A High Order Finite Volume Scheme for the 2D Shallow Water Equations Including Topography

Inhalt dieser Arbeit ist ein Verfahren zur numerischen Lösung der zweidimensionalen Flachwassergleichung, welche das Fließverhalten von Gewässern, deren Oberflächenausdehnung wesentlich größer als deren Tiefe ist, modelliert. Diese Gleichung beschreibt die gravitationsbedingte zeitliche Änderung eines gegebenen Anfangszustandes bei Gewässern mit freier Oberfläche. Diese Klasse beinhaltet Probleme wie das Verhalten von Wellen an flachen Stränden oder die Bewegung einer Flutwelle in einem Fluss. Diese Beispiele zeigen deutlich die Notwendigkeit, den Einfluss von Topographie sowie die Behandlung von Nass/Trockenübergängen im Verfahren zu berücksichtigen. In der vorliegenden Dissertation wird ein, in Gebieten mit hinreichender Wasserhöhe, hochgenaues Finite-Volumen-Verfahren zur numerischen Bestimmung des zeitlichen Verlaufs der Lösung der zweidimensionalen Flachwassergleichung aus gegebenen Anfangs- und Randbedingungen auf einem unstrukturierten Gitter vorgestellt, welches in der Lage ist, den Einfluss topographischer Quellterme auf die Strömung zu berücksichtigen, sowie in sogenannten \glqq lake at rest\grqq-stationären Zuständen diesen Einfluss mit den numerischen Flüssen exakt auszubalancieren. Basis des Verfahrens ist ein Finite-Volumen-Ansatz erster Ordnung, welcher durch eine WENO Rekonstruktion unter Verwendung der Methode der kleinsten Quadrate und eine sogenannte Space Time Expansion erweitert wird mit dem Ziel, ein Verfahren beliebig hoher Ordnung zu erhalten. Die im Verfahren auftretenden Riemannprobleme werden mit dem Riemannlöser von Chinnayya, LeRoux und Seguin von 1999 gelöst, welcher die Einflüsse der Topographie auf den Strömungsverlauf mit berücksichtigt. Es wird in der Arbeit bewiesen, dass die Koeffizienten der durch das WENO-Verfahren berechneten Rekonstruktionspolynome die räumlichen Ableitungen der zu rekonstruierenden Funktion mit einem zur Verfahrensordnung passenden Genauigkeitsgrad approximieren. Ebenso wird bewiesen, dass die Koeffizienten des aus der Space Time Expansion resultierenden Polynoms die räumlichen und zeitlichen Ableitungen der Lösung des Anfangswertproblems approximieren. Darüber hinaus wird die wohlbalanciertheit des Verfahrens für beliebig hohe numerische Ordnung bewiesen. Für die Behandlung von Nass/Trockenübergangen wird eine Methode zur Ordnungsreduktion abhängig von Wasserhöhe und Zellgröße vorgeschlagen. Dies ist notwendig, um in der Rechnung negative Werte für die Wasserhöhe, welche als Folge von Oszillationen des Raum-Zeit-Polynoms auftreten können, zu vermeiden. Numerische Ergebnisse die die theoretische Verfahrensordnung bestätigen werden ebenso präsentiert wie Beispiele, welche die hervorragenden Eigenschaften des Gesamtverfahrens in der Berechnung herausfordernder Probleme demonstrieren.

