@article{FischerKeller2021, author = {Fischer, Florian and Keller, Matthias}, title = {Riesz decompositions for Schr{\"o}dinger operators on graphs}, series = {Journal of mathematical analysis and applications}, volume = {495}, journal = {Journal of mathematical analysis and applications}, number = {1}, publisher = {Elsevier}, address = {Amsterdam}, issn = {0022-247X}, doi = {10.1016/j.jmaa.2020.124674}, pages = {22}, year = {2021}, abstract = {We study superharmonic functions for Schrodinger operators on general weighted graphs. Specifically, we prove two decompositions which both go under the name Riesz decomposition in the literature. The first one decomposes a superharmonic function into a harmonic and a potential part. The second one decomposes a superharmonic function into a sum of superharmonic functions with certain upper bounds given by prescribed superharmonic functions. As application we show a Brelot type theorem.}, language = {en} } @article{Baer2021, author = {B{\"a}r, Christian}, title = {The Faddeev-LeVerrier algorithm and the Pfaffian}, series = {Linear algebra and its applications}, volume = {630}, journal = {Linear algebra and its applications}, publisher = {Elsevier}, address = {New York}, issn = {0024-3795}, doi = {10.1016/j.laa.2021.07.023}, pages = {39 -- 55}, year = {2021}, abstract = {We adapt the Faddeev-LeVerrier algorithm for the computation of characteristic polynomials to the computation of the Pfaffian of a skew-symmetric matrix. This yields a very simple, easy to implement and parallelize algorithm of computational cost O(n(beta+1)) where nis the size of the matrix and O(n(beta)) is the cost of multiplying n x n-matrices, beta is an element of [2, 2.37286). We compare its performance to that of other algorithms and show how it can be used to compute the Euler form of a Riemannian manifold using computer algebra.}, language = {en} } @article{Bandara2021, author = {Bandara, Lashi}, title = {Functional calculus and harmonic analysis in geometry}, series = {S{\~a}o Paulo journal of mathematical sciences / Instituto de Matem{\´a}tica e Estat{\´i}stica da Universidade de S{\~a}o Paulo}, volume = {15}, journal = {S{\~a}o Paulo journal of mathematical sciences / Instituto de Matem{\´a}tica e Estat{\´i}stica da Universidade de S{\~a}o Paulo}, number = {1}, publisher = {Springer}, address = {Cham}, issn = {1982-6907}, doi = {10.1007/s40863-019-00149-0}, pages = {20 -- 53}, year = {2021}, abstract = {In this short survey article, we showcase a number of non-trivial geometric problems that have recently been resolved by marrying methods from functional calculus and real-variable harmonic analysis. We give a brief description of these methods as well as their interplay. This is a succinct survey that hopes to inspire geometers and analysts alike to study these methods so that they can be further developed to be potentially applied to a broader range of questions.}, language = {en} } @article{KleinRosenberger2021, author = {Klein, Markus and Rosenberger, Elke}, title = {The tunneling effect for Schr{\"o}dinger operators on a vector bundle}, series = {Analysis and mathematical physics}, volume = {11}, journal = {Analysis and mathematical physics}, number = {2}, publisher = {Springer International Publishing AG}, address = {Cham (ZG)}, issn = {1664-2368}, doi = {10.1007/s13324-021-00485-5}, pages = {35}, year = {2021}, abstract = {In the semiclassical limit (h) over bar -> 0, we analyze a class of self-adjoint Schrodinger operators H-(h) over bar = (h) over bar L-2 + (h) over barW + V center dot id(E) acting on sections of a vector bundle E over an oriented Riemannian manifold M where L is a Laplace type operator, W is an endomorphism field and the potential energy V has non-degenerate minima at a finite number of points m(1),... m(r) is an element of M, called potential wells. Using quasimodes of WKB-type near m(j) for eigenfunctions associated with the low lying eigenvalues of H-(h) over bar, we analyze the tunneling effect, i.e. the splitting between low lying eigenvalues, which e.g. arises in certain symmetric configurations. Technically, we treat the coupling between different potential wells by an interaction matrix and we consider the case of a single minimal geodesic (with respect to the associated Agmon metric) connecting two potential wells and the case of a submanifold of minimal geodesics of dimension l + 1. This dimension l determines the polynomial prefactor for exponentially small eigenvalue splitting.