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In this thesis we focus on the development and investigation of methods for the computation of confluent hypergeometric functions. We point out the relations between these functions and parabolic boundary value problems and demonstrate applications to models of heat transfer and fluid dynamics. For the computation of confluent hypergeometric functions on compact (real or complex) intervals we consider a series expansion based on the Hadamard product of power series. It turnes out that the partial sums of this expansion are easily computable and provide a better rate of convergence in comparison to the partial sums of the Taylor series. Regarding the computational accuracy the problem of cancellation errors is reduced considerably. Another important tool for the computation of confluent hypergeometric functions are recurrence formulae. Although easy to implement, such recurrence relations are numerically unstable e.g. due to rounding errors. In order to circumvent these problems a method for computing recurrence relations in backward direction is applied. Furthermore, asymptotic expansions for large arguments in modulus are considered. From the numerical point of view the determination of the number of terms used for the approximation is a crucial point. As an application we consider initial-boundary value problems with partial differential equations of parabolic type, where we use the method of eigenfunction expansion in order to determine an explicit form of the solution. In this case the arising eigenfunctions depend directly on the geometry of the considered domain. For certain domains with some special geometry the eigenfunctions are of confluent hypergeometric type. Both a conductive heat transfer model and an application in fluid dynamics is considered. Finally, the application of several heat transfer models to certain sterilization processes in food industry is discussed.
This work is concerned with arbitrage bounds for prices of contingent claims under transaction costs, but regardless of other conceivable market frictions. Assumptions on the underlying market are held as weak as convenient for the deduction of meaningful results that make good economic sense. In discrete time we also allow for underlying price processes with uncountable state space. In continuous time the underlying price process is modeled by a semimartingale. For the most part we could avoid any stronger assumptions. The main problems with which we deal in this work are the modelling of (proportional) transaction costs, Fundamental Theorems of Asset Pricing under transaction costs, dual characterizations of arbitrage bounds under transaction costs, Quantile-Hedging under transaction costs, alternatives to the Black-Scholes model in continuous time (under transaction costs). The results apply to stock and currency markets.
Das Konzept der proximalen Mehrschritt-Regularisierung (MSR) auf Folgen von Gittern bei der Lösung inkorrekter Variationsungleichungen wurde von Kaplan und Tichatschke im Jahre 1997 in ihrer Arbeit "Prox-regularization and solution of illposed elliptic variational inequalities" vorgeschlagen und theoretisch motiviert. In demselben Artikel betrachtet man ein allgemeines Problem der partiellen Regularisierung auf einem abgeschlossenen Unterraum. Als Gegenstand der Anwendung solcher Regularisierung können die schlecht gestellten Optimalsteuerprobleme heraustreten, wobei der Unterraum in dem ganzen Prozessraum durch Steuervariablen gebildet wird. Im ersten Kapitel der vorliegenden Dissertation betrachten wir ein abstraktes linear-quadratisches Kontrollproblem in allgemeinen Hilberträumen. Wir diskutieren Voraussetzungen und Bedingungen, unter denen das Kontrollproblem inkorrekt wird. Danach werden zwei allgemeine numerische Verfahren der partiellen Mehrschritt-Regularisierung formuliert. Im ersten Fall untersucht man das MSR-Verfahren, in dem die Zustandsgleichung in einen quadratischen Strafterm eingebettet wird, gemäß der entsprechenden Publikationen von Kaplan und Tichatschke. Im zweiten Fall werden die Ersatzprobleme des MSR-Verfahrens mit exakt erfüllter Zustandsgleichung entwickelt. Im Mittelpunkt sämtlicher Forschungen steht die Konvergenz der approximativen Lösungen von Ersatzproblemen des MSR-Verfahrens gegen ein Element aus der Optimalmenge des Ausgangsproblems. Es stellt sich die Frage: in welchem der genannten Fälle können schwächeren Konvergenzbedingungen für die inneren Approximationen angegeben werden? Um diese Frage aufzuklären, untersuchen wir zwei inkorrekten Kontrollproblme mit elliptischen Zustandsgleichungen und verteilter Steuerung. Das erste Problem kann auf das bekannte Fuller-Problem zurückgeführt werden, für welches eine analytische Lösung mit sogenanntem "chattering regime" existiert und welches ein Basisbeispiel für unsere Aufgaben liefert. Zur Lösung des Fuller-Problems formulieren wir einen MSR-Algorithmus, in dem man mit Fehlern des Strafverfahrens und der FEM-Approximationen rechnen muß. Als Hauptergebnis erhalten wir ein Konvergenzkriterium, das das asymptotische Verhalten von Regularisierungs-, Diskretisierungs- und Strafparametern des MSR-Algorithmus bestimmt. Im letzten Kapitel formulieren wir ein anderes schlecht gestelltes Optimalsteuerproblem mit verteilter Steuerung über dem Polygongebiet. Die Zustandsgleichung wird nun durch ein Poisson-Problem mit gemischten Randbedingungen erzeugt. Solche Aufgabenstellung liefert eine natürliche Erweiterung des auf einer gewöhnlichen Differentialgeichung beruhenden Fuller-Problems auf die Kontrollprobleme mit partiellen Differentialgleichungen. Wir formulieren neuerlich das MSR-Verfahren, in dem man neben dem Diskretisierungsfehler auch einen Berechnungsfehler berücksichtigt. Diesmal verzichten wir aber auf die Straftechniken und stellen die Ersatzprobleme mit exakt erfüllter Zustandsgleichung zusammen. Mit diesem alternativen Zugang und anhand der Falkschen Beweistechniken erhalten wir ein schwächeres und somit auch besseres Konvergenzkriterium für das MSR-Verfahren. Zum Abschluß präsentieren wir Ergebnisse der numerischen Tests, durchgeführt mit dem MSR-Verfahren für ein konkretes Optimalsteuerproblem, dessen Lösung ein zweidimensionales chattering regime aufweist.