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On the geometry, topology and approximation of amoebas
(2013)
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Timo de Wolff
- We investigate multivariate Laurent polynomials f \in \C[\mathbf{z}^{\pm 1}] = \C[z_1^{\pm 1},\ldots,z_n^{\pm 1}] with varieties \mathcal{V}(f) restricted to the algebraic torus (\C^*)^n = (\C \setminus \{0\})^n. For such Laurent polynomials f one defines the amoeba \mathcal{A}(f) of f as the image of the variety \mathcal{V}(f) under the \Log-map
\Log : (\C^*)^n \to \R^n, (z_1,\ldots,z_n) \mapsto (\log|z_1|, \ldots, \log|z_n|).
I.e., the amoeba \mathcal{A}(f) is the projection of the variety \mathcal{V}(f) on its (componentwise logarithmized) absolute values.
Amoebas were first defined in 1994 by Gelfand, Kapranov and Zelevinksy. Amoeba theory has been strongly developed since the beginning of the new century. It is related to various mathematical subjects, e.g., complex analysis or real algebraic curves. In particular, amoeba theory can be understood as a natural connection between algebraic and tropical geometry.
In this thesis we investigate the geometry, topology and methods for the approximation of amoebas.
Let \C^A denote the space of all Laurent polynomials with a given, finite support set A \subset \Z^n and coefficients in \C^*. It is well known that, in general, the existence of specific complement components of the amoebas \mathcal{A}(f) for f \in \C^A depends on the choice of coefficients of f. One prominent key problem is to provide bounds on the coefficients in order to guarantee the existence of certain complement components. A second key problem is the question whether the set U_\alpha^A \subseteq \C^A of all polynomials whose amoeba has a complement component of order \alpha \in \conv(A) \cap \Z^n is always connected.
We prove such (upper and lower) bounds for multivariate Laurent polynomials supported on a circuit. If the support set A \subset \Z^n satisfies some additional barycentric condition, we can even give an exact description of the particular sets U_\alpha^A and, especially, prove that they are path-connected.
For the univariate case of polynomials supported on a circuit, i.e., trinomials f = z^{s+t} + p z^t + q (with p,q \in \C^*), we show that a couple of classical questions from the late 19th / early 20th century regarding the connection between the coefficients and the roots of trinomials can be traced back to questions in amoeba theory. This yields nice geometrical and topological counterparts for classical algebraic results. We show for example that a trinomial has a root of a certain, given modulus if and only if the coefficient p is located on a particular hypotrochoid curve. Furthermore, there exist two roots with the same modulus if and only if the coefficient p is located on a particular 1-fan. This local description of the configuration space \C^A yields in particular that all sets U_\alpha^A for \alpha \in \{0,1,\ldots,s+t\} \setminus \{t\} are connected but not simply connected.
We show that for a given lattice polytope P the set of all configuration spaces \C^A of amoebas with \conv(A) = P is a boolean lattice with respect to some order relation \sqsubseteq induced by the set theoretic order relation \subseteq. This boolean lattice turns out to have some nice structural properties and gives in particular an independent motivation for Passare's and Rullgard's conjecture about solidness of amoebas of maximally sparse polynomials. We prove this conjecture for special instances of support sets.
A further key problem in the theory of amoebas is the description of their boundaries. Obviously, every boundary point \mathbf{w} \in \partial \mathcal{A}(f) is the image of a critical point under the \Log-map (where \mathcal{V}(f) is supposed to be non-singular here). Mikhalkin showed that this is equivalent to the fact that there exists a point in the intersection of the variety \mathcal{V}(f) and the fiber \F_{\mathbf{w}} of \mathbf{w} (w.r.t. the \Log-map), which has a (projective) real image under the logarithmic Gauss map. We strengthen this result by showing that a point \mathbf{w} may only be contained in the boundary of \mathcal{A}(f), if every point in the intersection of \mathcal{V}(f) and \F_{\mathbf{w}} has a (projective) real image under the logarithmic Gauss map.
