Es werden hybride Mannigfaltigkeiten untersucht, d.h. Systeme von zweidimensionalen Mannigfaltigkeiten, die durch eindimensionale Intervalle miteinander verknuepft sind. In einer solchen Struktur definieren wir einen Laplace-Operator, der sich aus den Laplace-Beltrami-Operatoren auf den glatten Teilen und Randbedingungen an den Verknuepfungspunkten zusammenstellt. Durch Verwendung der Kreinschen Theorie selbstadjungierter Erweiterungen wird es gezeigt, dass alle moeglichen Laplace-Operatoren durch hermitsche Matrizen einer speziellen Form parametrisiert werden koennen. Wir berechnen die Entwicklung der Spur der quadrirten Resolvent eines Laplace-Operators fuer grosse Spectralparameter vermittels der Randbedingungen und der Waermeleitungskoeffizienten der glatten Teilen der hybriden Mannigfaltigkeit. Unter gewissen zusaetzlichen Annahmen is es moeglich, aus dieser Entwicklung einige geometrische Invarianten und einige Information ueber den Randbedingungen zu gewinnen. / We consider a hybrid manifold (i.e. some two-dimensional manifolds connected with each other by some segments) and a Laplace operator on it. Such an operator can be constructed by using the Laplace-Beltrami operators on each part of the hybrid manifold with some boundary conditions in the points of gluing. We use the Krein theory of self-adjoint extensions to show that all possible Laplace operators are parameterized by some Hermitian matrices. We find the large spectral parameter expansion of the trace of the second power of the resolvent of a fixed Laplace operator in terms of the boundary condition matrix and heat kernel coefficients for the parts of the hybrid manifold. If we assume that we already have such an expansion for some hybrid manifold then we can find some data about this manifold (inverse spectral problem). Under some additional conditions it is possible to find some geometric invariants of the hybrid space and some information about the boundary conditions matrix. We apply the same technique also to two degenerate cases of hybrid manifolds: quantum graphs and the manifolds glued without segments.

Sei V ein holomorphes Vektorbündel über einer q-konvexen Mannigfaltigkeit X. Die Andreotti-Grauert-Theorie sagt, dass die r-te Kohomologiegruppe holomorpher Schnitte mit Werten in V endlich-dimensional ist und dass die Kohomologie verschwindet, falls X q-vollständig ist. Ist E ein holomorphes Banachbündel über X, dann ist bekannt, dass die erste Kohomologiegruppe verschwindet, falls X Steinsch ist. Kapitel I gibt einen ausführlichen Überblick über die Arbeit. In Kapitel II wird gezeigt, dass es holomorphe Hilbertbündel über 1-konvexen Mannigfaltigkeiten gibt, für die die erste Kohomologie nicht Hausdorffsch ist. In Kapitel III wird folgender Endlichkeitssatz gezeigt: Ist E ein holomorph triviales Banachbündel oder ein holomorphes Banachbündel von kompaktem Typ mit kompakter Approximationseigenschaft über einer q-konvexen Mannigfaltigkeit X, und ist V ein holomorphes Vektorbündel über X, für das die q-te Kohomologie verschwindet, dann gilt: Die q-te Kohomologie für das Tensorprodukt von V und E ist endlich-dimensional. Ist X q-vollständig, dann verschwindet die r-te Kohomologie, falls r größer oder gleich q ist. Für r größer q kann dies auch für beliebige holomorphe Banachbündel E gezeigt werden. Im Anhang wird skizziert, wie der Ansatz der L2-Methode im Fall r gleich q für Hilbertbündel zu einem Verschwindungssatz führen könnte. / Let V be a holomorphic vector bundle over a q-convex manifold X. The Andreotti-Grauert theory says that the r-th cohomology group of holomorphic section with values in V is finite dimensional and that the cohomology is vanishing if X is q-complete. If E is a holomorphic Banach bundle over X, it is known that the first cohomology group vanishes if X is Stein. Chapter I gives a detailed overview of the work. In chapter II it is shown that there are holomorphic Hilbert bundles over 1-convex manifolds such that the first cohomology of the bundle is not Hausdorff. In chapter III the following finiteness theorem is shown: If E is a holomorphically trivial Banach bundle or a holomorphic Banach bundle of compact type with the compact approximation property over a q-convex manifold X, and if V is a holomorphic vector bundle over X such that the q-th cohomology vanishes, then the following holds true: The q-th cohomology for the tensor product of V and E is finite dimensional. If X is q-complete, then the r-th cohomology vanishes if r is greater or equal q. If r is greater than q, this is shown also for arbitrary holomorphic Banach bundles E. In the appendix it is sketched how for r equal q the L2 method could yield a vanishing theorem for Hilbert bundles.