}, language = {en} } @phdthesis{Etzold2021, author = {Etzold, Heiko}, title = {Neue Zug{\"a}nge zum Winkelbegriff}, doi = {10.25932/publishup-50418}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-504187}, school = {Universit{\"a}t Potsdam}, pages = {300}, year = {2021}, abstract = {Die Vielf{\"a}ltigkeit des Winkelbegriffs ist gleichermaßen spannend wie herausfordernd in Hinblick auf seine Zug{\"a}nge im Mathematikunterricht der Schule. Ausgehend von verschiedenen Vorstellungen zum Winkelbegriff wird in dieser Arbeit ein Lehrgang zur Vermittlung des Winkelbegriffs entwickelt und letztlich in konkrete Umsetzungen f{\"u}r den Schulunterricht {\"u}berf{\"u}hrt. Dabei erfolgt zun{\"a}chst eine stoffdidaktische Auseinandersetzung mit dem Winkelbegriff, die von einer informationstheoretischen Winkeldefinition begleitet wird. In dieser wird eine Definition f{\"u}r den Winkelbegriff unter der Fragestellung entwickelt, welche Informationen man {\"u}ber einen Winkel ben{\"o}tigt, um ihn beschreiben zu k{\"o}nnen. So k{\"o}nnen die in der fachdidaktischen Literatur auftretenden Winkelvorstellungen aus fachmathematischer Perspektive erneut abgeleitet und validiert werden. Parallel dazu wird ein Verfahren beschrieben, wie Winkel - auch unter dynamischen Aspekten - informationstechnisch verarbeitet werden k{\"o}nnen, so dass Schlussfolgerungen aus der informationstheoretischen Winkeldefinition beispielsweise in dynamischen Geometriesystemen zur Verf{\"u}gung stehen. Unter dem Gesichtspunkt, wie eine Abstraktion des Winkelbegriffs im Mathematikunterricht vonstatten gehen kann, werden die Grundvorstellungsidee sowie die Lehrstrategie des Aufsteigens vom Abstrakten zum Konkreten miteinander in Beziehung gesetzt. Aus der Verkn{\"u}pfung der beiden Theorien wird ein grunds{\"a}tzlicher Weg abgeleitet, wie im Rahmen der Lehrstrategie eine Ausgangsabstraktion zu einzelnen Winkelaspekten aufgebaut werden kann, was die Generierung von Grundvorstellungen zu den Bestandteilen des jeweiligen Winkelaspekts und zum Operieren mit diesen Begriffsbestandteilen erm{\"o}glichen soll. Hierf{\"u}r wird die Lehrstrategie angepasst, um insbesondere den {\"U}bergang von Winkelsituationen zu Winkelkontexten zu realisieren. Explizit f{\"u}r den Aspekt des Winkelfeldes werden, anhand der Untersuchung der Sichtfelder von Tieren, Lernhandlungen und Forderungen an ein Lernmodell beschrieben, die Sch{\"u}lerinnen und Sch{\"u}ler bei der Begriffsaneignung unterst{\"u}tzen. Die T{\"a}tigkeitstheorie, der die genannte Lehrstrategie zuzuordnen ist, zieht sich als roter Faden durch die weitere Arbeit, wenn nun theoriebasiert Designprinzipien generiert werden, die in die Entwicklung einer interaktiven Lernumgebung m{\"u}nden. Hierzu wird u. a. das Modell der Artifact-Centric Activity Theory genutzt, das das Beziehungsgef{\"u}ge aus Sch{\"u}lerinnen und Sch{\"u}lern, dem mathematischen Gegenstand und einer zu entwickelnden App als vermittelndes Medium beschreibt, wobei der Einsatz der App im Unterrichtskontext sowie deren regelgeleitete Entwicklung Bestandteil des Modells sind. Gem{\"a}ß dem Ansatz der Fachdidaktischen Entwicklungsforschung wird die Lernumgebung anschließend in mehreren Zyklen erprobt, evaluiert und {\"u}berarbeitet. Dabei wird ein qualitatives Setting angewandt, das sich der Semiotischen Vermittlung bedient und untersucht, inwiefern sich die Qualit{\"a}t der von den Sch{\"u}lerinnen und Sch{\"u}lern gezeigten Lernhandlungen durch die Designprinzipien und deren Umsetzung erkl{\"a}ren l{\"a}sst. Am Ende der Arbeit stehen eine finale Version der Designprinzipien und eine sich daraus ergebende Lernumgebung zur Einf{\"u}hrung des Winkelfeldbegriffs in der vierten Klassenstufe.}, language = {de} } @phdthesis{Zass2021, author = {Zass, Alexander}, title = {A multifaceted study of marked Gibbs point processes}, doi = {10.25932/publishup-51277}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-512775}, school = {Universit{\"a}t Potsdam}, pages = {vii, 104}, year = {2021}, abstract = {This thesis focuses on the study of marked Gibbs point processes, in particular presenting some results on their existence and uniqueness, with ideas and techniques drawn from different areas of statistical mechanics: the entropy method from large deviations theory, cluster expansion and the Kirkwood--Salsburg equations, the Dobrushin contraction principle and disagreement percolation. We first present an existence result for infinite-volume marked Gibbs point processes. More precisely, we use the so-called entropy method (and large-deviation tools) to construct marked Gibbs point processes in R^d under quite general assumptions. In particular, the random marks belong to a general normed space S and are not bounded. Moreover, we allow for interaction functionals that may be unbounded and whose range is finite but random. The entropy method relies on showing that a family of finite-volume Gibbs point processes belongs to sequentially compact entropy level sets, and is therefore tight. We then present infinite-dimensional Langevin diffusions, that we put in interaction via a Gibbsian description. In this setting, we are able to adapt the general result above