Zugl.: Siegen, Univ., Diss., 2009

An der Schnittstelle zwischen Elektrofahrzeug und dem Niederspannungsnetz nimmt die Ladesäule eine Schlüsselposition beim Ausbau von intelligenten Stromnetzen in Synergie mit der Elektromobilität ein. Durch die Entwicklung einer frequenzselektiven Stromregelung des Wechselrichters der Ladesäule wurde die Reduktion der Netzrückwirkung bei hoher Ladeleistung ermöglicht und zusätzliche Netzdienstleistungen wie Netzstützung, Phasenschieberbetrieb, Netzsymmetrierung und Oberschwingungskompensation für eine aktive Verbesserung der Netzspannungsqualität realisiert. Ein neues Verfahren zur Optimierung der Phasenregelung erzielte eine höhere Effizienz der Kompensation der Oberschwingungen der Netzspannung. Diese Funktionen wurden an einem Prototyp der intelligenten Ladesäule in einem Inselnetz praktisch erforscht.

Kohlenstoffnanoröhrchen (engl. carbon nanotube, CNT) sind vielversprechende Kandidaten für den Ersatz von Kupferleitbahnen die bei weiterer Strukturverkleinerung von integrierten Schaltkreisen notwendig wird. In dieser Arbeit wird mit Hilfe von ab-initio Simulationen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie die elektronische Struktur von halbleitenden CNTs beispielhaft anhand des (8,4)-CNTs untersucht. Nach Besetzung des CNT mit Metallatomen, hier Kobalt, zeigen sich massive Änderungen der Bandstruktur. Es reichen bereits überraschend kleine Mengen des Metalls aus, um einen starken Effekt zu erreichen. Die Änderungen der elektronischen Struktur sind stark abhängig von der genauen Position der Metallatome relativ zum Kohlenstoffgerüst der CNTs, der Einfluss der mechanischen Verformung des CNTs als Reaktion auf die Anlagerung ist hingegen sehr gering. Die relevanten Bänder der Kobaltatome liegen leicht unterhalt der Fermi-Energie und sorgen bei der Integration in die Bandstruktur des CNTs für die Schließung der Bandlücke und somit für die Transformation eines vorher halbleitenden CNTs in ein leitendes. Diese Transformation konnte auch mit Simulationsrechnungen zum Elektronentransport bestätigt werden. Ferner wurden bei weiteren Rechnungen eine ausgeprägte Spinabhängigkeit der Bandstruktur ermittelt, welche noch weiterer Untersuchung bedarf.

Kohlenstoffnanoröhrchen (engl. carbon nanotube, CNT) sind vielversprechende Kandidaten für den Ersatz von Kupferleitbahnen die bei weiterer Strukturverkleinerung von integrierten Schaltkreisen notwendig wird. In dieser Arbeit wird mit Hilfe von ab-initio Simulationen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie die elektronische Struktur von halbleitenden CNTs beispielhaft anhand des (8,4)-CNTs untersucht. Nach Besetzung des CNT mit Metallatomen, hier Kobalt, zeigen sich massive Änderungen der Bandstruktur. Es reichen bereits überraschend kleine Mengen des Metalls aus, um einen starken Effekt zu erreichen. Die Änderungen der elektronischen Struktur sind stark abhängig von der genauen Position der Metallatome relativ zum Kohlenstoffgerüst der CNTs, der Einfluss der mechanischen Verformung des CNTs als Reaktion auf die Anlagerung ist hingegen sehr gering. Die relevanten Bänder der Kobaltatome liegen leicht unterhalt der Fermi-Energie und sorgen bei der Integration in die Bandstruktur des CNTs für die Schließung der Bandlücke und somit für die Transformation eines vorher halbleitenden CNTs in ein leitendes. Diese Transformation konnte auch mit Simulationsrechnungen zum Elektronentransport bestätigt werden. Ferner wurden bei weiteren Rechnungen eine ausgeprägte Spinabhängigkeit der Bandstruktur ermittelt, welche noch weiterer Untersuchung bedarf.

