Mathematik
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Although everyone is familiar with using algorithms on a daily basis, formulating, understanding and analysing them rigorously has been (and will remain) a challenging task for decades. Therefore, one way of making steps towards their understanding is the formulation of models that are portraying reality, but also remain easy to analyse. In this thesis we take a step towards this way by analyzing one particular problem, the so-called group testing problem. R. Dorfman introduced the problem in 1943. We assume a large population and in this population we find a infected group of individuals. Instead of testing everybody individually, we can test group (for instance by mixing blood samples). In this thesis we look for the minimum number of tests needed such that we can say something meaningful about the infection status. Furthermore we assume various versions of this problem to analyze at what point and why this problem is hard, easy or impossible to solve.
Aus Sicht der Pädagogischen Psychologie ist Lernen ein Prozess, bei dem es zu überdauernden Änderungen im Verhaltenspotenzial als Folge von Erfahrungen kommt. Aus konstruktivistischer Perspektive lässt sich Lernen am besten als eine individuelle Konstruktion von Wissen infolge des Entdeckens, Transformierens und Interpretierens komplexer Informationen durch den Lernenden selbst beschreiben. Erkennt der Lernende den Sinn und übernimmt, erweitert oder verändert ihn für sich selbst, so ist der Grundstein für nachhaltiges Lernen gelegt.
Lernen ist ein sehr individueller Prozess. Schule muss also individuelles Lernen auch im Klassenverband ermöglichen und der Lehrende muss zum Lerncoach werden, da sonst kein individuelles und eigenaktives Lernen möglich ist. Das Unterrichtskonzept des forschend-entdeckenden Lernens bietet genau diese Möglichkeit. Es erlaubt die Erfüllung der drei Grundbedürfnisse eines Menschen nach Kompetenz, Autonomie und sozialer Eingebundenheit und ermöglicht damit Motivation, Leistung und Wohlbefinden (Ryan & Deci, 2004).
Forschend-entdeckendes Lernen im Mathematikunterricht ist schrittweise geprägt von folgenden Merkmalen:
- eine problemorientierte Organisation
- selbstständiges, eigenaktives und eigenverantwortliches Lernen der Schülerinnen und Schüler
- individuelle Lernwege und Lernprozesse
- Entwicklung eigener Fragestellungen und Vorgehensweisen der Lernenden
- eigenes Aufstellen von Hypothesen und Vermutungen; Überprüfung der Vermutungen; Dokumentation, Interpretation und Präsentation der Ergebnisse
- eine fördernde Atmosphäre, in der die Lernenden nach und nach forschende Arbeitstechniken vermitteln bekommen
- kooperative Lernformen und damit Förderung von Team- und Kommunikationsfähigkeit
- Unterrichtsinhalte mit hohem Realitäts- und Sinnbezug, gesellschaftlicher Relevanz, Möglichkeiten der Interdisziplinarität
- Stetige Angebote der Unterstützung
Das entdeckende Lernen kann als Vorstufe des forschenden Lernens gesehen werden, da hier der wissenschaftliche Fokus noch nicht so stark ausgeprägt ist. Um alle Phasen auf dem Weg zu annähernd wissenschaftlichen forschenden Lernens anzusprechen, verwenden wir den Begriff des forschend-entdeckenden Lernens.
Voraussetzung ist, dass die Lehrkräfte das forschende Lernen als aktiven, produktiven und selbstbestimmten Lernprozess selbst zuvor erlebt haben müssen. Unter anderem können die Lehrkräfte Unterrichtsprozesse danach besser planen und währenddessen unterstützen, da sie selbst forschend-entdeckendem Lernen „ausgesetzt“ waren und vergleichbare Prozesse durchlebt haben.
Hiermit wird deutlich, dass forschendes Lernen nicht bedeuten kann, dass die Schülerinnen und Schüler auf sich gestellt sind. Die gezielte Unterstützung der Lernenden beim Entdecken und Forschen durch die Lehrkraft ist für einen ertragreichen Lernerfolg unverzichtbar und muss Teil der Vorbereitung und des Prozesses sein.
Internationale Studien zeigen, dass forschend-entdeckende Unterrichtsansätze (inquiry-based learning IBL) im Mathematikunterricht bei geeigneter Umsetzung Lernen verbessern, Lernerfolg und Lernleistung steigern und Freude gegenüber Mathematikunterricht erhöhen können. Die Implementierung dieses Unterrichtsansatzes ist trotz der positiven Ergebnisse nicht alltäglich.
