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Hamiltonian daemons allow the transfer of energy from systems with very fast degrees
of freedom to systems with slower ones across several orders of magnitude. They act on
small scales and can be regarded as micro-engines.
Such daemons were previously described in the classical as well as the quantum me-
chanical regime. In this thesis the semi-classical regime is examined, where quantum
phenomena occur as corrections to classical systems. Here, the focus is on numerical
simulations.
First some introductory models are examined. They are concerned with quantum
tunneling, since it occurs as an important quantum correction, as well as with the
capture and decay of bound states, since this represents the transition between the
dynamical phases of a daemon: adiabatic decoupling and downconversion.
The examinations are carried out using wave functions, as solutions to the Schrödinger
equation, and by means of Wigner functions in a quantum mechanical phase-space in
the framework of the Weyl-Wigner-Groenewold-Moyal formalism. For one these Wigner
functions are computed from the wave functions, but they are also obtained from a
numerical method based on the Moyal equation, which will be introduced here.
After developing this methodology, it is employed in the study of a daemon system
with a tilted washboard potential. The daemon behavior is studied with regards to
quantum corrections, especially in phase-space and concerning Kruskal’s theorem, which
describes the capture of phase-space flow via a time-dependent separatrix.
Lastly the semi-classically quantized phase-space will be discussed as a basis for a
combined description of both classical and quantum daemons. The behavior of the
energy spectrum in the deep quantum regime is explained by dynamical tunneling pro-
cesses.
Im Projekt MAFoaM - Modular Algorithms for closed Foam Mechanics - des
Fraunhofer ITWM in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IMWS wurde eine Methode zur Analyse und Simulation geschlossenzelliger PMI-Hartschäume entwickelt. Die Zellstruktur der Hartschäume wurde auf Basis von CT-Aufnahmen modelliert, um ihr Verformungs- und Versagensverhalten zu simulieren, d.h. wie sich die Schäume unter Belastungen bis hin zum totalen Defekt verhalten.
In der Diplomarbeit wird die
bildanalytische Zellrekonstruktion für PMI-Hartschäume automatisiert. Die Zellrekonstruktion dient der Bestimmung von Mikrostrukturgrößen,
also geometrischer Eigenschaften der Schaumzellen, wie z.B.
Mittelwert und Varianz des Zellvolumens oder der Zelloberfläche.
Eine grundlegende Voraussetzung für die Entwicklung von teilautonomer hydraulischen Maschinen ist die automatisierte Bewegung der notwendigen Strukturen. Die Anforderungen an diese Bewegungen sind hoch und aus diesem Grund sind einfache Reglerstrukturen ohne konkrete Streckenkenntnis nicht ausreichend. Die Beschreibung des Streckenkennmodells ist bei hydraulischen Maschinen sehr komplex und zeitaufwendig. Die Modellierung mit theoretischen auf physikalischen Ansätzen beruhenden Methoden ist daher unwirtschaftlich. Aufgrund dessen müssen für die Entwicklung von teilautonomen Maschinen alternative Strategien zur Beschreibung der Dynamik entwickelt werden. Im Rahmen der Diplomarbeit wurde die Machbarkeit von Neuronalen Netzen zur modellbasierten Geschwindigkeitsregelung von hydraulischen Zylindern an einem Bagger untersucht. Dabei wurden unterschiedliche Anregungssignale überprüft und das Regelverhalten des Neuronalen-Reglers auf einem realen Versuchsträger verifiziert. Es hat sich gezeigt, dass sich die datenbasierten Methoden zur Regelung von elektrohydraulischen Baggern eignen. Im Vergleich zu theoretischen Ansätzen konnte eine Steigerung der Regelgüte, bei gleichzeitiger Reduzierung des Arbeitsaufwandes von mehreren Monaten hinzu wenigen Tagen, erreicht werden.
