Stefan Schäffler - Böcker

This self-contained monograph presents a new stochastic approach to global optimization problems arising in a variety of disciplines including mathematics, operations research, engineering, and economics.

This self-contained monograph presents a new stochastic approach to global optimization problems arising in a variety of disciplines including mathematics, operations research, engineering, and economics. The volume deals with constrained and unconstrained problems and puts a special emphasis on large scale problems. It also introduces a new unified concept for unconstrained, constrained, vector, and stochastic global optimization problems. All methods presented are illustrated by various examples. Practical numerical algorithms are given and analyzed in detail.  The topics presented include the randomized curve of steepest descent, the randomized curve of dominated points, the semi-implicit Euler method, the penalty approach, and active set strategies. The optimal decoding of block codes in digital communications is worked out as a case study and shows the potential and high practical relevance of this new approach. Global Optimization: A Stochastic Approach is an elegant account of a refined theory, suitable for researchers and graduate students interested in global optimization and its applications.

This textbook shall serve a double purpose: first of all, it is a book about generalized stochastic processes, a very important but highly neglected part of probability theory which plays an outstanding role in noise modelling. Secondly, this textbook is a guide to noise modelling for mathematicians and engineers to foster the interdisciplinary discussion between mathematicians (to provide effective noise models) and engineers (to be familiar with the mathematical backround of noise modelling in order to handle noise models in an optimal way).Two appendices on "A Short Course in Probability Theory" and "Spectral Theory of Stochastic Processes" plus a well-choosen set of problems and solutions round this compact textbook off.

Stochastische Methoden besitzen in vielen Teilen der Technik und Informatik eine hohe Relevanz. So beruhen z.B. die meisten modernen Verfahren der digitalen Nachrichtenübertragung, der Schaltkreissimulation aber auch der Verfahrenstechnik und des Financial Engineering auf stochastischen Prinzipien. Das Buch bietet eine fundierte und anwendungsbezogene Einführung in die Wahrscheinlichkeitstheorie und Statistik. Im Zentrum stehen nach einer grundlegenden Behandlung der Maß- und Integrationstheorie sowie der Grundlagen der Wahrscheinlichkeitstheorie stochastische Prozesse, insbesonders Poisson-Prozesse, Martingale und Brownsche Bewegungen. Alle Resultate werden ausführlich motiviert und exakt bewiesen. Dadurch eignet sich das Buch hervorragend zum Selbststudium und als vorlesungsbegleitende Literatur.

Das Lehrbuch stellt einen informationstheoretischen Zugang zur globalen Optimierung vor, der insbesondere die Behandlung hochdimensionaler Pobleme erlaubt. Detailliert werden Fragestellungen aus der Kommunikationstechnik und den Wirtschaftswissenschaften behandelt, wobei sowohl die mathematischen Grundlagen wie auch Implementierungsdetails behandelt werden.

The authors of this Festschrift prepared these papers to honour and express their friendship to Klaus Ritter on the occasion of his sixtieth birthday. Be­ cause of Ritter's many friends and his international reputation among math­ ematicians, finding contributors was easy. In fact, constraints on the size of the book required us to limit the number of papers. Klaus Ritter has done important work in a variety of areas, especially in var­ ious applications of linear and nonlinear optimization and also in connection with statistics and parallel computing. For the latter we have to mention Rit­ ter's development of transputer workstation hardware. The wide scope of his research is reflected by the breadth of the contributions in this Festschrift. After several years of scientific research in the U.S., Klaus Ritter was ap­ pointed as full professor at the University of Stuttgart. Since then, his name has become inextricably connected with the regularly scheduled conferences on optimization in Oberwolfach. In 1981 he became full professor of Applied Mathematics and Mathematical Statistics at the Technical University of Mu­ nich. In addition to his university teaching duties, he has made the activity of applying mathematical methods to problems of industry to be centrally important.

Dieses essential bietet eine Einführung in die theoretischen Grundlagen und Anwendungen der verallgemeinerten Funktionen. Nach zwei typischen Anwendungen verallgemeinerter Funktionen wird die Theorie entwickelt, wobei zum besseren Verständnis nur die fundamentalen Ideen vorgestellt werden, sodass keine funktionalanalytischen Kenntnisse vorausgesetzt werden. Danach folgt eine systemtheoretische Untersuchung von LTI-Systemen unter Einbeziehung der Dirac-Distribution und die Modellierung gezupfter schwingender Saiten. Den Abschluss bildet die Modellierung technischer Rauschprozesse am Beispiel des kontinuierlichen weißen Rauschens.

