Quasi-Interpolation von Funktionen und Anwendungen auf Potentialprobleme

Ausgangspunkt der Dissertation ist ein von V. Maz'ya entwickeltes Verfahren, eine gegebene Funktion f : Rn ! R durch eine Linearkombination fh radialer glatter exponentiell fallender Basisfunktionen zu approximieren, die im Gegensatz zu den Splines lediglich eine näherungsweise Zerlegung der Eins bilden und somit ein für h ! 0 nicht konvergentes Verfahren definieren. Dieses Verfahren wurde unter dem Namen Approximate Approximations bekannt. Es zeigt sich jedoch, dass diese fehlende Konvergenz für die Praxis nicht relevant ist, da der Fehler zwischen f und der Approximation fh über gewisse Parameter unterhalb der Maschinengenauigkeit heutiger Rechner eingestellt werden kann. Darüber hinaus besitzt das Verfahren große Vorteile bei der numerischen Lösung von Cauchy-Problemen der Form Lu = f mit einem geeigneten linearen partiellen Differentialoperator L im Rn. Approximiert man die rechte Seite f durch fh, so lassen sich in vielen Fällen explizite Formeln für die entsprechenden approximativen Volumenpotentiale uh angeben, die nur noch eine eindimensionale Integration (z.B. die Errorfunktion) enthalten. Zur numerischen Lösung von Randwertproblemen ist das von Maz'ya entwickelte Verfahren bisher noch nicht genutzt worden, mit Ausnahme heuristischer bzw. experimenteller Betrachtungen zur sogenannten Randpunktmethode. Hier setzt die Dissertation ein. Auf der Grundlage radialer Basisfunktionen wird ein neues Approximationsverfahren entwickelt, welches die Vorzüge der von Maz'ya für Cauchy-Probleme entwickelten Methode auf die numerische Lösung von Randwertproblemen überträgt. Dabei werden stellvertretend das innere Dirichlet-Problem für die Laplace-Gleichung und für die Stokes-Gleichungen im R2 behandelt, wobei für jeden der einzelnen Approximationsschritte Konvergenzuntersuchungen durchgeführt und Fehlerabschätzungen angegeben werden.

Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Dispersion von Dichteströmungen in einem stochastischen Modellaquifer

Es ist bekannt, dass die Dichte eines gelösten Stoffes die Richtung und die Stärke seiner Bewegung im Untergrund entscheidend bestimmen kann. Eine Vielzahl von Untersuchungen hat gezeigt, dass die Verteilung der Durchlässigkeiten eines porösen Mediums diese Dichteffekte verstärken oder abmindern kann. Wie sich dieser gekoppelte Effekt auf die Vermischung zweier Fluide auswirkt, wurde in dieser Arbeit untersucht und dabei das experimentelle sowohl mit dem numerischen als auch mit dem analytischen Modell gekoppelt. Die auf der Störungstheorie basierende stochastische Theorie der macrodispersion wurde in dieser Arbeit für den Fall der transversalen Makodispersion. Für den Fall einer stabilen Schichtung wurde in einem Modelltank (10m x 1.2m x 0.1m) der Universität Kassel eine Serie sorgfältig kontrollierter zweidimensionaler Experimente an einem stochastisch heterogenen Modellaquifer durchgeführt. Es wurden Versuchsreihen mit variierenden Konzentrationsdifferenzen (250 ppm bis 100 000 ppm) und Strömungsgeschwindigkeiten (u = 1 m/ d bis 8 m/d) an drei verschieden anisotrop gepackten porösen Medien mit variierender Varianzen und Korrelationen der lognormal verteilten Permeabilitäten durchgeführt. Die stationäre räumliche Konzentrationsausbreitung der sich ausbreitenden Salzwasserfahne wurde anhand der Leitfähigkeit gemessen und aus der Höhendifferenz des 84- und 16-prozentigen relativen Konzentrationsdurchgang die Dispersion berechnet. Parallel dazu wurde ein numerisches Modell mit dem dichteabhängigen Finite-Elemente-Strömungs- und Transport-Programm SUTRA aufgestellt. Mit dem kalibrierten numerischen Modell wurden Prognosen für mögliche Transportszenarien, Sensitivitätsanalysen und stochastische Simulationen nach der Monte-Carlo-Methode durchgeführt. Die Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit erfolgte - sowohl im experimentellen als auch im numerischen Modell - über konstante Druckränder an den Ein- und Auslauftanks. Dabei zeigte sich eine starke Sensitivität der räumlichen Konzentrationsausbreitung hinsichtlich lokaler Druckvariationen. Die Untersuchungen ergaben, dass sich die Konzentrationsfahne mit steigendem Abstand von der Einströmkante wellenförmig einem effektiven Wert annähert, aus dem die Makrodispersivität ermittelt werden kann. Dabei zeigten sich sichtbare nichtergodische Effekte, d.h. starke Abweichungen in den zweiten räumlichen Momenten der Konzentrationsverteilung der deterministischen Experimente von den Erwartungswerten aus der stochastischen Theorie. Die transversale Makrodispersivität stieg proportional zur Varianz und Korrelation der lognormalen Permeabilitätsverteilung und umgekehrt proportional zur Strömungsgeschwindigkeit und Dichtedifferenz zweier Fluide. Aus dem von Welty et al. [2003] mittels Störungstheorie entwickelten dichteabhängigen Makrodispersionstensor konnte in dieser Arbeit die stochastische Formel für die transversale Makrodispersion weiter entwickelt und - sowohl experimentell als auch numerisch - verifiziert werden.