to show the existence of the associated infinite-volume measure. We also study its correlation functions via cluster expansion techniques, and obtain the uniqueness of the Gibbs process for all inverse temperatures β and activities z below a certain threshold. This method relies in first showing that the correlation functions of the process satisfy a so-called Ruelle bound, and then using it to solve a fixed point problem in an appropriate Banach space. The uniqueness domain we obtain consists then of the model parameters z and β for which such a problem has exactly one solution. Finally, we explore further the question of uniqueness of infinite-volume Gibbs point processes on R^d, in the unmarked setting. We present, in the context of repulsive interactions with a hard-core component, a novel approach to uniqueness by applying the discrete Dobrushin criterion to the continuum framework. We first fix a discretisation parameter a>0 and then study the behaviour of the uniqueness domain as a goes to 0. With this technique we are able to obtain explicit thresholds for the parameters z and β, which we then compare to existing results coming from the different methods of cluster expansion and disagreement percolation. Throughout this thesis, we illustrate our theoretical results with various examples both from classical statistical mechanics and stochastic geometry.}, language = {en} } @phdthesis{Oancea2021, author = {Oancea, Marius-Adrian}, title = {Spin Hall effects in general relativity}, doi = {10.25932/publishup-50229}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-502293}, school = {Universit{\"a}t Potsdam}, pages = {vii, 123}, year = {2021}, abstract = {The propagation of test fields, such as electromagnetic, Dirac or linearized gravity, on a fixed spacetime manifold is often studied by using the geometrical optics approximation. In the limit of infinitely high frequencies, the geometrical optics approximation provides a conceptual transition between the test field and an effective point-particle description. The corresponding point-particles, or wave rays, coincide with the geodesics of the underlying spacetime. For most astrophysical applications of interest, such as the observation of celestial bodies, gravitational lensing, or the observation of cosmic rays, the geometrical optics approximation and the effective point-particle description represent a satisfactory theoretical model. However, the geometrical optics approximation gradually breaks down as test fields of finite frequency are considered. In this thesis, we consider the propagation of test fields on spacetime, beyond the leading-order geometrical optics approximation. By performing a covariant Wentzel-Kramers-Brillouin analysis for test fields, we show how higher-order corrections to the geometrical optics approximation can be considered. The higher-order corrections are related to the dynamics of the spin internal degree of freedom of the considered test field. We obtain an effective point-particle description, which contains spin-dependent corrections to the geodesic motion obtained using geometrical optics. This represents a covariant generalization of the well-known spin Hall effect, usually encountered in condensed matter physics and in optics. Our analysis is applied to electromagnetic and massive Dirac test fields, but it can easily be extended to other fields, such as linearized gravity. In the electromagnetic case, we present several examples where the gravitational spin Hall effect of light plays an important role. These include the propagation of polarized light rays on black hole spacetimes and cosmological spacetimes, as well as polarization-dependent effects on the shape of black hole shadows. Furthermore, we show that our effective point-particle equations for polarized light rays reproduce well-known results, such as the spin Hall effect of light in an inhomogeneous medium, and the relativistic Hall effect of polarized electromagnetic wave packets encountered in Minkowski spacetime.}, language = {en} } @misc{Moehring2021, type = {Master Thesis}, author = {M{\"o}hring, Jan}, title = {Stochastic inversion for core field modeling using satellite data}, doi = {10.25932/publishup-49807}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-498072}, school = {Universit{\"a}t Potsdam}, pages = {vii, 55}, year = {2021}, abstract = {Magnetfeldmodellierung mit Kugelfl{\"a}chenfunktionen basiert auf der Inversion nach hunderten bis tausenden von Parametern. Dieses hochdimensionale Problem kann grunds{\"a}tzlich als ein Optimierungsproblem formuliert werden, bei dem ein globales Minimum einer gewissen Zielfunktion berechnet werden soll. Um dieses Problem zu l{\"o}sen, gibt es eine Reihe bekannter Ans{\"a}tze, dazu z{\"a}hlen etwa gradientenbasierte Verfahren oder die Methode der kleinsten Quadrate