Die vorliegende Arbeit untersucht die longitudinale Dynamik von Halbleiterlasern anhand eines Modells, in dem ein lineares hyperbolisches System partieller Differentialgleichungen mit gewöhnlichen Differentialgleichungen gekoppelt ist. Zunächst wird mit Hilfe der Theorie stark stetiger Halbgruppen die globale Existenz und Eindeutigkeit von Lösungen für das konkrete System gezeigt. Die anschließende Untersuchung des Langzeitverhaltens der Lösungen erfolgt in zwei Schritten. Zuerst wird ausgenutzt, dass Ladungsträger und optisches Feld sich auf unterschiedlichen Zeitskalen bewegen, um mit singulärer Störungstheorie invariante attrahierende Mannigfaltigkeiten niedriger Dimension zu finden. Der Fluss auf diesen Mannigfaltigkeiten kann näherungsweise durch Moden-Approximationen beschrieben werden. Deren Dimension und konkrete Gestalt ist von der Lage des Spektrums des linearen hyperbolischen Operators abhängig. Die zwei häufigsten Situationen werden dann einer ausführlichen numerischen und analytischen Bifurkationsanalyse unterzogen. Ausgehend von bekannten Resultaten für die Ein-Moden-Approximation, wird die Zwei-Moden-Approximation in dem speziellen Fall untersucht, dass die Phasendifferenz zwischen den beiden optischen Komponenten sehr schnell rotiert, so dass sie sich in erster Ordnung herausmittelt. Mit dem vereinfachten Modell können die Mechanismen verschiedener Phänomene, die bei der numerischen Simulation des kompletten Modells beobachtet wurden, erklärt werden. Darüber hinaus lässt sich die Existenz eines anderen stabilen Regimes voraussagen, das sich im gemittelten Modell als "bursting" darstellt. / We investigate the longitudinal dynamics of semiconductor lasers using a model which couples a linear hyperbolic system of partial differential equations with ordinary differential equations. We prove the global existence and uniqueness of solutions using the theory of strongly continuous semigroups. Subsequently, we analyse the long-time behavior of the solutions in two steps. First, we find attracting invariant manifolds of low dimension benefitting from the fact that the system is singularly perturbed, i. e., the optical and the electronic variables operate on different time-scales. The flow on these manifolds can be approximated by the so-called mode approximations. The dimension of these mode approximations depends on the number of critical eigenvalues of the linear hyperbolic operator. Next, we perform a detailed numerical and analytic bifurcation analysis for the two most common constellations. Starting from known results for the single-mode approximation, we investigate the two-mode approximation in the special case of a rapidly rotating phase difference between the two optical components. In this case, the first-order averaged model unveils the mechanisms for various phenomena observed in simulations of the complete system. Moreover, it predicts the existence of a more complex spatio-temporal behavior. In the scope of the averaged model, this is a bursting regime.