Zur Konvergenz der Randpunktmethode

Das von Maz'ya eingeführte Approximationsverfahren, die Methode der näherungsweisen Näherungen (Approximate Approximations), kann auch zur numerischen Lösung von Randintegralgleichungen verwendet werden (Randpunktmethode). In diesem Fall hängen die Komponenten der Matrix des resultierenden Gleichungssystems zur Berechnung der Näherung für die Dichte nur von der Position der Randpunkte und der Richtung der äußeren Einheitsnormalen in diesen Punkten ab. Dieses numerisches Verfahren wird am Beispiel des Dirichlet Problems für die Laplace Gleichung und die Stokes Gleichungen in einem beschränkten zweidimensionalem Gebiet untersucht. Die Randpunktmethode umfasst drei Schritte: Im ersten Schritt wird die unbekannte Dichte durch eine Linearkombination von radialen, exponentiell abklingenden Basisfunktionen approximiert. Im zweiten Schritt wird die Integration über den Rand durch die Integration über die Tangenten in Randpunkten ersetzt. Für die auftretende Näherungspotentiale können sogar analytische Ausdrücke gewonnen werden. Im dritten Schritt wird das lineare Gleichungssystem gelöst, und eine Näherung für die unbekannte Dichte und damit auch für die Lösung der Randwertaufgabe konstruiert. Die Konvergenz dieses Verfahrens wird für glatte konvexe Gebiete nachgewiesen.

Approximate solutions and error estimates for a Stokes boundary value problem

The aim of this paper is the numerical treatment of a boundary value problem for the system of Stokes' equations. For this we extend the method of approximate approximations to boundary value problems. This method was introduced by V. Maz'ya in 1991 and has been used until now for the approximation of smooth functions defined on the whole space and for the approximation of volume potentials. In the present paper we develop an approximation procedure for the solution of the interior Dirichlet problem for the system of Stokes' equations in two dimensions. The procedure is based on potential theoretical considerations in connection with a boundary integral equations method and consists of three approximation steps as follows. In a first step the unknown source density in the potential representation of the solution is replaced by approximate approximations. In a second step the decay behavior of the generating functions is used to gain a suitable approximation for the potential kernel, and in a third step Nyström's method leads to a linear algebraic system for the approximate source density. For every step a convergence analysis is established and corresponding error estimates are given.

Nichtüberlappende Gebietszerlegungsmethoden für lineare und quasilineare (monotone und nichtmonotone) Probleme

