In dieser Arbeit wird eine neue Theorie der quaternionischen Funktionen vorgestellt, welche das Problem der Bestapproximation von Familien prolater und oblater sphäroidalen Funktionen im Hilberträumen behandelt. Die allgemeine Theorie beginnt mit der expliziten Konstruktion von orthogonalen Basen für Räume, definiert auf sphäroidalen Gebieten mit beliebiger Exzentrizität, deren Elemente harmonische, monogene und kontragene Funktionen sind und durch die Form der Gebiete parametrisiert werden. Eine detaillierte Studie dieser grundlegenden Elemente wird in dieser Arbeit durchgeführt. Der Begriff der kontragenen Funktion hängt vom Definitionsbereich ab und ist daher keine lokale Eigenschaft, während die Begriffe der harmonischen und monogenen Funktionen lokal sind. Es werden verschiedene Umwandlungsformeln vorgestellt, die Systeme harmonischer, monogener und kontragener Funktionen auf Sphäroiden unterschiedlicher Exzentrizität in Beziehung setzen. Darüber hinaus wird die Existenz gemeinsamer nichttrivialer kontragener Funktionen für Sphäroide jeglicher Exzentrizität gezeigt. Der zweite wichtige Beitrag dieser Arbeit betrifft eine quaternionische Raumfrequenztheorie für bandbegrenzte quaternionische Funktionen. Es wird eine neue Art von quaternionischen Signalen vorgeschlagen, deren Energiekonzentration im Raum und in den Frequenzbereichen unter der quaternionischen Fourier-Transformation maximal ist. Darüber hinaus werden diese Signale im Kontext der Spektralkonzentration als Eigenfunktionen eines kompakten und selbstadjungierteren quaternionischen Integraloperators untersucht und die grundlegenden Eigenschaften ihrer zugehörigen Eigenwerte werden detailliert beschrieben. Wenn die Konzentrationsgebiete beider Räume kugelförmig sind, kann der Winkelanteil dieser Signale explizit gefunden werden, was zur Lösung von mehreren eindimensionalen radialen Integralgleichungen führt. Wir nutzen die theoretischen Ergebnisse und harmonische Konjugierten um Klassen monogener Funktionen in verschiedenen Räumen zu konstruieren. Zur Charakterisierung der monogenen gewichteten Hardy- und Bergman-Räume in der Einheitskugel werden zwei konstruktive Algorithmen vorgeschlagen. Für eine reelle harmonische Funktion, die zu einem gewichteten Hardy- und Bergman-Raum gehört, werden die harmonischen Konjugiert in den gleichen Räumen gefunden. Die Beschränktheit der zugrundeliegenden harmonischen Konjugationsoperatoren wird in den angegebenen gewichteten Räumen bewiesen. Zusätzlich wird ein quaternionisches Gegenstück zum Satz von Bloch für monogene Funktionen bewiesen. / This work presents a novel Quaternionic Function Theory associated with the best approximation problem in the setting of Hilbert spaces concerning families of prolate and oblate spheroidal functions. The general theory begins with the explicit construction of orthogonal bases for the spaces of harmonic, monogenic, and contragenic functions defined in spheroidal domains of arbitrary eccentricity, whose elements are parametrized by the shape of the corresponding spheroids. A detailed study regarding the elements that constitute these bases is carried out in this thesis. The notion of a contragenic function depends on the domain, and, therefore, it is not a local property in contrast to the concepts of harmonic and monogenic functions. Various conversion formulas that relate systems of harmonic, monogenic, and contragenic functions associated with spheroids of differing eccentricity are presented. Furthermore, the existence of standard nontrivial contragenic functions is shown for spheroids of any eccentricity. The second significant contribution presented in this work pertains to a quaternionic space-frequency theory for band-limited quaternionic functions. A new class of quaternionic signals is proposed, whose energy concentration in the space and the frequency domains are maximal under the quaternion Fourier transform. These signals are studied in the context of spatial-frequency concentration as eigenfunctions of a compact and self-adjoint quaternion integral operator. The fundamental properties of their associated eigenvalues are described in detail. When the concentration domains are spherical in both spaces, the angular part of these signals can be found explicitly, leading to a set of one-dimensional radial integral equations. The theoretical framework described in this work is applied to the construction of classes of monogenic functions in different spaces via harmonic conjugates. Two constructive algorithms are proposed to characterize the monogenic weighted Hardy and Bergman spaces in the Euclidean unit ball. For a real-valued harmonic function belonging to a Hardy and a weighted Bergman space, the harmonic conjugates in the same spaces are found. The boundedness of the underlying harmonic conjugation operators is proven in the given weighted spaces. Additionally, a quaternionic counterpart of Bloch’s Theorem is established for monogenic functions.

