The subject of this monograph can be described as the local properties of geometric Steiner minimal trees in finite-dimensional normed spaces. A Steiner minimal tree of a finite set of points is a shortest connected set interconnecting the points. For a quick introduction to this topic and an overview of all the results presented in this work, see Chapter 1. The relevant mathematical background knowledge needed to understand the results and their proofs are collected in Chapter 2. In Chapter 3 we introduce the Fermat-Torricelli problem, which is that of finding a point that minimizes the sum of distances to a finite set of given points. We only develop that part of the theory of Fermat-Torricelli points that is needed in later chapters. Steiner minimal trees in finite-dimensional normed spaces are introduced in Chapter 4, where the local Steiner problem is given an exact formulation. In Chapter 5 we solve the local Steiner problem for all two-dimensional spaces, and generalize this solution to a certain class of higher-dimensional spaces (CL spaces). The twodimensional solution is then applied to many specific norms in Chapter 6. Chapter 7 contains an abstract solution valid in any dimension, based on the subdifferential calculus. This solution is applied to two specific high-dimensional spaces in Chapter 8. In Chapter 9 we introduce an alternative approach to bounding the maximum degree of Steiner minimal trees from above, based on the illumination problem from combinatorial convexity. Finally, in Chapter 10 we consider the related k-Steiner minimal trees, which are shortest Steiner trees in which the number of Steiner points is restricted to be at most k. / Das Thema dieser Habilitationsschrift kann als die lokalen Eigenschaften der geometrischen minimalen Steiner-Bäume in endlich-dimensionalen normierten Räumen beschrieben werden. Ein minimaler Steiner-Baum einer endlichen Punktmenge ist eine kürzeste zusammenhängende Menge die die Punktmenge verbindet. Kapitel 1 enthält eine kurze Einführung zu diesem Thema und einen Überblick über alle Ergebnisse dieser Arbeit. Die entsprechenden mathematischen Vorkenntnisse mit ihren Beweisen, die erforderlich sind die Ergebnisse zu verstehen, erscheinen in Kapitel 2. In Kapitel 3 führen wir das Fermat-Torricelli-Problem ein, das heißt, die Suche nach einem Punkt, der die Summe der Entfernungen der Punkte einer endlichen Punktmenge minimiert. Wir entwickeln nur den Teil der Theorie der Fermat-Torricelli-Punkte, der in späteren Kapiteln benötigt wird. Minimale Steiner-Bäume in endlich-dimensionalen normierten Räumen werden in Kapitel 4 eingeführt, und eine exakte Formulierung wird für das lokale Steiner-Problem gegeben. In Kapitel 5 lösen wir das lokale Steiner-Problem für alle zwei-dimensionalen Räume, und diese Lösung wird für eine bestimmte Klasse von höher-dimensionalen Räumen (den sog. CL-Räumen) verallgemeinert. Die zweidimensionale Lösung wird dann auf mehrere bestimmte Normen in Kapitel 6 angewandt. Kapitel 7 enthält eine abstrakte Lösung die in jeder Dimension gilt, die auf der Analysis von Subdifferentialen basiert. Diese Lösung wird auf zwei bestimmte höher-dimensionale Räume in Kapitel 8 angewandt. In Kapitel 9 führen wir einen alternativen Ansatz zur oberen Schranke des maximalen Grads eines minimalen Steiner-Baums ein, der auf dem Beleuchtungsproblem der kombinatorischen Konvexität basiert ist. Schließlich betrachten wir in Kapitel 10 die verwandten minimalen k-Steiner-Bäume. Diese sind die kürzesten Steiner-Bäume, in denen die Anzahl der Steiner-Punkte auf höchstens k beschränkt wird.

Die Arbeit abstrahiert bekannte Konzepte der endlichdimensionalen Optimierung im Hinblick auf deren Anwendung in Banachräumen. Hierfür werden zunächst grundlegende Elemente der Funktionalanalysis wie schwache Konvergenz, Dualräume und Reflexivität vorgestellt. Anschließend erfolgt eine kurze Einführung in die Thematik der Fréchet-Differenzierbarkeit und eine Abstraktion des Begriffs der partiellen Ordnungsrelation in normierten Räumen. Nach der Formulierung eines allgemeinen Existenzsatzes für globale Optimallösungen von abstrakten Optimierungsaufgaben werden notwendige Optimalitätsbedingungen vom Karush-Kuhn-Tucker-Typ hergeleitet. Abschließend wird eine hinreichende Optimalitätsbedingung vom Karush-Kuhn-Tucker-Typ unter verallgemeinerten Konvexitätsvoraussetzungen verifiziert.

