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Diese Arbeit beschäftigt sich mit (frequent) universellen Funktionen bezüglich Differentialoperatoren und gewichteten Shiftoperatoren. Hierbei wird ein Charakteristikum von Funktionen vom Exponentialtyp untersucht, das bisher im Rahmen der Universalität noch nicht betrachtet wurde: Das konjugierte Indikatordiagramm. Dabei handelt es sich um eine kompakte und konvexe Menge, die einer Funktion vom Exponentialtyp zugeordnet ist und gewisse Rückschlüsse über das Wachstum und die mögliche Nullstellenverteilung zulässt. Mittels einer speziellen Transformation werden (frequent) universelle Funktionen vom Exponentialtyp bezüglich verschiedener Differentialoperatoren ineinander überführt. Hierdurch ist eine genaue Lokalisation der konjugierten Indikatordiagramme möglicher (frequent) universeller Funktionen für diese Operatoren ableitbar. Durch Konjugation der Differentiation mit gewichteten Shiftoperatoren über das Hadamardprodukt, wird auch für diese Operatoren eine Lokalisation möglicher konjugierter Indikatordiagramme ihrer (frequent) universellen Funktionen erreicht.
This thesis introduces a calibration problem for financial market models based on a Monte Carlo approximation of the option payoff and a discretization of the underlying stochastic differential equation. It is desirable to benefit from fast deterministic optimization methods to solve this problem. To be able to achieve this goal, possible non-differentiabilities are smoothed out with an appropriately chosen twice continuously differentiable polynomial. On the basis of this so derived calibration problem, this work is essentially concerned about two issues. First, the question occurs, if a computed solution of the approximating problem, derived by applying Monte Carlo, discretizing the SDE and preserving differentiability is an approximation of a solution of the true problem. Unfortunately, this does not hold in general but is linked to certain assumptions. It will turn out, that a uniform convergence of the approximated objective function and its gradient to the true objective and gradient can be shown under typical assumptions, for instance the Lipschitz continuity of the SDE coefficients. This uniform convergence then allows to show convergence of the solutions in the sense of a first order critical point. Furthermore, an order of this convergence in relation to the number of simulations, the step size for the SDE discretization and the parameter controlling the smooth approximation of non-differentiabilites will be shown. Additionally the uniqueness of a solution of the stochastic differential equation will be analyzed in detail. Secondly, the Monte Carlo method provides only a very slow convergence. The numerical results in this thesis will show, that the Monte Carlo based calibration indeed is feasible if one is concerned about the calculated solution, but the required calculation time is too long for practical applications. Thus, techniques to speed up the calibration are strongly desired. As already mentioned above, the gradient of the objective is a starting point to improve efficiency. Due to its simplicity, finite differences is a frequently chosen method to calculate the required derivatives. However, finite differences is well known to be very slow and furthermore, it will turn out, that there may also occur severe instabilities during optimization which may lead to the break down of the algorithm before convergence has been reached. In this manner a sensitivity equation is certainly an improvement but suffers unfortunately from the same computational effort as the finite difference method. Thus, an adjoint based gradient calculation will be the method of choice as it combines the exactness of the derivative with a reduced computational effort. Furthermore, several other techniques will be introduced throughout this thesis, that enhance the efficiency of the calibration algorithm. A multi-layer method will be very effective in the case, that the chosen initial value is not already close to the solution. Variance reduction techniques are helpful to increase accuracy of the Monte Carlo estimator and thus allow for fewer simulations. Storing instead of regenerating the random numbers required for the Brownian increments in the SDE will be efficient, as deterministic optimization methods anyway require to employ the identical random sequence in each function evaluation. Finally, Monte Carlo is very well suited for a parallelization, which will be done on several central processing units (CPUs).