und deren Varianten. Jede dieser Methoden hat verschiedene Vor- und Nachteile, beispielsweise bez{\"u}glich der Anwendbarkeit auf nicht-differenzierbare Funktionen oder der Laufzeit zugeh{\"o}riger Algorithmen. In dieser Arbeit verfolgen wir das Ziel, einen Algorithmus zu finden, der schneller als die etablierten Verfahren ist und sich auch f{\"u}r nichtlineare Probleme anwenden l{\"a}sst. Solche nichtlinearen Probleme treten beispielsweise bei der Absch{\"a}tzung von Euler-Winkeln oder bei der Verwendung der robusteren L_1-Norm auf. Dazu untersuchen wir die Anwendbarkeit stochastischer Optimierungsverfahren aus der CMAES-Familie auf die Modellierung des geomagnetischen Feldes des Erdkerns. Es werden sowohl die Grundlagen der Kernfeldmodellierung und deren Parametrisierung anhand einiger Beispiele aus der Literatur besprochen, als auch die theoretischen Hintergr{\"u}nde der stochastischen Verfahren gegeben. Ein CMAES-Algorithmus wurde erfolgreich angewendet, um Daten der Swarm-Satellitenmission zu invertieren und daraus das Magnetfeldmodell EvoMag abzuleiten. EvoMag zeigt gute {\"U}bereinstimmung mit etablierten Modellen, sowie mit Observatoriumsdaten aus Niemegk. Wir thematisieren einige beobachtete Schwierigkeiten und pr{\"a}sentieren und diskutieren die Ergebnisse unserer Modellierung.}, language = {en} } @article{BaerMazzeo2021, author = {B{\"a}r, Christian and Mazzeo, Rafe}, title = {Manifolds with many Rarita-Schwinger fields}, series = {Communications in mathematical physics}, volume = {384}, journal = {Communications in mathematical physics}, number = {1}, publisher = {Springer}, address = {Berlin}, issn = {0010-3616}, doi = {10.1007/s00220-021-04030-0}, pages = {533 -- 548}, year = {2021}, abstract = {The Rarita-Schwinger operator is the twisted Dirac operator restricted to 3/2-spinors. Rarita-Schwinger fields are solutions of this operator which are in addition divergence-free. This is an overdetermined problem and solutions are rare; it is even more unexpected for there to be large dimensional spaces of solutions. In this paper we prove the existence of a sequence of compact manifolds in any given dimension greater than or equal to 4 for which the dimension of the space of Rarita-Schwinger fields tends to infinity. These manifolds are either simply connected Kahler-Einstein spin with negative Einstein constant, or products of such spaces with flat tori. Moreover, we construct Calabi-Yau manifolds of even complex dimension with more linearly independent Rarita-Schwinger fields than flat tori of the same dimension.}, language = {en} } @phdthesis{Zadorozhnyi2021, author = {Zadorozhnyi, Oleksandr}, title = {Contributions to the theoretical analysis of the algorithms with adversarial and dependent data}, school = {Universit{\"a}t Potsdam}, pages = {144}, year = {2021}, abstract = {In this work I present the concentration inequalities of Bernstein's type for the norms of Banach-valued random sums under a general functional weak-dependency assumption (the so-called \$\cC-\$mixing). The latter is then used to prove, in the asymptotic framework, excess risk upper bounds of the regularised Hilbert valued statistical learning rules under the τ-mixing assumption on the underlying training sample. These results (of the batch statistical setting) are then supplemented with the regret analysis over the classes of Sobolev balls of the type of kernel ridge regression algorithm in the setting of online nonparametric regression with arbitrary data sequences. Here, in particular, a question of robustness of the kernel-based forecaster is investigated. Afterwards, in the framework of sequential learning, the multi-armed bandit problem under \$\cC-\$mixing assumption on the arm's outputs is considered and the complete regret analysis of a version of Improved UCB algorithm is given. Lastly, probabilistic inequalities of the first part are extended to the case of deviations (both of Azuma-Hoeffding's and of Burkholder's type) to the partial sums of real-valued weakly dependent random fields (under the type of projective dependence condition).}, language = {en} } @article{GottwaldReich2021, author = {Gottwald, Georg A. and Reich, Sebastian}, title = {Combining machine learning and data assimilation to forecast dynamical systems from noisy partial observations}, series = {Chaos : an interdisciplinary journal of nonlinear science}, volume = {31}, journal = {Chaos : an interdisciplinary journal of nonlinear science}, number = {10}, publisher = {AIP}, address = {Melville}, issn = {1054-1500}, doi = {10.1063/5.0066080}, pages = {8}, year = {2021}, abstract = {We present a supervised learning method to learn the propagator map of a dynamical system from partial and noisy observations. In our computationally cheap and easy-to-implement framework, a neural network consisting of random feature maps is trained sequentially by incoming observations within a data assimilation procedure. By employing Takens's embedding theorem, the network is trained on delay coordinates. We show that the combination of random feature maps and data assimilation, called RAFDA, outperforms standard random feature maps for which the dynamics is learned using batch data.