In dieser Arbeit entwickeln und untersuchen wir ein numerisches Schema für die eindimensionale Wellengleichung mit Hysterese für unterschiedliche Arten von Randbedingungen. Diese Gleichung ist ein Modell für die Longitudinal- oder Torsionsschwingungen eines homogenen Stabes unter dem Einfluß einer uniaxialen äußeren Kraftdichte, wobei wir ein elastoplastisches Materialgesetz annehmen. Hysterese-Operatoren sind ratenunabhängige Volterra-Operatoren, die Zeitfunktionen in Zeitfunktionen abbilden. Mit ihnen lassen sich Gedächtniseffekte modellieren, wie sie zum Beispiel in der Elastoplastizität oder im Ferromagnetismus auftauchen. Zunächst führen wir Hysterese-Operatoren allgemein ein und analysieren dann eine spezielle Klasse von Hysterese-Operatoren, die Prandtl-Ishlinskii-Operatoren. Wir untersuchen ihre Gedächtnisstruktur und erklären, wie sich die Operatoren numerisch auswerten lassen. Dazu stellen wir zwei verschiedene Approximationsansätze vor. Wir führen aus, wie sich die approximierenden Operatoren implementieren lassen und leiten lineare und quadratische Fehlerabschätzungen her. Zur numerischen Lösung des gekoppelten Systems aus der Wellengleichung mit einem Hysterese-Operator führen wir ein implizites Differenzenschema mit Gedächtnis ein. Für eine Klasse von Hysterese-Operatoren zeigen wir die Existenz und Eindeutigkeit der Lösung des numerischen Schemas, beweisen mit Hilfe von Kompaktheitsschlüssen und einem Monotonieargument die Konvergenz des Verfahrens und leiten eine Fehlerabschätzung der Ordnung 1/2 her. Wir diskutieren, wie das vorgestellte Verfahren auf die Prandtl-Ishlinskii-Operatoren angewendet werden kann. / In this thesis we develop and investigate a numerical scheme for the one-dimensional wave equation with hysteresis for different kinds of boundary conditions. This equation can be regarded as a model for the longitudinal or torsional oscillations of a homogeneous bar under the influence of an uniaxial external force density assuming an elastoplastic material law. Hysteresis operators are rate-independent Volterra operators mapping time functions to time functions. This kind of operator can be used to model memory effects as they appear in elastoplasticity or ferromagnetism, for example. We first give an introduction to the general concept of hysteresis operators before we analyze a special class of hysteresis operators called Prandtl-Ishlinskii operators. We investigate their memory structure and explain how the operators can be evaluated numerically. To that end we present two different kinds of approximation schemes. We point out how the approximating operators can be implemented and we derive linear and quadratic error estimates. For the numerical solution of the coupled system of the wave equation with a hysteresis operator we introduce an implicit difference scheme with memory. For a class of hysteresis operators we show the existence and uniqueness of the numerical solution. We prove the convergence of the scheme by compactness and monotonicity arguments. We derive an error estimate of order 1/2. We discuss the application of the method presented to Prandtl-Ishlinskii operators.