With respect to the approximation of amoebas one is in particular interested in deciding membership, i.e., whether a given point \mathbf{w} \in \R^n is contained in a given amoeba \mathcal{A}(f). We show that this problem can be traced back to a semidefinite optimization problem (SDP), basically via usage of the Real Nullstellensatz. This SDP can be implemented and solved with standard software (we use SOSTools and SeDuMi here). As main theoretic result we show that, from the complexity point of view, our approach is at least as good as Purbhoo's approximation process (which is state of the art).
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Wie viel ist eine Billion? : An den Grenzen der Vorstellungskraft zum quantitativen Zahlenverständnis
(2012)
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Matthias Ludwig
- Eine Billion ist mathematisch leicht darstellbar. Es ist eine Eins mit 12 Nullen: 1 000 000 000 000, mathematisch kurz und prägnant als 1012 geschrieben. Aber darstellbar heißt nicht unbedingt vorstellbar. Versuchen wir, diese Anzahlen zu veranschaulichen, entstehen teilweise surreale,aber einprägsame Bilder.
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Modellierung und Simulation eines Biogasreaktors
(2012)
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Ivo Muha
- Die anaerobe Fermentation beschreibt den Abbau organischen Materials unter Ausschluss von Sauerstoff und setzt sich aus vier Prozessphasen (Hydrolyse, Acidogenese, Acetogenese und Methanogenese) zusammen. Im Rahmen dieser Arbeit konnte die Aufteilung dieser vier Prozessphasen auf die beiden Stufen eines zweistufigen zweiphasigen Biogas-Reaktors genau bestimmt werden. Die Aufteilung ist von entscheidender Bedeutung für zukünftige Arbeiten, da dadurch genau festgelegt werden kann, welche Stoffe bei den Messungen und bei der Modellierung berücksichtigt werden müssen.
Im Jahre 2002 wurde von der IWA Taskgroup das ADM1-Modell, welches alle vier Prozessphasen der anaeroben Fermentation berücksichtigt, veröffentlicht. In der vorliegenden Arbeit wird ein räumlich aufgelöstes Modell für die anaerobe Fermentation erarbeitet, in dem das ADM1-Modell mit einem Strömungsmodell gekoppelt wird. Anschließend wird ein reduziertes Simulationsmodell für acetoklastische Methanogenese in einem zweistufigen zweiphasigen Biogasreaktor erstellt. Anhand von Messdaten wird gezeigt, dass der Abbau von Essigsäure zu Methan innerhalb des Reaktors durch das Simulationsmodell gut wiedergegeben werden kann.
Anschließend wird das validierte Modell verwendet um Regeln für eine optimale Steuerung des Reaktors herzuleiten und weiterhin wird mit Hilfe der lokalen Methanproduktion die Effektivität des Reaktors bestimmt. Die erlangten Informationen können verwendet werden, um den Biogas-Reaktor zu optimieren.
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Rekonstruktion von Oberflächenmorphologien und Merkmalskeletten aus dreidimensionalen Daten unter Verwendung hochparalleler Rechnerarchitekturen
(2012)
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Daniel Jungblut
- Der im Jahr 2004 am IWR Heidelberg entwickelte Neuronen-Rekonstruktions-Algorithmus NeuRA extrahiert die Oberflächenmorphologie oder ein Merkmalskelett von Neuronenzellen, die mittels konfokaler oder Zwei-Photon-Mikroskopie als Bildstapel aufgenommen wurden. Hierbei wird zunächst das Signal-zu-Rausch-Verhältnis der Rohdaten durch Anwendung des speziell entwickelten trägheitsbasierten anisotropen Diffusionsfilters verbessert, dann das Bild nach der statistischen Methode von Otsu segmentiert und anschließend das Oberflächengitter der Neuronenzellen durch den Regularisierten Marching-Tetrahedra-Algorithmus rekonstruiert oder das Merkmalskelett mit einer speziellen Thinning-Methode extrahiert. In einschlägigen Vorarbeiten wurde mit Hilfe solcher Rekonstruktionen von Neuronenzellkernen gezeigt, dass diese, entgegen der vorher üblichen Meinung, nicht notwendigerweise rund sind, sondern Einstülpungen, sogenannte Invaginationen, aufweisen können. Der Einfluss der Invaginationen auf die Ausbreitung von Calciumionen innerhalb solcher Zellkerne konnte durch entsprechende numerische Simulationen systematisch untersucht werden.