The subject of this thesis is a homological approach to the splitting theory of PLS-spaces, i.e. to the question for which topologically exact short sequences 0->X->Y->Z->0 of PLS-spaces X,Y,Z the right-hand map admits a right inverse. We show that the category (PLS) of PLS-spaces and continuous linear maps is an additive category in which every morphism admits a kernel and a cokernel, i.e. it is pre-abelian. However, we also show that it is neither quasi-abelian nor semi-abelian. As a foundation for our homological constructions we show the more general result that every pre-abelian category admits a largest exact structure in the sense of Quillen. In the pre-abelian category (PLS) this exact structure consists precisely of the topologically exact short sequences of PLS-spaces. Using a construction of Ext-functors due to Yoneda, we show that one can define for each PLS-space A and every natural number k the k-th abelian-group valued covariant and contravariant Ext-functors acting on the category (PLS) of PLS-spaces, which induce for every topologically exact short sequence of PLS-spaces a long exact sequence of abelian groups and group morphisms. These functors are studied in detail and we establish a connection between the Ext-functors of PLS-spaces and the Ext-functors for LS-spaces. Through this connection we arrive at an analogue of a result for Fréchet spaces which connects the first derived functor of the projective limit with the first Ext-functor and also gives sufficient conditions for the vanishing of the higher Ext-functors. Finally, we show that Ext^k(E,F) = 0 for a k greater or equal than 1, whenever E is a closed subspace and F is a Hausdorff-quotient of the space of distributions, which generalizes a result of Wengenroth that is itself a generalization of results due to Domanski and Vogt.
Large scale non-parametric applied shape optimization for computational fluid dynamics is considered. Treating a shape optimization problem as a standard optimal control problem by means of a parameterization, the Lagrangian usually requires knowledge of the partial derivative of the shape parameterization and deformation chain with respect to input parameters. For a variety of reasons, this mesh sensitivity Jacobian is usually quite problematic. For a sufficiently smooth boundary, the Hadamard theorem provides a gradient expression that exists on the surface alone, completely bypassing the mesh sensitivity Jacobian. Building upon this, the gradient computation becomes independent of the number of design parameters and all surface mesh nodes are used as design unknown in this work, effectively allowing a free morphing of shapes during optimization. Contrary to a parameterized shape optimization problem, where a smooth surface is usually created independently of the input parameters by construction, regularity is not preserved automatically in the non-parametric case. As part of this work, the shape Hessian is used in an approximative Newton method, also known as Sobolev method or gradient smoothing, to ensure a certain regularity of the updates, and thus a smooth shape is preserved while at the same time the one-shot optimization method is also accelerated considerably. For PDE constrained shape optimization, the Hessian usually is a pseudo-differential operator. Fourier analysis is used to identify the operator symbol both analytically and discretely. Preconditioning the one-shot optimization by an appropriate Hessian symbol is shown to greatly accelerate the optimization. As the correct discretization of the Hadamard form usually requires evaluating certain surface quantities such as tangential divergence and curvature, special attention is also given to discrete differential geometry on triangulated surfaces for evaluating shape gradients and Hessians. The Hadamard formula and Hessian approximations are applied to a variety of flow situations. In addition to shape optimization of internal and external flows, major focus lies on aerodynamic design such as optimizing two dimensional airfoils and three dimensional wings. Shock waves form when the local speed of sound is reached, and the gradient must be evaluated correctly at discontinuous states. To ensure proper shock resolution, an adaptive multi-level optimization of the Onera M6 wing is conducted using more than 36, 000 shape unknowns on a standard office workstation, demonstrating the applicability of the shape-one-shot method to industry size problems.
The thesis studies the question how universal behavior is inherited by the Hadamard product. The type of universality that is considered here is universality by overconvergence; a definition will be given in chapter five. The situation can be described as follows: Let f be a universal function, and let g be a given function. Is the Hadamard product of f and g universal again? This question will be studied in chapter six. Starting with the Hadamard product for power series, a definition for a more general context must be provided. For plane open sets both containing the origin this has already been done. But in order to answer the above question, it becomes necessary to have a Hadamard product for functions that are not holomorphic at the origin. The elaboration of such a Hadamard product and its properties are the second central part of this thesis; chapter three will be concerned with them. The idea of the definition of such a Hadamard product will follow the case already known: The Hadamard product will be defined by a parameter integral. Crucial for this definition is the choice of appropriate integration curves; these will be introduced in chapter two. By means of the Hadamard product- properties it is possible to prove the Hadamard multiplication theorem and the Borel-Okada theorem. A generalization of these theorems will be presented in chapter four.
