Theory of differential inequalities with appliciations to singular perturbiation problems and method of lines

During recent years, the theory of differential inequalities has been extensively used to discuss singular perturbation problems and method of lines to partial differential equations. The present thesis deals with some differential inequality theorems and their applications to singularly perturbed initial value problems, boundary value problems for ordinary differential equations in Banach space and initial boundary value problems for parabolic differential equations. The method of lines to parabolic and elliptic differential equations are also dealt The thesis is organised into nine chapters

An approximation method using approximate approximations

The aim of this paper is to 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 Laplace equation in two dimensions using approximate approximations. 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.

Künstliche Randbedingungen und Algebraische Äquivalenzen in der Elastizitätstheorie

In dieser Arbeit werden zwei Aspekte bei Randwertproblemen der linearen Elastizitätstheorie untersucht: die Approximation von Lösungen auf unbeschränkten Gebieten und die Änderung von Symmetrieklassen unter speziellen Transformationen. Ausgangspunkt der Dissertation ist das von Specovius-Neugebauer und Nazarov in "Artificial boundary conditions for Petrovsky systems of second order in exterior domains and in other domains of conical type"(Math. Meth. Appl. Sci, 2004; 27) eingeführte Verfahren zur Untersuchung von Petrovsky-Systemen zweiter Ordnung in Außenraumgebieten und Gebieten mit konischen Ausgängen mit Hilfe der Methode der künstlichen Randbedingungen. Dabei werden für die Ermittlung von Lösungen der Randwertprobleme die unbeschränkten Gebiete durch das Abschneiden mit einer Kugel beschränkt, und es wird eine künstliche Randbedingung konstruiert, um die Lösung des Problems möglichst gut zu approximieren. Das Verfahren wird dahingehend verändert, dass das abschneidende Gebiet ein Polyeder ist, da es für die Lösung des Approximationsproblems mit üblichen Finite-Element-Diskretisierungen von Vorteil sei, wenn das zu triangulierende Gebiet einen polygonalen Rand besitzt. Zu Beginn der Arbeit werden die wichtigsten funktionalanalytischen Begriffe und Ergebnisse der Theorie elliptischer Differentialoperatoren vorgestellt. Danach folgt der Hauptteil der Arbeit, der sich in drei Bereiche untergliedert. Als erstes wird für abschneidende Polyedergebiete eine formale Konstruktion der künstlichen Randbedingungen angegeben. Danach folgt der Nachweis der Existenz und Eindeutigkeit der Lösung des approximativen Randwertproblems auf dem abgeschnittenen Gebiet und im Anschluss wird eine Abschätzung für den resultierenden Abschneidefehler geliefert. An die theoretischen Ausführungen schließt sich die Betrachtung von Anwendungsbereiche an. Hier werden ebene Rissprobleme und Polarisationsmatrizen dreidimensionaler Außenraumprobleme der Elastizitätstheorie erläutert. Der letzte Abschnitt behandelt den zweiten Aspekt der Arbeit, den Bereich der Algebraischen Äquivalenzen. Hier geht es um die Transformation von Symmetrieklassen, um die Kenntnis der Fundamentallösung der Elastizitätsprobleme für transversalisotrope Medien auch für Medien zu nutzen, die nicht von transversalisotroper Struktur sind. Eine allgemeine Darstellung aller Klassen konnte hier nicht geliefert werden. Als Beispiel für das Vorgehen wird eine Klasse von orthotropen Medien im dreidimensionalen Fall angegeben, die sich auf den Fall der Transversalisotropie reduzieren lässt.

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.

Solving problems on functions : role of the graphic calculator. 'Resolución de problemas sobre funciones : papel de la calculadora gráfica'.

Resumen basado en el de la publicación

On the dependence of boundary-layer ventilation on frontal type

Case study simulations with idealized tracers have been used to determine the relationship between the dynamics and conceptual representations of different midlatitude frontal systems and the amount, distribution, and time scale of boundary layer ventilation by these systems. The key features of ventilation by a kata– and ana–cold frontal system are found to be quantitatively and also often qualitatively similar to the main ventilation pathways, which are the conveyor belts, cloud head, and other convection. The conveyor belts and cloud head occur within cloud, implying that they can be identified using satellite imagery. Differences in the transport by the two systems can be related to their conceptual representations and include a sensitive dependence on the diurnal cycle for the kata- but not the ana-cold frontal case.