Um diese Rekonstruktionsmethode auf hochaufgelöste Mikroskopaufnahmen anwenden zu können, wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit, die in NeuRA verwendeten Verfahren auf Basis von Nvidia CUDA auf moderner Grafikhardware parallelisiert und unter dem Namen NeuRA2 optimiert und neu implementiert. Erzielte Beschleunigungen von bis zu einem Faktor 100, bei Verwendung einer Hochleistungsgrafikkarte, zeigen, dass sich die moderne Grafikarchitektur besonders für die Parallelisierung von Bildverarbeitungsoperatoren eignet. Insbesondere das Herzstück des Rekonstruktions-Algorithmus - der sehr rechenintensive trägheitsbasierte anisotrope Diffusionsfilter - wurde durch eine clusterbasierte Implementierung, welche die parallele Verwendung beliebig vieler Grafikkarten ermöglicht, immens beschleunigt.
Darüber hinaus wurde in dieser Arbeit das Konzept von NeuRA verallgemeinert, um nicht nur Neuronenzellen aus konfokalen oder Zwei-Photon-Bildstapeln rekonstruieren zu können, sondern vielmehr die Oberflächenmorphologie oder Merkmalskelette von allgemeinen Objekten aus beliebigen Bildstapeln zu extrahieren. Dabei wird das ursprüngliche Konzept von Rauschreduktion, Bildsegmentierung und Rekonstruktion beibehalten. Für die einzelnen Schritte stehen aber nun eine Vielfalt von Bildverarbeitungs- und Rekonstruktionsmethoden zur Verfügung, die abhängig von der Beschaffenheit der Daten und den Anforderungen an die Rekonstruktion, ausgewählt werden können. Die meisten dieser Verfahren wurden ebenfalls auf Basis moderner Grafikhardware parallelisiert.
Die weiterentwickelten Rekonstruktionsverfahren wurden in mehreren Anwendungen eingesetzt: Einerseits wurden Oberflächen- und Volumengitter aus konfokalen Bildstapeln und Computertomographie-Aufnahmen generiert, die für verschiedene numerische Simulationen eingesetzt wurden oder eingesetzt werden sollen. Des Weiteren wurden über zwanzig antike Keramikgefäße und Fragmente anderer antiker Keramiken rekonstruiert. Hierbei wurde jeweils die Rohdichte und bei den komplett erhaltenen Gefäßen das Füllvolumen berechnet. Es konnte gezeigt werden, dass dieses Verfahren exakter ist als die in der Archäologie üblichen Methoden zur Volumenbestimmung von Gefäßen. Außerdem zeigt sich eine Abhängigkeit der Rohdichte der rekonstruierten Objekte vom jeweils verwendeten Keramiktyp. Eine Analyse, wie genau die Krümmung von Objekten durch die Approximation von Dreiecksgittern dargestellt werden kann, wurde ebenfalls durchgeführt.
Zusätzlich wurde ein Verfahren zur Rekonstruktion der Merkmalskelette lebender Neuronenzellen oder Teilen von Neuronenzellen entwickelt. Bei den damit rekonstruierten Daten wurden einzelne dendritische Dornfortsätze, auch Spines genannt, hochaufgelöst mikroskopiert. Auf Basis dieser Rekonstruktionen kann die Länge von Dendriten oder einzelner Spines, der Winkel zwischen Dendritenverzweigungen, sowie das Volumen einzelner Spines automatisch berechnet werden. Mit Hilfe dieser Daten kann der Einfluss pharmakologischer Präparate und mechanischer Eingriffe in das Nervensystem von lebenden Versuchstieren systematisch untersucht werden.
Eine Adaption der beschriebenen Rekonstruktionsverfahren ist aufgrund deren einfacher Erweiterbarkeit und flexibler Verwendbarkeit für zukünftige Anwendungen leicht möglich.
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Das zufällige Erfüllbarkeitsproblem
(2012)
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Piravean Chandirakanthan
- Die Arbeit befasst sich insbesondere mit dem Phasenübergang des zufälligen k-SAT Problems.
