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Über eine Erweiterung der Methode von Soshnikov zur Untersuchung des größten Eigenwerts auf unsymmetrische Verteilungen
(2013)
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Felix Grimme
- Seit der Entdeckung des Halbkreisgesetzes durch Wigner werden reell-symmetrische Zufallsmatrix-Ensembles untersucht. Soshnikov hat in einer bahnbrechenden Arbeit gezeigt, dass für Wigner-Ensembles $A_n=(\xi_\ij)_{1\le i\le j\le n}$ mit symmetrisch verteilten Einträgen die Verteilung des größten Eigenwerts in einer geeigneten Skalierung für $n\to\infty$ universelles Verhalten zeigt und schwach gegen die Tracy-Widom-Verteilung, die Verteilung des Gauß'schen orthogonalen Ensembles, konvergiert. Für den Beweis nutzt Soshnikov die Momentenmethode. Hierbei wird die Analyse der Verteilungsfunktion des größten Eigenwerts auf die Analyse von Erwartungswerten von Spuren hoher Matrixpotenzen zurückgeführt (die Exponenten wachsen mit $n^{2/3}$). Die Spuren werden via $\tr A_n^{p_n}=\sum_{(i_0,\ldots,i_{p-1})\in[n]^p}\xi_{i_0,i_1}\xi_{i_1,i_2}\ldots\xi_{i_{p-1},i_0}$ als Summe über geschlossene Pfade kombinatorisch interpretiert. In der Analyse gilt es herauszufinden, welche Klassen von Pfaden (die mit den Momenten der Matrixeinträge in Verbindung stehen) die Spuren in der Asymptotik $n\to\infty$ dominieren. Es stellt sich heraus das dies Pfade sind, die jede ihrer Kanten genau zweimal durchlaufen. Das bedeutet, dass die Spuren asymptotisch nur von den für alle Matrixeinträge gleichen zweiten Momenten abhängen, sie sind also asymptotisch für alle betrachteten Ensembles universell.
Diese Methode wird in der vorliegenden Arbeit auf Wigner-Ensembles mit nicht notwendig symmetrischen Verteilungen der Einträge erweitert. Die Kombinatorik ist in diesem Fall komplexer. Resultat der Arbeit ist, dass die Methode von Soshnikov funktioniert, wenn folgende Bedingungen erfüllt sind:
die ersten und dritten Momente der Einträge sind~0
für die 97.\ Momente existiert eine in~$n$ gleichmäßige Schranke.
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Geometrische Konstruktionen linearer Codes über Galois-Ringen der Charakteristik 4 von hoher homogener Minimaldistanz
(2012)
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Michael Kiermaier
- In dieser Arbeit werden vier neue unendliche Serien von linearen Codes über Galois-Ringen der Charakteristik 4 konstruiert.
Hinsichtlich der Minimaldistanz übertreffen die Gray-Bilder der konstruierten Codes alle bekannten vergleichbaren linearen Codes.
In den Konstruktionen wird die Theorie der projektiven Hjelmslev-Geometrien, der Assoziationsschemata sowie der symmetrischen Bilinearformen in endlichdimensionalen GF(2)-Vektorräumen benutzt.
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Das Optimierungslabor – ein Erfahrungsbericht
(2012)
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Miriam Kießling
Tobias Kreisel
Sascha Kurz
Jörg Rambau
Konrad Schade
Cornelius Schwarz
- Seit mehreren Jahren besuchen uns Schülerinnen und Schüler an der
Universität zu Anlässen wie dem Tag der Mathematik, dem Girls’ Day,
der MINT-Universität oder einfach auf Initiative ihrer
Klassenleitungen. Sie möchten einen Einblick in die Welt der
Mathematik über die Schulmathematik hinaus bekommen. Doch wie lässt
sich die Brücke vom Schulstoff zu den Inhalten der
Universitätsmathematik schlagen? Und: findet man einen
Themenschwerpunkt, bei dem ein aktives Mitmachen trotz fehlender
Vorkenntnisse in Anbetracht begrenzter Zeit möglich wird?
