This thesis deals with value sets, i.e. the question of what the set of values that a set of functions can take in a prescribed point looks like. Interest in such problems has been around for a long time; a first answer was given by the Schwarz lemma in the 19th century, and soon various refinements were proven. Since the 1930s, a powerful method for solving such problems has been developed, namely Loewner theory. We make extensive use of this tool, as well as variation methods which go back to Schiffer to examine the following questions: We describe the set of values a schlicht normalised function on the unit disc with prescribed derivative at the origin can take by applying Pontryagin's maximum principle to the radial Loewner equation. We then determine the value ranges for the set of holomorphic, normalised, and bounded functions that have only real coefficients in their power series expansion around 0, and for the smaller set of functions which are additionally typically real. Furthermore, we describe the values a univalent self-mapping of the upper half-plane with hydrodynamical normalization which is symmetric with respect to the imaginary axis can take. Lastly, we give a necessary condition for a schlicht bounded function f on the unit disc to have extremal derivative in a point z where its value f(z) is fixed by using variation methods. / Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit Wertemengen, d.h. der Frage, welche Werte eine Menge von Funktionen in einem vorgegeben Punkt annehmen kann. Probleme dieser Art werden schon seit Langem behandelt; eine erste Antwort in Form des Lemmas von Schwarz wurde bereits im 19. Jahrhundert gegeben, und viele Verfeinerungen folgten. Seit den 30er Jahren des 20. Jahrhunderts steht ein mächtiges Instrument zur Lösung solcher Probleme in Form der Löwner-Theorie zur Verfügung. Wir benutzen diese sowie Variationsmethoden, die auf Schiffer-Variation zurückgehen, um die folgenden Fragestellungen zu klären: Wir beschreiben die Menge der Werte, die eine schlichte normalisierte Funktion mit fixierter Ableitung im Ursprung annehmen kann, durch Anwendung des Pontryagin-Maximumprinzip auf die radiale Löwner-Gleichung. Als Nächstes bestimmen wir die Wertemengen für holomorphe normalisierte beschränkte Funktionen, deren Taylor-Entwicklung um 0 nur reelle Koeffizienten hat, und für die kleinere Menge von Funktionen, die zusätzlich typisch reell sind. Außerdem beschreiben wir den Wertebereich schlichter Selbstabbildungen der oberen Halbebene mit hydrodynamischer Normalisierung, die symmetrisch bezüglich der imaginären Achse sind. Zuletzt geben wir mit Hilfe von Variationsmethoden eine notwenige Bedingung für schlichte beschränkte Funktionen auf dem Einheitskreis an, deren Ableitung in einem Punkt mit vorgegebenem Funktionswert extremal ist.

In this thesis it is shown how the spread of infectious diseases can be described via mathematical models that show the dynamic behavior of epidemics. Ordinary differential equations are used for the modeling process. SIR and SIRS models are distinguished, depending on whether a disease confers immunity to individuals after recovery or not. There are characteristic parameters for each disease like the infection rate or the recovery rate. These parameters indicate how aggressive a disease acts and how long it takes for an individual to recover, respectively. In general the parameters are time-varying and depend on population groups. For this reason, models with multiple subgroups are introduced, and switched systems are used to carry out time-variant parameters. When investigating such models, the so called disease-free equilibrium is of interest, where no infectives appear within the population. The question is whether there are conditions, under which this equilibrium is stable. Necessary mathematical tools for the stability analysis are presented. The theory of ordinary differential equations, including Lyapunov stability theory, is fundamental. Moreover, convex and nonsmooth analysis, positive systems and differential inclusions are introduced. With these tools, sufficient conditions are given for the disease-free equilibrium of SIS, SIR and SIRS systems to be asymptotically stable. / In der vorliegenden Arbeit werden Möglichkeiten aufgezeigt, wie man die Ausbreitung von Infektionskrankheiten mit Hilfe von mathematischen Modellen beschreiben kann. Anhand solcher Modelle möchte man mehr über die Dynamik von Epidemien lernen und vorhersagen, wie sich eine gegebene Infektionskrankheit innerhalb einer Population ausbreitet. Zunächst werden gewöhnliche Differentialgleichungen verwendet, um grundlegende epidemiologische Modelle aufzustellen. Hierbei unterscheidet man sogenannte SIR und SIS Modelle, je nachdem ob die betrachtete Krankheit einem Individuum nach seiner Heilung Immunität verleiht oder nicht. Charakteristisch für Infektionskrankheiten sind Parameter wie die Infektionsrate oder die Heilungsrate. Sie geben an, wie ansteckend eine Krankheit ist bzw. wie schnell eine Person nach einer Erkrankung wieder gesund