In der vorliegenden Arbeit wird die Methode der Anwendung der hyperkomplexen Funktionentheorie zur Behandlung partieller Differentialgleichungen über beschränkten Gebieten unter Benutzung einer orthogonalen Zerlegung des Raumes L_2(U) verallgemeinert. Zum einen kann diese Zerlegung als direkte Zerlegung über dem Raum L_p(G),p>1, verallgemeinert werden, was die Untersuchung partieller Differentialgleichungen über allgemeinen Sobolev-Räumen W_p^k(G),p>1,k natürliche Zahl, ermöglicht. Dies wird am Beispiel des Stokes-Problems demonstriert. Zum anderen wird ein modifizierter Cauchy-Kern über unbeschränkten Gebieten eingeführt, deren Komplement eine nichtleere offene Menge enthält. Grundlegende Resultate der Cliffordanalysis über beschränkten Gebieten werden auf diese Situation verallgemeinert und eine orthogonale Zerlegung des Raumes L_2(G) bewiesen. Diese Resultate werden im weiteren dazu benutzt, das stationäre Stokes- bzw. Navier-Stokes-Problem in dem allgemeinen Fall eines unbeschränkten Gebietes zu untersuchen. Im weiteren wird gezeigt, dass sich die entwickelten Methoden auch auf partielle Differentialgleichungen höherer Ordnung anwenden lassen. Dies wird am Beispiel der biharmonischen Gleichung mit Randbedingungen, die Komponenten in Normalenrichtung und tangentieller Richtung besitzen, demonstriert. Am Ende beschäftigen wir uns mit der Verallgemeinerung der komplexen Methoden von Vekua. Dazu werden hyperkomplexe Verallgemeinerungen des komplexen Pi-Operators untersucht und auf die Lösung von hyperkomplexen Beltramigleichungen angewandt. / A modified Cauchy kernel is introduced over unbounded domains whose complement contain non-empty open sets. Basic results on Clifford analysis over bounded domains are now carried over to this more general context. In the end boundary value problems, e.g. for the Stokes-system or the Navier-Stokes-system, will be studied in the case of an unbounded domain without using weighted Sobolev spaces. In the latter part of this paper we deal with hypercomplex generalizations of the complex Pi-operator which turn out to have most of the useful properties of their complex origin. Afterwards the application of this operator to the solution of hypercomplex Beltrami equations will be studied.

In several mathematical models of physical or technical processes there are non-local boundary-value problems in terms of partial differential equations with integral conditions. In this article we consider hyperbolic differential equations of second order in the rectangle with some integral conditions and their relationship to boundary-value problems for some certain type of loaded equations. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Be it in the weather forecast or while swimming in the Baltic Sea, in almost every aspect of every day life we are confronted with flow phenomena. A common model to describe the motion of viscous incompressible fluids are the Navier-Stokes equations. These equations are not only relevant in the field of physics, but they are also of great interest in a purely mathematical sense. One of the difficulties of the Navier-Stokes equations originates from a non-linear term. In this thesis, we consider the Oseen equations as a linearisation of the Navier-Stokes equations. We restrict ourselves to the two-dimensional case. Our domain will be the unit square. The aim of this thesis is to find a suitable numerical method to overcome known instabilities in discretising these equations. One instability arises due to layers of the analytical solution. Another instability comes from a divergence constraint, where one gets poor numerical accuracy when the irrotational part of the right-hand side of the equations is large. For the first cause, we investigate the layer behaviour of the analytical solution of the corresponding stream function of the problem. Assuming a solution decomposition into a smooth part and layer parts, we create layer-adapted meshes in Chapter 3. Using these meshes, we introduce a numerical method for equations whose solutions are of the assumed structure in Chapter 4. To reduce the instability caused by the divergence constraint, we add a grad-div stabilisation term to the standard Galerkin formulation. We consider Taylor-Hood elements and elements with a discontinous pressure space. We can show that there exists an error bound which is independent of our perturbation parameter and get information about the convergence rate of the method. Numerical experiments in Chapter 5 confirm our theoretical results.:Acknowledgement III Notation IV 1 Introduction 1 1.1 Existence of solutions 2 1.2 Transformation into a fourth-order problem 4 2 Asymptotic analysis 6 2.1 A fourth-order problem in 1D 6 2.2 A fourth-order problem in 2D 14 2.2.1 Asymptotic expansion 19 2.2.2 Estimation of the residual 26 2.2.3 Asymptotic expansion without compatibility conditions 30 3 Solution decomposition and layer-adapted meshes 32 3.1 Solution decomposition 32 3.2 Layer-adapted meshes 33 3.3 Interpolation errors on layer-adapted meshes 36 4 Galerkin method and stabilisation 41 4.1 Discrete problem and stabilised formulation 41 4.2 A priori error estimates 44 5 Numerical results 48 5.1 Numerical evaluation of inf-sup constants 48 5.1.1 Theoretical aspects 48 5.1.2 Numerical results for β0 and B0 50 5.2 Convergence studies 53 5.2.1 Uniformity in ε 54 5.2.2 Convergence order 55 5.2.3 Necessity of stabilisation 56 5.2.4 Further experiments without known exact solution 56 6 Conclusions and outlook 60 A Numerical study of the stability estimate (2.35) 62 Bibliography 67