Identifikation spezieller Funktionen, die durch Rodriguesformeln gegeben sind

Es ist allgemein bekannt, dass sich zwei gegebene Systeme spezieller Funktionen durch Angabe einer Rekursionsgleichung und entsprechend vieler Anfangswerte identifizieren lassen, denn computeralgebraisch betrachtet hat man damit eine Normalform vorliegen. Daher hat sich die interessante Forschungsfrage ergeben, Funktionensysteme zu identifizieren, die über ihre Rodriguesformel gegeben sind. Zieht man den in den 1990er Jahren gefundenen Zeilberger-Algorithmus für holonome Funktionenfamilien hinzu, kann die Rodriguesformel algorithmisch in eine Rekursionsgleichung überführt werden. Falls die Funktionenfamilie überdies hypergeometrisch ist, sogar laufzeiteffizient. Um den Zeilberger-Algorithmus überhaupt anwenden zu können, muss es gelingen, die Rodriguesformel in eine Summe umzuwandeln. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Umwandlung einer Rodriguesformel in die genannte Normalform für den kontinuierlichen, den diskreten sowie den q-diskreten Fall vollständig. Das in Almkvist und Zeilberger (1990) angegebene Vorgehen im kontinuierlichen Fall, wo die in der Rodriguesformel auftauchende n-te Ableitung über die Cauchysche Integralformel in ein komplexes Integral überführt wird, zeigt sich im diskreten Fall nun dergestalt, dass die n-te Potenz des Vorwärtsdifferenzenoperators in eine Summenschreibweise überführt wird. Die Rekursionsgleichung aus dieser Summe zu generieren, ist dann mit dem diskreten Zeilberger-Algorithmus einfach. Im q-Fall wird dargestellt, wie Rekursionsgleichungen aus vier verschiedenen q-Rodriguesformeln gewonnen werden können, wobei zunächst die n-te Potenz der jeweiligen q-Operatoren in eine Summe überführt wird. Drei der vier Summenformeln waren bislang unbekannt. Sie wurden experimentell gefunden und per vollständiger Induktion bewiesen. Der q-Zeilberger-Algorithmus erzeugt anschließend aus diesen Summen die gewünschte Rekursionsgleichung. In der Praxis ist es sinnvoll, den schnellen Zeilberger-Algorithmus anzuwenden, der Rekursionsgleichungen für bestimmte Summen über hypergeometrische Terme ausgibt. Auf dieser Fassung des Algorithmus basierend wurden die Überlegungen in Maple realisiert. Es ist daher sinnvoll, dass alle hier aufgeführten Prozeduren, die aus kontinuierlichen, diskreten sowie q-diskreten Rodriguesformeln jeweils Rekursionsgleichungen erzeugen, an den hypergeometrischen Funktionenfamilien der klassischen orthogonalen Polynome, der klassischen diskreten orthogonalen Polynome und an der q-Hahn-Klasse des Askey-Wilson-Schemas vollständig getestet werden. Die Testergebnisse liegen tabellarisch vor. Ein bedeutendes Forschungsergebnis ist, dass mit der im q-Fall implementierten Prozedur zur Erzeugung einer Rekursionsgleichung aus der Rodriguesformel bewiesen werden konnte, dass die im Standardwerk von Koekoek/Lesky/Swarttouw(2010) angegebene Rodriguesformel der Stieltjes-Wigert-Polynome nicht korrekt ist. Die richtige Rodriguesformel wurde experimentell gefunden und mit den bereitgestellten Methoden bewiesen. Hervorzuheben bleibt, dass an Stelle von Rekursionsgleichungen analog Differential- bzw. Differenzengleichungen für die Identifikation erzeugt wurden. Wie gesagt gehört zu einer Normalform für eine holonome Funktionenfamilie die Angabe der Anfangswerte. Für den kontinuierlichen Fall wurden umfangreiche, in dieser Gestalt in der Literatur noch nie aufgeführte Anfangswertberechnungen vorgenommen. Im diskreten Fall musste für die Anfangswertberechnung zur Differenzengleichung der Petkovsek-van-Hoeij-Algorithmus hinzugezogen werden, um die hypergeometrischen Lösungen der resultierenden Rekursionsgleichungen zu bestimmen. Die Arbeit stellt zu Beginn den schnellen Zeilberger-Algorithmus in seiner kontinuierlichen, diskreten und q-diskreten Variante vor, der das Fundament für die weiteren Betrachtungen bildet. Dabei wird gebührend auf die Unterschiede zwischen q-Zeilberger-Algorithmus und diskretem Zeilberger-Algorithmus eingegangen. Bei der praktischen Umsetzung wird Bezug auf die in Maple umgesetzten Zeilberger-Implementationen aus Koepf(1998/2014) genommen. Die meisten der umgesetzten Prozeduren werden im Text dokumentiert. Somit wird ein vollständiges Paket an Algorithmen bereitgestellt, mit denen beispielsweise Formelsammlungen für hypergeometrische Funktionenfamilien überprüft werden können, deren Rodriguesformeln bekannt sind. Gleichzeitig kann in Zukunft für noch nicht erforschte hypergeometrische Funktionenklassen die beschreibende Rekursionsgleichung erzeugt werden, wenn die Rodriguesformel bekannt ist.