wird. Im Allgemeinen sind diese Parameter abhängig von bestimmten Bevölkerungsgruppen und verändern sich mit der Zeit. Daher werden am Ende des zweiten Kapitels Modelle entwickelt, die die Betrachtung mehrerer Bevölkerungsgruppen zulassen. Zeitvariante Parameter werden durch die Verwendung geschalteter Systeme berücksichtigt. Bei der Untersuchung solcher Systeme ist derjenige Zustand von besonderem Interesse, bei dem innerhalb der Bevölkerung keine Infizierten auftreten, die gesamte Bevölkerung also von der betrachteten Krankheit frei bleibt. Es stellt sich die Frage, unter welchen Bedingungen sich dieser Zustand nach einer Infizierung der Bevölkerung im Laufe der Zeit von selbst einstellt. Mathematisch gesehen untersucht man die triviale Ruhelage des Systems, bei der keine Infizierten existieren, auf Stabilität. Für die Stabilitätsanalyse sind einige mathematische Begriffe und Aussagen notwendig, die im zweiten Kapitel bereitgestellt werden. Grundlegend ist die Theorie gewöhnlicher Differentialgleichungen, einschließlich der Stabilitätstheorie von Lyapunov. Darüberhinaus kommen wichtige Erkenntnisse aus den Gebieten Konvexe und Nichtglatte Analysis, Positive Systeme und Differentialinklusionen. Ausgestattet mit diesen Hilfsmitteln werden im vierten Kapitel Sätze bewiesen, die hinreichende Bedingungen dafür angegeben, dass die triviale Ruhelage in geschalteten SIS, SIR und SIRS Systemen asymptotisch stabil ist.

Finite volume methods for compressible Euler equations suffer from an excessive diffusion in the limit of low Mach numbers. This PhD thesis explores new approaches to overcome this. The analysis of a simpler set of equations that also possess a low Mach number limit is found to give valuable insights. These equations are the acoustic equations obtained as a linearization of the Euler equations. For both systems the limit is characterized by a divergencefree velocity. This constraint is nontrivial only in multiple spatial dimensions. As the Jacobians of the acoustic system do not commute, acoustics cannot be reduced to some kind of multi-dimensional advection. Therefore first an exact solution in multiple spatial dimensions is obtained. It is shown that the low Mach number limit can be interpreted as a limit of long times. It is found that the origin of the inability of a scheme to resolve the low Mach number limit is the lack a discrete counterpart to the limit of long times. Numerical schemes whose discrete stationary states discretize all the analytic stationary states of the PDE are called stationarity preserving. It is shown that for the acoustic equations, stationarity preserving schemes are vorticity preserving and are those that are able to resolve the low Mach limit (low Mach compliant). This establishes a new link between these three concepts. Stationarity preservation is studied in detail for both dimensionally split and multi-dimensional schemes for linear acoustics. In particular it is explained why the same multi-dimensional stencils appear in literature in very different contexts: These stencils are unique discretizations of the divergence that allow for stabilizing stationarity preserving diffusion. Stationarity preservation can also be generalized to nonlinear systems such as the Euler equations. Several ways how such numerical schemes can be constructed for the Euler equations are presented. In particular a low Mach compliant numerical scheme is derived that uses a novel construction idea. Its diffusion is chosen such that it depends on the velocity divergence rather than just derivatives of the different velocity components. This is demonstrated to overcome the low Mach number problem. The scheme shows satisfactory results in numerical simulations and has been found to be stable under explicit time integration. / Finite Volumen Methoden für die kompressiblen Euler-Gleichungen zeigen übermäßige Diffusion im Grenzwert kleiner Machzahlen. Diese Dissertation beschäftigt sich mit neuen Ansätzen, um dieses Problem zu beheben. Die Analyse eines Systems einfacherer Gleichungen, die ebenso einen Grenzwert niedriger Machzahlen haben, liefert wichtige Einsichten. Diese Gleichungen sind die als Linearisierung der Euler-Gleichungen erhaltenen akustischen Gleichungen. Für beide Gleichungssysteme ist der Grenzwert durch ein divergenzfreies Geschwindigkeitsfeld charakterisiert, was nur in mehreren Raumdimensionen nichttrivial ist. Da die Jacobi-Matrizen des akustischen Systems nicht vertauschen, kann Akustik nicht auf irgendeine Art mehrdimensionaler Advektion zurückgeführt werden. Deswegen wird zunächst eine exakte Lösung in mehreren Raumdimensionen gefunden. Es wird gezeigt, dass sich der Grenzwert kleiner Machzahlen als Grenzwert langer Zeiten interpretieren lässt. Als der Ursprung des Versagens eines Schemas im Grenzwert kleiner Machzahlen wird das Fehlen einer diskreten Entsprechung zum Grenzwert langer Zeiten identifiziert. Numerische Schemata, deren diskrete stationäre Zustände alle analytischen stationären Zustände diskretisieren, werden stationaritätserhaltend genannt. Es