Assistenzfunktionen stellen einen Meilenstein bei der Automatisierung hydraulischer Baumaschinen dar. Zur Regelung der Position des Tool Center Points von Hydraulikbaggern, den komplexesten Vertretern dieser Klasse, können inverse Modelle als Teil einer Vorsteuerung genutzt werden. In dieser Arbeit werden hierzu physikalische und datenbasierte Modellierungsansätze in Form von hybriden Modellen vereint. Die Zielanwendung stellt eine Assistenzfunktion zur automatisierten Durchführung von Planziehbewegungen dar. Es konnte gezeigt werden, dass durch hybride Modelle eine verbesserte Güte und höhere Robustheit gegenüber Schwingungen im Vergleich zu rein datenbasierten Ansätzen erzielt werden kann. Die untersuchten Ansätze lassen sich auf andere Maschinen übertragen. Die Validierung erfolgte an einem realen Versuchsträger, dem Mobilbagger JCB Hydradig. Zur Systemidentifikation generierte Daten wurden darüber hinaus mittels Methoden des unüberwachten Lernens auf Vollständigkeit untersucht. Hierbei konnte der Effekt der konzeptbedingten Datenlücken festgestellt und untersucht werden, welcher eine Genauigkeitsgrenze bezüglich der inversen Modellierung darstellt.
The understanding of the many fields of control theory can be supported using demonstrators, as
influencing a system to achieve a desired behaviour is the main purpose of control theory. This
thesis covers the setup, implementation and controlling of an inverse multi-pendulum on a cart.
Construction design and brief dimensioning will be described. In addition, a drive to move the
cart and influence the system will be chosen, which will be controlled using industrial automation
technology components. The state feedback controller introduced requires state measurement that
is made available by a radio sensor designed in this thesis. A web user interface is designed and
in addition the data processing structure involving the industrial automation technology and the
custom radio sensor is implemented. The pendulum is then controlled and stabilized by an optimal
controller. Furthermore, an upswing control approach is pointed out using numerical optimal
control.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit konnte das etablierte direkte Laserschreiben um einen zusätzlichen
abregenden Strahlengang ergänzt werden, dessen Einfluss im Hinblick auf das
Polymerisationsverhalten untersucht wurde.
Bei dem verwendeten (Negativ-) Photolack IP-L 780 konnte durch stimulierte Emission die
Generierung von Radikalen unterbunden werden, indem die an- und abregenden Laserfokusse
räumlich überlagert wurden. Dabei stellte sich heraus, dass ein relativ großer Intensitätsbereich
den erwünschten Effekt hervorruft.
Die in der Fluoreszenzmikroskopie seit langem verwendeten Abregungsmoden (doughnut und
bottleshape) konnten mithilfe von räumlichen Lichtmodulatoren und dem speziell für diesen
Zweck entwickelten Programm zur PSF-Darstellung sehr gut erzeugt werden. Dabei fanden
neben den Zernike-Polynomen auch inverse Gauß-Funktionen zur Aberrationskorrektur Anwendung.
Auch sogenannte Multifokusse (lateral und axial) konnten durch eine geeignete
Gewichtung der Zernike-Polynome zuverlässig generiert werden, wobei die dafür notwendigen
Phasen- und Amplitudenpattern mithilfe eines entsprechenden iterativen Algorithmus
(GSA3D) berechnet wurden.
Der laterale Polymerisationsdurchmesser konnte sowohl durch die doughnut-Mode, als auch
durch den lateralen Multifokus von 240 nm um ca. 50 % auf ungefähr 120 nm reduziert
werden. Der stimulierende Teil der doughnut-Mode, der entlang der Schreibrichtung dem
Polymerisationsfokus vorauseilt (oder hinterherläuft), führt zu keinerlei relevanten Unterschieden
im Vergleich zum Multifokus.
Dies konnte zudem durch ein Experiment verifiziert werden, bei dem die An- und Abregungsfokusse
entlang der Schreibrichtung um verschiedene Distanzen versetzt positioniert
wurden. Ob der stimulierende Laser den Photolack räumlich (und damit zeitlich) einige hundert
Nanometer (bzw. einige Millisekunden) vor oder nach dem anregenden beeinflusst, zeigt
dabei keinerlei Unterschiede. Je größer der Versatz, desto geringer die stimulierende Wirkung.