Um neue Unterrichtskonzepte in den Schulalltag zu bringen beziehungsweise um bestehende Unterrichtskonzepte neu in den Schulalltag zu bringen bedarf es Fortbildungen zur Professionalisierung von Lehrerinnen und Lehrern.
In this thesis, the focus is on the actions of primary school children using digital and analogue materials in comparable mathematical situations. To emphasise actions on different materials in the mathematical learning process, a semiotic perspective according to C. S. Peirce (CP 1931-35) on mathematics learning is adopted. This theoretical research perspective highlights the activity itself on diagrams as a mathematical activity and brings actions to the forefront of interest. The actions on comparable digital and analogue diagrams are the basis for the reconstruction of mathematical interpretations of learners in 3rd and 4th grade.
The research questions investigate to what extent possible differences between the reconstructed interpretations of the learners can be attributed to the different materials and what influence the material has on the mathematical relationships that the learners take into account in their actions to manipulate the diagram.
For the reconstruction of the diagram interpretations based on the learners' actions on the material, a semiotic specification of Vogel's (2017) adaptation of Mayring's (2014) context analysis is used. This specification is based on Peirce's triadic theory of signs (Billion, 2023). The reconstructed interpretations of the analogue and digital diagrams are compared in a second step to identify possible differences and similarities.
The results of the qualitative analyses show, among other things, that despite the different actions of the learners on the digital and analogue diagrams, it is possible to reconstruct the same diagram interpretations if the learners establish the same mathematical relationships between the parts of the diagrams in their actions. There are also passages in the analyses where the same diagram interpretations cannot be reconstructed based on the actions on the digital and analogue materials. If the digital material acts as a tool and automatically creates several relationships between the parts of the diagram triggered by an action, then the reconstruction of the learners' diagram interpretations based on the analysis of their actions is partially possible. If the tool automatically establishes relationships, these must then be interpreted by the learners using gestures and phonetic utterances to understand the newly created diagram. Thus, a tool changes how mathematical relationships are expressed, because learners no longer have to interpret the relationships before their actions to manipulate the diagram itself, but afterwards through gestures and phonetic utterances. Regarding diagrammatic reasoning according to Peirce (NEM IV), this means that with analogue material the focus is on the construction and manipulation of diagrams through rule-guided actions, whereas with digital material, which functions as a tool, there is more emphasis on observing the results of the manipulations on the diagram.
At the end of the thesis, a recommendation for teachers on how to design mathematics lessons for primary school children using digital and analogue materials will be derived from the results.
The literature cited in this summary can be found in the references of the presented thesis.
We provide extensions of the dual variational method for the nonlinear Helmholtz equation from Evéquoz and Weth. In particular we prove the existence of dual ground state solutions in the Sobolev critical case, extend the dual method beyond the standard Stein Tomas and Kenig Ruiz Sogge range and generalize the method for sign changing nonlinearities.
The problem of unconstrained or constrained optimization occurs in many branches of mathematics and various fields of application. It is, however, an NP-hard problem in general. In this thesis, we examine an approximation approach based on the class of SAGE exponentials, which are nonnegative exponential sums. We examine this SAGE-cone, its geometry, and generalizations. The thesis consists of three main parts:
1. In the first part, we focus purely on the cone of sums of globally nonnegative exponential sums with at most one negative term, the SAGE-cone. We ex- amine the duality theory, extreme rays of the cone, and provide two efficient optimization approaches over the SAGE-cone and its dual.
2. In the second part, we introduce and study the so-called S-cone, which pro- vides a uniform framework for SAGE exponentials and SONC polynomials. In particular, we focus on second-order representations of the S-cone and its dual using extremality results from the first part.
3. In the third and last part of this thesis, we turn towards examining the con- ditional SAGE-cone. We develop a notion of sublinear circuits leading to new duality results and a partial characterization of extremality. In the case of poly- hedral constraint sets, this examination is simplified and allows us to classify sublinear circuits and extremality for some cases completely. For constraint sets with certain conditions such as sets with symmetries, conic, or polyhedral sets, various optimization and representation results from the unconstrained setting can be applied to the constrained case.
