Variationsprinzipien in der Mechanik. - Ilmenau. - 41 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017
Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem sogenannten Variationsproblem. Dies ist ein unendlich dimensionales Optimierungsproblem, welches in der theoretischen Mechanik von großer Relevanz ist. Die zentralen Aussagen dieser Arbeit besagen, dass eine Lösung des Variationsproblems notwendigerweise die Euler-Lagrange-Gleichung sowie die Hamilton-Gleichung erfüllen muss. Dazu wird das Variationsproblem als Verallgemeinerung eines endlich dimensionalen Optimierungsproblems betrachtet. Das Verschwinden der sogenannten ersten Variation einer Lösung des Variationsproblems stellt, ähnlich dem Verschwinden der Richtungsableitung im endlich Dimensionalen, ein notwendiges Optimalitätskriterium dar. Zusammen mit einer Variante des Fundamentallemmas der Variationsrechnung wird damit die Euler-Lagrange-Gleichung hergeleitet. Mithilfe der Legendre-Transformation wird die Äquivalenz von Euler-Lagrange- und Hamilton-Gleichung gezeigt, unter entsprechenden Voraussetzungen, die die Wohldefiniertheit der Legendre-Transformation gewährleisten. Ein weiterer Bestandteil der Arbeit ist die Lösung des Kettenproblems, eines klassischen Problems der Variationsrechnung, unter Zuhilfenahme der Euler-Lagrange-Gleichung und der ihr verwandten Dubois-Reymond-Gleichung.
Richtungsableitungen und Taylor-Formel für mengenwertige Abbildungen. - Ilmenau. - 50 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Die vorliegende Masterarbeit stellt einige grundlegende Konzepte der mengenwertigen Optimierung mit dem Mengenzugang vor: Es wird eine spezielle Mengendifferenz und addition eingeführt und darauf aufbauend eine Richtungsableitung und eine Taylor-Formel für mengenwertige Abbildungen. Es wurden Algorithmen zur Berechnung dieser Konzepte entwickelt, mit Matlab implementiert, und an verschiedenen mengenwertigen Abbildungen getestet.
Graph partitions. - Ilmenau. - 52 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Eine Partition eines Graphen $G$ ist eine Folge $(G_1,G_2,\ldots,G_p)$ paarweise disjunkter induzierter Teilgraphen von $G$ mit $V(G)=V(G_1) \cup V(G_2) \cup \ldots \cup V(G_p)$. Diese Arbeit beschäftigt sich mit Zerlegungen von (Multi-)Graphen unter bestimmten Gradbedingungen. So werden unter anderem eine Verallgemeinerung eines Satzes von Borodin, Kostochka und Toft bewiesen, welcher Zerlegungen von Graphen mit Anforderungen an die Degeneriertheit untersucht. Des Weiteren werden Sätze von Stiebitz, Kaneko, Bazgan, Tuza und Vanderpooten, als auch Liu und Xu verallgemeinert; diese handeln von Graphzerlegungen mit Mindestanforderungen an den Minimalgrad.
Das Max-k-Kantenfärbungsproblem. - Ilmenau. - 29 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017
In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit den Max-k-Kantenfärbungsproblem. Dabei betrachten wir die Resultate von Farnik, Kowalik und Socała aus ihrer Arbeit "Beyond the Shannon Bound" und führen die Beweise schneller und verständlicher. Zum Abschluß beschäftigen wir uns noch mit Färbungsalgorithmen um einen Graphen mit den Konzept des Max-k-Kantenfärbungsproblem zu färben.
