Kaiserslautern - Fachbereich Mathematik
Refine
Year of publication
Document Type
- Preprint (54)
- Article (19)
- Doctoral Thesis (14)
- Lecture (14)
- Report (12)
- Diploma Thesis (6)
- Part of a Book (4)
- Study Thesis (2)
- Course Material (1)
- Master's Thesis (1)
Language
- German (127) (remove)
Keywords
- Mathematische Modellierung (17)
- MINT (16)
- Schule (16)
- Modellierung (5)
- Modellierungswoche (5)
- Lineare Algebra (3)
- Mathematikunterricht (3)
- Simulation (3)
- praxisorientiert (3)
- Geodäsie (2)
Faculty / Organisational entity
Diese Diplomarbeit gibt eine kurze Einführung in das Gebiet der Diffusionsprozesse (beschrieben als Lösungen stochastischer Differentialgleichungen) und der großen Abweichungen. Mit Methoden aus dem Gebiet der großen Abweichungen wird dann das asymptotische Verhalten des Bayesrisikos für die unterscheidung zweier Diffusionsprozesse untersucht.
Anhand des vom Gutachterausschuß der Stadt Kaiserlautern zur Verfügung gestellten Datenmaterials soll untersucht werden, welche Faktoren den Verkehrswert eines bebauten Grundstücks beeinflussen. Mit diesen Erkenntnissen soll eine möglichst einfache Formel ermittelt werden, die eine Schätzung für den Verkehrswert liefert, und die dabei die in der Vergangenheit erzielten Kaufpreise berücksichtigt. Für die Lösung dieser Aufgabe bietet sich das Verfahren der multiplen linearen Regression an. Auf die theoretischen Grundlagen soll hier nicht näher eingegangen werden, man findet sie in jedem Buch über mathematische Statistik, oder in [1]. Bei der Analyse der Daten wurde im großen und ganzen der Weg eingeschlagen, den Angelika Schwarz in [1] beschreibt. Ihre Ergebnisse lassen sich jedoch nicht direkt übertragen, da die dort betrachteten Grundstücke unbebaut waren. Da bei der statistischen Auswertung großer Datenmengen ein immenser Rechenaufwand anfällt, ist es unverzichtbar, professionelle statistische Software einzusetzen. Es stand das Programm S-Plus 2.0 (PC-Version für Windows) zur Verfügung. Sämtliche Berechnungen und alle Grafiken in diesem Bericht wurden in S-Plus erstellt.
Das zinsoptimierte Schuldenmanagement hat zum Ziel, eine möglichst effiziente Abwägung zwischen den erwarteten Finanzierungskosten einerseits und den Risiken für den Staatshaushalt andererseits zu finden. Um sich diesem Spannungsfeld zu nähern, schlagen wir erstmals die Brücke zwischen den Problemstellungen des Schuldenmanagements und den Methoden der zeitkontinuierlichen, dynamischen Portfoliooptimierung.
Das Schlüsselelement ist dabei eine neue Metrik zur Messung der Finanzierungskosten, die Perpetualkosten. Diese spiegeln die durchschnittlichen zukünftigen Finanzierungskosten wider und beinhalten sowohl die bereits bekannten Zinszahlungen als auch die noch unbekannten Kosten für notwendige Anschlussfinanzierungen. Daher repräsentiert die Volatilität der Perpetualkosten auch das Risiko einer bestimmten Strategie; je langfristiger eine Finanzierung ist, desto kleiner ist die Schwankungsbreite der Perpetualkosten.
Die Perpetualkosten ergeben sich als Produkt aus dem Barwert eines Schuldenportfolios und aus der vom Portfolio unabhängigen Perpetualrate. Für die Modellierung des Barwertes greifen wir auf das aus der dynamischen Portfoliooptimierung bekannte Konzept eines selbstfinanzierenden Bondportfolios zurück, das hier auf einem mehrdimensionalen affin-linearen Zinsmodell basiert. Das Wachstum des Schuldenportfolios wird dabei durch die Einbeziehung des Primärüberschusses des Staates gebremst bzw. verhindert, indem wir diesen als externen Zufluss in das selbstfinanzierende Modell aufnehmen.
