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Es werden Kontaktprobleme im Rahmen der nichtlinearen Elastizitätstheorie mit Mitteln der Variationsrechnung behandelt. Dabei liegt das Hauptaugenmerk auf der Untersuchung des Selbstkontakts eines nichtlinear elastischen Körpers. Unter Verwendung einer geeigneten Lagrangeschen Multiplikatorenregel wird eine notwendige Bedingung für Minimierer hergeleitet. Weiterhin werden Ergebnisse für den Kontakt zweier elastischer Körper formuliert.

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-08-08T20:21:22Z No. of bitstreams: 1 ARTHUR GILZEPH FARIAS ALMEIDA - DISSERTAÇÃO PPGMAT 2013..pdf: 508810 bytes, checksum: 02ca89b269a1cb82e4ba0a5d102acff9 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-08T20:21:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ARTHUR GILZEPH FARIAS ALMEIDA - DISSERTAÇÃO PPGMAT 2013..pdf: 508810 bytes, checksum: 02ca89b269a1cb82e4ba0a5d102acff9 (MD5) Previous issue date: 2013-10 / CNPq / Neste trabalho estudamos a existência de, pelo menos, três soluções distintas para dois problemas de inclusão diferencial. Para isto, faremos uso da teoria da análise convexa para funcionais localmente Lipschitz, bem como métodos variacionais. / In this work we study the existence of, at least, three distinct solutions to two problems of differential inclusion. For this, we use the theory of convex functional analysis Lipschitz locally, and variational methods.

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-07-17T17:56:04Z No. of bitstreams: 1 JEFFERSON ABRANTES DOS SANTOS - DISSERTAÇÃO PPGMAT 2007..pdf: 851615 bytes, checksum: 3c65fe64e44e2b25e61689585f18f5bb (MD5) / Made available in DSpace on 2018-07-17T17:56:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JEFFERSON ABRANTES DOS SANTOS - DISSERTAÇÃO PPGMAT 2007..pdf: 851615 bytes, checksum: 3c65fe64e44e2b25e61689585f18f5bb (MD5) Previous issue date: 2007-12 / CNPq / Capes / Neste trabalho estudamos a existência de solução não nula, via Métodos Variacionais para uma classe de problemas Elípticos onde f :R→R apresenta uma descontinuidade, do tipo salto, com seu conjunto de pontos de descontinuidade sendo um conjunto enumerável sem pontos de acumulação e Ω é um domínio limitado com fronteira suave. * Para Visualisar as equações ou formulas originalmente escritas neste resumo recomendamos o downloado do arquivo completo. / In this work we study the existence of solutions for the following class of Elliptic problems wherethefunctionf :R →RhassomediscontinuitiesandΩisaboundeddomainwith smooth boundary. The main tool used is the Variational Methods together arguments developed by Chang [9]. *To see the equations or formulas originally written in this summary we recommend downloading the complete file.