}, language = {en} } @article{Clavier2021, author = {Clavier, Pierre J.}, title = {Borel-{\´E}calle resummation of a two-point function}, series = {Annales Henri Poincar{\´e} : a journal of theoretical and mathematical physics / ed. jointly by the Institut Henri Poincar{\´e} and by the Swiss Physical Society}, volume = {22}, journal = {Annales Henri Poincar{\´e} : a journal of theoretical and mathematical physics / ed. jointly by the Institut Henri Poincar{\´e} and by the Swiss Physical Society}, number = {6}, publisher = {Springer}, address = {Cham}, issn = {1424-0637}, doi = {10.1007/s00023-021-01057-w}, pages = {2103 -- 2136}, year = {2021}, abstract = {We provide an overview of the tools and techniques of resurgence theory used in the Borel-ecalle resummation method, which we then apply to the massless Wess-Zumino model. Starting from already known results on the anomalous dimension of the Wess-Zumino model, we solve its renormalisation group equation for the two-point function in a space of formal series. We show that this solution is 1-Gevrey and that its Borel transform is resurgent. The Schwinger-Dyson equation of the model is then used to prove an asymptotic exponential bound for the Borel transformed two-point function on a star-shaped domain of a suitable ramified complex plane. This proves that the two-point function of the Wess-Zumino model is Borel-ecalle summable.}, language = {en} } @masterthesis{Dahl2021, type = {Bachelor Thesis}, author = {Dahl, Dorothee Sophie}, title = {Let's have FUN! Gamification im Mathematikunterricht}, doi = {10.25932/publishup-51593}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-515937}, school = {Universit{\"a}t Potsdam}, pages = {78}, year = {2021}, abstract = {Spiele und spieltypische Elemente wie das Sammeln von Treuepunkten sind aus dem Alltag kaum wegzudenken. Zudem werden sie zunehmend in Unternehmen oder in Lernumgebungen eingesetzt. Allerdings ist die Methode Gamification bisher f{\"u}r den p{\"a}dagogischen Kontext wenig klassifiziert und f{\"u}r Lehrende kaum zug{\"a}nglich gemacht worden. Daher zielt diese Bachelorarbeit darauf ab, eine systematische Strukturierung und Aufarbeitung von Gamification sowie innovative Ans{\"a}tze f{\"u}r die Verwendung spieltypischer Elemente im Unterricht, konkret dem Mathematikunterricht, zu pr{\"a}sentieren. Dies kann eine Grundlage f{\"u}r andere Fachgebiete, aber auch andere Lehrformen bieten und so die Umsetzbarkeit von Gamification in eigenen Lehrveranstaltungen aufzeigen. In der Arbeit wird begr{\"u}ndet, weshalb und mithilfe welcher Elemente Gamification die Motivation und Leistungsbereitschaft der Lernenden langfristig erh{\"o}hen, die Sozial- und Personalkompetenzen f{\"o}rdern sowie die Lernenden zu mehr Aktivit{\"a}t anregen kann. Zudem wird Gamification explizit mit grundlegenden mathematikdidaktischen Prinzipien in Verbindung gesetzt und somit die Relevanz f{\"u}r den Mathematikunterricht hervorgehoben. Anschließend werden die einzelnen Elemente von Gamification wie Punkte, Level, Abzeichen, Charaktere und Rahmengeschichte entlang einer eigens f{\"u}r den p{\"a}dagogischen Kontext entwickelten Klassifikation „FUN" (Feedback - User specific elements - Neutral elements) schematisch beschrieben, ihre Funktionen und Wirkung dargestellt sowie Einsatzm{\"o}glichkeiten im Unterricht aufgezeigt. Dies beinhaltet Ideen zu lernf{\"o}rderlichem Feedback, Differenzierungsm{\"o}glichkeiten und Unterrichtsrahmengestaltung, die in Lehrveranstaltungen aller Art umsetzbar sein k{\"o}nnen. Die Bachelorarbeit umfasst zudem ein spezifisches Beispiel, einen Unterrichtsentwurf einer gamifizierten Mathematikstunde inklusive des zugeh{\"o}rigen Arbeitsmaterials, anhand dessen die Verwendung von Gamification deutlich wird. Gamification offeriert oftmals Vorteile gegen{\"u}ber dem traditionellen Unterricht, muss jedoch wie jede Methode an den Inhalt und die Zielgruppe angepasst werden. Weiterf{\"u}hrende Forschung k{\"o}nnte sich mit konkreten motivationalen Strukturen, personenspezifischen Unterschieden sowie mit mathematischen Inhalten wie dem Probleml{\"o}sen oder dem Wechsel zwischen verschiedenen Darstellungen hinsichtlich gamifizierter Lehrformen besch{\"a}ftigen.