Demnach scheint der abregende Laser den Photoinitiator (DETC) zu stimulierter Emission
zu bringen, bevor dieser seine absorbierte Energie zur Spaltung und damit zum Polymerisationsbeginn
nutzen kann.
Der axiale Polymerisationsdurchmesser konnte sowohl mit der etablierten bottleshape-Mode,
als auch mit dem hier entwickelten axialen Multifokus von ca. 400 nm um 50% auf unge-
57
5 Zusammenfassung und Ausblick Julian Hering
fähr 200 nm reduziert werden. Bei Letzterem war der Intensitätsring in der xy-Ebene bei
z = 0 deutlich stärker ausgeprägt als bei der bottleshape-Mode, was zu einer erhöhten
lateralen Polymerisationsunterdrückung und damit zu einem schlechteren Aspektverhältnis
führte. Nichtsdestotrotz konnte dadurch im Rahmen dieser Arbeit erstmals STED-DLW mittels
räumlicher Lichtmodulatoren betrieben werden.
Die mit starren Phasenmasken bereits erreichten Linienabmessungen von bis zu 65 nm lateral
und 180 nm axial konnten somit zwar nicht erreicht werden, jedoch ist in dieser Hinsicht eine
deutliche Verbesserung gegenüber dem zuvor verwendeten normalen DLW unverkennbar. Leider
zeigt die Kombination mit STED jedoch neue Herausforderungen auf. So wurde z.B. die
Strukturqualität beim Anfahren und Abbremsen des Piezos enorm verschlechtert. Auch die
Generierung mancher Abregungsmoden erwies sich als äußerst mühsam und zeitaufwendig.
Aus diesem Grund wird in Zukunft ein automatisiertes Vorgehen bei der Aberrationskorrektur
angestrebt, sowie eine aufeinander abgestimmte Ansteuerung der jeweiligen Laserleistungen.
Der Strukturierungszeitaufwand aufgrund der verwendeten Geschwindigkeit von 100 μm/s
kann in Zukunft ebenfalls verringert werden, da das Auslenkverhalten der beiden Fokusse in
einem Radius von 50 μm mittels Galvanospiegel-System weitestgehend gleich ist. Zu diesem
Zweck müssen allerdings je nach verwendeter Geschwindigkeit die nötigen Laserleistungen
ermittelt werden. Außerdem muss die räumliche Formkonstanz der An- und Abregungsmoden
bei einer Auslenkung um bis zu 50 μm untersucht werden. Durch den Verzicht auf das
Piezo-System würde sich das Problem der schlechten Qualität an den Strukturkanten eventuell
erübrigen.
Zudem lässt sich durch die Verwendung räumlicher Lichtmodulatoren der Einsatz verwendeter
Abregungsmoden weiter ausbauen. Axiale Multifokusse mit einer Halbwertslücke von
unter 300 nm und einem Intensitätsminimum von unter 30% sind theoretisch kein Problem.
Es gilt demnach, diese Moden zu generieren und auf deren Verbesserung hinsichtlich Linienbreite
und -länge zu untersuchen. Ein Test zur Ermittlung des Signal zu Rausch Verhältnisses
der jeweiligen Moden über den gesamten möglichen Bereich der stimulierten Emission würde
beispielsweise stark zur Charakterisierung der Multifokusse beitragen.
Bulk-boundary correspondence in non-equilibrium dynamics of one-dimensional topological insulators
(2017)
Dynamical phase transitions (DPT) are receiving a rising interest. They are known to behave analogously to
equilibrium phase transitions (EPT) to a large extend. However, it is easy to see that DPT can occur in finite
systems, while EPT are only possible in the thermodynamic limit. So far it is not clear how far the analogy of
DPT and EPT goes. It was suggested, that there is a relation between topological phase transitions (TPT)
and DPT, but many open questions remain.
Typically, to study DPT, the Loschmidt echo (LE) after a quench is investigated, where DPT are visible as
singularities. For one-dimensional systems, each singularity is connected to a certain critical time scale, which
is given by the dispersion in the chain.
