In this thesis we analyze lumpability of infinite dimensional dynamical systems. Lumping is a method to project a dynamics by a linear reduction operator onto a smaller state space on which a self-contained dynamical description exists. We consider a well-posed dynamical system defined on a Banach space X and generated by an operator F, together with a linear and bounded map M : X → Y, where Y is another Banach space. The operator M is surjective but not an isomorphism and it represents a reduction of the state space. We investigate whether the variable y = M x also satisfies a well-posed and self-contained dynamics on Y . We work in the context of strongly continuous semigroup theory. We first discuss lumpability of linear systems in Banach spaces. We give conditions for a reduced operator to exist on Y and to describe the evolution of the new variable y . We also study lumpability of nonlinear evolution equations, focusing on dissipative operators, for which some interesting results exist, concerning the existence and uniqueness of solutions, both in the classical sense of smooth solutions and in the weaker sense of strong solutions. We also investigate the regularity properties inherited by the reduced operator from the original operator F . Finally, we describe a particular kind of lumping in the context of C*-algebras. This lumping represents a different interpretation of a restriction operator. We apply this lumping to Feller semigroups, which are important because they can be associated in a unique way to Markov processes. We show that the fundamental properties of Feller semigroups are preserved by this lumping. Using these ideas, we give a short proof of the classical Tietze extension theorem based on C*-algebras and Gelfand theory.

Vollständig reguläre Halbgruppen weisen eine stark regelmäßige Struktur auf, die verschiedenste Zerlegungsmöglichkeiten gestatten. Ziel dieser Dissertation ist es, diese strukturelle Regelmäßigkeit auf Halbringe zu übertragen und die gewonnenen Algebren zu untersuchen. Mehrere Charakterisierungen werden herausgearbeitet, aufgrund derer es sich herausstellt, dass die Klasse aller vollständig regulären Halbringe eine Varietät bilden, deren Untervarietäten in der Folge untersucht werden. Zentrale Bedeutung haben dabei vollständig einfache Halbringe, deren Analyse einen der Schwerpunkte der Arbeit darstellt. Es zeigt sich, dass diese Bausteine vollständig regulärer Halbringe untereinander eine feste Struktur besitzen, selber aber auch als Zusammensetzung von isomorphen Halbringen aufgefasst werden können. Außerdem werden orthodoxe Halbringe, also Halbringe, deren idempotente Elemente einen Unterhalbring bilden, betrachtet. Zunächst wird dabei wieder auf mehrere Teilklassen eingegangen, bevor abschließend für beliebige vollständig reguläre Halbringe eine Beschreibung der kleinsten Kongruenz angegeben wird, deren Faktorhalbring orthodox ist.

In this thesis we analyze lumpability of infinite dimensional dynamical systems. Lumping is a method to project a dynamics by a linear reduction operator onto a smaller state space on which a self-contained dynamical description exists. We consider a well-posed dynamical system defined on a Banach space X and generated by an operator F, together with a linear and bounded map M : X → Y, where Y is another Banach space. The operator M is surjective but not an isomorphism and it represents a reduction of the state space. We investigate whether the variable y = M x also satisfies a well-posed and self-contained dynamics on Y . We work in the context of strongly continuous semigroup theory. We first discuss lumpability of linear systems in Banach spaces. We give conditions for a reduced operator to exist on Y and to describe the evolution of the new variable y . We also study lumpability of nonlinear evolution equations, focusing on dissipative operators, for which some interesting results exist, concerning the existence and uniqueness of solutions, both in the classical sense of smooth solutions and in the weaker sense of strong solutions. We also investigate the regularity properties inherited by the reduced operator from the original operator F . Finally, we describe a particular kind of lumping in the context of C*-algebras. This lumping represents a different interpretation of a restriction operator. We apply this lumping to Feller semigroups, which are important because they can be associated in a unique way to Markov processes. We show that the fundamental properties of Feller semigroups are preserved by this lumping. Using these ideas, we give a short proof of the classical Tietze extension theorem based on C*-algebras and Gelfand theory.

