Institut für Mathematik
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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.
The superposition operation S-n,S-A, n >= 1, n is an element of N, maps to each (n + 1)-tuple of n-ary operations on a set A an n-ary operation on A and satisfies the so-called superassociative law, a generalization of the associative law. The corresponding algebraic structures are Menger algebras of rank n. A partial algebra of type (n + 1) which satisfies the superassociative law as weak identity is said to be a partial Menger algebra of rank n. As a generalization of linear terms we define r-terms as terms where each variable occurs at most r-times. It will be proved that n-ary r-terms form partial Menger algebras of rank n. In this paper, some algebraic properties of partial Menger algebras such as generating systems, homomorphic images and freeness are investigated. As generalization of hypersubstitutions and linear hypersubstitutions we consider r-hypersubstitutions.U
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.
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.
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.
Sequential data assimilation of the stochastic SEIR epidemic model for regional COVID-19 dynamics
(2021)
Newly emerging pandemics like COVID-19 call for predictive models to implement precisely tuned responses to limit their deep impact on society. Standard epidemic models provide a theoretically well-founded dynamical description of disease incidence. For COVID-19 with infectiousness peaking before and at symptom onset, the SEIR model explains the hidden build-up of exposed individuals which creates challenges for containment strategies. However, spatial heterogeneity raises questions about the adequacy of modeling epidemic outbreaks on the level of a whole country. Here, we show that by applying sequential data assimilation to the stochastic SEIR epidemic model, we can capture the dynamic behavior of outbreaks on a regional level. Regional modeling, with relatively low numbers of infected and demographic noise, accounts for both spatial heterogeneity and stochasticity. Based on adapted models, short-term predictions can be achieved. Thus, with the help of these sequential data assimilation methods, more realistic epidemic models are within reach.
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.
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.
Lie group method in combination with Magnus expansion is utilized to develop a universal method applicable to solving a Sturm–Liouville Problem (SLP) of any order with arbitrary boundary conditions. It is shown that the method has ability to solve direct regular and some singular SLPs of even orders (tested up to order eight), with a mix of boundary conditions (including non-separable and finite singular endpoints), accurately and efficiently.
The present technique is successfully applied to overcome the difficulties in finding suitable sets of eigenvalues so that the inverse SLP problem can be effectively solved.
Next, a concrete implementation to the inverse Sturm–Liouville problem
algorithm proposed by Barcilon (1974) is provided. Furthermore, computational feasibility and applicability of this algorithm to solve inverse Sturm–Liouville problems of order n=2,4 is verified successfully. It is observed that the method is successful even in the presence of significant noise, provided that the assumptions of the algorithm are satisfied.
In conclusion, this work provides methods that can be adapted successfully for solving a direct (regular/singular) or inverse SLP of an arbitrary order with arbitrary boundary conditions.