We consider multivariate trigonometric polynomials with frequencies supported on a fixed but arbitrary frequency index set I, which is a finite set of integer vectors of length d. Naturally, one is interested in spatial discretizations in the d-dimensional torus such that - the sampling values of the trigonometric polynomial at the nodes of this spatial discretization uniquely determines the trigonometric polynomial, - the corresponding discrete Fourier transform is fast realizable, and - the corresponding fast Fourier transform is stable. An algorithm that computes the discrete Fourier transform and that needs a computational complexity that is bounded from above by terms that are linear in the maximum of the number of input and output data up to some logarithmic factors is called fast Fourier transform. We call the fast Fourier transform stable if the Fourier matrix of the discrete Fourier transform has a condition number near one and the fast algorithm does not corrupt this theoretical stability. We suggest to use rank-1 lattices and a generalization as spatial discretizations in order to sample multivariate trigonometric polynomials and we develop construction methods in order to determine reconstructing sampling sets, i.e., sets of sampling nodes that allow for the unique, fast, and stable reconstruction of trigonometric polynomials. The methods for determining reconstructing rank-1 lattices are component{by{component constructions, similar to the seminal methods that are developed in the field of numerical integration. During this thesis we identify a component{by{component construction of reconstructing rank-1 lattices that allows for an estimate of the number of sampling nodes M |I|\le M\le \max\left(\frac{2}{3}|I|^2,\max\{3\|\mathbf{k}\|_\infty\colon\mathbf{k}\in I\}\right) that is sufficient in order to uniquely reconstruct each multivariate trigonometric polynomial with frequencies supported on the frequency index set I. We observe that the bounds on the number M only depends on the number of frequency indices contained in I and the expansion of I, but not on the spatial dimension d. Hence, rank-1 lattices are suitable spatial discretizations in arbitrarily high dimensional problems. Furthermore, we consider a generalization of the concept of rank-1 lattices, which we call generated sets. We use a quite different approach in order to determine suitable reconstructing generated sets. The corresponding construction method is based on a continuous optimization method. Besides the theoretical considerations, we focus on the practicability of the presented algorithms and illustrate the theoretical findings by means of several examples. In addition, we investigate the approximation properties of the considered sampling schemes. We apply the results to the most important structures of frequency indices in higher dimensions, so-called hyperbolic crosses and demonstrate the approximation properties by the means of several examples that include the solution of Poisson's equation as one representative of partial differential equations.