Any Riemannian manifold possesses a minimal solution of the heat equation for the Dirichlet Laplacian, called the heat kernel. During the last decades many authors investigated geometric properties of the manifold such that its heat kernel fulfills a so-called Gaussian upper bound. Especially compact and non-compact manifolds with lower bounded Ricci curvature have been examined and provide such Gaussian estimates. In the compact case it ended even with integral Ricci curvature assumptions. The important techniques to obtain Gaussian bounds are the symmetrization procedure for compact manifolds and relative Faber-Krahn estimates or gradient estimates for the heat equation, where the first two base on isoperimetric properties of certain sets. In this thesis, we generalize the existing results to the following. Locally uniform integral bounds on the negative part of Ricci curvature lead to Gaussian upper bounds for the heat kernel, no matter whether the manifold is compact or not. Therefore, we show local isoperimetric inequalities under this condition and use relative Faber-Krahn estimates to derive explicit Gaussian upper bounds. If the manifold is compact, we can even generalize the integral curvature condition to the case that the negative part of Ricci curvature is in the so-called Kato class. We even obtain uniform Gaussian upper bounds using gradient estimate techniques. Apart from the geometric generalizations for obtaining Gaussian upper bounds we use those estimates to generalize Bochner’s theorem. More precisely, the estimates for the heat kernel obtained above lead to ultracontractive estimates for the heat semigroup and the semigroup generated by the Hodge Laplacian. In turn, we can formulate rigidity results for the triviality of the first cohomology group if the amount of curvature going below a certain positive threshold is small in a suitable sense. If we can only assume such smallness of the negative part of the Ricci curvature, we can bound the Betti number by explicit terms depending on the generalized curvature assumptions in a uniform manner, generalizing certain existing results from the cited literature. / Jede Riemannsche Mannigfaltigkeit besitzt eine minimale Lösung für die Wärmeleitungsgleichung des zur Mannigfaltigkeit gehörigen Dirichlet-Laplaceoperators, den Wärmeleitungskern. Während der letzten Jahrzehnte fanden viele Autoren geometrische Eigenschaften der Mannigfaltigkeiten unter welchen der Wärmeleitungskern eine sogenannte Gaußsche obere Abschätzung besitzt. Insbesondere bestizen sowohl kompakte als auch nichtkompakte Mannigfaltigkeiten mit nach unten beschränkter Ricci-Krümmung solche Gaußschen Abschätzungen. Im kompakten Fall reichten bisher sogar Integralbedingungen an die Ricci-Krümmung aus. Die wichtigen Techniken, um Gaußsche Abschätzungen zu erhalten, sind die Symmetrisierung für kompakte Mannigfaltigkeiten und relative Faber-Krahn- und Gradientenabschätzungen für die Wärmeleitungsgleichung, wobei die ersten beiden auf isoperimetrischen Eigenschaften gewisser Mengen beruhen. In dieser Arbeit verallgemeinern wir die bestehenden Resultate im folgenden Sinne. Lokal gleichmäßig beschränkte Integralschranken an den Negativteil der Ricci-Krümmung ergeben Gaußsche obere Abschätzungen sowohl im kompakten als auch nichtkompakten Fall. Dafür zeigen wir lokale isoperimetrische Ungleichungen unter dieser Voraussetzung und nutzen die relativen Faber-Krahn-Abschätzungen für eine explizite Gaußsche Schranke. Für kompakte Mannigfaltigkeiten können wir sogar die Integralschranken an den Negativteil der Ricci-Krümmung durch die sogenannte Kato-Bedingung ersetzen. In diesem Fall erhalten wir gleichmäßige Gaußsche Abschätzungen mit einer Gradientenabschätzung. Neben den geometrischen Verallgemeinerungen für Gaußsche Schranken nutzen wir unsere Ergebnisse, um Bochners Theorem zu verallgemeinern. Wärmeleitungskernabschätzungen ergeben ultrakontraktive Schranken für die Wärmeleitungshalbgruppe und die Halbgruppe, die durch den Hodge-Operator erzeugt wird. Damit können wir Starrheitseigenschaften für die erste Kohomologiegruppe zeigen, wenn der Teil der Ricci-Krümmung, welcher unter einem positiven Level liegt, in einem bestimmten Sinne klein genug ist. Wenn der Negativteil der Ricci-Krümmung nicht zu groß ist, können wir die erste Betti-Zahl noch immer explizit uniform abschätzen.

