Tietokoneavusteinen arviointi kurssilla Diskreetin matematiikan perusteet

Matematiikan opetuksen kehittämiseen korkeakoulutasolla on monia tapoja. Tavoitteena on parantaa opiskelijoiden opiskelukokemuksia, jotta he oppisivat paremmin. Oppimisen arvioinnin on todettu vaikuttavan oppimiseen merkittävästi. Arviointi tapahtuu yleensä sen perusteella, kuinka hyvin opiskelija menestyy kokeissa. Näihin kokeisiin liittyy kuitenkin useita ongelmia; ne koostuvat usein muutamasta tehtävästä, eivätkä siten kata koko koealuetta. Lisäksi perinteinen koetilanne on kaukana siitä ympäristöstä, jossa opittuja taitoja on tarkoitus käyttää. Tässä työssä tutkittiin Aalto-yliopiston Teknillisen korkeakoulun kurssin Diskreetin matematiikan perusteet (DMP) arviointikäytännön uudistamista. Kurssi toteutettiin sulautuvan oppimisen mallin mukaisesti osin verkossa. Arvioinnissa painotettiin jatkuvaa harjoitustehtävien tekemistä ja suurin osa näistä tehtävistä toteutetiin tietokoneavusteisina verkkotehtävinä. Käytössä oli automaattisen tarkistamisen mahdollistava STACK-järjestelmä. Työ jakaantui kahteen osaan: arvioinnissa käytettävien STACK-tehtävien laatimiseen ja empiiriseen osuuteen, jossa tutkittiin kurssin onnistumista. Tutkimuksessa keskityttiin toisaalta siihen, miten käytetty arviointimenetelmä toimi ja toisaalta siihen, millaiseksi opiskelijat menetelmän kokivat. Kurssia varten toteutettiin yhteensä 67 STACK-tehtävää, joista 46 oli käytössä kurssilla. Lisäksi kurssilla oli 26 perinteistä kirjallista tehtävää. Käytetyn arviointimenetelmän toimivuutta tutkittiin vertaamalla kurssin tuloksia vuosien 2008 ja 2009 DMP-kurssien tuloksiin. Vertailun perusteella huomattiin, että opiskelijat olivat vuonna 2010 ratkaisseet selvästi enemmän harjoitustehtäviä kuin edellisinä vuosina. Myös arvosanan 0 prosentuaalinen osuus suhteessa kaikkiin annettuihin arvosanoihin pieneni. Opiskelijoiden kokemuksien tutkimista varten laadittiin kurssikokemuskysely. Kyselyssä esitettiin väittämiä liittyen STACK-tehtävien laatuun, tavoitteiden ja vaatimusten selkeyteen, arvioinnin asianmukaisuuteen, työmäärän asianmukaisuuteen, opiskelijoiden sitoutuneisuuteen, käytännön järjestelyihin ja sulautuvaan oppimiseen liittyen. Tulokset olivat erittäin positiivisia. Kaikenkaikkiaan kokeilukurssi sujui hyvin; arvointimenetelmä toimi ja opiskelijat olivat tyytyväisiä. Vertailun ja kyselyn perusteella tärkeimmiksi kehityksen kohteiksi nousivat STACK-tehtävien automaattinen palaute, perinteisten tehtävien pisteyttäminen ja jako perinteisten tehtävien ja STACK-tehtävien välillä.

Kohti uudistuvaa Verkkokoulua : Käyttäjätutkimus osana Tilastokeskuksen oppimateriaalin kehittämistä

