Studienabschlussarbeiten am Institut

Gegeben sei ein einfacher, endlicher, ungerichteter Graph G = (V,E) mit Eckenmenge V (G) und Kantenmenge E(G). Die Kreuzungszahl eines Graphen G, die mit cr(G) bezeichnet wird, ist das Minimum aller Kantenkreuzungen über alle Zeichnungen von G in der Ebene. Diese ist eine wichtige Messgröße für die Charakterisierung der Nichtplanarität eines Graphen. Aufgrund der schweren Berechenbarkeit des dazugehörigen Entscheidungsproblems ist es gerechtfertigt, sich mit Schranken zu beschäftigen. Diese Masterarbeit liefert einen Beweis für eine obere Schranke für Graphen, die mit beschränkter Verzerrung eingebettet werden können. Unabhängig davon wird ein neues Separator-Theorem angegeben, das ein konstantes Größenverhältnis bei den Komponenten eines Graphen G erzeugt, die durch den Trenner S entstehen. Trenner von Graphen sind mächtige Werkzeuge, die durch den Teile-und-herrsche-Algorithmus motiviert sind.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit Daten auf der Sphäre in beliebiger Dimension. In diesem Kontext wird das Problem, einen Konfidenzbereich für den extrinsischen sphärischen Mittelwert zu finden, gelöst. Ein großer Teil der Arbeit behandelt deshalb multivariate Konzentrationsungleichungen, da diese die Lösung für alle Dimensionen ermöglichen. Insbesondere wird ein neuer Beweis für eine Ungleichung von I. Pinelis und A. I. Sakhanenko angegeben, dies geschieht mithilfe der Theorie der Matrixkonzentrationsungleichungen von J. A. Tropp. Diese Ungleichung ermöglicht nun die Konstruktion von nicht-asymptotischen Konfidenzbereichen des sphärischen Mittelwertes. Diese Konstruktion wird abschließend auf echte und simulierte Daten angewendet und mit vorherigen Ergebnissen für den zirkulären Fall sowie der asymptotischen Theorie verglichen.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem sogenannten Variationsproblem. Dies ist ein unendlich dimensionales Optimierungsproblem, welches in der theoretischen Mechanik von großer Relevanz ist. Die zentralen Aussagen dieser Arbeit besagen, dass eine Lösung des Variationsproblems notwendigerweise die Euler-Lagrange-Gleichung sowie die Hamilton-Gleichung erfüllen muss. Dazu wird das Variationsproblem als Verallgemeinerung eines endlich dimensionalen Optimierungsproblems betrachtet. Das Verschwinden der sogenannten ersten Variation einer Lösung des Variationsproblems stellt, ähnlich dem Verschwinden der Richtungsableitung im endlich Dimensionalen, ein notwendiges Optimalitätskriterium dar. Zusammen mit einer Variante des Fundamentallemmas der Variationsrechnung wird damit die Euler-Lagrange-Gleichung hergeleitet. Mithilfe der Legendre-Transformation wird die Äquivalenz von Euler-Lagrange- und Hamilton-Gleichung gezeigt, unter entsprechenden Voraussetzungen, die die Wohldefiniertheit der Legendre-Transformation gewährleisten. Ein weiterer Bestandteil der Arbeit ist die Lösung des Kettenproblems, eines klassischen Problems der Variationsrechnung, unter Zuhilfenahme der Euler-Lagrange-Gleichung und der ihr verwandten Dubois-Reymond-Gleichung.

Eine Partition eines Graphen $G$ ist eine Folge $(G_1,G_2,\ldots,G_p)$ paarweise disjunkter induzierter Teilgraphen von $G$ mit $V(G)=V(G_1) \cup V(G_2) \cup \ldots \cup V(G_p)$. Diese Arbeit beschäftigt sich mit Zerlegungen von (Multi-)Graphen unter bestimmten Gradbedingungen. So werden unter anderem eine Verallgemeinerung eines Satzes von Borodin, Kostochka und Toft bewiesen, welcher Zerlegungen von Graphen mit Anforderungen an die Degeneriertheit untersucht. Des Weiteren werden Sätze von Stiebitz, Kaneko, Bazgan, Tuza und Vanderpooten, als auch Liu und Xu verallgemeinert; diese handeln von Graphzerlegungen mit Mindestanforderungen an den Minimalgrad.

Das Thema der Masterarbeit ist die linear-quadratische Optimalsteuerung zeitvarianter und zeitinvarianter differentiell-algebraischer Gleichungen (DAEs). Die Arbeit besteht aus zwei Hauptteilen: Im ersten Teil betrachten wir zeitvariante DAEs. Wir wiederholen die Lösungstheorie von DAEs und definieren das von uns betrachtete Optimalsteuerungsproblem. Anschließend zeigen wir, dass der Optimalwert eine quadratische Funktion ist und das Bellmansche Optimalitätsprinzip erfüllt. Mithilfe dieser Ergebnisse können wir den Optimalwert als extremale Lösung der Kalman-Yakubovich-Popov-Ungleichung charakterisieren. Im zweiten Teil widmen wir uns zeitinvarianten regulären DAEs. Wir leiten zunächst eine Differenzierbarkeitsbedingung her, die der Steuereingang des Systems erfüllen muss. Mithilfe dieser Resultate führen wir ein erweitertes System ein, das gewisse Ableitungen des Eingangs als Systemzustände enthält. Für das so erweiterte System kann ein zum Optimalsteuerungsproblem des originalen Systems äquivalentes Optimalsteuerungsproblem definiert werden. Dieses lässt sich mithilfe der Theorie der Optimalsteuerung gewöhnlicher Differentialgleichungen leicht lösen. Das ermöglicht uns, die optimale Steuerung der ursprünglichen DAE explizit anzugeben. Weiterhin lässt sich diese auch als Zustandsrückführung implementieren.