In dieser Dissertation konstruieren wir neue Beispiele von koassoziativen Untermannigfaltigkeiten und G2-Instantonen in kompakten G2-Mannigfaltigkeiten, die aus Joyces verallgemeinerter Kummer Konstruktion hervorgehen. Die besondere Eigenschaft der in dieser Arbeit gefundenen koassoziativen Untermannigfaltigkeiten ist, dass ihr (topologisch bestimmtes) Volumen gegen Null geht, wenn die umgebende Mannigfaltigkeit sich ihrem Orbifaltigkeits-Limes annähert. Dies ist im Sinne eines Vorschlags von Halverson und Morrison, der darauf hinweist, dass bestimmte Entartungen (oder, allgemeiner, die Perioden) von G2-Strukturen durch das Verhalten von G2-topologischen Größen wie dem Volumen von assoziativen und koassoziativen Untermannigfaltigkeiten nachweisbar sein könnten. Die Konstruktion dieser koassoziativen Untermannigfaltigkeiten ist Inhalt von Kapitel 3 und basiert auf der Deformation von „Modell-Untermannigfaltigkeiten“. Diese Untermannigfaltigkeiten liegen innerhalb des kritischen Bereiches der umgebenden Mannigfaltigkeit, in welchem die Metrik entartet. Abschnitt 3.3 beinhaltet zahlreiche Beispiele von koassoziativen Untermannigfaltigkeiten, die wir durch diese Methode konstruieren. Des Weiteren beschreiben wir die Deformationsfamilie dieser koassoziativen Untermannigfaltigkeiten. In Kapitel 4 konstruieren wir neue Beispiele von G2-Instantonen über verallgemeinerten Kummer Konstruktionen. Wir konzentrieren uns hierbei hauptsächlich auf Auflösungen von Orbifaltigkeiten, deren singuläre Strata von Kodimension 6 sind. Wie im vorherigen Kapitel basiert die Konstruktion dieser Instantonen auf einem Klebesatz, welcher einen Zusammenhang deformiert, der (im quantifizierten Sinne) fast ein G2-Instanton ist. Außerdem benutzen wir Gruppenwirkungen um die Obstruktionen zu reduzieren. Mithilfe dieser Methode konstruieren wir in Abschnitt 4.4 eine unendliche Familie von G2-Instantonen auf einem Bündel über einer bestimmten Kummer Konstruktion. / In this thesis we construct new examples of coassociative submanifolds and G2-instantons in compact G2-manifolds arising from Joyce’s generalised Kummer construction. The special feature of the coassociative submanifolds found in this thesis is that their (topologically determined) volume shrinks to zero as the ambient manifold approaches its orbifold limit. This is in the spirit of a proposal by Halverson and Morrison which indicates that certain degenerations (or, more general, the periods) of G2-structures may be detectable by the behaviour of G2-topological quantities such as the volume of associative and coassociative submanifolds. The construction of these coassociative submanifolds is the content of Chapter 3. It is based on the deformation of ‘model-submanfiolds’. These submanifolds lie within the critical locus of the ambient manifold in which the metric degenerates. Section 3.3 contains numerous examples of coassociative submanifolds which we construct via this method. Furthermore, we give a description of the deformation family of these coassociative submanifolds. In Chapter 4 we construct new examples of G2-instantons over generalised Kummer constructions. We focus mainly on resolutions of orbifolds whose singular strata are of codimension 6. As in the previous chapter, the construction of these instantons is based on a gluing theorem which deforms a connection that is (in a quantified sense) close to being a G2-instanton. Furthermore, we use group actions to reduce the obstructions. Using this method, we construct in Section 4.4 an infinite family of G2-instantons on a bundle over one particular Kummer construction.

In dieser Arbeit studieren wir Lorentz-Mannigfaltigkeiten mit spezieller Holonomie, d.h. ihre Holonomiedarstellung wirkt schwach-irreduzibel aber nicht irreduzibel. Aufgrund der schwachen Irreduzibilität lässt die Darstellung einen ausgearteten Unterraum invariant und damit also auch eine lichtartige Linie. Geometrisch hat dies zur Folge, dass wir zwei parallele Unterbündel (die Linie und ihr orthogonales Komplement) des Tangentialbündels erhalten. Diese Arbeit nutzt diese und weitere Objekte um zu beweisen, dass kompakte Lorentzmannigfaltigkeiten mit Abelscher Holonomie geodätisch vollständig sind. Zudem werden Lorentzmannigfaltigkeiten mit spezieller Holonomie und nicht-negativer Ricci-Krümung auf den Blättern der Blätterung, induziert durch das orthogonale Komplement der parellelen Linie, und maximaler erster Bettizahl untersucht. Schließlich werden vollständige Ricci-flache Lorentzmannigfaltigkeiten mit vorgegebener voller Holonomie konstruiert. / In the present thesis we study dimensional Lorentzian manifolds with special holonomy, i.e. such that their holonomy representation acts indecomposably but non-irreducibly. Being indecomposable, their holonomy group leaves invariant a degenerate subspace and thus a light-like line. Geometrically, this means that, since being holonomy invariant, this line gives rise to parallel subbundles of the tangent bundle. The thesis uses these and other objects to prove that Lorentian manifolds with Abelian holonomy are geodesically complete. Moreover, we study Lorentzian manifolds with special holonomy and non-negative Ricci curvature on the leaves of the foliation induced by the orthogonal complement of the parallel light-like line whose first Betti number is maximal. Finally, we provide examples of geodesically complete and Ricci-flat Lorentzian manifolds with special holonomy and prescribed full holonomy group.

