Exact Riemann solutions to two selected resonant hyperbolic systems

Magdeburg, Univ., Fak. für Mathematik, Diss., 2013

Branching random motions, nonlinear hyperbolic systems and traveling waves

A branching random motion on a line, with abrupt changes of direction, is studied. The branching mechanism, being independient of random motion, and intensities of reverses are defined by a particle's current direction. A soluton of a certain hyperbolic system of coupled non-linear equations (Kolmogorov type backward equation) have a so-called McKean representation via such processes. Commonly this system possesses traveling-wave solutions. The convergence of solutions with Heaviside terminal data to the travelling waves is discussed.This Paper realizes the McKean programme for the Kolmogorov-Petrovskii-Piskunov equation in this case. The Feynman-Kac formula plays a key role.

Formation of Singularities for Weakly Non-Linear N×N Hyperbolic Systems

We present some results on the formation of singularities for C^1 - solutions of the quasi-linear N × N strictly hyperbolic system Ut + A(U )Ux = 0 in [0, +∞) × Rx . Under certain weak non-linearity conditions (weaker than genuine non-linearity), we prove that the first order derivative of the solution blows-up in finite time.

Multidimensional schemes for hyperbolic conservation laws on triangular meshes

Genuinely multidimensional schemes, hyperbolic systems, wave equations, Euler equations, evolution Galerkin schemes, space-time conservative methods, high order accuracy, shock solutions

Wavelets And Adaptive Grids For The Discontinuous Galerkin Method

In this paper, space adaptivity is introduced to control the error in the numerical solution of hyperbolic systems of conservation laws. The reference numerical scheme is a new version of the discontinuous Galerkin method, which uses an implicit diffusive term in the direction of the streamlines, for stability purposes. The decision whether to refine or to unrefine the grid in a certain location is taken according to the magnitude of wavelet coefficients, which are indicators of local smoothness of the numerical solution. Numerical solutions of the nonlinear Euler equations illustrate the efficiency of the method. © Springer 2005.

Hausdorff dimension versus smoothness

There is a one-to-one correspondence between C1+H Cantor exchange systems that are C1+H fixed points of renormalization and C1+H diffeomorphisms f on surfaces with a codimension 1 hyperbolic attractor Λ that admit an invariant measure absolutely continuous with respect to the Hausdorff measure on Λ. However, there is no such C1+α Cantor exchange system with bounded geometry that is a C1+α fixed point of renormalization with regularity α greater than the Hausdorff dimension of its invariant Cantor set. The proof of the last result uses that the stable holonomies of a codimension 1 hyperbolic attractor Λ are not C1+θ for θ greater than the Hausdorff dimension of the stable leaves of f intersected with Λ.

Kinetic schemes for the relativistic hydrodynamics

Hyperbolic systems, non-relativistic and relativistic Euler equations, kinetic schemes, conservation laws, discontinuous solutions, high order accuracy

Option pricing in market models driven by telegraph processes with jumps

Esta tesis está dividida en dos partes: en la primera parte se presentan y estudian los procesos telegráficos, los procesos de Poisson con compensador telegráfico y los procesos telegráficos con saltos. El estudio presentado en esta primera parte incluye el cálculo de las distribuciones de cada proceso, las medias y varianzas, así como las funciones generadoras de momentos entre otras propiedades. Utilizando estas propiedades en la segunda parte se estudian los modelos de valoración de opciones basados en procesos telegráficos con saltos. En esta parte se da una descripción de cómo calcular las medidas neutrales al riesgo, se encuentra la condición de no arbitraje en este tipo de modelos y por último se calcula el precio de las opciones Europeas de compra y venta.

Contextual emergence of mental states from neurodynamics

The emergence of mental states from neural states by partitioning the neural phase space is analyzed in terms of symbolic dynamics. Well-defined mental states provide contexts inducing a criterion of structural stability for the neurodynamics that can be implemented by particular partitions. This leads to distinguished subshifts of finite type that are either cyclic or irreducible. Cyclic shifts correspond to asymptotically stable fixed points or limit tori whereas irreducible shifts are obtained from generating partitions of mixing hyperbolic systems. These stability criteria are applied to the discussion of neural correlates of consiousness, to the definition of macroscopic neural states, and to aspects of the symbol grounding problem. In particular, it is shown that compatible mental descriptions, topologically equivalent to the neurodynamical description, emerge if the partition of the neural phase space is generating. If this is not the case, mental descriptions are incompatible or complementary. Consequences of this result for an integration or unification of cognitive science or psychology, respectively, will be indicated.

ENO adaptive method for solving one-dimensional conservation laws

In this work an efficient third order non-linear finite difference scheme for solving adaptively hyperbolic systems of one-dimensional conservation laws is developed. The method is based oil applying to the solution of the differential equation an interpolating wavelet transform at each time step, generating a multilevel representation for the solution, which is thresholded and a sparse point representation is generated. The numerical fluxes obtained by a Lax-Friedrichs flux splitting are evaluated oil the sparse grid by an essentially non-oscillatory (ENO) approximation, which chooses the locally smoothest stencil among all the possibilities for each point of the sparse grid. The time evolution of the differential operator is done on this sparse representation by a total variation diminishing (TVD) Runge-Kutta method. Four classical examples of initial value problems for the Euler equations of gas dynamics are accurately solved and their sparse solutions are analyzed with respect to the threshold parameters, confirming the efficiency of the wavelet transform as an adaptive grid generation technique. (C) 2008 IMACS. Published by Elsevier B.V. All rights reserved.