Die Reichhaltigkeit und breite Anwendbarkeit der Theorie der holomorphen Funktionen in der komplexen Ebene ist stark motivierend eine ähnliche Theorie für höhere Dimensionen zu entwickeln. Viele Forscher waren und sind in diese Aufgaben involviert, insbesondere in der Entwicklung der Quaternionenanalysis. In den letzten Jahren wurde die Quaternionenanalysis bereits erfolgreich auf eine Vielzahl von Problemen der mathematischen Physik angewandt. Das Ziel der Dissertation besteht darin, holomorphe Strukturen in höheren Dimensionen zu studieren. Zunächst wird ein neues Holomorphiekonzept vorgelegt, was auf der Theorie rechtsinvertierbarer Operatoren basiert und nicht auf Verallgemeinerungen des Cauchy-Riemann-Systems wie üblich. Dieser Begriff umfasst die meisten der gut bekannten holomorphen Strukturen in höheren Dimensionen. Unter anderem sind die üblichen Modelle für reelle und komplexe quaternionenwertige Funktionen sowie Clifford-algebra-wertige Funktionen enthalten. Außerdem werden holomorphe Funktionen mittels einer geeignete Formel vom Taylor-Typ durch spezielle Funktionen lokal approximiert. Um globale Approximationen für holomorphe Funktionen zu erhalten, werden im zweiten Teil der Arbeit verschiedene Systeme holomorpher Basisfunktionen in drei und vier Dimensionen mittels geeigneter Fourier-Entwicklungen explizit konstruiert. Das Konzept der Holomorphie ist verbunden mit der Lösung verallgemeinerter Cauchy-Riemann Systeme, deren Funktionswerte reellen Quaternionen bzw. reduzierte Quaternionen sind. In expliziter Form werden orthogonale holomorphe Funktionensysteme konstruiert, die Lösungen des Riesz-Systems bzw. des Moisil-Teodorescu Systems über zylindrischen Gebieten im R3, sowie Lösungen des Riesz-Systems in Kugeln des R4 sind. Um konkrete Anwendungen auf Randwertprobleme realisieren zu können wird eine orthogonale Zerlegung eines Rechts-Quasi-Hilbert-Moduls komplex-quaternionischer Funktionen unter gegebenen Bedingungen studiert. Die Ergebnisse werden auf die Behandlung von Maxwell-Gleichungen mit zeitvariabler elektrischer Dielektrizitätskonstante und magnetischer Permeabilität angewandt. / The richness and widely applicability of the theory of holomorphic functions in complex analysis requires to perform a similar theory in higher dimensions. It has been developed by many researchers so far, especially in quaternionic analysis. Over the last years, it has been successfully applied to a vast array of problems in mathematical physics. The aim of this thesis is to study the structure of holomorphy in higher dimensions. First, a new concept of holomorphy is introduced based on the theory of right invertible operators, and not by means of an analogue of the Cauchy-Riemann operator as usual. This notion covers most of the well-known holomorphic structures in higher dimensions including real, complex, quaternionic, Clifford analysis, among others. In addition, from our operators a local approximation of a holomorphic function is attained by the Taylor type formula. In order to obtain the global approximation for holomorphic functions, the second part of the thesis deals with the construction of different systems of basis holomorphic functions in three and four dimensions by means of Fourier analysis. The concept of holomorphy is related to the null-solutions of generalized Cauchy-Riemann systems, which take either values in the reduced quaternions or real quaternions. We obtain several explicit orthogonal holomorphic function systems: solutions to the Riesz and Moisil-Teodorescu systems over cylindrical domains in R3, and solutions to the Riesz system over spherical domains in R4. Having in mind concrete applications to boundary value problems, we investigate an orthogonal decomposition of complex-quaternionic functions over a right quasi-Hilbert module under given conditions. It is then applied to the treatment of Maxwell’s equations with electric permittivity and magnetic permeability depending on the time variable.