In der diskreten Optimierung lassen sich Problem-Modellierung und
Problem-Lösung sehr gut trennen. Selbst forschungsnahe Modelle der
ganzzahligen linearen Optimierung (MILP-Modelle) basieren auf sehr
elementaren Überlegungen, wie die Entscheidungsmöglichkeiten, Ziele
und Restriktionen eines Alltagsproblems in Variablen,
Bewertungsfunktionen, Gleichungen und Ungleichungen ausgedrückt werden
können. Wie dann optimale Lösungen gefunden werden, erfordert zwar
tiefergehende Mathematik, es gibt aber Software dafür, in der das
Wissen aus Teilen des Mathematik-Studiums und der mathematischen
Forschung kondensiert vorliegt.
Unser Vermittlungsziel: Schülerinnen und Schüler wissen nach dem
Besuch, dass man verschiedenste Probleme angreifen kann, indem man sie
in die Sprache der Mathematik übersetzt, denn in Software gegossenes
mathematisches Know-How kann dann diese Probleme lösen, ohne etwas
über die Probleme selbst zu wissen. Unsere Idee für eine Maßnahme:
Ein Optimierungslabor. Die Schülerinnen und Schüler isolieren in
Teamarbeit die wesentlichen logischen Merkmale von Sudokulösen,
Rucksackpacken, Routenplanung u.v.a.m. Dann übersetzen sie die
Problemstellungen in die Sprache der Mathematik (hier: MILP-Modelle)
und lassen sie (unterstützt durch unser Team) von Computerprogrammen
lösen (MILP-Löser), die nichts anderes als diese Sprache verstehen.
Schließlich übersetzen sie die mathematischen Lösungen wieder in die
Sprache der Problemstellung. Erfahrungen mit der Modellierung auf
Basis linearer Gleichungssysteme können dabei aus dem Schulunterricht
eingebracht werden.
In diesem Bericht wollen wir unsere Erfahrungen mit konkreten Details
der Umsetzung schildern.
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Beiträge zur Optimalen Steuerung partiell-differential algebraischer Gleichungen
(2012)
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Armin Rund
- Diese Arbeit liefert Beiträge zur Optimalen Steuerung partiell-differential algebraischer Gleichungen. Insbesondere werden Zustandsbeschränkungen bei der Optimalen Steuerung gewöhnlicher und partieller Differentialgleichungen sowie gekoppelter Systeme untersucht. Die verschiedenen Konzepte dieser Gebiete werden verglichen, übertragen und eingeordnet. Zentrale Ergebnisse sind die Übertragung der notwendigen Bedingungen nach Bryson, Denham und Dreyfus auf elliptische Optimalsteuerungsprobleme mit punktweisen Zustandsbeschränkungen, die Übertragung von Sprungbedingungen und Maßdarstellungen auf ein ODE-PDE beschränktes Optimalsteuerungsproblem mit Zustandsbeschränkungen bei niederdimensionalen aktiven Mengen, sowie die Entwicklung effizienter numerischer Methoden für komplexe Anwendungsprobleme. Die Beiträge dieser Arbeit gliedern sich in vier Kapitel, deren Aspekte jeweils zusammengefasst werden: Zunächst werden die Grundlagen aus der Optimalen Steuerung gewöhnlicher Differentialgleichungen mit Zustandsbeschränkungen wiederholt. Die beiden geläufigen notwendigen Bedingungen nach Jacobson, Lele und Speyer, sowie nach Bryson, Denham und Dreyfus (BDD-Ansatz) werden erläutert und in den Zusammenhang der Optimalen Steuerung partieller Differentialgleichungen gestellt. Dabei wird der Zusammenhang zwischen den Sprungbedingungen und dem Borel-Maß hergestellt. In Kapitel 2 wird der BDD-Ansatz auf ein Optimalsteuerungsproblem einer elliptischen partiellen Differentialgleichung mit punktweisen Zustandsbeschränkungen und verteilten aktiven Mengen übertragen. Die Idee dieses BDD-Ansatzes ist es, die Zustandsbeschränkung auf der aktiven Menge äquivalent in eine