We study continuous dually epi-translation invariant valuations on certain cones of convex functions containing the space of finite-valued convex functions. Using the homogeneous decomposition of this space, we associate a certain distribution to any homogeneous valuation similar to the Goodey-Weil embedding for translation invariant valuations on convex bodies. The support of these distributions induces a corresponding notion of support for the underlying valuations, which imposes certain restrictions on these functionals, and we study the relation between the support of a valuation and its domain. This gives a partial answer to the question which dually epi-translation invariant valuations on finite-valued convex functions can be extended to larger cones of convex functions.
We also study topological properties of spaces of valuations with support contained in a fixed compact set. As an application of these results, we introduce the class of smooth valuations on convex functions and show that the subspace of smooth dually epi-translation invariant valuations is dense in the space of continuous dually epi-translation invariant valuation on finite-valued convex functions. These smooth valuations are given by integrating certain smooth differential forms over the graph of the differential of a convex function. We use this construction to give a characterization of a dense subspace of all continuous valuations on finite-valued convex functions that are rotation invariant as well as dually epi-translation invariant.
Using results from Alesker's theory of smooth valuations on convex bodies, we also show that any smooth valuation can be written as a convergent sum of mixed Hessian valuations. In particular, mixed Hessian valuations span a dense subspace, which is a version of McMullen’s conjecture for valuations on convex functions.
Strong convergence rates for numerical approximations of stochastic partial differential equations
(2018)
In this thesis and in the research articles which this thesis consists of, respectively, we focus on strong convergence rates for numerical approximations of stochastic partial differential equations (SPDEs). In Part I of this thesis, i.e., Chapter 2 and Chapter 3, we study higher order numerical schemes for SPDEs with multiplicative trace class noise based on suitable Taylor expansions of the Lipschitz continuous coefficients of the SPDEs under consideration. More precisely, Chapter 2 proves strong convergence rates for a linear implicit Euler-Milstein scheme for SPDEs and is based on an unpublished manuscript written by the author of this thesis. This chapter extends an earlier result1 by slightly lowering the assumptions posed on the diffusion coefficient and a different approximation of the semigroup. In Chapter 3 we introduce an exponential Wagner-Platen type numerical scheme for SPDEs and prove that this numerical approximation method converges in the strong sense with oder up to 3/2−. Moreover, we illustrate how the (mixed) iterated stochastic-deterministic integrals, that are part of our numerical scheme, can be simulated exactly under suitable assumptions.
The second part of this thesis, i.e. Chapter 4 and Chapter 5, is devoted to strong convergence rates for numerical approximations of SPDEs with superlinearly growing nonlinearities driven by additive space-time white noise. More specifically, in Chapter 4, we prove strong convergence with rate in the time variable for a class of nonlinearity-truncated numerical approximation schemes for SPDEs and provide examples that fit into our abstract setting like stochastic Allen-Cahn equations. Finally, in Chapter 5, we extend this result with spatial approximations and establish strong convergence rates for a class of full-discrete nonlinearity truncated numerical approximation schemes for SPDEs. Moreover, we apply our strong convergence result to stochastic Allen-Cahn equations and provide lower and upper bounds which show that our strong convergence result can, in general, not essentially be improved.
We study exchangeable coalescent trees and the evolving genealogical trees in models for neutral haploid populations.
We show that every exchangeable infinite coalescent tree can be obtained as the genealogical tree of iid samples from a random marked metric measure space when the marks are added to the metric distances. We apply this representation to generalize the tree-valued Fleming-Viot process to include the case with dust in which the genealogical trees have isolated leaves.
Using the Donnelly-Kurtz lookdown approach, we describe all individuals ever alive in the population model by a random complete and separable metric space, the lookdown space, which we endow with a family of sampling measures. This yields a pathwise construction of tree-valued Fleming-Viot processes. In the case of coming down from infinity, we also read off a process whose state space is endowed with the Gromov-Hausdorff-Prohorov topology. This process has additional jumps at the extinction times of parts of the population.
In the case with only binary reproduction events, we construct the lookdown space also from the Aldous continuum random tree by removing the root and the highest leaf, and by deforming the metric in a way that corresponds to the time change that relates the Fleming-Viot process with a Dawson-Watanabe process. The sampling measures on the lookdown space are then image measures of the normalized local time measures.