Diese Arbeit betrachtet einen Mikro-Makro-Übergang für die atomare Kette mit Wechselwirkungen zwischen nächsten Nachbarn, deren Dynamik durch ein nichtlineares aber konvexes Wechselwirkungspotential und durch die Newtonschen Bewegungsgleichungen bestimmt ist. Um einen Mikro-Makro-Übergang zu etablieren, wählen wir eine geeignete Skalierung und lassen die Zahl der Teilchen gegen Unendlich laufen. Dabei steht der Fall mit Temperatur im Vordergrund, so dass auf der makroskopischen Skala mikroskopische Oszillationen beschrieben werden müssen. Nach einer Einführung werden im zweiten Kapitel die Grundlagen der atomaren Kette zusammengefasst, und die wesentlichen Probleme beim Mikro-Makro-Übergang mit Temperatur diskutiert. Dabei wird besonders auf die Skalierung, die mikroskopischen Anfangsdaten und die Beschreibung der mikroskopischen Oszillationen eingegangen. Im dritten Kapitel werden so genannte Traveling-Waves betrachtet: Das sind exakte, hochgradig symmetrische Lösungen der atomaren Kette, die generisch von vier Parametern abhängen, und die als Lösungen von Differenzen-Differentialgleichungen bestimmt werden. Im Einzelnen werden die Existenz von Traveling-Waves, ihre thermodynamischen Eigenschaften und ihre Approximierbarkeit untersucht. Im vierten Kapitel werden modulierte Traveling-Waves betrachtet, mit deren Hilfe dann makroskopische Modulationsgleichungen abgeleitet werden. Diese lassen sich als die Erhaltungssätze für Masse, Impuls, Wellenzahl und Entropie interpretieren. Anschließend wird das Rechtfertigungsproblem diskutiert und für einen Spezialfall auch gelöst. Im fünften Kapitel werden numerische Simulationen von Anfangswertproblemen, unter anderem Riemann--Probleme, ausführlich untersucht, wobei die Strukturuntersuchung der auftretenden mikroskopischen Oszillationen im Vordergrund steht. Es zeigt sich, dass die mikroskopischen Oszillationen in vielen Fällen durch modulierte Traveling-Waves beschrieben werden können. / The subject matter of this thesis is a micro-macro transition for the atomic chain with nearest neighbor interaction. The interaction potential is assumed to be nonlinear but convex, and the dynamics of the chain is governed by Newton''s law of motion. To establish the micro-macro transition we choose an appropriate scaling, and let the number of particles tend to infinity. We mainly concentrate on the case with temperature, and therefore we have to describe microscopic oscillations on the macroscopic scale. We start with an introduction in the first chapter. Afterwards in the second chapter we summarize the basics of the atomic chain, and discuss the most important problems concerning a micro-macro transition with temperature. In particular we emphasize the scaling, the microscopic initial data, and the description of the microscopic oscillations. In the third chapter we consider traveling waves: These are highly symmetric solutions of the atomic chain depending on four parameters, and they result as solutions of difference-differential equations. We study the existence of traveling waves, their thermodynamic properties, and we derive schemes for their approximation. The fourth chapter is devoted to modulated traveling waves, because they allow to derive macroscopic modulation equations. These modulation equations can be interpreted as the macroscopic conservations laws for mass, momentum, wave number and entropy. Afterwards we discuss the justification problem, which is moreover solved for a special example. Within the fifth chapter we investigate several numerical simulations of initial value problems for the atomic chain including some Riemann problems. We mainly focus on the structure of the resulting microscopic oscillations, and we will identify many situations in which the microscopic oscillations can be described in terms of modulated traveling waves.

Diese Dissertation hat zwei Teile. Im ersten Teil untersuchen wir die Modulräume von Kurven mit multiplen Spinstrukturen. Wir stellen eine neue Kompaktifizierung dieser Räume mit geometrisch sinnvollem Grenzverhalten vor. Die irreduziblen Komponenten dieser Räume werden vollstandig klassifiziert. Die Ergebnisse aus diesem ersten Teil der Dissertation sind fundamental für die Degenerationstechniken im zweiten Teil. Im zweiten Teil untersuchen wir eine Reihe von Problemen, die von der klassischen Geometrie inspiriert werden. Unser Hauptaugenmerk liegt hierbei auf dem Fall von zwei Hyperebenen, die eine kanonische Kurve in jedem Schnittpunkt tangential berühren. Wir fragen, ob eingemensamer Tangentialpunk existieren kann. Unsere Analyse zeigt, dass so ein gemeinsamer Punkt nur in Kodimension 1 im Modulraum existieren kann. Wir berechen dann weiter die Klasse dieses Divisors. Insbesonders zeigen wir, dass diese Klasse eine hinreichend kleine Steigung hat, sodass die kanonischen Klassen von Modulräumen von Kurven mit zwei ungeraden Spinstrukturen gross ist, wenn der Genus grösser ist als neun. Falls die zugehörigen groben Modulräume gutartige Singularitäten haben, dann haben sie in diesem Intervall maximale Kodaria Dimension. / This thesis has two parts. In Part I we consider the moduli spaces of curves with multiple spin structures and provide a compactification using geometrically meaningful limiting objects. We later give a complete classification of the irreducible components of these spaces. The moduli spaces built in this part provide the basis for the degeneration techniques required in the second part. In the second part we consider a series of problems inspired by projective geometry. Given two hyperplanes tangential to a canonical curve at every point of intersection, we ask if there can be a common point of tangency. We show that such a common point can appear only in codimension 1 in moduli and proceed to compute the class of this divisor. We then study the general properties of curves in this divisor. Our divisor class has small enough slope to imply that the canonical class of the moduli space of curves with two odd spin structures is big when the genus is greater than 9. If the corresponding coarse moduli spaces have mild enough singularities, then they have maximal Kodaira dimension in this range.