Banachverbände spielen sowohl in der Theorie als auch in der Anwendung von geordneten normierten Räume eine bedeutende Rolle. Einerseits erweisen sich viele in der Praxis relevanten Räume als Banachverbände, andererseits ermöglichen die Vektorverbandsstruktur und die enge Beziehung zwischen Ordnung und Norm ein tiefes Verständnis solcher normierter Räume. An dieser Stelle setzen folgende Überlegungen an: - Die genaue Untersuchung einiger Resultate der reichhaltigen Banachverbandstheorie ließ (zu Recht) vermuten, dass in manchen Fällen die Verbandsnormeigenschaft keine notwendige Voraussetzung ist. In der Literatur gibt es bereits einige interessante Untersuchungen allgemeiner geordneter normierter Räume mit qualifizierten positiven Kegeln und in dem Zusammenhang eine Reihe wertvoller Dualitätsaussagen. An dieser Stelle sind die Eigenschaften der Normalität, der Nichtabgeflachtheit und der Regularität eines Kegels erwähnt, welche selbst im Falle eines mit einer Norm versehenen Vektorverbandes eine schwächere Relation zwischen Ordnung und Norm ergeben als die Verbandsnormeigenschaft. - In einer neueren Arbeit wurde der aus der Theorie der Vektorverbände gut bekannte Begriff der Disjunktheit bereits auf beliebige geordnete Räume verallgemeinert, wobei viele Eigenschaften disjunkter Vektoren, des disjunkten Komplements einer Menge usw., welche aus der Verbandstheorie bekannt sind, erhalten bleiben. Auf entsprechende Weise, d.h. durch das Ersetzen exakter Infima und Suprema durch Mengen unterer bzw. oberer Schranken, können der Modul eines Vektors sowie der Begriff der Solidität einer Menge für geordnete (normierte) Räume eingeführt werden. An solchen Überlegungen knüpft die vorliegende Arbeit an. Im Kapitel m-Normen ======== werden verallgemeinerte Formen der M-Norm Eigenschaft eingeführt und untersucht. AM-Räume und (approximative) Ordnungseinheit-Räume sind Beispiele für geordnete normierte Räume mit m-Norm. Die Schwerpunkte dieses Kapitels sind zum Einen Kegel- und Normeigenschaften dieser Räume und deren Charakterisierung mit Hilfe solcher Eigenschaften und zum Anderen Dualitätsaussagen, wie sie zum Teil bereits aus der Theorie der AM- und AL-Räume bekannt sind. Minimal totale Mengen ===================== Ziel dieses Kapitels ist es, den oben erwähnten verallgemeinerten Disjunktheitsbegiff für geordnete normierte Räume zu untersuchen. Eine zentrale Rolle spielen dabei totale Mengen im Dualraum und insbesondere minimal totale Mengen sowie deren Zusammenhang mit der Disjunktheit von Elementen des Ausgangsraumes. Normierte pre-Riesz Räume ========================= Wie bereits bekannt, lässt sich jeder pre-Riesz Raum ordnungsdicht in einen (bis auf Isomorphie) eindeutigen minimalen Vektorverband einbetten, die so genannte Riesz Vervollständigung. Ist der pre-Riesz Raum normiert und sein positiver Kegel abgeschlossen, dann kann eine Verbandsnorm auf der Riesz Vervollständigung eingeführt werden, welche sich in vielen Fällen als äquivalent zur Ausgangsnorm auf dem pre-Riesz Raum erweist. Es ist allgemein bekannt, dass sich dann auch stetige lineare Funktionale fortsetzen lassen. In diesem Kapitel wird nun untersucht, inwiefern sich Ordnungsrelationen auf einer Menge stetiger linearer Funktionale beim Übergang zur Menge der Fortsetzungen erhalten lassen. Die gewonnenen Erkenntnisse kommen anschließend bei Untersuchungen zur schwachen bzw. schwach*-Topologie auf geordneten normierten Räumen zur Anwendung. Hierbei werden zwei