Eine wichtige Invariante von Modulkurven ist die arithmetische Selbstschnittzahl der relativ dualisierenden Garbe. Auf dem minimalen regulären Modell von X(N) ist diese Selbstschnittzahl durch den gewöhnlichen Schnitt einiger ausgezeichneter vertikaler Divisoren (dem geometrischen Beitrag) und durch die Auswertung der kanonischen Greenschen Funktion an einigen Spitzen (dem analytischen Beitrag) vollständig festgelegt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, jeden dieser Beiträge in Abhängigkeit von der Stufe N zu bestimmen und das asymptotische Verhalten der Selbstschnittzahl zu studieren, wenn die Stufe N gegen unendlich geht. / An important invariant of modular curves is the arithmetic self-intersection of the relative dualizing sheaf. On the minimal regular model of X(N) this self-intersection is completely described by the usual intersection of some distinguished vertical divisors (geometric contribution) and the evaluation of the canonical Green’s function at certain cusps (analytic contribution). The aim of this thesis is to determine each of these contributions in terms of the level N and study the asymptotic behaviour of the self-intersection as N tends to infinity.

Es sei ein Heath-Jarrow-Morton Zinsstrukturmodell df(t,T) = alpha(t,T)dt + sigma(t,T)dX_t gegeben, angetrieben von einem mehrdimensionalen Semimartingal X. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, die Existenz endlich dimensionaler Realisierungen für solche Modelle zu untersuchen, wobei wir als treibende Prozesse die Klasse der Grigelionis Prozesse wählen, die insbesondere Levy Prozesse enthält. Zur Bearbeitung der Fragestellung werden zwei veschiedene Ansätze verfolgt. Wir dehnen die Ideen aus der Differenzialgeometrie von Björk und Svensson (2001) auf die vorliegende Situation aus und zeigen, dass das in der zitierten Arbeit bewiesene Kriterium für die Existenz endlich dimensionaler Realisierungen in unserem Fall als notwendiges Kriterium dienlich ist. Dieses Resultat wird auf konkrete Volatilitätsstrukturen angewandt. Im Kontext von sogenannten Benchmark Realisierungen, die eine natürliche Verallgemeinerung von Short Rate Realisierungen darstellen, leiten wir Integro-Differenzialgleichungen her, die für die Untersuchung der Existenz endlich dimensionaler Realisierungen hilfreich sind. Als Verallgemeinerung eines Resultats von Jeffrey (1995) beweisen wir außerdem, dass Zinsstrukturmodelle, die eine generische Benchmark Realisierung besitzen, notwendigerweise eine singuläre Hessesche Matrix haben. Beide Ansätze zeigen, dass neue Phänomene auftreten, sobald der treibende Prozess X Sprünge macht. Es gibt dann auf einmal nur noch sehr wenige Zinsstrukturmodelle, die endlich dimensionale Realisierungen zulassen, was ein beträchtlicher Unterschied zu solchen Modellen ist, die von einer Brownschen Bewegung angetrieben werden. Aus diesem Grund zeigen wir, dass für die in der Literatur oft behandelten Modelle mit deterministischer Richtungsvolatilität eine Folge von endlich dimensionalen Systemen existiert, die gegen das Zinsmodell konvergieren. / Let f(t,T) be a term structure model of Heath-Jarrow-Morton type df(t,T) = alpha(t,T)dt + sigma(t,T)dX_t, driven by a multidimensional semimartingale X. Our objective is to study the existence of finite dimensional realizations for equations of this kind. Choosing the class of Grigelionis processes (including in particular Levy processes) as driving processes, we approach this problem from two different directions. Extending the ideas from differential geometry in Björk and Svensson (2001), we show that the criterion for the existence of finite dimensional realizations, proven in the aforementioned paper, still serves as a necessary condition in our setup. This result is applied to concrete volatility structures. In the context of benchmark realizations, which are a natural generalization of short rate realizations, we derive integro-differential equations, suitable for the analysis of the realization problem. Generalizing Jeffrey (1995), we also prove a result stating that forward rate models, which generically possess a benchmark realization, must have a singular Hessian matrix. Both approaches reveal that, with regard to the results known for driving Wiener processes, new phenomena emerge, as soon as the driving process X has jumps. In particular, the occurrence of jumps severely limits the range of models that admit finite dimensional realizations. For this reason we prove, for the often considered case of deterministic direction volatility structures, the existence of finite dimensional systems converging to the forward rate model.