Dieses essential bietet eine verständliche Einführung in die philosophischen Grundprinzipien der Wissenschaften. Beantwortet werden Fragen wie: Was bedeutet eigentlich „logisch“? Was ist Deduktion, was ist Induktion? Welche Wissenschaften sind rein deduktiv? Kann ein wissenschaftliches Modell wahr oder falsch sein? Warum ist jedes wissenschaftliche Modell eine Deutung von Beobachtungen?

Dieses essential bietet eine verständliche Einführung in die Kombinatorik und ihre Anwendungen. Nach einem Kapitel über Grundlagen mit der Klärung wichtiger Begriffe wie Menge, Multimenge, Partition und Permutation werden im zweiten Kapitel Methoden zum Zählen von Teilmengen unter verschiedenen Nebenbedingungen und entsprechende Anwendungen vorgestellt. Danach folgt die Approximation von Summen durch die Euler-Maclaurinsche Summenformel. Den Abschluss bildet ein Kapitel über die Methodik des Zählens verschiedener Muster.

Ausgehend vom Shannon-Wiener-Zugang zur mathematischen Informationstheorie, die eine mathematische "Messung" einer Informationsmenge erlaubt, beginnt das Buch mit einer Abgrenzung der Begriffe Nachricht und Information und der axiomatischen Zuordnung einer Informationsmenge zu einer Wahrscheinlichkeit.

Dieses Lehrbuch behandelt die in Natur- und Ingenieurwissenschaften eine zentrale Rolle spielenden Rauschprozesse, wie weißes Rauschen in der Raumsondenkommunikation oder thermisches Rauschen und Schrotrauschen in elektronischen Bauelementen.In dieser Form einzigartig, entwickelt der Autor die mathematische Theorie der verallgemeinerten stochastischen Prozesse und spricht dabei die Anwendung dieser mathematischen Objekte in der Praxis (z.B. Schaltkreissimulation, digitale Nachrichtenübertragung und Bildverarbeitung) an; somit dient dieses Lehrbuch auch als praxisrelevante Einführung in die Modellierung und Verwendung technischer Rauschprozesse. Die mathematische Modellierung von Rauschprozessen führt auf die Theorie stochastischer Prozesse auf Basis verallgemeinerter Funktionen (Distributionen), ohne die kein Handy funktionieren und Anwendungen wie die Simulation komplexer elektronischer Schaltungen unmöglich wäre.Für Anwender und interessierte Mathematiker bietet dieses Werk erstmals einen mathematisch fundierten Einblick in diese Thematik.

Wesentliche Zielsetzung dieses Buchs ist eine in sich abgeschlossene Darstellung der zur Lösung inverser Probleme notwendigen Kenntnisse von der mathematischen Analyse bis zur numerischen Lösung. Konkrete Anwendungsfälle aus Naturwissenschaften und Technik geben den Umfang der benötigten mathematischen Methoden vor. Dazu gehört insbesondere die stochastische Modellierung der unvorhersehbaren Störungen von Messdaten, die bisher in Lehrbüchern zu inversen und schlecht gestellten Problemen nicht berücksichtigt wird. Die stochastische Modellierung steht in engem Zusammenhang mit der für den Computereinsatz essentiellen Diskretisierung beziehungsweise Parametrisierung inverser Probleme, auf die besonderes Augenmerk gerichtet wird. Ein weiterer Schwerpunkt ist die praktische Lösung der aus der Diskretisierung resultierenden globalen, im Allgemeinen nichtlinearen Optimierungsprobleme. Hingegen wird auf die Besprechung einer abstrakten Theorie der Regularisierung verzichtet.Um den ganzen Weg von der theoretischen Analyse bis zur effizienten numerischen Lösung inverser Probleme aufzeigen zu können, wird die Besprechung mathematischer Grundlagen gegenüber Standardtexten um die Einbeziehung von Themen der Wahrscheinlichkeitstheorie und Statistik, der Approximation mit Wavelets und dünnen Gittern sowie der globalen Optimierung wesentlich erweitert.Für eine Reihe von repräsentativen Anwendungsfällen aus den Bereichen Mobilfunk, Medizintechnik oder Geophysik werden die jeweiligen, zumeist nichtlinearen Probleme mathematisch präzisiert, eingehend analysiert und rechnerisch gelöst.Das Buch ist zum Selbststudium für Mathematiker und für mathematisch interessierte Ingenieure und Naturwissenschaftler geeignet.