Fragestellungen behandelt. Zum Einen gilt das Augenmerk disjunkten Folgen in geordneten normierten Räumen. Als Beispiel seien ordnungsbeschränkte disjunkte Folgen in geordneten normierten Räumen mit halbmonotoner mNorm genannt, welche stets schwach gegen Null konvergieren. Zum Anderen werden monoton fallende Folgen und Netze bzw. disjunkte Folgen von stetigen linearen Funktionalen auf einem geordneten normierten Raum betrachtet. / Banach lattices play an important role in the theory of ordered normed spaces. One reason is, that many ordered normed vector spaces, that are important in practice, turn out to be Banach lattices, on the other hand, the lattice structure and strong relations between order and norm allow a deep understanding of such ordered normed spaces. At this point the following is to be considered. - The analysis of some results in the rich Banach lattice theory leads to the conjecture, that sometimes the lattice norm property is no necessary supposition. General ordered normed spaces with a convenient positive cone were already examined, where some valuable duality properties could be achieved. We point out the properties of normality, non-flatness and regularity of a cone, which are a weaker relation between order and norm than the lattice norm property in normed vector lattices. - The notion of disjointness in vector lattices has already been generalized to arbitrary ordered vector spaces. Many properties of disjoint elements, the disjoint complement of a set etc., well known from the vector lattice theory, are preserved. The modulus of a vector as well as the concept of the solidness of a set can be introduced in a similar way, namely by replacing suprema and infima by sets of upper and lower bounds, respectively. We take such ideas up in the present thesis. A generalized version of the M-norm property is introduced and examined in section m-norms. ======= AM-spaces and approximate order unit spaces are examples of ordered normed spaces with m-norm. The main points of this section are the special properties of the positive cone and the norm of such spaces and the duality properties of spaces with m-norm. Minimal total sets ================== In this section we examine the mentioned generalized disjointness in ordered normed spaces. Total sets as well as minimal total sets and their relation to disjoint elements play an inportant at this. Normed pre-Riesz spaces ======================= As already known, every pre-Riesz space can be order densely embedded into an (up to isomorphism) unique vector lattice, the so called Riesz completion. If, in addition, the pre-Riesz space is normed and its positive cone is closed, then a lattice norm can be introduced on the Riesz completion, that turns out to be equivalent to the primary norm on the pre-Riesz space in many cases. Positive linear continuous functionals on the pre-Riesz space are extendable to positive linear continuous functionals in this setting. Here we investigate, how some order relations on a set of continuous functionals can be preserved to the set of the extension. In the last paragraph of this section the obtained results are applied for investigations of some questions concerning the weak and the weak* topology on ordered normed vector spaces. On the one hand, we focus on disjoint sequences in ordered normed spaces. On the other hand, we deal with decreasing sequences and nets and disjoint sequences of linear continuous functionals on ordered normed spaces.