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit drei Klassen ausgewählter nichtlinearer Probleme, die Forschungsgegenstand der angewandten Mathematik sind. Diese Probleme behandeln die Minimierung von Integralen in der Variationsrechnung (Kapitel 3), das Lösen partieller Differentialgleichungen (Kapitel 4) und das Lösen nichtlinearer Optimierungsaufgaben (Kapitel 5). Mit deren Hilfe lassen sich unterschiedlichste Phänomene der Natur- und Ingenieurwissenschaften sowie der Ökonomie mathematisch modellieren. Als konkretes Beispiel werden mathematische Modelle der Theorie elastischer Festkörper betrachtet. Das Ziel der vorliegenden Arbeit besteht darin, ein gegebenes nichtlineares Problem durch polynomiale Probleme zu approximieren. Um dieses Ziel zu erreichen, beschäftigt sich ein großer Teil der vorliegenden Arbeit mit der polynomialen Approximation von nichtlinearen Funktionen. Den Ausgangspunkt dafür bildet der Weierstraßsche Approximationssatz. Auf der Basis dieses bekannten Satzes und eigener Sätze wird als Hauptresultat der vorliegenden Arbeit gezeigt, dass im Übergang von einer gegebenen Funktion zum approximierenden Polynom wesentliche Eigenschaften der gegebenen Funktion erhalten werden können. Die wichtigsten Eigenschaften, für die dies bisher nicht bekannt war, sind: Quasikonvexität im Sinne der Variationsrechnung, Quasimonotonie im Zusammenhang mit partiellen Differentialgleichungen sowie Quasikonvexität im Sinne der nichtlinearen Optimierung (Theoreme 3.16, 4.10 und 5.5). Schließlich wird gezeigt, dass die zu den untersuchten Klassen gehörenden nichtlinearen Probleme durch polynomiale Probleme approximiert werden können (Theoreme 3.26, 4.16 und 5.8). Die dieser Approximation zugrunde liegende Konvergenz garantiert sowohl eine Approximation im Parameterraum als auch eine Approximation im Lösungsraum. Für letztere werden die Konzepte der Gamma-Konvergenz (Epi-Konvergenz) und der G-Konvergenz verwendet. / In this thesis, we are concerned with three classes of non-linear problems that appear naturally in various fields of science, engineering and economics. In order to cover many different applications, we study problems in the calculus of variation (Chapter 3), partial differential equations (Chapter 4) as well as non-linear programming problems (Chapter 5). As an example of possible applications, we consider models of non-linear elasticity theory. The aim of this thesis is to approximate a given non-linear problem by polynomial problems. In order to achieve the desired polynomial approximation of problems, a large part of this thesis is dedicated to the polynomial approximation of non-linear functions. The Weierstraß approximation theorem forms the starting point. Based on this well-known theorem, we prove theorems that eventually lead to our main result: A given non-linear function can be approximated by polynomials so that essential properties of the function are preserved. This result is new for three properties that are important in the context of the considered non-linear problems. These properties are: quasiconvexity in the sense of the calculus of variation, quasimonotonicity in the context of partial differential equations and quasiconvexity in the sense of non-linear programming (Theorems 3.16, 4.10 and 5.5). Finally, we show the following: Every non-linear problem that belongs to one of the three considered classes of problems can be approximated by polynomial problems (Theorems 3.26, 4.16 and 5.8). The underlying convergence guarantees both the approximation in the parameter space and the approximation in the solution space. In this context, we use the concepts of Gamma-convergence (epi-convergence) and of G-convergence.