Wenn eine stets von Null verschiedene Nullfolge h_n gegeben ist, dann existieren nach einem Satz von Marcinkiewicz stetige Funktionen f vom Intervall [0,1] in die reelle Achse, die in dem Sinne maximal nicht differenzierbar sind, dass zu jeder messbaren Funktion g ein Teilfolge n_k existiert, so dass (f(x+h_n_k)-f(x))/h_n_k fast sicher gegen g konvergiert. Im ersten Teil dieser Arbeit beweisen wir Erweiterungen dieses Satzes im Mehrdimensionalen und Analoga für Funktionen in der komplexen Ebene. Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit Operatoren die in enger Beziehung zum Satz von Korovkin über positive lineare Operatoren stehen. Wir zeigen, dass es Operatoren L_n gibt, die jeweils eine der Eigenschaften aus dem Satz von Korovkin nicht erfüllen und gleichzeitig eine residuale Menge von Funktionen f existiert, so dass L_nf nicht nur nicht gegen f konvergiert, sondern sogar dicht im Raum aller stetigen Funktionen des Intervalls [0,1] ist. Ähnliche Phänomene werden bei polynomieller Interpolation untersucht.
In this thesis, we investigate the quantization problem of Gaussian measures on Banach spaces by means of constructive methods. That is, for a random variable X and a natural number N, we are searching for those N elements in the underlying Banach space which give the best approximation to X in the average sense. We particularly focus on centered Gaussians on the space of continuous functions on [0,1] equipped with the supremum-norm, since in that case all known methods failed to achieve the optimal quantization rate for important Gauss-processes. In fact, by means of Spline-approximations and a scheme based on the Best-Approximations in the sense of the Kolmogorov n-width we were able to attain the optimal rate of convergence to zero for these quantization problems. Moreover, we established a new upper bound for the quantization error, which is based on a very simple criterion, the modulus of smoothness of the covariance function. Finally, we explicitly constructed those quantizers numerically.
Considering the numerical simulation of mathematical models it is necessary to have efficient methods for computing special functions. We will focus our considerations in particular on the classes of Mittag-Leffler and confluent hypergeometric functions. The PhD Thesis can be structured in three parts. In the first part, entire functions are considered. If we look at the partial sums of the Taylor series with respect to the origin we find that they typically only provide a reasonable approximation of the function in a small neighborhood of the origin. The main disadvantages of these partial sums are the cancellation errors which occur when computing in fixed precision arithmetic outside this neighborhood. Therefore, our aim is to quantify and then to reduce this cancellation effect. In the next part we consider the Mittag-Leffler and the confluent hypergeometric functions in detail. Using the method we developed in the first part, we can reduce the cancellation problems by "modifying" the functions for several parts of the complex plane. Finally, in in the last part two other approaches to compute Mittag-Leffler type and confluent hypergeometric functions are discussed. If we want to evaluate such functions on unbounded intervals or sectors in the complex plane, we have to consider methods like asymptotic expansions or continued fractions for large arguments z in modulus.
Die Dissertation mit dem Thema "Cross-Border-Leasing als Instrument der Kommunalfinanzierung " Eine finanzwirtschaftliche Analyse unter besonderer Berücksichtigung der Risiken - befasst sich am Beispiel des primär steuerinduzierten, grenzüberschreitenden Cross-Border-Leasings (CBL) mit einem innovativen, strukturierten Finanzierungsinstrument, das sich im Spannungsfeld von Rechtsstaatlichkeit und privatwirtschaftlichem Management öffentlicher Akteure befindet. Dazu werden bereits finanzierte und sich im Betrieb befindliche Assets in Variationen von langfristigen Leasingverträge eingebracht. Durch die geschickte Ausnutzung steuerlicher Zurechnungskriterien werden unter Einbindung mehrerer Jurisdiktionen Gewinnverschiebungsmöglichkeiten und Steueroptimierungspotenziale geschaffen, wobei die generierten Zusatzerträge unter den Akteuren aufgeteilt werden. Die Untersuchung orientiert sich an einem umfassenden forschungsleitenden Fragenkatalog, der sehr vielschichtig und zudem interdisziplinär die komplexen Aspekte des CBLs theoretisch sowie praktisch an einem Fallbeispiel untersucht. Zunächst erfolgt die Einbettung des CBLs in den kommunalen Hintergrund. Daran schliesst sich eine Darstellung des Untersuchungsgegenstands im Hinblick auf seine elementare Grundstruktur, Zahlungsströme, Vertragsparteien