In many applications nonsmooth nonconvex energy functions, which are Lipschitz continuous, appear quite naturally. Contact mechanics with friction is a classic example. A second example is the 1-Laplace operator and its eigenfunctions. In this work we will give an algorithm such that for every locally Lipschitz continuous function f and every sequence produced by this algorithm it holds that every accumulation point of the sequence is a critical point of f in the sense of Clarke. Here f is defined on a reflexive Banach space X, such that X and its dual space X' are strictly convex and Clarkson's inequalities hold. (E.g. Sobolev spaces and every closed subspace equipped with the Sobolev norm satisfy these assumptions for p>1.) This algorithm is designed primarily to solve variational problems or their high dimensional discretizations, but can be applied to a variety of locally Lipschitz functions. In elastic contact mechanics the strain energy is often smooth and nonconvex on a suitable domain, while the contact and the friction energy are nonsmooth and have a support on a subspace which has a substantially smaller dimension than the strain energy, since all points in the interior of the bodies only have effect on the strain energy. For such elastic contact problems we suggest a specialization of our algorithm, which treats the smooth part with Newton like methods. In the case that the gradient of the entire energy function is semismooth close to the minimizer, we can even prove superlinear convergence of this specialization of our algorithm. We test the algorithm and its specialization with a couple of benchmark problems. Moreover, we apply the algorithm to the 1-Laplace minimization problem restricted to finitely dimensional subspaces of piecewise affine, continuous functions. The algorithm developed here uses ideas of the bundle trust region method by Schramm, and a new generalization of the concept of gradients on a set. The basic idea behind this gradients on sets is that we want to find a stable descent direction, which is a descent direction on an entire neighborhood of an iteration point. This way we avoid oscillations of the gradients and very small descent steps (in the smooth and in the nonsmooth case). It turns out, that the norm smallest element of the gradient on a set provides a stable descent direction. The algorithm we present here is the first algorithm which can treat locally Lipschitz continuous functions in this generality, up to our knowledge. In particular, large finitely dimensional Banach spaces haven't been studied for nonsmooth nonconvex functions so far. We will show that the algorithm is very robust and often faster than common algorithms. Furthermore, we will see that with this algorithm it is possible to compute reliably the first eigenfunctions of the 1-Laplace operator up to disretization errors, for the first time. / In vielen Anwendungen tauchen nichtglatte, nichtkonvexe, Lipschitz-stetige Energie Funktionen in natuerlicher Weise auf. Ein klassische Beispiel bildet die Kontaktmechanik mit Reibung. Ein weiteres Beispiel ist der $1$-Laplace Operator und seine Eigenfunktionen. In dieser Dissertation werden wir ein Abstiegsverfahren angeben, so dass fuer jede lokal Lipschitz-stetige Funktion f jeder Haeufungspunkt einer durch dieses Verfahren erzeugten Folge ein kritischer Punkt von f im Sinne von Clarke ist. Hier ist f auf einem einem reflexiver, strikt konvexem Banachraum definierert, fuer den der Dualraum ebenfalls strikt konvex ist und die Clarkeson Ungleichungen gelten. (Z.B. Sobolevraeume und jeder abgeschlossene Unterraum mit der Sobolevnorm versehen, erfuellt diese Bedingung fuer p>1.) Dieser Algorithmus ist primaer entwickelt worden um Variationsprobleme, bzw. deren hochdimensionalen Diskretisierungen zu loesen. Er kann aber auch fuer eine Vielzahl anderer lokal Lipschitz stetige Funktionen eingesetzt werden. In der elastischen Kontaktmechanik ist die Spannungsenergie oft glatt und nichtkonvex auf einem geeignetem Definitionsbereich, waehrend der Kontakt und die Reibung durch nicht glatte Funktionen modelliert werden, deren Traeger ein Unterraum mit wesentlich kleineren Dimension ist, da alle Punkte im Inneren des Koerpers nur die Spannungsenergie beeinflussen. Fuer solche elastischen Kontaktprobleme schlagen wir eine Spezialisierung unseres Algorithmuses vor, der den glatten Teil mit Newton aehnlichen Methoden behandelt. Falls der Gradient der gesamten Energiefunktion semiglatt in der Naehe der Minimalstelle ist, koennen wir sogar beweisen, dass der Algorithmus superlinear konvergiert. Wir testen den Algorithmus und seine Spezialisierung an mehreren Benchmark Problemen. Ausserdem wenden wir den Algorithmus auf 1-Laplace Minimierungsproblem eingeschraenkt auf eine endlich dimensionalen Unterraum der stueckweise affinen, stetigen Funktionen an. Der hier entwickelte Algorithmus verwendet Ideen des Bundle-Trust-Region-Verfahrens von Schramm, und einen neu entwickelten Verallgemeinerung von Gradienten auf Mengen. Die zentrale Idee hinter den Gradienten auf Mengen ist die, dass wir stabile Abstiegsrichtungen auf einer ganzen Umgebung der Iterationspunkte finden wollen. Auf diese Weise vermeiden wir das Oszillieren der Gradienten und sehr kleine Abstiegsschritte (im glatten, wie im nichtglatten Fall.) Es stellt sich heraus, dass das normkleinste Element dieses Gradienten auf der Umgebung eine stabil Abstiegsrichtung bestimmt. So weit es uns bekannt ist, koennen die hier entwickelten Algorithmen zum ersten Mal lokal Lipschitz-stetige Funktionen in dieser Allgemeinheit behandeln. Insbesondere wurden nichtglatte, nichtkonvexe Funktionen auf derart hochdimensionale Banachraeume bis jetzt nicht behandelt. Wir werden zeigen, dass unser Algorithmus sehr robust und oft schneller als uebliche Algorithmen ist. Des Weiteren, werden wir sehen, dass es mit diesem Algorithmus das erste mal moeglich ist, zuverlaessig die erste Eigenfunktion des 1-Laplace Operators bis auf Diskretisierungsfehler zu bestimmen.

