Systeme mit Zeitverzögerung sind von großem Interesse in Nichtlinearer Dynamik und allgegenwärtig in den Naturwissenschaften. Gegenstand dieser Doktorarbeit ist die raumzeitliche Dynamik räumlich-ausgedehnter, nichtlinearer Systeme mit Zeitverzögerung, mit besonderem Augenmerk auf deren lokalisierte Lösungen. Die betrachteten Systeme werden beschrieben durch partielle Differentialgleichungen und gekoppelte Systeme von gewöhnlichen Differentialgleichungen mit verzögerter Rückkopplung. Hinsichtlich der partiellen Differentialgleichungen untersucht diese Arbeit die Existenz und Stabilität der ebenen Wellenlösungen ebenso, wie die Existenz und Stabilität der lokalisierten Lösungen der eindimensionalen, komplexen, kubischen und kubisch-quintischen Ginzburg-Landau Gleichung mit verzögerter, optischer Rückkopplung. Das erste Ergebnis dieser Arbeit ist die vollständige Beschreibung der Menge der ebenen Wellenlösungen und ihre Stabilität für lange Verzögerungszeiten. Aufgrund der Symmetrie der Ginzburg-Landau Gleichung bildet diese Menge eine eindimensionale Familie, die zum Auftreten einer „Tube“ in Parameter-Koordinaten führt. Das zweite, neuartige Ergebnis ist die Beschreibung der Modulationsinstabilität dieser lokalisierten Strukturen. Diese Instabilität kann zu einer periodischen und chaotischen Zickzackbewegung der Lösung führen. Das dritte Resultat ist die Charakterisierung gebundener Impulsfolgen in einem System von gekoppelten gewöhnlichen Differentialgleichungen mit Zeitverzögerung, das zur Beschreibung einer Anordnung von modengekoppelten Lasers herangezogen wird. In diesem Regime interagieren die modengekoppelten Impulse in verschiedenen Lasern lokal über die Balance von Abstoßung und Anziehung. Resultierend daraus entstehen Cluster von Impulsen, die in einzelnen modengekoppelten Lasern nicht möglich sind. Sämtliche genannte Phänomene wurden analytisch und numerisch behandelt. / Systems with time-delay are ubiquitous in nature and attract significant interest in the field of nonlinear dynamics. The scope of this Thesis is the spatiotemporal dynamics in spatially extended nonlinear systems with time-delay, with a focus on the dynamics of localized structures. The systems under consideration are described by partial differential equations with delayed feedback and coupled systems of delay differential equations. For the partial differential equations, the existence and stability of plane wave solutions as well as localized structures are investigated in one-dimensional complex cubic and cubic-quintic Ginzburg-Landau equation with delayed feedback. The first result of this Thesis is the complete description of the set of plane wave solutions and their stability in the limit of large delay time. Due to the symmetry of Ginzburg-Landau equation, this set forms a one-dimensional family which leads to the appearance of the “tube” in parameter coordinates which is filled densely with plane wave solutions with the increase of the delay time. The second novel result is the description of modulational instability of localized structures in spatially extended systems with time-delay which can lead to periodic and chaotic zigzagging movement of the solution. The third result is the description of bound pulse trains in coupled delay systems depicting an array of mode-locked lasers. In this regime mode-locked pulses in different lasers interact locally via the balance of their repulsion and attraction. As a result, clusters of pulses emerge which can not exist in a solitary mode-locked laser. All of the aforementioned phenomena were described analytically and the results are supported by path continuation methods as well as direct numerical simulations with a specially designed software tool.

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Die Zeitverzögerung bei der Streuung in zwei Dimensionen ist eine Funktion von zwei unabhängigen Parametern. Wenn diese Funktion Sattelpunkte aufweist, so hat der entsprechende Funktionswert theoretisch ein unendlich großes Gewicht in der Wahrscheinlichkeitsverteilung der Zeitverzögerungen. Dieser Zusammenhang soll analytisch und numerisch nachgewiesen und detailliert beschrieben werden. Insbesondere soll die klassische und quantenmechanische Wahrscheinlichkeitsverteilung der Zeitverzögerung für ein Modellsystem aus mehreren nichtüberlappenden zentralsymmetrischen Potentialen berechnet werden. Erwartete Ergebnisse sind Aussagen über die Parameterwerte, bei denen der oben genannte Effekt zu beobachten ist sowie Näherungsformeln für die Verteilung der Zeitverzögerung in der Nähe der Singularitäten. Außerdem soll die quantenmechanisch zu erwartende Glättung der Verteilungsfunktion quantitativ beschrieben werden. / For scattering problems in two dimensions, time-delay is a function of two independent parameters. If this function features saddle points, the corresponding function value should theoretically have an infinite weight in the probability distribution of time-delays. This correlation shall be confirmed analytically and numerically and studied in-depth. In particular, the classical and quantum-mechanical probability distribution of time-delays shall be calculated for a model system consisting of multiple non-overlapping potentials with rotational symmetry. We expect to obtain information about the parameter values where the aforementioned effects can be observed, and analytical approximations for the time-delay distribution near the singularities. Furthermore, the smoothing of the distribution in the quantummechanical regime shall be quantified.