In dieser Arbeit werden nichtüberlappende Gebietszerlegungsmethoden einerseits hinsichtlich der zu lösenden Problemklassen verallgemeinert und andererseits in bisher nicht untersuchten Kontexten betrachtet. Dabei stehen funktionalanalytische Untersuchungen zur Wohldefiniertheit, eindeutigen Lösbarkeit und Konvergenz im Vordergrund. Im ersten Teil werden lineare elliptische Dirichlet-Randwertprobleme behandelt, wobei neben Problemen mit dominantem Hauptteil auch solche mit singulärer Störung desselben, wie konvektions- oder reaktionsdominante Probleme zugelassen sind. Der zweite Teil befasst sich mit (gleichmäßig) monotonen koerziven quasilinearen elliptischen Dirichlet-Randwertproblemen. In beiden Fällen wird das Lipschitz-Gebiet in endlich viele Lipschitz-Teilgebiete zerlegt, wobei insbesondere Kreuzungspunkte und Teilgebiete ohne Außenrand zugelassen sind. Anschließend werden Transmissionsprobleme mit frei wählbaren $L^{\infty}$-Parameterfunktionen hergeleitet, wobei die Konormalenableitungen als Funktionale auf geeigneten Funktionenräumen über den Teilrändern ($H_{00}^{1/2}(\Gamma)$) interpretiert werden. Die iterative Lösung dieser Transmissionsprobleme mit einem Ansatz von Deng führt auf eine Substrukturierungsmethode mit Robin-artigen Transmissionsbedingungen, bei der eine Auswertung der Konormalenableitungen aufgrund einer geschickten Aufdatierung der Robin-Daten nicht notwendig ist (insbesondere ist die bekannte Robin-Robin-Methode von Lions als Spezialfall enthalten). Die Konvergenz bezüglich einer partitionierten $H^1$-Norm wird für beide Problemklassen gezeigt. Dabei werden keine über $H^1$ hinausgehende Regularitätsforderungen an die Lösungen gestellt und die Gebiete müssen keine zusätzlichen Glattheitsvoraussetzungen erfüllen. Im letzten Kapitel werden nichtmonotone koerzive quasilineare Probleme untersucht, wobei das Zugrunde liegende Gebiet nur in zwei Lipschitz-Teilgebiete zerlegt sein soll. Das zugehörige nichtlineare Transmissionsproblem wird durch Kirchhoff-Transformation in lineare Teilprobleme mit nichtlinearen Kopplungsbedingungen überführt. Ein optimierungsbasierter Lösungsansatz, welcher einen geeigneten Abstand der rücktransformierten Dirichlet-Daten der linearen Teilprobleme auf den Teilrändern minimiert, führt auf ein optimales Kontrollproblem. Die dabei entstehenden regularisierten freien Minimierungsprobleme werden mit Hilfe eines Gradientenverfahrens unter minimalen Glattheitsforderungen an die Nichtlinearitäten gelöst. Unter zusätzlichen Glattheitsvoraussetzungen an die Nichtlinearitäten und weiteren technischen Voraussetzungen an die Lösung des quasilinearen Ausgangsproblems, kann zudem die quadratische Konvergenz des Newton-Verfahrens gesichert werden.

Attitudes and behaviour towards food attributes and organic food – a triangular methodological investigation of occasional organic consumers

Organic food is increasingly available in the conventional food retail, where organic products are offered alongside with various other types of products and compete mainly with conventional and the so-called conventional-plus products. The latter are conventional products displaying particular quality attributes on the product packaging, such as ‘no artificial additives’, or ‘from animal welfare husbandry’. Often, these quality attributes also apply to organic products. Occasional organic consumers might prefer such conventional-plus alternatives that are perceived to be ‘between’ organic and conventional products. The overall objective of this PhD thesis was to provide information about the segment of occasional organic consumers. In particular, the thesis focussed on consumer perceptions and attitudes towards the quality of, and preferences for, organic, conventional and conventional-plus products in two countries: Germany and Switzerland. To achieve these objectives, qualitative and quantitative consumer research was combined in order to explore occasional organic consumers’ perceptions and attitudes as well as to observe their preferences and buying behaviour regarding different types of food products: organic, conventional and conventional-plus products. The qualitative research showed that, depending on single criteria, organic production was both positively as well as negatively assessed by consumers. Consumer perception of organic food was found to be highly selective and primarily focussed on the final stage of the particular production process. A major problem is that consumers are still mostly unfamiliar with factors associated with organic production, have a lack of confidence, and often confuse organic with conventional products. Besides this, consumer expectations of organic products are different from the expectations of conventional products. The quantitative research revealed that attitudes strongly determine consumers’ preferences for organic, conventional and conventional-plus products. Consumer attitudes tended to differ more between organic and conventional choices rather than conventional-plus and conventional choices. Furthermore, occasional organic consumers are heterogeneous in their preferences. They can be grouped into two segments: the consumers in one segment were less price sensitive and preferred organic products. The consumers in the other segment were more price sensitive and rather preferred conventional-plus or conventional products. To conclude, given the selective and subjective nature of consumer perception and the strong focus of consumer perception on the final stage of the food production process, specific additional values of organic farming should be communicated in clear and catchy messages. At the same time, these messages should be particularly focussed on the final stage of organic food production. The communication of specific added values in relation with organic products to improve the perceived price-performance-ratio is important since conventional-plus products represent an interesting alternative particularly for price sensitive occasional organic consumers. Besides this, it is important to strengthen affirmative consumer attitudes towards organic production. Therefore, policy support should emphasise on long-term communication campaigns and education programmes to increase the consumer awareness and knowledge of organic food and farming. Since consumers expect that organic food is regionally or at least domestically produced while they less accept organic imports, policy support of domestic and regional producers is a crucial measure to fill the current gap between the increasing consumer demand of organic food and the stagnation of the domestic and regional organic food supply.