}, language = {de} } @masterthesis{Engelhardt2021, type = {Bachelor Thesis}, author = {Engelhardt, Max Angel Ronan}, title = {Zwischen Simulation und Beweis - eine mathematische Analyse des Bienaym{\´e}-Galton-Watson-Prozesses und sein Einsatz innerhalb des Mathematikunterrichts}, doi = {10.25932/publishup-52447}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-524474}, school = {Universit{\"a}t Potsdam}, pages = {117}, year = {2021}, abstract = {Die Bienaym{\´e}-Galton-Watson Prozesse k{\"o}nnen f{\"u}r die Untersuchung von speziellen und sich entwickelnden Populationen verwendet werden. Die Populationen umfassen Individuen, welche sich identisch, zuf{\"a}llig, selbstst{\"a}ndig und unabh{\"a}ngig voneinander fortpflanzen und die jeweils nur eine Generation existieren. Die n-te Generation ergibt sich als zuf{\"a}llige Summe der Individuen der (n-1)-ten Generation. Die Relevanz dieser Prozesse begr{\"u}ndet sich innerhalb der Historie und der inner- und außermathematischen Bedeutung. Die Geschichte der Bienaym{\´e}-Galton-Watson-Prozesse wird anhand der Entwicklung des Konzeptes bis heute dargestellt. Dabei werden die Wissenschaftler:innen verschiedener Disziplinen angef{\"u}hrt, die Erkenntnisse zu dem Themengebiet beigetragen und das Konzept in ihren Fachbereichen angef{\"u}hrt haben. Somit ergibt sich die außermathematische Signifikanz. Des Weiteren erh{\"a}lt man die innermathematische Bedeutsamkeit mittels des Konzeptes der Verzweigungsprozesse, welches auf die Bienaym{\´e}-Galton-Watson Prozesse zur{\"u}ckzuf{\"u}hren ist. Die Verzweigungsprozesse stellen eines der aussagekr{\"a}ftigsten Modelle f{\"u}r die Beschreibung des Populationswachstums dar. Dar{\"u}ber hinaus besteht die derzeitige Wichtigkeit durch die Anwendungsm{\"o}glichkeit der Verzweigungsprozesse und der Bienaym{\´e}-Galton-Watson Prozesse innerhalb der Epidemiologie. Es werden die Ebola- und die Corona-Pandemie als Anwendungsfelder angef{\"u}hrt. Die Prozesse dienen als Entscheidungsst{\"u}tze f{\"u}r die Politik und erm{\"o}glichen Aussagen {\"u}ber die Auswirkungen von Maßnahmen bez{\"u}glich der Pandemien. Neben den Prozessen werden ebenfalls der bedingte Erwartungswert bez{\"u}glich diskreter Zufallsvariablen, die wahrscheinlichkeitserzeugende Funktion und die zuf{\"a}llige Summe eingef{\"u}hrt. Die Konzepte vereinfachen die Beschreibung der Prozesse und bilden somit die Grundlage der Betrachtungen. Außerdem werden die ben{\"o}tigten und weiterf{\"u}hrenden Eigenschaften der grundlegenden Themengebiete und der Prozesse aufgef{\"u}hrt und bewiesen. Das Kapitel erreicht seinen H{\"o}hepunkt bei dem Beweis des Kritikalit{\"a}tstheorems, wodurch eine Aussage {\"u}ber das Aussterben des Prozesses in verschiedenen F{\"a}llen und somit {\"u}ber die Aussterbewahrscheinlichkeit get{\"a}tigt werden kann. Die F{\"a}lle werden anhand der zu erwartenden Anzahl an Nachkommen eines Individuums unterschieden. Es zeigt sich, dass ein Prozess bei einer zu erwartenden Anzahl kleiner gleich Eins mit Sicherheit ausstirbt und bei einer Anzahl gr{\"o}ßer als Eins, die Population nicht in jedem Fall aussterben muss. Danach werden einzelne Beispiele, wie der linear fractional case, die Population von Fibroblasten (Bindegewebszellen) von M{\"a}usen und die Entstehungsfragestellung der Prozesse, angef{\"u}hrt. Diese werden mithilfe der erlangten Ergebnisse untersucht und einige ausgew{\"a}hlte zuf{\"a}llige Dynamiken werden im nachfolgenden Kapitel simuliert. Die Simulationen erfolgen durch ein in Python erstelltes Programm und werden mithilfe der Inversionsmethode realisiert. Die Simulationen stellen beispielhaft die Entwicklungen in den verschiedenen Kritikalit{\"a}tsf{\"a}llen der Prozesse dar. Zudem werden die H{\"a}ufigkeiten der einzelnen Populationsgr{\"o}ßen in Form von Histogrammen angebracht. Dabei l{\"a}sst sich der Unterschied zwischen den einzelnen F{\"a}llen best{\"a}tigen und es wird die Anwendungsm{\"o}glichkeit der Bienaym{\´e}-Galton-Watson Prozesse bei komplexeren Problemen deutlich. Histogramme bekr{\"a}ftigen, dass die einzelnen Populationsgr{\"o}ßen nur endlich oft vorkommen. Diese Aussage wurde von Galton aufgeworfen und in der Extinktions-Explosions-Dichotomie verwendet. Die dargestellten Erkenntnisse {\"u}ber das Themengebiet und die Betrachtung des Konzeptes werden mit einer didaktischen Analyse abgeschlossen. Die Untersuchung beinhaltet die Ber{\"u}cksichtigung der Fundamentalen Ideen, der Fundamentalen Ideen der Stochastik und der Leitidee „Daten und Zufall". Dabei ergibt sich, dass in Abh{\"a}ngigkeit der gew{\"a}hlten Perspektive die Anwendung der Bienaym{\´e}-Galton-Watson Prozesse innerhalb der Schule plausibel ist und von Vorteil f{\"u}r die Sch{\"u}ler:innen sein kann. F{\"u}r die Behandlung wird exemplarisch der Rahmenlehrplan f{\"u}r Berlin und Brandenburg analysiert und mit dem Kernlehrplan Nordrhein-Westfalens verglichen. Die Konzeption des Lehrplans aus Berlin und Brandenburg l{\"a}sst nicht den Schluss zu, dass die Bienaym{\´e}-Galton-Watson Prozesse angewendet werden sollten. Es l{\"a}sst sich feststellen, dass die zugrunde liegende Leitidee nicht vollumf{\"a}nglich mit manchen Fundamentalen Ideen der Stochastik vereinbar ist. Somit w{\"u}rde eine Modifikation hinsichtlich einer st{\"a}rkeren Orientierung des Lehrplans an den Fundamentalen Ideen die Anwendung der Prozesse erm{\"o}glichen. Die Aussage wird durch die Betrachtung und {\"U}bertragung eines nordrhein-westf{\"a}lischen Unterrichtsentwurfes f{\"u}r stochastische Prozesse auf die Bienaym{\´e}-Galton-Watson Prozesse unterst{\"u}tzt. Dar{\"u}ber hinaus werden eine Concept Map und ein Vernetzungspentagraph nach von der Bank konzipiert um diesen Aspekt hervorzuheben.