Duisburg, Universiẗat, Diss., 2003.

Techn. University, Diss., 2000--Berlin.

Ziel der Arbeit ist es das von Simon Newcomb und Frank Bedford beobachtete Benfordsche Gesetz mathematisch zu formalisieren. Zunächst wird der Begriff der signifikanten Dezimalziffer präzisiert. Danach wird eine exakte mathematische Formulierung der beobachteten Benford-Eigenschaft für verschiedene Objekte erfolgen, um schließlich verschiedenste Kriterien für die Gültigkeit der Gesetzmäßigkeit aufzustellen. Hierbei werden vor allem Methoden der Wahrscheinlichkeitstheorie, der Gleichverteilung modulo 1, der Fourier-Analysis, der Spieltheorie und der Ergodentheorie benötigt. Schließlich werden noch asymptotische Betrachtungen für Folgen von Zufallsgrößen im Hinblick auf die Konvergenz in Verteilung gegen das Benfordsche Gesetz angestellt.

Eine Verallgemeinerung der klassischen Resultate von Von Neumann und Birkhoff ist die Frage nach gewichteten Versionen ihrer Theoreme. Eine zentrale Antwort auf diese Fragestellung lieferte Jean Bourgain 1988 mit seinem Rückkehrzeitentheorem. Aufbauend auf dem Beweis von Bourgain, Furstenberg, Katznelson und Ornstein aus dem Jahr 1989 sowie dem Buch von Assani präsentieren wir einen ausführlichen und vollständigen Beweis und besprechen insbesondere den Fall von dynamischen Systemen mit rein atomarer invarianter sigma-Algebra. / In this diploma thesis we present a detailed proof of Bourgain's Return Times Theorem due to Bourgain, Furstenberg, Katznelson and Ornstein following their paper as well as the book by Assani. In particular, we discuss the case of systems with a purely atomic invariant sigma-algebra in all details.

The thesis is organized as follows: First we state basic ergodic theorems in Section 2 and introduce the notation of Cesàro averages for multiple operators in Section 3. We state a general theorem in Section 3 for groups that can be represented by a finite alphabet and a transition matrix. In the second part we show that finitely generated Fuchsian groups, with certain restrictions to the fundamental domain, admit such a representation. To develop the representation we give an introduction into Möbius transformations (Section 4), hyperbolic geometry (Section 5), the concept of Fuchsian groups and their action in the hyperbolic plane (Section 6) and fundamental domains (Section 7). As hyperbolic geometry calls for visualization we included images at various points to make the definitions and statements more approachable. With those tools at hand we can develop a geometrical coding for Fuchsian groups with respect to their fundamental domain in Section 8. Together with the coding we state in Section 9 the main theorem for Fuchsian groups. The last chapter (Section 10) is devoted to the application of the main theorem to three explicit examples. We apply the developed method to the free group F3, to a fundamental group of a compact manifold with genus two and we show why the main theorem does not hold for the modular group PSL(2, Z).:1 Introduction 2 Ergodic Theorems 2.1 Mean Ergodic Theorems 2.2 Pointwise Ergodic Theorems 2.3 The Limit in Ergodic Theorems 3 Cesàro Averages of Sphere Averages 3.1 Basic Notation 3.2 Cesàro Averages as Powers of an Operator 3.3 Convergence of Cesàro Averages 3.4 Invariance of the Limit 3.5 The Limit of Cesàro Averages 3.6 Ergodic Theorems for Strictly Markovian Groups 4 Möbius Transformations 4.1 Introduction and Properties 4.2 Classes of Möbius Transformations 5 Hyperbolic Geometry 5.1 Hyperbolic Metric 5.2 Upper Half Plane and Poincaré Disc 5.3 Topology 5.4 Geodesics 5.5 Geometry of Möbius Transformations 6 Fuchsian Groups and Hyperbolic Space 6.1 Discrete Groups 6.2 The Group PSL(2, R) 6.3 Fuchsian Group Actions on H 6.4 Fuchsian Group Actions on D 7 Geometry of Fuchsian Groups 7.1 Fundamental Domains 7.2 Dirichlet Domains 7.3 Locally Finite Fundamental Domains 7.3.1 Sides of Locally Finite Fundamental Domains 7.3.2 Side Pairings for Locally Finite Fundamental Domains 7.3.3 Finite Sided Fundamental Domains 7.4 Tessellations of Hyperbolic Space 7.5 Example Fundamental Domains 8 Coding for Fuchsian Groups 8.1 Geometric Alphabet 8.1.1 Alphabet Map 8.2 Transition Matrix 8.2.1 Irreducibility of the Transition Matrix 8.2.2 Strict Irreducibility of the Transition Matrix 9 Ergodic Theorem for Fuchsian Groups 10 Example Constructions 10.1 The Free Group with Three Generators 10.1.1 Transition Matrix 10.2 Example of a Surface Group 10.2.1 Irreducibility of the Transition Matrix 10.2.2 Strict Irreducibility of the Transition Matrix 10.3 Example of PSL(2, Z) 10.3.1 Irreducibility of the Transition Matrix 10.3.2 Strict Irreducibility of the Transition Matrix