In topological free-fermion models with winding numbers 0 or 1, only the LE in periodic boundary conditions
(PBC) has been investigated. In open boundary conditions (OBC), these models are characterized by symmetry
protected edge modes in the topologically non-trivial phase. It is completely unclear how these modes affect
DPT. We investigate systems with PBC governed by multiple time scales with a Z topological invariant. In
OBC, we provide numerical evidence for the presence of bulk-boundary correspondence in DPT in quenches
across a TPT.
Zur Untersuchung der Zell-Topographie-Interaktionen werden im Rahmen dieser Arbeit zwei Arten von Mikrostrukturen mittels Direktem Laser Schreiben erzeugt, einerseits Pfosten unterschiedlicher Abstände und andererseits Pfosten-Steg-Strukturen mit unterschiedlicher Steghöhe. Auf diesen Topographien werden die untersuchten Zellen ausgesät und ihr Verhalten mit Zeitrafferaufnahmen über einen Zeitraum von 24 h beobachtet. Aus den Zellkoordinaten und den daraus erhaltenen Zellpfaden wird das Migrationsverhalten der Zellen im Hinblick auf den lenkenden Einfluss der betrachteten Topographie analysiert.
Konzeptionelle Studien der letzten Jahre deuten darauf hin, dass für eine Verwurzelung von Nachhaltigkeit in modernen Unternehmen eine Veränderung der Denkweise der Unternehmensentscheidungsträger notwendig ist. Dabei werden Verantwortung und nachhaltiges Handeln nicht ausschließlich als Instrumente zur Erreichung ökonomischer Ziele eingesetzt, sondern bilden, verankert in der persönlichen Spiritualität, fundamentale Prinzipien und eigenständige Werte. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es deshalb, die Zusammenhänge zwischen Spiritualität und unternehmerischer Nachhaltigkeit zu beleuchten. Mit Hilfe von sechs halbstrukturierten Interviews mit GründerInnen und Un-ternehmensführerInnen kleiner und mittlerer Unternehmen des Dienstleistungssektors untersuchte die Autorin, inwiefern die Spiritualität der UnternehmerInnen einen Einfluss auf nachhaltige Entscheidungen in ihren Unternehmen hat. Sie konnte herausfinden, dass Werte und Ansichten, die die individuelle Spiritualität der UnternehmerInnen ausdrücken, als Motivation für nachhaltiges unternehmerisches Handeln dienen können. Überdies identifizierte sie einzelne Werte und Ansichten, die als Treiber für einzelne Dimensionen der Nachhaltigkeit fungieren. Weiterhin entwickelte sie ein Modell, das sowohl persönliche Werte und Ansichten als Teil der Spiritualität, als auch die in der Literatur diskutierten Konzepte Spiritualität am Arbeitsplatz und spirituelle Führung integriert. Dieses Modell kann als Grundlage für weitere Forschung im Kontext von Spiritualität und unternehmerische Nachhaltigkeit dienen. Die Ergebnisse implizieren, dass in Bildung und Gesellschaft verankerte Aktivitäten zur Unterstützung von Spiritualität eine nachhaltige Entwicklung innerhalb und außerhalb von Unternehmen vorantreiben können.
This diploma thesis sets out to analyse the applicability of the instrument ’European Grouping of
Territorial Cooperation (EGTC)’ in the transnational and interregional non-contiguous cooperation.
EGTCs that are applied in spatially non-contiguous cooperations are called ’Network-EGTCs’. As
no scientific research about network-EGTCs has been made so far, this diploma thesis fills this
research gap.
As a basis for the analysis, a literature review on the instrument EGTC in general and its historic
background was conducted. In addition the scientific literature has been searched for characteristics
of non-contiguous cooperations and different stakeholders were interviewed for their
estimations about network-EGTCs. The so far existing and planned network-EGTCs have been
explored. Out of these network-EGTCs two case studies – the E.G.T.C. Amphictyony and the
planned CETC-EGTC – have been examined in depth. Their characteristics have further been
compared with the information about EGTCs and non contiguous-cooperations in general.