We study a class of differential inclusions involving maximal monotone relations, which cover a huge class of problems in mathematical physics. For this purpose we introduce the time derivative as a continuously invertible operator in a suitable Hilbert space. It turns out that this realization is a strictly monotone operator and thus, the question on existence and uniqueness can be answered by well-known results in the theory of maximal monotone relations. Furthermore, we show that the resulting solution operator is Lipschitz-continuous and causal, which is a natural property of evolutionary processes. Finally, the results are applied to a system of partial differential equations and inclusions, which describes the diffusion of a compressible fluid through a saturated, porous, plastically deforming media, where certain hysteresis phenomena are modeled by maximal montone relations.

In this thesis the Lyapunov exponents of random dynamical systems are presented and investigated. The main results are: 1. In the space of all unbounded linear cocycles satisfying a certain integrability condition, we construct an open set of linear cocycles have simple Lyapunov spectrum and no exponential separation. Thus, unlike the bounded case, the exponential separation property is nongeneric in the space of unbounded cocycles. 2. The multiplicative ergodic theorem is established for random difference equations as well as random differential equations with random delay. 3. We provide a computational method for computing an invariant measure for infinite iterated functions systems as well as the Lyapunov exponents of products of random matrices. / In den vorliegenden Arbeit werden Lyapunov-Exponented für zufällige dynamische Systeme untersucht. Die Hauptresultate sind: 1. Im Raum aller unbeschränkten linearen Kozyklen, die eine gewisse Integrabilitätsbedingung erfüllen, konstruieren wir eine offene Menge linearer Kyzyklen, die einfaches Lyapunov-Spektrum besitzen und nicht exponentiell separiert sind. Im Gegensatz zum beschränkten Fall ist die Eingenschaft der exponentiellen Separiertheit nicht generisch in Raum der unbeschränkten Kozyklen. 2. Sowohl für zufällige Differenzengleichungen, als auch für zufällige Differentialgleichungen, mit zufälligem Delay wird ein multiplikatives Ergodentheorem bewiesen. 3.Eine algorithmisch implementierbare Methode wird entwickelt zur Berechnung von invarianten Maßen für unendliche iterierte Funktionensysteme und zur Berechnung von Lyapunov-Exponenten für Produkte von zufälligen Matrizen.

