OPUS 4 | Mathematik

Two Irreducible Components of the Moduli Space M can 1,3 (2012)

Yifan Chen

This thesis is devoted to study two families of surfaces of general type: extended Burniat surfaces with K^2=3 and Keum-Naie-Mendes Lopes-Pardini surfaces. We focus on the corresponding subsets in the Gieseker moduli space. Extended Burniat surfaces with K^2=3 were constructed by Bauer and Catanese in the course of studying the tertiary Burniat surfaces and they showed that their closure is an irreducible component of the moduli space. We prove here the union of the loci described by them is indeed a full irreducible component. We also study the local deformations of two families of degenerations of the extended Burniat surfaces. Keum-Naie-Mendes Lopes-Pardini surfaces are the surfaces constructed by Mendes Lopes and Paridini, which realize the Keum-Naie surfaces with K^2=3 as degenerations. We reconstruct a subfamily of such surfaces and investigate their deformations. We show that the closure of the corresponding subset of the Keum-Naie-Mendes Lopes-Pardini surfaces is an irreducible component of the moduli space.

Beiträge zur Optimalen Steuerung partiell-differential algebraischer Gleichungen (2012)

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.

Geometrische Konstruktionen linearer Codes über Galois-Ringen der Charakteristik 4 von hoher homogener Minimaldistanz (2012)

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.

Galois representations of orthogonal rigid local systems (2012)

Michael Schulte

We use the middle convolution introduced by Katz to construct a families of lisse sheaves on the affine line without two points. These correspond to continuous representations of the etale fundamental group, which can be specialized to compatible systems of Galois representations. This leads to the second maximally unipotent family. Because of the geometric origin, we can show using a theorem of Barnet-Lamb, Gee, Geraghty and Taylor that they are potentially automorphic.

Irreducible symplectic complex spaces (2012)

Tim Kirschner

In Chapter 1 we define period mappings of Hodge-de Rahm type for certain submersive, yet not necessarily locally topologically trivial, morphisms of complex manifolds. Generalizing Griffiths's theory, we interpret the differential of such period mappings as the composition of the Kodaira-Spencer map and a map derived from the sheaf cohomological cup product and the contraction of vector fields with differential forms. In Chapter 2 of the text, we consider a submersive morphism $f\colon X\to S$ of complex spaces which is compactified by a proper, flat, and Kähler morphism $\bar f\colon \bar X\to S$. Taking into account the codimension of $\bar X\setminus X$ in $\bar X$, we draw conclusions about the degeneration behavior of the relative Frölicher spectral sequence of the morphism $f$ and about the local freeness of the modules $\mathrm{R}^qf_*(\Omega^p_f)$; our results can be viewed as relative generalizations of a theorem of Takeo Ohsawa. In our final Chapter 3, we employ the upshots of the preceding two chapters in order to deduce a local Torelli theorem for irreducible symplectic complex spaces. As an application of the local Torelli theorem, we prove that irreducible symplectic complex spaces whose codimension of the singular locus does not deceed $4$ satisfy the so-called Fujiki relation.

Shape Calculus Applied to Elliptic Optimal Control Problems (2012)

Michael Frey

This thesis is devoted to the analysis of a very simple, pointwisely state-constrained optimal control problem of an elliptic partial differential equation. The transfer of an idea from the field of optimal control of ordinary differential equations, which proved fruitful with respect to both theoretical treatment and design of algorithms, is the starting point. On this, the state inequality constraint, which is regarded as an equation inside the active set, is differentiated in order to obtain a control law. A geometrical splitting of the constraints is necessary to carry over this approach to the chosen model problem. The associated assertions are rigorously ensured. The subsequent derivation of a control law in the sense of the abovementioned idea yields an equivalent reformulation of the model problem. The active set appears as an independent and equal optimization variable in this new formulation. Thereby a new class of optimization problem is established, which forms a hybrid of optimal control and shape-/topology optimization: set optimal control. This class is integrated into the very abstract framework of optimization on vector bundles; for that purpose some important notions from the field of calculus on manifolds are introduced and related with shape calculus. First order necessary conditions of the set optimal control problem are derived by means of two different approaches: on the one hand a reduced approach via the elimination of the state variable, which uses a formulation as bilevel optimization problem, is pursued, and on the other hand a formal Lagrange principle is presented. A comparison of the newly obtained optimality conditions with those known form literature yields relations between the Lagrange multipliers; in particular, it becomes apparent that the new approach involves higher regularity. The comparison is embedded to the theory of partial differential-algebraic equations, and it is shown that the new approach yields a reduction of the differential index. Upon investigation of the gradient and the second covariant derivative of the objective functional different Newton- and trial algorithms are presented and discussed in detail. By means of a comparison with the well-established primal-dual active set method different benefits of the new approach become apparent. In particular, the new algorithms can be formulated in function space without any regularization. Some numerical tests illustrate that an efficient and competitive solution of state-constrained optimal control problems is achieved. The whole work gives numerous references to different mathematical disciplines and encourages further investigations. All in all, it should be regarded as a first step towards a more comprehensive perspective on state-constrained optimal control of partial differential equations.

The Stochastic Guaranteed Service Model with Recourse for Multi-Echelon Warehouse Management (2012)

Jörg Rambau Konrad Schade

The Guaranteed Service Model (GSM) computes optimal order-points in multi-echelon inventory control under the assumptions that delivery times can be guaranteed and the demand is bounded. Our new Stochastic Guaranteed Service Model (SGSM) with Recourse covers also scenarios that violate these assumptions. Simulation experiments on real-world data of a large German car manufacturer show that policies based on the SGSM dominate GSM-policies.

A survey of the higher Stasheff-Tamari orders (2012)

Jörg Rambau Victor Reiner

The Tamari lattice, thought as a poset on the set of triangulations of a convex polygon with n vertices, generalizes to the higher Stasheff-Tamari orders on the set of triangulations of a cyclic d-dimensional polytope having n vertices. This survey discusses what is known about these orders, and what one would like to know about them.

Das Optimierungslabor – ein Erfahrungsbericht (2012)

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.

The Integrated Size and Price Optimization problem (2012)

Miriam Kießling Sascha Kurz Jörg Rambau

We present the Integrated Size and Price Optimization Problem (ISPO) for a fashion discounter with many branches. Based on a two-stage stochastic programming model with recourse, we develop an exact algorithm and a production-compliant heuristic that produces small optimality gaps. In a field study we show that a distribution of supply over branches and sizes based on ISPO solutions is significantly better than a one-stage optimization of the distribution ignoring the possibility of optimal pricing.

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