Optimal control of linear differential-algebraic equations. - Ilmenau. - 47 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Das Thema der Masterarbeit ist die linear-quadratische Optimalsteuerung zeitvarianter und zeitinvarianter differentiell-algebraischer Gleichungen (DAEs). Die Arbeit besteht aus zwei Hauptteilen: Im ersten Teil betrachten wir zeitvariante DAEs. Wir wiederholen die Lösungstheorie von DAEs und definieren das von uns betrachtete Optimalsteuerungsproblem. Anschließend zeigen wir, dass der Optimalwert eine quadratische Funktion ist und das Bellmansche Optimalitätsprinzip erfüllt. Mithilfe dieser Ergebnisse können wir den Optimalwert als extremale Lösung der Kalman-Yakubovich-Popov-Ungleichung charakterisieren. Im zweiten Teil widmen wir uns zeitinvarianten regulären DAEs. Wir leiten zunächst eine Differenzierbarkeitsbedingung her, die der Steuereingang des Systems erfüllen muss. Mithilfe dieser Resultate führen wir ein erweitertes System ein, das gewisse Ableitungen des Eingangs als Systemzustände enthält. Für das so erweiterte System kann ein zum Optimalsteuerungsproblem des originalen Systems äquivalentes Optimalsteuerungsproblem definiert werden. Dieses lässt sich mithilfe der Theorie der Optimalsteuerung gewöhnlicher Differentialgleichungen leicht lösen. Das ermöglicht uns, die optimale Steuerung der ursprünglichen DAE explizit anzugeben. Weiterhin lässt sich diese auch als Zustandsrückführung implementieren.
Berechnung von Fréchet-Mittelwerten auf Sphären. - Ilmenau. - 86 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Die Minimierung von Abständen zu einer gegebenen Menge von Punkten ist eine wichtige Aufgabe in der Logistik. Gerade bei mehreren gegebenen Punkten besteht dabei ein Zielkonflikt zwischen den gegebenen Daten, wenn ein kürzerer Abstand zu einem Punkt eine längere Distanz zu einem anderen zur Folge hat. Daher geht man oftmals dazu über, den mittleren Abstand zu allen gegebenen Punkten zu minimieren. Mathematisch wird diese Problemstellung durch die Ermittlung von sogenannten Fréchet-Mittelwerten modelliert, deren explizite Berechnung sich als schwierig erweisen kann. Diese Abschlussarbeit befasst sich mit einem Verfahren zur Approximation von Fréchet-Mittelwerten auf dem Einheitskreis und der Einheitssphäre. Hierzu benutzen wir einen modifizierten Branch-and-Bound-Algorithmus. Die benötigten unteren Schranken und Unterteilungsvorschriften werden dazu hergeleitet und erstere mit einem bekannten Ansatz aus dem Bereich der Lipschitz-Optimierung verglichen. Die konstruierten Verfahren werden anschließend unter numerischen Gesichtspunkten untersucht, gegenübergestellt und abschließend an Anwendungsbeispielen getestet.
Hadwigers Vermutung : eine Auswahl der bisherigen Ergebnisse. - Ilmenau. - 38 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017
Ein wichtiges Thema der Graphentheorie ist das Färben von Graphen und in diesem Zusammenhang die chromatische Zahl. Der wohl bekannteste Satz zu diesem Thema ist der 4-Farben-Satz, der sich ursprünglich mit dem Färben von Landkarten bschäftigte. Mit einer Verallgemeinerung dieses Themas und einer Verbindung der Färbungszahl mit gewissen Unterstruktren beschäftigte sich der Schweizer Hugo Hadwiger und stellte eine sehr weitreichende Vermutung auf.