IMEX finite volume methods for the shallow water equations

Die Flachwassergleichungen (SWE) sind ein hyperbolisches System von Bilanzgleichungen, die adäquate Approximationen an groß-skalige Strömungen der Ozeane, Flüsse und der Atmosphäre liefern. Dabei werden Masse und Impuls erhalten. Wir unterscheiden zwei charakteristische Geschwindigkeiten: die Advektionsgeschwindigkeit, d.h. die Geschwindigkeit des Massentransports, und die Geschwindigkeit von Schwerewellen, d.h. die Geschwindigkeit der Oberflächenwellen, die Energie und Impuls tragen. Die Froude-Zahl ist eine Kennzahl und ist durch das Verhältnis der Referenzadvektionsgeschwindigkeit zu der Referenzgeschwindigkeit der Schwerewellen gegeben. Für die oben genannten Anwendungen ist sie typischerweise sehr klein, z.B. 0.01. Zeit-explizite Finite-Volume-Verfahren werden am öftersten zur numerischen Berechnung hyperbolischer Bilanzgleichungen benutzt. Daher muss die CFL-Stabilitätsbedingung eingehalten werden und das Zeitinkrement ist ungefähr proportional zu der Froude-Zahl. Deswegen entsteht bei kleinen Froude-Zahlen, etwa kleiner als 0.2, ein hoher Rechenaufwand. Ferner sind die numerischen Lösungen dissipativ. Es ist allgemein bekannt, dass die Lösungen der SWE gegen die Lösungen der Seegleichungen/ Froude-Zahl Null SWE für Froude-Zahl gegen Null konvergieren, falls adäquate Bedingungen erfüllt sind. In diesem Grenzwertprozess ändern die Gleichungen ihren Typ von hyperbolisch zu hyperbolisch.-elliptisch. Ferner kann bei kleinen Froude-Zahlen die Konvergenzordnung sinken oder das numerische Verfahren zusammenbrechen. Insbesondere wurde bei zeit-expliziten Verfahren falsches asymptotisches Verhalten (bzgl. der Froude-Zahl) beobachtet, das diese Effekte verursachen könnte.Ozeanographische und atmosphärische Strömungen sind typischerweise kleine Störungen eines unterliegenden Equilibriumzustandes. Wir möchten, dass numerische Verfahren für Bilanzgleichungen gewisse Equilibriumzustände exakt erhalten, sonst können künstliche Strömungen vom Verfahren erzeugt werden. Daher ist die Quelltermapproximation essentiell. Numerische Verfahren die Equilibriumzustände erhalten heißen ausbalanciert.rnrnIn der vorliegenden Arbeit spalten wir die SWE in einen steifen, linearen und einen nicht-steifen Teil, um die starke Einschränkung der Zeitschritte durch die CFL-Bedingung zu umgehen. Der steife Teil wird implizit und der nicht-steife explizit approximiert. Dazu verwenden wir IMEX (implicit-explicit) Runge-Kutta und IMEX Mehrschritt-Zeitdiskretisierungen. Die Raumdiskretisierung erfolgt mittels der Finite-Volumen-Methode. Der steife Teil wird mit Hilfe von finiter Differenzen oder au eine acht mehrdimensional Art und Weise approximniert. Zur mehrdimensionalen Approximation verwenden wir approximative Evolutionsoperatoren, die alle unendlich viele Informationsausbreitungsrichtungen berücksichtigen. Die expliziten Terme werden mit gewöhnlichen numerischen Flüssen approximiert. Daher erhalten wir eine Stabilitätsbedingung analog zu einer rein advektiven Strömung, d.h. das Zeitinkrement vergrößert um den Faktor Kehrwert der Froude-Zahl. Die in dieser Arbeit hergeleiteten Verfahren sind asymptotisch erhaltend und ausbalanciert. Die asymptotischer Erhaltung stellt sicher, dass numerische Lösung das "korrekte" asymptotische Verhalten bezüglich kleiner Froude-Zahlen besitzt. Wir präsentieren Verfahren erster und zweiter Ordnung. Numerische Resultate bestätigen die Konvergenzordnung, so wie Stabilität, Ausbalanciertheit und die asymptotische Erhaltung. Insbesondere beobachten wir bei machen Verfahren, dass die Konvergenzordnung fast unabhängig von der Froude-Zahl ist.

Non-hyperbolic boundary equilibrium bifurcations in planar Filippov systems: a case study approach

Boundary equilibrium bifurcations in piecewise smooth discontinuous systems are characterized by the collision of an equilibrium point with the discontinuity surface. Generically, these bifurcations are of codimension one, but there are scenarios where the phenomenon can be of higher codimension. Here, the possible collision of a non-hyperbolic equilibrium with the boundary in a two-parameter framework and the nonlinear phenomena associated with such collision are considered. By dealing with planar discontinuous (Filippov) systems, some of such phenomena are pointed out through specific representative cases. A methodology for obtaining the corresponding bi-parametric bifurcation sets is developed.