In dieser Dissertation werden Cartan-Ränder von CR-Mannigfaltigkeiten und ihren Fefferman-Räumen besprochen. Der Fefferman-Raum einer strikt pseudo-konvexen CR-Mannigfaltigkeit ist als das Bündel aller reellen Strahlen im kanonischen, komplexen Linienbündel definiert. Eine andere Definition nutzt die Cartan-Geometrie und führt zu einer starken Beziehung zwischen den Cartan-Geometrien der CR-Mannigfaltigkeit und des zugehörigen Fefferman-Raumes. Allerdings wird hier die Existenz einer gewissen Wurzel des antikanonischen, komplexen Linienbündels, dessen Existenz nur lokal gesichert ist, vorausgesetzt. Für Randkonstruktionen benötigen wir jedoch eine globale Konstruktion des Fefferman-Raumes. Dennoch können lokale Resultate zum Fefferman-Raum von einer Konstruktion zur anderen übertragen werden können, da konforme Überlagerungen von beiden vorliegen. Der Cartan-Rand einer Mannigfaltigkeit wird mithilfe der zugehörigen Cartan-Geometrie konstruiert, welche eine globale Basis und damit auch eine Riemannsche Metrik auf dem Cartan-Bündel definiert, welches per Cauchy-Vervollständigung abgeschlossen wird. Division durch die Strukturgruppe ergibt den Cartan-Rand der Mannigfaltigkeit. Der Cartan-Rand ist eine Verallgemeinerung des Cauchy-Randes, da beide im Riemannschen übereinstimmen. Allgemein ist der Cartan-Rand nicht unbedingt Hausdorffsch, was nicht wirklich überrascht, sind doch Rand-Phänomene "irgendwie singulär". Wir stellen fest, dass für CR-Mannigfaltigkeit und ihre Fefferman-Räume die Projektion des Cartan-Randes des Fefferman-Raumes den Cartan-Rand der CR-Mannigfaltigkeit enthält. Schließlich betrachten wir die Heisenberg-Gruppe, eines der grundlegenden Beispiele für CR-Mannigfaltigkeiten. Sie ist flach aber - anders als der homogene Raum - nicht kompakt. Wir finden, dass der Cartan-Rand der Heisenberg-Gruppe ein einzelner Punkt und der Cartan-Rand des zugehörigen Fefferman-Raumes eine nicht-ausgeartete Faser über diesem ist. / The aim of this thesis is to discuss the Cartan boundaries of CR manifolds and their Fefferman spaces. The Fefferman space of a strictly pseudo-convex CR manifold is defined as the bundle of all real rays in the canonical complex line bundle. Another way of defining the Fefferman space of a CR manifold uses the tools of Cartan geometry and leads to a strong relationship between the Cartan geometries of a CR manifold and the corresponding Fefferman space. However here the existence of a certain root of the anticanonical complex line bundle is requested which can solely be guarantied locally. As we are interested in boundaries we need a global construction of the Fefferman space. Still we find that local results on the Fefferman space can be transferred from one construction to the other since we have conformal coverings of both. The Cartan boundary of a manifold is constructed with the help of the corresponding Cartan geometry, which defines a global frame and hence a Riemannian metric on the Cartan bundle which can be completed by Cauchy completion. Division by the structure group gives the Cartan boundary of the manifold. The Cartan boundary is a generalization of the Cauchy boundary since both coincide in the Riemannian case. In general the Cartan boundary is not necessarily Hausdorff, which is not really surprising since boundary phenomena are somehow ``singular''''. For CR manifolds and their Fefferman spaces we especially prove that the projection of the Cartan boundary of the Fefferman space contains the Cartan boundary of the CR manifold. We finally discuss the Heisenberg group, one of the basic examples of CR manifolds. It is flat but - contrary to the homogeneous space - not compact. We find that the Cartan boundary of the Heisenberg group is a single point and the Cartan boundary of the corresponding Fefferman space is a non degenerate fibre over that point.

