We give an alternate description of Koiter's shell equation that does not depend on the special mid surface coordinates, but uses differential operators defined on the mid surface. This is the continuation of the preprint CSC12-02 (http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa-96903) due to new additional simplifications of these operators.

In this thesis, we discuss the formulation of variational problems on supermanifolds. Supermanifolds incorporate bosonic as well as fermionic degrees of freedom. Fermionic fields take values in the odd part of an appropriate Grassmann algebra and are thus showing an anticommutative behaviour. However, a systematic treatment of these Grassmann parameters requires a description of spaces as functors, e.g. from the category of Grassmann algberas into the category of sets (or topological spaces, manifolds). After an introduction to the general ideas of this approach, we use it to give a description of the resulting supermanifolds of fields/maps. We show that each map is uniquely characterized by a family of differential operators of appropriate order. Moreover, we demonstrate that each of this maps is uniquely characterized by its component fields, i.e. by the coefficients in a Taylor expansion w.r.t. the odd coordinates. In general, the component fields are only locally defined. We present a way how to circumvent this limitation. In fact, by enlarging the supermanifold in question, we show that it is possible to work with globally defined components. We eventually use this formalism to study variational problems. More precisely, we study a super version of the geodesic and a generalization of harmonic maps to supermanifolds. Equations of motion are derived from an energy functional and we show how to decompose them into components. Finally, in special cases, we can prove the existence of critical points by reducing the problem to equations from ordinary geometric analysis. After solving these component equations, it is possible to show that their solutions give rise to critical points in the functor spaces of fields. / In dieser Dissertation wird die Formulierung von Variationsproblemen auf Supermannigfaltigkeiten diskutiert. Supermannigfaltigkeiten enthalten sowohl bosonische als auch fermionische Freiheitsgrade. Fermionische Felder nehmen Werte im ungeraden Teil einer Grassmannalgebra an, sie antikommutieren deshalb untereinander. Eine systematische Behandlung dieser Grassmann-Parameter erfordert jedoch die Beschreibung von Räumen durch Funktoren, z.B. von der Kategorie der Grassmannalgebren in diejenige der Mengen (der topologischen Räume, Mannigfaltigkeiten, ...). Nach einer Einführung in das allgemeine Konzept dieses Zugangs verwenden wir es um eine Beschreibung der resultierenden Supermannigfaltigkeit der Felder bzw. Abbildungen anzugeben. Wir zeigen, dass jede Abbildung eindeutig durch eine Familie von Differentialoperatoren geeigneter Ordnung charakterisiert wird. Darüber hinaus beweisen wir, dass jede solche Abbildung eineindeutig durch ihre Komponentenfelder, d.h. durch die Koeffizienten einer Taylorentwickelung bzgl. von ungeraden Koordinaten bestimmt ist. Im Allgemeinen sind Komponentenfelder nur lokal definiert. Wir stellen einen Weg vor, der diese Einschränkung umgeht: Durch das Vergrößern der betreffenden Supermannigfaltigkeit ist es immer möglich, mit globalen Koordinaten zu arbeiten. Schließlich wenden wir diesen Formalismus an, um Variationsprobleme zu untersuchen, genauer betrachten wir eine super-Version der Geodäte und eine Verallgemeinerung von harmonischen Abbildungen auf Supermannigfaltigkeiten. Bewegungsgleichungen werden von Energiefunktionalen abgeleitet und wir zeigen, wie sie sich in Komponenten zerlegen lassen. Schließlich kann in Spezialfällen die Existenz von kritischen Punkten gezeigt werden, indem das Problem auf Gleichungen der gewöhnlichen geometrischen Analysis reduziert wird. Es kann dann gezeigt werden, dass die Lösungen dieser Gleichungen sich zu kritischen Punkten im betreffenden Funktor-Raum der Felder zusammensetzt.

We give an alternate description of the usual shell equation that does not depend on the special mid surface coordinates, but uses differential operators defined on the mid surface.