Bei der Modellierung elektrischer Schaltungen ergeben sich Algebro-Differentialgleichungen (DAEs) mit proper formuliertem Hauptterm. Diese Gleichungen müssen z.B. bei der transienten Schaltungssimulation numerisch gelöst werden. Bei den klassischen Ansätzen der Linearen Mehrschrittverfahren oder der Runge-Kutta Verfahren ergeben sich Nachteile, die durch Verwendung von Allgemeinen Linearen Verfahren vermieden werden können. Sowohl Lineare Mehrschrittverfahren als auch Runge-Kutta Verfahren sind als Spezialfälle in dieser allgemeineren Klasse enthalten. Darüberhinaus sind aber neue Verfahren mit verbesserten Eigenschaften möglich. In dieser Arbeit werden DAEs der Schaltungssimulation eingehend studiert und Allgemeine Lineare Verfahren für solche Gleichungen untersucht. Die Verfahrenskonstruktion und Implementierungsfragen werden ausführlich diskutiert. Diese Arbeit erscheint im Logos Verlag Berlin (www.logos-verlag.de, ISBN 3-8325-1353-1). / Modelling electrical circuits leads to differential algebraic equations (DAEs) having a properly stated leading term. These equations need to be solved numerically, e.g. in case of a transient analysis of the given circuit. Classical methods such as linear multistep methods or Runge-Kutta schemes suffer from disadvantages that can be overcome by studying general linear schemes. Both Runge-Kutta methods and linear multistep schemes belong to this class as special cases, but there is plenty of room for new methods with improved properties. This work presents both a detailed study of DAEs in the framework of integrated circuit design and a thorough analysis of general linear methods for these kind of equations. The construction and implementation of general linear methods for DAEs is discussed in detail. This work is published by Logos Verlag Berlin (www.logos-verlag.de, ISBN 3-8325-1353-1).

In dieser Arbeit untersuchen wir die Interaktion von Holonomie und der globalen Geometrie von Lorentzmannigfaltigkeiten und pseudo-Riemannschen Untermannigfaltigkeiten in Räumen konstanter Krümmung. Insbesondere konstruieren wir schwach irreduzible, reduzible Lorentzmetriken auf den Totalräumen von gewissen Kreisbündeln, was zu einer Konstruktionsmethode von Lorentzmannigfaltigkeiten mit vorgegebener Holonomiedarstellung führt. Danach führen wir eine Bochnertechnik für die Lorentzmannigfaltigkeiten ein, die ein nirgends verschwindendes, paralleles, lichtartiges Vektorfeld zulassen, dessen orthogonale Distribution kompakte Blätter hat. Schließlich klassifizieren wir normale Holonomiedarstellungen von raumartigen Untermannigfaltigkeiten in Räumen konstanter Krümmung und verallgemeinern die Klassifikation eine größere Klasse von Untermannigfaltigkeiten. / In this thesis we study the interaction of holonomy and the global geometry of Lorentzian manifolds and pseudo-Riemannian submanifolds in spaces of constant curvature. In particular, we construct weakly irreducible, reducible Lorentzian metrics on the total spaces of certain circle bundles leading to a construction of Lorentzian manifolds with specified holonomy representations. Then we introduce a Bochner technique for Lorentzian manifolds admitting a nowhere vanishing parallel lightlike vector field whose orthogonal distribution has compact leaves. Finally, we classify normal holonomy representations of spacelike submanifolds in spaces of constant curvature and extend the classification to more general submanifolds.