Steuerungs-Zustandsbeschränkung oder ggf. eine reine Steuerungsbeschränkung zu transformieren. Dies erlaubt die Herleitung neuer notwendiger Bedingungen. Durch die Transformation der Zustandsbeschränkungen gewinnen die zugehörigen Lagrange-Multiplikatoren an Regularität. Man erhält aus den neuen notwendigen Bedingungen ein Randwertproblem auf verschiedenen Gebieten mit Übergangsbedingungen. Das Interface zwischen den verschiedenen Gebieten stellt eine Optimierungsvariable dar. Eine notwendige Bedingung am Interface wird mit Techniken der Shapeoptimierung hergeleitet. Das Kapitel 3 behandelt Zustandsbeschränkungen bei gemischten ODE-PDE Problemen: Anhand eines zeitabhängigen Anwendungsproblems - des sogenannten Rocketcars - lässt sich eine vollständige Darstellung des Borel-Maßes auf niederdimensionalen aktiven Mengen angeben. In der Folge lassen sich Sprungbedingungen und weitgehende Regularitätsaussagen herleiten. Die explizite Massdarstellung ermöglicht weiterhin die Formulierung als Mehrpunkt-Anfangsrandwertproblem und den Einsatz angepasster Lösungsmethoden. Kapitel 4 widmet sich schließlich einem komplexen Anwendungsproblem eines OC-PDAE: Ein Brennstoffzellenmodell stellt uns vor ein Optimalsteuerungsproblem eines Systems von partiell-differentiell algebraischen Gleichungen. Es werden notwendige Bedingungen hergeleitet und direkte sowie indirekte (adjungierten-basierte) Methoden der Optimalen Steuerung entwickelt und verglichen. Numerische Experimente bestätigen die Effizienz der vorgestellten Methoden. Insbesondere das indirekte Quasi-Newton-Verfahren erlaubt eine zeitadaptive optimale Steuerung der Brennstoffzellenanlage mit hoher Genauigkeit und unter geringer Rechenzeit.
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Gitterbasenreduktion mit Random Sampling und heuristischen Erweiterungen
(2011)
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Heiko Vogel
- Diese Dissertation beschäftigt sich mit dem mathematischen Teilgebiet der Gitterbasenreduktion. Aufbauend aus den Erkenntnissen der Diplomarbeit "Gitterbasenreduktion mit Random Sampling" werden verschiedene Modifikationen am ursprünglichen LLL- bzw. BKZ-Verfahren vorgenommen: Es wird der von C. Schnorr entwickelte Ansatz, den LLL-Austauschschritt um Tiefeneinfügungen zu erweitern, aufgegriffen und eine alternative Methode zum Basisaustausch für das BKZ-Verfahren vorgestellt. Ferner werden zwei unterschiedliche Verfahren von A. Wassermann und P. Nguyen zum Abschneiden von Enumerationsbäumen beschrieben. Die Random Sampling Strategie von Schnorr wurde überarbeitet, um ein schlechtes GSA-Verhalten des Gitters zu berücksichtigen und eine neuartige Strategie von Buchmann und Ludwig wurde implementiert, bei der das GSA-Verhalten vollkommen irrelevant ist. Schließlich wird ein grundlegendes, heuristisches Bewertungskonzept für Gittervektoren entwickelt, das im Rahmen eines von T. Vidick und P. Nguyen beschriebenen Siebverfahrens, Anwendung findet. Mit Hinblick auf die Qualität der erreichten Gitter-Reduktion für schwierige Market-Split-Probleme in Dimensionen ≈ 120, liefern diese neuen Methoden hervorragende Ergebnisse in äußerst kurzer Zeit (ca. 5 Stunden auf einem 3 GHz Rechner). Auch für Problemdimensionen > 500 sind die Resultate durchaus noch zufriedenstellend - allerdings ist hierbei der Rechenaufwand (> 7 Tage) nicht mehr zu vernachlässigen. Im Vergleich mit dem kommerziellen Programm CPLEX, das einen völlig anderen Ansatz zur Lösung von ganzzahlig-linearen Gleichungssystemen verfolgt, konnten sogar sehr gute Ergebnisse erzielt werden.