It was found out that network-EGTCs show advantages from ordinary non-contiguous cooperations.
Additionally, it was discovered that network-EGTCs do not differ in their character as much
as it had been expected from EGTCs established in the cross-border cooperation. This applies
also to the establishment process as well as to the fulfilment of the instrument’s potentials. In
general all EGTCs show discrepancies between planning and practice. Only a few differences
have been discovered. Contrary to expectation network-EGTCs show only certain disadvantages
but also advantages compared to EGTCs in the cross-border cooperation.
This thesis delivers evidence that EGTCs are applicable in the transnational and interregional
cooperation when certain preconditions are fulfilled. Then they can contribute to a successful
transnational and interregional cooperation.
Recommendations were given to territorial non-contiguous cooperations that are considering to
establish an EGTC.
It is expected that more network-EGTCs will be established in the future due to the higher experience
and knowledge about network-EGTCs.
Tropical geometry is a very new mathematical domain. The appearance of
tropical geometry was motivated by its deep relations to other mathematical
branches. These include algebraic geometry, symplectic geometry, complex
analysis, combinatorics and mathematical biology.
In this work we see some more relations between algebraic geometry and
tropical geometry. Our aim is to prove a one-to-one correspondence between
the divisor classes on the moduli space of n-pointed rational stable curves
and the divisors of the moduli space of n-pointed abstract tropical curves.
Thus we state some results of the algebraic case first. In algebraic geometry
these moduli spaces are well understood. In particular, the group of divisor
classes is calculated by S. Keel. We recall the needed results in chapter one.
For the proof of the correspondence we use some results of toric geometry.
Further we want to show an equality of the Chow groups of a special toric
variety and the algebraic moduli space. Thus we state some results of the
toric geometry as well.
This thesis tries to discover some connection between algebraic and tropical
geometry. Thus we also need the corresponding tropical objects to the
algebraic objects. Therefore we give some necessary definitions such as fan,
tropical fan, morphisms between tropical fans, divisors or the topical moduli
space of all n-marked tropical curves. Since we need it, we show that the
tropical moduli space can be embedded as a tropical fan.
After this preparatory work we prove that the group of divisor classes in
v
classical algebraic geometry has it equivalence in tropical geometry. For this
it is useful to give a map from the group of divisor classes of the algebraic
moduli space to the group of divisors of the tropical moduli space. Our aim is
to prove the bijectivity of this map in chapter three. On the way we discover
a deep connection between the algebraic moduli space and the toric variety
given by the tropical fan of the tropical moduli space.
In this work a 3-dimensional contact elasticity problem for a thin fiber and a rigid foundation is studied. We describe the contact condition by a linear Robin-condition (by meaning of the penalized and linearized non-penetration and friction conditions).
The dimension of the problem is reduced by an asymptotic approach. Scaling the Robin parameters appropriately we obtain a recurrent chain of Neumann type boundary value problems which are considered only in the microscopic scale. The problem for the leading term is a homogeneous Neumann problem, hence the leading term depends only on the slow variable. This motivates the choice of a multiplicative ansatz in the asymptotic expansion.
The theoretical results are illustrated with numerical examples performed with a commercial finite-element software-tool.
In this thesis we present the implementation of libraries center.lib and perron.lib for the non-commutative extension Plural of the Computer Algebra System Singular. The library center.lib was designed for the computation of elements of the centralizer of a set of elements and the center of a non-commutative polynomial algebra. It also provides solutions to related problems. The library perron.lib contains a procedure for the computation of relations between a set of pairwise commuting polynomials. The thesis comprises the theory behind the libraries, aspects of the implementation and some applications of the developed algorithms. Moreover, we provide extensive benchmarks for the computation of elements of the center. Some of our examples were never computed before.