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Asymptotische Eigenschaften von Hoppe-Bäumen
(2012)
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Kevin Leckey
- Der Hoppe-Baum ist eine zufällig wachsende, diskrete Baumstuktur, wobei die stochastische Dynamik durch die Entwicklung der Hoppe Urne wie folgt gegeben ist: Die ausgezeichnete Kugel mit der die Hoppe Urne startet entspricht der Wurzel des Hoppe Baumes. In der Hoppe Urne wird diese Kugel mit Wahrscheinlichkeit proportional zu einem Parameter theta>0 gezogen, alle anderen Kugeln werden mit Wahrscheinlichkeit proportional zu 1 gezogen. Wann immer eine Kugel gezogen wird, wird sie zusammen mit einer neuen Kugel in die Urne zurückgelegt, was in unserem Baum dem Einfügen eines neuen Kindes an den gezogenen Knoten entspricht. Im Spezialfall theta=1 erhält man einen zufälligen rekursiven Baum.
In der Arbeit werden Erwartungswerte, Varianzen und Grenzwertsätze für Tiefe, Höhe, Pfadlänge und die Anzahl der Blätter gegeben.
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On continuous time trading of a small investor in a limit order market
(2012)
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Maximilian Stroh
- We provide a mathematical framework to model continuous time trading in limit order markets of a small investor whose transactions have no impact on order book dynamics. The investor can continuously place market and limit orders. A market order is executed immediately at the best currently available price, whereas a limit order is stored until it is executed at its limit price or canceled. The limit orders can be chosen from a continuum of limit prices.
In this framework we show how elementary strategies (hold limit orders with only finitely many different limit prices and rebalance at most finitely often) can be extended in a suitable
way to general continuous time strategies containing orders with infinitely many different limit prices. The general limit buy order strategies are predictable processes with values in the set of nonincreasing demand functions (not necessarily left- or right-continuous in the price variable). It turns out that this family of strategies is closed and any element can be approximated by a sequence of elementary strategies.
Furthermore, we study Merton’s portfolio optimization problem in a specific instance of this framework. Assuming that the risky asset evolves according to a geometric Brownian
motion, a proportional bid-ask spread, and Poisson execution times for the limit orders of the small investor, we show that the optimal strategy consists in using market orders to keep the
proportion of wealth invested in the risky asset within certain boundaries, similar to the result for proportional transaction costs, while within these boundaries limit orders are used to profit from the bid-ask spread.
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On a functional contraction method
(2012)
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Henning Sulzbach
- Within the last twenty years, the contraction method has turned out to be a fruitful approach to distributional convergence
of sequences of random variables which obey additive recurrences. It was mainly invented for applications in the
real-valued framework; however, in recent years, more complex state spaces such as Hilbert spaces have been under
consideration. Based upon the family of Zolotarev metrics which were introduced in the late seventies, we develop
the method in the context of Banach spaces and work it out in detail in the case of continuous resp. cadlag functions on the unit interval.
We formulate sufficient conditions for both the sequence under consideration and its possible limit which satisfies a stochastic fixed-point equation,
that allow to deduce functional limit theorems in applications.
As a first application we present a new and considerably short proof of the classical invariance principle due to Donsker. It is based on a recursive
decomposition. Moreover, we apply the method in the analysis of the complexity of partial match queries in two-dimensional search trees such as
quadtrees and 2-d trees. These important data structures have been under heavy investigation since their invention in the seventies. Our results
give answers to problems that have been left open in the pioneering work of Flajolet et al. in the eighties and nineties.
We expect that the functional contraction method will significantly contribute to solutions for similar problems involving additive recursions in
the following years.
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Ordnung der Johann Wolfgang Goethe-Universität für den konsekutiven Bachelor-Master-Studiengang Mathematik vom 2. Juli 2012 : vorläufig genehmigt durch das Präsidium am 11. September 2012
(2012)
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Sharp nonexistence results for a linear elliptic inequality involving Hardy and Leray potentials
(2011)
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Mouhamed Moustapha Fall
Roberta Musina
- We deal with nonnegative distributional supersolutions for a class of linear elliptic equations involving inverse-square potentials and logarithmic weights. We prove sharp nonexistence results.
