Alle unsere Modifikationen erlauben eine hohe Fehlerordnung der Methode. Dieverbesserte Genauigkeit nahe an hydrostatischen Zuständen wird in verschiedenennumerischen Experimenten verifiziert. KW - well-balancing KW - Euler equations KW - finite volume methods KW - Fluid KW - Gravitationsfeld KW - Finite-Volumen-Methode Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-219679 ER - TY - THES A1 - Börgens, Eike Alexander Lars Guido T1 - ADMM-Type Methods for Optimization and Generalized Nash Equilibrium Problems in Hilbert Spaces T1 - ADMM-Methoden für Optimierungs- und Verallgemeinerte Nash-Gleichgewichtsprobleme in Hilberträumen N2 - This thesis is concerned with a certain class of algorithms for the solution of constrained optimization problems and generalized Nash equilibrium problems in Hilbert spaces. This class of algorithms is inspired by the alternating direction method of multipliers (ADMM) and eliminates the constraints using an augmented Lagrangian approach. The alternating direction method consists of splitting the augmented Lagrangian subproblem into smaller and more easily manageable parts. Before the algorithms are discussed, a substantial amount of background material, including the theory of Banach and Hilbert spaces, fixed-point iterations as well as convex and monotone set-valued analysis, is presented. Thereafter, certain optimization problems and generalized Nash equilibrium problems are reformulated and analyzed using variational inequalities and set-valued mappings. The analysis of the algorithms developed in the course of this thesis is rooted in these reformulations as variational inequalities and set-valued mappings. The first algorithms discussed and analyzed are one weakly and one strongly convergent ADMM-type algorithm for convex, linearly constrained optimization. By equipping the associated Hilbert space with the correct weighted scalar product, the analysis of these two methods is accomplished using the proximal point method and the Halpern method. The rest of the thesis is concerned with the development and analysis of ADMM-type algorithms for generalized Nash equilibrium problems that jointly share a linear equality constraint. The first class of these algorithms is completely parallelizable and uses a forward-backward idea for the analysis, whereas the second class of algorithms can be interpreted as a direct extension of the classical ADMM-method to generalized Nash equilibrium problems. At the end of this thesis, the numerical behavior of the discussed algorithms is demonstrated on a collection of examples. N2 - Die vorliegende Arbeit behandelt eine Klasse von Algorithmen zur Lösung restringierter Optimierungsprobleme und verallgemeinerter Nash-Gleichgewichtsprobleme in Hilberträumen. Diese Klasse von Algorithmen ist angelehnt an die Alternating Direction Method of Multipliers (ADMM) und eliminiert die Nebenbedingungen durch einen Augmented-Lagrangian-Ansatz. Im Rahmen dessen wird in der Alternating Direction Method of Multipliers das jeweilige Augmented-Lagrangian-Teilproblem in kleinere Teilprobleme aufgespaltet. Zur Vorbereitung wird eine Vielzahl grundlegender Resultate präsentiert. Dies beinhaltet entsprechende Ergebnisse aus der Literatur zu der Theorie von Banach- und Hilberträumen, Fixpunktmethoden sowie konvexer und monotoner mengenwertiger Analysis. Im Anschluss werden gewisse Optimierungsprobleme sowie verallgemeinerte Nash-Gleichgewichtsprobleme als Variationsungleichungen und Inklusionen mit mengenwertigen Operatoren formuliert und analysiert. Die Analysis der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Algorithmen bezieht sich auf diese Reformulierungen als Variationsungleichungen und Inklusionsprobleme. Zuerst werden ein schwach und ein stark konvergenter paralleler ADMM-Algorithmus zur Lösung von separablen Optimierungsaufgaben mit linearen Gleichheitsnebenbedingungen präsentiert und analysiert. Durch die Ausstattung des zugehörigen Hilbertraums mit dem richtigen gewichteten Skalarprodukt gelingt die Analyse dieser beiden Methoden mit Hilfe der Proximalpunktmethode und der Halpern-Methode. Der Rest der Arbeit beschäftigt sich mit Algorithmen für verallgemeinerte Nash-Gleichgewichtsprobleme, die gemeinsame lineare Gleichheitsnebenbedingungen besitzen. Die erste Klasse von Algorithmen ist vollständig parallelisierbar und es wird ein Forward-Backward-Ansatz für die Analyse genutzt. Die zweite Klasse von Algorithmen kann hingegen als direkte Erweiterung des klassischen ADMM-Verfahrens auf verallgemeinerte Nash-Gleichgewichtsprobleme aufgefasst werden. Abschließend wird das Konvergenzverhalten der entwickelten Algorithmen an einer Sammlung von Beispielen demonstriert. KW - Constrained optimization KW - Nash-Gleichgewicht KW - ADMM KW - Generalized Nash Equilibrium Problem KW - Verallgemeinertes Nash-Gleichgewichtsproblem KW - Hilbert-Raum KW - Optimierung Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-218777 ER - TY - THES A1 - Lauerbach, Laura T1 - Stochastic Homogenization in the Passage from Discrete to Continuous Systems - Fracture in Composite Materials T1 - Stochastische Homogenisierung im Übergang von Diskreten zu Kontinuierlichen Systemen - Brüche in Verbundwerkstoffen N2 - The work in this thesis contains three main topics. These are the passage from discrete to continuous models by means of $\Gamma$-convergence, random as well as periodic homogenization and fracture enabled by non-convex Lennard-Jones type interaction potentials. Each of them is discussed in the following. We consider a discrete model given by a one-dimensional chain of particles with randomly distributed interaction potentials. Our interest lies in the continuum limit, which yields the effective behaviour of the system. This limit is achieved as the number of atoms tends to infinity, which corresponds to a vanishing distance between the particles. The starting point of our analysis is an energy functional in a discrete system; its continuum limit is obtained by variational $\Gamma$-convergence. The $\Gamma$-convergence methods are combined with a homogenization process in the framework of ergodic theory, which allows to focus on heterogeneous systems. On the one hand, composite materials or materials with impurities are modelled by a stochastic or periodic distribution of particles or interaction potentials. On the other hand, systems of one species of particles can be considered as random in cases when the orientation of particles matters. Nanomaterials, like chains of atoms, molecules or polymers, are an application of the heterogeneous chains in experimental sciences. A special interest is in fracture in such heterogeneous systems. We consider interaction potentials of Lennard-Jones type. The non-standard growth conditions and the convex-concave structure of the Lennard-Jones type interactions yield mathematical difficulties, but allow for fracture. The interaction potentials are long-range in the sense that their modulus decays slower than exponential. Further, we allow for interactions beyond nearest neighbours, which is also referred to as long-range. The main mathematical issue is to bring together the Lennard-Jones type interactions with ergodic theorems in the limiting process as the number of particles tends to infinity. The blow up at zero of the potentials prevents from using standard extensions of the Akcoglu-Krengel subadditive ergodic theorem. We overcome this difficulty by an approximation of the interaction potentials which shows suitable Lipschitz and Hölder regularity. Beyond that, allowing for continuous probability distributions instead of only finitely many different potentials leads to a further challenge. The limiting integral functional of the energy by means of $\Gamma$-convergence involves a homogenized energy density and allows for fracture, but without a fracture contribution in the energy. In order to refine this result, we rescale our model and consider its $\Gamma$-limit, which is of Griffith's type consisting of an elastic part and a jump contribution. In a further approach we study fracture at the level of the discrete energies. With an appropriate definition of fracture in the discrete setting, we define a fracture threshold separating the region of elasticity from that of fracture and consider the pointwise convergence of this threshold. This limit turns out to coincide with the one obtained in the variational $\Gamma$-convergence approach. N2 - Diese Arbeit vereinigt im Wesentlichen drei Themen: Den Übergang von diskreten zu kontinuierlichen Modellen mittels $\Gamma$-Konvergenz, stochastische sowie periodische Homogenisierung, sowie Bruchmechanik, die durch nicht-konvexe Wechselwirkungspotentiale vom Lennard-Jones-Typ ermöglicht wird. Jedes dieser drei Themen wird im Folgenden diskutiert. Wir betrachten ein diskretes Modell, bestehend aus einer eindimensionale Kette von Teilchen mit zufällig verteilten Wechselwirkungspotentialen. Wir sind am Kontinuumsgrenzwert interessiert, welcher das effektive Verhalten des Systems widerspiegelt. In diesem Grenzwert läuft die Anzahl der Atome gegen unendlich, was einem verschwindenden Abstand zwischen den Teilchen entspricht. Ausgehend von einer Energie eines diskreten Systems erhalten wir den Kontinuumsgrenzwert durch die variationelle Methode der $\Gamma$-Konvergenz, welche den Übergang zum kontinuierlichen System liefert. Die $\Gamma$-Konvergenzmethoden werden im Rahmen der Ergodentheorie mit einem Homogenisierungsprozess kombiniert, wodurch die Betrachtung heterogener Systeme möglich wird. Einerseits werden Verbundwerkstoffe oder Materialien mit Verunreinigungen durch eine stochastische oder periodische Verteilung der Teilchen oder der Wechselwirkungspotentiale modelliert. Andererseits können Systeme einer Teilchenart als zufällig angesehen werden, wenn die Orientierung der Teilchen von Bedeutung ist. Nanomaterialien wie Ketten von Atomen, Molekülen oder Polymeren bieten eine Anwendung des Modells der heterogenen Ketten in den experimentellen Wissenschaften. Von besonderem Interesse ist das Auftreten von Brüchen in diesen heterogenen Systemen. Wir betrachten Wechselwirkungspotentiale vom Lennard-Jones Typ. Die nicht-standardisierten Wachstumsbedingungen und die konvex-konkave Struktur der Lennard-Jones Potentiale werfen mathematische Schwierigkeiten auf, ermöglichen jedoch das Auftreten von Brüchen. Die Wechselwirkungen gelten als langreichweitig in dem Sinne, dass ihr Betrag langsamer als exponentiell abfällt. Darüber hinaus betrachten wir Wechselwirkungen jenseits der nächsten Nachbarn, was ebenfalls als langreichweitig bezeichnet wird. Eine der größten mathematischen Schwierigkeiten besteht darin, die Wechselwirkungen vom Lennard-Jones Typ mit den Ergodensätzen zusammenzuführen. Die Singularität der Potentiale bei Null erlaubt keine Verwendung der Standardtechniken zur Erweiterung des subadditiven Ergodensatzes von Akcoglu-Krengel. Die Lösung dieses Problems ist eine Approximation der Wechselwirkungspotentiale, welche eine geeignete Lipschitz- und Hölder-Regularität besitzt. Darüber hinaus stellt die Verwendung von kontinuierlichen Wahrscheinlichkeitsverteilungen, anstelle von nur endlich vielen verschiedenen Potentialen, eine weitere Herausforderung dar. Das Integralfunktional im Grenzwert besteht aus einer homogenisierten Energiedichte und ermöglicht Brüche, jedoch ohne einen Beitrag dieser Brüche zur Energie. Um dieses Ergebnis zu verfeinern, skalieren wir unser Modell neu und betrachten dessen $\Gamma$-Grenzwert, der in Form einer Energie vom Griffith-Typ gegeben ist und aus einem elastischen Teil und einem Sprungbeitrag besteht. In einem weiteren Ansatz untersuchen wir Brüche auf Ebene der diskreten Energien. Mit einer geeigneten Definition des Bruchpunktes im diskreten System definieren wir eine Bruchschwelle, die den Elastizitätsbereich von dem Gebiet mit Brüchen trennt. Von diesem Schwellwert berechnen wir anschließend den punktweisen Grenzwert. Es stellt sich heraus, dass dieser Grenzwert mit dem durch die variationelle $\Gamma$-Konvergenz errechneten übereinstimmt. KW - Homogenisierung KW - Gamma-Konvergenz KW - Variationsrechnung KW - Lennard-Jones-Potenzial KW - Calculus of Variations KW - Brittle fracture KW - Periodic homogenization KW - Discrete to continuum KW - Stochastic homogenization Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-214534 ER - TY - THES A1 - Karl, Veronika T1 - Augmented Lagrangian Methods for State Constrained Optimal Control Problems T1 - Augmentierte Lagrange-Verfahren für zustandsbeschränkte Optimalsteuerungsprobleme N2 - This thesis is concerned with the solution of control and state constrained optimal control problems, which are governed by elliptic partial differential equations. Problems of this type are challenging since they suffer from the low regularity of the multiplier corresponding to the state constraint. Applying an augmented Lagrangian method we overcome these difficulties by working with multiplier approximations in $L^2(\Omega)$. For each problem class, we introduce the solution algorithm, carry out a thoroughly convergence analysis and illustrate our theoretical findings with numerical examples. The thesis is divided into two parts. The first part focuses on classical PDE constrained optimal control problems. We start by studying linear-quadratic objective functionals, which include the standard tracking type term and an additional regularization term as well as the case, where the regularization term is replaced by an $L^1(\Omega)$-norm term, which makes the problem ill-posed. We deepen our study of the augmented Lagrangian algorithm by examining the more complicated class of optimal control problems that are governed by a semilinear partial differential equation. The second part investigates the broader class of multi-player control problems. While the examination of jointly convex generalized Nash equilibrium problems (GNEP) is a simple extension of the linear elliptic optimal control case, the complexity is increased significantly for pure GNEPs. The existence of solutions of jointly convex GNEPs is well-studied. However, solution algorithms may suffer from non-uniqueness of solutions. Therefore, the last part of this thesis is devoted to the analysis of the uniqueness of normalized equilibria. N2 - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Lösung von kontroll- und zustandsbeschränkten Optimalsteuerungsproblemen mit elliptischen partiellen Differentialgleichungen als Nebenbedingungen. Da die zur Zustandsbeschränkung zugehörigen Multiplikatoren nur eine niedrige Regularität aufweisen, sind Probleme dieses Typs besonders anspruchsvoll. Zur Lösung dieser Problemklasse wird ein augmentiertes Lagrange-Verfahren angewandt, das Annäherungen der Multiplikatoren in $L^2(\Omega)$ verwendet. Für jede Problemklasse erfolgt eine Präsentation des Lösungsalgorithmus, eine sorgfältige Konvergenzanalysis sowie eine Veranschaulichung der theoretischen Ergebnisse durch numerische Beispiele. Die Arbeit ist in zwei verschiedene Themenbereiche gegliedert. Der erste Teil widmet sich klassischen Optimalsteuerungsproblemen. Dabei wird zuerst der linear-quadratische und somit konvexe Fall untersucht. Hier setzt sich das Kostenfunktional aus einem Tracking-Type Term sowie einem $L^2(\Omega)$-Regularisierungsterm oder einem $L^1(\Omega)$-Term zusammen. Wir erweitern unsere Analysis auf nichtkonvexe Probleme. In diesem Fall erschwert die Nichtlinearität der zugrundeliegenden partiellen Differentialgleichung die Konvergenzanalysis des zugehörigen Optimalsteuerungsproblems maßgeblich. Der zweite Teil der Arbeit nutzt die Grundlagen, die im ersten Teil erarbeitet wurden und untersucht die allgemeiner gehaltene Problemklasse der Nash-Mehrspielerprobleme. Während die Untersuchung von konvexen verallgemeinerten Nash-Gleichsgewichtsproblemen (engl.: Generalized Nash Equilibrium Problem, kurz: GNEP) mit einer für alle Spieler identischen Restriktion eine einfache Erweiterung von linear elliptischen Optimalsteuerungsproblemen darstellt, erhöht sich der Schwierigkeitsgrad für Mehrspielerprobleme ohne gemeinsame Restriktion drastisch. Die Eindeutigkeit von normalisierten Nash-Gleichgewichten ist, im Gegensatz zu deren Existenz, nicht ausreichend erforscht, was insbesondere eine Schwierigkeit für Lösungsalgorithmen darstellt. Aus diesem Grund wird im letzten Teil dieser Arbeit die Eindeutigkeit von Lösungen gesondert betrachtet. KW - Optimale Kontrolle KW - Optimierung KW - Nash-Gleichgewicht KW - optimal control KW - state constraints KW - augmented Lagrangian method KW - Elliptische Differentialgleichung KW - Optimale Steuerung Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-213846 ER - TY - THES A1 - Wisheckel, Florian T1 - Some Applications of D-Norms to Probability and Statistics T1 - Einige Anwendungen von D-Normen in Wahrscheinlichkeitstheorie und Statistik N2 - This cumulative dissertation is organized as follows: After the introduction, the second chapter, based on “Asymptotic independence of bivariate order statistics” (2017) by Falk and Wisheckel, is an investigation of the asymptotic dependence behavior of the components of bivariate order statistics. We find that the two components of the order statistics become asymptotically independent for certain combinations of (sequences of) indices that are selected, and it turns out that no further assumptions on the dependence of the two components in the underlying sample are necessary. To establish this, an explicit representation of the conditional distribution of bivariate order statistics is derived. Chapter 3 is from “Conditional tail independence in archimedean copula models” (2019) by Falk, Padoan and Wisheckel and deals with the conditional distribution of an Archimedean copula, conditioned on one of its components. We show that its tails are independent under minor conditions on the generator function, even if the unconditional tails were dependent. The theoretical findings are underlined by a simulation study and can be generalized to Archimax copulas. “Generalized pareto copulas: A key to multivariate extremes” (2019) by Falk, Padoan and Wisheckel lead to Chapter 4 where we introduce