Tutkimuksen lähtökohtana on tilastojen luku- ja käyttötaitojen kehittäminen verkko-oppimisympäristöissä. Tutkimus käynnistyi Tilastokeskuksen Verkkokoulun kehittämisen tarpeesta. Päätavoitteena on muodostaa toimenpide-ehdotuksia Verkkokoulun kehittämiselle käyttäjälähtöisestä näkökulmasta. Tutkimuksessa selvitetään, miten matematiikan aineenopettajat käyttävät Tilastokeskuksen Verkkokoulua opetuksessaan ja opetuksensa suunnittelussa, ja millaisia toiveita heillä ja Verkkokoulun parissa työskentelevillä tilastokeskuslaisilla on Verkkokoulun kehittämiseksi. Tämän lisäksi selvitetään Verkkokoulun käyttöä kävijäseurantapalvelun avulla. Tutkimuksella etsitään vastauksia siihen, miten Verkkokoulua voidaan kehittää käyttäjän kannalta paremmaksi palveluksi. Tutkimusongelmiin vastataan verkkokyselyllä, sähköpostihaastattelulla, teemahaastatteluilla ja kävijäseurantapalvelulla kerättyjen aineistojen kvalitatiivisella analyysillä. Matematiikan aineenopettajille tehty kyselylomake toteutettiin maaliskuussa 2009 ja haastattelut syksyn 2009 aikana. Kävijäseurantapalvelun tarkasteluajankohta on 1.9.2008–31.8.2009. Tutkimuksen tulosten mukaan Verkkokoulu tunnetaan huonosti matematiikan aineenopettajien keskuudessa. Verkkokoulun oppimateriaaleja käytetään enemmän opetuksen suunnitteluun kuin opetukseen. Opettajat toivovat etenkin arkielämälähtöisiä ja helposti käytettäviä opetuksen suunnitteluun soveltuvia palveluja, jotka soveltuvat myös perinteiseen luokkahuoneopetukseen. Tilastokeskuslaiset näkevät Verkkokoulun kehittämisen tarpeelliseksi, vaikkakin haastavaksi kehittämiseen tarvittavien resurssien vähyyden vuoksi. Heidän mukaansa Verkkokoulua tulisi päivittää ja laajentaa monipuolisilla oppimateriaalikokonaisuuksilla. Myös teknisen toteutuksen toivotaan uudistuvan. Kävijäseurantapalvelun aineiston mukaan Verkkokoulu on keskimääräistä käytetympi kuin Tilastokeskuksen verkkosivut kokonaisuudes- saan. Verkkokoulua käytetään enemmän yksittäisten asioiden tietojen tarkistamiseen kuin kokonaisuuksien opiskeluun. Johtopäätöksenä voidaan todeta, että Tilastokeskuksen Verkkokoulu on palvelu, joka käyttäjälähtöisen kehittämisen ja markkinoinnin myötä voi nousta merkittävään rooliin tilastoalan kouluttajana. Jotta tähän päästään, kehittämiseen on löydettävä riittävästi resursseja.

Komplexa tal - vad är det?

Komplexa tal har traditionellt undervisats i de finländska gymnasierna som en valbar kurs. Denna situation har förändrats i och med de nya läroplanerna som tagits i bruk senast hösten 2005. Den nya, striktare läroplanen ger inte lika stora valmöjligheter för skolorna att bestämma undervisningsstoffet, inte ens för de valbara kurserna, och därför har många gymnasier varit tvungna att sluta undervisa om komplexa tal. För att fortsättningsvis ge en möjlighet för gymnasieelever att studera komplexa tal finns detta kompendium. Kompendiet fyller två syften. I de gymnasier där komplexa tal fortfarande finns med i läroplanen kan kompendiet användas som läromedel på ifrågavarande kurs. Kompendiet torde vara önskat eftersom det inte existerar något modernt, finlandssvenskt läromedel där de komplexa talen tas upp. Kompendiets andra, huvudsakliga syfte är att finnas till att ge en möjlighet för de elever, som inte går ett gymnasium där komplexa tal undervisas, att på egen hand lära sig grunder om komplexa tal. Kunskap om utvidgandet av talområdet från reella talen till komplexa hör till matematisk allmänbildning, och är till stor nytta om man är intresserad av att fortsätta studera matematik eller naturvetenskaper efter gymnasiet. Kompendiet kommer att läggas ut på nätet för att få det lättillgängligt. I det första kapitlet behandlas matematikens uppkomst. Det andra kapitlet är en introduktion till varför man behöver komplexa tal, där gås tal- och mängdlära igenom samtidigt som de i kompendiet använda beteckningarna introduceras. I det tredje kapitlet behandlas de komplexa talen; grundläggande räkneregler, absolutbelopp och argument, komplexa tal i polär form och lösning till högregradsekvationer är centrala begrepp. de Moivers formel är ett av de viktigare målen, även Eulers formel behandlas kort. Problematik med negativa kvadratrötter tas också upp. Det fjärde kapitlet handlar om de komplexa talens intressanta historia. I kompendiet finns rikligt med exempel och övningsuppgifter. Kapitel fem innehåller extra övningsuppgifter och i kapitel sex finns lösningarna till samtliga uppgifter. Trots att kompendiets omfång avsevärt ökas i och med dessa lösningar är det av värde att de finns med för att kompendiets huvudsakliga syfte skall uppfyllas: att eleverna på egen hand skall kunna lära sig stoffet.