Wegen der Vielfältigkeit möglicher Finanzierungsinstrumente wählen wir nicht deren Wertanteile als Kontrollvariable, sondern kontrollieren die Sensitivitäten des Portfolios gegenüber verschiedenen Zinsbewegungen. Aus optimalen Sensitivitäten können in einem nachgelagerten Schritt dann optimale Wertanteile für verschiedenste Finanzierungsinstrumente abgeleitet werden. Beispielhaft demonstrieren wir dies mittels Rolling-Horizon-Bonds unterschiedlicher Laufzeit.
Schließlich lösen wir zwei Optimierungsprobleme mit Methoden der stochastischen Kontrolltheorie. Dabei wird stets der erwartete Nutzen der Perpetualkosten maximiert. Die Nutzenfunktionen sind jeweils an das Schuldenmanagement angepasst und zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass höhere Kosten mit einem niedrigeren Nutzen einhergehen. Im ersten Problem betrachten wir eine Potenznutzenfunktion mit konstanter relativer Risikoaversion, im zweiten wählen wir eine Nutzenfunktion, welche die Einhaltung einer vorgegebenen Schulden- bzw. Kostenobergrenze garantiert.
Zeitreihen und Modalanalyse
(1987)
Die Arbeit ist zu verstehen als ein Teil im großen Projekt der Universität Kaiserslautern, das sich unter dem Namen Technomathematik um die dringend erforderliche Verständigung zwischen Technik und Mathematik bemüht.; Der große Leitfaden war das Buch von Natke: Einführung in Theorie und Praxis der Zeitreihen- und Modalanalyse, Schilderung der wesentlichen dort verwendeten Ideen der indirekten Systemidentifikation sowie des wahrscheinlichkeitstheoretischen und physikalisch-technischen Hintergrundes.
Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Wärmetransportmodells für tiefe geothermische (hydrothermale) Reservoire. Existenz- und Eindeutigkeitsaussagen bezüglich einer schwachen Lösung des vorgestellten Modells werden getätigt. Weiterhin wird ein Verfahren zur Approximation dieser Lösung basierend auf einem linearen Galerkin-Schema dargelegt, wobei sowohl die Konvergenz nachgewiesen als auch eine Konvergenzrate erarbeitet werden.
Aufgrund der vernetzten Strukturen und Wirkungszusammenhänge dynamischer Systeme werden die zugrundeliegenden mathematischen Modelle meist sehr komplex und erfordern ein hohes mathematisches Verständnis und Geschick. Bei Verwendung von spezieller Software können jedoch auch ohne tiefgehende mathematische oder informatorische Fachkenntnisse komplexe Wirkungsnetze dynamischer Systeme interaktiv erstellt werden. Als Beispiel wollen wir schrittweise das Modell einer Miniwelt entwerfen und Aussagen bezüglich ihrer Bevölkerungsentwicklung treffen.
Die Akustik liefert einen interessanten Hintergrund, interdisziplinären und fächerverbindenen Unterricht zwischen Mathematik, Physik und Musik durchzuführen. SchülerInnen können hierbei beispielsweise experimentell tätig sein, indem sie Audioaufnahmen selbst erzeugen und sich mit Computersoftware Frequenzspektren erzeugen lassen. Genauso können die Schüler auch Frequenzspektren vorgeben und daraus Klänge erzeugen. Dies kann beispielsweise dazu dienen, den Begriff der Obertöne im Musikunterricht physikalisch oder mathematisch greifbar zu machen oder in der Harmonielehre Frequenzverhältnisse von Intervallen und Dreiklängen näher zu untersuchen.
Der Computer ist hier ein sehr nützliches Hilfsmittel, da der mathematische Hintergrund dieser Aufgabe -- das Wechseln zwischen Audioaufnahme und ihrem Frequenzbild -- sich in der Fourier-Analysis findet, die für SchülerInnen äußerst anspruchsvoll ist. Indem man jedoch die Fouriertransformation als numerisches Hilfsmittel einführt, das nicht im Detail verstanden werden muss, lässt sich an anderer Stelle interessante Mathematik betreiben und die Zusammenhänge zwischen Akustik und Musik können spielerisch erfahren werden.