Die Zeitverzögerung bei der Streuung in zwei Dimensionen ist eine Funktion von zwei unabhängigen Parametern. Wenn diese Funktion Sattelpunkte aufweist, so hat der entsprechende Funktionswert theoretisch ein unendlich großes Gewicht in der Wahrscheinlichkeitsverteilung der Zeitverzögerungen. Dieser Zusammenhang soll analytisch und numerisch nachgewiesen und detailliert beschrieben werden. Insbesondere soll die klassische und quantenmechanische Wahrscheinlichkeitsverteilung der Zeitverzögerung für ein Modellsystem aus mehreren nichtüberlappenden zentralsymmetrischen Potentialen berechnet werden. Erwartete Ergebnisse sind Aussagen über die Parameterwerte, bei denen der oben genannte Effekt zu beobachten ist sowie Näherungsformeln für die Verteilung der Zeitverzögerung in der Nähe der Singularitäten. Außerdem soll die quantenmechanisch zu erwartende Glättung der Verteilungsfunktion quantitativ beschrieben werden.:1 Einleitung 2 Zeitverzögerung in klassischen Streusystemen 2.1 Definition durch die Wirkung 2.2 Geometrisch motivierte Definitionen 2.2.1 Eigentliche Zeitverzögerung 2.2.2 Definition über retardierten Ort 2.2.3 Definition über Aufenthaltszeit 2.2.4 Numerische Bestimmung der Zeitverzögerung 2.3 Zeitverzögerungsfunktion und -verteilung 2.4 Rechenregeln 2.4.1 Koordinatensystemwechsel 2.4.2 Verkettung 3 Klassische Modellsysteme 3.1 Harte Scheibe 3.2 Verschobene harte Scheibe 3.2.1 Verhalten in der Umgebung von stationären Punkten 3.3 Weiches Scheibenpaar 3.3.1 Sattelpunkte 3.3.2 Extrempunkte 3.3.3 Zusammenfassung 4 Quantenmechanische Zeitverzögerung 4.1 Quantisierung der klassischen Definition 4.1.1 Definition über Aufenthaltszeit 4.1.2 Wigner-Smith-Matrix 4.1.3 Numerische Umsetzung 4.2 Einheitenlose Formulierung 4.3 Gegenüberstellung von Zeitentwicklungsmethoden 4.4 Split-Operator-Methode 4.4.1 Parameterwahl 4.4.2 Zur Abschätzung des systematischen Fehlers 4.5 Unterdrückung der periodischen Randbedingung 4.6 Harte Potentiale 5 Quantenmechanische Modellsysteme 5.1 Stationäre Punkte 5.2 Unschärfeeffekte 5.3 Numerische Ungenauigkeiten 5.3.1 Skalierungsverhalten der numerischen Methoden 5.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 6 Zusammenfassung und Ausblick Anhang A Verhalten der Verteilung einer Funktion in der Nähe stationärer Punkte A.1 Umgebung eines Sattelpunktes A.2 Umgebung eines Extremums B Zeitverzögerung für das weiche Scheibenpaar / For scattering problems in two dimensions, time-delay is a function of two independent parameters. If this function features saddle points, the corresponding function value should theoretically have an infinite weight in the probability distribution of time-delays. This correlation shall be confirmed analytically and numerically and studied in-depth. In particular, the classical and quantum-mechanical probability distribution of time-delays shall be calculated for a model system consisting of multiple non-overlapping potentials with rotational symmetry. We expect to obtain information about the parameter values where the aforementioned effects can be observed, and analytical approximations for the time-delay distribution near the singularities. Furthermore, the smoothing of the distribution in the quantummechanical regime shall be quantified.:1 Einleitung 2 Zeitverzögerung in klassischen Streusystemen 2.1 Definition durch die Wirkung 2.2 Geometrisch motivierte Definitionen 2.2.1 Eigentliche Zeitverzögerung 2.2.2 Definition über retardierten Ort 2.2.3 Definition über Aufenthaltszeit 2.2.4 Numerische Bestimmung der Zeitverzögerung 2.3 Zeitverzögerungsfunktion und -verteilung 2.4 Rechenregeln 2.4.1 Koordinatensystemwechsel 2.4.2 Verkettung 3 Klassische Modellsysteme 3.1 Harte Scheibe 3.2 Verschobene harte Scheibe 3.2.1 Verhalten in der Umgebung von stationären Punkten 3.3 Weiches Scheibenpaar 3.3.1 Sattelpunkte 3.3.2 Extrempunkte 3.3.3 Zusammenfassung 4 Quantenmechanische Zeitverzögerung 4.1 Quantisierung der klassischen Definition 4.1.1 Definition über Aufenthaltszeit 4.1.2 Wigner-Smith-Matrix 4.1.3 Numerische Umsetzung 4.2 Einheitenlose Formulierung 4.3 Gegenüberstellung von Zeitentwicklungsmethoden 4.4 Split-Operator-Methode 4.4.1 Parameterwahl 4.4.2 Zur Abschätzung des systematischen Fehlers 4.5 Unterdrückung der periodischen Randbedingung 4.6 Harte Potentiale 5 Quantenmechanische Modellsysteme 5.1 Stationäre Punkte 5.2 Unschärfeeffekte 5.3 Numerische Ungenauigkeiten 5.3.1 Skalierungsverhalten der numerischen Methoden 5.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 6 Zusammenfassung und Ausblick Anhang A Verhalten der Verteilung einer Funktion in der Nähe stationärer Punkte A.1 Umgebung eines Sattelpunktes A.2 Umgebung eines Extremums B Zeitverzögerung für das weiche Scheibenpaar

Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines effizienten parametrischen Schätzverfahrens für den Drift einer durch einen Lévy-Prozess getriebenen Sprungdiffusion. Zunächst werden zeit-stetige Beobachtungen angenommen und auf dieser Basis eine Likelihoodtheorie entwickelt. Dieser Schritt umfasst die Frage nach lokaler Äquivalenz der zu verschiedenen Parametern auf dem Pfadraum induzierten Maße. Wir diskutieren in dieser Arbeit Schätzer für Prozesse vom Ornstein-Uhlenbeck-Typ, Cox-Ingersoll-Ross Prozesse und Lösungen linearer stochastischer Differentialgleichungen mit Gedächtnis im Detail und zeigen starke Konsistenz, asymptotische Normalität und Effizienz im Sinne von Hájek und Le Cam für den Likelihood-Schätzer. In Sprungdiffusionsmodellen ist die Likelihood-Funktion eine Funktion des stetigen Martingalanteils des beobachteten Prozesses, der im Allgemeinen nicht direkt beobachtet werden kann. Wenn nun nur Beobachtungen an endlich vielen Zeitpunkten gegeben sind, so lässt sich der stetige Anteil der Sprungdiffusion nur approximativ bestimmen. Diese Approximation des stetigen Anteils ist ein zentrales Thema dieser Arbeit und es wird uns auf das Filtern von Sprüngen führen. Der zweite Teil dieser Arbeit untersucht die Schätzung der Drifts, wenn nur diskrete Beobachtungen gegeben sind. Dabei benutzen wir die Likelihood-Schätzer aus dem ersten Teil und approximieren den stetigen Martingalanteil durch einen sogenannten Sprungfilter. Wir untersuchen zuerst den Fall endlicher Aktivität und zeigen, dass die Driftschätzer im Hochfrequenzlimes die effiziente asymptotische Verteilung erreichen. Darauf aufbauend beweisen wir dann im Falle unendlicher Sprungaktivität asymptotische Effizienz für den Driftschätzer im Ornstein-Uhlenbeck Modell. Im letzten Teil werden die theoretischen Ergebnisse für die Schätzer auf endlichen Stichproben aus simulierten Daten geprüft und es zeigt sich, dass das Sprungfiltern zu einem deutlichen Effizienzgewinn führen. / The problem of parametric drift estimation for a a Lévy-driven jump diffusion process is considered in two different settings: time-continuous and high-frequency observations. The goal is to develop explicit maximum likelihood estimators for both observation schemes that are efficient in the Hájek-Le Cam sense. The likelihood function based on time-continuous observations can be derived explicitly for jump diffusion models and leads to explicit maximum likelihood estimators for several popular model classes. We consider Ornstein-Uhlenbeck type, square-root and linear stochastic delay differential equations driven by Lévy processes in detail and prove strong consistency, asymptotic normality and efficiency of the likelihood estimators in these models. The appearance of the continuous martingale part of the observed process under the dominating measure in the likelihood function leads to a jump filtering problem in this context, since the continuous part is usually not directly observable and can only be approximated and the high-frequency limit. In the second part of this thesis the problem of drift estimation for discretely observed processes is considered. The estimators are constructed from discretizations of the time-continuous maximum likelihood estimators from the first part, where the continuous martingale part is approximated via a thresholding technique. We are able to proof that even in the case of infinite activity jumps of the driving Lévy process the estimator is asymptotically normal and efficient under weak assumptions on the jump behavior. Finally, the finite sample behavior of the estimators is investigated on simulated data. We find that the maximum likelihood approach clearly outperforms the least squares estimator when jumps are present and that the efficiency gap between both techniques becomes even more severe with growing jump intensity.