Sei (X(t), t>= -r) ein stationärer stochastischer Prozess, der die affine stochastische Differentialgleichung mit Gedächtnis dX(t)=L(X(t+s))dt+sigma dW(t), t>= 0, löst, wobei sigma>0, (W(t), t>=0) eine Standard-Brownsche Bewegung und L ein stetiges lineares Funktional auf dem Raum der stetigen Funktionen auf [-r,0], dargestellt durch ein endliches signiertes Maß a, bezeichnet. Wir nehmen an, dass eine Trajektorie (X(t), -r 0, konvergiert. Diese Rate ist schlechter als in vielen klassischen Fällen. Wir beweisen jedoch eine untere Schranke, die zeigt, dass keine Schätzung eine bessere Rate im Minimax-Sinn aufweisen kann. Für zeit-diskrete Beobachtungen von maximalem Abstand Delta konvergiert die Galerkin-Schätzung immer noch mit obiger Rate, sofern Delta is in etwa von der Ordnung T^(-1/2). Hingegen wird bewiesen, dass für festes Delta unabhängig von T die Rate sich signifikant verschlechtern muss, indem eine untere Schranke von T^(-s/(2s+6)) gezeigt wird. Außerdem wird eine adaptive Schätzung basierend auf Wavelet-Thresholding-Techniken für das assoziierte schlechtgestellte Problem konstruiert. Diese nichtlineare Schätzung erreicht die obige Minimax-Rate sogar für die allgemeinere Klasse der Besovräume B^s_(p,infinity) mit p>max(6/(2s+3),1). Die Restriktion p>=max(6/(2s+3),1) muss für jede Schätzung gelten und ist damit inhärent mit dem Schätzproblem verknüpft. Schließlich wird ein Hypothesentest mit nichtparametrischer Alternative vorgestellt, der zum Beispiel für das Testen auf Gedächtnis verwendet werden kann. Dieser Test ist anwendbar für eine L^2-Trennungsrate zwischen Hypothese und Alternative der Ordnung T^(-s/(2s+2.5)). Diese Rate ist wiederum beweisbar optimal für jede mögliche Teststatistik. Für die Beweise müssen die Parameterabhängigkeit der stationären Lösungen sowie die Abbildungseigenschaften der assoziierten Kovarianzoperatoren detailliert bestimmt werden. Weitere Resultate von allgemeinem Interessen beziehen sich auf die Mischungseigenschaft der stationären Lösung, eine Fallstudie zu exponentiellen Gewichtsfunktionen sowie der Approximation des stationären Prozesses durch autoregressive Prozesse in diskreter Zeit. / Let (X(t), t>= -r) be a stationary stochastic process solving the affine stochastic delay differential equation dX(t)=L(X(t+s))dt+sigma dW(t), t>= 0, with sigma>0, (W(t), t>=0) a standard one-dimensional Brownian motion and with a continuous linear functional L on the space of continuous functions on [-r,0], represented by a finite signed measure a. Assume that a trajectory (X(t), -r 0. This rate is worse than those obtained in many classical cases. However, we prove a lower bound, stating that no estimator can attain a better rate of convergence in a minimax sense. For discrete time observations of maximal distance Delta, the Galerkin estimator still attains the above asymptotic rate if Delta is roughly of order T^(-1/2). In contrast, we prove that for observation intervals Delta, with Delta independent of T, the rate must deteriorate significantly by providing the rate estimate T^(-s/(2s+6)) from below. Furthermore, we construct an adaptive estimator by applying wavelet thresholding techniques to the corresponding ill-posed inverse problem. This nonlinear estimator attains the above minimax rate even for more general classes of Besov spaces B^s_(p,infinity) with p>max(6/(2s+3),1). The restriction p >= 6/(2s+3) is shown to hold for any estimator, hence to be inherently associated with the estimation problem. Finally, a hypothesis test with a nonparametric alternative is constructed that could for instance serve to decide whether a trajectory has been generated by a stationary process with or without time delay. The test works for an L^2-separation rate between hypothesis and alternative of order T^(-s/(2s+2.5)). This rate is again shown to be optimal among all conceivable tests. For the proofs, the parameter dependence of the stationary solutions has to be studied in detail and the mapping properties of the associated covariance operators have to be determined exactly. Other results of general interest concern the mixing properties of the stationary solution, a case study for exponential weight functions and the approximation of the stationary process by discrete time autoregressive processes.

