G. Mathematics of Computing
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Das Thema dieser Arbeit ist ein Volumen-Algorithmus für die Vereinigung von Polytopen. Der Algorithmus basiert auf der Arbeit von Bieri und Nef. Er berechnet das Volumen der Vereinigung von Polytopen mit einem Sweep-Verfahren. Dabei wird eine Hyperebene im Raum verschoben und das Volumen auf der einen Seite der Hyperebene berechnet. Umso weiter die Hyperebene verschobe wird, desto größer ist auch der Halbraum. Unser Algorithmus berechnet das Volumen einer Vereinigung von Polytopen geschnitten mit dem Halbraum der Sweep-Ebene als eine Funktion abhängig von der Veschiebung. Ab einem gewissen Punkt liegt der Körper dabei komplett im Halbraum der Sweep-Ebene und das Volumen bleibt konstant.
Unser Algorithmus unterscheidet sich in zwei Punkten von dem Algorithmus von Bieri und Nef. Erstens funktioniert er nur auf der Vereinigung von Polytopen, wohingegen der Algorithmus von Bieri und Nef für Nef-Polyeder funktioniert. Diese sind eine Verallgemeinerung von Polyedern, die auch die Klasse der Vereinigung von Polytopen umfasst. Für uns ist das allerdings kein Nachteil, da unsere Datensätze zu Vereinigungen von Polytopen führen. Zweitens ist unser Algorithmus in zwei Teile aufgeteilt. Im ersten Teil wird eine Datenstruktur entwickelt, aus der im zweiten Teil zusammen mit einer Richtung die Sweep-Ebenen-Volumenfunktion berechnet wird. Der Großteil der Komplexität liegt im ersten Teil des Algorithmus. Das hat den Vorteil, dass wir die Volumenfunktionen für viele verschiedene Richtungen berechnen können. So können Einblicke in die Struktur des Körpers gewonnen werden.
Der Algorithmus beruht auf zwei verschiedenen Zerlegungsansätzen. Zuerst können wir mit Hilfe von Anordnungen von Hyperebenen eine Vereinigung von Polytopen in ihre Zellen zerlegen. Dabei berufen wir uns auf die Arbeit von Gerstner und Holtz, in der das Konzept der Positionsvektoren eingeführt wird. Diese nutzen wir um die Ecken und ihre benachbarten Zellen zu bestimmen. So erhalten wir eine Zerlegung unserer Vereinigung in Zellen, deren paarweise Schnitte kein Volumen haben. Das zweite Zerlegungskonzept ist die konische Zerlegung, wie sie von Lawrence eingeführt wurde. Mit Hilfe dieser können wir die Indikatorfunktion eines Polytops als die Summe der Indikatorfunktionen seiner Vorwärtskegel schreiben. Die Sweep-Ebenen Volumenfunktionen können dann leicht mit Hilfe einer altbekannten Formel für das Volumen von Simplices berechnet werden.
During the past years hospitals saw themselves confronted with increasing economical pressure (WB06, p. V). Therefore, optimizing the general operational procedures has gained in importance. The revenue of a hospital depends on the kinds and quantity of treatments performed and on the effcient use and utilization of the corresponding resources. About 25 − 50% of the treatment costs of a patient needing surgery incurs in the operating rooms (WB06, p. 58). Hence skillful management of the operating rooms can have a large impact on the overall revenue of a hospital. Belien and Demeulemeester (BD07) describe the planning of operating room (OR) schedules as a multi-stage process. In the first stage OR time is allocated to the hospitals specialties and capacities and resources are adjusted. In the second stage a master surgery schedule (MSS) is developed, that is a timetable for D days that specifies the amount of OR time assigned to the specialties on every individual day. After D days this schedule will be repeated without any changes. Hence, developing an MSS is a long-term problem. Finally, specialties will schedule specific surgeries within their assigned OR time. In this work we will focus on the development of the MSS that maximizes the revenue of the hospital. Our main focus will be to ensure that the capacities of the downstream resources, i.e. the bed capacities in the ICU and ward, will not be exceeded. Additionally, we hope that our formulation of the problem will lead to a leveled bed demand without significant peaks. We will incorporate the uncertainty of patient demand and case mix in our model. There have been several approaches on this subject, for example in (Fü15) and (BD07) and this work is in part inuenced by these advances.