The subject of this monograph can be described as the local properties of geometric Steiner minimal trees in finite-dimensional normed spaces. A Steiner minimal tree of a finite set of points is a shortest connected set interconnecting the points. For a quick introduction to this topic and an overview of all the results presented in this work, see Chapter 1. The relevant mathematical background knowledge needed to understand the results and their proofs are collected in Chapter 2. In Chapter 3 we introduce the Fermat-Torricelli problem, which is that of finding a point that minimizes the sum of distances to a finite set of given points. We only develop that part of the theory of Fermat-Torricelli points that is needed in later chapters. Steiner minimal trees in finite-dimensional normed spaces are introduced in Chapter 4, where the local Steiner problem is given an exact formulation. In Chapter 5 we solve the local Steiner problem for all two-dimensional spaces, and generalize this solution to a certain class of higher-dimensional spaces (CL spaces). The twodimensional solution is then applied to many specific norms in Chapter 6. Chapter 7 contains an abstract solution valid in any dimension, based on the subdifferential calculus. This solution is applied to two specific high-dimensional spaces in Chapter 8. In Chapter 9 we introduce an alternative approach to bounding the maximum degree of Steiner minimal trees from above, based on the illumination problem from combinatorial convexity. Finally, in Chapter 10 we consider the related k-Steiner minimal trees, which are shortest Steiner trees in which the number of Steiner points is restricted to be at most k. / Das Thema dieser Habilitationsschrift kann als die lokalen Eigenschaften der geometrischen minimalen Steiner-Bäume in endlich-dimensionalen normierten Räumen beschrieben werden. Ein minimaler Steiner-Baum einer endlichen Punktmenge ist eine kürzeste zusammenhängende Menge die die Punktmenge verbindet. Kapitel 1 enthält eine kurze Einführung zu diesem Thema und einen Überblick über alle Ergebnisse dieser Arbeit. Die entsprechenden mathematischen Vorkenntnisse mit ihren Beweisen, die erforderlich sind die Ergebnisse zu verstehen, erscheinen in Kapitel 2. In Kapitel 3 führen wir das Fermat-Torricelli-Problem ein, das heißt, die Suche nach einem Punkt, der die Summe der Entfernungen der Punkte einer endlichen Punktmenge minimiert. Wir entwickeln nur den Teil der Theorie der Fermat-Torricelli-Punkte, der in späteren Kapiteln benötigt wird. Minimale Steiner-Bäume in endlich-dimensionalen normierten Räumen werden in Kapitel 4 eingeführt, und eine exakte Formulierung wird für das lokale Steiner-Problem gegeben. In Kapitel 5 lösen wir das lokale Steiner-Problem für alle zwei-dimensionalen Räume, und diese Lösung wird für eine bestimmte Klasse von höher-dimensionalen Räumen (den sog. CL-Räumen) verallgemeinert. Die zweidimensionale Lösung wird dann auf mehrere bestimmte Normen in Kapitel 6 angewandt. Kapitel 7 enthält eine abstrakte Lösung die in jeder Dimension gilt, die auf der Analysis von Subdifferentialen basiert. Diese Lösung wird auf zwei bestimmte höher-dimensionale Räume in Kapitel 8 angewandt. In Kapitel 9 führen wir einen alternativen Ansatz zur oberen Schranke des maximalen Grads eines minimalen Steiner-Baums ein, der auf dem Beleuchtungsproblem der kombinatorischen Konvexität basiert ist. Schließlich betrachten wir in Kapitel 10 die verwandten minimalen k-Steiner-Bäume. Diese sind die kürzesten Steiner-Bäume, in denen die Anzahl der Steiner-Punkte auf höchstens k beschränkt wird.

This work refers to ball-intersections bodies as well as covering, packing, and kissing problems related to balls and spheres in normed spaces. A quick introduction to these topics and an overview of our results is given in Section 1.1 of Chapter 1. The needed background knowledge is collected in Section 1.2, also in Chapter 1. In Chapter 2 we define ball-intersection bodies and investigate special classes of them: ball-hulls, ball-intersections, equilateral ball-polyhedra, complete bodies and bodies of constant width. Thus, relations between the ball-hull and the ball-intersection of a set are given. We extend a minimal property of a special class of equilateral ball-polyhedra, known as Theorem of Chakerian, to all normed planes. In order to investigate bodies of constant width, we develop a concept of affine orthogonality, which is new even for the Euclidean subcase. In Chapter 2 we solve kissing, covering, and packing problems. For a given family of circles and lines we find at least one, but for some families even all circles kissing all the members of this family. For that reason we prove that a strictly convex, smooth normed plane is a topological Möbius plane. We give an exact geometric description of the maximal radius of all homothets of the unit disc that can be covered by 3 or 4 translates of it. Also we investigate configurations related to such coverings, namely a regular 4-covering and a Miquelian configuration of circles. We find the concealment number for a packing of translates of the unit ball.

Die Arbeit abstrahiert bekannte Konzepte der endlichdimensionalen Optimierung im Hinblick auf deren Anwendung in Banachräumen. Hierfür werden zunächst grundlegende Elemente der Funktionalanalysis wie schwache Konvergenz, Dualräume und Reflexivität vorgestellt. Anschließend erfolgt eine kurze Einführung in die Thematik der Fréchet-Differenzierbarkeit und eine Abstraktion des Begriffs der partiellen Ordnungsrelation in normierten Räumen. Nach der Formulierung eines allgemeinen Existenzsatzes für globale Optimallösungen von abstrakten Optimierungsaufgaben werden notwendige Optimalitätsbedingungen vom Karush-Kuhn-Tucker-Typ hergeleitet. Abschließend wird eine hinreichende Optimalitätsbedingung vom Karush-Kuhn-Tucker-Typ unter verallgemeinerten Konvexitätsvoraussetzungen verifiziert.