Luokan P loogisesta karakterisoinnista

Deskriptiivisessä vaativuusteoriassa tutkitaan laskennan vaativuuteen liittyviä kysymyksiä logiikan työkalujen avulla. Tällöin käsitellään tilannetta, jossa laskennan syötteenä toimivat äärelliset mallit. Tässä kehyksessä erinäisiä vaativuusluokkia voidaan karakterisoida etsimällä logiikoita, joilla on kyseistä vaativuusluokkaa vastaava ilmaisuvoima. Klassiset esimerkit tällaisista tuloksista ovat Faginin esittämä epädeterministisen polynomiaalisen ajan karakterisaatio logiikan Σ_1^1 avulla ja Immermanin, Livchakin ja Vardin esittämä deterministisen polynomiaalisen ajan karakterisaatio ensimmäisen kertaluvun inflatorisen kiintopistelogiikan avulla. Tässä opinnäytetyössä tarkastellaan Gurevichin esittämää kysymystä polynomiaalisessa ajassa ratkeavien kielten luokan P vahvasta loogisesta karakterisaatiosta. Kyseinen kysymys on yksi äärellisen malliteorian haastavimpia ongelmia. Kysymyksen esittelyyn tarvittavan peruskoneiston läpikäynnin lisäksi tässä käsi- tellään myös sen yhteyksiä laskennan vaativuusteoriassa keskeiseen P-NP-ongelmaan. Gurevichin kysymyksestä voidaan esittää myös rajoitetumpia versioita, mikäli käsitellään tilannetta, jossa laskennan syötteenä voi olla vain kiinnitetyn malliluokan K malleja. Tällöin luokan P karakterisointi helpottuu, ainakin jos luokka K on riittävän suppea. Tässä opinnäytetyössä käydään läpi Grohen esittämä tulos siitä, että mikäli luokaksi K valitaan 3-yhtenäisten tasoverkkojen luokka, niin ensimmäisen kertaluvun inflatorinen kiintopistelogiikka karakterisoi polynomiaalisessa ajassa laskettavat kielet.

On the Rademacher maximal function

Tools known as maximal functions are frequently used in harmonic analysis when studying local behaviour of functions. Typically they measure the suprema of local averages of non-negative functions. It is essential that the size (more precisely, the L^p-norm) of the maximal function is comparable to the size of the original function. When dealing with families of operators between Banach spaces we are often forced to replace the uniform bound with the larger R-bound. Hence such a replacement is also needed in the maximal function for functions taking values in spaces of operators. More specifically, the suprema of norms of local averages (i.e. their uniform bound in the operator norm) has to be replaced by their R-bound. This procedure gives us the Rademacher maximal function, which was introduced by Hytönen, McIntosh and Portal in order to prove a certain vector-valued Carleson's embedding theorem. They noticed that the sizes of an operator-valued function and its Rademacher maximal function are comparable for many common range spaces, but not for all. Certain requirements on the type and cotype of the spaces involved are necessary for this comparability, henceforth referred to as the “RMF-property”. It was shown, that other objects and parameters appearing in the definition, such as the domain of functions and the exponent p of the norm, make no difference to this. After a short introduction to randomized norms and geometry in Banach spaces we study the Rademacher maximal function on Euclidean spaces. The requirements on the type and cotype are considered, providing examples of spaces without RMF. L^p-spaces are shown to have RMF not only for p greater or equal to 2 (when it is trivial) but also for 1 < p < 2. A dyadic version of Carleson's embedding theorem is proven for scalar- and operator-valued functions. As the analysis with dyadic cubes can be generalized to filtrations on sigma-finite measure spaces, we consider the Rademacher maximal function in this case as well. It turns out that the RMF-property is independent of the filtration and the underlying measure space and that it is enough to consider very simple ones known as Haar filtrations. Scalar- and operator-valued analogues of Carleson's embedding theorem are also provided. With the RMF-property proven independent of the underlying measure space, we can use probabilistic notions and formulate it for martingales. Following a similar result for UMD-spaces, a weak type inequality is shown to be (necessary and) sufficient for the RMF-property. The RMF-property is also studied using concave functions giving yet another proof of its independence from various parameters.