a nonparametric approach to estimate the probability that a random vector exceeds a fixed threshold if it follows a Generalized Pareto copula. To this end, some theory underlying the concept of Generalized Pareto distributions is presented first, the estimation procedure is tested using a simulation and finally applied to a dataset of air pollution parameters in Milan, Italy, from 2002 until 2017. The fifth chapter collects some additional results on derivatives of D-norms, in particular a condition for the existence of directional derivatives, and multivariate spacings, specifically an explicit formula for the second-to-last bivariate spacing. N2 - Diese kumulative Dissertation ist wie folgt aufgebaut: Nach der Einleitung wird im zweiten Kapitel, welches auf “Asymptotic independence of bivariate order statistics” (2017) von Falk und Wisheckel beruht, die asymptotische Abhängigkeitsstruktur von bivariaten Ordnungsstatistiken untersucht. Dazu wird eine explizite Darstellung der bedingten Verteilung einer bivariaten Ordnungsstatistik hergeleitet. Kapitel 3, basierend auf “Conditional tail independence in archimedean copula models” (2019) von Falk, Padoan und Wisheckel, zeigt, dass unter schwachen Anforderungen an den Generator einer Archimedischen Copula die übrigen Komponenten unabhängig werden, wenn man auf eine davon bedingt. Das insbesondere auch dann, wenn die Komponenten ohne die Bedingung abhängig waren. Die theoretischen Erkenntnisse werden anhand von Simulationsergebnissen verdeutlicht. “Generalized pareto copulas: A key to multivariate extremes” (2019) von Falk, Padoan und Wisheckel liefert Kapitel 4. Es wird ein nichtparametrischer Ansatz vorgestellt um die Überschreitungswahrscheinlichkeit eines Zufallsvektors über einen festen, hohen Schwellenwert zu schätzen, wenn dieser einer verallgemeinerten Pareto Copula folgt. Das Verfahren wird in den theoretischen Rahmen eingebettet, anhand einer Simulation validiert und auf Luftverschmutzungsdaten in Mailand, Italien, von 2002 bis 2017 angewendet. Im fünften Kapitel werden einige weitere Ergebnisse gesammelt: es geht um Ableitungen von D-Normen, insbesondere um eine Bedingung, die die Existenz der Richtungsableitungen sicherstellt. Außerdem werden multivariate Spacings thematisiert. KW - Kopula KW - Bedingte Unabhängigkeit KW - Extremwertstatistik KW - D-Norms KW - Multivariate order statistics KW - Archimedean copula KW - Extreme value copula KW - Exceedance Stability KW - Generalized Pareto copula KW - Asymptotic independence KW - multivariate generalized Pareto distribution KW - confidence interval KW - Pareto-Verteilung KW - Copula Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-212140 ER - TY - THES A1 - Suttner, Raik T1 - Output Optimization by Lie Bracket Approximations T1 - Ausgangsoptimierung durch Lie-Klammer-Approximationen N2 - In this dissertation, we develop and analyze novel optimizing feedback laws for control-affine systems with real-valued state-dependent output (or objective) functions. Given a control-affine system, our goal is to derive an output-feedback law that asymptotically stabilizes the closed-loop system around states at which the output function attains a minimum value. The control strategy has to be designed in such a way that an implementation only requires real-time measurements of the output value. Additional information, like the current system state or the gradient vector of the output function, is not assumed to be known. A method that meets all these criteria is called an extremum seeking control law. We follow a recently established approach to extremum seeking control, which is based on approximations of Lie brackets. For this purpose, the measured output is modulated by suitable highly oscillatory signals and is then fed back into the system. Averaging techniques for control-affine systems with highly oscillatory inputs reveal that the closed-loop system is driven, at least approximately, into the directions of certain Lie brackets. A suitable design of the control law ensures that these Lie brackets point into descent directions of the output function. Under suitable assumptions, this method leads to the effect that minima of the output function are practically uniformly asymptotically stable for the closed-loop system. The present document extends and improves this approach in various ways. One of the novelties is a control strategy that does not only lead to practical asymptotic stability, but in fact to asymptotic and even exponential stability. In this context, we focus on the application of distance-based formation control in autonomous multi-agent system in which only distance measurements are available. This means that the target formations as well as the sensed variables are determined by distances. We propose a fully distributed control law, which only involves distance measurements for each individual agent to stabilize a desired formation shape, while a storage of measured data is not required. The approach is applicable to point agents in the Euclidean space of arbitrary (but finite) dimension. Under the assumption of infinitesimal rigidity of the target formations, we show that the proposed control law induces local uniform asymptotic (and even exponential) stability. A similar statement is also derived for nonholonomic unicycle agents with all-to-all communication. We also show how the findings can be used to solve extremum seeking control problems. Another contribution is an extremum seeking control law with an adaptive dither signal. We present an output-feedback law that steers a fully actuated control-affine system with general drift vector field to a minimum of the output function. A key novelty of the approach is an adaptive choice of the frequency parameter. In this way, the task of determining a sufficiently large frequency parameter becomes obsolete. The adaptive choice of the frequency parameter also prevents finite escape times in the presence of a drift. The proposed control law does not only lead to convergence into a neighborhood of a minimum, but leads to exact convergence. For the case of an output function with a global minimum and no other critical point, we prove global convergence. Finally, we present an extremum seeking control law for a class of nonholonomic systems. A detailed averaging analysis reveals that the closed-loop system is driven approximately into descent directions of the output function along Lie brackets of the control vector fields. Those descent directions also originate from an approximation of suitably chosen Lie brackets. This requires a two-fold approximation of Lie brackets on different time scales. The proposed method can lead to practical asymptotic stability even if the control vector fields do not span the entire tangent space. It suffices instead that the tangent space is spanned by the elements in the Lie algebra generated by the control vector fields. This novel feature extends extremum seeking by Lie bracket approximations from the class of fully actuated systems to a larger class of nonholonomic systems. N2 - In dieser Dissertation werden neuartige optimierende Rückkopplungsgesetze für kontroll-affine Systeme mit reell-wertigen zustandsabhängigen Ausgangs- (bzw. Kosten-) funktionen entwickelt und analysiert. Das Ziel ist es zu einem gegebenen kontroll-affinen System ein Ausgangsrückkopplungsgesetz zu erlangen, welches das System im geschlossenen Regelkreis asymptotisch um Zustände stabilisiert bei denen die Ausgangsfunktion einen Minimalwert annimmt. Die Kontrollstrategie soll dabei derart konstruiert sein, dass eine Implementierung nur Echtzeitmessungen des Ausgangswerts erfordert. Zusätzliche Informationen, wie z.B. der aktuelle Systemzustand oder der Gradientenvektor der Ausgangsfunktion, werden nicht als bekannt angenommen. Eine Methode, die alle diese Kritierien erfüllt, bezeichnet man als Extremwertregelungsgesetz. Es wird hierzu ein vor kurzer Zeit etablierter Ansatz in der Extremwertregelung verfolgt, welcher auf der Approximation von Lie-Klammern basiert. Für diesen Zweck wird das gemessene Ausgangssignal mit geeigneten hoch-oszillierenden Signalen moduliert und danach zurück in das System eingespeist. Mittelungstechniken für kontroll-affine Systeme mit hoch-oszillierenden Eingängen enthüllen, dass das System im geschlossenen Regelkreis zumindest näherungsweise in die Richtung von gewissen Lie-Klammern getrieben wird. Eine geeignete Konstruktion des Kontrollgesetzes sichert, dass diese Lie-Klammern in Abstiegsrichtungen der Ausgangsfunktion zeigen. Unter geeigneten Annahmen führt diese Methode zu dem Effekt, dass Minima der Ausgangsfunktion praktisch gleichmäßig asymptotisch stabil für das System im geschlossenen Regelkreis sind. Das vorliegende Dokument erweitert und verbessert diesen Ansatz auf Verschiedene Arten und Weisen. Eine der Neuerungen ist eine Kontrollstrategie, die nicht nur zu praktischer asymptotischer Stabilität, sondern mehr noch zu asymptotischer Stabilität und sogar exponentieller Stabilität führt. In diesem Zusammenhang wird der Schwerpunkt auf die Anwendung zur abstandsbasierten Formationssteuerung in autonomen Multiagentensystemen gelegt, bei der nur Abstandsmessungen verfügbar sind. Dies bedeutet, dass sowohl die Zielformationen als auch die Messgrößen durch Abstände bestimmt sind. Es wird ein vollständig verteiltes Kontrollgesetz vorgeschlagen, welches lediglich Abstandsmessungen von jedem einzelnen Agenten beinhaltet um eine Formation zu stabilisieren, wobei eine Speicherung von Messdaten nicht erforderlich ist. Der Ansatz ist anwendbar auf Punktagenten im euklidischen Raum von beliebiger (aber endlicher) Dimension. Unter der Annahme von infinitesimaler Starrheit der Zielformationen wird nachgewiesen, dass das vorgeschlagene Steuerungsgesetz lokale gleichmäßige asymptotische (und sogar exponentielle) Stabilität induziert. Eine ähnliche Aussage wird auch für nicht-holonome Einradagenten mit alle-zu-allen-Kommunikation erlangt. Es wird außerdem gezeigt wie diese Erkenntnisse genutzt werden können um Extremwertregelungsprobleme zu lösen. Ein weiterer Beitrag ist ein Extremwertregelungsgesetz mit einem adaptiven Zittersignal. Es wird ein Ausgangsrückkopplungsgesetz präsentiert, welches ein voll-aktuiertes kontroll-affines System mit allgemeinem Driftvektorfeld zu einem Minimum der Ausgangsfunktion steuert. Eine entscheidende Neuheit des Ansatzes ist eine adaptive Wahl des Frequenzparameters. Auf diesem Weg wird die Aufgabe eine hinreicheind großen Frequenzparamter zu bestimmen hinfällig. Die adaptive Wahl des Frequenzparameters verhindert auch endliche Entweichzeiten in der Gegenwart eines Drifts. Das vorgeschlagene Kontrollgesetz führ nicht nur zu Konvergenz in eine Umgebung eines Minimums, sondern führt zu exakter Konvergenz. Für den Fall einer Ausgangsfunktion mit globalem Minimum und keinem anderen kritischen Punkt wird globale Konvergenz bewiesen. Schließlich wird ein Extremwertregelungsgesetz für eine Klasse von nicht-holonomen Systemen präsentiert. Eine detaillierte Mittelungsanalyse enthüllt, dass das System im geschlossenen Regelkreis näherungsweise in Abstiegsrichtungen der Ausgangsfunktion entlang von Lie-Klammern der Kontrollvektorfelder getrieben wird. Jene Abstiegsrichtungen stammen ebenso von einer Approximation von geeignet gewählten Lie-Klammern. Dies erfordert eine zweifache Approximation von Lie-Klammern auf verschiedenen Zeitskalen. Die vorgeschlagene Methode kann zu praktischer asymptotischer Stabilität führen selbst wenn die Kontrollvektorfelder nicht den gesamten Tangentialraum aufspannen. Es reicht stattdessen, dass der Tangentialraum durch die Elemente in der Lie-Algebra, welche durch die Kontrollvektorfelder generiert wird, aufgespannt wird. Diese neuartige Eigenschaft erweitert Extremwertregelung durch Lie-Klammer-Approximationen von der Klasse der voll-aktuierten Systeme zu einer größeren Klasse von nicht-holonomen Systemen. KW - extremum seeking control KW - Extremwertregelung KW - Approximation KW - Stabilität Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-211776 ER - TY - JOUR A1 - Lauerbach, Laura A1 - Neukamm, Stefan A1 - Schäffner, Mathias A1 - Schlömerkemper, Anja T1 - Continuum Limit and Homogenization of Stochastic and Periodic Discrete Systems – Fracture in Composite Materials JF - Proceedings in Applied Mathematics & Mechanics N2 - The limiting behaviour of a one‐dimensional discrete system is studied by means of Γ‐convergence. We consider a toy model of a chain of atoms. The interaction potentials are of Lennard‐Jones type and periodically or stochastically distributed. The energy of the system is considered in the discrete to continuum limit, i.e. as the number of atoms tends to infinity. During that limit, a homogenization process takes place. The limiting functional is discussed, especially with regard to fracture. Secondly, we consider a rescaled version of the problem, which yields a limiting energy of Griffith's type consisting of a quadratic integral term and a jump contribution. The periodic case can be found in [8], the stochastic case in [6,7]. KW - discrete systems KW - continuum limit KW - homogenization Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-211835 VL - 19 IS - 1 ER - TY - THES A1 - Rehberg, Martin T1 - Weighted uniform distribution related to primes and the Selberg Class T1 - Gewichtete Gleichverteilung im Zusammenhang mit Primzahlen und der Selberg-Klasse N2 - In the thesis at hand, several sequences of number theoretic interest will be studied in the context of uniform distribution modulo one.

In the first part we deduce for positive and real \(z\not=1\) a discrepancy estimate for the sequence \( \left((2\pi )^{-1}(\log z)\gamma_a\right) \), where \(\gamma_a\) runs through the positive imaginary parts of the nontrivial \(a\)-points of the Riemann zeta-function. If the considered imaginary parts are bounded by \(T\), the discrepancy of the sequence \( \left((2\pi )^{-1}(\log z)\gamma_a\right) \) tends to zero like \( (\log\log\log T)^{-1} \) as \(T\rightarrow \infty\). The proof is related to the proof of Hlawka, who determined a discrepancy estimate for the sequence containing the positive imaginary parts of the nontrivial zeros of the Riemann zeta-function.

The second part of this thesis is about a sequence whose asymptotic behaviour is motivated by the sequence of primes. If \( \alpha\not=0\) is real and \(f\) is a function of logarithmic growth, we specify several conditions such that the sequence \( (\alpha f(q_n)) \) is uniformly distributed modulo one. The corresponding discrepancy estimates will be stated. The sequence \( (q_n)\) of real numbers is strictly increasing and the conditions on its counting function \( Q(x)=\#\lbrace q_n \leq x \rbrace \) are satisfied by primes and primes in arithmetic progessions. As an application we obtain that the sequence \( \left( (\log q_n)^K\right)\) is uniformly distributed modulo one for arbitrary \(K>1\), if the \(q_n\) are primes or primes in arithmetic progessions. The special case that \(q_n\) equals the \(\textit{n}\)th prime number \(p_n\) was studied by Too, Goto and Kano.

In the last part of this thesis we study for irrational \(\alpha\) the sequence \( (\alpha p_n)\) of irrational multiples of primes in the context of weighted uniform distribution modulo one. A result of Vinogradov concerning exponential sums states that this sequence is uniformly distributed modulo one. An alternative proof due to Vaaler uses L-functions. We extend this approach in the context of the Selberg class with polynomial Euler product. By doing so, we obtain two weighted versions of Vinogradov's result: The sequence \( (\alpha p_n)\) is \( (1+\chi_{D}(p_n))\log p_n\)-uniformly distributed modulo one, where \( \chi_D\) denotes the Legendre-Kronecker character. In the proof we use the Dedekind zeta-function of the quadratic number field \( \Bbb Q (\sqrt{D})\). As an application we obtain in case of \(D=-1\), that \( (\alpha p_n)\) is uniformly distributed modulo one, if the considered primes are congruent to one modulo four. Assuming additional conditions on the functions from the Selberg class we prove that the sequence \( (\alpha p_n) \) is also \( (\sum_{j=1}^{\nu_F}{\alpha_j(p_n)})\log p_n\)-uniformly distributed modulo one, where the weights are related to the Euler product of the function. N2 - In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene zahlentheoretisch interessante Folgen im Kontext der Theorie der Gleichverteilung modulo eins untersucht.

Im ersten Teil wird für positiv reelles \( z\not = 1\) für die Folge \( \left((2\pi )^{-1}(\log z)\gamma_a\right) \) eine Diskrepanzabschätzung hergeleitet, wobei \( \gamma_a\) die positiven Imaginärteile der nichttrivialen \(a\)-Stellen der Riemannschen Zetafunktion durchlaufe: Sind die eingehenden Imaginäteile durch \(T\) beschränkt, dann strebt für \(T\rightarrow \infty\) die Diskrepanz der Folge \( \left((2\pi )^{-1}(\log z)\gamma_a\right) \) wie \( (\log\log\log T)^{-1}\) gegen Null. Der Beweis knüpft an das Vorgehen von Hlawka an, welcher eine Diskrepanzabschätzung für die Folge, in der die positiven Imaginärteile der nichttrivialen Nullstellen der Riemannschen Zetafunktion eingehen, ermittelte.

Der zweite Teil der Arbeit widmet sich einer Folge deren Wachstumsverhalten durch Primzahlen motiviert ist. Ist \(\alpha\not = 0\) reell und \(f\) eine logarithmisch wachsende Funktion, dann werden mehrere Bedingungen an \(f\) angegeben, unter denen die Folge \( (\alpha f(q_n)) \) gleichverteilt modulo eins ist. Entsprechende Diskrepanzabschätzungen der Folgen werden angegeben. Die Folge reeller Zahlen \( (q_n) \) ist selbst streng wachsend und die Bedingungen, die dabei an deren Zählfunktion \(Q(x)=\#\lbrace q_n \leq x \rbrace\) gestellt werden, sind von Primzahlen und Primzahlen in arithmetischen Progressionen erfällt. Als Anwendung ergibt sich, dass die Folge \( \left( (\log q_n)^K\right) \) für beliebiges \(K>1\) gleichverteilt modulo eins ist, etwa wenn die \(q_n\) Primzahlen oder Primzahlen in arithmetischen Progessionen durchlaufen. Der Spezialfall das \(q_n\) als die \(n\)te Primzahl \(p_n\) gewählt wird, wurde von Too, Goto und Kano untersucht.