The elliptic sine-Gordon equation in a half plane

We consider boundary value problems for the elliptic sine-Gordon equation posed in the half plane y > 0. This problem was considered in Gutshabash and Lipovskii (1994 J. Math. Sci. 68 197–201) using the classical inverse scattering transform approach. Given the limitations of this approach, the results obtained rely on a nonlinear constraint on the spectral data derived heuristically by analogy with the linearized case. We revisit the analysis of such problems using a recent generalization of the inverse scattering transform known as the Fokas method, and show that the nonlinear constraint of Gutshabash and Lipovskii (1994 J. Math. Sci. 68 197–201) is a consequence of the so-called global relation. We also show that this relation implies a stronger constraint on the spectral data, and in particular that no choice of boundary conditions can be associated with a decaying (possibly mod 2π) solution analogous to the pure soliton solutions of the usual, time-dependent sine-Gordon equation. We also briefly indicate how, in contrast to the evolutionary case, the elliptic sine-Gordon equation posed in the half plane does not admit linearisable boundary conditions.

Spectral analysis of the elliptic sine-Gordon equation in the quarter plane

We study the elliptic sine-Gordon equation in the quarter plane using a spectral transform approach. We determine the Riemann-Hilbert problem associated with well-posed boundary value problems in this domain and use it to derive a formal representation of the solution. Our analysis is based on a generalization of the usual inverse scattering transform recently introduced by Fokas for studying linear elliptic problems.

Mixed initial-boundary value problem in particle modeling of microelectronic devices

The Boltzmann equation in presence of boundary and initial conditions, which describes the general case of carrier transport in microelectronic devices is analysed in terms of Monte Carlo theory. The classical Ensemble Monte Carlo algorithm which has been devised by merely phenomenological considerations of the initial and boundary carrier contributions is now derived in a formal way. The approach allows to suggest a set of event-biasing algorithms for statistical enhancement as an alternative of the population control technique, which is virtually the only algorithm currently used in particle simulators. The scheme of the self-consistent coupling of Boltzmann and Poisson equation is considered for the case of weighted particles. It is shown that particles survive the successive iteration steps.

A simple method of calculating eigenvalues and resonances in domains with infinite regular ends

A new approach is presented for the solution of spectral problems on infinite domains with regular ends, which avoids the need to solve boundary-value problems for many trial values of the spectral parameter. We present numerical results both for eigenvalues and for resonances, comparing with results reported by Aslanyan, Parnovski and Vassiliev.

Equidistributing Meshes with Constraints

Adaptive methods which “equidistribute” a given positive weight function are now used fairly widely for selecting discrete meshes. The disadvantage of such schemes is that the resulting mesh may not be smoothly varying. In this paper a technique is developed for equidistributing a function subject to constraints on the ratios of adjacent steps in the mesh. Given a weight function $f \geqq 0$ on an interval $[a,b]$ and constants $c$ and $K$, the method produces a mesh with points $x_0 = a,x_{j + 1} = x_j + h_j ,j = 0,1, \cdots ,n - 1$ and $x_n = b$ such that\[ \int_{xj}^{x_{j + 1} } {f \leqq c\quad {\text{and}}\quad \frac{1} {K}} \leqq \frac{{h_{j + 1} }} {{h_j }} \leqq K\quad {\text{for}}\, j = 0,1, \cdots ,n - 1 . \] A theoretical analysis of the procedure is presented, and numerical algorithms for implementing the method are given. Examples show that the procedure is effective in practice. Other types of constraints on equidistributing meshes are also discussed. The principal application of the procedure is to the solution of boundary value problems, where the weight function is generally some error indicator, and accuracy and convergence properties may depend on the smoothness of the mesh. Other practical applications include the regrading of statistical data.