zeigt sich, dass für die akustischen Gleichungen stationaritätserhaltende Schemata vortizitätserhaltend sind, und gerade diejenigen sind, die auch den Grenzwert kleiner Machzahlen aufzulösen vermögen. Das zeigt eine neue Verbindung zwischen diesen drei Konzepten auf. Erhaltung der Stationarität wird für lineare Akustik im Detail für Schemata studiert, die nach Raumdimensionen aufgeteilt sind, und auch für multi-dimensionale Schemata. Insbesondere wird ein Grund geliefert, warum die gleichen multi-dimensionalen diskreten Operatoren in der Literatur in sehr unterschiedlichen Kontexten auftauchen: Sie sind Diskretisierungen der Divergenz, für die eine stabilisierende, stationaritätserhaltende Diffusion gefunden werden kann. Auch für nichtlineare Gleichungen, wie die Euler-Gleichungen, kann die Erhaltung der Stationarität verallgemeinert werden. Es werden dazu mehrere Wege der Konstruktion numerischer Schemata gezeigt. Insbesondere im Hinblick auf den Grenzwert kleiner Machzahlen wird ein neuartiges Schema hergeleitet, dessen Diffusion so gewählt ist, dass es von der Divergenz der Geschwindigkeit, und nicht bloß von irgendswelchen Ableitungen der Geschwindigkeitskomponenten abhängt. Es wird gezeigt, dass dieses Schema in der Lage ist, den Grenzwert kleiner Machzahlen aufzulösen. Das Schema zeigt zufriedenstellende Resultate in Simulationen und ist stabil unter Verwendung eines expliziten Zeitintegrators.

Es erfolgte die Untersuchung der Eigenschaften der gegebenen Zeitreihen der Wirkleistung von zwei Windenergieanlagen sowie des gesamten Windparks. Außerdem analysiert wurden die entsprechenden Eigenschaften der auf Viertelstundendaten konvertierten Reihen. Diese Eigenschaften, wie z.B. Mittelwert, Varianz o.a. Maximum wurden als Informationen angesehen und so ermöglichte die Gegenüberstellung einen Rückschluss auf dem Informationsverlust. Da die gegebene Einspeiseleistung keine Periodizitäten aufwies, erfolgte anschließend die Erzeugung synthetischer Daten.:Einleitung 1. Mathematische Grundlagen 2. Datenanalyse 3. Erzeugung und Untersuchung synthetischer Daten 4. Zusammenfassung und Ausblick A Anhang Literaturverzeichnis Ehrenwörtliche Erklärung

This cumulative habilitation thesis is concerned with eigenvalues of compactly perturbed operators in Banach and Hilbert spaces. A general theory for studying such eigenvalues is developed and applied to the study of some concrete operators of mathematical physics.

Mathematical modelling, simulation, and optimisation are core methodologies for future developments in engineering, natural, and life sciences. This work aims at applying these mathematical techniques in the field of biological processes with a focus on the wine fermentation process that is chosen as a representative model. In the literature, basic models for the wine fermentation process consist of a system of ordinary differential equations. They model the evolution of the yeast population number as well as the concentrations of assimilable nitrogen, sugar, and ethanol. In this thesis, the concentration of molecular oxygen is also included in order to model the change of the metabolism of the yeast from an aerobic to an anaerobic one. Further, a more sophisticated toxicity function is used. It provides simulation results that match experimental measurements better than a linear toxicity model. Moreover, a further equation for the temperature plays a crucial role in this work as it opens a way to influence the fermentation process in a desired way by changing the temperature of the system via a cooling mechanism. From the view of the wine industry, it is necessary to cope with large scale fermentation vessels, where spatial inhomogeneities of concentrations and temperature are likely to arise. Therefore, a system of reaction-diffusion equations is formulated in this work, which acts as an approximation for a model including computationally very expensive fluid dynamics. In addition to the modelling issues, an optimal control problem for the proposed reaction-diffusion fermentation model with temperature boundary control is presented and analysed. Variational methods are used to prove the existence of unique weak solutions to this non-linear problem. In this framework, it is possible to exploit the Hilbert space structure of state and control spaces to prove the existence of optimal controls. Additionally, first-order necessary optimality conditions are presented. They characterise controls that minimise an objective functional with the purpose to minimise the final sugar concentration. A numerical experiment shows that the final concentration of sugar can be reduced by a suitably chosen temperature control. The second part of this thesis deals with the identification of an unknown function that participates in a dynamical model. For models with ordinary differential equations, where parts of the dynamic cannot be deduced due to the complexity of the underlying phenomena, a minimisation problem is formulated. By minimising the deviations of simulation results and measurements the best