Im letzten Teil der Arbeit wird für irrationales \(\alpha\) die Folge \( (\alpha p_n) \) irrationaler Vielfacher von Primzahlen im Rahmen der gewichteten Gleichverteilung modulo eins untersucht. Nach einem Resultat von Vinogradov über Exponentialsummen ist diese Folge gleichverteilt modulo eins. Ein alternativer Beweis von Vaaler verwendet L-Funktionen. Dieser Ansatz wird im Kontext von Funktionen aus der Selberg-Klasse mit polynomiellem Eulerprodukt ausgebaut. Dabei werden zwei gewichtete Versionen des vinogradovschen Resultats gewonnen: Die Folge \( (\alpha p_n) \) ist \( (1+\chi_{D}(p_n))\log p_n\)-gleichverteilt modulo eins, wobei \(\chi_{D}\) den Legendre-Kronecker Charakter bezeichnet. Der Beweis verwendet die Dedekindsche Zetafunktion zum quadratischen Zahlkörper \(\Bbb Q (\sqrt{D})\). Als Anwendung ergibt sich etwa für \(D=-1\), dass \( (\alpha p_n) \) gleichverteilt modulo eins ist, wenn die durchlaufenen Primzahlen kongruent zu eins modulo vier sind. Unter zusätzlichen Bedingungen an die Funktionen aus der Selberg-Klasse lässt sich weiter zeigen, das die Folge \( (\alpha p_n) \) auch \( (\sum_{j=1}^{\nu_F}{\alpha_j(p_n)})\log p_n\)-gleichverteilt modulo eins, wobei die Gewichte in direktem Zusammenhang mit dem Eulerprodukt der Funktion stehen. KW - Zahlentheorie KW - weighted uniform distribution modulo one KW - gewichtete Gleichverteilung modulo eins KW - Selberg Class KW - prime number KW - quadratic number field KW - Selberg Klasse KW - Diskrepanz KW - Primzahl KW - Selbergsche L-Reihe KW - Quadratischer Zahlkörper KW - Zetafunktion KW - Gleichverteilung Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-209252 ER - TY - THES A1 - Fuller, Timo T1 - Contributions to the Multivariate Max-Domain of Attraction T1 - Beiträge zum Multivariaten Max-Stabilen Anziehungsbereich N2 - This thesis covers a wide range of results for when a random vector is in the max-domain of attraction of max-stable random vector. It states some new theoretical results in D-norm terminology, but also gives an explaination why most approaches to multivariate extremes are equivalent to this specific approach. Then it covers new methods to deal with high-dimensional extremes, ranging from dimension reduction to exploratory methods and explaining why the Huessler-Reiss model is a powerful parametric model in multivariate extremes on par with the multivariate Gaussian distribution in multivariate regular statistics. It also gives new results for estimating and inferring the multivariate extremal dependence structure, strategies for choosing thresholds and compares the behavior of local and global threshold approaches. The methods are demonstrated in an artifical simulation study, but also on German weather data. N2 - Diese Disseration behandelt eine Reihe von Resultaten, die gelten, wenn sich ein Zufallsvektor im multivariaten Anziehungsbereich eines max-stabilen Zufallsvektors befindet. Es gibt einige neue theoretische Resulte, die in D-Norm Terminologie behandelt werden, aber es wird auch erläutert, warum dieser Ansatz äquivalent zu den meisten anderen Ansätzen in multivariater Extremwerttheorie ist. Es werden neue Methoden dargestellt, mit denen hoch-dimensionale Extremwertprobleme angegangen werden können, darunter Konzepte die Dimensionsreduzierung bis explorative Methoden, und es wird weiter erklärt, warum das parametrische Hüssler-Reiss model eine mächtige Rolle in der multivariaten Extremwerttheorie einnimmt, vergleichbar mit Gausschen Zufallsvektoren in der Standard-Statistik. Es gibt außerdem neue Methoden für Schätzung und Interferenz der extremalen Abhängigkeitsstruktur, Strategien, wie Thresholds gewählt werden können und ein Vergleich von lokalen gegenüber globalen Thresholds. Die Methoden werden in einer Simulationsstudie mit künstlichen Daten, aber auch mit deutschen Wetterdaten demonstriert. KW - Extremwertstatistik KW - Multivariate statistics KW - Dimension reduction KW - Estimation KW - Data Exploration KW - Tail-behavior Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-207422 ER - TY - THES A1 - Seifert, Bastian T1 - Multivariate Chebyshev polynomials and FFT-like algorithms T1 - Multivariate Tschebyschow-Polynome und FFT-artige Algorithmen N2 - This dissertation investigates the application of multivariate Chebyshev polynomials in the algebraic signal processing theory for the development of FFT-like algorithms for discrete cosine transforms on weight lattices of compact Lie groups. After an introduction of the algebraic signal processing theory, a multivariate Gauss-Jacobi procedure for the development of orthogonal transforms is proven. Two theorems on fast algorithms in algebraic signal processing, one based on a decomposition property of certain polynomials and the other based on induced modules, are proven as multivariate generalizations of prior theorems. The definition of multivariate Chebyshev polynomials based on the theory of root systems is recalled. It is shown how to use these polynomials to define discrete cosine transforms on weight lattices of compact Lie groups. Furthermore it is shown how to develop FFT-like algorithms for these transforms. Then the theory of matrix-valued, multivariate Chebyshev polynomials is developed based on prior ideas. Under an existence assumption a formula for generating functions of these matrix-valued Chebyshev polynomials is deduced. N2 - Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Anwendung multivariater Tschebyschow-Polynome in der algebraischen Signalverarbeitungstheorie im Hinblick auf die Entwicklung FFT-artiger Algorithmen für diskrete Kosinus-Transformationen auf Gewichts-Gittern kompakter Lie-Gruppen. Nach einer Einführung in die algebraische Signalverarbeitungstheorie wird eine multivariate Gauss-Jacobi Prozedur für die Entwicklung orthogonaler Transformationen bewiesen. Zwei Theoreme über schnelle Algorithmen in der algebraischen Signalverarbeitung, eines basierend auf einer Dekompositionseigenschaft gewisser Polynome, das andere basierend auf induzierten Moduln, werden als multivariate Verallgemeinerungen vorgängiger Theoreme bewiesen. Die Definition multivariater Tschebyschow-Polynome basierend auf der Theorie der Wurzelsysteme wird vergegenwärtigt. Es wird gezeigt, wie man diese Polynome nutzen kann um diskrete Kosinustransformationen auf den Gewichts-Gittern kompakter Lie-Gruppen zu definieren. Des Weiteren wird gezeigt, wie man FFT-artige Algorithmen für diese Transformationen entwickeln kann. Sodann wird die Theorie Matrix-wertiger, multivariater Tschebyschow-Polynome basierend auf vorgängigen Ideen entwickelt. Unter einer Existenz-Annahme wird eine Formel für die erzeugenden Funktionen dieser Matrix-wertigen Tschebyschow-Polynome hergeleitet KW - Schnelle Fourier-Transformation KW - Čebyšev-Polynome KW - Kompakte Lie-Gruppe KW - Digitale Signalverarbeitung KW - Mehrdimensionale Signalverarbeitung KW - Algebraic signal processing KW - Algebraische Signalverarbeitung Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-206845 ER - TY - THES A1 - Kann, Lennart T1 - Statistical Failure Prediction with an Account for Prior Information T1 - Statistische Vorhersage von Ausfällen unter Berücksichtigung von Vorinformationen N2 - Prediction intervals are needed in many industrial applications. Frequently in mass production, small subgroups of unknown size with a lifetime behavior differing from the remainder of the population exist. A risk assessment for such a subgroup consists of two steps: i) the estimation of the subgroup size, and ii) the estimation of the lifetime behavior of this subgroup. This thesis covers both steps. An efficient practical method to estimate the size of a subgroup is presented and benchmarked against other methods. A prediction interval procedure which includes prior information in form of a Beta distribution is provided. This scheme is applied to the prediction of binomial and negative binomial counts. The effect of the population size on the prediction of the future number of failures is considered for a Weibull lifetime distribution, whose parameters are estimated from censored field data. Methods to obtain a prediction interval for the future number of failures with unknown sample size are presented. In many applications, failures are reported with a delay. The effects of such a reporting delay on the coverage properties of prediction intervals for the future number of failures are studied. The total failure probability of the two steps can be decomposed as a product probability. One-sided confidence intervals for such a product probability are presented. N2 - Vorhersageintervalle werden in vielen industriellen Anwendungen benötigt. In Massenproduktionen entstehen regelmäßig kleine Untergruppen von unbekannter Größer, welche ein anderes Lebensdauerverhalten als die übrige Population besitzen. Eine Risikoeinschätzung für eine solche Untergruppe besteht aus zwei Schritten: i) der Schätzung der Größe dieser Untergruppe und ii) der Schätzung des Lebensdauerverhaltens dieser Untergruppe. Diese Arbeit behandelt diese beiden Schritte. Eine effiziente Methode zur Schätzung der Größe der Untergruppe wird vorgestellt und mit anderen Methoden verglichen. Vorhersageintervalle unter Vorinformation in Form einer Betaverteilung werden dargelegt. Das Schema wird für die Vorhersage binomialer und negativ binomialer Zufallsvariablen angewandt. Der Effekt der Populationsgröße auf die Vorhersage der Anzahl von zukünftigen Ausfällen wird für eine Weibull Verteilung betrachtet, deren Parameter auf Basis von zensierten Felddaten geschätzt werden. Methoden um Vorhersageintervalle bei unbekannter Populationsgröße zu bestimmen werden dargelegt. In vielen Anwendungen werden Ausfälle mit einem Verzug gemeldet. Die Effekte eines solchen Meldeverzugs auf die Überdeckungseigenschaften von Vorhersageintervallen für die Anzahl an zukünftigen Ausfällen werden untersucht. Die Gesamtausfallwahrscheinlichkeit aus den zwei Schritten kann in eine Produktwahrscheinlichkeit zerlegt werden. Einseitige Konfidenzintervalle für eine solche Produktwahrscheinlichkeit werden dargelegt. KW - Konfidenzintervall KW - Statistik KW - Weibull-Verteilung KW - Vorhersagbarkeit KW - A-priori-Wissen KW - Prediction interval KW - Confidence interval KW - Prior information KW - Weibull distribution KW - Mathematik KW - Binomialverteilung Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-205049 ER - TY - INPR A1 - Breitenbach, Tim A1 - Borzì, Alfio T1 - On the SQH scheme to solve non-smooth PDE optimal control problems T2 - Numerical Functional Analysis and Optimization N2 - A sequential quadratic Hamiltonian (SQH) scheme for solving different classes of non-smooth and non-convex PDE optimal control problems is investigated considering seven different benchmark problems with increasing difficulty. These problems include linear and nonlinear PDEs with linear and bilinear control mechanisms, non-convex and discontinuous costs of the controls, L\(^1\) tracking terms, and the case of state constraints. The SQH method is based on the characterisation of optimality of PDE optimal control problems by the Pontryagin's maximum principle (PMP). For each problem, a theoretical discussion of the PMP optimality condition is given and results of numerical experiments are presented that demonstrate the large range of applicability of the SQH scheme. KW - SQH method KW - non-smooth optimization KW - Pontryagin maximum principle KW - nonconvex optimization Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-180936 N1 - This is an Accepted Manuscript of an article published by Taylor & Francis in Numerical Functional Analysis and Optimization on 27.04.2019, available online: http://www.tandfonline.com/10.1080/01630563.2019.1599911. ER - TY - THES A1 - Sourmelidis, Athanasios T1 - Universality and Hypertranscendence of Zeta-Functions T1 - Universalität und Hypertranszendenz von Zetafunktionen N2 - The starting point of the thesis is the {\it universality} property of the Riemann Zeta-function $\zeta(s)$ which was proved by Voronin in 1975: {\it Given a positive number $\varepsilon>0$ and an analytic non-vanishing function $f$ defined on a compact subset $\mathcal{K}$ of the strip $\left\{s\in\mathbb{C}:1/2 < \Re s< 1\right\}$ with connected complement, there exists a real number $\tau$ such that \begin{align}\label{continuous} \max\limits_{s\in \mathcal{K}}|\zeta(s+i\tau)-f(s)|<\varepsilon. \end{align} } In 1980, Reich proved a discrete analogue of Voronin’s theorem, also known as {\it discrete universality theorem} for $\zeta(s)$: {\it If $\mathcal{K}$, $f$ and $\varepsilon$ are as before, then \begin{align}\label{discretee} \liminf\limits_{N\to\infty}\dfrac{1}{N}\sharp\left\{1\leq n\leq N:\max\limits_{s\in \mathcal{K}}|\zeta(s+i\Delta n)-f(s)|<\varepsilon\right\}>0, \end{align} where $\Delta$ is an arbitrary but fixed positive number. } We aim at developing a theory which can be applied to prove the majority of all so far existing discrete universality theorems in the case of Dirichlet $L$-functions $L(s,\chi)$ and Hurwitz zeta-functions $\zeta(s;\alpha)$, where $\chi$ is a Dirichlet character and $\alpha\in(0,1]$, respectively. Both of the aforementioned classes of functions are generalizations of $\zeta(s)$, since $\zeta(s)=L(s,\chi_0)=\zeta(s;1)$, where $\chi_0$ is the principal Dirichlet character mod 1. Amongst others, we prove statement (2) where instead of $\zeta(s)$ we have $L(s,\chi)$ for some Dirichlet character $\chi$ or $\zeta(s;\alpha)$ for some transcendental or rational number $\alpha\in(0,1]$, and instead of $(\Delta n)_{n\in\mathbb{N}}$ we can have: \begin{enumerate} \item \textit{Beatty sequences,} \item \textit{sequences of ordinates of $c$-points of zeta-functions from the Selberg class,} \item \textit{sequences which are generated by polynomials.} \end{enumerate} In all the preceding cases, the notion of {\it uniformly distributed sequences} plays an important role and we draw attention to it wherever we can. Moreover, for the case of polynomials, we employ more advanced techniques from Analytic Number Theory such as bounds of exponential sums and zero-density estimates for Dirichlet $L$-functions. This will allow us to prove the existence of discrete second moments of $L(s,\chi)$ and $\zeta(s;\alpha)$ on the left of the vertical line $1+i\mathbb{R}$, with respect to polynomials. In the case of the Hurwitz Zeta-function $\zeta(s;\alpha)$, where $\alpha$ is transcendental or rational but not equal to $1/2$ or 1, the target function $f$ in (1) or (2), where $\zeta(\cdot)$ is replaced by $\zeta(\cdot;\alpha)$, is also allowed to have zeros. Until recently there was no result regarding the universality of $\zeta(s;\alpha)$ in the literature whenever $\alpha$ is an algebraic irrational. In the second half of the thesis, we prove that a weak version of statement \eqref{continuous} for $\zeta(s;\alpha)$ holds for all but finitely many algebraic irrational $\alpha$ in $[A,1]$, where $A\in(0,1]$ is an arbitrary but fixed real number. Lastly, we prove that the ordinary Dirichlet series $\zeta(s;f)=\sum_{n\geq1}f(n)n^{-s}$ and $\zeta_\alpha(s)=\sum_{n\geq1}\lfloor P(\alpha n+\beta)\rfloor^{-s}$ are hypertranscendental, where $f:\mathbb{N}\to\mathbb{C}$ is a {\it Besicovitch almost periodic arithmetical function}, $\alpha,\beta>0$ are such that $\lfloor\alpha+\beta\rfloor>1$ and $P\in\mathbb{Z}[X]$ is such that $P(\mathbb{N})\subseteq\mathbb{N}$. N2 - Der Ausgangspunkt dieser Dissertation ist die folgende {\it Universalit\"atseigenschaft} der Riemannschen Zetafunktion $\zeta(s)$, die von Voronin 1975 nachgewiesen wurde: {\it Zu gegebenem $\varepsilon>0$ und einer analytischen nullstellenfreien Funktion $f$, die auf einer kompakten Teilmenge $\mathcal{K}$ des Streifens $\left\{s\in\mathbb{C}:1/2 < \Re s< 1\right\}$ mit zusammenh\"angendem Komplement definiert ist, existiert eine reelle Zahl $\tau$, so dass \begin{align}\label{continuouus} \max\limits_{s\in \mathcal{K}}|\zeta(s+i\tau)-f(s)|<\varepsilon.\tag*{(1)} \end{align} } Im Jahr 1980 bewies Reich folgendes diskrete Analogon des Voroninschen Satzes, welches auch als {\it diskretes Universalit\"atstheorem} f\"ur $\zeta(s)$ bekannt ist: {\it Sind $\mathcal{K}$, $f$ und $\varepsilon$ wie oben, so gilt \begin{align}\label{discreteeee} \liminf\limits_{N\to\infty}\dfrac{1}{N}\sharp\left\{1\leq n\leq N:\max\limits_{s\in \mathcal{K}}|\zeta(s+i\Delta n)-f(s)|<\varepsilon\right\}>0,\tag*{(2)} \end{align} wobei $\Delta$ eine beliebige, aber fest gew\"ahlte positive reelle Zahl bezeichnet. } Unser Ziel ist die Entwicklung einer Theorie, welche die Mehrheit der bislang bewiesenen diskreten Universalit\"atstheoreme im Fall Dirichletscher $L$-Funktionen $L(s,\chi)$ und Hurwitzscher Zetafunktionen $\zeta(s;\alpha)$ (wobei $\chi$ ein Dirichlet-Charakter ist und $\alpha\in(0,1]$) umfasst. Beide genannten Funktionenklassen verallgemeinern $\zeta(s)$, denn $\zeta(s)=L(s,\chi_0)=\zeta(s;1)$, wobei $\chi_0$ der Hauptcharakter modulo 1 ist. Neben anderen Resultaten beweisen wir Aussage (2) mit $L(s,\chi)$ f\"ur einen beliebigen Dirichlet-Charakter $\chi$ bzw. $\zeta(s;\alpha)$ f\"ur ein transzendentes oder rationales $\alpha\in(0,1]$ anstelle von $\zeta(s)$ sowie $(\Delta n)_{n\in\mathbb{N}}$ ersetzt durch eine der nachstehenden Folgen: \begin{enumerate} \item \textit{Beatty-Folgen,} \item \textit{Folgen von Imagin\"arteilen der $c$-Punkte einer beliebigen Zetafunktion der Selbergklasse,} \item \textit{Folgen, die durch ein Polynom generiert werden.