Im folgenden Beitrag wird eine Herangehensweise geschildert, wie wir sie bereits bei der Felix-Klein-Modellierungswoche umgesetzt haben: Die SchülerInnen haben den Auftrag erhalten, einen Synthesizer zu entwickeln, mit dem verschiedene Musikinstrumente nachgeahmt werden können. Als Hilfsmittel haben sie eine kurze Einführung in die Eigenschaften der Fouriertransformation erhalten, sowie Audioaufnahmen verschiedener Instrumente.
Vorlesung Logik
(2000)
Diese Doktorarbeit befasst sich mit Volatilitätsarbitrage bei europäischen Kaufoptionen und mit der Modellierung von Collateralized Debt Obligations (CDOs). Zuerst wird anhand einer Idee von Carr gezeigt, dass es stochastische Arbitrage in einem Black-Scholes-ähnlichen Modell geben kann. Danach optimieren wir den Arbitrage- Gewinn mithilfe des Erwartungswert-Varianz-Ansatzes von Markowitz und der Martingaltheorie. Stochastische Arbitrage im stochastischen Volatilitätsmodell von Heston wird auch untersucht. Ferner stellen wir ein Markoff-Modell für CDOs vor. Wir zeigen dann, dass man relativ schnell an die Grenzen dieses Modells stößt: Nach dem Ausfall einer Firma steigen die Ausfallintensitäten der überlebenden Firmen an, und kehren nie wieder zu ihrem Ausgangsniveau zurück. Dieses Verhalten stimmt aber nicht mit Beobachtungen am Markt überein: Nach Turbulenzen auf dem Markt stabilisiert sich der Markt wieder und daher würde man erwarten, dass die Ausfallintensitäten der überlebenden Firmen ebenfalls wieder abflachen. Wir ersetzen daher das Markoff-Modell durch ein Semi-Markoff-Modell, das den Markt viel besser nachbildet.
Vigenere-Verschlüsselung
(1999)
In diesem Projekt soll die Bildung von Wirbeln bei der Strömung eines Gases um eine Ecke numerisch untersucht werden. Dabei sollen verschiedene numerische Verfahren getestet und die Ergebnisse mit Versuchsdaten verglichen werden. Ferner soll untersucht werden, wie gut sich diese Verfahren vektorisieren lassen, da komplizierte zweidimensionale und selbst einfache dreidimensionale Probleme der Strömungsdynamik auf den heute üblichen Universalrechnern nicht mit vertretbarem Zeitaufwand zu lösen sind. Die numerischen Berechnungen werden auf der CYBER 205 in Karlsruhe durchgeführt.
In diesem Projekt soll die Bildung von Wirbeln bei der Strömung eines Gases um eine Ecke numerisch untersucht werden. Dabei sollen verschiedene numerische Verfahren getestet und die Ergebnisse mit Versuchsdaten verglichen werden. Ferner soll untersucht werden, wie gut sich diese Verfahren vektorisieren lassen, da kompliziertere zweidimensionale und selbst einfache dreidimensionale Probleme der Strömungsdynamik auf den heute üblichen Universalrechnern nicht mit vertretbarem Zeitaufwand zu lösen sind, besonders, wenn, wie an der Universität Kaiserslautern, nur eine relativ langsame Anlage (Siemens 7551/7561) zur Verfügung steht. Die numerischen Rechnungen werden auf der CYBER 205 in Karlsruhe durchgeführt.
Topologie II
(1995)
Mit der vorliegenden Veröffentlichung soll der Versuch unternommen werden, mathematischen Schulstoff aus konkreten Problemen herzuentwickeln. Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit stehen betriebswirtschaftliche Planungs- und Entscheidungsprobleme, wie sie von fast allen Wirtschaftsunternehmen zu lösen sind. Dabei wird im besonderen auf folgende Optimierungsprobleme eingegangen: Berechnung des Rohstoffbedarfs bei gegebenen Bestellungen, Aufarbeitung von vorhandenen Lagerbeständen und das Stücklistenproblem.
