In dieser Folge unterhält sich Gudrun gleich mit vier Personen. Im Gespräch geht es um ein ganz besonderes Angebot für Schülerinnen und Schüler: die CAMMP-week. Die Abkürzung CAMMP steht hier für "Computational and Mathematical Modeling Program" (deutsch: "Computergestütztes Mathematisches Modellierungsprogramm"). Das Programm wurde in der Arbeitsgruppe von Martin Frank während seiner Tätigkeit an der RWTH in Aachen entwickelt. Mit seinem Wechsel ans KIT in Karlsruhe gibt es nun seit Januar 2018 auch ein Standbein am KIT. Mit Kirsten Wohak hatte Gudrun schon über das Konzept, die Idee und konkrete Beispiele für CAMMP gesprochen. Dabei entstand der Wunsch, unbedingt auch Schülerinnen und Schüler zu Wort kommen zu lassen, die an einer CAMMP-Veranstaltung teilgenommen haben.

Elly Bastian und Christian Beitzinger haben vom 24.-29. Juni 2018 an der diesjährigen CAMMP week in der Jugendherberge in Voeren (Belgien) teilgenommen und hatten Lust, im Podcast über ihre Erfahrungen zu berichten. Elly ist derzeit noch Schülerin der 10. Klasse am Goethe-Gymnasium in Gaggenau und Christian ist in der K1 im Tulla-Gymnasium in Rastatt.

Zwei Programmgestalterinnen waren ebenfalls mit in der Podcast-Gesprächsrunde, nämlich Kirsten Wohak und Maren Hattebuhr. Sie gehören am KIT zur Arbeitsgruppe von Martin Frank Computational Science and Mathematical Methods. Diese Gruppe schlägt eine Brücke zwischen dem Steinbuch Center for Computing und der KIT-Fakultät für Mathematik.

Das Angebot der CAMMP week richtet sich an Schüler und Schülerinnen der Oberstufe, die an Mathematik interessiert sind, an Mathematiklehrpersonen sowie Personen im Referendariat oder Lehramtsstudium und findet jährlich in der Jugendherberge in Voeren in Belgien statt. In Karlsruhe wird zusätzlich noch eine zweite Modellierungswoche in Zusammenarbeit mit dem MINT-EC angeboten, an welcher Schülerinnen und Schüler von Schulen, die Teil des MINT-Schulnetzwerks sind, teilnehmen können. In beiden Wochen werden die Teilnehmenden in Gruppen aufgeteilt, die jeweils aus sechs Schülerinnen und Schülern und zwei (angehenden) Lehrkräften bestehen. Bei den zu lösenden Problemen handelt es sich um reale Fragestellungen aus der Forschung von Firmen oder Universitätsinstituten.

Jede Gruppe erhält eine individuelle Aufgabenstellung, an der sie innerhalb der fünf Tage forscht. Dabei wird sie auch wissenschaftlich betreut. Die Schülerteams präsentieren ihre Ergebnisse den Firmen am Ende der Woche im Rahmen einer repräsentativen Abschlussveranstaltung. Hier sind auch die Familien und die Schulen dabei.

Welche Wege führen junge Menschen nun in die CAMMP week?

Elly hatte Anfang 2018 die Arbeit der Gruppe um Martin Frank im Rahmen ihres BOGY-Praktikums kennen gelernt und dabei Lust bekommen, noch mehr praktische Mathematik zu machen. Obwohl sie keine andere Person kannte, die auch nach Belgien fahren würde, war ihre Lust so groß, dass sie sich auf das Abenteuer einlassen wollte. Christian wurde von seinem Mathelehrer auf die Möglichkeit hingewiesen und hatte sich mit Mitschülern abgesprochen. Beide berichteten darüber, dass sie in der jeweiligen Gruppe mit viel Enthusiasmus arbeiten konnten, viele Ideen geboren und wieder verworfen wurden und am Ende auch in schwierigen Phasen ein Ausweg gefunden wurde.

Es war eine interessante Erfahrungen, mit anderen Schülerinnen und Schülern zusammen zu sein, die auch Begeisterung für Mathematik empfinden. Beide haben nun ein neues Bild von Mathematik und den Möglichkeiten einer späteren Berufstätigkeit mit einer mathematischen Vorbildung und würden auch gern wieder an einer CAMMP week teilnehmen.

• E. Dittrich: Schülerlabor, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 103, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016.
• M. Frank: Kinetische Theorie, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 152, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2017.
• B. Böttcher: Meisterklasse, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 158, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2018.
• G. Thäter, K. Wohak: CAMMP, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 165, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2018.

Gudrun met the USA-based mathematician Roza Aceska from Macedonia in Turin at the Conference MicroLocal and Time-Frequency Analysis 2018.

The topic of the recorded conversation is dynamical sampling. The situation which Roza and other mathematician study is: There is a process which develops over time which in principle is well understood. In mathematical terms this means we know the equation which governs our model of the process or in other words we know the family of evolution operators. Often this is a partial differential equation which accounts for changes in time and in 1, 2 or 3 spatial variables. This means, if we know the initial situation (i.e. the initial conditions in mathematical terms), we can numerically calculate good approximations for the instances the process will have at all places and at all times in the future.

But in general when observing a process life is not that well sorted. Instead we might know the principal equation but only through (maybe only a few) measurements we can find information about the initial condition or material constants for the process. This leads to two questions: How many measurements are necessary in order to obtain the full information (i.e. to have exact knowledge)? Are there possibilities to choose the time and the spatial situation of a measurement so clever as to gain as much as possible new information from any measurement? These are mathematical questions which are answered through studying the equations.

The science of sampling started in the 1940s with Claude Shannon who found fundamental limits of signal processing. He developed a precise framework - the so-called information theory. Sampling and reconstruction theory is important because it serves as a bridge between the modern digital world and the analog world of continuous functions. It is surprising to see how many applications rely on taking samples in order to understand processes. A few examples in our everyday life are: Audio signal processing (electrical signals representing sound of speech or music), image processing, and wireless communication. But also seismology or genomics can only develop models by taking very intelligent sample measurements, or, in other words, by making the most scientific sense out of available measurements.