In this work, the fast evaluation and reconstruction of multivariate trigonometric polynomials with frequencies supported on arbitrary index sets of finite cardinality is considered, where rank-1 lattices are used as spatial discretizations. The approximation of multivariate smooth periodic functions by trigonometric polynomials is studied, based on a one-dimensional FFT applied to function samples. The smoothness of the functions is characterized via the decay of their Fourier coefficients, and various estimates for sampling errors are shown, complemented by numerical tests for up to 25 dimensions. In addition, the special case of perturbed rank-1 lattice nodes is considered, and a fast Taylor expansion based approximation method is developed. One main contribution is the transfer of the methods to the non-periodic case. Multivariate algebraic polynomials in Chebyshev form are used as ansatz functions and rank-1 Chebyshev lattices as spatial discretizations. This strategy allows for using fast algorithms based on a one-dimensional DCT. The smoothness of a function can be characterized via the decay of its Chebyshev coefficients. From this point of view, estimates for sampling errors are shown as well as numerical tests for up to 25 dimensions. A further main contribution is the development of a high-dimensional sparse FFT method based on rank-1 lattice sampling, which allows for determining unknown frequency locations belonging to the approximately largest Fourier or Chebyshev coefficients of a function. / In dieser Arbeit wird die schnelle Auswertung und Rekonstruktion multivariater trigonometrischer Polynome mit Frequenzen aus beliebigen Indexmengen endlicher Kardinalität betrachtet, wobei Rang-1-Gitter (rank-1 lattices) als Diskretisierung im Ortsbereich verwendet werden. Die Approximation multivariater glatter periodischer Funktionen durch trigonometrische Polynome wird untersucht, wobei Approximanten mittels einer eindimensionalen FFT (schnellen Fourier-Transformation) angewandt auf Funktionswerte ermittelt werden. Die Glattheit von Funktionen wird durch den Abfall ihrer Fourier-Koeffizienten charakterisiert und mehrere Abschätzungen für den Abtastfehler werden gezeigt, ergänzt durch numerische Tests für bis zu 25 Raumdimensionen. Zusätzlich wird der Spezialfall gestörter Rang-1-Gitter-Knoten betrachtet, und es wird eine schnelle Approximationsmethode basierend auf Taylorentwicklung vorgestellt. Ein wichtiger Beitrag dieser Arbeit ist die Übertragung der Methoden vom periodischen auf den nicht-periodischen Fall. Multivariate algebraische Polynome in Chebyshev-Form werden als Ansatzfunktionen verwendet und sogenannte Rang-1-Chebyshev-Gitter als Diskretisierungen im Ortsbereich. Diese Strategie ermöglicht die Verwendung schneller Algorithmen basierend auf einer eindimensionalen DCT (diskreten Kosinustransformation). Die Glattheit von Funktionen kann durch den Abfall ihrer Chebyshev-Koeffizienten charakterisiert werden. Unter diesem Gesichtspunkt werden Abschätzungen für Abtastfehler gezeigt sowie numerische Tests für bis zu 25 Raumdimensionen. Ein weiterer wichtiger Beitrag ist die Entwicklung einer Methode zur Berechnung einer hochdimensionalen dünnbesetzten FFT basierend auf Abtastwerten an Rang-1-Gittern, wobei diese Methode die Bestimmung unbekannter Frequenzen ermöglicht, welche zu den näherungsweise größten Fourier- oder Chebyshev-Koeffizienten einer Funktion gehören.

We consider multivariate trigonometric polynomials with frequencies supported on a fixed but arbitrary frequency index set I, which is a finite set of integer vectors of length d. Naturally, one is interested in spatial discretizations in the d-dimensional torus such that - the sampling values of the trigonometric polynomial at the nodes of this spatial discretization uniquely determines the trigonometric polynomial, - the corresponding discrete Fourier transform is fast realizable, and - the corresponding fast Fourier transform is stable. An algorithm that computes the discrete Fourier transform and that needs a computational complexity that is bounded from above by terms that are linear in the maximum of the number of input and output data up to some logarithmic factors is called fast Fourier transform. We call the fast Fourier transform stable if the Fourier matrix of the discrete Fourier transform has a condition number near one and the fast algorithm does not corrupt this theoretical stability. We suggest to use rank-1 lattices and a generalization as spatial discretizations in order to sample multivariate trigonometric polynomials and we develop construction methods in order to determine reconstructing sampling sets, i.e., sets of sampling nodes that allow for the unique, fast, and stable reconstruction of trigonometric polynomials. The methods for determining reconstructing rank-1 lattices are component{by{component constructions, similar to the seminal methods that are developed in the field of numerical integration. During this thesis we identify a component{by{component construction of reconstructing rank-1 lattices that allows for an estimate of the number of sampling nodes M |I|\le M\le \max\left(\frac{2}{3}|I|^2,\max\{3\|\mathbf{k}\|_\infty\colon\mathbf{k}\in I\}\right) that is sufficient in order to uniquely reconstruct each multivariate trigonometric polynomial with frequencies supported on the frequency index set I. We observe that the bounds on the number M only depends on the number of frequency indices contained in I and the expansion of I, but not on the spatial dimension d. Hence, rank-1 lattices are suitable spatial discretizations in arbitrarily high dimensional problems. Furthermore, we consider a generalization of the concept of rank-1 lattices, which we call generated sets. We use a quite different approach in order to determine suitable reconstructing generated sets. The corresponding construction method is based on a continuous optimization method. Besides the theoretical considerations, we focus on the practicability of the presented algorithms and illustrate the theoretical findings by means of several examples. In addition, we investigate the approximation properties of the considered sampling schemes. We apply the results to the most important structures of frequency indices in higher dimensions, so-called hyperbolic crosses and demonstrate the approximation properties by the means of several examples that include the solution of Poisson's equation as one representative of partial differential equations.