We give an alternate description of Koiter's shell equation that does not depend on the special mid surface coordinates, but uses differential operators defined on the mid surface. This is the continuation of the preprint CSC12-02 (http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa-96903) due to new additional simplifications of these operators.:1. Introduction 2. Basic differential geometry 3. The strain tensor and its simplifications 4. Linearization to small strain and coordinate free description 5. The resulting Koiter energy 6. Remarks on the differential operators

We establish elements of a new approach to ellipticity and parametrices within operator algebras on manifolds with higher singularities, only based on some general axiomatic requirements on parameter-dependent operators in suitable scales of spaes. The idea is to model an iterative process with new generations of parameter-dependent operator theories, together with new scales of spaces that satisfy analogous requirements as the original ones, now on a corresponding higher level. The "full" calculus involves two separate theories, one near the tip of the corner and another one at the conical exit to infinity. However, concerning the conical exit to infinity, we establish here a new concrete calculus of edge-degenerate operators which can be iterated to higher singularities. / Wir führen einen neuen Zugang ein zu Elliptizität und Parametrices in Operatorenalgebren auf Mannigfaltigkeiten mit höheren Singularitäten, nur basierend auf allgemeinen axiomatischen Voraussetzungen über parameter-abhängige Operatoren in geeigneten Skalen von Räumen. Die Idee besteht darin, ein iteratives Verfahren zu modellieren mit neuen Generationen von parameter-abhängigen Operatortheorien, zusammen mit neuen Skalen von Räumen, die analoge Voraussetzungen erfüllen wie die ursprünglichen Objekte, jetzt auf dem entsprechenden höheren Niveau. Der „volle“ Kalkül besteht aus zwei separaten Theorien, eine nahe der Spitze der Ecke und eine andere am konischen Ausgang nach Unendlich. Allerdings, bezüglich des konischen Ausgangs nach Unendlich, bauen wir hier einen neuen konkreten Kalkül von kanten-entarteten Operatoren auf, der für höhere Singularitäten iteriert werden kann.

We give an alternate description of the usual shell equation that does not depend on the special mid surface coordinates, but uses differential operators defined on the mid surface.:1 Introduction 2 Basic differential geometry 3 The strain tensor and its simplifications 4 The resulting shell energy 5 Introducing the Kirchhoff-Hypothesis towards Koiter-shell

Konforme Potenzen des Dirac Operators einer semi Riemannschen Spin-Mannigfaltigkeit werden untersucht. Wir präsentieren einen neuen Beweis, basierend auf dem Traktor Kalkül, für die Existenz von konformen ungeraden Potenzen des Dirac Operators auf semi Riemannschen Spin-Mannigfaltigkeiten. Desweiteren konstruieren wir eine neue Familie von konform kovarianten linearen Differentialoperatoren auf dem standard spin Traktor Bündel. Weiterhin verallgemeinern wir den Existenzbeweis für konforme ungerade Potenzen des Dirac Operators auf semi Riemannsche Spin-Mannigfaltigkeiten. Da die Existenzbeweise konstruktive sind, erhalten wir explizite Formeln für die konforme dritte und fünfte Potenz des Dirac Operators. Basierend auf den expliziten Formeln zeigen wir, dass die konforme dritte und fünfte Potenz des Dirac Operators formal selbstadjungiert (anti selbstadjungiert) bezüglich des L2-Skalarproduktes auf dem Spinorbündel ist. Abschliessend präsentieren wir neue Strukturen der konformen ersten, dritten und fünften Potenz des Dirac Operators: Es existieren lineare Differentialoperatoren auf dem Spinorbündel der Ordnung kleiner gleich eins, so dass die konforme erste, dritte und fünfte Potenz des Dirac Operators ein Polynom in jenen Operatoren ist. / Conformal powers of the Dirac operator on semi Riemannian spin manifolds are investigated. We give a new proof of the existence of conformal odd powers of the Dirac operator on semi Riemannian spin manifolds using the tractor machinery. We will also present a new family of conformally covariant linear differential operators on the standard spin tractor bundle. Furthermore, we generalize the known existence proof of conformal power of the Dirac operator on Riemannian spin manifolds to semi Riemannian spin manifolds. Both proofs concering the existence of conformal odd powers of the Dirac operator are constructive, hence we also derive an explicit formula for a conformal third- and fifth power of the Dirac operator. Due to explicit formulas, we show that the conformal third- and fifth power of the Dirac operator is formally self-adjoint (anti self-adjoint), with respect to the L2-scalar product on the spinor bundle. Finally, we present a new structure of the conformal first-, third- and fifth power of the Dirac operator: There exist linear differential operators on the spinor bundle of order less or equal one, such that the conformal first-, third- and fifth power of the Dirac operator is a polynomial in these operators.