The new development in dynamical sampling is, that in following a process over time it might by possible to find good options to gain valuable information about the process at different time instances, as well as different spatial locations. In practice, increasing the number of spatially used sensors is more expensive (or even impossible) than increasing the temporal sampling density. These issues are overcome by a spatio-temporal sampling framework in evolution processes. The idea is to use a reduced number of sensors with each being activated more frequently. Roza refers to a paper by Enrique Zuazua in which he and his co-author study the heat equation and construct a series of later-time measurements at a single location throughout the underlying process. The heat equation is prototypical and one can use similar ideas in a more general setting. This is one topic on which Roza and her co-workers succeeded and want to proceed further.

After Roza graduated with a Ph.D. in Mathematics at the University of Vienna she worked as Assistant Professor at the University Ss Cyril and Methodius in Skopje (Macedonia), and after that at the Vanderbilt University in Nashville (Tennessee). Nowadays she is a faculty member of Ball State University in Muncie (Indiana).

• Overview on sampling theory and applications: M. Unser: Sampling-50 years after Shannon Proceedings of the IEEE 88 (4) 569 - 587, 2000.
• Dynamical sampling in shift-invariant spaces: R. Aceska e.a.: Dynamical Sampling in Shift-Invariant Spaces 2014 (Version at Archive}
• Dynamical sampling: R. Aceska, A. Petrosyan, S. Tang: Dynamical sampling of two-dimensional temporally-varying signals International Conference on Sampling Theory and Applications (SampTA), DOI:10.1109/SAMPTA.2015.7148929, 2015.
• DeVore, Ronald, and Enrique Zuazua: Recovery of an initial temperature from discrete sampling, Mathematical Models and Methods in Applied Sciences 24.12 (2014): 2487-2501, 2014.
• Evolution operators involved in dynamical sampling: S. Tang: System identification in dynamical sampling, Advances in Computational Mathematics 43 (3) 555–580, 2017.
• On Bessel systems, bases and frames in the dynamical sampling setup: A.Aldroubi e.a.:lterative actions of normal operators Journal of Functional Analysis 272 (3), 1121-1146, 2017.

• G. Thäter, E. Zuazua: Waves, Conversation in Modellansatz Podcast Episode 054, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2015.

Am Rande des Treffens des German Chapters of European Women in Mathematics sprach Gudrun mit Carla Cederbaum. Das Treffen der Mathematikerinnen fand am 3. und 4. Mai 2018 im Mathematikon in Heidelberg statt. Carla hielt einen der Hauptvorträge und gab einen Einblick in ihre Forschung unter dem Titel "Where is the center of mass of a star -- and what does this have to do with Mathematics?"

Die Ideen der Vorlesung dienten als Einstieg in das Gespräch zum Arbeitsgebiet von Carla: Mathematische Relativitätstheorie. Dieses Thema schlägt eine Brücke zwischen Physik und Mathematik. Carla hat sich schon immer sehr für Mathematik und Physik interessiert und sich zunächst für ein Physikstudium entschieden.

Später hat die Mathematik sich als attraktiver erwiesen, aber die physikalische Anwendungen liegen ihr weiterhin am Herzen. Nun benutzt sie mathematische Methoden der geometrischen Analysis und Differentialgeometrie gemeinsamen mit ihren grundlegenden Vorstellungen von Physik für ihre Forschung.

Im Zentrum des Vortrages stand, welche Schritte es möglich gemacht haben, das klassische Konzept Schwerpunkt auf die Situation zu übertragen, dass sich Objekte so wie Sterne oder Galaxien so schwer sind bzw. sich so schnell bewegen, dass sie den Gesetzmäßigkeiten der Relativitätstheorie unterliegen. Der Schwerpunkt eines physikalischen Systems ist eines der ältesten und grundlegendsten Konzepte der mathematischen Physik und Geometrie. Das Verstehen der Position und Bewegung des Massenschwerpunktes eines Systems ist oft der erste Schritt zum Verständnis der Gesamtdynamik des Systems. Geht man jedoch über die klassische Mechanik hinaus, wird der Begriff immer komplizierter und muss neu definiert werden. Beispielsweise hängt der Schwerpunkt einer Massenverteilung in besonderer Weise vom gewählten Beobachter ab und er muss sich für Objekte wie schwarzes Löcher eignen. Hier kann er nicht als "Ereignis" (Punkt) in der Raumzeit beschrieben werden. Jede Vorstellung vom Massenschwerpunkt muss also notwendigerweise abstrakter sein.

In ihrer Doktorarbeit untersuchte Carla sogenannte geometrostatische Systeme, d.h. asymptotisch flache statische Lösungen der Einstein-Gleichungen im Vakuum. Anders ausgedrückt sind das statisch isolierte relativistische Systeme, deren Materie kompakten Träger hat. Ihr Ziel war es, ein tieferes Verständnis ihrer Asymptotik zu erlangen und mehr Einblick in ihre physikalische Interpretation (z.B. Masse und Schwerpunkt) zu gewinnen. Des weiteren war es spannend, inwieweit klassische und solche relativistischen Begriffe ineinander übergehen im Grenzwert kleiner Geschwindigkeiten.

Der Vortrag zeigte, worin die Herausforderungen bestehen und zeigte welche Techniken von ihr erfolgreich angewendet worden waren. Als erstes grundlegendes Problem für nicht statische Systeme erweist sich, dass die Beschreibung vom Beobachter abhängen muss. Eine grundlegende Idee ist es, die Lage des Schwerpunktes als Zentrum einer unendlichen Schar von ineinander liegenden Sphären zu beschreiben. Je größer diese Kugeloberflächen werden, desto weniger sind sie gekrümmt. Wenn man die Krümmung in der Geometrie des zu beschreibenden Raumes beherrscht, kann man als den Grenzwert dieser ineinander geschachtelten Sphären den Schwerpunkt fassen.