Diese Arbeit beginnt mit einer Analyse von stochastischen Rückwärtsdifferentialgleichungen (BSDEs) mit Sprüngen, getragen von zufälligen Maßen mit ggf. unendlicher Aktivität und zeitlich inhomogenem Kompensator. Unter konkreten, in Anwendungen leicht verifizierbaren Bedingungen liefern wir Existenz-, Eindeutigkeits- und Vergleichsergebnisse beschränkter Lösungen für eine Klasse von Generatorfunktionen, die nicht global Lipschitz-stetig im Sprungintegranden sein brauchen. Der übrige Teil der Arbeit behandelt robuste Bewertung und Hedging in unvollständigen Märkten. Wir verfolgen den No-Good-Deal-Ansatz, der Good-Deal-Grenzen liefert, indem nur eine Teilmenge der risikoneutralen Maße mit ökonomischer Bedeutung betrachtet wird (z.B. Grenzen für instantanen Sharpe-Ratio, optimale Wachstumsrate oder erwarteten Nutzen). Durchweg untersuchen wir ein Konzept des Good-Deal-Hedgings für welches Hedgingstrategien als Minimierer geeigneter dynamischer Risikomaße auftreten, was optimale Risikoteilung mit der Markt erlaubt. Wir zeigen, dass Hedging mindestens im-Mittel-selbstfinanzierend ist, also, dass Hedgefehler unter geeigneten A-priori-Bewertungsmaßen eine Supermartingaleigenschaft haben. Wir leiten konstruktive Ergebnisse zu Good-Deal-Bewertung und -Hedging im Rahmen von Prozessen mit Sprüngen durch BSDEs mit Sprüngen, sowie im Brown''schen Fall mit Driftunsicherheit durch klassische BSDEs und mit Volatilitätsunsicherheit durch BSDEs zweiter Ordnung her. Wir liefern neue Beispiele, die insbesondere für versicherungs- und finanzmathematische Anwendungen von Bedeutung sind. Bei Ungewissheit des Real-World-Maßes führt ein Worst-Case-Ansatz bei Annahme mehrerer Referenzmaße zu Good-Deal-Hedging, welches robust bzgl. Unsicherheit, im Sinne von gleichmäßig über alle Referenzmaße mindestens im-Mittel-selbstfinanzierend, ist. Daher ist bei hinreichend großer Driftunsicherheit Good-Deal-Hedging zur Risikominimierung äquivalent. / This thesis starts by an analysis of backward stochastic differential equations (BSDEs) with jumps driven by random measures possibly of infinite activity with time-inhomogeneous compensators. Under concrete conditions that are easy to verify in applications, we prove existence, uniqueness and comparison results for bounded solutions for a class of generators that are not required to be globally Lipschitz in the jump integrand. The rest of the thesis deals with robust valuation and hedging in incomplete markets. The focus is on the no-good-deal approach, which computes good-deal valuation bounds by using only a subset of the risk-neutral measures with economic meaning (e.g. bounds on instantaneous Sharpe ratios, optimal growth rates, or expected utilities). Throughout we study a notion of good-deal hedging consisting in minimizing some dynamic risk measures that allow for optimal risk sharing with the market. Hedging is shown to be at least mean-self-financing in that hedging errors satisfy a supermartingale property under suitable valuation measures. We derive constructive results on good-deal valuation and hedging in a jump framework using BSDEs with jumps, as well as in a Brownian setting with drift uncertainty using classical BSDEs and with volatility uncertainty using second-order BSDEs. We provide new examples which are particularly relevant for actuarial and financial applications. Under ambiguity about the real-world measure, a worst-case approach under multiple reference priors leads to good-deal hedging that is robust w.r.t. uncertainty in that it is at least mean-self-financing uniformly over all priors. This yields that good-deal hedging is equivalent to risk-minimization if drift uncertainty is sufficiently large.