Die Bienaymé-Galton-Watson Prozesse können für die Untersuchung von speziellen und sich entwickelnden Populationen verwendet werden. Die Populationen umfassen Individuen, welche sich identisch, zufällig, selbstständig und unabhängig voneinander fortpflanzen und die jeweils nur eine Generation existieren. Die n-te Generation ergibt sich als zufällige Summe der Individuen der (n-1)-ten Generation. Die Relevanz dieser Prozesse begründet sich innerhalb der Historie und der inner- und außermathematischen Bedeutung. Die Geschichte der Bienaymé-Galton-Watson-Prozesse wird anhand der Entwicklung des Konzeptes bis heute dargestellt. Dabei werden die Wissenschaftler:innen verschiedener Disziplinen angeführt, die Erkenntnisse zu dem Themengebiet beigetragen und das Konzept in ihren Fachbereichen angeführt haben. Somit ergibt sich die außermathematische Signifikanz. Des Weiteren erhält man die innermathematische Bedeutsamkeit mittels des Konzeptes der Verzweigungsprozesse, welches auf die Bienaymé-Galton-Watson Prozesse zurückzuführen ist. Die Verzweigungsprozesse stellen eines der aussagekräftigsten Modelle für die Beschreibung des Populationswachstums dar. Darüber hinaus besteht die derzeitige Wichtigkeit durch die Anwendungsmöglichkeit der Verzweigungsprozesse und der Bienaymé-Galton-Watson Prozesse innerhalb der Epidemiologie. Es werden die Ebola- und die Corona-Pandemie als Anwendungsfelder angeführt. Die Prozesse dienen als Entscheidungsstütze für die Politik und ermöglichen Aussagen über die Auswirkungen von Maßnahmen bezüglich der Pandemien. Neben den Prozessen werden ebenfalls der bedingte Erwartungswert bezüglich diskreter Zufallsvariablen, die wahrscheinlichkeitserzeugende Funktion und die zufällige Summe eingeführt. Die Konzepte vereinfachen die Beschreibung der Prozesse und bilden somit die Grundlage der Betrachtungen. Außerdem werden die benötigten und weiterführenden Eigenschaften der grundlegenden Themengebiete und der Prozesse aufgeführt und bewiesen. Das Kapitel erreicht seinen Höhepunkt bei dem Beweis des Kritikalitätstheorems, wodurch eine Aussage über das Aussterben des Prozesses in verschiedenen Fällen und somit über die Aussterbewahrscheinlichkeit getätigt werden kann. Die Fälle 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 größer 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 Mäusen und die Entstehungsfragestellung der Prozesse, angeführt. Diese werden mithilfe der erlangten Ergebnisse untersucht und einige ausgewählte zufällige 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 Kritikalitätsfällen der Prozesse dar. Zudem werden die Häufigkeiten der einzelnen Populationsgrößen in Form von Histogrammen angebracht. Dabei lässt sich der Unterschied zwischen den einzelnen Fällen bestätigen und es wird die Anwendungsmöglichkeit der Bienaymé-Galton-Watson Prozesse bei komplexeren Problemen deutlich. Histogramme bekräftigen, dass die einzelnen Populationsgrößen nur endlich oft vorkommen. Diese Aussage wurde von Galton aufgeworfen und in der Extinktions-Explosions-Dichotomie verwendet. Die dargestellten Erkenntnisse über das Themengebiet und die Betrachtung des Konzeptes werden mit einer didaktischen Analyse abgeschlossen. Die Untersuchung beinhaltet die Berücksichtigung der Fundamentalen Ideen, der Fundamentalen Ideen der Stochastik und der Leitidee „Daten und Zufall“. Dabei ergibt sich, dass in Abhängigkeit der gewählten Perspektive die Anwendung der Bienaymé-Galton-Watson Prozesse innerhalb der Schule plausibel ist und von Vorteil für die Schüler:innen sein kann. Für die Behandlung wird exemplarisch der Rahmenlehrplan für Berlin und Brandenburg analysiert und mit dem Kernlehrplan Nordrhein-Westfalens verglichen. Die Konzeption des Lehrplans aus Berlin und Brandenburg lässt nicht den Schluss zu, dass die Bienaymé-Galton-Watson Prozesse angewendet werden sollten. Es lässt sich feststellen, dass die zugrunde liegende Leitidee nicht vollumfänglich mit manchen Fundamentalen Ideen der Stochastik vereinbar ist. Somit würde eine Modifikation hinsichtlich einer stärkeren Orientierung des Lehrplans an den Fundamentalen Ideen die Anwendung der Prozesse ermöglichen. Die Aussage wird durch die Betrachtung und Übertragung eines nordrhein-westfälischen Unterrichtsentwurfes für stochastische Prozesse auf die Bienaymé-Galton-Watson Prozesse unterstützt. Darüber hinaus werden eine Concept Map und ein Vernetzungspentagraph nach von der Bank konzipiert um diesen Aspekt hervorzuheben.