The scope of this diploma thesis is to examine the four generations of asset pricing models and the corresponding volatility dynamics which have been devepoled so far. We proceed as follows: In chapter 1 we give a short repetition of the Black-Scholes first generation model which assumes a constant volatility and we show that volatility should not be modeled as constant by examining statistical data and introducing the notion of implied volatility. In chapter 2, we examine the simplest models that are able to produce smiles or skews - local volatility models. These are called second generation models. Local volatility models model the volatility as a function of the stock price and time. We start with the work of Dupire, show how local volatility models can be calibrated and end with a detailed discussion of the constant elasticity of volatility model. Chapter 3 focuses on the Heston model which represents the class of the stochastic volatility models, which assume that the volatility itself is driven by a stochastic process. These are called third generation models. We introduce the model structure, derive a partial differential pricing equation, give a closed-form solution for European calls by solving this equation and explain how the model is calibrated. The last part of chapter 3 then deals with the limits and the mis-specifications of the Heston model, in particular for recent exotic options like reverse cliquets, Accumulators or Napoleons. In chapter 4 we then introduce the Bergomi forward variance model which is called fourth generation model as a consequence of the limits of the Heston model explained in chapter 3. The Bergomi model is a stochastic local volatility model - the spot price is modeled as a constant elasticity of volatility diffusion and its volatility parameters are functions of the so called forward variances which are specified as stochastic processes. We start with the model specification, derive a partial differential pricing equation, show how the model has to be calibrated and end with pricing examples and a concluding discussion.
This work is concerned with dynamic flow problems, especially maximal dynamic flows and earliest arrival flows - also called universally maximal flows. First of all, a survey of known results about existence, computation and approximation of earliest arrival flows is given. For the special case of series-parallel graphs a polynomial algorithm for computing maximal dynamic flows is presented and this maximal dynamic flow is proven to be an earliest arrival flow.
In an undirected graph G we associate costs and weights to each edge. The weight-constrained minimum spanning tree problem is to find a spanning tree of total edge weight at most a given value W and minimum total costs under this restriction. In this thesis a literature overview on this NP-hard problem, theoretical properties concerning the convex hull and the Lagrangian relaxation are given. We present also some in- and exclusion-test for this problem. We apply a ranking algorithm and the method of approximation through decomposition to our problem and design also a new branch and bound scheme. The numerical results show that this new solution approach performs better than the existing algorithms.
A hub location problem consists of locating p hubs in a network in order to collect and consolidate flow between node pairs. This thesis deals with the uncapacitated single allocation p-hub center problem (USApHCP) as a special type of hub location problem with min max objective function. Using the so-called radius formulation of the problem, the dimension of the polyhedron of USApHCP is derived. The formulation constraints are investigated to find out which of these define facets. Then, three new classes of facet-defining inequalities are derived. Finally, efficient procedures to separate facets in a branch-and-cut algorithm are proposed. The polyhedral analysis of USApHCP is based on a tight relation to the uncapacitated facility location problem (UFL). Hence, many results stated in this thesis also hold for UFL.
* naive examples which show drawbacks of discrete wavelet transform and windowed Fourier transform; * adaptive partition (with a 'best basis' approach) of speech-like signals by means of local trigonometric bases with orthonormal windows. * extraction of formant-like features from the cosine transform; * further proceedingings for classification of vowels or voiced speech are suggested at the end.
In der Arbeit sollen ausgewählte technische Indikatoren und deren Handelsstrategien hinsichtlich ihres Verhaltens bzw. ihrer Profitabilität in verschiedenen Marktphasen untersucht werden. Um das Argument, dass die Indikatoren selbst erfüllend sind, zu entkräften, werden Finanzzeitreihen simuliert und die Indikatoren auf diese angewendet und ausgewertet. Zu diesem Zweck wird zu gegebenen echten Kursdaten ein finanzzeitreihenanalytisches Modell angepasst. Dieses wird zur Simulation von Finanzzeitreihen und damit zur Auswertung der Indikatoren verwendet werden. Durch geeignete Auswahlverfahren sollen verschiedene Handelsstrategien zu Strategien kombiniert werden, um ein besseres Ertrag/Risikoverhältnis zu erreichen als dies bei einzelnen Strategien der Fall wäre.