Institut für Mathematik
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In single photon emission computed tomography (SPECT) one is interested in reconstructing the activity distribution f of some radiopharmaceutical. The data gathered suffer from attenuation due to the tissue density µ. Each imaged slice incorporates noisy sample values of the nonlinear attenuated Radon transform (formular at this place in the original abstract) Traditional theory for SPECT reconstruction treats µ as a known parameter. In practical applications, however, µ is not known, but either crudely estimated, determined in costly additional measurements or plainly neglected. We demonstrate that an approximation of both f and µ from SPECT data alone is feasible, leading to quantitatively more accurate SPECT images. The result is based on nonlinear Tikhonov regularization techniques for parameter estimation problems in differential equations combined with Gauss-Newton-CG minimization.
The determination of the atmospheric aerosol size distribution is an inverse illposed problem. The shape and the material composition of the air-carried particles are two substantial model parameters. Present evaluation algorithms only used an approximation with spherical homogeneous particles. In this paper we propose a new numerically efficient recursive algorithm for inhomogeneous multilayered coated and absorbing particles. Numerical results of real existing particles show that the influence of the two parameters on the model is very important and therefore cannot be ignored.
The ill-posed problem of aerosol size distribution determination from a small number of backscatter and extinction measurements was solved successfully with a mollifier method which is advantageous since the ill-posed part is performed on exactly given quantities, the points r where n(r) is evaluated may be freely selected. A new twodimensional model for the troposphere is proposed.
Als ich anfing, ein Thema für meine Promotion zu erarbeiten, fand ich Massentests ziemlich beeindruckend. TIMSS: über 500000 Schüler getestet. PISA: 180000 Schüler getestet. Ich wollte diese Datenbasis nutzen, um Erkenntnisse für die Gestaltung von Unterricht zu gewinnen. Leider kam ich damit nicht weit. Je tiefer ich mich mit den Tests und den dahinterstehenden Theorien befasste, desto deutlicher schälte sich heraus, dass mit diesen Tests keine neue Erkenntnis generiert werden kann. Fast alle Schlussfolgerungen, die aus den Tests gezogen werden, konnten gar nicht aus den Tests selbst gewonnen werden. Ich konzentrierte mich zunehmend auf die Testaufgaben, weil die Geltung der Aussage eines Tests an der Aufgabe erzeugt wird: In der Aufgabe gerinnt das, was die Tester als „mathematische Leistungsfähigkeit“ konstruieren. Der Schüler wiederum hat nur die Aufgabe vor sich. Es gibt nur „gelöst“ (ein Punkt) und „ungelöst“ (kein Punkt). Damit der Schüler den Punkt bekommt, muss er an der richtigen Stelle ankreuzen, oder er muss etwas hinschrei-ben, wofür der Auswerter einen Punkt gibt. In der Dissertation wird untersucht, was die Aufgaben testen, was also alles in das Konstrukt von „mathematischer Leistungsfähigkeit“ einfließt, und ob es das ist, was der Test testen soll. Es stellte sich durchaus erstaunliches heraus: - Oftmals gibt es so viele Möglichkeiten, zur gewünschten Lösung (die nicht in jedem Fall die richtige Lösung ist) zu gelangen, dass man nicht benennen kann, welche Fähigkeit die Aufgabe eigentlich misst. Das Konstrukt „mathematische Leistungsfähigkeit“ wird damit zu einem zufälligen. - Es werden Komponenten von Testfähigkeit mitgemessen: Viele Aufgaben enthalten Irritationen, welche von testerfahrenen Schülern leichter überwunden werden können als von testunerfahrenen. Es gibt Aufgaben, die gelöst werden können, ohne dass man über die Fähigkeit verfügt, die getestet werden soll. Umgekehrt gibt es Aufgaben, die man eventuell nicht lösen kann, obwohl man über diese Fähigkeit verfügt. Als Kernkompetenz von Testfähigkeit stellt sich heraus, weder das gestellte mathematische Problem noch die angeblichen realen Proble-me ernst zu nehmen, sondern sich statt dessen auf das zu konzentrieren, was die Tester angekreuzt oder hinge-schrieben sehen wollen. Prinzipiell erweist es sich als günstig, mittelmäßig zu arbeiten, auf