possible function from a trial function space is found. The analysis of this function identification problem covers the proof of the differentiability of the function–to–state operator, the existence of minimisers, and the sensitivity analysis by means of the data–to–function mapping. Moreover, the presented function identification method is extended to stochastic differential equations. Here, the objective functional consists of the difference of measured values and the statistical expected value of the stochastic process solving the stochastic differential equation. Using a Fokker-Planck equation that governs the probability density function of the process, the probabilistic problem of simulating a stochastic process is cast to a deterministic partial differential equation. Proofs of unique solvability of the forward equation, the existence of minimisers, and first-order necessary optimality conditions are presented. The application of the function identification framework to the wine fermentation model aims at finding the shape of the toxicity function and is carried out for the deterministic as well as the stochastic case. / Mathematische Modellierung, Simulation und Optimierung sind wichtige Methoden für künftige Entwicklungen in Ingenieurs-, Natur- und Biowissenschaften. Ziel der vorliegende Arbeit ist es diese mathematische Methoden im Bereich von biologischen Prozessen anzuwenden. Dabei wurde die Weingärung als repräsentatives Modell ausgewählt. Erste Modelle der Weingärung, die man in der Literatur findet, bestehen aus gewöhnlichen Differentialgleichungen. Diese modellieren den Verlauf der Populationszahlen der Hefe, sowie die Konzentrationen von verwertbarem Stickstoff, Zucker und Ethanol. In dieser Arbeit wird auch die Konzentration von molekularem Sauerstoff betrachtet um den Wandel des Stoffwechsels der Hefe von aerob zu anaerob zu erfassen. Weiterhin wird eine ausgefeiltere Toxizitätsfunktion benutzt. Diese führt zu Simulationsergebnissen, die im Vergleich zu einem linearen Toxizitätsmodell experimentelle Messungen besser reproduzieren können. Außerdem spielt eine weitere Gleichung für die zeitliche Entwicklung der Temperatur eine wichtige Rolle in dieser Arbeit. Diese eröffnet die Möglichkeit den Gärprozess in einer gewünschten Weise zu beeinflussen, indem man die Temperatur durch einen Kühlmechanismus verändert. Für industrielle Anwendungen muss man sich mit großen Fermentationsgefäßen befassen, in denen räumliche Abweichungen der Konzentrationen und der Temperatur sehr wahrscheinlich sind. Daher ist in dieser Arbeit ein System von Reaktion-Diffusions Gleichungen formuliert, welches eine Approximation an ein Modell mit rechenaufwändiger Strömungsmechanik darstellt. Neben der Modellierung wird in dieser Arbeit ein Optimalsteuerungsproblem für das vorgestellte Gärmodell mit Reaktions-Diffusions Gleichungen und Randkontrolle der Temperatur gezeigt und analysiert. Variationelle Methoden werden benutzt, um die Existenz von eindeutigen schwachen Lösungen von diesem nicht-linearen Modell zu beweisen. Das Ausnutzen der Hilbertraumstruktur von Zustands- und Kontrolraum macht es möglich die Existenz von Optimalsteuerungen zu beweisen. Zusätzlich werden notwendige Optimalitätsbedingungen erster Ordnung vorgestellt. Diese charakterisieren Kontrollen, die das Zielfunktional minimieren. Ein numerisches Experiment zeigt, dass die finale Konzentration des Zuckers durch eine passend ausgewählte Steuerung reduziert werden kann. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Identifizierung einer unbekannten Funktion eines dynamischen Modells. Es wird ein Minimierungsproblem für Modelle mit gewöhnlichen Differentialgleichungen, bei denen ein Teil der Dynamik aufgrund der Komplexität der zugrundeliegenden Phänomene nicht hergeleitet werden kann, formuliert. Die bestmögliche Funktion aus einem Testfunktionenraum wird dadurch ausgewählt, dass Abweichungen von Simulationsergebnissen und Messungen minimiert werden. Die Analyse dieses Problems der Funktionenidentifikation beinhaltet den Beweis der Differenzierbarkeit des Funktion–zu–Zustand Operators, die Existenz von Minimierern und die Sensitivitätsanalyse mit Hilfe der Messung–zu–Funktion Abbildung. Weiterhin wird diese Funktionenidentifikationsmethode für stochastische Differentialgleichungen erweitert. Dabei besteht das Zielfunktional aus dem Abstand von Messwerten und dem Erwartungswert des stochastischen Prozesses, der die stochastische Differentialgleichung löst. In dem man die Fokker-Planck Gleichung benutzt wird das wahrscheinlichkeitstheoretische Problem einen stochastischen Prozess zu simulieren in eine deterministische partielle Differentialgleichung überführt. Es werden Beweise für die eindeutige Lösbarkeit der Vorwärtsgleichung, die Existenz von Minimierern und die notwendigen Bedingungen erster Ordnung geführt. Die Anwendung der Funktionenidentifikation auf die Weingärung zielt darauf ab die Form der Toxizitätsfunktion herauszufinden und wird sowohl für den deterministischen als auch für den stochastischen Fall durchgeführt.