In many applications nonsmooth nonconvex energy functions, which are Lipschitz continuous, appear quite naturally. Contact mechanics with friction is a classic example. A second example is the 1-Laplace operator and its eigenfunctions. In this work we will give an algorithm such that for every locally Lipschitz continuous function f and every sequence produced by this algorithm it holds that every accumulation point of the sequence is a critical point of f in the sense of Clarke. Here f is defined on a reflexive Banach space X, such that X and its dual space X' are strictly convex and Clarkson's inequalities hold. (E.g. Sobolev spaces and every closed subspace equipped with the Sobolev norm satisfy these assumptions for p>1.) This algorithm is designed primarily to solve variational problems or their high dimensional discretizations, but can be applied to a variety of locally Lipschitz functions. In elastic contact mechanics the strain energy is often smooth and nonconvex on a suitable domain, while the contact and the friction energy are nonsmooth and have a support on a subspace which has a substantially smaller dimension than the strain energy, since all points in the interior of the bodies only have effect on the strain energy. For such elastic contact problems we suggest a specialization of our algorithm, which treats the smooth part with Newton like methods. In the case that the gradient of the entire energy function is semismooth close to the minimizer, we can even prove superlinear convergence of this specialization of our algorithm. We test the algorithm and its specialization with a couple of benchmark problems. Moreover, we apply the algorithm to the 1-Laplace minimization problem restricted to finitely dimensional subspaces of piecewise affine, continuous functions. The algorithm developed here uses ideas of the bundle trust region method by Schramm, and a new generalization of the concept of gradients on a set. The basic idea behind this gradients on sets is that we want to find a stable descent direction, which is a descent direction on an entire neighborhood of an iteration point. This way we avoid oscillations of the gradients and very small descent steps (in the smooth and in the nonsmooth case). It turns out, that the norm smallest element of the gradient on a set provides a stable descent direction. The algorithm we present here is the first algorithm which can treat locally Lipschitz continuous functions in this generality, up to our knowledge. In particular, large finitely dimensional Banach spaces haven't been studied for nonsmooth nonconvex functions so far. We will show that the algorithm is very robust and often faster than common algorithms. Furthermore, we will see that with this algorithm it is possible to compute reliably the first eigenfunctions of the 1-Laplace operator up to disretization errors, for the first time. / In vielen Anwendungen tauchen nichtglatte, nichtkonvexe, Lipschitz-stetige Energie Funktionen in natuerlicher Weise auf. Ein klassische Beispiel bildet die Kontaktmechanik mit Reibung. Ein weiteres Beispiel ist der $1$-Laplace Operator und seine Eigenfunktionen. In dieser Dissertation werden wir ein Abstiegsverfahren angeben, so dass