Banachverbände spielen sowohl in der Theorie als auch in der Anwendung von geordneten normierten Räume eine bedeutende Rolle. Einerseits erweisen sich viele in der Praxis relevanten Räume als Banachverbände, andererseits ermöglichen die Vektorverbandsstruktur und die enge Beziehung zwischen Ordnung und Norm ein tiefes Verständnis solcher normierter Räume. An dieser Stelle setzen folgende Überlegungen an: - Die genaue Untersuchung einiger Resultate der reichhaltigen Banachverbandstheorie ließ (zu Recht) vermuten, dass in manchen Fällen die Verbandsnormeigenschaft keine notwendige Voraussetzung ist. In der Literatur gibt es bereits einige interessante Untersuchungen allgemeiner geordneter normierter Räume mit qualifizierten positiven Kegeln und in dem Zusammenhang eine Reihe wertvoller Dualitätsaussagen. An dieser Stelle sind die Eigenschaften der Normalität, der Nichtabgeflachtheit und der Regularität eines Kegels erwähnt, welche selbst im Falle eines mit einer Norm versehenen Vektorverbandes eine schwächere Relation zwischen Ordnung und Norm ergeben als die Verbandsnormeigenschaft. - In einer neueren Arbeit wurde der aus der Theorie der Vektorverbände gut bekannte Begriff der Disjunktheit bereits auf beliebige geordnete Räume verallgemeinert, wobei viele Eigenschaften disjunkter Vektoren, des disjunkten Komplements einer Menge usw., welche aus der Verbandstheorie bekannt sind, erhalten bleiben. Auf entsprechende Weise, d.h. durch das Ersetzen exakter Infima und Suprema durch Mengen unterer bzw. oberer Schranken, können der Modul eines Vektors sowie der Begriff der Solidität einer Menge für geordnete (normierte) Räume eingeführt werden. An solchen Überlegungen knüpft die vorliegende Arbeit an. Im Kapitel m-Normen ======== werden verallgemeinerte Formen der M-Norm Eigenschaft eingeführt und untersucht. AM-Räume und (approximative) Ordnungseinheit-Räume sind Beispiele für geordnete normierte Räume mit m-Norm. Die Schwerpunkte dieses Kapitels sind zum Einen Kegel- und Normeigenschaften dieser Räume und deren Charakterisierung mit Hilfe solcher Eigenschaften und zum Anderen Dualitätsaussagen, wie sie zum Teil bereits aus der Theorie der AM- und AL-Räume bekannt sind. Minimal totale Mengen ===================== Ziel dieses Kapitels ist es, den oben erwähnten verallgemeinerten Disjunktheitsbegiff für geordnete normierte Räume zu untersuchen. Eine zentrale Rolle spielen dabei totale Mengen im Dualraum und insbesondere minimal totale Mengen sowie deren Zusammenhang mit der Disjunktheit von Elementen des Ausgangsraumes. Normierte pre-Riesz Räume ========================= Wie bereits bekannt, lässt sich jeder pre-Riesz Raum ordnungsdicht in einen (bis auf Isomorphie) eindeutigen minimalen Vektorverband einbetten, die so genannte Riesz Vervollständigung. Ist der pre-Riesz Raum normiert und sein positiver Kegel abgeschlossen, dann kann eine Verbandsnorm auf der Riesz Vervollständigung eingeführt werden, welche sich in vielen Fällen als äquivalent zur Ausgangsnorm auf dem pre-Riesz Raum erweist. Es ist allgemein bekannt, dass sich dann auch stetige lineare Funktionale fortsetzen lassen. In diesem Kapitel wird nun untersucht, inwiefern sich Ordnungsrelationen auf einer Menge stetiger linearer Funktionale beim Übergang zur Menge der Fortsetzungen erhalten lassen. Die gewonnenen Erkenntnisse kommen anschließend bei Untersuchungen zur schwachen bzw. schwach*-Topologie auf geordneten normierten Räumen zur Anwendung. Hierbei werden zwei Fragestellungen behandelt. Zum Einen gilt das Augenmerk disjunkten Folgen in geordneten normierten Räumen. Als Beispiel seien ordnungsbeschränkte disjunkte Folgen in geordneten normierten Räumen mit halbmonotoner mNorm genannt, welche stets schwach gegen Null konvergieren. Zum Anderen werden monoton fallende Folgen und Netze bzw. disjunkte Folgen von stetigen linearen Funktionalen auf einem geordneten normierten Raum betrachtet. / Banach lattices play an important role in the theory of ordered normed spaces. One reason is, that many ordered normed vector spaces, that are important in practice, turn out to be Banach lattices, on the other hand, the lattice structure and strong relations between order and norm allow a deep understanding of such ordered normed spaces. At