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Computergestützte Suche nach optimalen linearen Codes über endlichen Kettenringen unter Verwendung heuristischer Methoden
(2011)
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Johannes Zwanzger
- In den Jahren 1968 und 1972 entdeckten Preparata bzw. Kerdock zwei unendliche Serien sehr guter nichtlinearer binärer Codes. Beide umfassen den Nordstrom-Robinson-Code, einen (16, 2^8, 6)-Code, dessen Minimaldistanz die obere Schranke von 5 für lineare binäre Codes gleicher Länge und Kardinalität übertrifft. Lange Zeit war unklar, warum die Codes beider Serien formal dual zueinander sind, d. h. warum ihre Gewichtszähler die MacWilliams-Identität erfüllen. Erst in den neunziger Jahren fand man heraus, dass sie als Bilder linearer Codes über dem Ring Z4 unter der sogenannten Grayabbildung dargestellt werden konnten. Diese Entdeckung löste einerseits das Rätsel und rückte gleichzeitig die Untersuchung linearer Codes über Z4 in den Fokus der Forschung. In den Folgejahren wurden Codes über endlichen Kettenringen als natürliche Verallgemeinerung der klassischen Codes über endlichen Körpern erkannt. Für jeden endlichen Kettenring R ist der Faktorring R/Rad(R) isomorph zu einem endlichen Körper GF(q), und mit Hilfe einer verallgemeinerten Version der Grayabbildung kann jeder R-lineare Code in einen - für gewöhnlich nichtlinearen - Code über GF(q) überführt werden. R-lineare Codes, deren Graybild eine bessere Minimaldistanz aufweist als optimale lineare Codes über GF(q) mit denselben Parametern, nennen wir BTL-Codes (better-than-linear). Ist noch unklar, ob lineare Codes derselben Minimaldistanz über GF(q) existieren, sprechen wir von BTKL-Codes (better-than-known-linear). Im Unterschied zu den umfassenden Tabellen für lineare Codes über Körpern gab es - abgesehen von Z4 - bisher nur wenig vergleichbares Datenmaterial zu linearen Codes über endlichen Kettenringen. Diese Lücke zu schließen und gleichzeitig nach weiteren Beispielen für BTL- und BTKL-Codes zu suchen, waren die Hauptziele der vorliegenden Arbeit. Um dies zu erreichen, wurde ein heuristischer Algorithmus aus meiner Diplomarbeit für die Suche nach guten linearen Codes über endlichen Körpern auf die Situation über endlichen Kettenringen verallgemeinert. Es handelt sich hierbei um einen Greedy-Algorithmus, der versucht, die gewünschten Codes durch schrittweises Erweitern von Generatormatrizen zu konstruieren. Die Entscheidungen in jedem Schritt basieren dabei auf einer von probabilistischen Überlegungen geleiteten Bewertungsfunktion. Eine weitere Verallgemeinerung ermöglichte es außerdem, die Methode auf eine größere Klasse von Problemen anzuwenden. In dieser Arbeit betraf dies im Speziellen die Konstruktion linearer Codes nach der Kramer-Mesner-Methode, also solchen, deren Automorphismengruppe eine bestimmte, vorgeschriebene Untergruppe enthält. Mit Hilfe dieser Verfahren wurde eine Datenbank von mehr als 93.000 linearen Codes mit hoher Minimaldistanz über 24 verschiedenen endlichen Kettenringen aufgebaut. Mehr als 1.200 dieser Codes sind als optimal nachgewiesen. Außerdem wurden mehrere neue BTL- und BTKL-Codes gefunden. Einer von ihnen entpuppte sich als der erste Vertreter einer unendlichen Serie über Z4, für deren beiden Anfangsglieder die BTL-Eigenschaft gezeigt werden konnte. Für einen anderen Code fand sich eine interessante geometrische Interpretation. Die Methoden wurden auch zur Konstruktion klassischer Codes über endlichen Körpern mit vorgeschriebener Automorphismengruppe eingesetzt. Dies führte zur Verbesserung der internationalen Tabellen für die beste bekannte Minimaldistanz an insgesamt 497 Stellen, wobei mindestens 38 der gefundenen Codes optimal sind. Auf Grundlage dieser Ergebnisse ist festzustellen, dass die verallgemeinerte Version des Algorithmus sich als mächtiges Werkzeug für Konstruktionsprobleme der hier vorliegenden Art erwiesen hat. Die erzeugten Tabellen legen außerdem die Vermutung nahe, dass BTL- und BTKL-Codes eher seltene Objekte sind, insbesondere für andere Kettenringe als Z4.