Short-term poverty dynamics of rural households: Evidence from Central Sulawesi, Indonesia

The understanding of poverty dynamics is crucial for the design of appropriate poverty reduction strategies. Taking the case of Central Sulawesi, we investigate the determinants of both chronic and transitory poverty using data from 264 randomly selected households interviewed in 2005 and 2007. Regarding the US 1$/day poverty line, the headcount index declined from 19.3% in 2005 to 18.2% in 2007. However, we observed an increasing number of people living on less than US 2$/day expressed in purchasing power parity (PPP). The results of the estimated multinomial logit model applied in this study indicate that a lack of non-agricultural employment opportunities and low endowment of social capital are major determinants of chronic as well as transitory poverty in this province of Indonesia. These results are used to draw policy conclusions with respect to the alleviation of transitory and chronic poverty in Central Sulawesi.

Estimating Dependency Structure as a Hidden Variable

This paper introduces a probability model, the mixture of trees that can account for sparse, dynamically changing dependence relationships. We present a family of efficient algorithms that use EMand the Minimum Spanning Tree algorithm to find the ML and MAP mixtureof trees for a variety of priors, including the Dirichlet and the MDL priors.

Estimating Dependency Structure as a Hidden Variable

This paper introduces a probability model, the mixture of trees that can account for sparse, dynamically changing dependence relationships. We present a family of efficient algorithms that use EM and the Minimum Spanning Tree algorithm to find the ML and MAP mixture of trees for a variety of priors, including the Dirichlet and the MDL priors. We also show that the single tree classifier acts like an implicit feature selector, thus making the classification performance insensitive to irrelevant attributes. Experimental results demonstrate the excellent performance of the new model both in density estimation and in classification.

A tale of two logits, compositional data analysis and zero observations

The application of compositional data analysis through log ratio trans- formations corresponds to a multinomial logit model for the shares themselves. This model is characterized by the property of Independence of Irrelevant Alter- natives (IIA). IIA states that the odds ratio in this case the ratio of shares is invariant to the addition or deletion of outcomes to the problem. It is exactly this invariance of the ratio that underlies the commonly used zero replacement procedure in compositional data analysis. In this paper we investigate using the nested logit model that does not embody IIA and an associated zero replacement procedure and compare its performance with that of the more usual approach of using the multinomial logit model. Our comparisons exploit a data set that com- bines voting data by electoral division with corresponding census data for each division for the 2001 Federal election in Australia

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

Quantifying rock fabrics: a test of autocorrelation of the spatial distribution of cristals

A novel test of spatial independence of the distribution of crystals or phases in rocks based on compositional statistics is introduced. It improves and generalizes the common joins-count statistics known from map analysis in geographic information systems. Assigning phases independently to objects in RD is modelled by a single-trial multinomial random function Z(x), where the probabilities of phases add to one and are explicitly modelled as compositions in the K-part simplex SK. Thus, apparent inconsistencies of the tests based on the conventional joins{count statistics and their possibly contradictory interpretations are avoided. In practical applications we assume that the probabilities of phases do not depend on the location but are identical everywhere in the domain of de nition. Thus, the model involves the sum of r independent identical multinomial distributed 1-trial random variables which is an r-trial multinomial distributed random variable. The probabilities of the distribution of the r counts can be considered as a composition in the Q-part simplex SQ. They span the so called Hardy-Weinberg manifold H that is proved to be a K-1-affine subspace of SQ. This is a generalisation of the well-known Hardy-Weinberg law of genetics. If the assignment of phases accounts for some kind of spatial dependence, then the r-trial probabilities do not remain on H. This suggests the use of the Aitchison distance between observed probabilities to H to test dependence. Moreover, when there is a spatial uctuation of the multinomial probabilities, the observed r-trial probabilities move on H. This shift can be used as to check for these uctuations. A practical procedure and an algorithm to perform the test have been developed. Some cases applied to simulated and real data are presented. Key words: Spatial distribution of crystals in rocks, spatial distribution of phases, joins-count statistics, multinomial distribution, Hardy-Weinberg law, Hardy-Weinberg manifold, Aitchison geometry