Diese Dissertation untersucht Aspekte des Zusammenspiels von ergodischem Langzeitver- halten und der Glättungseigenschaft dynamischer Systeme, die von stochastischen Differen- tialgleichungen (SDEs) mit Sprüngen erzeugt sind. Im Speziellen werden SDEs getrieben von Lévy-Prozessen und der Marcusschen kanonischen Gleichung untersucht. Ein vari- ationeller Ansatz für den Malliavin-Kalkül liefert eine partielle Integration, sodass eine Variation im Raum in eine Variation im Wahrscheinlichkeitsmaß überführt werden kann. Damit lässt sich die starke Feller-Eigenschaft und die Existenz glatter Dichten der zuge- hörigen Markov-Halbgruppe aus einer nichtstandard Elliptizitätsbedingung an eine Kom- bination aus Gaußscher und Sprung-Kovarianz ableiten. Resultate für Sprungdiffusionen auf Untermannigfaltigkeiten werden aus dem umgebenden Euklidischen Raum hergeleitet. Diese Resultate werden dann auf zufällige dynamische Systeme angewandt, die von lin- earen stochastischen Differentialgleichungen erzeugt sind. Ruelles Integrierbarkeitsbedin- gung entspricht einer Integrierbarkeitsbedingung an das Lévy-Maß und gewährleistet die Gültigkeit von Oseledets multiplikativem Ergodentheorem. Damit folgt die Existenz eines Lyapunov-Spektrums. Schließlich wird der top Lyapunov-Exponent über eine Formel der Art von Furstenberg–Khasminsikii als ein ergodisches Mittel der infinitesimalen Wachs- tumsrate über die Einheitssphäre dargestellt. / The present thesis investigates certain aspects of the interplay between the ergodic long time behavior and the smoothing property of dynamical systems generated by stochastic differential equations (SDEs) with jumps, in particular SDEs driven by Lévy processes and the Marcus’ canonical equation. A variational approach to the Malliavin calculus generates an integration-by-parts formula that allows to transfer spatial variation to variation in the probability measure. The strong Feller property of the associated Markov semigroup and the existence of smooth transition densities are deduced from a non-standard ellipticity condition on a combination of the Gaussian and a jump covariance. Similar results on submanifolds are inferred from the ambient Euclidean space. These results are then applied to random dynamical systems generated by linear stochas- tic differential equations. Ruelle’s integrability condition translates into an integrability condition for the Lévy measure and ensures the validity of the multiplicative ergodic theo- rem (MET) of Oseledets. Hence the exponential growth rate is governed by the Lyapunov spectrum. Finally the top Lyapunov exponent is represented by a formula of Furstenberg– Khasminskii–type as an ergodic average of the infinitesimal growth rate over the unit sphere.