intellektuelle Tiefe in der Auseinandersetzung mit den Aufgaben also zu verzichten. - Man kann bei Multiple-Choice-Tests raten. Die PISA-Gruppe behauptet zwar, dieses Problem technisch über-winden zu können, dies erweist sich aber als Fehleinschätzung. - Sowohl bei TIMSS als auch bei PISA stellt sich heraus, dass die vorgeblich verwendeten didaktischen und psychologischen Theorien lediglich theoretische Mäntel für eine theoriearme Testerstellung sind. Am Beispiel der Theorie der mentalen Situationsmodelle (zur Bearbeitung von realitätsnahen Aufgaben) wird dies ausführlich exemplarisch ausgearbeitet. Das Problem reproduziert sich in anderen Theoriefeldern. Die Tests werden nicht durch Operationalisierungen von Messkonstrukten erstellt, sondern durch systematisches Zusammenstückeln von Aufgaben. - Bei PISA sollte „Mathematical Literacy“ getestet werden. Verkürzt sollte das die Fähigkeit sein, „die Rolle, die Mathematik in der Welt spielt, zu erkennen und zu verstehen, begründete mathematische Urteile abzugeben und sich auf eine Weise mit der Mathematik zu befassen, die den Anforderungen des gegenwärtigen und künftigen Lebens einer Person als eines konstruktiven, engagierten und reflektierten Bürgers entspricht“ (PISA-Eigendarstellung). Von all dem kann angesichts der Aufgaben keine Rede sein. - Bei der Untersuchung des PISA-Tests drängte sich ein mathematikdidaktischer Habitus auf, der eine separate Untersuchung erzwang. Ich habe ihn unter dem Stichwort der „Abkehr von der Sache“ zusammengefasst. Er ist geprägt von Zerstörungen des Mathematischen bei gleichzeitiger Überbetonung des Fachsprachlichen und durch Verwerfungen des Mathematischen und des Realen bei realitätsnahen Aufgaben. Letzteres gründet in der Nicht-beachtung der Authentizität sowohl des Realen als auch des Mathematischen. Die Arbeit versammelt neben den Untersuchungen zu TIMSS und PISA ein ausführliches Kapitel über das Prob-lem des Testens und eine Darstellung der Methodologie und Praxis der Objektiven Hermeneutik.
Semiclassical asymptotics for the scattering amplitude in the presence of focal points at infinity
(2006)
We consider scattering in $\R^n$, $n\ge 2$, described by the Schr\"odinger operator $P(h)=-h^2\Delta+V$, where $V$ is a short-range potential. With the aid of Maslov theory, we give a geometrical formula for the semiclassical asymptotics as $h\to 0$ of the scattering amplitude $f(\omega_-,\omega_+;\lambda,h)$ $\omega_+\neq\omega_-$) which remains valid in the presence of focal points at infinity (caustics). Crucial for this analysis are precise estimates on the asymptotics of the classical phase trajectories and the relationship between caustics in euclidean phase space and caustics at infinity.
We analyze the notions of monotonicity and complete monotonicity for Markov Chains in continuous-time, taking values in a finite partially ordered set. Similarly to what happens in discrete-time, the two notions are not equivalent. However, we show that there are partially ordered sets for which monotonicity and complete monotonicity coincide in continuous time but not in discrete-time.
Ergodicity of PCA
(2004)
For a general attractive Probabilistic Cellular Automata on S-Zd, we prove that the (time-) convergence towards equilibrium of this Markovian parallel dynamics, exponentially fast in the uniform norm, is equivalent to a condition (A). This condition means the exponential decay of the influence from the boundary for the invariant measures of the system restricted to finite boxes. For a class of reversible PCA dynamics on {1,+1}(Zd), wit a naturally associated Gibbsian potential rho, we prove that a (spatial-) weak mixing condition (WM) for rho implies the validity of the assumption (A); thus exponential (time-) ergodicity of these dynamics towards the unique Gibbs measure associated to rho hods. On some particular examples we state that exponential ergodicity holds as soon as there is no phase transition.
We study a natural Dirac operator on a Lagrangian submanifold of a Kähler manifold. We first show that its square coincides with the Hodge - de Rham Laplacian provided the complex structure identifies the Spin structures of the tangent and normal bundles of the submanifold. We then give extrinsic estimates for the eigenvalues of that operator and discuss some examples.