Wir betrachten Optimalsteuerungsprobleme, die von partiellen Differentialgleichungen beziehungsweise Variationsungleichungen mit Differentialoperatoren erster Ordnung abhängen. Wir führen die Reformulierung eines Tagebauplanungsproblems, das auf stetigen Funktionen beruht, ein. Das Resultat ist ein Optimalsteuerungsproblem für Viskositätslösungen einer Eikonalgleichung. Die Existenz von Lösungen dieses und bestimmter Hilfsprobleme, die von semilinearen PDG‘s mit künstlicher Viskosität abhängen, wird bewiesen, Stationaritätsbedingungen hergeleitet und ein schwaches Konsistenzresultat für stationäre Punkte präsentiert. Des Weiteren betrachten wir Optimalsteuerungsprobleme, die von stationären Variationsungleichungen erster Art mit linearen Differentialoperatoren erster Ordnung abhängen. Wir diskutieren Lösbarkeit und Stationaritätskonzepte für diese Probleme. Für letzteres vergleichen wir Ergebnisse, die entweder durch die Anwendung von Penalisierungs- und Regularisierungsansätzen direkt auf Ebene von Differentialoperatoren erster Ordnung oder als Grenzwertprozess von Stationaritätssystemen für viskositätsregularisierte Optimalsteuerungsprobleme unter passenden Annahmen erhalten werden. Um die Konsistenz von ursprünglichem und regularisierten Problemen zu sichern, wird ein bekanntes Ergebnis für Lösungen von VU’s mit degeneriertem Differentialoperator erweitert. In beiden Fällen ist die erhaltene Stationarität schwächer als W-stationarität. Die theoretischen Ergebnisse werden anhand numerischer Beispiele verifiziert. Wir erweitern diese Ergebnisse auf Optimalsteuerungsprobleme bezüglich zeitabhängiger VU’s mit Differentialoperatoren erster Ordnung. Hierfür wird die Existenz von Lösungen bewiesen und erneut ein Stationaritätssystem mit Hilfe verschwindender Viskositäten unter bestimmten Beschränktheitsannahmen hergeleitet. Die erhaltenen Ergebnisse werden anhand von numerischen Beispielen verifiziert. / We consider problems of optimal control subject to partial differential equations and variational inequality problems with first order differential operators. We introduce a reformulation of an open pit mine planning problem that is based on continuous functions. The resulting formulation is a problem of optimal control subject to viscosity solutions of a partial differential equation of Eikonal Type. The existence of solutions to this problem and auxiliary problems of optimal control subject to regularized, semilinear PDE’s with artificial viscosity is proven. For the latter a first order optimality condition is established and a mild consistency result for the stationary points is proven. Further we study certain problems of optimal control subject to time-independent variational inequalities of the first kind with linear first order differential operators. We discuss solvability and stationarity concepts for such problems. In the latter case, we compare the results obtained by either utilizing penalization-regularization strategies directly on the first order level or considering the limit of systems for viscosity-regularized problems under suitable assumptions. To guarantee the consistency of the original and viscosity-regularized problems of optimal control, we extend known results for solutions to variational inequalities with degenerated differential operators. In both cases, the resulting stationarity concepts are weaker than W-stationarity. We validate the theoretical findings by numerical experiments for several examples. Finally, we extend the results from the time-independent to the case of problems of optimal control subject to VI’s with linear first order differential operators that are time-dependent. After establishing the existence of solutions to the problem of optimal control, a stationarity system is derived by a vanishing viscosity approach under certain boundedness assumptions and the theoretical findings are validated by numerical experiments.