}, language = {de} } @article{RoosOtoba2021, author = {Roos, Saskia and Otoba, Nobuhiko}, title = {Scalar curvature and the multiconformal class of a direct product Riemannian manifold}, series = {Geometriae dedicata}, volume = {214}, journal = {Geometriae dedicata}, number = {1}, publisher = {Springer}, address = {Dordrecht}, issn = {0046-5755}, doi = {10.1007/s10711-021-00636-9}, pages = {801 -- 829}, year = {2021}, abstract = {For a closed, connected direct product Riemannian manifold (M, g) = (M-1, g(1)) x ... x (M-l, g(l)), we define its multiconformal class [[g]] as the totality {integral(2)(1)g(1) circle plus center dot center dot center dot integral(2)(l)g(l)} of all Riemannian metrics obtained from multiplying the metric gi of each factor Mi by a positive function fi on the total space M. A multiconformal class [[ g]] contains not only all warped product type deformations of g but also the whole conformal class [(g) over tilde] of every (g) over tilde is an element of[[ g]]. In this article, we prove that [[g]] contains a metric of positive scalar curvature if and only if the conformal class of some factor (Mi, gi) does, under the technical assumption dim M-i = 2. We also show that, even in the case where every factor (M-i, g(i)) has positive scalar curvature, [[g]] contains a metric of scalar curvature constantly equal to -1 and with arbitrarily large volume, provided l = 2 and dim M = 3.}, language = {en} } @article{GottwaldReich2021, author = {Gottwald, Georg A. and Reich, Sebastian}, title = {Supervised learning from noisy observations}, series = {Physica : D, Nonlinear phenomena}, volume = {423}, journal = {Physica : D, Nonlinear phenomena}, publisher = {Elsevier}, address = {Amsterdam}, issn = {0167-2789}, doi = {10.1016/j.physd.2021.132911}, pages = {15}, year = {2021}, abstract = {Data-driven prediction and physics-agnostic machine-learning methods have attracted increased interest in recent years achieving forecast horizons going well beyond those to be expected for chaotic dynamical systems. In a separate strand of research data-assimilation has been successfully used to optimally combine forecast models and their inherent uncertainty with incoming noisy observations. The key idea in our work here is to achieve increased forecast capabilities by judiciously combining machine-learning algorithms and data assimilation. We combine the physics-agnostic data -driven approach of random feature maps as a forecast model within an ensemble Kalman filter data assimilation procedure. The machine-learning model is learned sequentially by incorporating incoming noisy observations. We show that the obtained forecast model has remarkably good forecast skill while being computationally cheap once trained. Going beyond the task of forecasting, we show that our method can be used to generate reliable ensembles for probabilistic forecasting as well as to learn effective model closure in multi-scale systems. (C) 2021 Elsevier B.V. All rights reserved.}, language = {en} } @article{RedmannFreitag2021, author = {Redmann, Martin and Freitag, Melina A.}, title = {Optimization based model order reduction for stochastic systems}, series = {Applied mathematics and computation}, volume = {398}, journal = {Applied mathematics and computation}, publisher = {Elsevier}, address = {New York}, issn = {0096-3003}, doi = {10.1016/j.amc.2020.125783}, pages = {18}, year = {2021}, abstract = {In this paper, we bring together the worlds of model order reduction for stochastic linear systems and H-2-optimal model order reduction for deterministic systems. In particular, we supplement and complete the theory of error bounds for model order reduction of stochastic differential equations. With these error bounds, we establish a link between the output error for stochastic systems (with additive and multiplicative noise) and modified versions of the H-2-norm for both linear and bilinear deterministic systems. When deriving the respective optimality conditions for minimizing the error bounds, we see that model order reduction techniques related to iterative rational Krylov algorithms (IRKA) are very natural and effective methods for reducing the dimension of large-scale stochastic systems with additive and/or multiplicative noise. We apply modified versions of (linear and bilinear) IRKA to stochastic linear systems and show their efficiency in numerical experiments.