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Klassifikation gewisser Darstellungen halbeinfacher Liealgebren
(2011)
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Ridvan Güner
- Zusammenfassung Die Arbeit behandelt folgende Fragen aus der Darstellungs- und Invariantentheorie halbeinfacher Liealgebren: Gegeben eine halbeinfache (meist: eine einfache) komplexe endlich dimensionale Liealgebra L . Betrachtet wird das Monoid M = M(L) der Äquivalenzklassen der endlich dimensionalen irreduziblen komplexen Darstellungen von L . M wird identifiziert mit dem Gitter der entsprechenden höchsten Gewichte (bezüglich einer ausgewählten Cartanalgebra von L und einer ausgewählten Basis der zugehörigen Wurzeln). Diese Identifizierung liefert die Monoidstruktur von M . Zu einer Darstellung pi von L kann man die symmetrische Algebra von pi betrachten (als unendlich dimensionale Darstellung, welche die symmetrischen Potenzen von pi als endlich dimensionale direkte Summanden enthält.) Ein höchstes Gewicht von L , das als höchstes Gewicht einer irreduziblen Komponente in einer n-ten symmetrischen Potenz von pi auftritt, sei gutes dominantes Gewicht genannt. Die Menge aller guten dominanten Gewichte bildet ein Untermonoid M(pi) des Monoids M . Solch ein M(pi) besitzt einen natürlich definierten Rang r(pi) , der größer-gleich 1 und kleiner-gleich r ist. (S. Seite 8 der Arbeit in der Einleitung.) Hier ist r der Rang von L , d.h. die Dimension einer Cartanunteralgebra von L . Nun: Eine Darstellung pi von L sei gut genannt, wenn r(pi) kleiner als r ist, und schlecht, wenn r(pi) gleich r ist. In den Paragraphen 4 und 5 der Arbeit werden dann - explizit als L-Darstellungen - die n-ten symmetrischen Potenzen der guten Darstellungen pi beschrieben. Im ersten Paragraphen der Arbeit wird nachgewiesen, dass Darstellungen bis auf wenige Ausnahmen schlecht sind, und es werden Listen von schlechten Darstellungen verifiziert. Letztlich werden die Typen der einfachen Liealgebren - die vier klassischen Reihen und die fünf Ausnahmealgebren - einzeln und individuell abgehandelt. In diesem ersten Paragraphen der Arbeit werden, wie auch später, entscheidend explizite Ausreduzierungen von symmetrischen Potenzen von Darstellungen benutzt, die in ausführlichen Listen zusammengestellt sind, s. Liste 1 und Liste 2 am Ende der Arbeit. (Die Berechnungen wurden mit dem Lie-Berechnungspaket aus [van Leeuwen] gemacht. In Einzelfällen werden auch explizite Ausreduzierungssätze benutzt, weil versucht wird, bei den Beweisen Argumente aus der Darstellungstheorie zu bevorzugen. Gemäß dem ersten Paragraphen sind für die einzelnen Typen einfacher Liealgebren fast alle irreduziblen Darstellungen schlecht. Bei jedem Typ bleibt nur eine kurze Liste von möglicherweise guten Darstellungen übrig. In Paragraph 2 werden nun die Darstellungen in diesen Restlisten als tatsächlich gut nachgewiesen. Paragraph 3 gibt eine Zusammenfassung der guten Darstellung unter einem anderen Gesichtspunkt: Die guten Darstellungen sind geordnet nach ihrem Rang (und nicht nach dem Isomorphietyp der Liealgebra ). In den Paragraphen 4 und 5 wird - für alle guten irreduziblen Darstellungen pi - die genaue Struktur (als vollständig reduzible Darstellung) der symmetrischen Potenzen von pi bestimmt. Benutzt wird dabei auch detailliertere Invariantentheorie und die Kenntnis von Hauptisotropiegruppen bei Darstellungsräumen.