Bayesian tools for zero counts in compositional data

The log-ratio methodology makes available powerful tools for analyzing compositional data. Nevertheless, the use of this methodology is only possible for those data sets without null values. Consequently, in those data sets where the zeros are present, a previous treatment becomes necessary. Last advances in the treatment of compositional zeros have been centered especially in the zeros of structural nature and in the rounded zeros. These tools do not contemplate the particular case of count compositional data sets with null values. In this work we deal with \count zeros" and we introduce a treatment based on a mixed Bayesian-multiplicative estimation. We use the Dirichlet probability distribution as a prior and we estimate the posterior probabilities. Then we apply a multiplicative modi¯cation for the non-zero values. We present a case study where this new methodology is applied. Key words: count data, multiplicative replacement, composition, log-ratio analysis

Three-dimensional random Voronoi tessellations: From cubic crystal lattices to Poisson point processes

We perturb the SC, BCC, and FCC crystal structures with a spatial Gaussian noise whose adimensional strength is controlled by the parameter a, and analyze the topological and metrical properties of the resulting Voronoi Tessellations (VT). The topological properties of the VT of the SC and FCC crystals are unstable with respect to the introduction of noise, because the corresponding polyhedra are geometrically degenerate, whereas the tessellation of the BCC crystal is topologically stable even against noise of small but finite intensity. For weak noise, the mean area of the perturbed BCC and FCC crystals VT increases quadratically with a. In the case of perturbed SCC crystals, there is an optimal amount of noise that minimizes the mean area of the cells. Already for a moderate noise (a>0.5), the properties of the three perturbed VT are indistinguishable, and for intense noise (a>2), results converge to the Poisson-VT limit. Notably, 2-parameter gamma distributions are an excellent model for the empirical of of all considered properties. The VT of the perturbed BCC and FCC structures are local maxima for the isoperimetric quotient, which measures the degre of sphericity of the cells, among space filling VT. In the BCC case, this suggests a weaker form of the recentluy disproved Kelvin conjecture. Due to the fluctuations of the shape of the cells, anomalous scalings with exponents >3/2 is observed between the area and the volumes of the cells, and, except for the FCC case, also for a->0. In the Poisson-VT limit, the exponent is about 1.67. As the number of faces is positively correlated with the sphericity of the cells, the anomalous scaling is heavily reduced when we perform powerlaw fits separately on cells with a specific number of faces.

Vekua theory for the Helmholtz operator

Vekua operators map harmonic functions defined on domain in \mathbb R2R2 to solutions of elliptic partial differential equations on the same domain and vice versa. In this paper, following the original work of I. Vekua (Ilja Vekua (1907–1977), Soviet-Georgian mathematician), we define Vekua operators in the case of the Helmholtz equation in a completely explicit fashion, in any space dimension N ≥ 2. We prove (i) that they actually transform harmonic functions and Helmholtz solutions into each other; (ii) that they are inverse to each other; and (iii) that they are continuous in any Sobolev norm in star-shaped Lipschitz domains. Finally, we define and compute the generalized harmonic polynomials as the Vekua transforms of harmonic polynomials. These results are instrumental in proving approximation estimates for solutions of the Helmholtz equation in spaces of circular, spherical, and plane waves.

A high frequency $hp$ boundary element method for scattering by convex polygons

In this paper we propose and analyze a hybrid $hp$ boundary element method for the solution of problems of high frequency acoustic scattering by sound-soft convex polygons, in which the approximation space is enriched with oscillatory basis functions which efficiently capture the high frequency asymptotics of the solution. We demonstrate, both theoretically and via numerical examples, exponential convergence with respect to the order of the polynomials, moreover providing rigorous error estimates for our approximations to the solution and to the far field pattern, in which the dependence on the frequency of all constants is explicit. Importantly, these estimates prove that, to achieve any desired accuracy in the computation of these quantities, it is sufficient to increase the number of degrees of freedom in proportion to the logarithm of the frequency as the frequency increases, in contrast to the at least linear growth required by conventional methods.