Das Programmsystem PROMO wird in der Industrie zur Berechnung von instationären Gasströmungen in Mehrzylinder-Verbrennungsmotoren eingesetzt. PROMO wurde in den Jahren von 1970 bis 1977 an der Ruhr-Universität Bochum entwickelt. Nach den ersten Erfahrungen von Anwendern wurde das Programmsystem 1979/80 überarbeitet, und es entstand die neue Version PROMO 2.; Instationäre, kompressible und eindimensionale Rohrströmungen können berechnet werden. Außerdem sind die verschiedensten Rand- und Übergangsbedingungen zwischen den einzelnen Rohrstücken realisiert.; Einerseits hat sich PROMO in der Praxis bewährt, andererseits wurden auch deutliche Abweichungen der Rechenergebnisse von Messungen beobachtet. Aus dem Anwenderbereich hat die Firma Gillet (Hersteller von Auspuffanlagen) folgende Fragen aufgeworfen: Wie muß die Orts- bzw. Zeitschrittweite gewählt werden, um eine bestimmte Genauigkeit der numerischen Lösung zu sichern? Wie können die erzielten Ergebnisse theoretisch beurteilt werden (Fehlerschätzung)?; Deshalb erscheint eine Betrachtung des Programmsystems aus mathematischer Sicht sinnvoll.
Fragestellungen der Standortplanung sollen den Mathematikunterricht der Schule bereichern, dort behandelt und gelöst werden. In dieser Arbeit werden planare Standortprobleme vorgestellt, die im Mathematikunterricht behandelt werden können. Die Probleme Produktion von Halbleiterplatinen, Planung eines Feuerwehrhauses und das Zentrallagerproblem, die ausnahmlos real und nicht konstruiert sind, werden ausführlich durchgearbeitet, so dass es schnell möglich ist, daraus Unterrichtseinheiten zu entwickeln.
Die Bestimmung des Erdgravitationspotentials aus den Meßdaten des Forschungssatelliten CHAMP lässt sich als Operatorgleichung formulieren (SST-Problem). Dieser Ansatz geht davon aus, dass ein geometrischer Orbit des Satelliten CHAMP vorliegt. Mittels numerischer Differentiation unter Einsatz eines geeigneten Denoising Verfahrens kann dann aus dem geometrischen Orbit der Gradient des Potentials längs der Bahn bestimmt werden. Damit sind insbesondere die Radialableitung (und der Flächengradient) auf einem Punktgitter auf der Bahn bekannt. In einem erdfesten System stellt sich dies als eine nahezu vollständige Überdeckung der Erde (bis auf Polar Gaps) mit einem ziemlich dichten Datengitter auf Flughöhe des Satelliten dar. Die Lösung der SST-Operatorgleichung (Bestimmung des Potentials auf der Erdoberfläche aus Kenntnis der Radialableitung auf einem Datengitter auf Flughöhe) ist ein schlecht gestelltes inverses Problem, das mit einer geeigneten Regularisierungstechnik gelöst werden muß. Im vorliegenden Fall wurde eine solche Regularisierung mit Hilfe von nicht-bandlimitierten Regularisierungsskalierungsfunktionen und Regularisierungswavelets umgesetzt. Diese sind stark ortslokalisierend und führen daher auf ein Potentialmodell, welches eine Linearkombination stark ortslokalisierender Funktionen ist. Ein solches Modell kann als Lokalmodell auch aus nur lokalen Daten berechnet werden und bietet daher gegenüber Kugelfunktionsmodellen wie EGM96 erhebliche Vorteile für die moderne Geopotentialbestimmung. Die Diskretisierung und numerische Umsetzung der Berechnung eines solchen Modells erfolgt mit Splines, die hier ebenfalls Linearkombinationen stark ortslokalisierender Funktionen sind. Die großen linearen Gleichungssysteme, die zur Berechnung der glättenden oder interpolierenden Splines gelöst werden müssen, können auf schnelle und effiziente Weise mit dem Schwarzschen alternierenden Algorithmus in Verbindung mit schnellen Summationsverfahren (Fast Multipole Methods) gelöst werden. Eine Kombination des Schwarzschen alternierenden Algorithmus mit solchen schnellen Summationsverfahren ermöglicht eine weitere erhebliche Beschleunigung beim Lösen dieser Gleichungssysteme. Zur Bestimmung von Glättungsparametern (Spline-Smoothing) und Regularisierungsparametern kann die L-Curve Method zum Einsatz kommen.