In dieser Arbeit untersuchen wir zwei Modelle, die das Laden und Entladen einer Lithium-Ionen Batterie beschreiben. Beide Modelle spiegeln eine Hysterese in dem Spannungs-Ladungs-Verlauf wider. Wir skizzieren den Modellierungsprozess von einem diskreten vielteilchen Modell sowie einem kontinuierlichen vielteilchen Modell. Das erste führt zu einer axiomatischen Beschreibung der Evolution makroskopischer Größen, während das zweite in eine nichtlineare Fokker-Planck Gleichung mündet. Wir zeigen die Existenz und Eindeutigkeit von Lösungen der nichtlinearen Fokker-Planck Gleichung und untersuchen deren qualitative Eigenschaften. Wir benutzen Interpolationsräume und Halbgruppen sektorieller Operatoren um den semilinearen Charakter der partiellen Differentialgleichung auszunutzen. Um globale Existenz zu erhalten, schätzen wir die Dissipation einer mit dem Modell verknüpften Energie ab. Diese Energie ist verwandt mit der L-log-L Norm, welche wir mithilfe einer Gagliardo-Nirenberg Ungleichung zu der L^2 Norm in Verbindung setzen können. Die notwendigen und hinreichenden Bedingungen zur globalen Existenz von Lösungen sind aus physikalischer Sicht plausibel. Der Ladezustand der Batterie muss innerhalb der Werte Voll und Leer sein. In numerischen Experimenten untersuchen wir das qualitative Verhalten von Lösungen. Wir zeigen die Konvergenz der numerischen Lösungen zu den exakten Lösungen. Dafür nutzen wir ähnliche Techniken wie bei der lokalen Existenztheorie. Wir beobachten die Tendenz von Lösungen sich um bestimmte Punkte zu konzentrieren. Unterstützt durch die formale Asymptotik zeigt dies für eine bestimmte Wahl von Parameter-Skalierungen, dass Lösungen gegen Dirac-Maße konvergieren. In diesem Grenzverhalten wird das System durch die Evolution von makroskopischen Größen beschrieben, welche wir auch in dem diskreten vielteilchen Modell wiederfinden. In diesen makroskopischen Größen lässt sich eine Hysterese beobachten. / We discuss two models which describe the charging and discharging of a lithium-ion battery and especially the hysteretical behaviour therein. We give an overview on the modelling process for a discrete many particle model and a continuous many particle model. The former results in an axiomatic description of macroscopic quantities while the latter gives a nonlinear Fokker-Planck equation. The nonlinear Fokker-Planck equation is analysed with respect to existence and uniqueness of solutions as well as qualitative behaviour of solutions. The nonlinearity in this partial differential equation stems from a coefficient which depends on the solution first non-local and second in a higher order. We use interpolation spaces and semigroups generated from sectorial operators to show the existence and uniqueness of solutions locally in time. The global existence in time relies on estimates for the dissipation of an energy. The suitable energy is related to the L-log-L norm and so a Gagliardo-Nirenberg inequality is needed to connect this back to L^2 estimates. It turns out that the conditions for global in time existence of solutions are physical reasonable. One needs that the loading state of the battery shall stay between totally empty and totally full. In numerical experiments we investigate the qualitative behaviour of solutions to the nonlinear Fokker-Planck equation. We are able to show convergence of the numerical solutions to the exact solution. We observe that solutions tend to concentrate at certain points. Supported by results from formal asymptotic expansions, we document the limiting behaviour in a certain scaling of the appearing parameters, which is the formation of Dirac measures. The evolution of the global quantities, which we observe in numerical simulations, is the same as what results from the discrete many particle model and one observes hysteretic behaviour in macroscopic quantities.