Nonlinear mixture autoregressive model: economic applications

The aim of this dissertation is to model economic variables by a mixture autoregressive (MAR) model. The MAR model is a generalization of linear autoregressive (AR) model. The MAR -model consists of K linear autoregressive components. At any given point of time one of these autoregressive components is randomly selected to generate a new observation for the time series. The mixture probability can be constant over time or a direct function of a some observable variable. Many economic time series contain properties which cannot be described by linear and stationary time series models. A nonlinear autoregressive model such as MAR model can a plausible alternative in the case of these time series. In this dissertation the MAR model is used to model stock market bubbles and a relationship between inflation and the interest rate. In the case of the inflation rate we arrived at the MAR model where inflation process is less mean reverting in the case of high inflation than in the case of normal inflation. The interest rate move one-for-one with expected inflation. We use the data from the Livingston survey as a proxy for inflation expectations. We have found that survey inflation expectations are not perfectly rational. According to our results information stickiness play an important role in the expectation formation. We also found that survey participants have a tendency to underestimate inflation. A MAR model has also used to model stock market bubbles and crashes. This model has two regimes: the bubble regime and the error correction regime. In the error correction regime price depends on a fundamental factor, the price-dividend ratio, and in the bubble regime, price is independent of fundamentals. In this model a stock market crash is usually caused by a regime switch from a bubble regime to an error-correction regime. According to our empirical results bubbles are related to a low inflation. Our model also imply that bubbles have influences investment return distribution in both short and long run.

Hyperbolisen geometrian puolitasomalli

Tutkin Pro Gradu työssäni hyperbolista geometriaa puolitasomallin kautta. Tutkielman päätuloksena on osoittaa, että pari (H,dH) on polkumetrinen avaruus. Aloitan tutkielman käsittelemällä puolitasomallia yleisesti. Määrittelen peruskäsitteitä kuten puolitasomallin joukon H ja kaksi eri tyyppistä hyperbolista suoraa. Toisessa luvussa lähden tutkimaan joukkoa nimeltä Riemannin kuula. Kyseinen joukko on oleellinen puolitasomallin tarkastelun kannalta. Riemannin kuulan tarkastelu vie luontevasti tutkimaan Möbius-kuvauksia, jotka säilyttävät hyperbolisen pituuden puolitasomallissa. Nämä kuvaukset ovat tärkeitä kun käsittelen hyperbolista pituutta ja etäisyyttä. Neljännessä luvussa siirryn tarkastelemaan kaaren pituutta kompleksitasossa. Esittelen polun pituuden käsitteen polkuintegraalin avulla. Viidennessä luvussa siirryn tutkimaan kaaren pituutta joukossa H ja määrittelen hyperbolisen pituuden käsitteen. Kuudennessa luvussa esittelen metriikan käsitteen. Tämän lisäksi määrittelen käsitteen polkumetrinen avaruus. Viimeisessä luvussa todistan, että pari (H,dH) on polkumetrinen avaruus. Samalla määrittelen hyperbolisen etäisyyden dH.