Es erfolgte die Untersuchung der Eigenschaften der gegebenen Zeitreihen der Wirkleistung von zwei Windenergieanlagen sowie des gesamten Windparks. Außerdem analysiert wurden die entsprechenden Eigenschaften der auf Viertelstundendaten konvertierten Reihen. Diese Eigenschaften, wie z.B. Mittelwert, Varianz o.a. Maximum wurden als Informationen angesehen und so ermöglichte die Gegenüberstellung einen Rückschluss auf dem Informationsverlust. Da die gegebene Einspeiseleistung keine Periodizitäten aufwies, erfolgte anschließend die Erzeugung synthetischer Daten.

In this work, multi-particle quantum optimal control problems are studied in the framework of time-dependent density functional theory (TDDFT). Quantum control problems are of great importance in both fundamental research and application of atomic and molecular systems. Typical applications are laser induced chemical reactions, nuclear magnetic resonance experiments, and quantum computing. Theoretically, the problem of how to describe a non-relativistic system of multiple particles is solved by the Schrödinger equation (SE). However, due to the exponential increase in numerical complexity with the number of particles, it is impossible to directly solve the Schrödinger equation for large systems of interest. An efficient and successful approach to overcome this difficulty is the framework of TDDFT and the use of the time-dependent Kohn-Sham (TDKS) equations therein. This is done by replacing the multi-particle SE with a set of nonlinear single-particle Schrödinger equations that are coupled through an additional potential. Despite the fact that TDDFT is widely used for physical and quantum chemical calculation and software packages for its use are readily available, its mathematical foundation is still under active development and even fundamental issues remain unproven today. The main purpose of this thesis is to provide a consistent and rigorous setting for the TDKS equations and of the related optimal control problems. In the first part of the thesis, the framework of density functional theory (DFT) and TDDFT are introduced. This includes a detailed presentation of the different functional sets forming DFT. Furthermore, the known equivalence of the TDKS system to the original SE problem is further discussed. To implement the TDDFT framework for multi-particle computations, the TDKS equations provide one of the most successful approaches nowadays. However, only few mathematical results concerning these equations are available and these results do not cover all issues that arise in the formulation of optimal control problems governed by the TDKS model. It is the purpose of the second part of this thesis to address these issues such as higher regularity of TDKS solutions and the case of weaker requirements on external (control) potentials that are instrumental for the formulation of well-posed TDKS control problems. For this purpose, in this work, existence and uniqueness of TDKS solutions are investigated in the Galerkin framework and using energy estimates for the nonlinear TDKS equations. In the third part of this thesis, optimal control problems governed by the TDKS model are formulated and investigated. For this purpose, relevant cost functionals that model the purpose of the control are discussed. Henceforth, TDKS control problems result from the requirement of optimising the given cost functionals subject to the differential constraint given by the TDKS equations. The analysis of these problems is novel and represents one of the main contributions of the present thesis. In particular, existence of minimizers is proved and their characterization by TDKS optimality systems is discussed in detail. To this end, Fréchet differentiability of the TDKS model and of the cost functionals is addressed considering \(H^1\) cost of the control. This part is concluded by deriving the reduced gradient in the \(L^2\) and \(H^1\) inner product. While the \(L^2\) optimization is widespread in the literature, the choice of the \(H^1\) gradient is motivated in this work by theoretical consideration and by resulting numerical advantages. The last part of the thesis is devoted to the numerical approximation of the TDKS optimality systems and to their solution by gradient-based optimization techniques. For the former purpose, Strang time-splitting pseudo-spectral schemes are discussed including a review of some recent theoretical estimates for these schemes and a numerical validation of these estimates. For the latter purpose, nonlinear (projected) conjugate gradient methods are implemented and are used to validate the theoretical analysis of this thesis with results of numerical experiments with different cost functional settings. / In dieser Arbeit werden quantenmechanische Vielteilchen-Optimalsteuerungsprobleme im Rahmen der zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie (TDDFT) untersucht. Quantenmechanische Optimalsteuerungsprobleme sind sowohl in der Grundlagenforschung atomarer und molekularer Systeme als auch in entsprechenden Anwendungen von großer Bedeutung. Typische Anwendungen sind laserinduzierte chemische Reaktionen, Kernspinresonanzexperimente und Quantencomputer. Theoretisch ist das Problem einer nicht-relativistischen Beschreibung von Vielteilchensystemen mit der Schrödingergleichung (SG) gelöst. Tatsächlich ist es aber wegen des exponentiellen Anstiegs der numerischen Komplexität mit der Teilchenzahl unmöglich, die Schrödingergleichung für große Systeme von Interesse direkt zu lösen. Ein effizienter und erfolgreicher Ansatz diese Schwierigkeit zu überwinden ist die TDDFT und die Verwendung der zeitabhängigen Kohn-Sham-Gleichungen (TDKS) im Rahmen der TDDFT. Diese ersetzen die Vielteichlchen-SG durch ein System nichtlinearer Einteilchen-SGn, die mittels eines zusätzlichen Potentials gekoppelt sind. Obwohl die TDDFT für physikalische und quantenchemische Rechungen weit verbreitet ist und Softwarepakete zur direkten Verwendung zur Verfügung stehen, sind die mathematischen Grundlagen der TDDFT noch in der Entwicklung und grundlegende Vermutungen sind noch immer unbewiesen. Das Hauptanliegen der vorliegenden Arbeit ist es, einen konsistenten und mathematisch präzisen Rahmen für die TDKS-Gleichungen und verwandte Optimalsteuerungsprobleme zu liefern. Im ersten Teil der Arbeit wird die Dichtefunktionaltheorie (DFT) und die TDDFT eingeführt. Diese Einführung enthält eine detaillierte Darstellung der für die DFT relevanten Funktionenmengen. Außerdem wird die bereits bekannte Äquivalenz zwischen dem ursprünglichen Schrödingerproblem und dem TDKS-System mathematisch weitergehend diskutiert. Der derzeit erfolgreichste Ansatz, Vielteichenrechnungen im Rahmen der TDDFT umzusetzen, sind die TDKS-Gleichungen. Es sind jedoch bisher nur wenige mathematische Resultate über diese Gleichungen verfügbar und diese Ergebnisse behandeln nicht alle Probleme, die bei der Formulierung von Optimalsteuerungsproblemen bei TDKS-Gleichungen auftreten. Es ist das Ziel des zweiten Teils dieser Arbeit, diese für die Wohldefiniertheit der Formulierung der Optimalsteuerungsaufgabe maßgeblichen Probleme, wie die höhere Regularität der Lösungen der TDKS-Gleichungen und schwächere Voraussetzungen an das externe Kontrollpotential, zu behandeln. Dazu wird die Existenz und Eindeutigkeit von Lösungen der nichtlinearen TDKS-Gleichungen mit dem Galerkin-Ansatz und Energieabschätzungen untersucht. Im dritten Teil dieser Arbeit werden Probleme optimaler Steuerung bei TDKS-Gleichungen formuliert und untersucht. Dafür werden relevante Kostenfunktionale, die das Ziel der Steuerung modellieren, diskutiert. Die Optimalsteuerungsprobleme ergeben sich aus der Optimierung dieser Kosten unter der Nebenbedingung der TDKS-Gleichungen. Die Analyse dieser Probleme ist neu und stellt eines der Hauptergebnisse der vorliegenden Arbeit dar. Insbesondere wird die Existenz einer optimalen Steuerung bewiesen und ihre Charakterisierung mittels eines TDKS-Optimalitätssystem im Detail diskutiert. Dazu wird die Fréchet-Differenzierbarkeit des TDKS-Models und des Kostenfunktionals mit \(H^1\)-Steuerungskosten betrachtet. Abschließend wird der reduzierte Gradient im \(L^2\)- und im \(H^1\)-Skalarprodukt hergeleitet. Während die \(L^2\)-Optimierung in der Literatur weit verbreitet ist, wird in dieser Arbeit die Verwendung des \(H^1\)-Gradienten mit theoretischen Argumenten und resultierenden numerischen Vorteilen motiviert. Der letzte Teil dieser Arbeit ist der numerischen Approximation des TDKS-Optimalitätssystems und seiner Lösung mittels gradientenbasierter Optimierungsmethoden gewidmet. Für ersteres wird die Strang Zeitsplitting-Pseudospektralmethode diskutiert, eine Zusammenfassung einiger aktueller theoretischer Abschätzungen für dieses Schema angegeben und diese Abschätzungen numerisch überprüft. Für letzteres wird das (projizierte) nichtlineare Verfahren der konjugierten Gradienten (NCG) implementiert und verwendet um die theoretische Analyse dieser Arbeit mit den Ergebnissen numerischer Rechnungen für verschiedene Kostenfunktionale zu validieren.

