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Function Theoretic Methods for the Analytical and Numerical Solution of Some Non-linear Boundary Value Problems with Singularities

  • The p-Laplace equation is a nonlinear generalization of the well-known Laplace equation. It is often used as a model problem for special types of nonlinearities, and therefore it can be seen as a bridge between very general nonlinear equations and the linear Laplace equation, too. It appears in many problems for instance in the theory of non-Newtonian fluids and fluid dynamics or in rockfill dam problems, as well as in special problems of image restoration and image processing. The aim of this thesis is to solve the p-Laplace equation for 1 < p < 2, as well as for 2 < p < 3 and to find strong solutions in the framework of Clifford analysis. The idea is to apply a hypercomplex integral operator and special function theoretic methods to transform the p-Laplace equation into a p-Dirac equation. We consider boundary value problems for the p-Laplace equation and transfer them to boundary value problems for a p-Dirac equation. These equations will be solved iteratively by applying Banach’s fixed-point principle. Applying operator-theoretical methods for the p-Dirac equation, the existence and uniqueness of solutions in certain Sobolev spaces will be proved. In addition, using a finite difference approach on a uniform lattice in the plane, the fundamental solution of the Cauchy-Riemann operator and its adjoint based on the fundamental solution of the Laplacian will be calculated. Besides, we define gener- alized discrete Teodorescu transform operators, which are right-inverse to the discrete Cauchy-Riemann operator and its adjoint in the plane. Furthermore, a new formula for generalized discrete boundary operators (analogues of the Cauchy integral operator) will be considered. Based on these operators a new version of discrete Borel-Pompeiu formula is formulated and proved. This is the basis for an operator calculus that will be applied to the numerical solution of the p-Dirac equation. Finally, numerical results will be presented showing advantages and problems of this approach.
  • Die p-Laplace-Gleichung ist eine nichtlineare Verallgemeinerung der wohlbekannten Laplace-Gleichung Die p-Laplace-Gleichung wird häufig als Referenzbeispiel für spezielle Typen von Nichtlinearitäten benutzt und kann daher auch als Brücke zwischen sehr allgemeinen nichtlinearen partiellen Differentialgleichungen und der linearen Laplace-Gleichung gesehen werden. Sie ist darüber hinaus auch das mathematische Modell für eine Reihe praxisrelevanter Probleme, wie z.B. in der Theorie nicht-newtonscher Flüssigkeiten, der Strömungsmechanik, der Durchfeuchtung von Schütt- dämmen und auch ein wichtiges Werkzeug zur Behandlung spezieller Probleme der Bildrekonstruktion und Bildverarbeitung. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die p-Laplace-Gleichung sowohl für 1 < p < 2 als auch ür 2 < p < 3 zu lösen. Strenge Lösungen werden unter Benutzung der Clifford- Analysis konstruiert. Die Idee ist dabei, einen hyperkomplexen Integraloperator und funktionentheoretische Methoden auf die p-Laplace-Gleichung anzuwenden und diese Gleichung dadurch in eine p-Dirac-Gleichung zu transformieren, die dann besser gelöst werden kann. Es werden spezielle Randwertprobleme für die p-Laplace-Gleichung in Dirichlet-Probleme für die p-Dirac-Gleichung transformiert und dabei die Ordnung der Differentialgleichung reduziert. Die Randwertprobleme für die p-Dirac-Gleichung werden mit Hilfe des Banachschen Fixpunktprinzips iterativ analytisch gelöst. Durch Anwendung operator-theoretischer Methoden kann die Existenz und Eindeutigkeit der Lösung in bestimmten Sobolev-Räumen nachgewiesen werden. Darüber hinaus wird eine Finite Differenzenmethode auf einem gleichmäßigen Gitter in der Ebene angewandt, um die Fundamentallösung des diskreten Laplace- Operators numerisch zu berechnen. In der Folge werden daraus Fundamentallösungen des diskreten Cauchy-Riemann-Operators und seines adjungierten Operators erzeugt. Auf dieser Grundlage werden über Faltungen mit den Fundamentallösungen diskrete Teodorescu-Operatoren definiert, die rechtsinvers zum diskreten Cauchy-Riemann- Operator bzw. zum adjungierten diskreten Cauchy-Riemann-Operator sind. Weiterhin werden diskrete Randoperatoren, die analog zum Cauchyschen Integraloperator sind, eingeführt. Alle vorgenannten Operatoren werden in einer neuen Version einer diskreten Borel-Pompeiu-Formel zusammengeführt und bilden die Grundlage für eine diskrete Operatorenrechnung. Diese Untersuchungen erweitern bekannte Resultate auf wesentlich größere Funktionenklassen als bisher möglich waren. Die diskrete Opera- torenrechnung wird benutzt, um die diskretisierten Randwertprobleme für die p-Dirac- Gleichung numerisch zu lösen. Numerische Resultate werden vorgestellt und diskutiert. Dabei wird auf Vor- und Nachteile der entwickelten Methode eingegangen.

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Metadaten
Document Type:Doctoral Thesis
Author:Dr. rer. nat Zainab Riyadh Shaker Al-Yasiri
DOI (Cite-Link):https://doi.org/10.25643/bauhaus-universitaet.3898Cite-Link
URN (Cite-Link):https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:wim2-20190506-38987Cite-Link
Referee: Helmuth Robert MalonekORCiDGND, Swanhild BernsteinORCiDGND, Klaus GürlebeckGND
Advisor: Klaus GürlebeckGND
Language:English
Date of Publication (online):2019/05/03
Year of first Publication:2019
Date of final exam:2017/11/02
Release Date:2019/05/06
Publishing Institution:Bauhaus-Universität Weimar
Granting Institution:Bauhaus-Universität Weimar, Fakultät Bauingenieurwesen
Institutes:Fakultät Bauingenieurwesen / Professur Angewandte Mathematik
Pagenumber:164
Tag:discrete function theory; finite difference methods; p-Laplace equation
GND Keyword:Finite-Differenzen-Methode
Dewey Decimal Classification:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 510 Mathematik / 518 Numerische Analysis
BKL-Classification:31 Mathematik / 31.76 Numerische Mathematik
Licence (German):License Logo Creative Commons 4.0 - Namensnennung-Nicht kommerziell-Keine Bearbeitung (CC BY-NC-ND 4.0)