Hyperbolic Geometry Fundamentals

Das Nyquist-Stabilitätskriterium ist eine Methode zur Analyse der Stabilität von Regelungssystemen im Frequenzbereich. Es basiert auf der Untersuchung der Übertragungsfunktion $G(j\omega)$ des Systems, wobei $j$ die imaginäre Einheit und $\omega$ die Frequenz ist. Der Hauptgedanke ist, den Nyquist-Plot, der die Werte von $G(j\omega)$ für alle Frequenzen $\omega$ darstellt, zu zeichnen und zu analysieren.

Ein System ist stabil, wenn die Anzahl der Umfassungen des Punktes $-1 + j0$ im Nyquist-Plot gleich der Anzahl der rechten Halbwelle der Polstellen von $G(s)$ ist. Die Bedingung kann mathematisch durch die Anzahl der encirclements (Umkreisungen) beschrieben werden, die durch die Formel:

definiert ist, wobei $N$ die Anzahl der Umkreisungen um den Punkt $-1$, $P$ die Anzahl der Pole im rechten Halbebereich und $Z$ die Anzahl der Nullstellen im rechten Halbebereich ist. Dieses Kriterium ist besonders nützlich, um die Stabilität in geschlossenen Regelungssystemen zu bestimmen, ohne die Systemdynamik direkt zu lösen.

XGBoost (Extreme Gradient Boosting) ist ein leistungsstarkes und flexibles maschinelles Lernverfahren, das auf der Boosting-Technik basiert. Es optimiert die Vorhersagegenauigkeit, indem es schwache Lernmodelle, typischerweise Entscheidungsbäume, iterativ zu einem starken Modell kombiniert. Der Algorithmus nutzt dabei Gradientenabstieg, um die Fehler der vorherigen Bäume zu minimieren und dadurch die Gesamtgenauigkeit zu steigern.

Ein zentrales Merkmal von XGBoost ist die Verwendung von Regularisierungstechniken, die helfen, Überanpassung zu verhindern und die Modellkomplexität zu steuern. Die mathematische Formulierung des Modells basiert auf der Minimierung einer Verlustfunktion $L$ und der Hinzufügung eines Regularisierungsterms $\Omega$:

Hierbei steht $y$ für die tatsächlichen Werte, $\hat{y}$ für die vorhergesagten Werte und $f_k$ für die k-ten Entscheidungsbäume. XGBoost ist besonders beliebt in Wettbewerben des maschinellen Lernens und wird häufig in der Industrie eingesetzt, um hochgradig skalierbare und effiziente Modelle zu erstellen.

Die Taylorreihe ist eine mathematische Methode zur Approximation von Funktionen durch Polynomfunktionen. Sie basiert auf der Idee, dass eine glatte Funktion in der Nähe eines bestimmten Punktes $a$ durch die Summe ihrer Ableitungen an diesem Punkt beschrieben werden kann. Die allgemeine Form der Taylorreihe einer Funktion $f(x)$ um den Punkt $a$ lautet:

Diese Reihe kann auch in einer kompakten Form geschrieben werden:

Hierbei ist $f^{(n)}(a)$ die $n$-te Ableitung von $f$ an der Stelle $a$ und $n!$ ist die Fakultät von $n$. Taylorreihen sind besonders nützlich in der Numerik und Physik, da sie es ermöglichen, komplizierte Funktionen durch einfachere Polynome zu approximieren, was Berechnungen erleichtert.

Computational Fluid Dynamics (CFD) ist ein Bereich der Strömungsmechanik, der sich mit der numerischen Analyse von Flüssigkeiten und Gasen beschäftigt. Turbulenz ist ein komplexes Phänomen, das in vielen praktischen Anwendungen vorkommt, wie z.B. in der Luftfahrt, der Automobilindustrie und der Umwelttechnik. Sie zeichnet sich durch chaotische Strömungsmuster und hohe Energieverluste aus, was die Modellierung und Simulation erheblich erschwert.

Um Turbulenz in CFD zu simulieren, werden häufig verschiedene Modelle eingesetzt, darunter:

• Reynolds-zeitlich gemittelte Navier-Stokes-Gleichungen (RANS): Diese vereinfachen die Problematik, indem sie zeitlich gemittelte Werte verwenden.
• Groß- oder Direkte Strömungssimulationen (LES, DNS): Diese bieten detailliertere Ergebnisse, erfordern jedoch erheblich mehr Rechenressourcen.

Die Herausforderung besteht darin, die Skalen von Turbulenz präzise zu erfassen, da sie von mikroskopischen bis zu makroskopischen Dimensionen reichen. In der mathematischen Darstellung wird Turbulenz oft durch die Gleichung des Impulses beschrieben, die die Wechselwirkungen zwischen Druck, Viskosität und Beschleunigung berücksichtigt.

Stochastic Gradient Descent (SGD) ist ein Optimierungsalgorithmus, der häufig im Bereich des maschinellen Lernens und der neuronalen Netze eingesetzt wird. Im Gegensatz zum traditionellen Gradientenabstieg, der den gesamten Datensatz verwendet, um den Gradienten der Verlustfunktion zu berechnen, nutzt SGD nur einen einzelnen Datenpunkt oder eine kleine Stichprobe (Mini-Batch) in jedem Schritt. Dies führt zu einer schnelleren und dynamischeren Anpassung der Modellparameter, da die Updates häufiger und mit weniger Rechenaufwand erfolgen.

Der Algorithmus aktualisiert die Parameter $\theta$ eines Modells gemäß der Regel:

Hierbei ist $\eta$ die Lernrate, $\nabla J(\theta; x^{(i)}, y^{(i)})$ der Gradient der Verlustfunktion $J$ für den Datenpunkt $(x^{(i)}, y^{(i)})$. Trotz seiner Vorteile kann SGD jedoch zu einer hohen Varianz in den Updates führen, was es notwendig macht, geeignete Techniken wie Lernratenanpassung oder Momentum zu verwenden, um die Konvergenz zu verbessern.

Die Bayesianische Statistik ist ein Ansatz zur Datenanalyse, der die Wahrscheinlichkeit als Maß für den Grad des Glaubens an eine Hypothese interpretiert. Im Gegensatz zur klassischen Statistik, die auf Frequenzen basiert, nutzt die Bayesianische Statistik das Bayessche Theorem zur Aktualisierung von Wahrscheinlichkeiten, wenn neue Daten verfügbar sind. Mathematisch wird dies durch die Formel dargestellt:

Hierbei steht $P(H | D)$ für die posterior Wahrscheinlichkeit der Hypothese $H$ gegeben die Daten $D$, $P(D | H)$ ist die likelihood der Daten unter der Hypothese, $P(H)$ ist die prior Wahrscheinlichkeit der Hypothese und $P(D)$ ist die marginale Wahrscheinlichkeit der Daten. Dieser Ansatz ermöglicht es, Vorwissen (Prior) in die Analyse einzubeziehen und bietet eine flexible und intuitive Möglichkeit, Entscheidungen unter Unsicherheit zu treffen. Durch die Iteration dieses Prozesses können Bayesianer ihre Schätzungen kontinuierlich verfeinern, was in dynamischen und sich verändernden Umgebungen besonders vorteilhaft ist.