This book deals with the kinetic modelling of gas mixtures. It extends the existing literature in mathematics for one species of gas to the case of gasmixtures. This is more realistic in applications. Thepresentedmodel for gas mixtures is proven to be consistentmeaning it satisfies theconservation laws, it admitsanentropy and an equilibriumstate. Furthermore, we can guarantee the existence, uniqueness and positivity of solutions. Moreover, the model is used for different applications, for example inplasma physics, for fluids with a small deviation from equilibrium and in the case of polyatomic gases. / Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Modellierung von Gasgemischen mittels einer kinetischen Beschreibung. Es werden Grundlagen über die Boltzmanngleichung für Gasgemische und die BGK-Aproximation präsentiert. Insbesondere wird auf deren Erweiterung auf Gasgemische eingegangen. Es wird ein Gasgemisch bestehend aus zwei Sorten von Gasen ohne chemische Reaktionen betrachtet. Das Gemisch wird mittels eines Systems kinetischer BGK-Gleichungen modelliert, welches je zwei Wechselwirkungsterme enthält, die den Impuls- und Energieaustausch berücksichtigen. Das hier vorgestellte Modell enthält einige von Physikern und Ingenieuren vorgeschlagene Modelle als Spezialfälle. Es wird gezeigt, dass das hier vorgeschlagene Modell die wesentlichen physikalischen Eigenschaften, wie Erhaltungseigenschaften, Positivität aller Temperaturen, das H-Theorem und Maxwellverteilungen im Gleichgewicht, erfüllt. Des Weiteren können die üblichen makroskopischen Gleichungen daraus hergeleitet werden. In der Literatur gibt es ein weiteres vorgeschlagenes Modell für Gasgemische mit nur einem Wechselwirkungsterm von Andries, Aoki und Perthame. In dieser Arbeit werden die Vorteile dieses Modells aus der Literatur und des hier vorgeschlagenen Modells diskutiert. Es wird die Nützlichkeit des hier vorgeschlagenen Modells illustriert, indem es dazu benutzt wird eine unbekannte Funktion in dem makroskopischen Modell für Gasgemische von Dellacherie herzuleiten. Des Weiteren wird für jedes dieser beiden Modelle Existenz, Eindeutigkeit und Positivität der Lösungen gezeigt. Dann wird das hier vorgeschlagene Modell auf bestimmte physikalische Situationen angewandt: auf Elektronen und Ionen in einem Plasma, auf ein Gasgemisch, welches sich nicht im Gleichgewicht befindet und ein Gasgemisch bestehend aus Molekülen mit zusätzlichen inneren Freiheitsgraden. Als erste Anwendung wird das Modell für geladene Teilchen erweitert und auf ein Gemisch aus Elektronen und Ionen angewandt, welches sich teilweise im Gleichgewicht befindet, teilweise nicht. Man findet solch eine Konstellation zum Beispiel bei der Fusion in einem Tokamak. Das Modell, welches hier vorgestellt wird, wird hier benutzt, da es die Wechselwirkungen zwischen Teilchen von der gleichen Sorte und Wechselwirkungen zwischen Teilchen verschiedener Sorten separiert. Dann wird ein neues Modell mithilfe der Mikro-Makro-Zerlegung hergeleitet, welches numerisch in einem Regime angewandt wird, in dem Gase teilweise im Gleichgewicht sind, teilweise nicht. Es werden theoretische Ergebnisse vorgestellt, zum einen Konvergenzraten gegen das Gleichgewicht im räumlich homogenen Fall, zum anderen die Landau-Dämpfung für Gasgemische, um sie mit Ergebnissen aus numerischen Simulationen vergleichen zu können. Als zweite Anwendung wird ein Gasgemisch betrachtet, welches eine Abweichung vom Gleichgewichtszustand hat und makroskopisch mithilfe der Navier-Stokes-Gleichungen beschrieben wird. In dieser makroskopischen Beschreibung erwartet man vier physikalische Größen, die das physikalische Verhalten eines Gases beschreiben, den Diffusionskoeffizienten, den Viskositätskoeffizienten, die Wärmeleitfähigkeit und den thermischen Diffusionsparameter. Es wird eine Chapman-Enskog-Entwicklung des hier vorgestellten Modells durchgeführt, um drei dieser vier physikalischen Größen zu bestimmen. Zusatzlich werden mehrere mögliche Erweiterungen zu einem ES-BGK-Modell für Gasgemische vorgeschlagen um die vierte physikalische Größe zu bestimmen. Es wird eine Erweiterung präsentiert, die möglichst einfach gehalten ist, eine intuitive Erweiterung, die den Fall einer Gassorte ähnelt und eine Erweiterung, die die physikalische Motivation des Physikers Holway, der das ES-BGK-Modell erfunden hat, berücksichtigt. Es wird gezeigt, dass die Erweiterungen die Erhaltungseigenschaften erfüllen, alle Temperaturen positiv sind und das H-Theorem erfüllt ist. Als dritte Anwendung wird das hier vorgestellte Modell zu einem Modell für Moleküle mit zusätzlichen inneren Freiheitsgraden erweitert. Die zwei Gassorten dürfen dabei eine unterschiedliche Anzahl an inneren Freiheitsgraden haben und werden beschrieben durch ein System von kinetischen ES-BGK-Gleichungen. Es wird gezeigt, dass das Modell die Erhaltungseigenschaften erfülllt, dass alle Temperaturen positiv sind und dass das H-Theorem erfüllt ist. Für numerische Zwecke wird die Chu-Reduktion angewandt um die Komplexität des Modells zu reduzieren und eine Anwendung gezeigt, bei dem eine Gassorte keine inneren Freiheitsgrade hat und die andere Sorte zwei Rotationsfreiheitsgrade besitzt. Als letztes wird der Grenzwert des hier vorgestellten Modells zu den dissipativen Eulergleichungen bewiesen. / The present thesis considers the modelling of gas mixtures via a kinetic description. Fundamentals about the