und deren bilateralen Verpflechtungen an. Daneben erfolgt eine Analyse der öffentlich-rechtlichen Implikationen des CBLs sowie der regulatorischen kommunalaufsichtsrechtlichen Anforderungen. Im zentralen empirischen Teil der Dissertation wird eine idealtypische CBL-Transaktion einer bundesdeutschen Metropole als Fallstudie analysiert: im Rahmen einer erstmaligen wissenschaftlichen Analyse einer Orginaldokumentation werden zunächst die strukturellen Rahmenparameter untersucht, um dann den Finanzierungsvorteil der Transaktion zu ermitteln. Eine Klassifikation erfolgt dabei in diejenigen Risken, die sich unmittelbar im Einflussbereich der Kommune befinden und somit direkt, d.h. durch aktives eigenes Handeln, minimiert oder vermieden werden können und in solche, die aus ihrer Sicht extern sind. Abgerundet wird die Risikoanalyse durch eine Abschätzung der maximalen Risikoposition in Form der Schadensersatzzahlungen, die die Kommune in vertraglich vereinbarten Fällen leisten muss. Dabei ermittelt die Verfasserin den Break-Even der Transaktion und setzt Szenarien sowie mathematische Modelle ein, um die inhärenten Risiken aufgrund ihrer Kostenfolgen sorgfältig gegenüber dem vereinnahmten kurzfristigen Vorteil abzuwägen. Die Untersuchung bedient sich dem anerkannten mathematisch-statistischen Value-at-Risk-Verfahren (VaR), das unter Verwendung von Ansätzen der Wahrscheinlichkeitsverteilung das Marktpreisrisiko zu quantifizieren vermag. Um zu validen Ergebnissen zu gelangen, werden zur Ermittlung des VaRs die beiden bekanntesten (nicht-parametrischen) Tools des VaR-Ansatzes angewendet, um die potenziellen Performanceschwankungen des Depotwertes unter Zugrundelegung bestimmter Wahrscheinlichkeiten abschätzen zu können. Dies ist das Verfahren der Historischen Simulation sowie die als mathematisch sehr anspruchsvoll eingestufte Monte-Carlo-Simulation. Als Weiterentwicklung des VaR-Modells wird zudem der Conditional VaR berechnet, der Aussagen über das Ausmaß der erwarteten Verluste zulässt. Anhand dieser Ergebnisse wird die maximale finanzielle Risikoposition der Kommune, bezogen auf das Kapitaldepot, abgeleitet. Darüber hinaus wird das CBL im Rahmen eines mathematischen Modells insgesamt beurteilt, indem eine Gegenüberstellung von vereinnahmtem Finanzierungsvorteil und den mit Eintrittswahrscheinlichkeiten gewichteten Ausfallrisiken, unter Berücksichtigung des jeweiligen Eintrittszeitpunktes, durchgeführt wird. Diese Vorgehensweise führt zu einer Symbiose aus Finanzierungsvorteil und den Risikomaßzahlen VaR, Expected Shortfall und Expected Loss. Die ermittelten finanzwirtschaftlichen Risikomaßzahlen führen zu überraschenden Ergebnissen, die die propagierte Risikolosigkeit und das vermeintlich attraktive Renditepotenzial derartiger Transaktionen eindeutig verneinen. Aus den gewonnenen Erkenntnissen leitet die Verfasserin praktische Handlungsempfehlungen und Absicherungsmöglichkeiten für kommunale Entscheidungsträger ab. Die sich aufgrund der US-Steuerrechtsänderung vom Februar 2005 ergebenden Auswirkungen auf bestehende Transaktionen wie auch auf Neugeschäfte werden im Ausblick dargelegt.
The subject of this thesis is hypercyclic, mixing, and chaotic C0-semigroups on Banach spaces. After introducing the relevant notions and giving some examples the so called hypercyclicity criterion and its relation with weak mixing is treated. Some new equivalent formulations of the criterion are given which are used to derive a very short proof of the well-known fact that a C0-semigroup is weakly mixing if and only if each of its operators is. Moreover, it is proved that under some "regularity conditions" each hypercyclic C0-semigroup is weakly mixing. Furthermore, it is shown that for a hypercyclic C0-semigroup there is always a dense set of hypercyclic vectors having infinitely differentiable trajectories. Chaotic C0-semigroups are also considered. It is proved that they are always weakly mixing and that in certain cases chaoticity is already implied by the existence of a single periodic point. Moreover, it is shown that strongly elliptic differential operators on bounded C^1-domains never generate chaotic C0-semigroups. A thorough investigation of transitivity, weak mixing, and mixing of weighted compositioin operators follows and complete characterisations of these properties are derived. These results are then used to completely characterise hypercyclicity, weak mixing, and mixing of C0-semigroups generated by first order partial differential operators. Moreover, a characterisation of chaos for these C0-semigroups is attained. All these results are achieved on spaces of p-integrable functions as well as on spaces of continuous functions and illustrated by various concrete examples.