}, language = {en} } @article{RuchiDubinkinaWiljes2021, author = {Ruchi, Sangeetika and Dubinkina, Svetlana and Wiljes, Jana de}, title = {Fast hybrid tempered ensemble transform filter formulation for Bayesian elliptical problems via Sinkhorn approximation}, series = {Nonlinear processes in geophysics / European Geosciences Union ; American Geophysical Union}, volume = {28}, journal = {Nonlinear processes in geophysics / European Geosciences Union ; American Geophysical Union}, number = {1}, publisher = {Copernicus}, address = {G{\"o}ttingen}, issn = {1023-5809}, doi = {10.5194/npg-28-23-2021}, pages = {23 -- 41}, year = {2021}, abstract = {Identification of unknown parameters on the basis of partial and noisy data is a challenging task, in particular in high dimensional and non-linear settings. Gaussian approximations to the problem, such as ensemble Kalman inversion, tend to be robust and computationally cheap and often produce astonishingly accurate estimations despite the simplifying underlying assumptions. Yet there is a lot of room for improvement, specifically regarding a correct approximation of a non-Gaussian posterior distribution. The tempered ensemble transform particle filter is an adaptive Sequential Monte Carlo (SMC) method, whereby resampling is based on optimal transport mapping. Unlike ensemble Kalman inversion, it does not require any assumptions regarding the posterior distribution and hence has shown to provide promising results for non-linear non-Gaussian inverse problems. However, the improved accuracy comes with the price of much higher computational complexity, and the method is not as robust as ensemble Kalman inversion in high dimensional problems. In this work, we add an entropy-inspired regularisation factor to the underlying optimal transport problem that allows the high computational cost to be considerably reduced via Sinkhorn iterations. Further, the robustness of the method is increased via an ensemble Kalman inversion proposal step before each update of the samples, which is also referred to as a hybrid approach. The promising performance of the introduced method is numerically verified by testing it on a steady-state single-phase Darcy flow model with two different permeability configurations. The results are compared to the output of ensemble Kalman inversion, and Markov chain Monte Carlo methods results are computed as a benchmark.}, language = {en} } @article{ShlapunovTarchanov2021, author = {Shlapunov, Alexander and Tarchanov, Nikolaj Nikolaevič}, title = {An open mapping theorem for the Navier-Stokes type equations associated with the de Rham complex over R-n}, series = {Siberian electronic mathematical reports = Sibirskie ėlektronnye matematičeskie izvestija}, volume = {18}, journal = {Siberian electronic mathematical reports = Sibirskie ėlektronnye matematičeskie izvestija}, number = {2}, publisher = {Institut Matematiki Imeni S. L. Soboleva}, address = {Novosibirsk}, issn = {1813-3304}, doi = {10.33048/semi.2021.18.108}, pages = {1433 -- 1466}, year = {2021}, abstract = {We consider an initial problem for the Navier-Stokes type equations associated with the de Rham complex over R-n x[0, T], n >= 3, with a positive time T. We prove that the problem induces an open injective mappings on the scales of specially constructed function spaces of Bochner-Sobolev type. In particular, the corresponding statement on the intersection of these classes gives an open mapping theorem for smooth solutions to the Navier-Stokes equations.}, language = {en} } @article{BeckusEliaz2021, author = {Beckus, Siegfried and Eliaz, Latif}, title = {Eigenfunctions growth of R-limits on graphs}, series = {Journal of spectral theory / European Mathematical Society}, volume = {11}, journal = {Journal of spectral theory / European Mathematical Society}, number = {4}, publisher = {EMS Press, an imprint of the European Mathematical Society - EMS - Publishing House GmbH, Institut f{\"u}r Mathematik, Technische Universit{\"a}t}, address = {Berlin}, issn = {1664-039X}, doi = {10.4171/JST/389}, pages = {1895 -- 1933}, year = {2021}, abstract = {A characterization of the essential spectrum of Schrodinger operators on infinite graphs is derived involving the concept of R-limits. This concept, which was introduced previously for operators on N and Z(d) as "right-limits," captures the behaviour of the operator at infinity. For graphs with sub-exponential growth rate, we show that each point in sigma(ss)(H) corresponds to a bounded generalized eigenfunction of a corresponding R-limit of H. If, additionally, the graph is of uniform sub-exponential growth, also the converse inclusion holds.}, language = {en} }