Spektralsequenzen
(1999)
Dieser Beitrag beschreibt eine Lernumgebung für Schülerinnen und Schüler der Unter- und Mittelstufe mit einem Schwerpunkt im Fach Mathematik. Das Thema dieser Lernumgebung ist die Simulation von Entfluchtungsprozessen im Rahmen von Gebäudeevakuierungen. Dabei wird das Konzept eines zellulären Automaten vermittelt, ohne dabei Programmierkenntnisse vorauszusetzen oder anzuwenden. Anhand dieses speziellen Simulationswerkzeugs des zellulären Automaten werden Eigenschaften, Kenngrößen sowie Vor- und Nachteile von Simulationen im Allgemeinen thematisiert. Dazu gehören unter anderem die experimentelle Datengewinnung, die Festlegung von Modellparametern, die Diskretisierung des zeitlichen und räumlichen Betrachtungshorizonts sowie die zwangsläufig auftretenden (Diskretisierungs-)Fehler, die algorithmischen Abläufe einer Simulation in Form elementarer Handlungsanweisungen, die Speicherung und Visualisierung von Daten aus einer Simulation sowie die Interpretation und kritische Diskussion von Simulationsergebnissen. Die vorgestellte Lernumgebung ermöglicht etliche Variationen zu weiteren Aspekten des Themas „Evakuierungssimulation“ und bietet dadurch auch vielfältige Differenzierungsmöglichkeiten.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen Behandlung Differential-Algebraischer Gleichungen (DAE" s). DAE" s treten beispielsweise bei der Modellierung der Dynamik mechanischer System, der Schaltkreissimulation sowie der chemischen Reaktionskinetik auf. Es werden Rosenbrock-Wanner ähnliche Verfahren zu deren Lösung hergeleitet und an technischen Modellen (Fahrzeugachse und Verstärker) getestet.
Das sind die Texte der Vorlesungen, die ich im Dezember 1988 - März 1989 an der Universität Kaiserslautern hielt. Die Sektionen 1-4 enthalten Materialien, die in Russisch im Buch [33] und in früheren Arbeiten [27,28] [30-33] publiziert sind.
Sektion 5 enthält neue Ergebnisse, die wir während meines Aufenthaltes in Kaiserslautern in Zusammenarbeit mit Herrn Robert Plato
(TU Berlin) ausarbeiteten (siehe [21,22]). Sektion 6 ist eine Erweiterung der Arbeit [31].
Die Konstruktion eines Schrittzählers mit einem Arduino-Mikrocontroller und einem Bewegungssensor ist ein spannendes Technikprojekt. Wir erläutern den Grundgedanken hinter der produktorientierten Modellierung und die vielfältigen Möglichkeiten, die Fragestellung zu bearbeiten. Darüberhinaus werden die technischen Details der verwendeten Hardware diskutiert, um einen schnellen Einstieg ins Thema zu ermöglichen.
Die Dissertation "Portfoliooptimierung im Binomialmodell" befasst sich mit der Frage, inwieweit
das Problem der optimalen Portfolioauswahl im Binomialmodell lösbar ist bzw. inwieweit
die Ergebnisse auf das stetige Modell übertragbar sind. Dabei werden neben dem
klassischen Modell ohne Kosten und ohne Veränderung der Marktsituation auch Modellerweiterungen
untersucht.