In den letzten fünfzig Jahren haben eine Vielzahl von Mathematikern, allen voran Brezis, Pazy und Crandall, eine Theorie der nichtlinearen Halbgruppen entwickelt. Die Ergebnisse dieser Theorie ähneln denen des linearen Gegenstücks stark. Insbesondere zeigten sie, dass jedes konvexe und unterhalbstetige Funktional auf einem Hilbertraum eine Kontraktionshalbgruppe erzeugt. Dies ist eine Verallgemeinerung des Satzes von Lumer-Phillips, aus dem sich folgern lässt, dass jede abgeschlossene Bilinearform eine Halbgruppe erzeugt. Eine solche Bilinearform heißt Dirichletform genau dann, wenn die erzeugte lineare Halbgruppe submarkovsch ist. Da solche Halbgruppen nicht nur eine wichtige Rolle in der Theorie parabolischer Differentialgleichungen spielen, sondern auch in der Analyse von Markovprozessen auftauchen, bildet die Theorie der bilinearen Dirichletformen eine fruchtbare Überschneidung aus Funktionalanalysis, Stochastik und der Theorie partieller Differentialgleichungen. In einem Artikel aus dem Jahr 2003 definieren F. Cipriani und G. Grillo nichtlineare Dirichletformen analog als genau die konvexen und unterhalbstetigen Funktionale, die nichtlineare submarkovsche Halbgruppen generieren. Sie zeigen auch, dass, ähnlich wie im bilinearen Fall, diese Definition durch Ungleichungen für das Funktional charakterisiert werden kann, ohne die Halbgruppe explizit zu untersuchen. Diese Dissertation baut auf dieser Publikation auf. Das Ziel ist, Konzepte und Resultate der bekannten linearen Theorie in diesem neuen Kontext wiederzugewinnen. Zum Beispiel definieren wir im ersten Teil einen Energieraum für eine große Klasse von Funktionalen. Im Falle einer Dirichletform nennen wir diesen Banachraum den Dirichletraum der Form. Der Dirichletraum ist, wie im bilinearen Fall, ein Verband unter der punktweisen Ordnung und die Verbandsoperationen sind in vielen Beispielen stetig. Danach führen wir eine Kapazität ein und nutzen diese, um quasistetige Funktionen zu definieren. All diese Konzepte ähneln ihrem bilinearen Gegenstück stark und erfüllen vergleichbare Eigenschaften. In den folgenden Kapiteln nutzen wir diese Potentialtheorie um eine Reihe von Resultaten, hauptsächlich über die Regularität bestimmter Störungen, zu beweisen. Diese Störungen sind oft mit Randwertproblemen assoziiert. Wichtige Beispiele für nichtlineare Dirichletformen sind die Energien der p-Laplaceoperatoren und deren fraktionellen Versionen auf Gebieten des Euklidischer Raums oder allgemeinen riemannschen Mannigfaltigkeiten.

Vollständig reguläre Halbgruppen weisen eine stark regelmäßige Struktur auf, die verschiedenste Zerlegungsmöglichkeiten gestatten. Ziel dieser Dissertation ist es, diese strukturelle Regelmäßigkeit auf Halbringe zu übertragen und die gewonnenen Algebren zu untersuchen. Mehrere Charakterisierungen werden herausgearbeitet, aufgrund derer es sich herausstellt, dass die Klasse aller vollständig regulären Halbringe eine Varietät bilden, deren Untervarietäten in der Folge untersucht werden. Zentrale Bedeutung haben dabei vollständig einfache Halbringe, deren Analyse einen der Schwerpunkte der Arbeit darstellt. Es zeigt sich, dass diese Bausteine vollständig regulärer Halbringe untereinander eine feste Struktur besitzen, selber aber auch als Zusammensetzung von isomorphen Halbringen aufgefasst werden können. Außerdem werden orthodoxe Halbringe, also Halbringe, deren idempotente Elemente einen Unterhalbring bilden, betrachtet. Zunächst wird dabei wieder auf mehrere Teilklassen eingegangen, bevor abschließend für beliebige vollständig reguläre Halbringe eine Beschreibung der kleinsten Kongruenz angegeben wird, deren Faktorhalbring orthodox ist.