We also show invariance principles for Markov chains that describe the evolving genealogy in Cannings models. For such Markov chains with values in the space of distance matrix distributions, we show convergence to tree-valued Fleming-Viot processes under the conditions of Möhle and Sagitov for the convergence of the genealogy at a fixed time to a coalescent with simultaneous multiple mergers. For the convergence of Markov chains with values in the space of marked metric measure spaces, an additional assumption is needed in the case with dust.
Die Populationsgenetik beschäftigt sich mit dem Einfluss von zufälliger Reproduktion, Rekombination, Migration, Mutation und Selektion auf die genetische Struktur einer Population.
In dieser Arbeit mit dem englischen Titel "Ancestral lines under mutation and selection" wird das Zusammenspiel von zufälliger Reproduktion, gerichteter Selektion und Zweiwegmutation untersucht.
Dazu betrachten wir eine haploide Population in der jedes Individuum zu jedem Zeitpunkt genau einen von zwei Typen aus S:={0,1} trägt. Dabei sei 1 der neutrale und 0 der selektiv bevorzugte Typ. Im Diffusionslimes sehr großer Populationen modellieren wir den Prozess der Frequenz der Typ-0-Individuen durch eine Wright-Fisher-Diffusion X:=(X_t) mit Mutation und gerichteter Selektion.
Zu jedem Zeitpunkt s gibt es genau ein Individuum, dessen Nachkommen ab einem bestimmten zukünftigen Zeitpunkt t>s die gesamte Population ausmachen werden. Wir nennen dieses Individuum den gemeinsamen Vorfahren zum Zeitpunkt s, da alle Individuen zu allen Zeitpunkten r>t von ihm abstammen. Sei R_{s} dessen Typ zum Zeitpunkt s. Wir nehmen an, dass der Prozess X zum Zeitpunkt 0 im Gleichgewicht ist und definieren die Wahrscheinlichkeit, dass der gemeinsame Vorfahre zum Zeitpunkt 0 Typ 0 hat, durch h(x):= P(R_{0}=0|X_{0}=x). Eine Darstellung von h(x) wurde bereits von Fearnhead (2002) und Taylor (2007) gefunden und dort mit vorwiegend analytischen Methoden bewiesen. In dieser Arbeit entwickeln wir in Kapitel 3 ein neues Teilchenbild, den pruned lookdown ancestral selection graph (pruned LD-ASG), der für sich selbst genommen interessant ist und eine neue probabilistische Interpretation der Darstellung von h(x) liefert.
Durch Erweiterung des Teilchenbildes auf Nachkommenverteilungen mit schweren Tails und mit Hilfe einer Siegmund Dualität gelingt es uns in Kapitel 4 das Resultat für h(x) von klassischen Wright-Fisher-Diffusionen auf Lambda-Wright-Fisher-Diffuison zu erweitern.
Eine Verbindung zwischen Ideen von Taylor (2007), der den gemeinsamen Prozess (X,R) untersucht hat, und einem von Fearnhead (2002) betrachteten Prozess (R,V), der die Entwicklung des Typs R des gemeinsamen Vorfahren in einer Umgebung von V sogenannten virtuellen Linien beschreibt, stellen wir in Kapitel 6 her. Wir bestimmen die gemeinsame Dynamik des Tripels (X,R,V). In Kapitel 7 betrachten wir ein diskretes Bild mit endlicher Populationsgröße N und schlagen dort eine Brücke zu Resultaten von Kluth, Hustedt und Baake (2013).
Des Weiteren entwickeln wir in Kapitel 5 dieser Arbeit einen Algorithmus zur Simulation der Typen einer Stichprobe von m Individuen, die aus einer Wright-Fisher-Population mit Mutation und Selektion im Gleichgewicht gezogen wird. Mittels dieses Algorithmus illustrieren wir die Typenverteilung für verschiedene Parameterwerte und Stichprobengrößen.
The condensation phase transition and the number of solutions in random graph and hypergraph models
(2016)
This PhD thesis deals with two different types of questions on random graph and random hypergraph structures.
One part is about the proof of the existence and the determination of the location of the condensation phase transition. This transition will be investigated for large values of $k$ in the problem of $k$-colouring random graphs and in the problem of 2-colouring random $k$-uniform hypergraphs, where in the latter case we investigate a more general model with finite inverse temperature.
The other part deals with establishing the limiting distribution of the number of solutions in these structures in density regimes below the condensation threshold.