Valaistusyhtälö

Tässä tietokonegrafiikan alan tutkielmassa tutkitaan annetun kohteen tai maailman valaistuksen määrittämistä laskennallisesti. Ilmiöt kuvataan fysikaalisesti ja valaistusta mallinnetaan ilmiöitä kuvaavilla yhtälöillä. Yhtälöiden ratkaisu perustuu valonsäteiden etenemisen ja sironnan laskennalliseen seurantaan. Näin johdettua matemaattista mallia tutkitaan ja yhtälöiden ratkaisut muotoillaan tietokoneella laskettavaan muotoon. Lopuksi ohjelmoidaan esiteltyä teoriaa hyödyntävä numeerinen ratkaisija ja esitellään käytetyt menetelmät ja tulokset. Valaistuksen matemaattista mallintamista lähestytään fysikaaliselta pohjalta. Aluksi esitellään valon luonnetta ja yhteyttä sähkömagneettiseen säteilyyn ja ihmisen näköjärjestelmään. Tämän jälkeen paneudutaan valonsäteiden heijastumiseen ja sirontaan ja yleistetään klassiset ideaaliset sirontamallit huomioimaan pinnan hienorakenne sirontajakaumilla. Tutkittu ongelma muotoillaan matemaattisiksi yhtälöiksi jotka ratkaistaan analyyttisesti. Ratkaisu osoittautuu intuitiiviseksi: valaistus saadaan laskemalla valonlähteistä emittoituvan valon kaikkien kertalukujen heijastukset. Analyyttinen ratkaisu muotoillaan rekursiiviseksi ja ratkaistaan todennäköisyyslaskentaan perustuvalla Monte Carlo -integroinnilla, jonka suppenemista nopeutetaan tärkeysotannalla. Numeerinen ratkaisu osoitetaan odotusarvoisesti harhattomaksi ja ratkaisun virheen osoitetaan puolittuvan laskentapisteiden määrän nelinkertaistuessa. Käytettävä todennäköisyyslaskenta esitellään pääpiirteittäin. Numeerinen ratkaisumenetelmä on stokastista säteenseurantaa yleistävä polunseuranta. Maailma määritellään kolmioverkkona ja pintojen normaalit annetaan kolmioiden kärkipisteissä. Kolmioista muodostetaan kuvaus tasopinnalle, josta voidaan tarvittaessa lukea esimerkiksi pinnan tarkemmat normaalit, sirontaominaisuudet tai absorptiospektri. Numeerisen ratkaisun eniten aikaa vievä osuus on valonsäteen seuraavan osumapisteen selvitys maailman pintojen välillä. Ratkaisua nopeutetaan tallentamalla maailman kolmiot tehokkaaseen tietorakenteeseen, kd-puuhun, joka mahdollistaa valonsäteen ja suurten kolmiojoukkojen nopeat leikkaustarkistukset. Kd-puun ajatus ja toteutus esitellään työssä lyhyesti. Lopuksi esitellään ratkaisun eri vaiheet ja teoria käytännössä ja nähdään konkreettisesti eri menetelmien merkitys numeerisen ratkaisijan tuottamaan kuvaan. Lisäksi esitellään tehokas prioriteettijonoon perustuva adaptiivinen menetelmä kuvaan jääneen kohinan pienentämiseksi tutkimalla näytteistyksen otoskeskihajonnan ja keskiarvon suhdetta kuvapisteittäin.

Vakuutustoiminnan sijoitusriskit

Riskiteorian klassisessa vararikkomallissa mallinnetaan ainoastaan yhtiön kassavirtaa, jossa tapahtuvaa tappiota kuvataan kunakin vuonna satunnaismuuttujilla Q, joiden oletetaan olevan toisistaan riipumattomia ja noudattavan samaa todennäköisyyslakia. Yhtiön tulkitaan olevan vararikossa mikäli Q:den summa ylittää jonain hetkenä yhtiön alkupääoman. Klassisessa vararikkomallissa rahan arvo on siis sama kaikkina ajanhetkinä. Todellisuudessa raha kasvaa korkoa ja vakuutusyhtiö harjoittaa myös riskillistä sijoitustoimintaa, jonka tulos vaikuttaa merkittävästi yhtiön kunkin hetkisen pääoman määrään. Tässä tutkielmassa vararikkomalliin lisätään yhtiön kunkin vuoden sijoitustuottoja kuvaavat satunnaismuuttujat M, jotka täytyy Q:den tapaan olettaa riippumattomiksi sekä samoin jakautuneiksi. Tämäkään malli ei kuvaa todellisen yhtiön tilannetta kovin hyvin, mutta on kuitenkin hieman realistisempi kuin klassinen malli. Yhtiön alkupääoman sekä tarkastelujakson pituuden täytyy lisäksi olettaa lähestyvän ääretöntä. Tällöin on mahdollista muodostaa ns. implisiittistä uusiutumisteoriaa hyödyntäen asymptoottisia tuloksia yhtiön vararikkotodennäköisyydelle.

