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Dynamical simulation of industrially relevant processes strongly advises the use of algorithms, which are {\em adaptive} both in time and in space discretization. The paper presents two alternatives: (a) a fully adaptive method of lines approach, which is based on finite difference methods and essentially applicable to 1D problems; (b) a fully adaptive Rothe method, which is based on a fast multilevel finite element method and applicable to 1D up to 3D.
New, highly efficient techniques for the numerical simulation and parameter identification of large chemical reaction systems are surveyed. The survey particularly addresses to chemists, which are understood to be potential users of the distributed software packages. These packages are written in the form of interactive dialogue systems - thus enabling chemists to concentrate on the chemistry of their problem. Large scale examples from chemical research environments are included.
Bessel'scher Irrgarten
(2007)
Dieser Artikel berichtet über eine erfolgreiche Schüleraktivität, die seit Jahren am Zuse-Institut Berlin (ZIB) bei Besuchen von Schülergruppen erprobt und verfeinert worden ist. Das hier zusammengestellte Material ist gedacht als Basis für eine Unterrichtseinheit in Leistungskursen Mathematik an Gymnasien. Inhaltlich wird von einem zwar für Schüler (wie auch Lehrer) neuen, aber leicht fasslichen Gegenstand ausgegangen: der Drei-Term-Rekursion für Besselfunktionen. Die Struktur wird erklärt und in ein kleines Programm umgesetzt. Dazu teilen sich die Schüler selbstorganisierend in Gruppen ein, die mit unterschiedlichen Taschenrechnern "um die Wette" rechnen. Die Schüler und Schülerinnen erfahren unmittelbar die katastrophale Wirkung von an sich kleinen'' Rundungsfehlern, sie landen -- ebenso wie der Supercomputer des ZIB -- im Bessel'schen Irrgarten''. Die auftretenden Phänomene werden mathematisch elementar erklärt, wobei lediglich auf das Konzept der linearen Unabhängigkeit zurückgegriffen wird. Das dabei gewonnene vertiefte Verständnis fließt ein in die Konstruktion eines klassischen Algorithmus sowie eines wesentlich verbesserten Horner-artigen Algorithmus.
The rapidly increasing number of AIDS cases requires a realistic estimation of the future development of the HIV/AIDS disease. For that purpose we develop a large system of coupled nonlinear differential equations describing simultaneously the dynamics of the development of the disease, the population size, the gender and age structure. A set of 1650 coupled equations are linked by balanced parameters. The balancing procedure is described by a set of (formally) 2,178,000 additional algebraic conditions. As the considered system is stiff, it requires new special extrapolation methods combined with techniquees of dynamical sparsing for the solution of sparsely filled systems. According to our simulations we expect 19,0,000 deaths caused by AIDS in the Federal Republic of Germany (former territories) in the year 2000. Such an epidemical spread would tie up about 4-7 percent of the actual health care workers.
The paper deals with three different Newton algorithms that have recently been worked out in the general frame of affine invariance. Of particular interest is their performance in the numerical solution of discretized boundary value problems (BVPs) for nonlinear partial differential equations (PDEs). Exact Newton methods, where the arising linear systems are solved by direct elimination, and inexact Newton methods, where an inner iteration is used instead, are synoptically presented, both in affine invariant convergence theory and in numerical experiments. The three types of algorithms are: (a) affine covariant (formerly just called affine invariant) Newton algorithms, oriented toward the iterative errors, (b) affine contravariant Newton algorithms, based on iterative residual norms, and (c) affine conjugate Newton algorithms for convex optimization problems and discrete nonlinear elliptic PDEs.
Die Autoren sind sich dar{ü}ber im klaren, daß zahlreiche Imponderabilien die Ergebnisse der vorgelegten Modellrechnungen beeinflussen k{ö}nnen. Immerhin repräsentiert jedoch das vorgelegte mathematische Modell die Summe unserer derzeitigen Kenntnisse zur Fragestellung AIDS--Epidemie; neu hinzukommende Erkenntnisse lassen sich rasch einarbeiten und in ihren Konsequenzen überschauen. Die Entwicklung neuer effizienter numerischer Methoden spielte eine Schlüsselrolle bei der tatsächlichen Simulation dieses umfangreichen realitätsnahen mathematischen Modells.