Die Reichhaltigkeit und breite Anwendbarkeit der Theorie der holomorphen Funktionen in der komplexen Ebene ist stark motivierend eine ähnliche Theorie für höhere Dimensionen zu entwickeln. Viele Forscher waren und sind in diese Aufgaben involviert, insbesondere in der Entwicklung der Quaternionenanalysis. In den letzten Jahren wurde die Quaternionenanalysis bereits erfolgreich auf eine Vielzahl von Problemen der mathematischen Physik angewandt. Das Ziel der Dissertation besteht darin, holomorphe Strukturen in höheren Dimensionen zu studieren. Zunächst wird ein neues Holomorphiekonzept vorgelegt, was auf der Theorie rechtsinvertierbarer Operatoren basiert und nicht auf Verallgemeinerungen des Cauchy-Riemann-Systems wie üblich. Dieser Begriff umfasst die meisten der gut bekannten holomorphen Strukturen in höheren Dimensionen. Unter anderem sind die üblichen Modelle für reelle und komplexe quaternionenwertige Funktionen sowie Clifford-algebra-wertige Funktionen enthalten. Außerdem werden holomorphe Funktionen mittels einer geeignete Formel vom Taylor-Typ durch spezielle Funktionen lokal approximiert. Um globale Approximationen für holomorphe Funktionen zu erhalten, werden im zweiten Teil der Arbeit verschiedene Systeme holomorpher Basisfunktionen in drei und vier Dimensionen mittels geeigneter Fourier-Entwicklungen explizit konstruiert. Das Konzept der Holomorphie ist verbunden mit der Lösung verallgemeinerter Cauchy-Riemann Systeme, deren Funktionswerte reellen Quaternionen bzw. reduzierte Quaternionen sind. In expliziter Form werden orthogonale holomorphe Funktionensysteme konstruiert, die Lösungen des Riesz-Systems bzw. des Moisil-Teodorescu Systems über zylindrischen Gebieten im R3, sowie Lösungen des Riesz-Systems in Kugeln des R4 sind. Um konkrete Anwendungen auf Randwertprobleme realisieren zu können wird eine orthogonale Zerlegung eines Rechts-Quasi-Hilbert-Moduls komplex-quaternionischer Funktionen unter gegebenen Bedingungen studiert. Die Ergebnisse werden auf die Behandlung von Maxwell-Gleichungen mit zeitvariabler elektrischer Dielektrizitätskonstante und magnetischer Permeabilität angewandt. / The richness and widely applicability of the theory of holomorphic functions in complex analysis requires to perform a similar theory in higher dimensions. It has been developed by many researchers so far, especially in quaternionic analysis. Over the last years, it has been successfully applied to a vast array of problems in mathematical physics. The aim of this thesis is to study the structure of holomorphy in higher dimensions. First, a new concept of holomorphy is introduced based on the theory of right invertible operators, and not by means of an analogue of the Cauchy-Riemann operator as usual. This notion covers most of the well-known holomorphic structures in higher dimensions including real, complex, quaternionic, Clifford analysis, among others. In addition, from our operators a local approximation of a holomorphic function is attained by the Taylor type formula. In order to obtain the global approximation for holomorphic functions, the second part of the thesis deals with the construction of different systems of basis holomorphic functions in three and four dimensions by means of Fourier analysis. The concept of holomorphy is related to the null-solutions of generalized Cauchy-Riemann systems, which take either values in the reduced quaternions or real quaternions. We obtain several explicit orthogonal holomorphic function systems: solutions to the Riesz and Moisil-Teodorescu systems over cylindrical domains in R3, and solutions to the Riesz system over spherical domains in R4. Having in mind concrete applications to boundary value problems, we investigate an orthogonal decomposition of complex-quaternionic functions over a right quasi-Hilbert module under given conditions. It is then applied to the treatment of Maxwell’s equations with electric permittivity and magnetic permeability depending on the time variable.