Jede Wissenschaft entfaltet sich in einem Spannungsverhältnis zu ihren Nachbardisziplinen. In diesem Beitrag wird insbesondere das Disziplinenpaar Mathematik-Philosophie in den Blick genommen. Dies geschieht entlang der Leitfrage, ob und gegebenenfalls wie Philosophie auf die Entwicklung und Ausformung der Mathematik Einfluß genommen hat. Dazu wird nach philosophischen Spuren in der Mathematik gefragt, wobei jene historischen Konstellationen bevorzugt betrachtet werden, die eine grundlegende Änderung im Mathematikverständnis erbracht haben. Deshalb gilt das Hauptinteresse dieser Untersuchung dem Verhältnis von Philosophie und Mathematik in der klassischen Antike, bei Kant und in der Gegenwart.
In der Automobilindustrie muss der Nachweis von Bauteilzuverlässigkeiten auf statistischen Verfahren basieren, da die Bauteilfestigkeit und Kundenbeanspruchung streuen. Die bisherigen Vorgehensweisen der Tests führen häufig Fehlentscheidungen bzgl. der Freigabe, was unnötige Design-Änderungen und somit hohe Kosten bedeuten kann. In vorliegender Arbeit wird der Ansatz der partiellen Durchläuferzählung entwickelt, welche die statische Güte der bisherigen Testverfahren (Success Runs) erhöht.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit Methoden zur Klassifikation von Ovoiden in quadratischen Räumen. Die Anwendung der dazu entwickelten Algorithmen erfolgt hauptsächlich in achtdimensionalen Räumen speziell über den Körpern GF(7), GF(8) und GF(9). Zu verschiedenen, zumeist kleinen, zyklischen Gruppen werden hier die unter diesen Gruppen invarianten Ovoide bestimmt. Die bei dieser Suche auftretenden Ovoide sind alle bereits bekannt. Es ergeben sich jedoch Restriktionen an die Stabilisatoren gegebenenfalls existierender, unbekannter Ovoide.
Es wird anhand von Beispielen, an denen der Autor in der Vergangenheit gearbeitet hat, gezeigt, wie man Modelle der exakten Naturwissenschaften auf wirtschaftliche Probleme
anwenden kann. Insbesondere wird diskutiert, wo Grenzen dieser Übertragbarkeit liegen. Die Arbeit ist eine Zusammenfassung eines Vortrags, der im SS 1992 im Rahmen des Studium Generale an der Universität Kaiserslautern gehalten wurde.
Nähen als dynamisches System
(1989)
Das Nähen und die Nähmaschine sind seit über hundert Jahren nahezu unverändert geblieben. Die Nähgeschwindigkeiten wurden gesteigert, der Nähvorgang automatisiert, aber das Prinzip ist gleichgeblieben.; Das entscheidende Problem beim Nähen ist die Erzeugung eines gut sitzenden Knotens. Um diesen Knoten zu bilden, wird der Oberfaden vom Greifer erfaßt und um den Unterfaden herumgeführt. Die Fadenführung mit beweglichen und festen Umlenkungen muß jetzt dafür sorgen, daß immer genügend Faden vorhanden ist, daß der Faden im Moment der Knotenbildung fest angezogen wird, aber muß verhindern, daß der Faden reißt.
Wir zeigen an einigen Beispielen, wie man numerische Simulationen in Tabellenkalkulationsprogrammen (hier speziell in Excel) erzeugen kann. Diese können beispielsweise im Kontext von mathematischer Modellierung verwendet werden.