Nano-optical scattering problems play an important role in our modern, technologically driven society. Computers, smartphones and all kinds of electronic devices are manufactured by the semiconductor industry which relies on production using photomasks as well as optical process control. The digital world, e.g. the world wide web, is based on optical interconnects and so-called quantum computers based on optics are supposed to be next generation computers. Moreover, global economic progress demands new and sustainable energy resources and one option is to make use of the power stored in optical radiation from the sun. Additionally, understanding fundamental physics such as the optical properties of asymmetric, or chiral, structures could promote future innovations in engineering. In order to understand and manipulate these kinds of processes, physics provides a well established model: the so-called Maxwell’s equations. Stated by James Clerk Maxwell in 1862, this description of the interaction of light and matter still provides a profound basis for the analysis of electromagnetic phenomena. However, real world problems cannot be calculated using simple mathematics. Rather, computer simulations are needed to obtain solutions of the physical model. Finding suitable methods to solve these problems opens up a wide variety of possibilities. On the one hand, there are methods which require long computing times. On the other hand, some algorithms depend on high memory usage. That is why the field of numerics deals with the question which method is optimally suited for specific problems. The aim of this work is to investigate the applicability of the so-called Fourier Modal Method (FMM) to nano-optical scattering problems in general. Since simple analytical solutions are non-existent for most recent physical problems, we use the Finite Element Method (FEM) to double-check performance of the FMM. Mathematics provide reliable procedures to control the errors of numerics using the FEM. Yet up to now it has not been possible to rigorously classify the quality of the Fourier Modal Method’s results. It is not fully understood whether the process of investing more and more computing resources yields more accurate results. So, we have to ask ourselves: does the numerical method invariably converge? In spite of this uncertainty when using the FMM, it is a well established method dating back to the 1980s. This numerical method has recently been used to optimize performance of solar cells [19] as well as to improve the optical properties of so-called single-photon sources [41] which are essential for quantum cryptography. The latter is a promising candidate to increase digital security and revolutionise cryptography techniques. Furthermore, with the help of the Fourier Modal Method an important issue in optics has been partly resolved: angular filtering of light was made possible by using a mirror which becomes transparent at a certain viewing angle [77]. In addition, an improved numerical technique to design so-called Photonic Crystal waveguides based on the FMM was developed recently [15]. Photonic Crystals are used in the fields of optical bio-sensing and for the construction of novel semiconductor devices. Moreover, approaches to link the FMM and the FEM try to combine advantages of both methods to obtain fast and accurate results [81]. These ideas are closely linked to the well-known concept of Domain Decomposition within the FEM [88]. Here, one possibility to couple domains is to use the scattering matrix formalism as it is done in the FMM. In the scope of this convergence study, we state Maxwell’s equations, particularly for periodic geometries. We describe two physical phenomena of nano-optics, namely chirality and opto-electrical coupling, and define the errors of our simulations. Afterwards, the two investigated methods are analysed with respect to their general properties and a way to unify modelling physics when using both algorithms is presented. With the help of various numerical experiments, we explore convergence characteristics of the FMM and draw conclusions about the ability of this approach to provide accurate results and, consequently, its potential for research on technological innovations.
Bei der numerischen Lösung von Optimalsteuerungsproblemen mit
elliptischen partiellen Differentialgleichungen als Nebenbedingung
treten unvermeidlich Diskretisierungs- und Iterationsfehler auf.
Man ist aus Aufwandsgründen daran interessiert die dabei entstehenden
Fehler nicht sehr klein wählen zu müssen. In der Folge werden die linearisierten Nebenbedingungen in einem Composite-Step-Verfahren nicht exakt erfüllt. In dieser Arbeit wird der Einfluss dieser Ungenauigkeit auf das Konvergenzverhalten von Newton-Lagrange-Verfahren untersucht.
Dabei sollen mehrere einschlägige lokale Konvergenzresultate diskutiert werden.
Anschließend wird ein konkretes Composite-Step-Verfahren formuliert, in dem die Genauigkeit der
inneren Iterationsverfahren adaptiv gesteuert werden kann.
Am Ende der Arbeit wird an zwei Musterproblemen die hohe Übereinstimmung der analytischen
Voraussagen und der tatsächlichen Performanz der dargestellten Methoden demonstriert.
This thesis represents a game-theoretic investigation of the allocation of inspectors in a transportation network, comparing Nash and Stackelberg equilibrium strategies to a strategy in which inspections are conducted proportionally to the traffic volume. It contains specifications for the integration of space and time dependencies and extensive experimental tests for the application on the transportation network of German motorways using real data. Main results are that - although the formulated spot-checking game is not zero-sum - we are able to compute a Nash equilibrium using linear programming and secondly, that experimental results yield that a Nash equilibrium strategy represents a good trade-off for the Stackelberg equilibrium strategy between efficiency of controls and computation time.