fuer jede lokal Lipschitz-stetige Funktion f jeder Haeufungspunkt einer durch dieses Verfahren erzeugten Folge ein kritischer Punkt von f im Sinne von Clarke ist. Hier ist f auf einem einem reflexiver, strikt konvexem Banachraum definierert, fuer den der Dualraum ebenfalls strikt konvex ist und die Clarkeson Ungleichungen gelten. (Z.B. Sobolevraeume und jeder abgeschlossene Unterraum mit der Sobolevnorm versehen, erfuellt diese Bedingung fuer p>1.) Dieser Algorithmus ist primaer entwickelt worden um Variationsprobleme, bzw. deren hochdimensionalen Diskretisierungen zu loesen. Er kann aber auch fuer eine Vielzahl anderer lokal Lipschitz stetige Funktionen eingesetzt werden. In der elastischen Kontaktmechanik ist die Spannungsenergie oft glatt und nichtkonvex auf einem geeignetem Definitionsbereich, waehrend der Kontakt und die Reibung durch nicht glatte Funktionen modelliert werden, deren Traeger ein Unterraum mit wesentlich kleineren Dimension ist, da alle Punkte im Inneren des Koerpers nur die Spannungsenergie beeinflussen. Fuer solche elastischen Kontaktprobleme schlagen wir eine Spezialisierung unseres Algorithmuses vor, der den glatten Teil mit Newton aehnlichen Methoden behandelt. Falls der Gradient der gesamten Energiefunktion semiglatt in der Naehe der Minimalstelle ist, koennen wir sogar beweisen, dass der Algorithmus superlinear konvergiert. Wir testen den Algorithmus und seine Spezialisierung an mehreren Benchmark Problemen. Ausserdem wenden wir den Algorithmus auf 1-Laplace Minimierungsproblem eingeschraenkt auf eine endlich dimensionalen Unterraum der stueckweise affinen, stetigen Funktionen an. Der hier entwickelte Algorithmus verwendet Ideen des Bundle-Trust-Region-Verfahrens von Schramm, und einen neu entwickelten Verallgemeinerung von Gradienten auf Mengen. Die zentrale Idee hinter den Gradienten auf Mengen ist die, dass wir stabile Abstiegsrichtungen auf einer ganzen Umgebung der Iterationspunkte finden wollen. Auf diese Weise vermeiden wir das Oszillieren der Gradienten und sehr kleine Abstiegsschritte (im glatten, wie im nichtglatten Fall.) Es stellt sich heraus, dass das normkleinste Element dieses Gradienten auf der Umgebung eine stabil Abstiegsrichtung bestimmt. So weit es uns bekannt ist, koennen die hier entwickelten Algorithmen zum ersten Mal lokal Lipschitz-stetige Funktionen in dieser Allgemeinheit behandeln. Insbesondere wurden nichtglatte, nichtkonvexe Funktionen auf derart hochdimensionale Banachraeume bis jetzt nicht behandelt. Wir werden zeigen, dass unser Algorithmus sehr robust und oft schneller als uebliche Algorithmen ist. Des Weiteren, werden wir sehen, dass es mit diesem Algorithmus das erste mal moeglich ist, zuverlaessig die erste Eigenfunktion des 1-Laplace Operators bis auf Diskretisierungsfehler zu bestimmen.

Es werden Kontaktprobleme im Rahmen der nichtlinearen Elastizitätstheorie mit Mitteln der Variationsrechnung behandelt. Dabei liegt das Hauptaugenmerk auf der Untersuchung des Selbstkontakts eines nichtlinear elastischen Körpers. Unter Verwendung einer geeigneten Lagrangeschen Multiplikatorenregel wird eine notwendige Bedingung für Minimierer hergeleitet. Weiterhin werden Ergebnisse für den Kontakt zweier elastischer Körper formuliert.