Zur Beschreibungen von Krümmungen braucht man die zweiten Ableitungen auf den eingebetteten Oberflächen in alle Richtungen, weshalb dies auf eine partielle Differentialgleichung zweiter Ordnung führt.

Carla ist Juniorprofessorin am Fachbereich Mathematik der Universität Tübingen und Kollegiatin der Heidelberger Akademie der Wissenschaften. Sie hat schon sehr früh ihre Forschung allgemeinverständlich dargestellt, z.B. 2009 mit der interaktiven Ausstellung Von Newton zu Einstein: Eine Reise durch Raum und Zeit. Sie macht das sehr erfolgreich und brennt für das Thema

• C. Cederbaum, A geometric boundary value problem related to the static equations in General Relativity Oberwolfach report, 2017.
• C. Cederbaum, J. Cortier, A. Sakovich, On the center of mass of asymptotically hyperbolic initial data sets (preprint, accepted in Ann. Henri Poincaré), 2015.
• MSRI Emissary General Relativity, 2013.
• Carla Cederbaum,The Geometry of Static Spacetimes: Geometrostatics, Oberwolfach report, 2012.
• Carla Cederbaum, The Newtonian Limit of Geometrostatics, PhD thesis, 2011.

Gudrun spent an afternoon at the Max Planck Institute for Mathematics in the Sciences (MPI MSI) in Leipzig. There she met the Colombian mathematician Eliana Maria Duarte Gelvez. Eliana is a PostDoc at the MPI MSI in the Research group in Nonlinear Algebra. Its head is Bernd Sturmfels.

They started the conversation with the question: What is algebraic geometry? It is a generalisation of what one learns in linear algebra insofar as it studies properties of polynomials such as its roots. But it considers systems of polynomial equations in several variables so-called multivariate polynomials. There are diverse applications in engineering, biology, statistics and topological data analysis. Among them Eliana is mostly interested in questions from computer graphics and statistics.

In any animated movie or computer game all objects have to be represented by the computer. Often the surface of the geometric objects is parametrized by polynomials. The image of the parametrization can as well be defined by an equation. For calculating interactions it can be necessary to know what is the corresponding equation in the three usual space variables. One example, which comes up in school and in the introductory courses at university is the circle. Its representation in different coordinate systems or as a parametrized curve lends itself to interesting problems to solve for the students.

Even more interesting and often difficult to answer is the simple question after the curve of the intersection of surfaces in the computer representation if these are parametrized objects. Moreover real time graphics for computer games need fast and reliable algorithms for that question. Specialists in computer graphics experience that not all curves and surfaces can be parametrized. It was a puzzling question until they talked to people working in algebraic geometry. They knew that the genus of the curve tells you about the possible vs. impossible parametrization.

For the practical work symbolic algebra packages help. They are based on the concept of the Gröbner basis. Gröbner basis help to translate between representations of surfaces and curves as parametrized objects and graphs of functions. Nevertheless, often very long polynomials with many terms (like 500) are the result and not so straightforward to analyse.

A second research topic of Eliana is algebraic statistics. It is a very recent field and evolved only in the last 20-30 years. In the typical problems one studies discrete or polynomial equations using symbolic computations with combinatorics on top. Often numerical algebraic tools are necessary. It is algebraic in the sense that many popular statistical models are parametrized by polynomials. The points in the image of the parameterization are the probability distributions in the statistical model. The interest of the research is to study properties of statistical models using algebraic geometry, for instance describe the implicit equations of the model.

Eliana already liked mathematics at school but was not always very good in it. When she decided to take a Bachelor course in mathematics she liked the very friendly environment at her faculty in the Universidad de los Andes, Bogotá. She was introduced to her research field through a course in Combinatorial commutative algebra there. She was encouraged to apply for a Master's program in the US and to work on elliptic curves at Binghamton University (State University of New York) After her Master in 2011 she stayed in the US to better understand syzygies within her work on a PhD at the University of Illinois at Urbana-Champaign. Since 2018 she has been a postdoc at the MPI MSI in Leipzig and likes the very applied focus especially on algebraic statistics.

In her experience Mathematics is a good topic to work on in different places and it is important to have role models in your field.

• E. Duarte, Ch. Görgen: Equations defining probability tree models
• E. Duarte: Implicitization of tensor product surface in the presence of a generic set of basepoints. 2016. Journal of Algebra and Applications(to appear).
• Rigidity of Quasicrystal Frameworks - webpage
• E. M. Duarte, G. K. Francis: Stability of Quasicrystal Frameworks in 2D and 3D Proceedings of the First Conference Transformables 2013.In the Honor of Emilio Perez Piñero 18th-20th September 2013, Seville, Spain
• Portraits of people working in Nonlinear Algebra

• P. Schwer: Metrische Geometrie, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 102, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016.

Am 6. Juni 2018 hat Dietmar Gallistl seine Antrittsvorlesung gehalten. Dies ist der traditionelle Abschluss jedes Habilitationsverfahrens an der KIT-Fakultät für Mathematik. Der Titel des Vortrags lautete: Die Stabilitätskonstante des Divergenzoperators und ihre numerische Bestimmung.