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Die vorliegende Arbeit behandelt die kollektive Dynamik identischer Klasse-I-anregbarer Elemente. Diese können im Rahmen der nichtlinearen Dynamik als Systeme nahe einer Sattel-Knoten-Bifurkation auf einem invarianten Kreis beschrieben werden. Der Fokus der Arbeit liegt auf dem Studium aktiver Rotatoren als Prototypen solcher Elemente. In Teil eins der Arbeit besprechen wir das klassische Modell abstoßend gekoppelter aktiver Rotatoren von Shinomoto und Kuramoto und generalisieren es indem wir höhere Fourier-Moden in der internen Dynamik der Rotatoren berücksichtigen. Wir besprechen außerdem die mathematischen Methoden die wir zur Untersuchung des Aktive-Rotatoren-Modells verwenden. In Teil zwei untersuchen wir Existenz und Stabilität periodischer Zwei-Cluster-Lösungen für generalisierte aktive Rotatoren und beweisen anschließend die Existenz eines Kontinuums periodischer Lösungen für eine Klasse Watanabe-Strogatz-integrabler Systeme zu denen insbesondere das klassische Aktive-Rotatoren-Modell gehört und zeigen dass (i) das Kontinuum eine normal-anziehende invariante Mannigfaltigkeit bildet und (ii) eine der auftretenden periodischen Lösungen Splay-State-Dynamik besitzt. Danach entwickeln wir mit Hilfe der Averaging-Methode eine Störungstheorie für solche Systeme. Mit dieser können wir Rückschlüsse auf die asymptotische Dynamik des generalisierten Aktive-Rotatoren-Modells ziehen. Als Hauptergebnis stellen wir fest dass sowohl periodische Zwei-Cluster-Lösungen als auch Splay States robuste Lösungen für das Aktive-Rotatoren-Modell darstellen. Wir untersuchen außerdem einen "Stabilitätstransfer" zwischen diesen Lösungen durch sogenannte Broken-Symmetry States. In Teil drei untersuchen wir Ensembles gekoppelter Morris-Lecar-Neuronen und stellen fest, dass deren asymptotische Dynamik der der aktiven Rotatoren vergleichbar ist was nahelegt dass die Ergebnisse aus Teil zwei ein qualitatives Bild für solch kompliziertere und realistischere Neuronenmodelle liefern. / We study the collective dynamics of class I excitable elements, which can be described within the theory of nonlinear dynamics as systems close to a saddle-node bifurcation on an invariant circle. The focus of the thesis lies on the study of active rotators as a prototype for such elements. In part one of the thesis, we motivate the classic model of repulsively coupled active rotators by Shinomoto and Kuramoto and generalize it by considering higher-order Fourier modes in the on-site dynamics of the rotators. We also discuss the mathematical methods which our work relies on, in particular the concept of Watanabe-Strogatz (WS) integrability which allows to describe systems of identical angular variables in terms of Möbius transformations. In part two, we investigate the existence and stability of periodic two-cluster states for generalized active rotators and prove the existence of a continuum of periodic orbits for a class of WS-integrable systems which includes, in particular, the classic active rotator model. We show that (i) this continuum constitutes a normally attracting invariant manifold and that (ii) one of the solutions yields splay state dynamics. We then develop a perturbation theory for such systems, based on the averaging method. By this approach, we can deduce the asymptotic dynamics of the generalized active rotator model. As a main result, we find that periodic two-cluster states and splay states are robust periodic solutions for systems of identical active rotators. We also investigate a 'transfer of stability' between these solutions by means of so-called broken-symmetry states. In part three, we study ensembles of higher-dimensional class I excitable elements in the form of Morris-Lecar neurons and find the asymptotic dynamics of such systems to be similar to those of active rotators, which suggests that our results from part two yield a suitable qualitative description for more complicated and realistic neural models.