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The meta-GGA functionals and random phase approximation are tested for phase transitions and a strongly correlated transition metal oxide in this dissertation. One of the latest meta-GGA functionals is also employed to study the van der Waals bound system in surface science. Our main purpose is to reveal the performance of new exchange-correlation functionals on various properties and systems. We are also interested in seeking the possible relationship between the performance of a semilocal functional and its exchange enhancement factor. We have studied the structural phase transitions in crystalline Si (insulator to metal), SiO2 (insulator to insulator) and Zr (metal to metal) systems, as a test of exchange energy semilocal functionals on Jacob's ladder. Our results confirm the energy-geometry dilemma of GGAs in three systems. The most sophisticated non-empirical meta-generalized gradient approximations (meta-GGAs) such as TPSS (Tao-Perdew-Staroveov-Scuseria) and revTPSS (revised TPSS) give better lattice constants than PBE, but the phase transition parameters (energy difference and transition pressure) are smaller and less realistic than those from the latter GGA. However, the recent functionals of meta-GGA made simple family (MGGA_MS) behave differently to those previous meta-GGAs, predicting larger and more realistic phase transition parameters. Meanwhile, MGGA_MS also delivers the equilibrium geometry of crystalline materials similar to previous non-empirical meta-GGAs. In contrast to semilocal functionals, the nonlocal functionals such as the range-separated hybrid functional HSE06 (Heyd-Scuseria-Ernzerhof) and non-self consistent random phase approximation (RPA) are not only able to give the accurate equilibrium geometry , but also predict the realistic phase transition parameters for Si and SiO2 systems. The ground state of rutile-type vanadium dioxide (R-VO2) represents a great challenge to the current density functional theory. In this dissertation, we investigated the electronic structures and magnetism of R-VO2 using exchange-correlation functionals of all five rungs on Jacob's ladder. Our calculations show that all semilocal functionals (LSDA, GGAs and meta-GGAs) and hybrid functionals (HSE06) stabilize the spin-polarized states (ferromagnetic and anti-ferromagnetic states) over non-magnetic state, which are completely opposite to experimental observation. Surprisingly, LSDA gives the best energetic descriptions for magnetic and non-magnetic phases of R-VO2 among semilocal functionals and HSE06. Otherwise, RPA calculations are highly dependent on the inputs in the spin polarized case. With PBE inputs, RPA also fails, giving lower energies for spin-polarized states than for the non-magnetic phase. Meanwhile, the results are reversed using LSDA inputs. From the computed equilibrium cell volume, we observe the error cancellation in the exchange-correlation hole of most semilocal functionals in the spin-polarized calculations. LSDA and RPA do not fit to this picture. By analyzing the local magnetic moments of vanadium atoms, it is found that the magnetic property predicted from meta-GGA can be related to its exchange enhancement factor. The physisorption of a molecule on a transition metal surface is also another difficult problem in DFT because of the long-range van der Waals interactions. The recently developed MGGA_MS family of density functionals is able to capture a portion of intermediate range dispersion interactions. Therefore, we employed MGGA_MS2 to study the physisorption of CO2 on Pt (111) surface, and the results are compared to those of PBE, PBE+D2 and optB88-vdW methods. The computed binding curves confirm that that MGGA_MS2 indeed captures the van der Waals interactions near the equilibrium binding distance, and the obtained binding distance is also in good agreement with PBE+D2 and optB88-vdW calculations. By computing the electron density difference map (EDDM), we find that the electron densities of CO2 and Pt (111) surface are strongly polarized in optB88-vdW, creating the dipole moments in two subsystems. Such effect is reduced in MGGA_MS2. For PBE, the polarization of electron density is very weak, but not negligible. The α dependence in the exchange enhancement factor of a meta-GGA is the key to capture the intermediate range van der Waals interactions. In summary, a meta-GGA functional can step out of the famous "energy-geometry dilemma" , predicting good lattice constants and phase transition parameters at the same time. With the proper construction, a meta-GGA can even capture a portion of van der Waals interactions. The RPA is usually more accurate than semilocal functionals for many ground state properties. The strongly correlated systems like R-VO2 are still a big challenge to present-day density functional theory. We will continue to seek more accurate exchange-correlation functionals. / Physics