Für einen R^d-wertigen stochastischen Prozess X auf R bezeichne X_t den Segmentprozess X_t:={X(t+u): u = 0. Es wird folgende affine stochastische Differentialgleichung mit unendlichem Gedächtnis betrachtet: dX(t)=L(X_t)dt + dW(t) für t >= 0, X_0=F, (A) wobei L:B -> R^d ein lineares stetiges Funktional, W einen Wiener-Prozess mit Werten in R^d sowie B einen semi-normierten linearen Unterraum von {f:(-00, 0] -> R^d} bezeichnen. Die Anfangsbedingung F ist eine B-wertige Zufallsvariable. Die Lösung X der Gleichung (A) lässt sich mittels einer Formel der Variation der Konstanten darstellen. Für die Existenz einer stationären Lösung werden hinreichende und notwendige Bedingungen vorgestellt. Für eine spezielle Klasse von Funktionalen L kann Gleichung (A) auf ein System gewöhnlicher stochastischer Gleichungen ohne Gedächtnis reduziert werden. Diese Reduktion wird im Detail untersucht, insbesondere gewinnt man hierdurch ein einfaches äquivalentes Kriterium für die Existenz stationärer Lösungen von Gleichungen mit Funktionalen L dieser Klasse. Durch Einbettung der Gleichung (A) in den Bidualraum B** gelingt die Bestimmung der Lyapunov-Exponenten der Lösung. Hierzu wird ein neuer Zusammenhang der Lösung der sogenannten adjungierten Gleichung von (A) und einer Spektralzerlegung des Raumes B benutzt. Die Untersuchung der stetigen Abhängigkeit der Lösung von dem Funktional L und der Anfangsbedingung F ermöglicht die Behandlung anwendungsorientierter Aspekte. In Verbindung mit den Ergebnissen über reduzierbare Gleichungen wird ein Verfahren zur Approximation der Lösung von Gleichung (A) durch Ornstein-Uhlenbeck-Prozesse vorgestellt. Eine allgemeine Klasse von Ito-Differentialgleichungen mit nichtlinearen vergangenheitsabhängigen Drift- und Dispersionskoeffizienten wird eingeführt, in der die Gleichung (A) als eine spezielle affine Gleichung verstanden werden kann. Für diese allgemeinen Gleichungen wird ein Existenz- und Eindeutigkeitssatz nachgewiesen. / For an R^d-valued stochastic process X denote the segment process by X_t:={X(t+u): u = 0. We consider the following affine stochastic differential equation with infinite delay: dX(t)=L(X_t)dt + dW(t) for t >= 0, X_0= F, (A) where L:B -> R^d denotes a linear continuous functional, W denotes a Wiener process with values in R^d and B is a semi-normed linear subspace of {f: (-00, 0] -> R^d}. The initial condition F is a B-valued random variable. The solution X of equation (A) can be represented by a variation of constants formula. We provide sufficient and necessary conditions for the existence of a stationary solution. For a special class of functionals L the equation (A) can be reduced to a system of ordinary stochastic differential equations without memory. This reduction is studied in detail. In particular, we deduce a simple equivalent condition for the existence of stationary solutions of equations with functionals L in this class. The embedding of equation (A) into the bidualspace B** enables us to calculate the Lyapunov exponents of the solution. For this purpose we exploit a new connection between the solution of the so-called adjoint equation of (A) and a spectral decompositon of the space B. By considering the continuous dependence of the solution on the functional L and the initial condition F we obtain results useful in applications. In conjunction with results on reducible equations we establish an approximation scheme for the solution of equation (A) by Ornstein-Uhlenbeck processes. Moreover, we introduce a general class of Ito differential equations with non-linear drift and dispersion hereditary coefficients. We deduce a result on the existence of unique solutions for this general class of equations. Equation (A) can be regarded as a special affine equation in this class.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Modellierung einer Quantenpunkt-LED und die Berechnung des elektrischen Stromes und der Lichtproduktion im Landauer-Büttiker-Formalismus. Die Elektron-Photon-Wechselwirkung kann im Landauer-Büttiker-Formalismus behandelt werden, indem wir annehmen, dass jedes Elektron mit einem separaten Photonenfeld interagiert. Dies erlaubt es uns, ein Elektron zusammen mit seinem Photonenfeld als „einzelnes, nicht wechselwirkendes Teilchen“ im Sinne des Landauer-Büttiker-Formalismusses zu betrachten. Wir entwickeln ein Modell einer QP-LED, dessen Elektron-Photon-Wechselwirkung auf dem Jaynes-Cummings-Modell basiert, das die Interaktion eines Quantenpunkts mit einer Mode des