Eine ganze Funktion φ heißt T-universell bezüglich einer gegebenen Folge b:={b_{n}\}_{n \in ℕ komplexer Zahlen mit b_{n} \to \infty$, falls eine geeignete Folge φ(z+b_{n_{k}})\}$ additiver Translationen von φ lokal gleichmäßig in ℂ gegen jede vorgegebene ganze Funktion konvergiert. Ferner nennen wir eine ganze Funktion φ, für welche eine geeignete Folge φ{(n_k)}\}$ ihrer Ableitungen lokal gleichmäßig in ℂ gegen jede vorgegebene ganze Funktion konvergiert, ableitungsuniversell. Die Existenz solcher Funktionen wurde von Birkhoff (1929) und MacLane (1952) bzw. Verallgemeinerungen ihrer Ergebnisse gesichert. In dieser Arbeit wird die Konstruktion solcher Funktionen, die zusätzlich auf jeder Geraden beschränkt sind oder Nullstellen an bestimmten vorgegebenen Punkten besitzen, studiert. Im Besonderen stellte sich hierbei heraus, dass die Menge aller bezüglich einer gegebenen Folge b - welche einer gewissen Bedingung genügt - T-universellen Funktionen, die überdies auf jeder Geraden beschränkt sind, zwar dicht, aber nicht residual im Raum aller ganzen Funktionen versehen mit der lokal-gleichmäßigen Topologie ist. Ebenso überraschend ist die Konstruktion von T-universellen Funktionen, welche eine "regelmäßige Nullstellenasymptotik" besitzen.
Es wird die Existenz einer Potenzreihe vom Konvergenzradius 1 bewiesen, so dass die mit einer zweifach unendlichen Matrix A (deren komplexe Einträge drei Bedingungen erfüllen müssen) gebildeten A -Transformierten außerhalb des (einfach zusammenhängenden) Holomorphiegebietes der Potenzreihe überkonvergieren. Das Hauptergebnis der Arbeit ist ein Satz über die Existenz einer universellen Potenzreihe vom Konvergenzradius 1, so dass deren A "Transformierte stetige Funktionen auf kompakten, holomorphe Funktionen auf offenen Mengen (in beiden Fällen liegen die Mengen im Komplement des einfach zusammenhängenden Holomorphiegebietes der Potenzreihe) approximieren und sich zusätzlich zur fast-überall-Approximation messbarer Funktionen auf messbaren Mengen (im Komplement des Holomorphiegebietes der Potenzreihe gelegen) eignen. Als wichtige Konsequenz dieses Hauptergebnisses ergibt sich für den Fall, dass das Holomorphiegebietes der Potenzreihe der Einheitskreis ist, die Existenz einer universellen trigonometrischen Reihe, so dass deren A "Transformierte auf dem Rand des Einheitskreises stetige Funktionen approximieren und zusätzlich messbare Funktionen fast-überall auf [0,2π] approximieren
The optimal control of fluid flows described by the Navier-Stokes equations requires massive computational resources, which has led researchers to develop reduced-order models, such as those derived from proper orthogonal decomposition (POD), to reduce the computational complexity of the solution process. The object of the thesis is the acceleration of such reduced-order models through the combination of POD reduced-order methods with finite element methods at various discretization levels. Special stabilization methods required for high-order solution of flow problems with dominant convection on coarse meshes lead to numerical data that is incompatible with standard POD methods for reduced-order modeling. We successfully adapt the POD method for such problems by introducing the streamline diffusion POD method (SDPOD). Using the novel SDPOD method, we experiment with multilevel recursive optimization at Reynolds numbers of Re=400 and Re=10,000.
