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## The Analysis of Oblique Boundary Problems and Limit Formulae Motivated by Problems from Geomathematics

### Die Analysis der schiefachsiger Randwertprobleme und der Grenzwertgleichungen motiviert durch geomathematische Probleme

• This dissertation deals with two main subjects. Both are strongly related to boundary problems for the Poisson equation and the Laplace equation, respectively. The oblique boundary problem of potential theory as well as the limit formulae and jump relations of potential theory are investigated. We divide this abstract into two parts and start with the oblique boundary problem. Here we prove existence and uniqueness results for solutions to the outer oblique boundary problem for the Poisson equation under very weak assumptions on boundary, coefficients and inhomogeneities. Main tools are the Kelvin transformation and the solution operator for the regular inner problem, provided in my diploma thesis. Moreover we prove regularization results for the weak solutions of both, the inner and the outer problem. We investigate the non-admissible direction for the oblique vector field, state results with stochastic inhomogeneities and provide a Ritz-Galerkin approximation. Finally we show that the results are applicable to problems from Geomathematics. Now we come to the limit formulae. There we combine the modern theory of Sobolev spaces with the classical theory of limit formulae and jump relations of potential theory. The convergence in Lebesgue spaces for integrable functions is already treated in literature. The achievement of this dissertation is this convergence for the weak derivatives of higher orders. Also the layer functions are elements of Sobolev spaces and the surface is a two dimensional suitable smooth submanifold in the three dimensional space. We are considering the potential of the single layer, the potential of the double layer and their first order normal derivatives. Main tool in the proof in Sobolev norm is the uniform convergence of the tangential derivatives, which is proved with help of some results taken from literature. Additionally, we need a result about the limit formulae in the Lebesgue spaces, which is also taken from literature, and a reduction result for normal derivatives of harmonic functions. Moreover we prove the convergence in the Hölder spaces. Finally we give an application of the limit formulae and jump relations. We generalize a known density of several function systems from Geomathematics in the Lebesgue spaces of square integrable measureable functions, to density in Sobolev spaces, based on the results proved before. Therefore we have prove the limit formula of the single layer potential in dual spaces of Soboelv spaces, where also the layer function is an element of such a distribution space.
• In dieser Disseration werden zwei Themen behandelt. Beide stehen in engem Zusammenhang mit Randwertproblem für die Poisson Gleichung bzw. der Laplace Gleichung. Zum einen untersuchen wir schiefachsige Randwertprobleme für die Poisson Gleichung, zum anderen behandeln wir die sogenannten Grenzwertgleichungen der Potentialtheorie. Dementsprechend unterteilen wir diese Zusammenfassung. Wir beginnen mit den schiefachsigen Randwertproblemen. Hier beweisen wir Existenz- und Eindeutigkeitsaussagen für Lösungen des äußeren Randwertproblems unter sehr schwachen Anforderungen an Gebiet, Koeffizienten und Inhomogeitäten. Hauptwerkzeuge sind die Kelvin Transformation, sowie der Lösungsoperator für das innere Problem, welcher bereits in meiner Diplomarbeit zur Verfügung gestellt wurde. Wir beweisen ein Regularisierungsresultat für die schwache Lösung des inneren und äußeren Problems. Zudem untersuchen wir die nicht zulässigen Richtungen für das schiefachsige Vektorfeld, beweisen ein Resultat f¨ur stochastische Inhomogenitäten und implementieren eine Ritz-Galerkin-Approximations Methode. Schließlich zeigen wir noch das unsere Resultate auf konkrete Probleme der Geomathematik anwendbar sind. Kommen wir nun zu den Grenzwertgleichungen der Potentialtheorie. Hierbei kombinieren wir die bekannte Theorie mit dem modernen Konzept der Sobolev Räume. Die Konvergenz in den Lebesgue Räumen der quadratisch integrierbaren messbaren Funktionen ist bereits in der Literatur bewiesen. Unsere Verallgemeinerung besteht in der Konvergenz der schwachen Ableitungen in dieser Norm, d.h. in den sogenannten Sobolev Räumen, wobei dann auch die Belegungen der potentiale Elemente von Sobolev Räumen sind und die Fläche eine ausreichend glatte Untermannigfaltigkeit im dreidimensionalen Raum ist. Als erstes untersuchen wir die Konvergenz tangentialer Ableitungen des Einschicht-Potentials, des Zweischicht-Potentials, sowie deren Normalenableitungen erster Ordnung in Supremums-Norm. Für den Beweis benutzen wir ein bekanntes Resultat über die Regularität der genannten Potentiale. Darüber hinaus können wir zeigen das die Konvergenz sogar in den Hölder Räumen hält. Diese Resultate, zusammen mit der Konvergenz in den Lebesgue Räumen sind die Hauptzutaten für den Beweis in den Sobolev Normen. Außerdem benutzen wir noch eine Reduktionsformel für die Normalenableitungen harmonischer Funktionen. Schließlich wenden wir die bewiesenen Resultate an, indem wir zeigen das bestimmte Funktionensysteme der Geomathematik dicht in den Sobolev Räumen sind. Dazu beweisen wir unter anderem auch die Grenzwertgleichung für das Einschicht-Potential in den Dualräumen der Sobolev Räume für Belegungen ebenfalls aus diesen Dualräumen.

### Additional Services

Author: Thomas Raskop urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-23815 Martin Grothaus Doctoral Thesis English 2009 2009 Technische Universität Kaiserslautern Technische Universität Kaiserslautern 2009/09/23 2009/10/01 Geodesie; Kelvin Transformation; Stochastische Inhomogenitäten Elliptisches Randwertproblem; Gewichteter Sobolev-Raum; Poisson-Gleichung; Schiefe Ableitung; Schwache Lösu; Sobolev-Raum; Untermannigfaltigkeit Stochastics, 78(4):233–257 sowie Numerical Functional Analysis and Optimization, 30(7):711-750 Fachbereich Mathematik 5 Naturwissenschaften und Mathematik / 510 Mathematik 31-XX POTENTIAL THEORY (For probabilistic potential theory, see 60J45) / 31Bxx Higher-dimensional theory / 31B25 Boundary behavior 32-XX SEVERAL COMPLEX VARIABLES AND ANALYTIC SPACES (For infinite-dimensional holomorphy, see 46G20, 58B12) / 32Cxx Analytic spaces / 32C25 Analytic subsets and submanifolds 35-XX PARTIAL DIFFERENTIAL EQUATIONS / 35Jxx Elliptic equations and systems [See also 58J10, 58J20] / 35J05 Laplacian operator, reduced wave equation (Helmholtz equation), Poisson equation [See also 31Axx, 31Bxx] 35-XX PARTIAL DIFFERENTIAL EQUATIONS / 35Jxx Elliptic equations and systems [See also 58J10, 58J20] / 35J25 Boundary value problems for second-order elliptic equations 86-XX GEOPHYSICS [See also 76U05, 76V05] / 86Axx Geophysics [See also 76U05, 76V05] / 86A30 Geodesy, mapping problems Standard gemäß KLUEDO-Leitlinien vor dem 27.05.2011