elektromagnetischen Feldes beschreibt. Um auch die Energieverteilung der emittierten Photonen analysieren zu können, schlagen wir ein auf einem Pauli-Fierz-Modell basiertes Modell vor. Anstelle einer einzelnen Mode modelliert es Photonen beliebiger Energie, allerdings beschränken wir uns auf den Unterraum mit maximal einem Photon. Wir beweisen eine abstrakte Landauer-Büttiker-Formel, die für alle relativ nuklearen Streusysteme gilt. Sie ist ähnlich zu dem Ergebnis von Aschbacher et al. (2007), unterscheidet sich aber in der Regularisierung des Stroms. Wir wenden das abstrakte Ergebnis auf die Jaynes-Cummings-QP-LED an. Als Startpunkt für die Berechnung der Streumatrix verallgemeinern wir die Darstellung der Streumatrix durch die Weyl-Funktion eines Randwert-Triplets von Behrndt et al. (2010) vom Fall für Störungen endlichen Ranges auf den Fall relativ nuklearer Störungen. Dies deckt insbesondere den Fall der Jaynes-Cummings-QP-LED ab. Die Resolventendifferenz der Pauli-Fierz-QP-LED ist nicht nuklear, weshalb wir eine verallgemeinerte Landauer-Büttiker-Formel für eine gewisse Klasse von Multiplikationsoperatoren beweisen, die in der Faser nuklear sind. Dieses abstrakte Resultat liefert uns auch für die Pauli-Fierz-QP-LED eine Landauer-Büttiker-Formel. / This thesis treats the modeling of a quantum dot LED and the calculation of the electric current and the light production in the Landauer-Büttiker framework. The electron-photon interaction is fitted into the Landauer-Büttiker framework by assuming that every electron interacts with a separate photon field. It allows us to consider an electron together with its photon field as a ''single non-interacting particle'' in the sense of the Landauer-Büttiker formalism. We develop a model of a QD-LED with an electron-photon interaction that is based on the Jaynes-Cummings model, which describes the interaction of a quantum dot with a single mode of the electromagnetic field. To be able to analyze the energy distribution of the emitted photons, we propose a second model of a QD-LED that is based on a one-dimensional Pauli-Fierz model. It models photons of arbitrary positive energy instead of just a single mode, but we restrict it to the subspace of at most one photon. We prove an abstract Landauer-Büttiker formula that applies to all relatively trace class interactions. It is similar to the result by Aschbacher et al. (2007), but differs in the regularization of the flux. We apply this formula to the Jaynes-Cummings QD-LED. Since knowing of the scattering matrix is essential for explicit calculations with the Landauer-Büttiker formula, we generalize a result by Behrndt et al. (2010) on a representation of the scattering matrix in terms of the Weyl function of a boundary triplet from the finite rank case to relatively trace class perturbations, which covers the case of the Jaynes-Cummings QD-LED. The resolvent difference of the Pauli-Fierz QD-LED is not trace class, whence we prove a generalized Landauer-Büttiker formula for a certain multiplication operators that are trace class in the fiber. This abstract result gives us a Landauer-Büttiker formula also for the Pauli-Fierz QD-LED.

Diese Dissertation verallgemeinert die nichtkonformen Finite-Elemente-Methoden (FEMn) nach Morley und Crouzeix und Raviart durch neue gemischte Formulierungen für das Poisson-Problem, die Stokes-Gleichungen, die Navier-Lamé-Gleichungen der linearen Elastizität und m-Laplace-Gleichungen der Form $(-1)^m\Delta^m u=f$ für beliebiges m=1,2,3,... Diese Formulierungen beruhen auf Helmholtz-Zerlegungen. Die neuen Formulierungen gestatten die Verwendung von Ansatzräumen beliebigen Polynomgrades und ihre Diskretisierungen stimmen für den niedrigsten Polynomgrad mit den genannten nicht-konformen FEMn überein. Auch für höhere Polynomgrade ergeben sich robuste Diskretisierungen für fast-inkompressible Materialien und Approximationen für die Lösungen der Stokes-Gleichungen, die punktweise die Masse erhalten. Dieser Ansatz erlaubt außerdem eine Verallgemeinerung der nichtkonformen FEMn von der Poisson- und der biharmonischen Gleichung auf m-Laplace-Gleichungen für beliebiges m>2. Ermöglicht wird dies durch eine neue Helmholtz-Zerlegung für tensorwertige Funktionen. Die neuen Diskretisierungen lassen sich nicht nur für beliebiges m einheitlich implementieren, sondern sie erlauben auch Ansatzräume niedrigster Ordnung, z.B. stückweise affine Polynome für beliebiges m. Hat eine Lösung der betrachteten Probleme Singularitäten, so