Im Zentrum des Vortrags und des Gespräches mit Gudrun stand die Inf-sup-Bedingung, die u.a. in der Strömungsrechnung eine zentrale Rolle spielt. Das lineare Strömungsproblem (Stokesproblem) besteht aus einer elliptischen Vektor-Differentialgleichung für das Geschwindigkeitsfeld und den Gradienten des Drucks und einer zweiten Gleichung. Diese entsteht unter der Annahme, dass es zu keiner Volumenänderung im Fluid unter Druck kommt (sogenannte Inkompressibilität) aus der Masseerhaltung. Mathematisch ist es die Bedingung, dass die Divergenz des Geschwindigkeitsfeldes Null ist. Physikalisch ist es eine Nebenbedingung. In der Behandlung des Problems sowohl in der Analysis als auch in der Numerik wird häufig ein Lösungsraum gewählt, in dem diese Bedingung automatisch erfüllt ist. Damit verschwindet der Term mit dem Druck aus der Gleichung. Für das Geschwindigkeitsfeld ist dann mit Hilfe des Lax-Milgram Satzes eine eindeutige Lösung garantiert. Allerdings nicht für den Druck.

Genau genommen entsteht nämlich ein Sattelpunktproblem sobald man den Druck nicht ausblendet. Dieses ist nicht wohlgestellt, weil man keine natürlichen Schranken hat. Unter einer zusätzlichen Bedingung ist es aber möglich, hier auch die Existenz des Druckes zu sichern (und zwar sowohl analytisch als auch später im numerischen Verfahren solange der endliche Raum ein Unterraum des analytischen Raumes ist). Diese heißt entweder inf-sup Bedingung oder aber nach den vielen Müttern und Vätern: Ladyzhenska-Babushka-Brezzi-Bedingung.

Die Konstante in der Bedingung geht direkt in verschiedene Abschätzungen ein und es wäre deshalb schön, sie genau zu kennen. Ein Hilfsmittel bei der geschickten numerischen Approximation ist die Helmholtzzerlegung des L2. Diese besagt, dass sich jedes Feld eindeutig in zwei Teile zerlegen läßt, von der eines ein Gradient ist und der andere schwach divergenzfrei. Es lassen sich dann beide Teile getrennt betrachten. Man konstruiert den gemischten Finite Elemente Raum so, dass im Druck stückweise polynomielle Funktionen (mit Mittelwert 0) auftreten und und für den Raum der Geschwindigkeitsgradienten das orthogonale kompelemt der schwach divergenzfreien Raviart-Thomas-Elemente gewählt ist.

Dietmar Gallistl hat in Freiburg und Berlin Mathematik studiert und promovierte 2014 an der Humboldt-Universität zu Berlin. Nach Karlsruhe kam er als Nachwuchsgruppenleiter im SFB Wellenphänome - nahm aber schon kurz darauf in Heidelberg die Vertretung einer Professur wahr. Zur Zeit ist er als Assistant Professor an der Universität Twente tätig.

• D. Gallistl. Rayleigh-Ritz approximation of the inf-sup constant for the divergence. Math. Comp. (2018) Published online, https://doi.org/10.1090/mcom/3327
• Ch. Bernardi, M. Costabel, M. Dauge, and V. Girault, Continuity properties of the inf-sup constant for the divergence, SIAM J. Math. Anal. 48 (2016), no. 2, 1250–1271. https://doi.org/10.1137/15M1044989
• M. Costabel and M. Dauge, On the inequalities of Babuška-Aziz, Friedrichs and Horgan-Payne, Arch. Ration. Mech. Anal. 217 (2015), no. 3, 873–898. https://doi.org/10.1007/s00205-015-0845-2
• D. Boffi, F. Brezzi, and M. Fortin, Mixed finite element methods and applications, Springer Series in Computational Mathematics, vol. 44, Springer, Heidelberg, 2013.

• J. Babutzka: Helmholtzzerlegung, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 85, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016.
• M. Steinhauer: Reguläre Strömungen, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 113, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016

Gudrun sprach mit Gabriel Thäter. Er ist der langjährigen Hörerschaft schon bekannt, denn er hat im Februar 2015 als Schüler über sein BOGY-Praktikum am Institut für angewandte und numerische Mathematik berichtet. Heute ist er Maschinenbau-Student am KIT und absolviert gerade sein viertes Semester. Damit hat Gabriel die drei Semester, in denen Mathematik zum Studienplan für Maschinenbauer gehört - die sogenannte Höhere Mathematik (HM) I-III - erfolgreich abgeschlossen. Außerdem arbeitet er schon das zweite Semester als Tutor in der HM-Ausbildung für das Studienjahr, das nach ihm das Studium aufgenommen hat. Gudrun wollte im Gespräch aus erster Hand erfahren, wie die Mathe-Ausbildung bei ihm angekommen ist.

Der Ausgang war, mit welchen Wünschen und Erwartungen Gabriel sich für ein Studium im Maschinenbau entschieden hat. Tatsächlich war Maschinenbau nicht sein erster Wunsch, sondern er hatte sich zunächst für ein Duales Studium in Luft- und Raumfahrttechnik beworben. Das Duale Studium vereinigt Praxisphasen in einem Unternehmen mit Studienphasen an einer Fachhochschule und führt zum Abschluss Bachelor. Während der Studienzeit zahlt das Unternehmen ein Gehalt. Diese Studiensituation ist ist so attraktiv, dass der Wettbewerb um die wenigen Studienplätze immer sehr stark ist - auch wenn es nicht die ideale Ausgangssituation für eine Forschungstätigkeit später ist, da die theoretische Ausbildung nicht so breit aufgestellt sein kann wie im Bachelor an einer Universität.

Ein Studium des Maschinenbaus kam Gabriels Wunschbild Raumfahrttechnik am nächsten, zumal mit einem Studium in Karlsruhe für ihn auch kein Wohnort-Wechsel nötig wurde. Inzwischen ist Gabriel mit der "zweiten Wahl" sehr zufrieden, denn sein Studium erweist sich für ihn sehr vielseitig und bereitet ihn auf unterschiedliche Spezialisierungsmöglichkeiten vor. Im Moment plant er, sich in der Richtung Thermische Strömungsmaschinen zu vertiefen.