Cliffordin analyysi ja sovelluksia

Cliffordin algebrat ovat äärellisulotteisia reaali- tai kompleksikertoimisia algebroja, jotka yleistävät kvaterneja ja kompleksilukuja. Näitä algebroja on kutsuttu myös geometrisiksi algebroiksi. Tässä tutkielmassa tarkastellaan analyysiä Cliffordin algebroilla ja sen sovelluksia. Analyysi tässä tarkoittaa sitä, että tarkastellaan Cliffordin algebraarvoisia funktioita, jotka omaavat erikseen määriteltyjä sileysominaisuuksia. Sovelluskohteina ovat osittaisdifferentiaaliyhtälöt ja reuna-arvo-ongelmat. Menetelmät ovat klassisia kompleksianalyysin menetelmiä. Tutkielmassa esitellään Cliffordin algebrat yleisille neliömuodollisille avaruuksille. Keskeisiä algebrallisia ominaisuuksia ovat Frobeniuksen teoreema ja perusoperaatiot. On yleisesti tunnettua, että kvaterneilla voidaan esittää kolmiulotteisen ja neljäulotteisen avaruuden rotaatiot. Tutkielmassa esitellään, miten Cliffordin ryhmiä, jotka ovat Cliffordin algebrojen osajoukkoja, käytetään useamman ulottuvuuden rotaatioiden esityksessä. Toinen sovelluskohde on Möbius-kuvausten esittäminen Vahlenin matriiseilla. Tutkielman toisessa osiossa määritellään monogeeniset funktiot erään Diracin operaattorin nollaratkaisuina. Monogeenisten funktioiden pääominaisuus on Cauchyn integraalikaava. Välittömiä seurauksia ovat esimerkiksi potenssisarjakehitelmät, analyyttisuus, Liuvillen teoreema ja muut klassisen kompleksianalyysin tuloksien yleistykset. Toisaalta monet kompleksianalyysin tulokset eivät yleisty. Esimerkiksi monogeenisten funktioiden tulo ei ole yleisesti ottaen monogeeninen. Potenssisarjat voidaan esittää monogeenisten polynomeiden avulla. Esitämme kannan monogeenisten polynomien avaruudelle käyttäen CK-laajennusta. Cauchyn ytimen ominaisuuksien avulla tarkastelemme Diracin operaattorin reuna-arvo-ongelmia ja nk. D-ongelmaa. Käyttäen Rungen lauseen yleistystä osoitamme D-ongelman yleisen ratkaistavuuden. Toisaalta reuna-arvo-ongelman ratkaistavuus karakterisoidaan käyttäen Cauchyn ytimen reuna-arvo-ominaisuuksia ja hyppyrelaatioita. Keskeinen sovellus tuloksille on aikaharmonisen Maxwellin yhtälön reuna-arvo-ongelmien tarkastelu. Mielenkiintoista on myös, miten Diracin operaattori linearisoi Laplacen operaattorin ja aalto-operaattorin. Toisaalta Diracin operaattorin avulla voidaan ilmaista Maxwellin yhtälöt tiiviissä muodossa. Muita tuloksia tutkielmassa ovat meromorfifunktioiden määritelmä ja Mittag-Lefflerin lause. Tutkielman lopuksi tarkastellaan lyhyesti harmonisten funktioiden ja monogeenisten funktioiden suhdetta. Jokainen harmoninen funktio on jonkin monogeenisen funktion reaaliosa. Tosin monogeeninen funktio ei ole yksikäsitteisesti määrätty sen reaaliosan avulla.