In der vorliegenden Arbeit betrachten wir ein System nichtautonomer gewöhnlicher Differentialgleichungen, das aus zwei gekoppelten Teilsystemen besteht. Die Teilsysteme bestehen aus langsamen bzw. schnellen Variablen, wobei die Zeitskalierung durch Multiplikation der rechten Seite eines Teilsystems mit einem kleinen Faktor erzeugt wird. Das Ziel unserer Untersuchungen besteht im Nachweis der Existenz einer Integralmannigfaltigkeit, mit deren Hilfe die schnellen Variablen eliminiert werden können. Dabei verzichten wir auf die übliche Annahme einer Dichotomiebedingung und ersetzen diese durch die Hinzunahme eines zusätzlichen Steuervektors. Wir beweisen, dass unter gewissen Voraussetzungen über die rechten Seiten der Teilsysteme ein eindeutiger Steuervektor existiert, der die Existenz der gewünschten Integralmannigfaltigkeit impliziert. Das Prinzip des Nachweises einer solchen beschränkten Integralmannigfaltigkeit basiert auf dem Zusammenkleben von anziehenden und abstossenden invarianten Mannigfaltigkeiten. In der Arbeit wird die Glattheit dieser Mannigfaltigkeit sowie deren asymptotische Entwicklung nach dem kleinen Parameter untersucht. / This work is devoted to nonautonomous slow-fast systems of ordinary differential equation without dichotomy. We are interested in the existence of a slow integral manifold in order to eliminate the fast variables. The peculiarity of the problem under consideration is that the right hand side of the system depends on some parameter vector which can be considered as a control to be determined in order to guarantee the existence of an integral manifold consisting of canard trajectories. We call the vector function as gluing function. We prove that under some conditions on the right hand side of the system there exists a unique gluing function such that the system has a slow integral manifold. We investigate the problems of asymptotic expansions of the integral manifold and the gluing function, and study their smoothness.

Diese Dissertation beschäftigt sich mit asymptotischen Syzygien und Gleichungen Abelscher Varietäten, sowie mit deren Anwendung auf zyklische Überdeckungen von Kurven von Geschlecht zwei. Was asymptotischen Syzygien angeht, zeigen wir für beliebige Geradenbündel auf projektiven Schemata: Wenn die asymptotischen Syzygien von Grad p eines Geradenbündels verschwinden, dann ist das Geradenbündel p-sehr ampel. Darüber hinaus verwenden wir die Bridgeland-King-Reid-Haiman Korrespondenz, um zu zeigen, dass dieses Ergebnis auch umgekehrt wahr ist, wenn es um eine glatte Fläche und kleine p geht. Dies dehnt Ergebnisse von Ein-Lazarsfeld und Ein-Lazarsfeld-Yang aus. Wir verwenden unsere Ergebnisse, um zu untersuchen, wie Syzygien verwendet werden können, um den Grad der Irrationalität einer Varietät zu begrenzen. Ferner, beweisen wir eine Vermutung von Gross and Popescu über Abelsche Flächen, deren Ideal durch Quadriken und Kubiken erzeugt wird. Außerdem verwenden wir die projektive Normalität einer Abelschen Fläche, um die Prym Abbildung, die mit zyklischen Überdeckungen von Geschlecht zwei Kurven assoziert ist, zu untersuchen. Wir zeigen, dass das Differential der Abbildung generisch injektiv ist, wenn der Grad der Überdeckung mindestens sieben ist. Wir dehnen damit Ergebnisse von Lange und Ortega aus. Abschließend zeigen wir, dass das Differential genau für bielliptische Überdeckungen nicht injectiv ist. / In this thesis we study asymptotic syzygies of algebraic varieties and equations of abelian surfaces, with applications to cyclic covers of genus two curves. First, we show that vanishing of asymptotic p-th syzygies implies p-very ampleness for line bundles on arbitrary projective schemes. For smooth surfaces we prove that the converse holds, when p is small, by studying the Bridgeland-King-Reid-Haiman correspondence for the Hilbert scheme of points. This extends previous results of Ein-Lazarsfeld and Ein-Lazarsfeld-Yang. As an application of our results, we show how to use syzygies to bound the irrationality of a variety. Furthermore, we confirm a conjecture of Gross and Popescu about abelian surfaces whose ideal is generated by quadrics and cubics. In addition, we use projective normality of abelian surfaces to study the Prym map associated to cyclic covers of genus two curves. We show that the differential of the map is generically injective as soon as the degree of the cover is at least seven, extending a previous result of Lange and Ortega. Moreover, we show that the differentials fails to be injective precisely at bielliptic covers.