Gabriel war darauf gefasst, dass Mathematik an der Uni etwas mehr Zeit und Mühe kosten wird als in der Schule. Es hat ihn aber doch etwas überrascht, wie sehr sich Stoffdichte und Unterrichtstempo von der Schule unterscheiden. Trotzdem hat er seinen Ehrgeiz darin gesetzt, die Übungsaufgaben möglichst richtig und vollständig zum gegegebnen Termin einzureichen.

Um für die schriftliche Prüfung am Ende des Semester zugelassen zu werden, muss man in der Summe der Übungsblätter 1-10 eine gewisse Mindestpunktzahl erreichen. Für Gabriel hat sich die Arbeit in einer Gruppe bewährt. Für die Prüfungsvorbereitung hat er auch alte Klausuren aus der Fachschaft herangezogen. Die Aufteilung des Lernens in der Vorlesung, der zentralen Übung und in den Tutorium hat ihm gut gefallen. Jede Veranstaltung hat ihren Platz und ihren eigenen Nutzen für ihn gezeigt.

Als Tutor sieht er nun die Lehre auch ein wenig von der anderen Seite. Er unterrichtet selbst pro Woche eine Stunde, in der die Studierenden Fragen zu den aktuellen Aufgaben stellen und in Gruppen Aufgaben lösen, die den Übungsaufgaben zuarbeiten. Außerdem korrigiert er die Hausaufgaben seiner Tutoriengruppe. Dabei fällt ihm negativ auf, wenn zur Lösung kein logischer Rahmen gegeben wird, sondern einfach "wild losgerechnet" wird. Dann fällt es oft schwer, zu verstehen, was die Studierenden eigentlich mit den Rechnungen finden möchten und ob das sinnvoll ist oder falsch. Gabriel sagt, dass er durch die Vorbereitung der Tutorien oft noch viel besser verstanden hat, was er eigentlich im ersten und zweiten Semester gelernt hat.

• G. Thäter: Wasserraketen, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast Folge 49, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2015. http://modellansatz.de/wasserraketen
• F. Hettlich: Höhere Mathematik, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 34, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2014. http://modellansatz.de/hoehere-mathematik
• G. Thäter, J. Rollin: Advanced Mathematics, conversation in the Modellansatz Podcast, episode 146, Department of Mathematics, Karlsruhe Institute for Technology (KIT), 2017. http://modellansatz.de/advanced-mathematics
• Informationen zur Höheren Mathematik im Maschinenbau am KIT

Vom 10. - 13. Mai 2018 fand im ZKM und in der Hochschule für Gestaltung (HfG) die GPN18 statt. Dort traf Sebastian auf Arne Rick und sie unterhielten sich über die DIN-Norm 4149 zu Erdbebensicherem Bauen.

Die DIN4149 legt fest, nach welchen Auslegungszahlen man planen, und welchen Verfahren man Gebäude bauen darf, um sie "erdbebensicher" gemäß der Norm nennen zu dürfen. Erdbeben sind in Deutschland allgemein nicht sehr häufig, aber es gibt Gebiete in denen ein deutlich höheres Erbebenrisiko besteht, wie beispielsweise in Aachen und dem Erdbebengebiet Kölner Bucht (aktuelle Erdbeben) in der Erdbebenzone 3. Mit der Erdbebenzone 1 für Karlsruhe sind wir auch in einem gefährdeten Bereich (Erdbeben in Karlsruhe), wenn auch nicht im gleichen Maße. Südlich von Tübingen gibt es eine weitere Erbebenzone 3 (aktuelle Erdbeben).

Erdbebenzonen in Deutschland. CC-BY 2.0 Störfix

In der Auslegung werden Erdbeben als ein Katastrophen-Lastfall angenommen, und die Bemessung richtet sich auf die schwersten Erdbeben, die statistisch alle 475 Jahre auftreten können. Die ehemalige Munitionsfabrik, die nun u.a. das ZKM, die HfG und gerade die GPN18 beinhaltet, steht schon seit über 100 Jahren, und wird auch noch länger stehen, so ist dies eine für Gebäude realistische Zeitskala.

In der Auslegung spielt das Gewicht der Gebäude eine große Rolle, denn die zu verarbeitende Kraft bestimmt sich nach Newton aus der Masse und Beschleunigung. In Karlsruhe muss mit einer Spitzenbodenbeschleunigung von bis zu 0.4g bzw. 3.9m/s^2 rechnen. Wie unterschiedlich dabei die Bewegung ausfallen kann, ist an verschiedenen Seismogrammen ersichtlich, die den Verlauf des Bebens mit einem Stift auf einem durchlaufenden Blatt darstellen.

Die Modellierung von Erdbeben beginnt mit dem Erdbebenherd, über dem sich auf der Erdoberfläche das Epizentrum befindet. Idealisiert bewegen sich seismische Wellen vom Epizentrum aus als Raumwellen kugelförmig aus, zusätzlich gibt es aber auch Oberflächenwellen wie Rayleigh- oder Love-Wellen, die sich idealisiert kreisförmig um das Epizentrum ausbreiten. Da die horizontale Beschleunigung die stärkste Wirkung auf Gebäude hat, vereinfacht die Norm den Einfluss von Erdbeben auf Horizontalbeschleunigungen und Bodeneinflüsse.

Während Erdbeben für Gebäude ein Problem darstellen können, so sind sie für die Seismische Tomographie die Informationsquelle, um Einblicke in die Erde zu erhalten. Mit optimaler Versuchsplanung kann man dafür auch die Aufstellorte optimieren, um ein möglichst optimales Bild zu erhalten, wie wir aus Modell012: Erdbeben und Optimale Versuchsplanung schon wissen.

Natürlich müssen alle relevanten Lastfälle berücksichtigt werden, so kann in Karlsruhe die Windlast sich als Flächenlast teilweise stärker als der Lastfall durch Erdbeben auswirken. Das Haus wird dabei oft als Einmassenschwinger gesehen, bei aufwendigeren Geometrien aber auch als Mehrmassenschwinger, und die unterschiedlichen Belastungen in der maximalen Auslenkung in maximale statische horizontale Ersatzkräfte umgerechnet und damit vergleichbar gemacht.