In dieser Dissertation beschäftigen wir uns mit der konstruktiven und generischen Gewinnung universeller Funktionen. Unter einer universellen Funktion verstehen wie dabei eine solche holomorphe Funktion, die in gewissem Sinne ganze Klassen von Funktionen enthält. Die konstruktive Methode beinhaltet die explizite Konstruktion einer universellen Funktion über einen Grenzprozess, etwa als Polynomreihe. Die generische Methode definiert zunächst rein abstrakt die jeweils gewünschte Klasse von universellen Funktionen. Mithilfe des Baireschen Dichtesatzes wird dann gezeigt, dass die Klasse dieser Funktionen nicht nur nichtleer, sondern sogar G_delta und dicht in dem betrachteten Funktionenraum ist. Beide Methoden bedienen sich der Approximationssätze von Runge und von Mergelyan. Die Hauptergebnisse sind die folgenden: (1) Wir haben konstruktiv die Existenz von universellen Laurentreihen auf mehrfach zusammenhängenden Gebieten bewiesen. Zusätzlich haben wir gezeigt, dass die Menge solcher universeller Laurentreihen dicht im Raum der auf dem betrachteten Gebiet holomorphen Funktionen ist. (2) Die Existenz von universellen Faberreihen auf gewissen Gebieten wurde sowohl konstruktiv als auch generisch bewiesen. (3) Zum einen haben wir konstruktiv gezeigt, dass es so genannte ganze T-universelle Funktionen mit vorgegebenen Approximationswegen gibt. Die Approximationswege sind durch eine hinreichend variable funktionale Form vorgegeben. Die Menge solcher Funktionen ist im Raum der ganzen Funktionen eine dichte G_delta-Menge. Zum anderen haben wir generisch die Existenz von auf einem beschränkten Gebiet T-universellen Funktionen bezüglich gewisser vorgegebener Approximationswege bewiesen. Die Approximationswege sind auch hier genügend allgemein.
Die Probleme bezüglich der Existenz universeller Funktionen und die universelle Approximation von Funktionen sind von klassischer Natur und spielen eine zentrale Rolle. Folgende Untersuchungen sind Gegenstand dieser Arbeit: Universelle Funktionen, die durch Lückenreihen dargestellt werden, sog. eingeschränkte Universalitäten, mehrfache Universalitäten sowie die universelle Approximation messbarer Funktionen. In einem letzten Kapitel werden abschließend ganzzahlige Cesaro-Mittel untersucht. Hier zeigt sich, dass alle bewiesenen Ergebnisse dieser Arbeit über universelle Approximation im Komplement des abgeschlossenen Einheitskreises durch Teilsummen einer Potenzreihe vom Konvergenzradius 1 auch auf die jeweiligen ganzzahligen Cesaro-Transformierten der Teilsummen übertragbar sind.
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.
In this thesis, we study the convergence behavior of an efficient optimization method used for the identification of parameters for underdetermined systems. The research is motivated by optimization problems arising from the estimation of parameters in neural networks as well as in option pricing models. In the first application, we are concerned with neural networks used to forecasting stock market indices. Since neural networks are able to describe extremely complex nonlinear structures they are used to improve the modelling of the nonlinear dependencies occurring in the financial markets. Applying neural networks to the forecasting of economic indicators, we are confronted with a nonlinear least squares problem of large dimension. Furthermore, in this application the number of parameters of the neural network to be determined is usually much larger than the number of patterns which are available for the determination of the unknowns. Hence, the residual function of our least squares problem is underdetermined. In option pricing, an important but usually not known parameter is the volatility of the underlying asset of the option. Assuming that the underlying asset follows a one-factor continuous diffusion model with nonconstant drift and volatility term, the value of an European call option satisfies a parabolic initial value problem with the volatility function appearing in one of the coefficients of the parabolic differential equation. Using this system equation, the estimation of the volatility function is described by a nonlinear least squares problem. Since the adaption of the volatility function is based only on a small number of observed market data these problems are naturally ill-posed. For the solution of these large-scale underdetermined nonlinear least squares problems we use a fully iterative inexact Gauss-Newton algorithm. We show how the structure of a neural network as well as that of the European call price model can be exploited using iterative methods. Moreover, we present theoretical statements for the convergence of the inexact Gauss-Newton algorithm applied to the less examined case of underdetermined nonlinear least squares problems. Finally, we present numerical results for the application of neural networks to the forecasting of stock market indices as well as for the construction of the volatility function in European option pricing models. In case of the latter application, we discretize the parabolic differential equation using a finite difference scheme and we elucidate convergence problems of the discrete scheme when the initial condition is not everywhere differentiable.
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.