Zwischen geordneten Pfadpartitionen und Schnyderwäldern. - Ilmenau. - 42 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017
In dieser Bachelorarbeit werden Zusammenhänge zwischen Schnyderwäldern und geordneten Pfadpartitionen genutzt, um geordnete Pfadpartitionen mit bestimmten Eigenschaften zu finden. Eine geordnete Pfadpartition eines Graphen G ist eine geordnete Partition der Eckenmenge von G, sodass ihre Blöcke Wege induzieren und bestimmte Grad- und Zusammenhangsbedingungen erfüllt sind. Ein Schnyderwald orientiert jede Kante in eine oder zwei Richtungen und markiert jede Richtung mit einer von drei Markierungen. Außerdem hat jede Ecke Ausgangsgrad eins in jeder Markierung, kein Flächenrand enthält einen gerichteten Kreis in einer Markierung und es werden Bedingungen an die zyklische Reihenfolge der Kanten um jede Ecke gestellt. Jeder 3-zusammenhängende ebene Graph besitzt eine geordnete Pfadpartition und einen Schnyderwald, welche einfach auseinander berechnet werden können. Wir nehmen an, dass eine geordnete Pfadpartition gegeben ist und betrachten 3-zusammenhängende ebene Graphen, deren Außenfläche Grad 3 hat. Mit Hilfen von Schnyderwäldern können wir zwei weitere geordnete Pfadpartitionen bestimmen, die verschieden von sind und voneinander abhängen. Diese geordneten Pfadpartitionen werden konsistent zueinander genannt. Da diese drei Pfadpartitionen voneinander abhängen, ist es möglich unter ihnen eine geordnete Pfadpartition mit bestimmten Eigenschaften zu finden. Es ist möglich drei konsistente Pfadpartitionen in Linearzeit zu finden. Wir zeigen, dann eine von drei konsistenten Pfadpartitionen mindestens F/9 Singletons enthält, wenn G F Flächen besitzt und keine davon vom Grad 6 ist. Außerdem ist jede innere Ecke eines Blockes der geordneten Pfadpartition Singleton in einer der zu konsistenten geordneten Pfadpartitionen. Andere Eigenschaften wie die Höhe einer geordneten Pfadpartition konnten nicht verbessert werden.
Universale Konfidenzbänder im Fixed-Design-Modell. - 53 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Die Regressionsschätzung ist ein wichtiger Teil der Statistik. Hierbei werden Abhängigkeiten zwischen verschiedenen Größen genauer untersucht. In einem Regressionsmodell, dem sogenannten Fixed-Design-Modell, werden zu festen Eingabewerten zufällig gestörte Daten einer Funktion beobachtet. Ziel ist es nun, die unbekannte Funktion anhand dieser Datenpaare zu schätzen. In der vorliegenden Arbeit wurde dazu der Priestley-Chao-Schätzer und der Gasser-Müller-Schätzer verwendet. Für solche Schätzer ist außerdem von Interesse, wie weit die geschätzte Funktion von der unbekannten Funktion abweicht. Hierzu werden Konfidenzbänder betrachtet. Das heißt, es wird ein möglichst kleines Band um die geschätzte Funktion gesucht, welches die unbekannte Funktion mit einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeit überdeckt. Dabei soll auf eine Verteilungsannahme sowie auf eine asymptotische Betrachtung verzichtet werden. Ziel dieser Arbeit ist die Bestimmung universaler Konfidenzbänder. Es wird daher für jede feste Stichprobenzahl ein Konfidenzband in Abhängigkeit dieser bestimmt.
Algebraische Theorie linearer zeitvarianter Systeme. - 60 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Die Untersuchung linearer zeitvarianter Differentialgleichungen ist von grundlegendem Interesse der Systemtheorie. In ihrem Artikel "Weak exponential stability of linear time-varying differential behaviors" von 2015 stellten Bourlès, Marinescu und Oberst eine neue Herangehensweise vor, solche Systeme mittels algebraischer Methoden zu untersuchen. Dabei wird die Betrachtung der Differentialgleichung auf die Untersuchung eines Moduls über einem geeigneten Schiefpolynomring reduziert. Die vorliegende Arbeit greift diesen Ansatz auf und es wird gezeigt, wie sich die bekannten systemtheoretischen Konzepte der Steuerbarkeit, Beobachtbarkeit und Systemäquivalenz mittels dieses modultheoretischen Zugangs definieren und algebraisch charakterisieren lassen.