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Algebraische Approximation von Kählermannigfaltigkeiten
(2010)
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Florian Schrack
- Eine kompakte komplexe Mannigfaltigkeit heißt algebraisch approximierbar, wenn sie beliebig kleine projektive Deformationen besitzt. Eine natürliche Fragestellung ist, ob jede kompakte Kählermannigfaltigkeit algebraisch approximierbar ist. Während dies in Dimension 2 nach den Arbeiten von Kodaira richtig ist, hat Voisin vierdimensionale Gegenbeispiele gefunden. In Dimension 3 ist die Frage noch offen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, den dreidimensionalen Fall etwas näher zu beleuchten. Dazu wird algebraische Approximierbarkeit zunächst von einem allgemeinen Standpunkt aus betrachtet. Es werden Funktorialitätsfragen untersucht, also der Zusammenhang zwischen algebraischer Approximierbarkeit der Quelle und des Ziels gewisser holomorpher Abbildungen, und Ergebnisse für verschiedene Klassen von Abbildungen erzielt, wie etwa Aufblasungen, endliche Abbildungen, Faserungen und Morikontraktionen. Als Fallstudie einer konkreten Klasse von Kählerdreifaltigkeiten werden anschließend Konikbündel über Kählerflächen untersucht, die in natürlicher Weise in der Moritheorie auftreten. Nach dem Beweis einiger grundlegender Tatsachen über Konikbündel werden ihre Diskriminantenorte genauer untersucht und damit Chernklassenabschätzungen für Konikbündel mit relativer Picardzahl 1 über nichtalgebraischen kompakten Kählerflächen hergeleitet. Unter Verwendung dieser Abschätzungen wird die Existenz infinitesimaler Deformationen solcher Konikbündel gezeigt, was einen wichtigen ersten Schritt zum Beweis der algebraischen Approximierbarkeit darstellt. Ein spezieller Typ von Konikbündeln sind die projektivierten Rang-2-Bündel. Die Periodenabbildung verhilft zu einem guten Verständnis der Deformationstheorie solcher Bündel über K3-Flächen und zweidimensionalen Tori. Konkret werden Fortsetzungssätze für Geradenbündel und Rang-2-Bündel bewiesen, die implizieren, dass jedes projektivierte Rang-2-Bündel über einer K3-Fläche oder einem zweidimensionalen Torus algebraisch approximierbar ist. Durch Untersuchung von Aufblasungen solcher Flächen wird dieses Resultat auf projektivierte Rang-2-Bündel über beliebigen kompakten Kählerflächen mit Kodairadimension 0 ausgedehnt. Schließlich wird die zuvor entwickelte Deformationstheorie für Vektorbündel verwendet, um weitere Approximierbarkeitsergebnisse für Konikbündel über elliptischen Flächen und K3-Flächen zu bekommen.
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Enumeration of generalized polyominoes
(2006)
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Matthias Koch
Sascha Kurz
- Wir verallgemeinern den Begriff von Polyominoes (Tetrisbausteine) und betrachten Seite-an-Seite benachbarte überschneidungsfreie Vereinigungen von regelmäßigen k-Ecken. Für n<=4 geben wir Formeln für die Anzahl a_k(n) von verallgemeinerten Polyominoes, bestehend aus n regelmäßigen k-Ecken, an. Für weitere kleine Werte von k und n tabellieren wir durch computerunterstützte Enumeration gewonnene Anzahlen. Zum Abschluss erwähnen wir ein paar ungelöste Probleme für verallgemeinerte Polyominoes.
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Zwei auf einen Streich: Optimierte dynamische Einsatzplanung für Gelbe Engel und Lastenaufzüge
(2007)
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Jörg Rambau
Cornelius Schwarz
- Wir modellieren zwei verschiedene dynamische Einsatzplanungsprobleme: die dynamische Einsatzplanung Gelber Engel beim ADAC und die Steuerung von Lastenaufzügen in einem Versandlager der Herlitz PBS AG. Wir benutzen eine Reoptimierungspolitik, die die Steuerung des Systems mit Hilfe der Lösung von statischen Schnappschussproblemen durchführt. Für die auftretenden Schnappschussprobleme vergleichen wir zwei Modellierungsansätze (Flussmodell versus Tourenmodell), von denen nur einer echtzeittauglich ist. Das Verfahren zur dynamischen Einsatzplanung Gelber Engel ist beim ADAC in Betrieb.