Die Beispiele umfassen ein Modell zur Ausbreitung von Krankheiten, die Flugkurve eines Fußballs unter Berücksichtigung von Luftreibung, eine Monte-Carlo-Simulation zur experimentellen Bestimmung von pi, eine Monte-Carlo-Simulation eines gemischten Kartenstapels und die Modellierung von Benzinpreisen mit einem Preistrend und Rauschen
Zuerst einmal werden die Grundlagen der nichtparametrischen Regression sowie die der Kleinste-Quadrate-Schätzer behandelt und unser verwendetes Modell hergeleitet. Kapitel 3 führt dann in die Theorie der gewichteten Kernschätzer ein, wobei auch das asymptotische Verhalten genauer untersucht wird. Des Weiteren wird ein numerischer Algorithmus zur Berechnung der Kernschätzer angegeben. Die Simulationsstudie der gewichteten Kernschätzer anhand von Regressionsdaten und Zeitreihendaten sowie die praktische Beurteilung erfolgen in Kapitel 4 und 5. Reale Zeitreihendaten bilden danach im sechsten Kapitel die Grundlage für die praktische Betrachtung der neuen Schätzer. Im letzten Kapitel folgt dann ein Resümee und ein kleiner Ausblick auf die gewichteten Kernschätzer für allgemeinere Modelle.
Die Möglichkeit einer Prämienanpassung in der deutschen PKV ist vom Wert des sogenannten auslösenden Faktors abhängig, der mittels einer linearen Extrapolation der Schadenquotienten der vergangenen drei Jahre berechnet wird. Seine frühzeitige, verlässliche Vorhersage ist aus Sicht des Risikomanagements von großer Bedeutung. Wir untersuchen deshalb vielfältige Vorhersageansätze, die von klassischen Zeitreihenansätzen und Regression über neuronale Netze bis hin zu hybriden Modellen reichen. Während bei den klassischen Methoden Regression mit ARIMA-Fehlern am besten abschneidet, zeigt ein neuronales Netz, das mit Zeitreihenvorhersage kombiniert oder auf desaisonalisierten und trendbereinigten Daten trainiert wurde, das insgesamt beste Verhalten.
Das zentrale Thema dieser Arbeit sind vollständig gekoppelte reflektierte Vorwärts-Rückwärts-Stochastische-Differentialgleichungen (FBSDE). Zunächst wird ein Spezialfall, die teilweise gekoppelten FBSDE, betrachtet und deren Verbindung zur Bewertung Amerikanischer Optionen aufgezeigt. Für die Lösung dieser Gleichung wird Monte-Carlo-Simulation benötigt, daher werden verschiedene Varianzreduktionsmaßnahmen erarbeitet und miteinander verglichen. Im Folgenden wird der allgemeinere Fall der vollständig gekoppelten reflektierten FBSDE behandelt. Es wird gezeigt, wie das Problem der Lösung dieser Gleichungen in ein Optimierungsproblem übertragen werden kann und infolgedessen mit numerischen Methoden aus diesem Bereich der Mathematik bearbeitet werden kann. Abschließend folgen Vergleiche der verschiedenen numerischen Ansätze mit bereits existierenden Verfahren.
Zwei zentrale Probleme der modernen Finanzmathematik sind die Portfolio-Optimierung und die Optionsbewertung. Während es bei der Portfolio-Optimierung darum geht, das Vermögen optimal auf verschiedene Anlagemöglichkeiten zu verteilen, versucht die Optionsbewertung faire Preise von derivativen Finanzinstrumenten zu bestimmen. In dieser Arbeit werden Fragestellungen aus beiden dieser Themenbereiche bearbeitet. Die Arbeit beginnt mit einem Kapitel über Grundlagen, in dem zum Beispiel das Portfolio-Problem von Merton dargestellt und die Black/Scholes-Formel zur Optionsbewertung hergeleitet wird. In Kapitel 2 wird das Portfolio-Problem von Morton und Pliska betrachtet, die in das Merton-Modell fixe Transaktionskosten eingeführt haben. Dabei muß der Investor bei jeder Transaktion einen fixen Anteil vom derzeitigen Vermögen als Kosten abführen. Es wird die asymptotische Approximation dieses Modells von Atkinson und Wilmott vorgestellt und die optimale Portfoliostrategie aus den