Time Discretization of the SST-generalized Navier-Stokes Equations: Positive and Negative Results

In the theory of the Navier-Stokes equations, the proofs of some basic known results, like for example the uniqueness of solutions to the stationary Navier-Stokes equations under smallness assumptions on the data or the stability of certain time discretization schemes, actually only use a small range of properties and are therefore valid in a more general context. This observation leads us to introduce the concept of SST spaces, a generalization of the functional setting for the Navier-Stokes equations. It allows us to prove (by means of counterexamples) that several uniqueness and stability conjectures that are still open in the case of the Navier-Stokes equations have a negative answer in the larger class of SST spaces, thereby showing that proof strategies used for a number of classical results are not sufficient to affirmatively answer these open questions. More precisely, in the larger class of SST spaces, non-uniqueness phenomena can be observed for the implicit Euler scheme, for two nonlinear versions of the Crank-Nicolson scheme, for the fractional step theta scheme, and for the SST-generalized stationary Navier-Stokes equations. As far as stability is concerned, a linear version of the Euler scheme, a nonlinear version of the Crank-Nicolson scheme, and the fractional step theta scheme turn out to be non-stable in the class of SST spaces. The positive results established in this thesis include the generalization of classical uniqueness and stability results to SST spaces, the uniqueness of solutions (under smallness assumptions) to two nonlinear versions of the Euler scheme, two nonlinear versions of the Crank-Nicolson scheme, and the fractional step theta scheme for general SST spaces, the second order convergence of a version of the Crank-Nicolson scheme, and a new proof of the first order convergence of the implicit Euler scheme for the Navier-Stokes equations. For each convergence result, we provide conditions on the data that guarantee the existence of nonstationary solutions satisfying the regularity assumptions needed for the corresponding convergence theorem. In the case of the Crank-Nicolson scheme, this involves a compatibility condition at the corner of the space-time cylinder, which can be satisfied via a suitable prescription of the initial acceleration.

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.

Certified Rapid Solution of Parametrized Linear Elliptic Equations: Application to Parameter Estimation

We present a technique for the rapid and reliable evaluation of linear-functional output of elliptic partial differential equations with affine parameter dependence. The essential components are (i) rapidly uniformly convergent reduced-basis approximations — Galerkin projection onto a space WN spanned by solutions of the governing partial differential equation at N (optimally) selected points in parameter space; (ii) a posteriori error estimation — relaxations of the residual equation that provide inexpensive yet sharp and rigorous bounds for the error in the outputs; and (iii) offline/online computational procedures — stratagems that exploit affine parameter dependence to de-couple the generation and projection stages of the approximation process. The operation count for the online stage — in which, given a new parameter value, we calculate the output and associated error bound — depends only on N (typically small) and the parametric complexity of the problem. The method is thus ideally suited to the many-query and real-time contexts. In this paper, based on the technique we develop a robust inverse computational method for very fast solution of inverse problems characterized by parametrized partial differential equations. The essential ideas are in three-fold: first, we apply the technique to the forward problem for the rapid certified evaluation of PDE input-output relations and associated rigorous error bounds; second, we incorporate the reduced-basis approximation and error bounds into the inverse problem formulation; and third, rather than regularize the goodness-of-fit objective, we may instead identify all (or almost all, in the probabilistic sense) system configurations consistent with the available experimental data — well-posedness is reflected in a bounded "possibility region" that furthermore shrinks as the experimental error is decreased.

A Conservative Front Tracking Algorithm

The discontinuities in the solutions of systems of conservation laws are widely considered as one of the difficulties in numerical simulation. A numerical method is proposed for solving these partial differential equations with discontinuities in the solution. The method is able to track these sharp discontinuities or interfaces while still fully maintain the conservation property. The motion of the front is obtained by solving a Riemann problem based on the state values at its both sides which are reconstructed by using weighted essentially non oscillatory (WENO) scheme. The propagation of the front is coupled with the evaluation of "dynamic" numerical fluxes. Some numerical tests in 1D and preliminary results in 2D are presented.