} \end{enumerate} In all diesen F\"allen spielt der Begriff einer {\it gleichverteilten Folge} eine wichtige Rolle, und wir schenken diesem Aspekt besondere Beachtung im Folgenden. Speziell f\"ur den Fall der Polynome benutzen wir weitere fortgeschrittene Techniken der Analytischen Zahlentheorie, wie besipielsweise Schranken f\"ur Exponentialsummen und Nullstellen-Dichtigkeitsabsch\"atzungen f\"ur Dirichletsche $L$-Funktionen. Dies erlaubt uns, die Existenz gewisser diskreter quadratischer Momente f\"ur $L(s,\chi)$ und $\zeta(s;\alpha)$ links der vertikalen Geraden $1+i\mathbb{R}$ im Polynom-Fall zu beweisen. Im Fall der Hurwitzschen Zetafunktion $\zeta(s;\alpha)$, wobei $\alpha$ transzendent oder rational, aber ungleich $1/2$ oder 1 ist, kann die zu approximierende Funktion $f$ in (1) oder (2), wobei $\zeta(\cdot)$ durch $\zeta(\cdot;\alpha)$ zu ersetzen ist, sogar Nullstellen besitzen. Bis vor kurzem waren hinsichtlich der Universalit\"at von $\zeta(s;\alpha)$ in der Literatur f\"ur algebraisch-irrationale $\alpha$ keine Ergebnisse erzielt worden. Im zweiten Teil der Dissertation beweisen wir eine schwache Version der Aussage \eqref{continuous} f\"ur $\zeta(s;\alpha)$ f\"ur alle algebraisch-irrationalen $\alpha\in[A,1]$ bis auf h\"ochstens endlich viele Ausnahmen, wobei $A\in(0,1]$ eine beliebige, aber fest gew\"ahlte reelle Zahl ist. Schlie\ss{}lich weisen wir die Hypertranszendenz der gew\"ohnlichen Dirichlet-Reihen $\zeta(s;f)=\sum_{n\geq1}f(n)n^{-s}$ und $\zeta_\alpha(s)=\sum_{n\geq1}\lfloor P(\alpha n+\beta)\rfloor^{-s}$ nach, wobei $f:\mathbb{N}\to\mathbb{C}$ irgendeine {\it Besicovitch-fastperiodische zahlentheoretische Funktion} ist, $\alpha,\beta>0$ der Ungleichung $\lfloor\alpha+\beta\rfloor>1$ gen\"ugt und $P\in\mathbb{Z}[X]$ die Bedingung $P(\mathbb{N})\subseteq\mathbb{N}$ erf\"ullt. KW - Analytische Zahlentheorie KW - Universality KW - Zeta-Functions KW - Hypertranscendence KW - Zetafunktion KW - Universalität KW - Dirichlet-Reihe Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-193699 ER - TY - THES A1 - Promkam, Ratthaprom T1 - Hybrid Dynamical Systems: Modeling, Stability and Interconnection T1 - Hybride Dynamische Systeme: Modellierung, Stabilität und Zusammenschaltung N2 - This work deals with a class of nonlinear dynamical systems exhibiting both continuous and discrete dynamics, which is called as hybrid dynamical system. We provide a broader framework of generalized hybrid dynamical systems allowing us to handle issues on modeling, stability and interconnections. Various sufficient stability conditions are proposed by extensions of direct Lyapunov method. We also explicitly show Lyapunov formulations of the nonlinear small-gain theorems for interconnected input-to-state stable hybrid dynamical systems. Applications on modeling and stability of hybrid dynamical systems are given by effective strategies of vaccination programs to control a spread of disease in epidemic systems. N2 - Entwicklung eines Frameworks für hybride dynamische Systeme zur Decomkosition oder Komposition solcher Systeme. Untersuchung der Stabilität von gekoppelten hybriden Systemen. KW - Dynamical system KW - Stability KW - Hybridsystem KW - Interconnection KW - Dynamical Systems KW - Lyapunov Stability KW - Hybrid Dynamical Systems KW - Small-Gain Theorem Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-190993 ER - TY - JOUR A1 - Roy, S. A1 - Borzì, A. A1 - Habbal, A. T1 - Pedestrian motion modelled by Fokker-Planck Nash games JF - Royal Society Open Science N2 - A new approach to modelling pedestrians' avoidance dynamics based on a Fokker–Planck (FP) Nash game framework is presented. In this framework, two interacting pedestrians are considered, whose motion variability is modelled through the corresponding probability density functions (PDFs) governed by FP equations. Based on these equations, a Nash differential game is formulated where the game strategies represent controls aiming at avoidance by minimizing appropriate collision cost functionals. The existence of Nash equilibria solutions is proved and characterized as a solution to an optimal control problem that is solved numerically. Results of numerical experiments are presented that successfully compare the computed Nash equilibria to the output of real experiments (conducted with humans) for four test cases. KW - Fokker–Planck equation KW - Nash equilibrium KW - pedestrian motion KW - differential games KW - avoidance KW - optimal control Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-170395 VL - 4 IS - 9 ER - TY - THES A1 - Breitenbach, Tim T1 - A sequential quadratic Hamiltonian scheme for solving optimal control problems with non-smooth cost functionals T1 - Ein sequentielles quadratisches Hamilton Schema um Optimalsteuerprobleme mit nicht-glatten Kostenfunktionalen zu lösen N2 - This thesis deals with a new so-called sequential quadratic Hamiltonian (SQH) iterative scheme to solve optimal control problems with differential models and cost functionals ranging from smooth to discontinuous and non-convex. This scheme is based on the Pontryagin maximum principle (PMP) that provides necessary optimality conditions for an optimal solution. In this framework, a Hamiltonian function is defined that attains its minimum pointwise at the optimal solution of the corresponding optimal control problem. In the SQH scheme, this Hamiltonian function is augmented by a quadratic penalty term consisting of the current control function and the control function from the previous iteration. The heart of the SQH scheme is to minimize this augmented Hamiltonian function pointwise in order to determine a control update. Since the PMP does not require any differ- entiability with respect to the control argument, the SQH scheme can be used to solve optimal control problems with both smooth and non-convex or even discontinuous cost functionals. The main achievement of the thesis is the formulation of a robust and efficient SQH scheme and a framework in which the convergence analysis of the SQH scheme can be carried out. In this framework, convergence of the scheme means that the calculated solution fulfills the PMP condition. The governing differential models of the considered optimal control problems are ordinary differential equations (ODEs) and partial differential equations (PDEs). In the PDE case, elliptic and parabolic equations as well as the Fokker-Planck (FP) equation are considered. For both the ODE and the PDE cases, assumptions are formulated for which it can be proved that a solution to an optimal control problem has to fulfill the PMP. The obtained results are essential for the discussion of the convergence analysis of the SQH scheme. This analysis has two parts. The first one is the well-posedness of the scheme which means that all steps of the scheme can be carried out and provide a result in finite time. The second part part is the PMP consistency of the solution. This means that the solution of the SQH scheme fulfills the PMP conditions. In the ODE case, the following results are obtained that state well-posedness of the SQH scheme and the PMP consistency of the corresponding solution. Lemma 7 states the existence of a pointwise minimum of the augmented Hamiltonian. Lemma 11 proves the existence of a weight of the quadratic penalty term such that the minimization of the corresponding augmented Hamiltonian results in a control updated that reduces the value of the cost functional. Lemma 12 states that the SQH scheme stops if an iterate is PMP optimal. Theorem 13 proves the cost functional reducing properties of the SQH control updates. The main result is given in Theorem 14, which states the pointwise convergence of the SQH scheme towards a PMP consistent solution. In this ODE framework, the SQH method is applied to two optimal control problems. The first one is an optimal quantum control problem where it is shown that the SQH method converges much faster to an optimal solution than a globalized Newton method. The second optimal control problem is an optimal tumor treatment problem with a system of coupled highly non-linear state equations that describe the tumor growth. It is shown that the framework in which the convergence of the SQH scheme is proved is applicable for this highly non-linear case. Next, the case of PDE control problems is considered. First a general framework is discussed in which a solution to the corresponding optimal control problem fulfills the PMP conditions. In this case, many theoretical estimates are presented in Theorem 59 and Theorem 64 to prove in particular the essential boundedness of the state and adjoint variables. The steps for the convergence analysis of the SQH scheme are analogous to that of the ODE case and result in Theorem 27 that states the PMP consistency of the solution obtained with the SQH scheme. This framework is applied to different elliptic and parabolic optimal control problems, including linear and bilinear control mechanisms, as well as non-linear state equations. Moreover, the SQH method is discussed for solving a state-constrained optimal control problem in an augmented formulation. In this case, it is shown in Theorem 30 that for increasing the weight of the augmentation term, which penalizes the violation of the state constraint, the measure of this state constraint violation by the corresponding solution converges to zero. Furthermore, an optimal control problem with a non-smooth L\(^1\)-tracking term and a non-smooth state equation is investigated. For this purpose, an adjoint equation is defined and the SQH method is used to solve the corresponding optimal control problem. The final part of this thesis is devoted to a class of FP models related to specific stochastic processes. The discussion starts with a focus on random walks where also jumps are included. This framework allows a derivation of a discrete FP model corresponding to a continuous FP model with jumps and boundary conditions ranging from absorbing to totally reflecting. This discussion allows the consideration of the drift-control resulting from an anisotropic probability of the steps of the random walk. Thereafter, in the PMP framework, two drift-diffusion processes and the corresponding FP models with two different control strategies for an optimal control problem with an expectation functional are considered. In the first strategy, the controls depend on time and in the second one, the controls depend on space and time. In both cases a solution to the corresponding optimal control problem is characterized with the PMP conditions, stated in Theorem 48 and Theorem 49. The well-posedness of the SQH scheme is shown in both cases and further conditions are discussed that ensure the convergence of the SQH scheme to a PMP consistent solution. The case of a space and time dependent control strategy results in a special structure of the corresponding PMP conditions that is exploited in another solution method, the so-called direct Hamiltonian (DH) method. N2 - Diese Dissertation handelt von einem neuen so genannten sequentiellen quadratischen Hamilton (SQH) iterativen Schema um Optimalsteuerungsprobleme mit Differentialmodellen und Kostenfunktionalen, die von glatt bis zu unstetig und nicht-konvex reichen, zu lösen. Dieses Schema basiert auf dem Pontryagin Maximumprinzip (PMP), welches notwendige Optimalitätsbedingungen für eine optimale Lösung zur Verfügung stellt. In diesem Rahmen wird eine Hamiltonfunktion definiert, die ihr Minimum punktweise an der optimalen Lösung des entsprechenden Optimalsteuerungsproblems annimmt. In diesem SQH Schema wird diese Hamiltonfunktion durch einen quadratischen Strafterm erweitert, der aus der aktuellen Steuerungsfunktion und der Steuerungsfunktion aus der vorherigen Iteration besteht. Das Herzstück des SQH Schemas ist die punktweise Minimierung dieser erweiterten Hamiltonfunktion um eine Aktualisierung der Steuerungsfunktion zu bestimmen. Da das PMP keine Differenzierbarkeit in Bezug auf das Steuerungsfunktionsargument verlangt, kann das SQH Schema dazu benutzt werden, Optimalsteuerungsprobleme mit sowohl glatten als auch nicht-konvexen oder sogar unstetigen Kostenfunktionalen zu lösen. Das Hauptergebnis dieser Dissertation ist die Formulierung eines robusten und effizienten SQH Schemas und eines Rahmens, in dem die Konvergenzanalyse des SQH Schemas ausgeführt werden kann. In diesem Rahmen bedeutet Konvergenz des Schemas, dass die berechnete Lösung die PMP Bedingung erfüllt. Die steuernden Differentialmodelle der betrachteten Optimalsteuerungsprobleme sind gewöhnliche Differentialgleichungen (ODEs) und partielle Differentialgleichungen (PDEs). Im PDE Fall werden elliptische und parabolische Gleichungen, sowie die Fokker-Planck (FP) Gleichung betrachtet. Für sowohl den ODE als auch den PDE Fall werden Annahmen formuliert, für die bewiesen werden kann, dass eine Lösung eines Optimalsteuerungsproblems das PMP erfüllen muss. Die erhaltenen Resultate sind für die Diskussion der Konvergenzanalyse des SQH Schemas essentiell. Diese Analyse hat zwei Teile. Der erste ist die Wohlgestelltheit des Schemas, was bedeutet, dass alle Schritte des Schemas ausgeführt werden können und ein Ergebnis in endlicher Zeit liefern. Der zweite Teil ist die PMP Konsistenz der Lösung. Das bedeutet, dass die Lösung des SQH Schemas die PMP Bedingungen erfüllt. Im ODE Fall werden die folgenden Resultate erhalten, die die Wohlgestelltheit des Schemas und die PMP Konsistenz der entsprechenden Lösung darlegen. Lemma 7 legt die Existenz eines punktweisen Minimums der erweiterten Hamiltonfunktion dar. Lemma 11 beweist die Existenz eines Gewichtes des quadratischen Strafterms, sodass die Minimierung der entsprechenden erweiterten Hamiltonfunktion zu einer Kontrollaktualisierung führt, die den Wert des Kostenfunktionals verringert. Lemma 12 legt dar, dass das SQH Schema stehen bleibt falls eine Iterierte PMP optimal ist. Satz 13 beweist die Kostenfunktional verringernden Eigenschaften der SQH Steuerungsfunktionsaktualisierung. Das Hauptresultat ist in Satz 14 gegeben, welches die punktweise Konvergenz des SQH Schemas gegen eine PMP konsistente Lösung darlegt. Das SQH-Verfahren wird in diesem ODE Rahmen auf zwei Optimalsteuerungsprobleme angewendet. Das erste ist ein optimales Quantensteuerungsproblem, bei dem gezeigt wird, dass das SQH-Verfahren viel schneller zu einer optimalen Lösung konvergiert als ein globalisiertes Newton-Verfahren. Das zweite Optimalsteuerungsproblem ist ein optimales Tumorbehandlungsproblem mit einem System gekoppelter hochgradig nicht-linearer Zustandsgleichungen, die das Tumorwachstum beschreiben. Es wird gezeigt, dass der Rahmen, in dem die Konvergenz des SQH Schemas bewiesen wird, auf diesen hochgradig nicht-linearen Fall anwendbar ist. Als nächstes wird der Fall von PDE Optimalsteuerungsprobleme betrachtet. Zunächst wird ein allgemeiner Rahmen diskutiert, in dem eine Lösung des entsprechenden Optimalsteuerungsproblem die PMP Bedingungen erfüllt. In diesem Fall werden viele theoretische Abschätzungen in Satz 59 und Satz 64 bewiesen, die insbesondere die essentielle Beschränktheit von Zustands- und Adjungiertenvariablen beweisen. Die Schritte für die Konvergenzanalyse des SQH Schemas sind analog zu denen des ODE Falls und führen zu Satz 27, der die PMP Konsistenz der Lösung, erhalten durch das SQH Schemas, darlegt. Dieser Rahmen wird auf verschiedene elliptische und parabolische Optimalsteuerungsprobleme angewendet, die lineare und bilineare Steuerungsmechanismen beinhalten, genauso wie nicht-lineare Zustandsgleichungen. Darüber hinaus wird das SQH-Verfahren zum Lösen eines zustandsbeschränkten Optimalsteuerungsproblems in einer erweiterten Formulieren diskutiert. Es wird in Satz 30 gezeigt, dass wenn man das Gewicht des Erweiterungsterms, der die Verletzung der Zustandsbeschränkung bestraft, erhöht, das Maß dieser Zustandsbeschränkungsverletzung durch die entsprechende Lösung gegen null konvergiert. Weiterhin wird ein Optimalsteuerungsproblem mit einem nicht-glatten L\(^1\)-Zielverfolgungsterm und einer nicht-glatten Zustandsgleichung untersucht. Für diesen Zweck wird eine adjungierte Gleichung definiert und das SQHVerfahren wird benutzt um das entsprechende Optimalsteuerungsproblem zu lösen. Der letzte Teil dieser Dissertation ist einer Klasse von FP Modellen gewidmet, die auf bestimmte stochastische Prozesse bezogen sind. Die Diskussion beginnt mit dem Fokus auf Random Walks bei dem auch Sprünge mit enthalten sind. Dieser Rahmen erlaubt die Herleitung eines diskreten FP Modells, das einem kontinuierlichen FP Modell mit Sprüngen und Randbedingungen entspricht, die sich zwischen absorbierend bis komplett reflektierend bewegen. Diese Diskussion erlaubt die Betrachtung der Driftsteuerung, die aus einer anisotropen Wahrscheinlichkeit für die Schritte des Random Walks resultiert. Danach werden zwei Drift-Diffusionsprozesse und die entsprechenden FP Modelle mit zwei verschiedenen Steuerungsstrategien für ein Optimalsteuerungsproblem mit Erwartungswertfunktional betrachtet. In der ersten Strategie hängen die Steuerungsfunktionen von der Zeit ab und in der zweiten hängen die Steuerungsfunktionen von Ort und Zeit ab. In beiden Fällen wird eine Lösung zum entsprechendem Optimalsteuerungsproblem mit den PMP Bedingungen charakterisiert, dargestellt in Satz 48 und Satz 49. Die Wohlgestelltheit des SQH Schemas ist in beiden Fällen gezeigt und weitere Bedingungen, die die Konvergenz des SQH Schemas zu einer PMP konsistenten Lösung sicherstellen, werden diskutiert. Der Fall einer Ort und Zeit abhängigen Steuerungsstrategie führt auf eine spezielle Struktur der entsprechenden PMP Bedingungen, die in einem weiteren Lösungsverfahren ausgenutzt werden, dem sogenannten direkten Hamiltonfunktionsverfahren (DH). KW - Optimale Kontrolle KW - Scheme for solving optimal control problems KW - Non-smooth optimal control KW - Pontryagin maximum principle KW - Sequential quadratic Hamiltonian scheme Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-182170 ER - TY - JOUR A1 - Kienle-Garrido, Melina-Lorén A1 - Breitenbach, Tim A1 - Chudej, Kurt A1 - Borzì, Alfio T1 - Modeling and numerical solution of a cancer therapy optimal control problem JF - Applied Mathematics N2 - A mathematical optimal-control tumor therapy framework consisting of radio- and anti-angiogenesis control strategies that are included in a tumor growth model is investigated. The governing system, resulting from the combination of two well established models, represents the differential constraint of a non-smooth optimal control problem that aims at reducing the volume of the tumor while keeping the radio- and anti-angiogenesis chemical dosage to a minimum. Existence of optimal solutions is proved and necessary conditions are formulated in terms of the Pontryagin maximum principle. Based on this principle, a so-called sequential quadratic Hamiltonian (SQH) method is discussed and benchmarked with an “interior point optimizer―a mathematical programming language” (IPOPT-AMPL) algorithm. Results of numerical experiments are presented that successfully validate the SQH solution scheme. Further, it is shown how to choose the optimisation weights in order to obtain treatment functions that successfully reduce the tumor volume to zero. KW - cancer KW - therapy KW - optimal control problem Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-177152 VL - 9 IS - 8 ER - TY - GEN A1 - Breitenbach, Tim T1 - Codes of examples for SQH method N2 - Code examples for the paper "On the SQH Scheme to Solve Nonsmooth PDE Optimal Control Problems" by Tim Breitenbach and Alfio Borzì published in the journal "Numerical Functional Analysis and Optimization", in 2019, DOI: 10.1080/01630563.2019.1599911 KW - SQH method KW - Code Examples Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-178588 ER - TY - THES A1 - Pohl, Daniel T1 - Universal Locally Univalent Functions and Universal Conformal Metrics T1 - Universelle Lokal Schlichte Funktionen und Universelle Konforme Metriken N2 - The work at hand discusses various universality results for locally univalent and conformal metrics. In Chapter 2 several interesting approximation results are discussed. Runge-type Theorems for holomorphic and meromorphic locally univalent functions are shown. A well-known local approximation theorem for harmonic functions due to Keldysh is generalized to solutions of the curvature equation. In Chapter 3 and 4 these approximation theorems are used to establish universality results for locally univalent functions and conformal metrics. In particular locally univalent analogues for well-known universality results due Birkhoff, Seidel & Walsh and Heins are shown. N2 - In Kapitel 2 werden Runge-Sätze für holomorphe und meromorphe lokal schlichte Funktionen und ein lokaler Approximationsstaz für konforme Metriken mit negativer Krümmung bewiesen. Mithilfe dieser Sätze werden In Kapitel 3 und 4 Universalitätsresultate für lokal schlichte Funktionen und konforme Metriken gezeigt. KW - Schlichte Funktion KW - Konforme Metrik KW - Universal Functions KW - Conformal Metrics KW - Curvature Equation KW - Runge-type Theorems Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-177174 ER - TY - THES A1 - Sans, Wolfgang T1 - Monotonic Probability Distribution : Characterisation, Measurements under Prior Information, and Application T1 - Monotone Wahrscheinlichkeitsverteilung : Charakterisierung, Messverfahren unter Vorinformation und Anwendung N2 - Statistical Procedures for modelling a random phenomenon heavily depend on the choice of a certain family of probability distributions. Frequently, this choice is governed by a good mathematical feasibility, but disregards that some distribution properties may contradict reality. At most, the choosen distribution may be considered as an approximation. The present thesis starts with a construction of distributions, which uses solely available information and yields distributions having greatest uncertainty in the sense of the maximum entropy principle. One of such distributions is the monotonic distribution, which is solely determined by its support and the mean. Although classical frequentist statistics provides estimation procedures which may incorporate prior information, such procedures are rarely considered. A general frequentist scheme for the construction of shortest confidence intervals for distribution parameters under prior information is presented. In particular, the scheme is used for establishing confidence intervals for the mean of the monotonic distribution and compared to classical procedures. Additionally, an approximative procedure for the upper bound of the support of the monotonic distribution is proposed. A core purpose of auditing sampling is the determination of confidence intervals for the mean of zero-inflated populations. The monotonic distribution is used for modelling such a population and is utilised for the procedure of a confidence interval under prior information for the mean. The results are compared to two-sided intervals of Stringer-type. N2 - Statistische Verfahren zur Modellierung eines zufälligen Phänomens hängen stark von der Wahl einer bestimmter Familie von