CODAMAT: a modern analogue techinque for compositional data

The quantitative estimation of Sea Surface Temperatures from fossils assemblages is a fundamental issue in palaeoclimatic and paleooceanographic investigations. The Modern Analogue Technique, a widely adopted method based on direct comparison of fossil assemblages with modern coretop samples, was revised with the aim of conforming it to compositional data analysis. The new CODAMAT method was developed by adopting the Aitchison metric as distance measure. Modern coretop datasets are characterised by a large amount of zeros. The zero replacement was carried out by adopting a Bayesian approach to the zero replacement, based on a posterior estimation of the parameter of the multinomial distribution. The number of modern analogues from which reconstructing the SST was determined by means of a multiple approach by considering the Proxies correlation matrix, Standardized Residual Sum of Squares and Mean Squared Distance. This new CODAMAT method was applied to the planktonic foraminiferal assemblages of a core recovered in the Tyrrhenian Sea. Kew words: Modern analogues, Aitchison distance, Proxies correlation matrix, Standardized Residual Sum of Squares

Bandwidth allocation based on real time calculations using the convolution approach

This paper focuses on one of the methods for bandwidth allocation in an ATM network: the convolution approach. The convolution approach permits an accurate study of the system load in statistical terms by accumulated calculations, since probabilistic results of the bandwidth allocation can be obtained. Nevertheless, the convolution approach has a high cost in terms of calculation and storage requirements. This aspect makes real-time calculations difficult, so many authors do not consider this approach. With the aim of reducing the cost we propose to use the multinomial distribution function: the enhanced convolution approach (ECA). This permits direct computation of the associated probabilities of the instantaneous bandwidth requirements and makes a simple deconvolution process possible. The ECA is used in connection acceptance control, and some results are presented

Sindrome de burnout y factores asociados en personal de salud de tres instituciones de Bogotá en diciembre de 2010

Introducción: El síndrome de burnout (SB) ha tomado relevancia clínica y social a nivel mundial, estudiado bajo variadas metodologías con resultados no comparables, con algunas aproximaciones en Colombia, que justifican profundizar su conocimiento en el contexto de Bogotá. Metodología: Estudio de corte transversal, con el objetivo de identificar la prevalencia de SB, dimensiones que lo componen y factores asociados. Se utilizó cuestionario de variables socio demográficas y cuestionario Maslach Burnout Inventory (MBI), con análisis descriptivo, bivariado y multivariado en SPSS. Resultados: Se encuestaron 184 trabajadores de la salud -médicos, enfermeras y personal auxiliar-, 139 mujeres (75,5%) y 45 hombres (24,5%), con una prevalencia del 2,2% para SB. En modelo de regresión logística multinomial se encontró asociación significativa (p<0.05) para baja realización personal y despersonalización. Prevalencia para agotamiento emocional 20,6%, despersonalización 16,8% y baja realización personal 7,6%. Discusión: La comparación de los resultados es compleja de acuerdo a las diferentes escalas de mediciones utilizadas en otros estudios. Es importante resaltar el papel protagónico del las mujeres en la muestra, lo cual puede influir en la presentación del burnout bajo la perspectiva de la ambigüedad de roles. Conclusiones: Una prevalencia del 2,2% para síndrome de burnout, niveles de agotamiento emocional y despersonalización de 20,6% y 16,8% en el grupo estudiado hacen preciso profundizar el estudio, con inclusión de factores transculturales y características particulares relacionadas con el oficio del personal de salud en grandes ciudades, que puede afectarse con variables del entorno que generan estrés y pueden influir en la presentación del síndrome.