Ein wichtiger Startpunkt ist die Auswahl der Bemessungssituation und das Semiprobabilistische Teilsicherheitssystem, als Weiterentwicklung des Sicherheitsfaktors, bzw. der Aufteilung in verschiedene Eurocodes, die auch noch eine national unterschiedliche Behandlung ermöglichen. Bei der Lastbestimmung berücksichtigt man ständige Lasten, eine hauptsächliche nicht-ständige Last, die Haupteinwirkung, und weitere nicht-ständige Lasten, die aber durch einen probabilistischen Faktor abgemindert werden, da nicht alle nicht-ständige Lasten gleichzeitig auftreten. Aus der Festigkeit des Baumaterials wird nun die maximale Spannung berechnet, die es aufnehmen kann, und diese muss den Einwirkungen bestehen können.

Eigentlich ist die DIN4149 durch den deutlich umfangreicheren Eurocode 8 abgelöst, doch ist aktuell noch die DIN4149 anzuwenden, da der Eurocode 8 zum Zeitpunkt der Aufnahme noch nicht in die technischen Baubestimmungen aufgenommen wurden.

Eine Besonderheit der Bemessungssituation für erdbebensicheres Bauen ist, dass hier ein Katastrophenlastfall angenommen wird, und es daher keine allgemeinen Sicherheitsfaktoren mehr gibt. Es geht dabei nicht um den Erhalt des Gebäudes, sondern nur um die Möglichkeit Menschenleben schützen zu können. Ein Bedeutungsbeiwert beschreibt die Bedeutung des Gebäudes für Katastrophenfälle, beispielsweise haben hier landwirtschaftliche Gebäude einen Wert von 0,8 während Krankenhäuser den Wert 1,4 haben.

Weiterhin wird die Nutzung durch einen Nutzungsbeiwert beschrieben, die die Belastung des Gebäudes durch die Nutzung beschreiben- diese können ständig, wie im Fall von Bibliotheken sein, oder sich häufig ändernd, wie durch Menschen, die das Gebäude besuchen.

Aus dem anzusetzenden Gewicht und der Beschleunigung durch die Erdmase kann man mit dem Modell des Einmassenschwingers die modellierte Schwingung des Gebäudes simulieren. Aus dieser Simulation erhält man das Antwortspektrum des Gebäudes für unterschiedliche Erdbeben. Bildet man hier die einhüllende Kurve bzw. Hüllkurve, die in der Synthesizer-Musik auch über das ADSR-Modell beschrieben werden kann. Die Nachschwingzeiten von sehr hohen Gebäuden können so lange sein, dass es förmlich zu tanzenden Hochhäusern kommen kann.

Der wichtige Wert der Schwingzeit wird durch eine vereinfachte Gebäudegeometrie berechnet. Da das Gebäude aber mehrere Resonanzfrequenzen beziehungsweise Eigenwerte der Steifigkeitsmatrix besitzt, gibt es zu jedem Mode eine eigene Schwingzeit. Die verschiedenen Schwingungen in den Teilmodellen überlagern sich in der Multimoden-Modell dann im vollen Modell.

Diese vereinfachenden Verfahren ermöglichen meisst schon mit wenig Rechenaufwand sehr gute Ergebnisse, jedoch stößt das Vorgehen bei sehr verwinkelten und komplexen Baustrukturen an Grenzen- eine Verwendung des Ein- oder Mehrschwingermodells ist bei einem Gebäude wie dem Aachenmünchener Direktionsgebäude nicht denkbar.

Bei der weiteren Betrachtung hat die Baugrundklasse einen wichtigen Einfluss, da diese beispielsweise bei kiesigem Untergrund die Erdbeschleunigung erheblich abschwächen kann. Der Dämpfungsbeiwert beschreibt die durch Prozesse wie Reibung dissipierte Energie. Weiterhin beschreibt der Verhaltensbeiwert die Plastitzität von Werkstoffen in Gebäuden, durch die ebenso die Schwingungsenergie verbraucht wird. Speziell werden Gebäude dazu in Duktulitätsklassen eingeteilt.

Eine besondere Rolle spielen hier die Zustandsklassen, beispielsweise beim Beton und Stahlbeton: Man geht davon aus, dass der Beton im normalen Zustand von kleinen Rissen durchzogen ist, und damit in Zustandsklasse 2 liegt. In der Alterung, aber auch durch Einwirkung von äußeren Kräften wie Erdbeben, kommt es zu einem Risswachstum. Risse können mathematisch durch Bifurkationen beschrieben werden, und erzeugen sehr schnell äußerst komplexe Problemstellungen. Im Katastrophenfall erlauben wir für Stahlbeton die Zustandsklasse 3, wo der Beton gerissen sein kann und der Stahl beginnt sich zu verbiegen. Auch wenn das Gebäude danach dringenden Reparaturbedarf besitzt, so wird so viel von der Erdbebenenergie durch die Materialien verbraucht.

Ein großes Problem sind dabei aber die Verbindungen, da gehärtete Schrauben spröde reißen. Ebenso haben Schweißnähte immer kleine Nahtfehler, die versagen können. Ein Ausweg sind hier so groß ausgelegte Verbindungen, so dass diese im Extremfall die Rotationsfähigkeit erhaltende Fließgelenke ausbilden und somit ein Versagen möglichst nicht in der Verbindung auftritt.

An der Hochschule Karlsruhe besucht Arne eine Vorlesung von Prof. Dr. Jan Akkermann und hat sich im Zuge seines Master-Studiums mit dem Projekt beschäftigt, einem Gebäude der Hochschule ein neues Geschoss zu planen.

• A. Ötes: Die neue Erdbebennorm DIN 4149, Universität Dortmund.
• A. Rick: The Basics of Audio compressors, Gulaschprogrammiernacht, 2018.