Wahrscheinlichkeitsverteilungen ab. Oft wird die Auswahl der Verteilung durch das Vorliegen guter mathematischer Handhabbarkeit bestimmt, dabei aber außer Acht gelassen, dass einige Verteilungseigenschaften gegen die Realität verstoßen können und bestenfalls als Näherung aufgefasst werden können. Die vorgelegte Arbeit beginnt mit einer Konstruktion von Verteilungen, die ausschließlich verfügbare Informationen verwenden und im Sinne des Prinzips der maximalen Entropie die größte Unsicherheit beinhalten. Eine dieser Verteilungen ist die monotone Verteilung, die alleine durch ihren Träger und den Mittelwert festgelegt ist. In der klassischen, frequentistischen Statistik existieren zwar Verfahren zur Schätzung von Verteilungsparametern, die Vorinformationen verarbeiten können, sie finden aber kaum Beachtung. Es wird ein allgemeines frequentistisches Verfahren zur Konstruktion kürzester Konfidenzintervalle für Verteilungsparameter unter Vorinformation vorgestellt. Dieses Verfahren wird zur Herleitung von Konfidenzintervallen für das erste Moment der monotonen Verteilung angewendet, und diese mit klassischen Bereichsschätzern verglichen. Außerdem wird ein approximatives Schätzverfahren für die obere Grenze des Trägers der Monotonen Verteilung vorgeschlagen. Ein Hauptziel der Wirtschaftsprüfung ist die Bestimmung von Konfidenzintervalle für Mittelwerte von Grundgesamtheiten zu bestimmen, die viele Nullen enthalten. Die monotone Verteilung geht in die Modellierung einer solchen Grundgesamtheit und in das Verfahren für ein Konfidenzintervall unter Vorinformation zur Schätzung des Mittelwerts ein. Die Ergebnisse werden mit zweiseitigen Intervallen vom Stringer-Typ verglichen. KW - Mathematik KW - Wahrscheinlichkeitstheorie KW - Metrologie KW - Konfidenzintervall KW - A-priori-Wissen KW - Probability theory KW - Parametric inference KW - Prior information KW - Audit sampling KW - Overstatement models KW - Finite support distributions KW - Confidence intervals Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-175194 ER - TY - THES A1 - Steck, Daniel T1 - Lagrange Multiplier Methods for Constrained Optimization and Variational Problems in Banach Spaces T1 - Lagrange-Multiplier-Verfahren für Restringierte Optimierung und Variationsprobleme in Banach-Räumen N2 - This thesis is concerned with a class of general-purpose algorithms for constrained minimization problems, variational inequalities, and quasi-variational inequalities in Banach spaces. A substantial amount of background material from Banach space theory, convex analysis, variational analysis, and optimization theory is presented, including some results which are refinements of those existing in the literature. This basis is used to formulate an augmented Lagrangian algorithm with multiplier safeguarding for the solution of constrained optimization problems in Banach spaces. The method is analyzed in terms of local and global convergence, and many popular problem classes such as nonlinear programming, semidefinite programming, and function space optimization are shown to be included as special cases of the general setting. The algorithmic framework is then extended to variational and quasi-variational inequalities, which include, by extension, Nash and generalized Nash equilibrium problems. For these problem classes, the convergence is analyzed in detail. The thesis then presents a rich collection of application examples for all problem classes, including implementation details and numerical results. N2 - Die vorliegende Arbeit handelt von einer Klasse allgemein anwendbarer Verfahren zur Lösung restringierter Optimierungsprobleme, Variations- und Quasi-Variationsungleichungen in Banach-Räumen. Zur Vorbereitung wird eine erhebliche Menge an Grundmaterial präsentiert. Dies beinhaltet die Theorie von Banach-Räumen, konvexe und variationelle Analysis sowie Optimierungstheorie. Manche der angegebenen Resultate sind hierbei Verfeinerungen der entsprechenden Ergebnisse aus der Literatur. Im Anschluss wird ein Augmented-Lagrange-Verfahren für restingierte Optimierungsprobleme in Banach-Räumen präsentiert. Der Algorithmus wird hinsichtlich lokaler und globaler Konvergenz untersucht, und viele typische Problemklassen wie nichtlineare Programme, semidefinite Programme oder Optimierungsprobleme in Funktionenräumen werden als Spezialfälle aufgezeigt. Der Algorithmus wird dann auf Variations- und Quasi-Variationsungleichungen verallgemeinert, wodurch implizit auch (verallgemeinerte) Nash-Gleichgewichtsprobleme abgehandelt werden. Für diese Problemklassen werden eigene Konvergenzanalysen betrieben. Die Dissertation beinhaltet zudem eine umfangreiche Sammlung von Anwendungsbeispielen und zugehörigen numerischen Ergebnissen. KW - Optimierung KW - Nash-Gleichgewicht KW - Variationsungleichung KW - Banach-Raum KW - Quasi-Variational Inequality KW - Generalized Nash Equilibrium Problem KW - Quasi-Variationsungleichung KW - Verallgemeinertes Nash-Gleichgewichtsproblem Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-174444 ER - TY - THES A1 - Schötz, Matthias T1 - Convergent Star Products and Abstract O*-Algebras T1 - Konvergente Sternprodukte und Abstrakte O*-Algebren N2 - Diese Dissertation behandelt ein Problem aus der Deformationsquantisierung: Nachdem man die Quantisierung eines klassischen Systems konstruiert hat, würde man gerne ihre mathematischen Eigenschaften verstehen (sowohl die des klassischen Systems als auch die des Quantensystems). Falls beide Systeme durch *-Algebren über dem Körper der komplexen Zahlen beschrieben werden, bedeutet dies dass man die Eigenschaften bestimmter *-Algebren verstehen muss: Welche Darstellungen gibt es? Was sind deren Eigenschaften? Wie können die Zustände in diesen Darstellungen beschrieben werden? Wie kann das Spektrum der Observablen beschrieben werden? Um eine hinreichend allgemeine Behandlung dieser Fragen zu ermöglichen, wird das Konzept von abstrakten O*-Algebren entwickelt. Dies sind im Wesentlichen *-Algebren zusammen mit einem Kegel positiver linearer Funktionale darauf (z.B. die stetigen positiven linearen Funktionale wenn man mit einer *-Algebra startet, die mit einer gutartigen Topologie versehen ist). Im Anschluss daran wird dieser Ansatz dann auf zwei Beispiele aus der Deformationsquantisierung angewandt, die im Detail untersucht werden. N2 - This thesis discusses and proposes a solution for one problem arising from deformation quantization: Having constructed the quantization of a classical system, one would like to understand its mathematical properties (of both the classical and quantum system). Especially if both systems are described by ∗-algebras over the field of complex numbers, this means to understand the properties of certain ∗-algebras: What are their representations? What are the properties of these representations? How can the states be described in these representations? How can the spectrum of the observables be described? In order to allow for a sufficiently general treatment of these questions, the concept of abstract O ∗-algebras is introduced. Roughly speaking, these are ∗ -algebras together with a cone of positive linear functionals on them (e.g. the continuous ones if one starts with a ∗-algebra that is endowed with a well-behaved topology). This language is then applied to two examples from deformation quantization, which will be studied in great detail. KW - deformation quantization KW - convergent star product KW - *-algebra KW - Deformationsquantisierung Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-174355 ER - TY - THES A1 - Sapozhnikova, Kateryna T1 - Robust Stability of Differential Equations with Maximum T1 - Robuste Stabilität von Differenzialgleichungen mit Maximum N2 - In this thesis stability and robustness properties of systems of functional differential equations which dynamics depends on the maximum of a solution over a prehistory time interval is studied. Max-operator is analyzed and it is proved that due to its presence such kind of systems are particular case of state dependent delay differential equations with piecewise continuous delay function. They are nonlinear, infinite-dimensional and may reduce to one-dimensional along its solution. Stability analysis with respect to input is accomplished by trajectory estimate and via averaging method. Numerical method is proposed. N2 - In dieser These werden die Eigenschaften der Stabilität und Robustheit von Systemen funktioneller Differentialgleichungen untersucht, deren Dynamik von einem Maximum in der Lösung eines vergangenen Zeitintervalls abhängt. Der Max-Operator wird analysiert und durch seine Anwesenheit ist bewiesen, dass diese Art von Systemen einen spezifischen Fall von zustandsabhängigen Verzögerungsdifferenzialgleichungen mit stückweiser, kontinuierlicher Verzögerungsfunktion darstellen. Sie sind nicht-linear, unendlich dimensional und entlang ihrer Lösung können sie eindimensional werden. Die Stabilitätsanalyse, unter Berücksichtigung der Eingabe, wird sowohl durch eine Richtungsschätzung, als auch mittels der Durchschnittsmethode durchgeführt. Eine numerische Methode wird vorgeschlagen. KW - Functional differential equations KW - Nonlinear systems KW - Stability KW - Differentialgleichung KW - Nichtlineares System KW - Stabilität Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-173945 ER - TY - JOUR A1 - Matlach, Juliane A1 - Dhillon, Christine A1 - Hain, Johannes A1 - Schlunck, Günther A1 - Grehn, Franz A1 - Klink, Thomas T1 - Trabeculectomy versus canaloplasty (TVC study) in the treatment of patients with open-angle glaucoma: a prospective randomized clinical trial JF - Acta Ophthalmologica N2 - Purpose: To compare the outcomes of canaloplasty and trabeculectomy in open-angle glaucoma. Methods: This prospective, randomized clinical trial included 62 patients who randomly received trabeculectomy (n = 32) or canaloplasty (n = 30) and were followed up prospectively for 2 years. Primary endpoint was complete (without medication) and qualified success (with or without medication) defined as an intraocular pressure (IOP) of ≤18 mmHg (definition 1) or IOP ≤21 mmHg and ≥20% IOP reduction (definition 2), IOP ≥5 mmHg, no vision loss and no further glaucoma surgery. Secondary endpoints were the absolute IOP reduction, visual acuity, medication, complications and second surgeries. Results: Surgical treatment significantly reduced IOP in both groups (p < 0.001). Complete success was achieved in 74.2% and 39.1% (definition 1, p = 0.01), and 67.7% and 39.1% (definition 2, p = 0.04) after 2 years in the trabeculectomy and canaloplasty group, respectively. Mean absolute IOP reduction was 10.8 ± 6.9 mmHg in the trabeculectomy and 9.3 ± 5.7 mmHg in the canaloplasty group after 2 years (p = 0.47). Mean IOP was 11.5 ± 3.4 mmHg in the trabeculectomy and 14.4 ± 4.2 mmHg in the canaloplasty group after 2 years. Following trabeculectomy, complications were more frequent including hypotony (37.5%), choroidal detachment (12.5%) and elevated IOP (25.0%). Conclusions: Trabeculectomy is associated with a stronger IOP reduction and less need for medication at the cost of a higher rate of complications. If target pressure is attainable by moderate IOP reduction, canaloplasty may be considered for its relative ease of postoperative care and lack of complications. KW - months follow-up KW - surgical outcomes KW - mitomycin C KW - canaloplasty KW - open-angle glaucoma KW - trabeculectomy KW - glaucoma surgery KW - series KW - phacocanaloplasty KW - phacotrabeculectomy KW - canal surgery KW - cataract surgery KW - flexible microcatheter KW - circumferential viscodilation Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-149263 VL - 93 ER - TY - THES A1 - Klotzky, Jens T1 - Well-posedness of a fluid-particle interaction model T1 - Existenz und Eindeutigkeit von Entropielösungen eines Partikel-Fluid-Modells N2 - This thesis considers a model of a scalar partial differential equation in the presence of a singular source term, modeling the interaction between an inviscid fluid represented by the Burgers equation and an arbitrary, finite amount of particles moving inside the fluid, each one acting as a point-wise drag force with a particle related friction constant. \begin{align*} \partial_t u + \partial_x (u^2/2) &= \sum_{i \in N(t)} \lambda_i \Big(h_i'(t)-u(t,h_i(t)\Big)\delta(x-h_i(t)) \end{align*} The model was introduced for the case of a single particle by Lagoutière, Seguin and Takahashi, is a first step towards a better understanding of interaction between fluids and solids on the level of partial differential equations and has the unique property of considering entropy admissible solutions and the interaction with shockwaves. The model is extended to an arbitrary, finite number of particles and interactions like merging, splitting and crossing of particle paths are considered. The theory of entropy admissibility is revisited for the cases of interfaces and discontinuous flux conservation laws, existing results are summarized and compared, and adapted for regions of particle interactions. To this goal, the theory of germs introduced by Andreianov, Karlsen and Risebro is extended to this case of non-conservative interface coupling. Exact solutions for the Riemann Problem of particles drifting apart are computed and analysis on the behavior of entropy solutions across the particle related interfaces is used to determine physically relevant and consistent behavior for merging and splitting of particles. Well-posedness of entropy solutions to the Cauchy problem is proven, using an explicit construction method, L-infinity bounds, an approximation of the particle paths and compactness arguments to obtain existence of entropy solutions. Uniqueness is shown in the class of weak entropy solutions using almost classical Kruzkov-type analysis and the notion of L1-dissipative germs. Necessary fundamentals of hyperbolic conservation laws, including weak solutions, shocks and rarefaction waves and the Rankine-Hugoniot condition are briefly recapitulated. N2 - Diese Arbeit befasst sich mit dem Modell einer skalaren partiellen Differentialgleichung mit singulärem Quellterm, das die Interaktion zwischen einem reibungsfreiem Fluid, dargestellt durch die Burgers Gleichung, und einer gegebenen, endlichen Menge von sich in dem Fluid bewegenden Partikeln beschreibt, die eine punktweise Zugkraft auf das Fluid auswirken und durch eine entsprechende Reibungskonstante charakterisiert sind. \begin{align*} \partial_t u + \partial_x (u^2/2) &= \sum_{i \in N(t)} \lambda_i \Big(h_i'(t)-u(t,h_i(t)\Big)\delta(x-h_i(t)) \end{align*} Das Modell wurde für den Fall der Interaktion mit einem einzelnen Partikel durch Lagoutière, Seguin and Takahashi eingeführt, stellt einen ersten Schritt zu einem besseren Verständnis der Interaktion zwischen einem Fluid und Festkörpern auf dem Level der partiellen Differentialgleichungen dar und hat die einzigartige Eigenschaft, dass Entropielösungen und die Interaktion mit Schockwellen berücksichtigt werden. Das Modell wird zu einer beliebigen, endlichen Anzahl von Partikeln erweitert und Interaktionen wie das Verschmelzen und Spaltung von Partikeln werden behandelt. Existierende Theorie der Entropie-Zulässigkeit im Hinblick auf Interfaces und Erhaltungsgleichungen mit unstetiger Flussfunktion wird zusammengefasst, die Resultate werden verglichen und für die Regionen mit Partikelinteraktionen angepasst. Zu diesem Zweck wird die Theorie der Germs, eingeführt von Andreianov, Karlsen und Risebro, auf den vorliegenden Fall eines nicht-erhaltenden Interfaces erweitert. Für das Riemann Problem von auseinanderdriftenden Partikeln werden die exakten Lösungen berechnet und eine Analyse des Verhaltens von Entropielösungen über die von den Partikeln erzeugten Interface wird genutzt, um ein physikalisch sinnvolles und mit der Theorie eines einzelnen Partikels konsistentes Verhalten beim Verschmelzen und Spalten von Partikeln herzuleiten. Mit Hilfe einer expliziten Konstruktionsmethode, hergeleiteten L-infinity Beschränkungen, einer Approximation der Partikelpfade und Kompaktheitsargumenten wird gezeigt, dass das entsprechende Cauchy Problem wohlgestellt ist. Eindeutigkeit im Raum der schwachen Entropielösungen wird mit beinahe klassischen Argumenten der Theorie von Kruzkov sowie der Theorie von L1-dissipativen Germs gezeigt. Notwendige Grundlagen zu hyperbolischen Erhaltungsgleichungen, unter anderem die Theorie schwacher Lösungen, Schock- und Verdünnungswellen sowie die Rankine-Hugoniot Bedingung, werden in Grundzügen am Anfang der Arbeit wiederholt. KW - Hyperbolische Differentialgleichung KW - Entropielösung KW - Fluid-Partikel-Strömung KW - Burgers-Gleichung KW - Korrekt gestelltes Problem KW - Existenz und Eindeutigkeit KW - Entropiebedingung KW - Well-posedness KW - Entropy admissibility condition Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-169009 ER - TY - THES A1 - Pörner, Frank T1 - Regularization Methods for Ill-Posed Optimal Control Problems T1 - Regularisierungsverfahren für schlecht gestellte Optimalsteuerungsprobleme N2 - This thesis deals with the construction and analysis of solution methods for a class of ill-posed optimal control problems involving elliptic partial differential equations as well as inequality constraints for the control and state variables. The objective functional is of tracking type, without any additional \(L^2\)-regularization terms. This makes the problem ill-posed and numerically challenging. We split this thesis in two parts. The first part deals with linear elliptic partial differential equations. In this case, the resulting solution operator of the partial differential equation is linear, making the objective functional linear-quadratic. To cope with additional control constraints we introduce and analyse an iterative regularization method based on Bregman distances. This method reduces to the proximal point method for a specific choice of the regularization functional. It turns out that this is an efficient method for the solution of ill-posed optimal control problems. We derive regularization error estimates under a regularity assumption which is a combination of a source condition and a structural assumption on the active sets. If additional state constraints are present we combine an augmented Lagrange approach with a Tikhonov regularization scheme to solve this problem. The second part deals with non-linear elliptic partial differential equations. This significantly increases the complexity of the optimal control as the associated solution operator of the partial differential equation is now non-linear. In order to regularize and solve this problem we apply a Tikhonov regularization method and analyse this problem with the help of a suitable second order condition. Regularization error estimates are again derived under a regularity assumption. These results are then extended to a sparsity promoting objective functional. N2 - Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Konstruktion und Analyse von Lösungsverfahren für schlecht gestellte Steuerungsprobleme. Die Nebenbedingungen sind in der Form von elliptischen partiellen Differentialgleichungen, sowie Ungleichungsrestriktionen für die Steuerung und den zugehörigen Zustand gegeben. Das Zielfunktional besteht aus einem Tracking-Type-Term ohne zusätzliche \(L^2\)-Regularisierungsterme. Dies führt dazu, dass das Optimalsteuerungsproblem schlecht gestellt ist, was die numerische Berechnung einer Lösung erschwert. Diese Arbeit ist in zwei Teile aufgeteilt. Der erste Teil beschäftigt sich mit linearen elliptischen partiellen Differentialgleichungen. In diesem Fall ist der zugehörige Lösungsoperator der partiellen Differentialgleichung linear und das Zielfunktional linear-quadratisch. Um die zusätzlichen Steuerungsrestriktionen zu behandeln, betrachten wir ein iteratives Verfahren welches auf einer Regularisierung mit Bregman-Abständen basiert. Für eine spezielle Wahl des Regularisierungsfunktionals vereinfacht sich dieses Verfahren zu dem Proximal-Point-Verfahren. Die Analyse des Verfahrens zeigt, dass es ein effizientes und gut geeignetes Verfahren ist, um schlecht gestellte Optimalsteuerungsprobleme zu lösen. Mithilfe einer Regularitätsannahme werden Konvergenzraten für den Regularisierungsfehler hergeleitet. Diese Regularitätsannahme ist eine Kombination einer