Marktparametern hergeleitet. Danach werden die tatsächlichen Transaktionskosten abgeschätzt und ein User Guide zur praktischen Anwendung dieses Transaktionskostenmodells angegeben. Zum Schluß wird das Modell numerisch analysiert, indem unter anderem die erwartete Handelszeit und die Güte der Abschätzung der tatsächlichen Transaktionskosten berechnet werden. Ein Portfolio-Problem mit internationalen Märkten wird in Kapitel 3 vorgestellt. Dem Investor steht zusätzlich zu seinem Heimatland noch ein weiteres Land für seine Vermögensanlagen zur Verfügung. Dabei werden die Preisprozesse für die ausländischen Wertpapiere mit einem stochastischen Wechselkurs in die Heimatwährung umgerechnet. In einer statischen Analyse wird unter anderem berechnet, wieviel weniger Vermögen der Investor benötigt, um das gleiche erwartete Endvermögen zu erhalten wie in dem Fall, wenn ihm keine Auslandsanlagen zur Verfügung stehen. Kapitel 4 behandelt drei verschiedene Portfolio-Probleme mit Sprung-Diffusions-Prozessen. Nach der Herleitung eines Verifikationssatzes wird das Problem bei Anlagemöglichkeit in eine Aktie und in ein Geldmarktkonto jeweils für eine konstante und eine stochastische Zinsrate untersucht. Im ersten Fall wird eine implizite Darstellung für den optimalen Portfolioprozeß und eine Bedingung angegeben, unter der diese Darstellung eindeutig lösbar ist. Außerdem wird der optimale Portfolioprozeß für verschiedene Verteilungen für die Sprunghöhe untersucht. Im Falle einer stochastischen Zinsrate kann nur ein Kandidat für den optimalen Lösungsprozeß angeben werden. Dieser hat wieder eine implizite Darstellung. Das letzte Portfolio-Problem ist eine Abwandlung des Modells aus Kapitel 3. Wird dort der Wechselkurs durch eine geometrisch Brownsche Bewegung modelliert, ist er hier ein reiner Sprungprozeß. Es wird wieder der optimale Portfolioprozeß hergeleitet, wobei ein Anteil davon unter Umständen nur numerisch lösbar ist. Eine hinreichende Bedingung für die Lösbarkeit wird angegeben. In Kapitel 5 werden verschiedene Bewertungsansätze für Optionen auf Bondindizes präsentiert. Es wird eine Methode vorgestellt, mit der die Optionen anhand von Marktpreisen bewertet werden können. Für den Fall, daß es nicht genug Marktpreise gibt, wird ein Verfahren angegeben, um den Bondindex realitätsnah zu simulieren und künstliche Marktpreise zu erzeugen. Diese Preise können dann für eine Kalibrierung verwendet werden.
Die Theorie der mehrdimensionalen Systeme ist ein relativ junges Forschungsgebiet innerhalb der Systemtheorie, erste Arbeiten stammen aus den 70er Jahren. Hauptmotiv für das Studium multidimensionaler Systeme war die Notwendigkeit einer Erweiterung der Theorie der digitalen Filter, die in der klassischen, eindimensionalen Signalverarbeitung (zeitabhängige Signale) Anwendung finden, auf den Bereich der Bildverarbeitung, also auf zweidimensionale Signale.; Die Vorlesung beschäftigt sich daher in ihrem ersten Teil mit skalaren zweidimensionalen Systemen und beschränkt sich im wesentlichen auf den linearen Fall. Untersucht werden zweidimensionale Filter, ihre wichtigsten Eigenschaften, Kausalität und Stabilität, sowie ihre Zustandsraum- realisierungen, etwa die Modelle von Roesser und Fornasini-Marchesini. Parallelen und Unterschiede zur eindimensionalen Systemtheorie werden betont.; Im zweiten Teil der Vorlesung werden allgemeine höherdimensionale und multivariable Systeme behandelt. Für diese Systeme erweist sich der von Jan Willems begründete Zugang zur Systemtheorie, der sogenannte behavioral approach, als zweckmäßig. Grundlegende Ideen dieses Ansatzes sowie eine der wichtigsten Methoden zum Rechnen mit Polynomen in mehreren Variablen, die Theorie der Gröbnerbasen, werden vorgestellt.