• Z. Peng: Earthquake Music
• J. N. Louie, The Sound of Seismic, 2015
• D. V. Rogers: Sounds of Seismic - Earth System Soundscape, 2013.

• S. Wollherr: Erdbeben und Optimale Versuchsplanung, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 12, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2013. http://modellansatz.de/erdbeben
• S. Wollherr: Bruchzonen, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 136, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2017. http://modellansatz.de/bruchzonen
• A. Rick: Bézier Stabwerke, Gespräch mit S. Ritterbusch im Modellansatz Podcast, Folge 141, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2017. http://modellansatz.de/bezier-stabwerke

Gudrun talks with Asher Zarth. He finished his Master thesis in the Lattice Boltzmann Research group at the Karlsruhe Institute for Technology (KIT) in April 2018.

Lattice Boltzmann methods (LBM) are an established method of computational fluid dynamics. Also, the solution of temperature-dependent problems - modeled by the Boussinesq approximation - with LBM has been done for some time. Moreover, LBM have been used to solve optimization problems, including parameter identification, shape optimization and topology optimization. Usual optimization approaches for partial differential equations are strongly based on using the corresponding adjoint problem. Especially since this method provides the sensitivities of quantities in the optimization process as well. This is very helpful. But it is also very hard to find the adjoint problem for each new problem. This needs a lot of experience and deep mathematical understanding.

For that, Asher uses automatic differentiation (AD) instead, which is very flexible and user friendly. His algorithm combines an extension of LBM to porous media models as part of the shape optimization framework. The main idea of that framework is to use the permeability as a geometric design parameter instead of a rigid object which changes its shape in the iterative process. The optimization itself is carried out with line search methods, whereby the sensitivities are calculated by AD instead of using the adjoint problem.

The method benefits from a straighforward and extensible implementation as the use of AD provides a way to obtain accurate derivatives with little knowledge of the mathematical formulation of the problem. Furthermore, the simplicity of the AD system allows optimization to be easily integrated into existing simulations - for example in the software package OpenLB which Asher used in his thesis.

One example to test the algorithm is the shape of an object under Stokes flow such that the drag becomes minimal. It is known that it looks like an american football ball. The new algorithm converges fast to that shape.

• F. Klemens e.a.: CFD- MRI: A Coupled Measurement and Simulation Approach for Accurate Fluid Flow Characterisation and Domain Identification. Computers & Fluids 166, 218-224, 2018.
• T. Dbouk: A review about the engineering design of optimal heat transfer systems using topology optimization. Applied Thermal Engineering 112, pp. 841-854, 2017.
• C. Geiger and C. Kanzow. Numerische Verfahren zur Lösung unrestringierter Optimierungsaufgaben. Springer-Verlag, 2013.
• M. J. Krause and V. Heuveline: Parallel fluid flow control and optimisation with lattice Boltzmann methods and automatic differentiation. Computers & Fluids 80, pp. 28-36, 2013.
• A. Kamikawa and M. Kawahara: Optimal control of thermal fluid flow using automatic differentiation. Computational Mechanics 43.6, pp. 839-846, 2009.
• A. Griewank and A. Walther. Evaluating derivatives: principles and techniques of algorithmic differentiation. Vol. 105. SIAM, 2008.

Das Treffens des German Chapters of European Women in Mathematics fand am 3. und 4. Mai 2018 im Mathematikon in Heidelberg statt. Am Rande der Konferenz der Mathematikerinnen sprach Gudrun mit Susanne Krömker. Sie leitet seit 2004 die Computergrafik-Gruppe des Interdisziplinären Zentrums für Wissenschaftliches Rechnen(IWR) an der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg.

In der Computergrafik geht es grob gesagt um Analyse und Bearbeitung von Daten und ihre Darstellung als visuelle Information, d.h. es kommen sehr viele unterschiedliche Anforderungen zusammen. Andererseits sind die Themen, die jeweils dahinter stecken auch ganz besonders vielgestaltig. Für Susanne begann 1989 die Faszination mit der Darstellung einer reaktiven Strömung, bei der explosionsartig Wärme freigesetzt wird. Im Experiment ist die Apparatur geborsten, die Simulation liefert die Erklärung durch eine von den Wänden reflektierte Druckwelle und die Visualisierung macht den zeitlich enorm kurzen Explosionsvorgang mit Temperatur- und Druckverteilung im reaktiven Gemisch anschaulich.

Anschließend hat sie sich in ihrer Promotion mit partiellen Differentialgleichungen zur Beschreibung katalytischer Prozesse an Oberflächen beschäftigt, sich aber nie ganz von dem Thema Computergrafik getrennt, das in den 1990er Jahren dann richtig Fahrt aufnahm. Heute ist die Computergrafik technisch gesehen eine typische Anwendung für Hochleistungsrechnen. Außerdem gibt es immer wieder interessante Entwicklungen, die die Möglichkeiten von Grafikkarten unkonventionell ausnutzen. Aber es geht auch darum, geeignete Methoden zu entwicklen und zu implementieren, mit denen die von 3D-Scannern erfassten Messdaten auf ihren Informationsgehalt reduziert werden können. Grundsätzlich müssen dabei immer dreidimensionale Vorgänge auf dem zweidimensionalen Bildschirm dargestellt werden. Dazu braucht man projektive Geometrie - ein Thema, das in der Vorlesung mitunter abstrakt und von der Realität weit entfernt scheint. In ihrer Geometrie-Vorlesung für Sudierende der Mathematik kann Susanne ihre Erfahrungen aus der Informatik sehr anschaulich einbringen wie hier im Video für die Fano Ebene: (YouTube)

Etwa seit dem Jahr 2000 gab es in der Arbeitsgruppe von Susanne viele besonders interessante und sehr unterschiedliche Projekte. Ein Forschungsschwerpunkt lag dabei in der Kombination von Computertomographie und Oberflächendaten, um aus beiden Bildgebungsverfahren im Resultat ein verbessertes Bild zu erhalten: ILATO-Projekt (Improving Limited Angle computed Tomography by Optical data integration).