Source-Condition sowie einer struktuellen Annahme an die aktiven Mengen. Wenn zusätzlich Zustandsrestriktionen vorhanden sind, wird zur Lösung eine Kombination aus dem Augmented Lagrange Ansatz sowie einer Tikhonov-Regularisierung angewendet. Der zweite Teil dieser Arbeit betrachtet nicht-lineare partielle Differentialgleichungen. Dies erhöht die Komplexität des Optimalsteuerungsproblem signifikant, da der Lösungsoperator der partiellen Differentialgleichung nun nicht-linear ist. Zur Lösung wird eine Tikhonov-Regularisierung betrachtet. Mithilfe einer geeigneten Bedingung zweiter Ordnung wird dieses Verfahren analysiert. Auch hier werden Konvergenzraten mithilfe einer Regularitätsannahme bestimmt. Anschließend werden diese Methoden auf ein Funktional mit einem zusätzlichen \(L^1\)-Term angewendet. N2 - Ill-posed optimization problems appear in a wide range of mathematical applications, and their numerical solution requires the use of appropriate regularization techniques. In order to understand these techniques, a thorough analysis is inevitable. The main subject of this book are quadratic optimal control problems subject to elliptic linear or semi-linear partial differential equations. Depending on the structure of the differential equation, different regularization techniques are employed, and their analysis leads to novel results such as rate of convergence estimates. KW - Optimale Steuerung KW - Regularisierung KW - Elliptische Differentialgleichung KW - optimal control KW - partial differential equation KW - Bregman distance KW - regularization KW - error estimate Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-163153 SN - 978-3-95826-086-3 (Print) SN - 978-3-95826-087-0 (Online) N1 - Parallel erschienen als Druckausgabe in Würzburg University Press, ISBN 978-3-95826-086-3, 26,90 EUR. PB - Würzburg University Press CY - Würzburg ET - 1. Auflage ER - TY - THES A1 - Technau, Marc T1 - On Beatty sets and some generalisations thereof T1 - Über Beatty-Mengen und einige Verallgemeinerungen dieser N2 - Beatty sets (also called Beatty sequences) have appeared as early as 1772 in the astronomical studies of Johann III Bernoulli as a tool for easing manual calculations and - as Elwin Bruno Christoffel pointed out in 1888 - lend themselves to exposing intricate properties of the real irrationals. Since then, numerous researchers have explored a multitude of arithmetic properties of Beatty sets; the interrelation between Beatty sets and modular inversion, as well as Beatty sets and the set of rational primes, being the central topic of this book. The inquiry into the relation to rational primes is complemented by considering a natural generalisation to imaginary quadratic number fields. N2 - Zu gegebener Beatty-Menge \(\mathscr{B}(\alpha,\beta) = \{ n\alpha+\beta : n\in\mathbb{N} \}\) mit irrationalem \(\alpha>1\) und \(\beta\in\mathbb{R}\), sowie gegebener Primzahl \(p\) und hierzu teilerfremdem \(z\) untersuchen wir das Problem der Auffindung von Punkten \((m,\tilde{m})\) auf der modularen Hyperbel \[ \mathscr{H}_{z,p} = \{(m,\tilde{m}) \in \mathbb{Z}^2\cap[1,p )^2 : m\tilde{m}\equiv z\mod p\} \] mit \(\max\{ m, \tilde{m} \}\) so klein wie möglich, d.h. wir für gewisse \(\alpha\) beweisen nichttriviale Abschätzungen für \[ \min\{ \max\{ m, \tilde{m} \} : (m,\tilde{m})\in\mathscr{H}_{z,p}, \, m\in\mathscr{B}(\alpha,\beta) \}. \] Der Beweis fußt auf neuen Abschätzungen für unvollständige Kloosterman-Summen entlang \(\mathscr{B}(\alpha,\beta)\), welche durch das Speisen einer Methode von Banks und Shparlinski mit neuen Abschätzungen für die periodische Autokorrelation der endlichen Folge \[ 0,\, \operatorname{e}_p(y\overline{1}),\, \operatorname{e}_p(y\overline{2}),\, \ldots,\, \operatorname{e}_p(y\overline{p-1}), \quad \text{with \(y\) indivisible by \(p\)}, \] erhalten werden; (Hierbei bezeichnet \(\overline{m}\) die eindeutige natürliche Zahl \(m'\in[1,p)\) mit \(mm'\equiv 1\bmod p\) und wir schreiben \(\operatorname{e}_p(x) = \exp(2\pi i x/p)\).) Für letzteres adaptieren wir Ideen von Kloosterman. Des weiteren untersuchen wir Mengen der Form \(\{\lfloor m\alpha_1+n\alpha_2+\beta\rfloor : m,n\in\mathbb{N} \}\). Wir zeigen, dass diese stets in einer gewöhnlichen Beatty-Menge \(\mathscr{B}(\tilde{\alpha},\tilde{\beta})\) enthalten sind und geben zulässige Werte für \(\tilde{\alpha}\) und \(\tilde{\beta}\) an. Das Komplement \(\mathscr{C} = \mathscr{B}(\tilde{\alpha},\tilde{\beta}) \setminus \{\lfloor m\alpha_1+n\alpha_2+\beta\rfloor : m,n\in\mathbb{N} \}\) erweist sich als endliche Menge und wir bestimmen obere Schranken für das Supremum von \(\mathscr{C}\). Die Beweise gründen sich auf einfache Verteilungseigenschaften der Folge der Nachkommastellen \(\{n\alpha_1^{-1}\alpha_2\}\), \(n=1,2,\ldots\), sofern \(\alpha_1^{-1}\alpha_2\) irrational ist, und berufen sich anderenfalls auf die Endlichkeit der Frobenius-Zahl einer geeignet gewählten Instanz des Frobeniusschen Münzproblems. Abschließend verallgemeinern wir die Definition von Beatty-Mengen auf imaginär-quadratische Zahlkörper in einer natürlichen Weise. Hat der fragliche Zahlkörper Klassenzahl \(1\), so können wir zeigen, dass diese Beatty-artigen Mengen unendlich viele Primelemente enthalten, sofern der zugehörige Parameter \(\alpha\) nicht im betrachteten Zahlkörper enthalten ist. Für den speziellen Zahlkörper \(\mathbb{Q}(i)\) erhalten wir unter Benutzung des Hurwitzschen Kettenbruch-Algorithmus eine Zahlkörper-Variante eines früheren Resultats von Steuding und dem Autor, welches ein Beatty-Analogon des klassischen Linnikschen Satzes über die kleinste Primzahl in einer arithmetischen Progression darstellt. Die erwähnten Resultate werden durch Zahlkörper-Varianten von klassischen Ergebnissen über die Verteilung von \(\{ p\vartheta \}\), \(p=2,3,5,7,11,\ldots\), \(\vartheta\in\mathbb{R}\setminus\mathbb{Q}\), erhalten; Diese wurden kürzlich von Baier mittels der Harmanschen Siebmethode für \(\mathbb{Q}(i)\) bewiesen. Wir übertragen die zugehörigen Überlegungen auf Zahlkörper mit Klassenzahl \(1\). N2 - For Beatty sets \(\mathscr{B}(\alpha,\beta) = \{ n\alpha+\beta : n\in\mathbb{N} \}\) with irrational \(\alpha>1\) and \(\beta\in\mathbb{R}\), and \(p\) prime and coprime to \(z\), we investigate the problem of detecting points \((m,\tilde{m})\) on the modular hyperbola \[ \mathscr{H}_{z,p} = \{(m,\tilde{m}) \in \mathbb{Z}^2\cap[1,p )^2 : m\tilde{m}\equiv z\mod p\} \] with \(\max\{ m, \tilde{m} \}\) as small as possible, i.e., we obtain non-trivial estimates for \[ \min\{ \max\{ m, \tilde{m} \} : (m,\tilde{m})\in\mathscr{H}_{z,p}, \, m\in\mathscr{B}(\alpha,\beta) \} \] for certain \(\alpha\). The proof rests on new estimates for incomplete Kloosterman sums along \(\mathscr{B}(\alpha,\beta)\) which are in turn obtained on supplying a method due to Banks and Shparlinski with a new estimate for the periodic autocorrelation of the finite sequence \[ 0,\, \operatorname{e}_p(y\overline{1}),\, \operatorname{e}_p(y\overline{2}),\, \ldots,\, \operatorname{e}_p(y\overline{p-1}), \quad \text{with \(y\) indivisible by \(p\)}, \] (\(\overline{m}\) denoting the unique integer \(m'\in[1,p)\) with \(mm'\equiv 1\bmod p\) and \(\operatorname{e}_p(x) = \exp(2\pi i x/p)\), the latter being obtained from adapting an argument due to Kloosterman. Furthermore, we investigate sets of the shape \(\{\lfloor m\alpha_1+n\alpha_2+\beta\rfloor : m,n\in\mathbb{N} \}\). We show that they are always contained in some ordinary Beatty set \(\mathscr{B}(\tilde{\alpha},\tilde{\beta})\) where we give admissible choices for \(\tilde{\alpha}\) and \(\tilde{\beta}\). Their respective complement \(\mathscr{C}\) in this ordinary Beatty set is shown to be finite and bounds for the supremum of \(\mathscr{C}\) are provided. The proofs are based on basic distribution properties of the sequence of fractional parts \(\{n\alpha_1^{-1}\alpha_2\}\), \(n=1,2,\ldots\), when \(\alpha_1^{-1}\alpha_2\) is irrational, and appeal to the finiteness of the Frobenius number associated with a suitably chosen instance of the Frobenius coin problem otherwise. Lastly, we generalise the definition of Beatty sets to imaginary quadratic number fields in a natural fashion. Assuming the number field in question to have class number \(1\), we are able to show that these Beatty-type sets contain infinitely many prime elements provided that the parameter corresponding to \(\alpha\) from above is not contained in the number field. When the number field is \(\mathbb{Q}(i)\), then, using the Hurwitz continued fraction expansion, we obtain a number field analogue of a previous result of Steuding and the author, who gave a Beatty set analogue of Linnik's famous theorem on the least prime number in an arithmetic progression. These results are obtained from number field analogues of classical results about the distribution of \(\{ p\vartheta \}\), \(p=2,3,5,7,11,\ldots\), \(\vartheta\in\mathbb{R}\setminus\mathbb{Q}\), which were worked out recently by Baier for \(\mathbb{Q}(i)\) using Harman's sieve method. We generalise these arguments to imaginary quadratic number fields with class number \(1\). KW - Zahlentheorie KW - Beatty sequence KW - Kloosterman sum KW - prime number KW - distribution modulo one KW - Diophantine approximation KW - imaginary quadratic field Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-163303 SN - 978-3-95826-088-7 (Print) SN - 978-3-95826-089-4 (Online) N1 - Parallel erschienen als Druckausgabe in Würzburg University Press, ISBN 978-3-95826-088-7, 21,80 EUR. PB - Würzburg University Press CY - Würzburg ET - 1. Auflage ER - TY - GEN A1 - Breitenbach, Tim T1 - Codes of examples for SQH method N2 - Code examples for the paper "On the SQH Scheme to Solve Nonsmooth PDE Optimal Control Problems" by Tim Breitenbach and Alfio Borzì published in the journal "Numerical Functional Analysis and Optimization", in 2019, DOI: 10.1080/01630563.2019.1599911 KW - Code examples KW - SQH method Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-167587 ER - TY - GEN A1 - Breitenbach, Tim T1 - Codes of examples for SQH method N2 - Code examples for the paper "On the SQH Scheme to Solve Nonsmooth PDE Optimal Control Problems" by Tim Breitenbach and Alfio Borzì published in the journal "Numerical Functional Analysis and Optimization", in 2019, DOI: 10.1080/01630563.2019.1599911 KW - Code examples KW - SQH method Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-165669 ER - TY - THES A1 - Pirner, Marlies T1 - Kinetic modelling of gas mixtures T1 - Kinetische Modellierung von Gasgemischen N2 - This book deals with the kinetic modelling of gas mixtures. It extends the existing literature in mathematics for one species of gas to the case of gasmixtures. This is more realistic in applications. Thepresentedmodel for gas mixtures is proven to be consistentmeaning it satisfies theconservation laws, it admitsanentropy and an equilibriumstate. Furthermore, we can guarantee the existence, uniqueness and positivity of solutions. Moreover, the model is used for different applications, for example inplasma physics, for fluids with a small deviation from equilibrium and in the case of polyatomic gases. N2 - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Modellierung von Gasgemischen mittels einer kinetischen Beschreibung. Es werden Grundlagen über die Boltzmanngleichung für Gasgemische und die BGK-Aproximation präsentiert. Insbesondere wird auf deren Erweiterung auf Gasgemische eingegangen. Es wird ein Gasgemisch bestehend aus zwei Sorten von Gasen ohne chemische Reaktionen betrachtet. Das Gemisch wird mittels eines Systems kinetischer BGK-Gleichungen modelliert, welches je zwei Wechselwirkungsterme enthält, die den Impuls- und Energieaustausch berücksichtigen. Das hier vorgestellte Modell enthält einige von Physikern und Ingenieuren vorgeschlagene Modelle als Spezialfälle. Es wird gezeigt, dass das hier vorgeschlagene Modell die wesentlichen physikalischen Eigenschaften, wie Erhaltungseigenschaften, Positivität aller Temperaturen, das H-Theorem und Maxwellverteilungen im Gleichgewicht, erfüllt. Des Weiteren können die üblichen makroskopischen Gleichungen daraus hergeleitet werden. In der Literatur gibt es ein weiteres vorgeschlagenes Modell für Gasgemische mit nur einem Wechselwirkungsterm von Andries, Aoki und Perthame. In dieser Arbeit werden die Vorteile dieses Modells aus der Literatur und des hier vorgeschlagenen Modells diskutiert. Es wird die Nützlichkeit des hier vorgeschlagenen Modells illustriert, indem es dazu benutzt wird eine unbekannte Funktion in dem makroskopischen Modell für Gasgemische von Dellacherie herzuleiten. Des Weiteren wird für jedes dieser beiden Modelle Existenz, Eindeutigkeit und Positivität der Lösungen gezeigt. Dann wird das hier vorgeschlagene Modell auf bestimmte physikalische Situationen angewandt: auf Elektronen und Ionen in einem Plasma, auf ein Gasgemisch, welches sich nicht im Gleichgewicht befindet und ein Gasgemisch bestehend aus Molekülen mit zusätzlichen inneren Freiheitsgraden. Als erste Anwendung wird das Modell für geladene Teilchen erweitert und auf ein Gemisch aus Elektronen und Ionen angewandt, welches sich teilweise im Gleichgewicht befindet, teilweise nicht. Man findet solch eine Konstellation zum Beispiel bei der Fusion in einem Tokamak. Das Modell, welches hier vorgestellt wird, wird hier benutzt, da es die Wechselwirkungen zwischen Teilchen von der gleichen Sorte und Wechselwirkungen zwischen Teilchen verschiedener Sorten separiert. Dann wird ein neues Modell mithilfe der Mikro-Makro-Zerlegung hergeleitet, welches numerisch in einem Regime angewandt wird, in dem Gase teilweise im Gleichgewicht sind, teilweise nicht. Es werden theoretische Ergebnisse vorgestellt, zum einen Konvergenzraten gegen das Gleichgewicht im räumlich homogenen Fall, zum anderen die Landau-Dämpfung für Gasgemische, um sie mit Ergebnissen aus numerischen Simulationen vergleichen zu können. Als zweite Anwendung wird ein Gasgemisch betrachtet, welches eine Abweichung vom Gleichgewichtszustand hat und makroskopisch mithilfe der Navier-Stokes-Gleichungen beschrieben wird. In dieser makroskopischen Beschreibung erwartet man vier physikalische Größen, die das physikalische Verhalten eines Gases beschreiben, den Diffusionskoeffizienten, den Viskositätskoeffizienten, die Wärmeleitfähigkeit und den thermischen Diffusionsparameter. Es wird eine Chapman-Enskog-Entwicklung des hier vorgestellten Modells durchgeführt, um drei dieser vier physikalischen Größen zu bestimmen. Zusatzlich werden mehrere mögliche Erweiterungen zu einem ES-BGK-Modell für Gasgemische vorgeschlagen um die vierte physikalische Größe zu bestimmen. Es wird eine Erweiterung präsentiert, die möglichst einfach gehalten ist, eine intuitive Erweiterung, die den Fall einer Gassorte ähnelt und eine Erweiterung, die die physikalische Motivation des Physikers Holway, der das ES-BGK-Modell erfunden hat, berücksichtigt. Es wird gezeigt, dass die Erweiterungen die Erhaltungseigenschaften erfüllen, alle Temperaturen positiv sind und das H-Theorem erfüllt ist. Als dritte Anwendung wird das hier vorgestellte Modell zu einem Modell für Moleküle mit zusätzlichen inneren Freiheitsgraden erweitert. Die zwei Gassorten dürfen dabei eine unterschiedliche Anzahl an inneren Freiheitsgraden haben und werden beschrieben durch ein System von kinetischen ES-BGK-Gleichungen. Es wird gezeigt, dass das Modell die Erhaltungseigenschaften erfülllt, dass alle Temperaturen positiv sind und dass das H-Theorem erfüllt ist. Für numerische Zwecke wird die Chu-Reduktion angewandt um die Komplexität des Modells zu reduzieren und eine Anwendung gezeigt, bei dem eine Gassorte keine inneren Freiheitsgrade hat und die andere Sorte zwei Rotationsfreiheitsgrade besitzt. Als letztes wird der Grenzwert des hier vorgestellten Modells zu den dissipativen Eulergleichungen bewiesen. N2 - The present thesis considers the modelling of gas mixtures via a kinetic description. Fundamentals about the Boltzmann equation for gas mixtures and the BGK approximation are presented. Especially, issues in extending these models to gas mixtures are discussed. A non-reactive two component gas mixture is considered. The two species mixture is modelled by a system of kinetic BGK equations featuring two interaction terms to account for momentum and energy transfer between the two species. The model presented here contains several models from physicists and engineers as special cases. Consistency of this model is proven: conservation properties, positivity of all temperatures and the H-theorem. The form in global equilibrium as Maxwell distributions is specified. Moreover, the usual macroscopic conservation laws can be derived. In the literature, there is another type of BGK model for gas mixtures developed by Andries, Aoki and Perthame, which contains only one interaction term. In this thesis, the advantages of these two types of models are discussed and the usefulness of the model presented here is shown by using this model to determine an unknown function in the energy exchange of the macroscopic equations for gas mixtures described in the literature by Dellacherie. In addition, for each of the two models existence and uniqueness of mild solutions is shown. Moreover, positivity of classical solutions is proven. Then, the model presented here is applied to three physical applications: a plasma consisting of ions and electrons, a gas mixture which deviates from equilibrium and a gas mixture consisting of polyatomic molecules. First, the model is extended to a model for charged particles. Then, the equations of magnetohydrodynamics are derived from this model. Next, we want to apply this extended model to a mixture of ions and electrons in a special physical constellation which can be found for example in a Tokamak. The mixture is partly in equilibrium in some regions, in some regions it deviates from equilibrium. The model presented in this thesis is taken for this purpose, since it has the advantage to separate the intra and interspecies interactions. Then, a new model based on a micro-macro decomposition is proposed in order to capture the physical regime of being partly in equilibrium, partly not. Theoretical results are presented, convergence rates to equilibrium in the space-homogeneous case and the Landau damping for mixtures, in order to compare it with numerical results. Second, the model presented here is applied to a gas mixture which deviates from equilibrium such that it is described by Navier-Stokes equations on the macroscopic level. In this macroscopic description it is expected that four physical coefficients will show up, characterizing the physical behaviour of the gases, namely the diffusion coefficient, the viscosity coefficient, the heat conductivity and the thermal diffusion parameter. A Chapman-Enskog expansion of the model presented here is performed in order to capture three of these four physical coefficients. In addition, several possible extensions to an ellipsoidal statistical model for gas mixtures are proposed in order to capture the fourth coefficient. Three extensions are proposed: An extension which is as simple as possible, an intuitive extension copying the one species case and an extension which takes into account the physical motivation of the physicist Holway who invented the ellipsoidal statistical model for one species. Consistency of the extended models like conservation properties, positivity of all temperatures and the H-theorem are proven. The shape of global Maxwell distributions in equilibrium are specified. Third, the model presented here is applied to polyatomic molecules. A multi component gas mixture with translational and internal energy degrees of freedom is considered. The two species are allowed to have different degrees of freedom in internal energy and are modelled by a system of kinetic ellipsoidal statistical equations. Consistency of this model is shown: conservation properties, positivity of the temperature, H-theorem and the form of Maxwell distributions in equilibrium. For numerical purposes the Chu reduction is applied to the developed model for polyatomic gases to reduce the complexity of the model and an application for a gas consisting of a mono-atomic and a diatomic gas is given. Last, the limit from the model presented here to the dissipative Euler equations for gas mixtures is proven. KW - Polyatomare Verbindungen KW - Gasgemisch KW - Transportkoeffizient KW - Plasma KW - multi-fluid mixture KW - kinetic description of gases KW - entropy inequality KW - transport coefficients KW - Modellierung KW - well posedness KW - plasma modelling KW - polyatomic molecules KW - hydrodynamic limits Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-161077 SN - 978-3-95826-080-1 (Print) SN - 978-3-95826-081-8 (Online) N1 - Parallel erschienen als Druckausgabe in Würzburg University Press, ISBN 978-3-95826-080-1, 27,80 EUR. PB - Würzburg University Press CY - Würzburg ET - 1. Auflage ER - TY - THES A1 - Zenk, Markus T1 - On Numerical Methods for Astrophysical Applications T1 - Über numerische Methoden für astrophysikalische Anwendungen N2 - Diese Arbeit befasst sich mit der Approximation der Lösungen von Modellen zur Beschreibung des Strömungsverhaltens in Atmosphären. Im Speziellen umfassen die hier behandelten Modelle die kompressiblen Euler Gleichungen der Gasdynamik mit einem Quellterm bezüglich der Gravitation und die Flachwassergleichungen mit einem nicht konstanten Bodenprofil. Verschiedene Methoden wurden bereits entwickelt um die Lösungen dieser Gleichungen zu approximieren. Im Speziellen geht diese Arbeit auf die Approximation von Lösungen nahe des Gleichgewichts und, im Falle der Euler Gleichungen, bei kleinen Mach Zahlen ein. Die meisten numerischen Methoden haben die Eigenschaft, dass die Qualität der Approximation sich mit der Anzahl der Freiheitsgrade verbessert. In der Praxis werden deswegen diese numerischen Methoden auf großen Computern implementiert um eine möglichst hohe Approximationsgüte zu erreichen. Jedoch sind auch manchmal diese großen Maschinen nicht ausreichend, um die gewünschte Qualität zu erreichen. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit ist darauf gerichtet, die Qualität der Approximation bei gleicher Anzahl von Freiheitsgrade zu verbessern. Diese Arbeit ist im Zusammenhang einer Kollaboration zwischen Prof. Klingenberg des Mathemaitschen Instituts in Würzburg und Prof. Röpke des Astrophysikalischen Instituts in Würzburg entstanden. Das Ziel dieser Kollaboration ist es, Methoden zur Berechnung von stellarer Atmosphären zu entwickeln. In dieser Arbeit werden vor allem zwei Problemstellungen behandelt. Die erste Problemstellung bezieht sich auf die akkurate Approximation des Quellterms, was zu den so genannten well-balanced Schemata führt. Diese erlauben genaue Approximationen von Lösungen nahe des Gleichgewichts. Die zweite Problemstellung bezieht sich auf die Approximation von Strömungen bei kleinen Mach Zahlen. Es ist bekannt, dass Lösungen der kompressiblen Euler Gleichungen zu Lösungen der inkompressiblen Euler Gleichungen konvergieren, wenn die Mach Zahl gegen null geht. Klassische numerische Schemata zeigen ein stark diffusives Verhalten bei kleinen Mach Zahlen. Das hier entwickelte Schema fällt in die Kategorie der asymptotic preserving Schematas, d.h. das numerische Schema ist auf einem diskrete Level kompatibel mit dem auf dem Kontinuum gezeigten verhalten. Zusätzlich wird gezeigt, dass die Diffusion des hier entwickelten Schemas unabhängig von der Mach Zahl ist. In Kapitel 3 wird ein HLL approximativer Riemann Löser für die Approximation der Lösungen der Flachwassergleichungen mit einem nicht konstanten Bodenprofil angewendet und ein well-balanced Schema entwickelt. Die meisten well-balanced Schemata für die Flachwassergleichungen behandeln nur den Fall eines Fluids im Ruhezustand, die so genannten Lake at Rest Lösungen. Hier wird ein Schema entwickelt, welches sich mit allen Gleichgewichten befasst. Zudem wird eine zweiter Ordnung Methode entwickelt, welche im Gegensatz zu anderen in der Literatur nicht auf einem iterativen Verfahren basiert. Numerische Experimente werden durchgeführt um die Vorteile des neuen Verfahrens zu zeigen. In Kapitel 4 wird ein Suliciu Relaxations Löser angepasst um die hydrostatischen Gleichgewichte der Euler Gleichungen mit einem Gravitationspotential aufzulösen. Die Gleichungen der hydrostatischen Gleichgewichte sind unterbestimmt und lassen deshalb keine Eindeutigen Lösungen zu. Es wird jedoch gezeigt, dass das neue Schema für eine große Klasse dieser Lösungen die well-balanced Eigenschaft besitzt. Für bestimmte Klassen werden Quadraturformeln zur Approximation des Quellterms entwickelt. Es wird auch gezeigt, dass das Schema robust, d.h. es erhält die Positivität der Masse und Energie, und stabil bezüglich der Entropieungleichung ist. Die numerischen Experimente konzentrieren sich vor allem auf den Einfluss der Quadraturformeln auf die well-balanced Eigenschaften. In Kapitel 5 wird ein Suliciu Relaxations Schema angepasst für Simulationen im Bereich kleiner Mach Zahlen. Es wird gezeigt, dass das neue Schema asymptotic preserving und die Diffusion kontrolliert ist. Zudem wird gezeigt, dass das Schema für bestimmte Parameter robust ist. Eine Stabilität wird aus einer Chapman-Enskog Analyse abgeleitet. Resultate numerische Experimente werden gezeigt um die Vorteile des neuen Verfahrens zu zeigen. In Kapitel 6 werden die Schemata aus den Kapiteln 4 und 5 kombiniert um das Verhalten des numerischen Schemas bei Flüssen mit kleiner Mach Zahl in durch die Gravitation geschichteten Atmosphären zu untersuchen. Es wird gezeigt, dass das Schema well-balanced ist. Die Robustheit und die Stabilität werden analog zu Kapitel 5 behandelt. Auch hier werden numerische Tests durchgeführt. Es zeigt sich, dass das neu entwickelte Schema in der Lage ist, die Dynamiken besser Aufzulösen als vor der Anpassung. Das Kapitel 7 beschäftigt sich mit der Entwicklung eines multidimensionalen Schemas basierend auf der Suliciu Relaxation. Jedoch ist die Arbeit an diesem Ansatz noch nicht beendet und numerische Resultate können nicht präsentiert werden. Es wird aufgezeigt, wo sich die Schwächen dieses Ansatzes befinden und weiterer Entwicklungsbedarf besteht. N2 - This work is concerned with the numerical approximation of solutions to models that are used to describe atmospheric or oceanographic flows. In particular, this work concen- trates on the approximation of the Shallow Water equations with bottom topography and the compressible Euler equations with a gravitational potential. Numerous methods have been developed to approximate solutions of these models. Of specific interest here are the approximations of near equilibrium solutions and, in the case of the Euler equations, the low Mach number flow regime. It is inherent in most of the numerical methods that the quality of the approximation increases with the number of degrees of freedom that are used. Therefore, these schemes are often run in parallel on big computers to achieve the best pos- sible approximation. However, even on those big machines, the desired accuracy can not be achieved by the given maximal number of degrees of freedom that these machines allow. The main focus in this work therefore lies in the development of numerical schemes that give better resolution of the resulting dynamics on the same number of degrees of freedom, compared to classical schemes. This work is the result of a cooperation of Prof. Klingenberg of the Institute of Mathe- matics in Wu¨rzburg and Prof. R¨opke of the Astrophysical Institute in Wu¨rzburg. The aim of this collaboration is the development of methods to compute stellar atmospheres. Two main challenges are tackled in this work. First, the accurate treatment of source terms in the numerical scheme. This leads to the so called well-balanced schemes. They allow for an accurate approximation of near equilibrium dynamics. The second challenge is the approx- imation of flows in the low Mach number regime. It is known that the compressible Euler equations tend towards the incompressible Euler equations when the Mach number tends to zero. Classical schemes often show excessive diffusion in that flow regime. The here devel- oped scheme falls into the category of an asymptotic preserving scheme, i.e. the numerical scheme reflects the behavior that is computed on the continuous equations. Moreover, it is shown that the diffusion of the numerical scheme is independent of the Mach number. In chapter 3, an HLL-type approximate Riemann solver is adapted for simulations of the Shallow Water equations with bottom topography to develop a well-balanced scheme. In the literature, most schemes only tackle the equilibria when the fluid is at rest, the so called Lake at rest solutions. Here a scheme is developed to accurately capture all the equilibria of the Shallow Water equations. Moreover, in contrast to other works, a second order extension is proposed, that does not rely on an iterative scheme inside the reconstruction procedure, leading to a more efficient scheme. In chapter 4, a Suliciu relaxation scheme is adapted for the resolution of hydrostatic equilibria of the Euler equations with a gravitational potential. The hydrostatic relations are underdetermined and therefore the solutions to that equations are not unique. However, the scheme is shown to be well-balanced for a wide class of hydrostatic equilibria. For specific classes, some quadrature rules are computed to ensure the exact well-balanced property. Moreover, the scheme is shown to be robust, i.e. it preserves the positivity of mass and energy, and stable with respect to the entropy. Numerical results are presented in order to investigate the impact of the different quadrature rules on the well-balanced property. In chapter 5, a Suliciu relaxation scheme is adapted for the simulations of low Mach number flows. The scheme is shown to be asymptotic preserving and not suffering from excessive diffusion in the low Mach number regime. Moreover, it is shown to be robust under certain parameter combinations and to be stable from an Chapman-Enskog analysis. Numerical results are presented in order to show the advantages of the new approach. In chapter 6, the schemes developed in the chapters 4 and 5 are combined in order to investigate the performance of the numerical scheme in the low Mach number regime in a gravitational stratified atmosphere. The scheme is shown the be well-balanced, robust and stable with respect to a Chapman-Enskog analysis. Numerical tests are presented to show the advantage of the newly proposed method over the classical scheme. In chapter 7, some remarks on an alternative way to tackle multidimensional simulations are presented. However no numerical simulations are performed and it is shown why further research on the suggested approach is necessary. KW - Strömung KW - Numerical Methods KW - Hyperbolic Partial Differential Equations KW - Well-Balanced KW - Asymptotic Preserving KW - Atmosphäre KW - Mathematisches Modell KW - PDE Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-162669 ER - TY - THES A1 - Barsukow, Wasilij T1 - Low Mach number finite volume methods for the acoustic and Euler equations T1 - Finite Volumen Methoden für den Grenzwert niedriger Machzahlen der akustischen und der Euler-Gleichungen N2 - Finite volume methods for compressible Euler equations suffer from an excessive diffusion in the limit of low Mach numbers. This PhD thesis explores new approaches to overcome this. The analysis of a simpler set of equations that also possess a low Mach number limit is found to give valuable insights. These equations are the acoustic equations obtained as a linearization of the Euler equations. For both systems the limit is characterized by a divergencefree velocity. This constraint is nontrivial only in multiple spatial dimensions. As the Jacobians of the acoustic system do not commute, acoustics cannot be reduced to some kind of multi-dimensional advection. Therefore first an exact solution in multiple spatial dimensions is obtained. It is shown that the low Mach number limit can be interpreted as a limit of long times. It is found that the origin of the inability of a scheme to resolve the low Mach number limit is the lack a discrete counterpart to the limit of long times. Numerical schemes whose discrete stationary states discretize all the analytic stationary states of the PDE are called stationarity preserving. It is shown that for the acoustic equations, stationarity preserving schemes are vorticity preserving and are those that are able to resolve the low Mach limit (low Mach compliant). This establishes a new link between these three concepts. Stationarity preservation is studied in detail for both dimensionally split and multi-dimensional schemes for linear acoustics. In particular it is explained why the same multi-dimensional stencils appear in literature in very different contexts: These stencils are unique discretizations of the divergence that allow for stabilizing stationarity preserving diffusion. Stationarity preservation can also be generalized to nonlinear systems such as the Euler equations. Several ways how such numerical schemes can be constructed for the Euler equations are presented. In particular a low Mach compliant numerical scheme is derived that uses a novel construction idea. Its diffusion is chosen such that it depends on the velocity divergence rather than just derivatives of the different velocity components. This is demonstrated to overcome the low Mach number problem. The scheme shows satisfactory results in numerical simulations and has been found to be stable under explicit time integration. N2 - Finite Volumen Methoden für die kompressiblen Euler-Gleichungen zeigen übermäßige Diffusion im Grenzwert kleiner Machzahlen. Diese Dissertation beschäftigt sich mit neuen Ansätzen, um dieses Problem zu beheben. Die Analyse eines Systems einfacherer Gleichungen, die ebenso einen Grenzwert niedriger Machzahlen haben, liefert wichtige Einsichten. Diese Gleichungen sind die als Linearisierung der Euler-Gleichungen erhaltenen akustischen Gleichungen. Für beide Gleichungssysteme ist der Grenzwert durch ein divergenzfreies Geschwindigkeitsfeld charakterisiert, was nur in mehreren Raumdimensionen nichttrivial ist. Da die Jacobi-Matrizen des akustischen Systems nicht vertauschen, kann Akustik nicht auf irgendeine Art mehrdimensionaler Advektion zurückgeführt werden. Deswegen wird zunächst eine exakte Lösung in mehreren Raumdimensionen gefunden. Es wird gezeigt, dass sich der Grenzwert kleiner Machzahlen als Grenzwert langer Zeiten interpretieren lässt. Als der Ursprung des Versagens eines Schemas im Grenzwert kleiner Machzahlen wird das Fehlen einer diskreten Entsprechung zum Grenzwert langer Zeiten identifiziert. Numerische Schemata, deren diskrete stationäre Zustände alle analytischen stationären Zustände diskretisieren, werden stationaritätserhaltend genannt. Es zeigt sich, dass für die akustischen Gleichungen stationaritätserhaltende Schemata vortizitätserhaltend sind, und gerade diejenigen sind, die auch den Grenzwert kleiner Machzahlen aufzulösen vermögen. Das zeigt eine neue Verbindung zwischen diesen drei Konzepten auf. Erhaltung der Stationarität wird für lineare Akustik im Detail für Schemata studiert, die nach Raumdimensionen aufgeteilt sind, und auch für multi-dimensionale Schemata. Insbesondere wird ein Grund geliefert, warum die gleichen multi-dimensionalen diskreten Operatoren in der Literatur in sehr unterschiedlichen Kontexten auftauchen: Sie sind Diskretisierungen der Divergenz, für die eine stabilisierende, stationaritätserhaltende Diffusion gefunden werden kann. Auch für nichtlineare Gleichungen, wie die Euler-Gleichungen, kann die Erhaltung der Stationarität verallgemeinert werden. Es werden dazu mehrere Wege der Konstruktion numerischer Schemata gezeigt. Insbesondere im Hinblick auf den Grenzwert kleiner Machzahlen wird ein neuartiges Schema hergeleitet, dessen Diffusion so gewählt ist, dass es von der Divergenz der Geschwindigkeit, und nicht bloß von irgendswelchen Ableitungen der Geschwindigkeitskomponenten abhängt. Es wird gezeigt, dass dieses Schema in der Lage ist, den Grenzwert kleiner Machzahlen aufzulösen. Das Schema zeigt zufriedenstellende Resultate in Simulationen und ist stabil unter Verwendung eines expliziten Zeitintegrators. KW - Finite-Volumen-Methode KW - Machzahl KW - finite volume method KW - Euler equations KW - Acoustic equations KW - low Mach number KW - vorticity preserving Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-159965 ER - TY - JOUR A1 - Gathungu, Duncan Kioi A1 - Borzì, Alfio T1 - Multigrid Solution of an Elliptic Fredholm Partial Integro-Differential Equation with a Hilbert-Schmidt Integral Operator JF - Applied Mathematics N2 - An efficient multigrid finite-differences scheme for solving elliptic Fredholm partial integro-differential equations (PIDE) is discussed. This scheme combines a second-order accurate finite difference discretization of the PIDE problem with a multigrid scheme that includes a fast multilevel integration of the Fredholm operator allowing the fast solution of the PIDE problem. Theoretical estimates of second-order accuracy and results of local Fourier analysis of convergence of the proposed multigrid scheme are presented. Results of numerical experiments validate these estimates and demonstrate optimal computational complexity of the proposed framework. KW - elliptic problems KW - finite differences KW - fredholm operator KW - multigrid schemes KW - numerical analysis Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-158525 VL - 8 IS - 7 ER - TY - THES A1 - Gathungu, Duncan Kioi T1 - On Multigrid and H-Matrix Methods for Partial Integro-Differential Equations T1 - Mehrgitter-Verfahren und hierarchische Matrix-Lösungsverfahren für Klassen von partiellen Integro-Differential-Problemen N2 - The main theme of this thesis is the development of multigrid and hierarchical matrix solution procedures with almost linear computational complexity for classes of partial integro-differential problems. An elliptic partial integro-differential equation, a convection-diffusion partial integro-differential equation and a convection-diffusion partial integro-differential optimality system are investigated. In the first part of this work, an efficient multigrid finite-differences scheme for solving an elliptic Fredholm partial integro-differential equation (PIDE) is discussed. This scheme combines a second-order accurate finite difference discretization and a Simpson's quadrature rule to approximate the PIDE problem and a multigrid scheme and a fast multilevel integration method of the Fredholm operator allowing the fast solution of the PIDE problem. Theoretical estimates of second-order accuracy and results of local Fourier analysis of convergence of the proposed multigrid scheme are presented. Results of numerical experiments validate these estimates and demonstrate optimal computational complexity of the proposed framework that includes numerical experiments for elliptic PIDE problems with singular kernels. The experience gained in this part of the work is used for the investigation of convection diffusion partial-integro differential equations in the second part of this thesis. Convection-diffusion PIDE problems are discretized using a finite volume scheme referred to as the Chang and Cooper (CC) scheme and a quadrature rule. Also for this class of PIDE problems and this numerical setting, a stability and accuracy analysis of the CC scheme combined with a Simpson's quadrature rule is presented proving second-order accuracy of the numerical solution. To extend and investigate the proposed approximation and solution strategy to the case of systems of convection-diffusion PIDE, an optimal control problem governed by this model is considered. In this case the research focus is the CC-Simpson's discretization of the optimality system and its solution by the proposed multigrid strategy. Second-order accuracy of the optimization solution is proved and results of local Fourier analysis are presented that provide sharp convergence estimates of the optimal computational complexity of the multigrid-fast integration technique. While (geometric) multigrid techniques require ad-hoc implementation depending on the structure of the PIDE problem and on the dimensionality of the domain where the problem is considered, the hierarchical matrix framework allows a more general treatment that exploits the algebraic structure of the problem at hand. In this thesis, this framework is extended to the case of combined differential and integral problems considering the case of a convection-diffusion PIDE. In this case, the starting point is the CC discretization of the convection-diffusion operator combined with the trapezoidal quadrature rule. The hierarchical matrix approach exploits the algebraic nature of the hierarchical matrices for blockwise approximations by low-rank matrices of the sparse convection-diffusion approximation and enables data sparse representation of the fully populated matrix where all essential matrix operations are performed with at most logarithmic optimal complexity. The factorization of part of or the whole coefficient matrix is used as a preconditioner to the solution of the PIDE problem using a generalized minimum residual (GMRes) procedure as a solver. Numerical analysis estimates of the accuracy of the finite-volume and trapezoidal rule approximation are presented and combined with estimates of the hierarchical matrix approximation and with the accuracy of the GMRes iterates. Results of numerical experiments are reported that successfully validate the theoretical estimates and the optimal computational complexity of the proposed hierarchical matrix solution procedure. These results include an extension to higher dimensions and an application to the time evolution of the probability density function of a jump diffusion process. N2 - Das Hauptthema dieser Arbeit ist die Entwicklung von Mehrgitter-Verfahren und hierarchischer Matrix-Lösungsverfahren mit nahezu linearer Rechenkomplexität für Klassen von partiellen Integro-Differential-Problemen. Es werden eine elliptische partielle Integro-Differentialgleichung, eine partielle Konvektions-Diffusions-Integro-Differentialgleichung und ein partielles Konvektions-Diffusions-Integro-Differential-Optimalitätssystem untersucht. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde ein effizientes Mehrgitter-Finite-Differenzen-Schema zur Lösung einer elliptischen Fredholm partiellen Integro-Differentialgleichungen (PIDE) diskutiert. Dieses Schema kombiniert eine exakte finite Differenzen-Diskretisierung zweiter Ordnung mit einer Quadraturregel von Simpson, um das PIDE-Problem mit einem Mehrgitter-Schema und einer schnellen Multilevel-Integrationsmethode des Fredholm-Operators zu lösen, was eine schnelle Lösung des PIDE-Probleme ermöglicht. Theoretische Abschätzungen der Genauigkeit zweiter Ordnung und Ergebnisse der lokalen Fourier-Analyse der Konvergenz des vorgeschlagenen Mehrgitter-Systems werden präsentiert. Ergebnisse von numerischen Experimenten validieren diese Schätzungen und demonstrieren die optimale rechnerische Komplexität des vorgeschlagenen Frameworks, das numerische Experimente für elliptische PIDE mit singulären Kernen beinhaltet. Die in diesem Teil der Arbeit gewonnenen Erfahrungen werden zur Untersuchung einer partielle Konvektions-Diffusions-Integro-Differentialgleichungen im zweiten Teil verwendet. Konvektions-Diffusions-PIDE-Probleme werden unter Verwendung eines Finite-Volumen-Schemas, das als das Chang- Cooper- (CC-) Schema bezeichnet wird, und einer Quadraturregel diskretisiert. Auch für diese Klasse von PIDE-Problemen und diese numerische Einstellung wird eine Stabilitäts- und Genauigkeitsanalyse des CC-Schemas in Kombination mit einer Quadraturregel von Simpson vorgestellt, die die Genauigkeit der numerischen Lösung zweiter Ordnung beweist. Um die vorgeschlagene Approximations- und Lösungsstrategie auf den Fall von Konvektions-Diffusions-PIDE-Systemen auszudehnen und zu untersuchen, wird ein Optimalsteuerungsproblem mit diesem Modell als Nebenbedingung untersucht. Der Forschungsschwerpunkt liegt dabei auf der Diskretisierung des Optimalitätssystems durch die CC-Simpson-Lösung und dessen Lösung durch die vorgeschlagene Mehrgitter-Strategie. Die Genauigkeit der optimalen Lösung zweiter Ordnung wird bewiesen und es werden Ergebnisse der lokalen Fourier-Analyse präsentiert, die scharfe Konvergenz-Schätzungen der optimalen Berechnungskomplexität der schnellen Mehrgitter Integrationstechnik liefern. Während (geometrische) Mehrgitterverfahren je nach Struktur des PIDE-Problems und der Dimensionalität des Gebietes, in dem das Problem berücksichtigt wird, eine Ad-hoc-Implementierung erfordern, ermöglicht das hierarchische Matrix-Framework eine allgemeinere Behandlung, die die algebraische Struktur des Problems nutzt. In dieser Arbeit wird dieses Verfahren auf den Fall kombinierter Differential- und Integralprobleme im Fall einer Konvektions-Diffusions-PIDE erweitert. In diesem Fall ist der Startpunkt die CC-Diskretisierung des Konvektions-Diffusions-Operators in Kombination mit der Trapez-Quadratur-Regel. Der hierarchische Matrixansatz nutzt die algebraische Natur der hierarchischen Matrizen für blockweise Approximationen durch niedrigrangige Matrizen der dünn besetzten Konvektions-Diffusionsmatrix und ermöglicht eine datenarme Darstellung der vollständig besetzten Matrix, bei der alle wesentlichen Matrixoperationen mit höchstens logarithmisch optimaler Komplexität durchgeführt werden. Die Faktorisierung eines Teils oder der gesamten Koeffizientenmatrix wird als Vorbedingung für die Lösung der PIDE-Probleme unter Verwendung eines verallgemeinerten minimalen Restwert-Verfahrens (GMRes) als Löser verwendet. Eine numerische Analyse der Abschätzungen der Genauigkeit der Finite-Volumen- und Trapezregel-Approximation werden präsentiert und kombiniert mit Abschätzungen der hierarchischen Matrix-Näherung und mit der Genauigkeit der GMRes iterationen kombiniert. Ergebnisse numerischer Experimente werden vorgestellt, die theoretischen Abschätzungen und die optimale rechnerische Komplexität der vorgeschlagenen hierarchischen Matrix Lösungsverfahren erfolgreich validieren. Diese Ergebnisse beinhalten eine Erweiterung auf höhere Dimensionen und eine Anwendung auf die zeitliche Entwicklung der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion des Sprungdiffusionsprozesses. KW - Mehrgitterverfahren KW - Hierarchische Matrix KW - Integrodifferentialgleichung KW - Numerical analysis KW - multigrid KW - hierarchical matrix KW - partial integro-differential equations Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-156430 ER - TY - THES A1 - Reichert, Thorsten T1 - Classification and Reduction of Equivariant Star Products on Symplectic Manifolds N2 - This doctoral thesis provides a classification of equivariant star products (star products together with quantum momentum maps) in terms of equivariant de Rham cohomology. This classification result is then used to construct an analogon of the Kirwan map from which one can directly obtain the characteristic class of certain reduced star products on Marsden-Weinstein reduced symplectic manifolds from the equivariant characteristic class of their corresponding unreduced equivariant star product. From the surjectivity of this map one can conclude that every star product on Marsden-Weinstein reduced symplectic manifolds can (up to equivalence) be obtained as a reduced equivariant star product. N2 - Diese Doktorarbeit klassifiziert äquivariante Sternprodukte (Sternprodukte zusammen mit Quantenimpulsabbildungen) über die äquivariante de Rham Kohomologie. Diese Klassifizierung wird im Folgenen genutzt um ein Analogon der Kirwan-Abbildung zu konstruieren, welches ermöglicht die charakteristische Klasse von bestimmten reduzierten Sternprodukten auf Marsden-Weinstein reduzierten symplektischen Mannigfaltigkeiten direkt aus der äquivarianten charakteristischen Klasse des zugehörigen unreduzierten äquivarianten Sternprodukts zu erhalten. Die Surjektivität dieser Abbildung zeigt schließlich, dass jedes Sternprodukt auf einer Marsden-Weinstein reduzierten symplektischen Mannigfaltigkeit (bis auf Äquivalenz) als Reduktion eines äquivarianten Sternprodukts verstanden werden kann. T2 - Klassifizierung und Reduktion äquivarianter Sternprodukte auf symplektischen Mannigfaltigkeiten KW - Homologische Algebra KW - Differentialgeometrie KW - Quantenmechanik KW - symplectic geometry KW - deformation quantization KW - equivariant cohomology Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-153623 ER - TY - THES A1 - Lieb, Julia T1 - Counting Polynomial Matrices over Finite Fields : Matrices with Certain Primeness Properties and Applications to Linear Systems and Coding Theory BT - Matrices with Certain Primeness Properties and Applications to Linear Systems and Coding Theory N2 - This dissertation is dealing with three mathematical areas, namely polynomial matrices over finite fields, linear systems and coding theory. Coprimeness properties of polynomial matrices provide criteria for the reachability and observability of interconnected linear systems. Since time-discrete linear systems over finite fields and convolutional codes are basically the same objects, these results could be transfered to criteria for non-catastrophicity of convolutional codes. We calculate the probability that specially structured polynomial matrices are right prime. In particular, formulas for the number of pairwise coprime polynomials and for the number of mutually left coprime polynomial matrices are calculated. This leads to the probability that a parallel connected linear system is reachable and that a parallel connected convolutional codes is non-catastrophic. Moreover, the corresponding probabilities are calculated for other networks of linear systems and convolutional codes, such as series connection. Furthermore, the probabilities that a convolutional codes is MDP and that a clock code is MDS are approximated. Finally, we consider the probability of finding a solution for a linear network coding problem. N2 - Diese Dissertation beschäftigt sich mit drei Teilgebieten der Mathematik, nämlich Polynommatrizen über endlichen Körpern, linearen Systemen und Faltungscodes. Teilerfremdheitseigenschaften für Polynommatrizen stellen Kriterien für die Erreichbarkeit und Beoabachtbarkeit eines vernetzten linearen Systems zur Verfügung. Da zeit-diskrete lineare dynamische Systems und Faltungscodes im Prinzip diesselben Objekte darstellen, können diese Resultate in Kriterien dafür, dass ein Faltungscode nicht-katastrophal ist, übersetzt werden. Wir berechnen die Wahrscheinlichkeit, dass Polynommatrizen von spezieller Struktur rechtsprim sind. Im Besonderen, werden Formeln für die Anzahl paarweise teilerfremder Polynome sowie für die Anzahl wechselweise links-teilerfremder Polynommatrizen berechnet. Dies führt zu der Wahrscheinlichkeit, dass eine Parallelschaltung linearer Systeme erreichbar ist und dass eine Parallelschaltung von Faltungscodes nicht-katastrophal ist. Zudem werden andere Netzwerke linearen Systeme und von Faltungscodes, wie z.B. Reihenschaltung betrachtet. Des weiteren werden die Wahrscheinlichkeiten, dass ein Faltungscode MDP und dass ein Blockcode MDS ist, approximiert. Schließlich, betrachten wir die Wahrscheinlichkeit, eine Lösung für ein lineares Netzwerk-Kodierungsproblem zu finden. KW - Lineares System KW - Faltungscode KW - Polynomial matrices KW - linear system KW - convolutional code KW - Matrizenpolynom KW - Matrixpolynom Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-151303 SN - 978-3-95826-064-1 (print) SN - 978-3-95826-065-8 (online) N1 - Parallel erschienen als Druckausgabe in Würzburg University Press, 978-3-95826-064-1, 24,90 EUR. PB - Würzburg University Press CY - Würzburg ET - 1. Auflage ER - TY - THES A1 - Sprengel, Martin T1 - A Theoretical and Numerical Analysis of a Kohn-Sham Equation and Related Control Problems T1 - Eine theoretische und numerische Untersuchung einer Kohn-Sham-Gleichung und verwandter Steuerungsprobleme N2 - In this work, multi-particle quantum optimal control problems are studied in the framework of time-dependent density functional theory (TDDFT). Quantum control problems are of great importance in both fundamental research and application of atomic and molecular systems. Typical applications are laser induced chemical reactions, nuclear magnetic resonance experiments, and quantum computing. Theoretically, the problem of how to describe a non-relativistic system of multiple particles is solved by the Schrödinger equation (SE). However, due to the exponential increase in numerical complexity with the number of particles, it is impossible to directly solve the Schrödinger equation for large systems of interest. An efficient and successful approach to overcome this difficulty is the framework of TDDFT and the use of the time-dependent Kohn-Sham (TDKS) equations therein. This is done by replacing the multi-particle SE with a set of nonlinear single-particle Schrödinger equations that are coupled through an additional potential. Despite the fact that TDDFT is widely used for physical and quantum chemical calculation and software packages for its use are readily available, its mathematical foundation is still under active development and even fundamental issues remain unproven today. The main purpose of this thesis is to provide a consistent and rigorous setting for the TDKS equations and of the related optimal control problems. In the first part of the thesis, the framework of density functional theory (DFT) and TDDFT are introduced. This includes a detailed presentation of the different functional sets forming DFT. Furthermore, the known equivalence of the TDKS system to the original SE problem is further discussed. To implement the TDDFT framework for multi-particle computations, the TDKS equations provide one of the most successful approaches nowadays. However, only few mathematical results concerning these equations are available and these results do not cover all issues that arise in the formulation of optimal control problems governed by the TDKS model. It is the purpose of the second part of this thesis to address these issues such as higher regularity of TDKS solutions and the case of weaker requirements on external (control) potentials that are instrumental for the formulation of well-posed TDKS control problems. For this purpose, in this work, existence and uniqueness of TDKS solutions are investigated in the Galerkin framework and using energy estimates for the nonlinear TDKS equations. In the third part of this thesis, optimal control problems governed by the TDKS model are formulated and investigated. For this purpose, relevant cost functionals that model the purpose of the control are discussed. Henceforth, TDKS control problems result from the requirement of optimising the given cost functionals subject to the differential constraint given by the TDKS equations. The analysis of these problems is novel and represents one of the main contributions of the present thesis. In particular, existence of minimizers is proved and their characterization by TDKS optimality systems is discussed in detail. To this end, Fréchet differentiability of the TDKS model and of the cost functionals is addressed considering \(H^1\) cost of the control. This part is concluded by deriving the reduced gradient in the \(L^2\) and \(H^1\) inner product. While the \(L^2\) optimization is widespread in the literature, the choice of the \(H^1\) gradient is motivated in this work by theoretical consideration and by resulting numerical advantages. The last part of the thesis is devoted to the numerical approximation of the TDKS optimality systems and to their solution by gradient-based optimization techniques. For the former purpose, Strang time-splitting pseudo-spectral schemes are discussed including a review of some recent theoretical estimates for these schemes and a numerical validation of these estimates. For the latter purpose, nonlinear (projected) conjugate gradient methods are implemented and are used to validate the theoretical analysis of this thesis with results of numerical experiments with different cost functional settings. N2 - In dieser Arbeit werden quantenmechanische Vielteilchen-Optimalsteuerungsprobleme im Rahmen der zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie (TDDFT) untersucht. Quantenmechanische Optimalsteuerungsprobleme sind sowohl in der Grundlagenforschung atomarer und molekularer Systeme als auch in entsprechenden Anwendungen von großer Bedeutung. Typische Anwendungen sind laserinduzierte chemische Reaktionen, Kernspinresonanzexperimente und Quantencomputer. Theoretisch ist das Problem einer nicht-relativistischen Beschreibung von Vielteilchensystemen mit der Schrödingergleichung (SG) gelöst. Tatsächlich ist es aber wegen des exponentiellen Anstiegs der numerischen Komplexität mit der Teilchenzahl unmöglich, die Schrödingergleichung für große Systeme von Interesse direkt zu lösen. Ein effizienter und erfolgreicher Ansatz diese Schwierigkeit zu überwinden ist die TDDFT und die Verwendung der zeitabhängigen Kohn-Sham-Gleichungen (TDKS) im Rahmen der TDDFT. Diese ersetzen die Vielteichlchen-SG durch ein System nichtlinearer Einteilchen-SGn, die mittels eines zusätzlichen Potentials gekoppelt sind. Obwohl die TDDFT für physikalische und quantenchemische Rechungen weit verbreitet ist und Softwarepakete zur direkten Verwendung zur Verfügung stehen, sind die mathematischen Grundlagen der TDDFT noch in der Entwicklung und grundlegende Vermutungen sind noch immer unbewiesen. Das Hauptanliegen der vorliegenden Arbeit ist es, einen konsistenten und mathematisch präzisen Rahmen für die TDKS-Gleichungen und verwandte Optimalsteuerungsprobleme zu liefern. Im ersten Teil der Arbeit wird die Dichtefunktionaltheorie (DFT) und die TDDFT eingeführt. Diese Einführung enthält eine detaillierte Darstellung der für die DFT relevanten Funktionenmengen. Außerdem wird die bereits bekannte Äquivalenz zwischen dem ursprünglichen Schrödingerproblem und dem TDKS-System mathematisch weitergehend diskutiert. Der derzeit erfolgreichste Ansatz, Vielteichenrechnungen im Rahmen der TDDFT umzusetzen, sind die TDKS-Gleichungen. Es sind jedoch bisher nur wenige mathematische Resultate über diese Gleichungen verfügbar und diese Ergebnisse behandeln nicht alle Probleme, die bei der Formulierung von Optimalsteuerungsproblemen bei TDKS-Gleichungen auftreten. Es ist das Ziel des zweiten Teils dieser Arbeit, diese für die Wohldefiniertheit der Formulierung der Optimalsteuerungsaufgabe maßgeblichen Probleme, wie die höhere Regularität der Lösungen der TDKS-Gleichungen und schwächere Voraussetzungen an das externe Kontrollpotential, zu behandeln. Dazu wird die Existenz und Eindeutigkeit von Lösungen der nichtlinearen TDKS-Gleichungen mit dem Galerkin-Ansatz und Energieabschätzungen untersucht. Im dritten Teil dieser Arbeit werden Probleme optimaler Steuerung bei TDKS-Gleichungen formuliert und untersucht. Dafür werden relevante Kostenfunktionale, die das Ziel der Steuerung modellieren, diskutiert. Die Optimalsteuerungsprobleme ergeben sich aus der Optimierung dieser Kosten unter der Nebenbedingung der TDKS-Gleichungen. Die Analyse dieser Probleme ist neu und stellt eines der Hauptergebnisse der vorliegenden Arbeit dar. Insbesondere wird die Existenz einer optimalen Steuerung bewiesen und ihre Charakterisierung mittels eines TDKS-Optimalitätssystem im Detail diskutiert. Dazu wird die Fréchet-Differenzierbarkeit des TDKS-Models und des Kostenfunktionals mit \(H^1\)-Steuerungskosten betrachtet. Abschließend wird der reduzierte Gradient im \(L^2\)- und im \(H^1\)-Skalarprodukt hergeleitet. Während die \(L^2\)-Optimierung in der Literatur weit verbreitet ist, wird in dieser Arbeit die Verwendung des \(H^1\)-Gradienten mit theoretischen Argumenten und resultierenden numerischen Vorteilen motiviert. Der letzte Teil dieser Arbeit ist der numerischen Approximation des TDKS-Optimalitätssystems und seiner Lösung mittels gradientenbasierter Optimierungsmethoden gewidmet. Für ersteres wird die Strang Zeitsplitting-Pseudospektralmethode diskutiert, eine Zusammenfassung einiger aktueller theoretischer Abschätzungen für dieses Schema angegeben und diese Abschätzungen numerisch überprüft. Für letzteres wird das (projizierte) nichtlineare Verfahren der konjugierten Gradienten (NCG) implementiert und verwendet um die theoretische Analyse dieser Arbeit mit den Ergebnissen numerischer Rechnungen für verschiedene Kostenfunktionale zu validieren. KW - Optimale Kontrolle KW - Dichtefunktionalformalismus KW - Optimierung KW - TDDFT KW - TD Kohn-Sham equations KW - optimal control Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-153545 ER -