Die Habilitationsschrift beschäftigt sich mit Theorie, Algorithmen und Software zur Lösung von nichtkonvexen, gemischt-ganzzahligen, nichtlinearen Optimierungsproblemen (MINLP). Sie besteht aus 14 Kapiteln, die in zwei Teile gegliedert sind. Im ersten Teil werden grundlegende Optimierungswerkzeuge beschrieben und im zweiten Teil werden Lösungsalgorithmen vorgestellt. Fast alle vorgeschlagenen Algorithmen wurden als Teil der objektorientierten C++ Bibliothek LaGO implementiert. Numerische Experimente mit verschiedenen MINLP-Problemen zeigen die Möglichkeiten und Grenzen dieser Verfahren. / This book is concerned with theory, algorithms and software for solving nonconvex mixed integer nonlinear programs. It consists of two parts. The first part describes basic optimization tools, such as block-separable reformulations, convex and Lagrangian relaxations, decomposition methods and global optimality criteria. The second part is devoted to algorithms. Starting with a short overview on existing methods, we present deformation, rounding, partitioning and Lagrangian heuristics, and a branch-cut-and-price algorithm. The algorithms are implemented as part of an object-oriented library, called LaGO. We report numerical results on several mixed integer nonlinear programs to show abilities and limits of the proposed solution methods.

Das Thema dieser Dissertation ist die Herleitung und numerische Analyse von finiten Elementen für ein Problem in der Elastoplastizität mit Kontaktbedingungen. Die hergeleiteten finite Elemente Verfahren basieren auf einer Formulierung als Sattelpunktproblem und der Nutzung von Polynomen höherer Ordnung. Die Analyse der vorgestellten Verfahren beginnt mit dem Zeigen der Wohldefiniertheit und der Konvergenz. Im nächsten Schritt werden a priori Abschätzungen der Konvergenzraten gezeigt. Weiterhin führt die Einführung von Lagrange Multiplikatoren zu einem einheitlichen Ansatz zur a posteriori Abschätzung des Diskretisierungfehlers unter der Verwendung von Elementen höherer Ordnung. Zusätzlich ermöglicht es der Zugang über Lagrange Multiplikatoren die Äquivalenz der Diskretisierungsfehler in den Spannungen und in den Energien für finite Elemente niederer Ordnung zu zeigen, was insbesondere neu für Viereckselemente ist. Diese Äquivalenz wiederum erlaubt nun den Beweis der Konvergenz von adaptiven finiten Elementen niederer Ordnung. Für Dreieckselemente wird sogar die optimale Konvergenz bewiesen. Die theoretischen Erkenntnisse werden durch numerische Experimente bestätigt. / The topic of this thesis is the derivation and analysis of some finite element schemes for a contact problem in elastoplasticity. These schemes are based on the formulation of the models as saddle point problems and use finite element spaces of arbitrary polynomial degrees. In this thesis, these new approaches with higher-order finite elements are shown to be well defined and convergent. Moreover, some a~priori estimates on the rates of convergences are proven. The use of Lagrange multipliers in the saddle point formulation yields a coherent approach to reliable a~posteriori error estimates for the proposed higher-order schemes. Additionally, the Lagrange multipliers are used to show the equivalence of the errors of the stresses and the energies, for low order finite elements using triangular or quadrilateral cells. For the first time, this allows for a proof of convergence for quadrilateral-based adaptive finite elements. Furthermore, the approach based on triangular cells is shown to be of optimal convergence. The theoretical findings are confirmed by numerical experiments.