beeinträchtigt dies in der Regel die Konvergenz so stark, dass höhere Polynomgrade in den Ansatzräumen auf uniformen Gittern dieselbe Konvergenzrate zeigen wie niedrigere Polynomgrade. Deshalb sind gerade für höhere Polynomgrade in den Ansatzräumen adaptiv generierte Gitter unabdingbar. Neben der A-priori- und der A-posteriori-Analysis werden in dieser Dissertation optimale Konvergenzraten für adaptive Algorithmen für die neuen Diskretisierungen des Poisson-Problems, der Stokes-Gleichungen und der m-Laplace-Gleichung bewiesen. Diese werden auch in den numerischen Beispielen dieser Dissertation empirisch nachgewiesen. / This thesis generalizes the non-conforming finite element methods (FEMs) of Morley and Crouzeix and Raviart by novel mixed formulations for the Poisson problem, the Stokes equations, the Navier-Lamé equations of linear elasticity, and mth-Laplace equations of the form $(-1)^m\Delta^m u=f$ for arbitrary m=1,2,3,... These formulations are based on Helmholtz decompositions. The new formulations allow for ansatz spaces of arbitrary polynomial degree and its discretizations coincide with the mentioned non-conforming FEMs for the lowest polynomial degree. Also for higher polynomial degrees, this results in robust discretizations for almost incompressible materials and approximations of the solution of the Stokes equations with pointwise mass conservation. Furthermore this approach also allows for a generalization of the non-conforming FEMs for the Poisson problem and the biharmonic equation to mth-Laplace equations for arbitrary m>2. A new Helmholtz decomposition for tensor-valued functions enables this. The new discretizations allow not only for a uniform implementation for arbitrary m, but they also allow for lowest-order ansatz spaces, e.g., piecewise affine polynomials for arbitrary m. The presence of singularities usually affects the convergence such that higher polynomial degrees in the ansatz spaces show the same convergence rate on uniform meshes as lower polynomial degrees. Therefore adaptive mesh-generation is indispensable especially for ansatz spaces of higher polynomial degree. Besides the a priori and a posteriori analysis, this thesis proves optimal convergence rates for adaptive algorithms for the new discretizations of the Poisson problem, the Stokes equations, and mth-Laplace equations. This is also demonstrated in the numerical experiments of this thesis.

Die Notwendigkeit einer Untersuchung über Beziehungshaltigkeit und Vernetzungen im Mathematikunterricht ergibt sich einerseits aus den aktuellen bildungspolitischen Forderungen, andererseits aus den reichhaltigen bildungsphilosophischen Traditionen im deutschsprachigem Raum(KMK 2012, 11). Das Ziel der vorliegenden Arbeit besteht vor allem in der Reflexion von Beziehungshaltigkeit und Vernetzungen im Mathematikunterricht. Diese Reflexion ist durch drei Fragen bestimmt: Was kann man als Lehrer über Beziehungshaltigkeit wissen? Wie kann man als Lehrer handeln, so dass die Schüler Beziehungen zwischen mathematischen Inhalten erkennen bzw. selbständig herstellen? Um handeln zu können, muss man die Wirklichkeit oder die Praxis (bzw. Empirie) kennen, in der man handelt. In diesem Sinne ist die vorliegende Arbeit aufgebaut. Dabei wird ein Versuch unternommen, die klassische Aufteilung zwischen Theorie und Empirie bzw. Praxis des Mathematikunterrichts aufzubrechen, um eine Verzahnung zwischen diesen zu verstärken. Das Herzstück der Arbeit bilden zwei ausgearbeitete und in der schulischen Arbeit erprobte Aufgabennetze (Pythagorasbaum und Rund ums Sechseck), die den Rahmen zur Reflexion bieten. / The need for a study on relations sustainability and networks in mathematics stems, on the one hand, from current education policy requirements, and, on the other, from the rich philosophical traditions of education in the German-speaking countries (KMK 2012, 11). The goal of the present work consists, above all, in reflecting on relations sustainability and networks in mathematics lessons. This reflection is guided by three questions: What can one know, as a teacher, about relations sustainability? How can one act a teacher to ensure that students recognise relationships between mathematical content, or independently produce such relations? In order to act, one must know the reality or practice (e.g. empiricism) in which one acts. The project is focused on the development and testing of worked examples of concrete task networks ("Pythagoras’ tree" and "Around the hexagon").