Embracing Integrability in Stellar and Planetary Dynamics

Hamiltonian systems in stellar and planetary dynamics are typically near integrable. For example, Solar System planets are almost in two-body orbits, and in simulations of the Galaxy, the orbits of stars seem regular. For such systems, sophisticated numerical methods can be developed through integrable approximations. Following this theme, we discuss three distinct problems. We start by considering numerical integration techniques for planetary systems. Perturbation methods (that utilize the integrability of the two-body motion) are preferred over conventional "blind" integration schemes. We introduce perturbation methods formulated with Cartesian variables. In our numerical comparisons, these are superior to their conventional counterparts, but, by definition, lack the energy-preserving properties of symplectic integrators. However, they are exceptionally well suited for relatively short-term integrations in which moderately high positional accuracy is required. The next exercise falls into the category of stability questions in solar systems. Traditionally, the interest has been on the orbital stability of planets, which have been quantified, e.g., by Liapunov exponents. We offer a complementary aspect by considering the protective effect that massive gas giants, like Jupiter, can offer to Earth-like planets inside the habitable zone of a planetary system. Our method produces a single quantity, called the escape rate, which characterizes the system of giant planets. We obtain some interesting results by computing escape rates for the Solar System. Galaxy modelling is our third and final topic. Because of the sheer number of stars (about 10^11 in Milky Way) galaxies are often modelled as smooth potentials hosting distributions of stars. Unfortunately, only a handful of suitable potentials are integrable (harmonic oscillator, isochrone and Stäckel potential). This severely limits the possibilities of finding an integrable approximation for an observed galaxy. A solution to this problem is torus construction; a method for numerically creating a foliation of invariant phase-space tori corresponding to a given target Hamiltonian. Canonically, the invariant tori are constructed by deforming the tori of some existing integrable toy Hamiltonian. Our contribution is to demonstrate how this can be accomplished by using a Stäckel toy Hamiltonian in ellipsoidal coordinates.

Properties of Toeplitz operators on analytic function spaces : from function symbols to distributions

Toeplitz operators are among the most important classes of concrete operators with applications to several branches of pure and applied mathematics. This doctoral thesis deals with Toeplitz operators on analytic Bergman, Bloch and Fock spaces. Usually, a Toeplitz operator is a composition of multiplication by a function and a suitable projection. The present work deals with generalizing the notion to the case where the function is replaced by a distributional symbol. Fredholm theory for Toeplitz operators with matrix-valued symbols is also considered. The subject of this thesis belongs to the areas of complex analysis, functional analysis and operator theory. This work contains five research articles. The articles one, three and four deal with finding suitable distributional classes in Bergman, Fock and Bloch spaces, respectively. In each case the symbol class to be considered turns out to be a certain weighted Sobolev-type space of distributions. The Bergman space setting is the most straightforward. When dealing with Fock spaces, some difficulties arise due to unboundedness of the complex plane and the properties of the Gaussian measure in the definition. In the Bloch-type spaces an additional logarithmic weight must be introduced. Sufficient conditions for boundedness and compactness are derived. The article two contains a portion showing that under additional assumptions, the condition for Bergman spaces is also necessary. The fifth article deals with Fredholm theory for Toeplitz operators having matrix-valued symbols. The essential spectra and index theorems are obtained with the help of Hardy space factorization and the Berezin transform, for instance. The article two also has a part dealing with matrix-valued symbols in a non-reflexive Bergman space, in which case a condition on the oscillation of the symbol (a logarithmic VMO-condition) must be added.

Playing Games on Sets and Models

The most prominent objective of the thesis is the development of the generalized descriptive set theory, as we call it. There, we study the space of all functions from a fixed uncountable cardinal to itself, or to a finite set of size two. These correspond to generalized notions of the universal Baire space (functions from natural numbers to themselves with the product topology) and the Cantor space (functions from natural numbers to the {0,1}-set) respectively. We generalize the notion of Borel sets in three different ways and study the corresponding Borel structures with the aims of generalizing classical theorems of descriptive set theory or providing counter examples. In particular we are interested in equivalence relations on these spaces and their Borel reducibility to each other. The last chapter shows, using game-theoretic techniques, that the order of Borel equivalence relations under Borel reduciblity has very high complexity. The techniques in the above described set theoretical side of the thesis include forcing, general topological notions such as meager sets and combinatorial games of infinite length. By coding uncountable models to functions, we are able to apply the understanding of the generalized descriptive set theory to the model theory of uncountable models. The links between the theorems of model theory (including Shelah's classification theory) and the theorems in pure set theory are provided using game theoretic techniques from Ehrenfeucht-Fraïssé games in model theory to cub-games in set theory. The bottom line of the research declairs that the descriptive (set theoretic) complexity of an isomorphism relation of a first-order definable model class goes in synch with the stability theoretical complexity of the corresponding first-order theory. The first chapter of the thesis has slightly different focus and is purely concerned with a certain modification of the well known Ehrenfeucht-Fraïssé games. There we (me and my supervisor Tapani Hyttinen) answer some natural questions about that game mainly concerning determinacy and its relation to the standard EF-game