In dieser Dissertation untersuchen wir das Verhalten von Schrödinger-Operatoren unter Riemannschen Überlagerungen. Wir betrachten folgende Situation: Sei eine Riemannsche Überlagerung und ein Schrödinger-Operator S mit glattem, von unten beschränktem Potential auf der Basismannigfaltigkeit gegeben. Sei S‘ der Lift von S auf die Überlagerungsmannigfaltigkeit. Man sieht leicht, dass das Minimum des Spektrums von S nicht größer als das Minimum des Spektrums von S‘ ist. R. Brooks hat als erster untersucht, wann die Gleichheit gilt. Er bewies insbesondere, dass eine normale Riemannsche Überlagerung einer geschlossenen Mannigfaltigkeit genau dann amenabel ist, wenn sie das Minimum des Spektrums des Laplace-Operators unverändert lässt. Zusammen mit W. Ballmann und H. Matthiesen bewiesen wir, dass amenable Riemannsche Überlagerungen immer das Minimum des Spektrums von Schrödinger-Operatoren erhalten; dies verallgemeinert Resultate von R. Brooks sowie von P. Bérard und Ph. Castillon. In dieser Dissertation beweisen wir, dass im Fall vollständiger Mannigfaltigkeiten das Spektrum von S im Spektrum von S‘ enthalten ist. Tatsächlich beweisen wir diese Beziehung sogar für eine deutlich größere Klasse von Differentialoperatoren. Obwohl Amenabilität eine natürliche Bedingung für die Gleichheit der Minima der Spektren ist, ist es unklar, inwieweit diese Bedingung optimal ist. In dieser Dissertation beweisen wir: Wenn eine Riemannsche Überlagerung das Minimum des Spektrums eines Schrödinger-Operators erhält, und wenn dieses zum diskreten Spektrum des Operators auf der Basismannigfaltigkeit gehört, dann ist die Überlagerung amenabel. Man beachte, dass wir keinerlei geometrische oder topologische Bedingungen an die Mannigfaltigkeiten stellen. Dies verallgemeinert sowohl frühere Resultate von R. Brooks, T. Roblin und S. Tapie als auch ein kürzliches Resultat aus einer gemeinsamen Arbeit mit W. Ballmann und H. Matthiesen. / In this thesis, we investigate the behavior of the spectrum of Schrödinger operators under Riemannian coverings. To set the stage, consider a Riemannian covering and a Schrödinger operator S on the base manifold, with smooth potential bounded from below potential. Let S’ be the lift of S on the covering space. It is easy to see that the bottom (that is, the minimum) of the spectrum of S is no greater than the bottom of the spectrum of S’. R. Brooks was the first one to examine when the equality holds. In particular, he proved that a normal Riemannian covering of a closed manifold is amenable if and only if it preserves the bottom of the spectrum of the Laplacian. Generalizing former results of R. Brooks, and P. Berard and Ph. Castillon, in a joint work with W. Ballmann and H. Matthiesen, we proved that amenable Riemannian coverings preserve the bottom of the spectrum of Schrödinger operators. In this thesis, we prove that if, in addition, the manifolds are complete, then the spectrum of S is contained in the spectrum of S’. As a matter of fact, we establish this result for a quite wide class of differential operators. Although amenability is a natural assumption for the preservation of the bottom of the spectrum, it is not clear to what extent it is optimal. In this thesis, we prove that if a Riemannian covering preserves the bottom of the spectrum of a Schrödinger operator, which belongs to the discrete spectrum of the operator on the base manifold, then the covering is amenable. It is worth to point out that we do not impose any geometric or topological assumptions on the manifolds. This generalizes former results by R. Brooks, T. Roblin and S. Tapie, and a recent result of a joint work with W. Ballmann and H. Matthiesen.