An Immersed Interface Method for the Incompressible Navier-Stokes Equations in Irregular Domains

We present an immersed interface method for the incompressible Navier Stokes equations capable of handling rigid immersed boundaries. The immersed boundary is represented by a set of Lagrangian control points. In order to guarantee that the no-slip condition on the boundary is satisfied, singular forces are applied on the fluid at the immersed boundary. The forces are related to the jumps in pressure and the jumps in the derivatives of both pressure and velocity, and are interpolated using cubic splines. The strength of singular forces is determined by solving a small system of equations at each time step. The Navier-Stokes equations are discretized on a staggered Cartesian grid by a second order accurate projection method for pressure and velocity.

Integro-difference equations for interacting species and the Neolithic transition

We introduce a set of sequential integro-difference equations to analyze the dynamics of two interacting species. Firstly, we derive the speed of the fronts when a species invades a space previously occupied by a second species, and check its validity by means of numerical random-walk simulations. As an example, we consider the Neolithic transition: the predictions of the model are consistent with the archaeological data for the front speed, provided that the interaction parameter is low enough. Secondly, an equation for the coexistence time between the invasive and the invaded populations is obtained for the first time. It agrees well with the simulations, is consistent with observations of the Neolithic transition, and makes it possible to estimate the value of the interaction parameter between the incoming and the indigenous populations

Fronts from integrodifference equations and persistence effects on the Neolithic transition

We extend a previous model of the Neolithic transition in Europe [J. Fort and V. Méndez, Phys. Rev. Lett. 82, 867 (1999)] by taking two effects into account: (i) we do not use the diffusion approximation (which corresponds to second-order Taylor expansions), and (ii) we take proper care of the fact that parents do not migrate away from their children (we refer to this as a time-order effect, in the sense that it implies that children grow up with their parents, before they become adults and can survive and migrate). We also derive a time-ordered, second-order equation, which we call the sequential reaction-diffusion equation, and use it to show that effect (ii) is the most important one, and that both of them should in general be taken into account to derive accurate results. As an example, we consider the Neolithic transition: the model predictions agree with the observed front speed, and the corrections relative to previous models are important (up to 70%)

Ordinary Differential Equations

Exercises and solutions about ordinary differential equations.

Differential Equations II

Exercises and solutions for a second year differential equations course.

Addressing endogeneity in the relationship between health and employment through a simultaneous equations model

Este documento analiza la relación de doble causalidad entre salud y empleo y su comportamiento dinámico usando datos de Estados Unidos tomados del PSID (Pane Study of Income Dynamics). Este estudio usa dos variables dependientes (Estado de salud auto-reportado y Empleo), las cuales son estimadas usando un modelo probit bivariado para abordar el problema de endegeneidad presente en dicha relación. Los resultados muestran evidencia significativa de la existencia de dicha endogeneidad y del impacto positivo que tiene sobre la probabilidad de ser empleado tener un buen estado de salud y vicesersa, sin embargo, el impacto de la situación de empleo sobre el estado de salud se encuentra que no es significativa.

Sumas de Riemann con sistemas de cálculo simbólico.

Resumen basado en el de la publicación

Cauchy : el triunfo del rigor.

Recorrido por la figura de Augustin Louis Cauchy. tras un repaso por su vida y los datos más revelantes de su biografía, se exponen sus principales teorías con el análisis de sus obras más destacadas. Se hace especial énfasis en la teoría de funciones de variable compleja, su principal aportación al mundo de las matemáticas.

Una alternativa a la integral de Riemann

Se trata de un análisis del proceso de aprendizaje matemático desde puntos de vista interdisciplinares donde se pretende que el alumno tenga un desarrollo del proceso matemático de forma paulatina y no se vea forzado a absorber los diversos conceptos de forma simultanea. Finalmente se concluye con la importancia de encontrar una alternativa al sistema de aprendizaje de la integral de Riemann, como el cálculo de superficies a partir de áreas planas o la integral definida.

Sobre la equivalencia entre sucesiones con límite finito y sucesiones de Cauchy.

Resumen basado en el de la publicación

La integral de Riemann.

La obra trata sobre el estudio de la Integral de Riemann, intentando compatibilizar la sencillez del planteamiento clásico usado en el Bachillerato con las directrices emanadas de la Universidad, que obligan a un planteamiento opuesto al anterior. La estrategia didáctica se ha experimentado en el Instituto de Bachillerato San Juan de la Cruz de Caravaca de la Cruz durante los cursos 1987-88 y 1988-89, tanto en tercero de BUP como en COU. El tema ha sido desarrollado para su lectura directa por los alumnos, por lo que se ha procurado detallar al máximo la exposición.