Boltzmann equation for gas mixtures and the BGK approximation are presented. Especially, issues in extending these models to gas mixtures are discussed. A non-reactive two component gas mixture is considered. The two species mixture is modelled by a system of kinetic BGK equations featuring two interaction terms to account for momentum and energy transfer between the two species. The model presented here contains several models from physicists and engineers as special cases. Consistency of this model is proven: conservation properties, positivity of all temperatures and the H-theorem. The form in global equilibrium as Maxwell distributions is specified. Moreover, the usual macroscopic conservation laws can be derived. In the literature, there is another type of BGK model for gas mixtures developed by Andries, Aoki and Perthame, which contains only one interaction term. In this thesis, the advantages of these two types of models are discussed and the usefulness of the model presented here is shown by using this model to determine an unknown function in the energy exchange of the macroscopic equations for gas mixtures described in the literature by Dellacherie. In addition, for each of the two models existence and uniqueness of mild solutions is shown. Moreover, positivity of classical solutions is proven. Then, the model presented here is applied to three physical applications: a plasma consisting of ions and electrons, a gas mixture which deviates from equilibrium and a gas mixture consisting of polyatomic molecules. First, the model is extended to a model for charged particles. Then, the equations of magnetohydrodynamics are derived from this model. Next, we want to apply this extended model to a mixture of ions and electrons in a special physical constellation which can be found for example in a Tokamak. The mixture is partly in equilibrium in some regions, in some regions it deviates from equilibrium. The model presented in this thesis is taken for this purpose, since it has the advantage to separate the intra and interspecies interactions. Then, a new model based on a micro-macro decomposition is proposed in order to capture the physical regime of being partly in equilibrium, partly not. Theoretical results are presented, convergence rates to equilibrium in the space-homogeneous case and the Landau damping for mixtures, in order to compare it with numerical results. Second, the model presented here is applied to a gas mixture which deviates from equilibrium such that it is described by Navier-Stokes equations on the macroscopic level. In this macroscopic description it is expected that four physical coefficients will show up, characterizing the physical behaviour of the gases, namely the diffusion coefficient, the viscosity coefficient, the heat conductivity and the thermal diffusion parameter. A Chapman-Enskog expansion of the model presented here is performed in order to capture three of these four physical coefficients. In addition, several possible extensions to an ellipsoidal statistical model for gas mixtures are proposed in order to capture the fourth coefficient. Three extensions are proposed: An extension which is as simple as possible, an intuitive extension copying the one species case and an extension which takes into account the physical motivation of the physicist Holway who invented the ellipsoidal statistical model for one species. Consistency of the extended models like conservation properties, positivity of all temperatures and the H-theorem are proven. The shape of global Maxwell distributions in equilibrium are specified. Third, the model presented here is applied to polyatomic molecules. A multi component gas mixture with translational and internal energy degrees of freedom is considered. The two species are allowed to have different degrees of freedom in internal energy and are modelled by a system of kinetic ellipsoidal statistical equations. Consistency of this model is shown: conservation properties, positivity of the temperature, H-theorem and the form of Maxwell distributions in equilibrium. For numerical purposes the Chu reduction is applied to the developed model for polyatomic gases to reduce the complexity of the model and an application for a gas consisting of a mono-atomic and a diatomic gas is given. Last, the limit from the model presented here to the dissipative Euler equations for gas mixtures is proven.

The regularization of linear ill-posed problems is based on their conditional well-posedness when restricting the problem to certain classes of solutions. Given such class one may consider several related real-valued functions, which measure the wellposedness of the problem on such class. Among those functions the modulus of continuity is best studied. For solution classes which enjoy the additional feature of being star-shaped at zero, the authors develop a series of results with focus on continuity properties of the modulus of continuity. In particular it is highlighted that the problem is conditionally well-posed if and only if the modulus of continuity is right-continuous at zero. Those results are then applied to smoothness classes in Hilbert space. This study concludes with a new perspective on a concavity problem for the modulus of continuity, recently addressed by two of the authors in "Some note on the modulus of continuity for ill-posed problems in Hilbert space", 2011.