Diese Arbeit liefert einen Beitrag zur mathematischen Untersuchung der Darwin-Howie-Whelan (DHW) Gleichungen. Sie werden üblicherweise zur Beschreibung und Simulation der Diffraktion schneller Elektronen in der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) verwendet. Sie bilden ein System aus Gleichungen für unendlich viele Enveloppenfunktionen, das aus der Schrödinger-Gleichung abgeleitet werden kann. Allerdings wird für Simulation von TEM Bildern nur ein endlicher Satz von Enveloppenfunktionen verwendet, was zu einem System von gewöhnlichen Differentialgleichungen in Richtung der Dicke der Probe führt. Bis jetzt gibt es keine systematische Analyse zur Genauigkeit dieser Näherungen in Abhängigkeit von der Auswahl der verwendeten endlichen Sätze von Enveloppenfunktionen. Diese Frage wird hier untersucht, indem die mathematische Struktur des Systems analysiert wird und Fehlerabschätzungen zur Bewertung der Genauigkeit spezieller Näherungen hergeleitet werden, wie der Zweistrahl-Approximation oder der sogennanten systematischen Reihe. Anschließend wird ein mathematisches Modell und eine Toolchain für die numerische Simulation von TEM-Bildern von Halbleiter-Quantenpunkten entwickelt. Es wird eine Simulationsstudie an Indium-Gallium-Arsenid-Quantenpunkten mit unterschiedlicher Geometrie durchgeführt und die resultierenden TEM Bilder werden mit experimentellen Bildern verglichen. Schließlich werden die in TEM Bildern beobachteten Symmetrien im Hinblick auf die DHW Gleichungen untersucht. Dazu werden mathematische Resultate formuliert und bewiesen, die zeigen dass die Intensitäten der Lösungen der DHW Gleichungen unter bestimmten Transformationen invariant sind. Durch die Kombination dieser Invarianten mit spezifischen Eigenschaften des Deformationsfeldes können dann die in TEM Bildern beobachteten Symmetrien erklärt werden. Die Ergebnisse werden anhand ausgewählter Beispiele aus dem Bereich der Halbleiter-Nanostrukturen wie Quantensichten und Quantenpunkte demonstriert. / In this thesis a mathematical study on the Darwin--Howie--Whelan (DHW) equations is provided. The equations are commonly used to describe and simulate the scattering of fast electrons in transmission electron microscopy (TEM). They are a system for infinitely many envelope functions, derived from the Schrödinger equation. However, for the simulation of images only a finite set of envelope functions is used, leading to a finite system of ordinary differential equations in the thickness direction of the specimen. Until now, there has been no systematic discussion about the accuracy of approximations depending on the choice of the finite sets used. This question is approached here by studying the mathematical structure of the system and providing error estimates to evaluate the accuracy of special approximations, like the two-beam and the systematic-row approximation. Then a mathematical model and a toolchain for the numerical simulation of TEM images of semiconductor quantum dots (QDs) is developed. A simulation study is performed on indium gallium arsenide QDs with different shapes and the resulting TEM images are compared to experimental ones. Finally, symmetries observed in TEM images are investigated with respect to the DHW equations. Then, mathematical proofs are given showing that the intensities of the solutions of the DHW equations are invariant under specific transformations. A combination of these invariances with specific properties of the strain profile can then explain symmetries observed in TEM images. The results are demonstrated by using selected examples in the field of semiconductor nanostructures, such as quantum wells and quantum dots.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Theorie der sogenannten stochastischen Vorwärts-Rückwärts-Differentialgleichungen (FBSDE), welche als ein stochastisches Anologon und in gewisser Weise als eine Verallgemeinerung von parabolischen quasi-linearen partiellen Differentialgleichungen betrachtet werden können. Die Dissertation besteht aus zwei Teilen: In dem ersten entwicklen wir die Theorie der sogenannten Entkopplungsfelder für allgemeine mehrdimensionale stark gekoppelte FBSDE. Diese Theorie besteht aus Existenz- sowie Eindeutigkeitsresultaten basierend auf dem Konzept des maximalen Intervalls. Es beinhaltet darüberhinaus Werkzeuge um Regularität von konkreten Problemen zu untersuchen. Insgesamt wird die Theorie für drei Klassen von Problemen entwickelt: In dem ersten Fall werden Lipschitz-Bedingungen an die Parameter des Problems vorausgesetzt, welche zugleich vom Zufall abhängen dürfen. Die Untersuchung der beiden anderen Klassen basiert auf dem ersten. In diesen werden die Parameter als deterministisch vorausgesetzt. Gleichwohl wird die Lipschitz-Stetigkeit durch zwei verschiedene Formen der lokalen Lipschitz-Stetigkeit abgeschwächt. In dem zweiten Teil werden diese abstrakten Resultate auf drei konkrete Probleme angewendet: In der ersten Anwendung wird gezeigt wie globale Lösbarkeit von FBSDE in dem sogenannten nicht-degenerierten Fall untersucht werden kann. In der zweiten Anwendung wird die Lösbarkeit eines gekoppelten Systems gezeigt, welches eine Lösung zu dem Skorokhod''schen Einbettungproblem liefert. Die Lösung wird für den Fall einer allgemeinen nicht-linearen Drift konstruiert. Die dritte Anwendung führt auf Lösbarkeit eines komplexen gekoppelten Vorwärt-Rückwärts-Systems, aus welchem optimale Strategien für das Problem der Nutzenmaximierung in unvollständingen Märkten konstruiert werden. Das System wird in einem verhältnismäßig allgmeinen Rahmen gelöst, d.h. für eine verhältnismäßig allgemeine Klasse von Nutzenfunktion auf den reellen Zahlen. / This thesis deals with the theory of so called forward-backward stochastic differential equations (FBSDE) which can be seen as a stochastic formulation and in some sense generalization of parabolic quasi-linear partial differential equations. The thesis consist of two parts: In the first we develop the theory of so called decoupling fields for general multidimensional fully coupled FBSDE in a Brownian setting. The theory consists of uniqueness and existence results for decoupling fields on the so called the maximal interval. It also provides tools to investigate well-posedness and regularity for particular problems. In total the theory is developed for three different classes of FBSDE: In the first Lipschitz continuity of the parameter functions is required, which at the same time are allowed to be random. The other two classes we investigate are based on the theory developed for the first one. In both of them all parameter functions have to be deterministic. However, two different types of local Lipschitz continuity replace the more restrictive Lipschitz continuity of the first class. In the second part we apply these techniques to three different problems: In the first application we demonstrate how well-posedness of FBSDE in the so called non-degenerate case can be investigated. As a second application we demonstrate the solvability of a system, which provides a solution to the so called Skorokhod embedding problem (SEP) via FBSDE. The solution to the SEP is provided for the case of general non-linear drift. The third application provides solutions to a complex FBSDE from which optimal trading strategies for a problem of utility maximization in incomplete markets are constructed. The FBSDE is solved in a relatively general setting, i.e. for a relatively general class of utility functions on the real line.

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.

In dieser Arbeit werden einige Probleme im Zusammenhang mit der Erzeugung ultrakurzer Pulse in modengekoppelten Lasern unter Verwendung analytischer und numerischer Methoden theoretisch untersucht. Weiterhin werden einige Resultate über die Strahlung resonanter Medien, welche durch einen ultrakurzen Überlichtgeschwindigkeits-Lichtpuls angeregt werden, dargestellt. / In this thesis current problems related to the generation of short optical pulses in mode-locked lasers are considered in a theoretical context. We use numerical and analytical methods to study these problems. Additionally, the problem of resonant medium radiation excited by ultrashort light pulse propagating at superluminal velocity is investigated.