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit einer Klasse von Variationsproblemen, die im Kontext des Ferromagnetismus entstehen. Es soll hierbei ein numerischer und analytischer Hintergrund zur Behandlung von harten magnetischen dünnen Filmen mit senkrechter Anisotropie gegeben werden. Bei magnetischen dünnen Filmen handelt es sich um Schichten von magnetischen Materialien mit Dicken von wenigen Mikrometern bis hin zu einigen Nanometern. Ausgangspunkt der Betrachtungen ist ein Modell von Landau und Lifshitz, das die Grundzustände der Magnetisierung in einem dreidimensionalen Körpers mit den Minimierer eines nichtkonvexen und nichtlokalen Energiefunktionals, der sogenannten mikromagnetischen Energie, verbindet. Unter der Annahme sehr kleiner Filmdicken wird aus dem betrachteten Modell ein zwei-dimensionales Modell hergeleitet. Anschließend wird mit Hilfe der Gamma-Konvergenz die Konvergenz zu einem Sharp-Interface-Modell gezeigt. Das resultierende Energiefunktional besteht aus konkurrierenden Interface- und Dipolenergieanteilen. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse einer numerischen Methode, die die Lösungen des vorher hergeleiteten Modells approximiert. Hierbei stützen sich die Betrachtungen auf ein relaxiertes Modell, in dem der Interfaceenergiebeitrag durch seine Modica-Mortola Approximation ersetzt und dann der entsprechende L^2 Gradientenfluß betrachtet wird. Die daraus resultierende nichtlineare und nichtlokale parabolische Gleichung wird anschließend durch ein Crank-Nicolson-Verfahren in der Zeitvariablen und einem Fourieransatz für die Raumvariablen diskretisiert. Wir beweisen die Existenz und Eindeutigkeit von Lösungen des numerischen Verfahrens, sowie deren Konvergenz zu Lösungen des anfänglich betrachteten stetigen Modells. Ferner werden auch a priori Fehlerabschätzungen für die numerische Methode hergeleitet. Abschließend werden die analytischen Resultate anhand numerischer Experimente illustriert. / This thesis is concerned with the study of a class of variational problems arising in the context of ferromagnetism. More precisely, it aims at providing a numerical and analytical background to the study of hard magnetic thin films with perpendicular anisotropy. Magnetic thin films are sheets of magnetic materials with thicknesses of a few micrometers down to a few nanometers used mainly in electronic industry, for example as magnetic data storage media for computers. Our initial considerations are based on a model of Landau and Lifshitz that associates the ground states of the magnetization within a three-dimensional body to the minimizers of a nonconvex and nonlocal energy functional, the so-called micromagnetic energy. Under film thickness considerations (thin film regime), we first reduce the aforementioned model to two dimensions and then carry out a Gamma-limit for a sharp-interface model. The resulting energy functional features a competition between an interfacial and a dipolar energy contribution. The second part of the thesis is concerned with the analysis of a numerical method to approximate solutions of the previously derived sharp-interface model. We base our considerations on a relaxed model in which we replace the interfacial energy contribution by its Modica-Mortola approximation, and then study the associated L^2 gradient flow. The resulting evolution equation, a nonlinear and nonlocal parabolic equation, is discretized by a Crank-Nicolson approximation for the time variable and a Fourier collocation method for the space variable. We prove the existence and uniqueness of the solutions of the numerical scheme, the convergence of these solutions towards solutions of the initial continuous model and also derive a-priori error estimates for the numerical method. Finally, we illustrate the analytical results by a series of numerical experiments.