Es wird gezeigt, dass ein Satz über die Abbildung spektraler Lücken, welcher exponentielle Dichotomie charakterisiert, für eine allgemeine Klasse (SH) von semilinearen hyperbolischen Systemen von partiellen Differentialgleichungen in einem Banach-Raum X von stetigen Funktionen gilt. Dies beantwortet ein Schlüsselproblem für die Existenz und Glattheit invarianter Mannigfaltigkeiten semilinearer hyperbolischer Systeme. Unter natürlichen Annahmen an die Nichtlinearitäten wird gezeigt, dass schwache Lösungen von (SH) einen glatten Halbfluß im Raum X bilden. Für Linearisierungen werden hochfrequente Abschätzungen für Spektren sowie Resolventen unter Verwendung von reduzierten (block)diagonal Systemen hergestellt. Darauf aufbauend wird der Abbildungssatz für spektrale Lücken im kleinen Raum X bewiesen: Eine offene spektrale Lücke des Generators wird exponentiell auf eine offene spektrale Lücke der Halbruppe abgebildet und umgekehrt. Es folgt, dass ein Phänomen wie im Gegenbeispiel von Renardy nicht auftreten kann. Unter Verwendung der allgemeinen Theorie implizieren die Ergebnisse die Existenz von glatten Zentrumsmannigfaltigkeiten für (SH). Die Ergebnisse werden auf traveling wave Modelle für die Dynamik von Halbleiter Lasern angewandt. Für diese werden Moden Approximationen (Systeme von gewöhnlichen Differentialgleichungen, welche die Dynamik auf gewissen Zentrumsmannigfaltigkeiten approximativ beschreiben) hergeleitet und gerechtfertigt, die generische Bifurkation von modulierten Wellen aus rotierenden Wellen wird gezeigt. Globale Existenz und glatte Abhängigkeit von nichtautonomen traveling wave Modellen werden betrachtet, außerdem werden Moden Approximationen für solche nichtautonomen Modelle rigoros hergeleitet. Insbesondere arbeitet die Theorie für die Stabilitäts- und Bifurkationsanalyse von Turing Modellen mit korellierter Zufallsbewegung. Ferner beinhaltet die Klasse (SH) neutrale und retardierte funktionale Differentialgleichungen. / A spectral gap mapping theorem, which characterizes exponential dichotomy, is proven for a general class of semilinear hyperbolic systems of PDEs in a Banach space X of continuous functions. This resolves a key problem on existence and smoothness of invariant manifolds for semilinear hyperbolic systems. It is shown that weak solutions to (SH) form a smooth semiflow in X under natural conditions on the nonlinearities. For linearizations high frequency estimates of spectra and resolvents in terms of reduced diagonal and blockdiagonal systems are given. Using these estimates a spectral gap mapping theorem in the small Banach space X is proven: An open spectral gap of the generator is mapped exponentially to an open spectral gap of the semigroup and vice versa. Hence, a phenomenon like in Renardy''s counterexample cannot appear for linearizations of (SH). By the general theory the results imply existence of smooth center manifolds for (SH). Moreoever, the results are applied to traveling wave models of semiconductor laser dynamics. For such models mode approximations (ODE systems which approximately describe the dynamics on center manifolds) are derived and justified, and generic bifurcations of modulated waves from rotating waves are shown. Global existence and smooth dependence of nonautonomous traveling wave models with more general solutions, which possess jumps, are considered, and mode approximations are derived for such nonautonomous models. In particular the theory applies to stability and bifurcation analysis for Turing models with correlated random walk. Moreover, the class (SH) includes neutral and retarded functional differential equations.