this point the following is to be considered. - The analysis of some results in the rich Banach lattice theory leads to the conjecture, that sometimes the lattice norm property is no necessary supposition. General ordered normed spaces with a convenient positive cone were already examined, where some valuable duality properties could be achieved. We point out the properties of normality, non-flatness and regularity of a cone, which are a weaker relation between order and norm than the lattice norm property in normed vector lattices. - The notion of disjointness in vector lattices has already been generalized to arbitrary ordered vector spaces. Many properties of disjoint elements, the disjoint complement of a set etc., well known from the vector lattice theory, are preserved. The modulus of a vector as well as the concept of the solidness of a set can be introduced in a similar way, namely by replacing suprema and infima by sets of upper and lower bounds, respectively. We take such ideas up in the present thesis. A generalized version of the M-norm property is introduced and examined in section m-norms. ======= AM-spaces and approximate order unit spaces are examples of ordered normed spaces with m-norm. The main points of this section are the special properties of the positive cone and the norm of such spaces and the duality properties of spaces with m-norm. Minimal total sets ================== In this section we examine the mentioned generalized disjointness in ordered normed spaces. Total sets as well as minimal total sets and their relation to disjoint elements play an inportant at this. Normed pre-Riesz spaces ======================= As already known, every pre-Riesz space can be order densely embedded into an (up to isomorphism) unique vector lattice, the so called Riesz completion. If, in addition, the pre-Riesz space is normed and its positive cone is closed, then a lattice norm can be introduced on the Riesz completion, that turns out to be equivalent to the primary norm on the pre-Riesz space in many cases. Positive linear continuous functionals on the pre-Riesz space are extendable to positive linear continuous functionals in this setting. Here we investigate, how some order relations on a set of continuous functionals can be preserved to the set of the extension. In the last paragraph of this section the obtained results are applied for investigations of some questions concerning the weak and the weak* topology on ordered normed vector spaces. On the one hand, we focus on disjoint sequences in ordered normed spaces. On the other hand, we deal with decreasing sequences and nets and disjoint sequences of linear continuous functionals on ordered normed spaces.

This work refers to ball-intersections bodies as well as covering, packing, and kissing problems related to balls and spheres in normed spaces. A quick introduction to these topics and an overview of our results is given in Section 1.1 of Chapter 1. The needed background knowledge is collected in Section 1.2, also in Chapter 1. In Chapter 2 we define ball-intersection bodies and investigate special classes of them: ball-hulls, ball-intersections, equilateral ball-polyhedra, complete bodies and bodies of constant width. Thus, relations between the ball-hull and the ball-intersection of a set are given. We extend a minimal property of a special class of equilateral ball-polyhedra, known as Theorem of Chakerian, to all normed planes. In order to investigate bodies of constant width, we develop a concept of affine orthogonality, which is new even for the Euclidean subcase. In Chapter 2 we solve kissing, covering, and packing problems. For a given family of circles and lines we find at least one, but for some families even all circles kissing all the members of this family. For that reason we prove that a strictly convex, smooth normed plane is a topological Möbius plane. We give an exact geometric description of the maximal radius of all homothets of the unit disc that can be covered by 3 or 4 translates of it. Also we investigate configurations related to such coverings, namely a regular 4-covering and a Miquelian configuration of circles. We find the concealment number for a packing of translates of the unit ball.