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Foto: Universität Paderborn

Dr. Raphael Gerlach

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Dr. Raphael Gerlach

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2021

The Computation and Analysis of Invariant Sets of Infinite-Dimensional Systems

R. Gerlach, 2021

Ein zentraler Aspekt bei der Untersuchung dynamischer Systeme ist die Analyse ihrer invarianten Mengen wie des globalen Attraktors und (in)stabiler Mannigfaltigkeiten. Insbesondere wenn das zugrunde liegende System von einem Parameter abhängt, ist es entscheidend, sie im Bezug auf diesen Parameter effizient zu verfolgen. Für die Berechnung invarianter Mengen stützen wir uns für ihre Approximation auf numerische Algorithmen. Typischerweise können diese Methoden jedoch nur auf endlich-dimensionale dynamische Systeme angewendet werden. In dieser Arbeit präsentieren wir daher einen numerischen Rahmen für die globale dynamische Analyse unendlich-dimensionaler Systeme. Wir werden Einbettungstechniken verwenden, um das core dynamical system (CDS) zu definieren, welches ein dynamisch äquivalentes endlich-dimensionales System ist.Das CDS wird dann verwendet, um eingebettete invariante Mengen, also eins-zu-eins Bilder, mittels Mengen-orientierten numerischen Methoden zu approximieren. Bei der Konstruktion des CDS ist es entscheidend, eine geeignete Beobachtungsabbildung auszuwählen und die geeignete inverse Abbildung zu entwerfen. Dazu werden wir geeignete numerische Implementierungen des CDS für DDEs und PDEs vorstellen. Für eine nachfolgende geometrische Analyse der eingebetteten invarianten Menge betrachten wir eine Lerntechnik namens diffusion maps, die ihre intrinsische Geometrie enthüllt sowie ihre Dimension schätzt. Schließlich wenden wir unsere entwickelten numerischen Methoden an einigen bekannten unendlich-dimensionale dynamischen Systeme an, wie die Mackey-Glass-Gleichung, die Kuramoto-Sivashinsky-Gleichung und die Navier-Stokes-Gleichung.


2020

A Set-Oriented Path Following Method for the Approximation of Parameter Dependent Attractors

R. Gerlach, A. Ziessler, B. Eckhardt, M. Dellnitz, SIAM Journal on Applied Dynamical Systems (2020), pp. 705-723

In this work we present a set-oriented path following method for the computation of relative global attractors of parameter-dependent dynamical systems. We start with an initial approximation of the relative global attractor for a fixed parameter λ0 computed by a set-oriented subdivision method. By using previously obtained approximations of the parameter-dependent relative global attractor we can track it with respect to a one-dimensional parameter λ > λ0 without restarting the whole subdivision procedure. We illustrate the feasibility of the set-oriented path following method by exploring the dynamics in low-dimensional models for shear flows during the transition to turbulence and of large-scale atmospheric regime changes .


The Approximation of Invariant Sets in Infinite Dimensional Dynamical Systems

R. Gerlach, A. Ziessler, in: Advances in Dynamics, Optimization and Computation, Springer, 2020, pp. 55-85

In this work we review the novel framework for the computation of finite dimensional invariant sets of infinite dimensional dynamical systems developed in [6] and [36]. By utilizing results on embedding techniques for infinite dimensional systems we extend a classical subdivision scheme [8] as well as a continuation algorithm [7] for the computation of attractors and invariant manifolds of finite dimensional systems to the infinite dimensional case. We show how to implement this approach for the analysis of delay differential equations and partial differential equations and illustrate the feasibility of our implementation by computing the attractor of the Mackey-Glass equation and the unstable manifold of the one-dimensional Kuramoto-Sivashinsky equation.


2019

Revealing the intrinsic geometry of finite dimensional invariant sets of infinite dimensional dynamical systems

R. Gerlach, P. Koltai, M. Dellnitz, in: arXiv:1902.08824, 2019

Embedding techniques allow the approximations of finite dimensional attractors and manifolds of infinite dimensional dynamical systems via subdivision and continuation methods. These approximations give a topological one-to-one image of the original set. In order to additionally reveal their geometry we use diffusion mapst o find intrinsic coordinates. We illustrate our results on the unstable manifold of the one-dimensional Kuramoto--Sivashinsky equation, as well as for the attractor of the Mackey-Glass delay differential equation.


The Numerical Computation of Unstable Manifolds for Infinite Dimensional Dynamical Systems by Embedding Techniques

A. Ziessler, M. Dellnitz, R. Gerlach, SIAM Journal on Applied Dynamical Systems (2019), pp. 1265-1292

In this work we extend the novel framework developed by Dellnitz, Hessel-von Molo, and Ziessler to the computation of finite dimensional unstable manifolds of infinite dimensional dynamical systems. To this end, we adapt a set-oriented continuation technique developed by Dellnitz and Hohmann for the computation of such objects of finite dimensional systems with the results obtained in the work of Dellnitz, Hessel-von Molo, and Ziessler. We show how to implement this approach for the analysis of partial differential equations and illustrate its feasibility by computing unstable manifolds of the one-dimensional Kuramoto--Sivashinsky equation as well as for the Mackey--Glass delay differential equation.


On the equivariance properties of self-adjoint matrices

M. Dellnitz, B. Gebken, R. Gerlach, S. Klus, Dynamical Systems (2019), pp. 1-19

We investigate self-adjoint matrices A∈Rn,n with respect to their equivariance properties. We show in particular that a matrix is self-adjoint if and only if it is equivariant with respect to the action of a group Γ2(A)⊂O(n) which is isomorphic to ⊗nk=1Z2. If the self-adjoint matrix possesses multiple eigenvalues – this may, for instance, be induced by symmetry properties of an underlying dynamical system – then A is even equivariant with respect to the action of a group Γ(A)≃∏ki=1O(mi) where m1,…,mk are the multiplicities of the eigenvalues λ1,…,λk of A. We discuss implications of this result for equivariant bifurcation problems, and we briefly address further applications for the Procrustes problem, graph symmetries and Taylor expansions.


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