Außerdem hat sich die enge Zusammenarbeit mit Archäologen, Historikern und Geologen als besonders fruchtbar erwiesen. Beispiele dafür sind der theoriebildende Diskurs zum digitalen Modell des Klosters Lorsch (seit 1991 Weltkulturerbe der UNESCO) oder die Rekonstruktion von Inschriften in Tafeln und auf Grabsteinen, z.B. auf dem jüdischen Friedhof in Worms. Diese Analyse basiert auf Multiskalen Integralinvarianten, einem Filterverfahren, das in dem Softwareframework GigaMesh (Autor: Hubert Mara, IWR, Universität Heidelberg) implementiert ist. Oder die Rekonstruktion der Karten von barocken Globen, u.a. des Gottorfer Globus, mit HiIfe von anisotrop diffusiver Filterung.

Die Arbeitsgruppe hat Ausgrabungen im Tempelgebiet von Angkor in Kambodscha, dem größten Tempelgebiet der Welt, wissenschaftlich begleitet. Es gelang eine virtuelle architektonische Rekonstruktion des größten Tempels Angkor Wat oder die Rekonstruktion einer sechs Meter hohen Schiva-Statue aus Koh Ker, von der einzelne Puzzle-Teile über mehrere Museen der Welt verstreut sind.

Susanne hatte sich 1983 zunächst für ein Studium der Mathematik und Betriebswirtschaft in Osnabrück entschieden, hat dann aber den Wechsel nach Heidelberg verbunden mit der Hinwendungen zu anderen Natur- und Geisteswissenschaften nie bereut.

• Inschrift aus Gisela-Grab entziffert, Historisches Museum der Pfalz Speyer / Universität Heidelberg, 7. November 2016 © damals.de
• S. Krömker: Digitales Modell Kloster Lorsch - Ein Ladenburger Diskurs zum Thema virtueller Rekonstruktion in: Sonderheft Sehenswerte, Schlösser und Gärten Hessen, 1/2015.
• A. Beyer, H. Mara and S. Krömker: ILATO Project: Fusion of Optical Surface Models and Volumetric CT Data in: arXiv:1404.6583, 2014.
• S. Krömker: Neue Methoden zur besseren Lesbarkeit mittelalterlicher Grabsteine am Beispiel des Heiligen Sands in Worms, in: Die SchUM-Gemeinden Speyer - Worms - Mainz. Auf dem Weg zum Welterbe. Schnell & Steiner, pp. 167 - 188, 2013.
• H. G. Bock, W. Jäger, M. J. Winckler (eds.), Scientific Computing and Cultural Heritage, Contributions in Mathematical and Computational Sciences, Volume 3, Springer, 2013.
• A. Hoffmann, F. Zimmermann, H. Scharr, S. Krömker, C. Schulz: Instantaneous three-dimensional visualization of concentration distributions in turbulent flows with crossed-plane laser-induced fluorescence imaging, Applied Physics B: Lasers and Optics, 2004.
• Fosdick, L.D., E.R. Jessup, C.J.C. Schauble, and G. Domik, An Introduction to High-Performance Scientific Computing, MIT Press, 0-262-06181-3, 750 pp, 1995.

Gudrun hat sich mit Kirsten Wohak unterhalten. Sie ist seit Januar 2018 in der Arbeitsgruppe Computational Science and Mathematical Methods von Prof. Frank tätig. Diese Gruppe schlägt eine Brücke zwischen dem Steinbuch Center for Computing und der KIT-Fakultät für Mathematik.

Thema des Gespräches war jedoch ein ganz besonderes Angebot für Schülerinnen und Schüler: Das Computational and Mathematical Modeling Program (CAMMP) . Zusammen mit Maren Hattebuhr kümmert sie sich um das schon an der RWTH Aachen erprobte Konzept nun auch in Karlsruhe.

Beantwortet wird die Frage: Wie funktionieren eigentlich...

• Animationsfilme
• Fitnesstracker
• Google
• GPS
• mp3
• Shazam
• Solarkraftwerke
• Sicherung der Privatsphäre in Sozialen Netzwerken...

... und was hat das mit Mathe zu tun?

Anhand solchen praxisorientierter Fragestellungen aus dem eigenen Alltag werden Schüler und Schülerinnen in die Grundlagen der mathematischen Modellierung eingeführt. Dabei finden mathematische Inhalte, wie beispielsweise Winkelsätze oder Matrizenrechnung Anwendung, die bereits aus dem Unterricht bekannt sind. Neben inhaltlicher Arbeit werden in den Workshops vor allem prozessbezogene Kompetenzen gefördert.

Das typische Format ist ein sogenannter CAMMP-day. Er findet jeweils am Schülerlabor Mathematik im Mathebau statt und wird auf Anfrage je nach Themenwahl mit Oberstufen- bzw. Mittelstufenkursen von ein bis zwei wissenschaftlichen Mitarbeitern/-innen durchgeführt.
Die Schüler/innen erhalten morgens zunächst eine Einführung, die die Bedeutung von mathematischer Modellierung und Simulation für Wissenschaft und Industrie anhand verschiedener Beispiele veranschaulicht. Anschließend finden die Workshops statt. Nachmittags werden die Ergebnisse von Schülerinnen und Schülern vorgestellt und im Bezug auf die Anfangssituation diskutiert.

Seit dem 23. April 2018 läuft für sechs Montage der Schnupperkurs Mathematik zum Thema GPS und Navigation und am heutigen Girls' day findet der Shazam-Kurs statt.

• B. Böttcher: Meisterklasse, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 158, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2018.
• E. Dittrich: Schülerlabor, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 103, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016.
• A. Kirsch: Lehramtsausbildung, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 104, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016.