Geometric Characterizations for Patterson-Sullivan Measures of Geometrically Finite Kleinian Groups

The main results of this thesis show that a Patterson-Sullivan measure of a non-elementary geometrically finite Kleinian group can always be characterized using geometric covering and packing constructions. This means that if the standard covering and packing constructions are modified in a suitable way, one can use either one of them to construct a geometric measure which is identical to the Patterson-Sullivan measure. The main results generalize and modify results of D. Sullivan which show that one can sometimes use the standard covering construction to construct a suitable geometric measure and sometimes the standard packing construction. Sullivan has shown also that neither or both of the standard constructions can be used to construct the geometric measure in some situations. The main modifications of the standard constructions are based on certain geometric properties of limit sets of Kleinian groups studied first by P. Tukia. These geometric properties describe how closely the limit set of a given Kleinian group resembles euclidean planes or spheres of varying dimension on small scales. The main idea is to express these geometric properties in a quantitative form which can be incorporated into the gauge functions used in the modified covering and packing constructions. Certain estimation results for general conformal measures of Kleinian groups play a crucial role in the proofs of the main results. These estimation results are generalizations and modifications of similar results considered, among others, by B. Stratmann, D. Sullivan, P. Tukia and S. Velani. The modified constructions are in general defined without reference to Kleinian groups, so they or their variants may prove useful in some other contexts in addition to that of Kleinian groups.

Global, Local and Vector-Valued Tb Theorems on Non-Homogeneous Metric Spaces

Various Tb theorems play a key role in the modern harmonic analysis. They provide characterizations for the boundedness of Calderón-Zygmund type singular integral operators. The general philosophy is that to conclude the boundedness of an operator T on some function space, one needs only to test it on some suitable function b. The main object of this dissertation is to prove very general Tb theorems. The dissertation consists of four research articles and an introductory part. The framework is general with respect to the domain (a metric space), the measure (an upper doubling measure) and the range (a UMD Banach space). Moreover, the used testing conditions are weak. In the first article a (global) Tb theorem on non-homogeneous metric spaces is proved. One of the main technical components is the construction of a randomization procedure for the metric dyadic cubes. The difficulty lies in the fact that metric spaces do not, in general, have a translation group. Also, the measures considered are more general than in the existing literature. This generality is genuinely important for some applications, including the result of Volberg and Wick concerning the characterization of measures for which the analytic Besov-Sobolev space embeds continuously into the space of square integrable functions. In the second article a vector-valued extension of the main result of the first article is considered. This theorem is a new contribution to the vector-valued literature, since previously such general domains and measures were not allowed. The third article deals with local Tb theorems both in the homogeneous and non-homogeneous situations. A modified version of the general non-homogeneous proof technique of Nazarov, Treil and Volberg is extended to cover the case of upper doubling measures. This technique is also used in the homogeneous setting to prove local Tb theorems with weak testing conditions introduced by Auscher, Hofmann, Muscalu, Tao and Thiele. This gives a completely new and direct proof of such results utilizing the full force of non-homogeneous analysis. The final article has to do with sharp weighted theory for maximal truncations of Calderón-Zygmund operators. This includes a reduction to certain Sawyer-type testing conditions, which are in the spirit of Tb theorems and thus of the dissertation. The article extends the sharp bounds previously known only for untruncated operators, and also proves sharp weak type results, which are new even for untruncated operators. New techniques are introduced to overcome the difficulties introduced by the non-linearity of maximal truncations.