In this work, the fast evaluation and reconstruction of multivariate trigonometric polynomials with frequencies supported on arbitrary index sets of finite cardinality is considered, where rank-1 lattices are used as spatial discretizations. The approximation of multivariate smooth periodic functions by trigonometric polynomials is studied, based on a one-dimensional FFT applied to function samples. The smoothness of the functions is characterized via the decay of their Fourier coefficients, and various estimates for sampling errors are shown, complemented by numerical tests for up to 25 dimensions. In addition, the special case of perturbed rank-1 lattice nodes is considered, and a fast Taylor expansion based approximation method is developed. One main contribution is the transfer of the methods to the non-periodic case. Multivariate algebraic polynomials in Chebyshev form are used as ansatz functions and rank-1 Chebyshev lattices as spatial discretizations. This strategy allows for using fast algorithms based on a one-dimensional DCT. The smoothness of a function can be characterized via the decay of its Chebyshev coefficients. From this point of view, estimates for sampling errors are shown as well as numerical tests for up to 25 dimensions. A further main contribution is the development of a high-dimensional sparse FFT method based on rank-1 lattice sampling, which allows for determining unknown frequency locations belonging to the approximately largest Fourier or Chebyshev coefficients of a function. / In dieser Arbeit wird die schnelle Auswertung und Rekonstruktion multivariater trigonometrischer Polynome mit Frequenzen aus beliebigen Indexmengen endlicher Kardinalität betrachtet, wobei Rang-1-Gitter (rank-1 lattices) als Diskretisierung im Ortsbereich verwendet werden. Die Approximation multivariater glatter periodischer Funktionen durch trigonometrische Polynome wird untersucht, wobei Approximanten mittels einer eindimensionalen FFT (schnellen Fourier-Transformation) angewandt auf Funktionswerte ermittelt werden. Die Glattheit von Funktionen wird durch den Abfall ihrer Fourier-Koeffizienten charakterisiert und mehrere Abschätzungen für den Abtastfehler werden gezeigt, ergänzt durch numerische Tests für bis zu 25 Raumdimensionen. Zusätzlich wird der Spezialfall gestörter Rang-1-Gitter-Knoten betrachtet, und es wird eine schnelle Approximationsmethode basierend auf Taylorentwicklung vorgestellt. Ein wichtiger Beitrag dieser Arbeit ist die Übertragung der Methoden vom periodischen auf den nicht-periodischen Fall. Multivariate algebraische Polynome in Chebyshev-Form werden als Ansatzfunktionen verwendet und sogenannte Rang-1-Chebyshev-Gitter als Diskretisierungen im Ortsbereich. Diese Strategie ermöglicht die Verwendung schneller Algorithmen basierend auf einer eindimensionalen DCT (diskreten Kosinustransformation). Die Glattheit von Funktionen kann durch den Abfall ihrer Chebyshev-Koeffizienten charakterisiert werden. Unter diesem Gesichtspunkt werden Abschätzungen für Abtastfehler gezeigt sowie numerische Tests für bis zu 25 Raumdimensionen. Ein weiterer wichtiger Beitrag ist die Entwicklung einer Methode zur Berechnung einer hochdimensionalen dünnbesetzten FFT basierend auf Abtastwerten an Rang-1-Gittern, wobei diese Methode die Bestimmung unbekannter Frequenzen ermöglicht, welche zu den näherungsweise größten Fourier- oder Chebyshev-Koeffizienten einer Funktion gehören.