Invariant theory and reversible-equivariant vector fields

In this paper we present results for the systematic study of reversible-equivariant vector fields - namely, in the simultaneous presence of symmetries and reversing symmetries - by employing algebraic techniques from invariant theory for compact Lie groups. The Hilbert-Poincare series and their associated Molien formulae are introduced,and we prove the character formulae for the computation of dimensions of spaces of homogeneous anti-invariant polynomial functions and reversible-equivariant polynomial mappings. A symbolic algorithm is obtained for the computation of generators for the module of reversible-equivariant polynomial mappings over the ring of invariant polynomials. We show that this computation can be obtained directly from a well-known situation, namely from the generators of the ring of invariants and the module of the equivariants. (C) 2008 Elsevier B.V, All rights reserved.

Reaction-diffusion systems coupled at the boundary and the Morse-Smale property

We study an one-dimensional nonlinear reaction-diffusion system coupled on the boundary. Such system comes from modeling problems of temperature distribution on two bars of same length, jointed together, with different diffusion coefficients. We prove the transversality property of unstable and stable manifolds assuming all equilibrium points are hyperbolic. To this end, we write the system as an equation with noncontinuous diffusion coefficient. We then study the nonincreasing property of the number of zeros of a linearized nonautonomous equation as well as the Sturm-Liouville properties of the solutions of a linear elliptic problem. (C) 2008 Elsevier Inc. All rights reserved.

Finite-dimensional non-associative algebras and codimension growth

Let A be a (non-necessarily associative) finite-dimensional algebra over a field of characteristic zero. A quantitative estimate of the polynomial identities satisfied by A is achieved through the study of the asymptotics of the sequence of codimensions of A. It is well known that for such an algebra this sequence is exponentially bounded. Here we capture the exponential rate of growth of the sequence of codimensions for several classes of algebras including simple algebras with a special non-degenerate form, finite-dimensional Jordan or alternative algebras and many more. In all cases such rate of growth is integer and is explicitly related to the dimension of a subalgebra of A. One of the main tools of independent interest is the construction in the free non-associative algebra of multialternating polynomials satisfying special properties. (C) 2010 Elsevier Inc. All rights reserved.

LMI-based algorithm for strictly positive real systems with static output feedback

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

O sobre-sinal e a resposta inversa em sistemas de controle lineares contínuos no tempo

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

THE STRONG C-SYMMETRICAL DISTRIBUTION

In this paper, we consider a class of strong symmetric distributions, which we refer to as the strong c-symmetric distributions. We provide, as the main result of this paper, conditions satisfied by the recurrence relations of certain polynomials associated with these distributions.

Modified Chebyshev algorithm: some applications

Two applications of the modified Chebyshev algorithm are considered. The first application deals with the generation of orthogonal polynomials associated with a weight function having singularities on or near the end points of the interval of orthogonality. The other application involves the generation of real Szego polynomials.

Fatores de Correção para Ganho de Peso Médio Diário no Período do Nascimento ao Desmame em Bovinos da Raça Nelore

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Constrained intervals and interval spaces

Constrained intervals, intervals as a mapping from [0, 1] to polynomials of degree one (linear functions) with non-negative slopes, and arithmetic on constrained intervals generate a space that turns out to be a cancellative abelian monoid albeit with a richer set of properties than the usual (standard) space of interval arithmetic. This means that not only do we have the classical embedding as developed by H. Radström, S. Markov, and the extension of E. Kaucher but the properties of these polynomials. We study the geometry of the embedding of intervals into a quasilinear space and some of the properties of the mapping of constrained intervals into a space of polynomials. It is assumed that the reader is familiar with the basic notions of interval arithmetic and interval analysis. © 2013 Springer-Verlag Berlin Heidelberg.