Erfolgreiche Kooperation für „Besondere Lernleistung“ an der HTWK Leipzig geehrt
Eine besondere Auszeichnung wurde der Zusammenarbeit eines Professors der Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig (HTWK Leipzig) mit einem Leipziger Gymnasiasten zuteil: Für ihre Arbeit zu einem Thema der angewandten Mathematik wurden Jochen Merker, Professor für Analysis und Optimierung, und Timo Hofmann, Elftklässler des Wilhelm-Ostwald-Gymnasiums, Anfang April 2018 mit einer Ehrung durch die Jury des Ian Snook Prize gewürdigt. Der prämierte Artikel wurde am 30. Mai in der Fachzeitschrift „Computational Methods in Science and Technology“ veröffentlicht.
Der Fachartikel war aus einer „Besonderen Lernleistung“ (BeLL) zum Thema „Chaotische Dynamik in Hamiltonschen Systemen“ entstanden, die Timo Hoffmann unter Betreuung von Prof. Jochen Merker erbracht hatte. Die gemeinsame Arbeit der beiden begann im Sommer 2017. Jeden zweiten Dienstag im Monat kommt der 17-jährige Schüler seitdem an die Hochschule, um gemeinsamen mit Merker – noch bis Ende des Schuljahres – an dem Thema zu tüfteln.
Dabei geht es um die Untersuchung chaotischer mechanischer Systeme mittels Methoden der angewandten Mathematik. Diese Methoden kann man unter anderem zur Stabilisierung von Systemen nutzen. Chaos tritt in ganz unterschiedlichen Situationen auf, zum Beispiel bei der Bewegung eines Doppelpendels oder dreier Himmelskörper in der Mechanik, bei der Wettervorhersage in der Meteorologie oder beim Stop-and-Go im Feierabendverkehr. Gemeinsam haben diese Systeme, dass sie sensitiv auf Veränderungen reagieren, dass sich also beliebig nah beieinander liegende Zustände im Lauf der Zeit völlig unterschiedlich verhalten. Um das chaotische Verhalten eines Systems quantitativ zu erfassen, kann man bestimmte Zahlen nutzen. Diese werden – nach ihrem Entdecker, dem russischen Mathematiker und Physiker Alexander Michailowitsch Lyapunov – Lyapunov-Exponenten genannt. Sie geben an, wie stark zwei beliebig nah beieinander liegende Zustände einander im Lauf der Zeit abstoßen oder anziehen. Daraus kann man viele nützliche Größen berechnen – beispielsweise, wie viele Parameter mindestens zur Stabilisierung eines Systems gebraucht werden. In ihrem Fachartikel diskutieren Merker und Hofmann, wie man ohne genaue Kenntnis des Langzeitverhaltens allein aufgrund lokaler Informationen Lyapunov-Exponenten berechnen kann, und weisen für den speziellen Fall mechanischer Systeme nach, dass mit einer Abstoßung von Zuständen auch immer eine Anziehung gleicher Stärke in einer anderen Richtung einhergeht. Diese Arbeit wurde von der Jury des Ian Snook Prize mit einer „Honorable Mention“ ausgezeichnet. Der eigentliche Preis ging an Kenichiro Aoki aus Japan, doch da die HTWK-Einreichung und seine nahezu gleichwertig waren, entschloss sich die Jury zu dieser Sonderform der Ehrung.
Eigenständige Forschungsleistung
„Ich freue mich sehr, dass ich meine BeLL an der HTWK Leipzig schreiben und dabei Einblicke in das wissenschaftliche Arbeiten erhalten durfte – und natürlich darüber, direkt mit meiner ersten Forschungsarbeit international erfolgreich gewesen zu sein“, so Timo Hofmann.
Prof. Jochen Merker ergänzt: „Ich bin dankbar dafür, mit Timo Hofmann einen besonders begabten Schüler in der Mathematik fördern zu dürfen. Es ist außergewöhnlich, dass ein Schüler bereits ein solch mathematisches Niveau erreicht hat, dass er bei einem internationalen Forschungswettbewerb in Mathematik erfolgreich sein kann. Timo Hofmann hat in den vergangenen zwei Jahren bereits aus freien Stücken mehrere meiner Lehrveranstaltungen an der HTWK Leipzig besucht und verfügt in Mathematik über Kenntnisse, die weit über das Schulniveau hinausgehen.“ Der Erfolg beim Ian Snook Prize – einem der wenigen internationalen Preise für angewandte Mathematik – zeige, dass auch Fachhochschulen auf diesem Gebiet international Herausragendes leisten, so Merker weiter. „Andere Wettbewerbe wie beispielsweise die internationale Mathematik-Olympiade richten sich an Schüler und belohnen das Abschneiden bei einer Klausur, nicht aber eine kreative Forschungsleistung“, sagt Merker.
Timo Hofmann hat vor, nach seinem Abitur Mathematik in Leipzig zu studieren.
Hintergrund zum Ian Snook Prize
Der Preis wird seit 2013 jährlich für herausragende wissenschaftliche Beiträge zu einem Problem aus der angewandten Mathematik, Physik und Chemie ausgeschrieben. Er wird in Gedenken an den herausragenden australischen Physiker Ian Snook an eine Person oder ein Team vergeben und ist mit insgesamt 1.000 US-Dollar dotiert. Ausrichter des Wettbewerbs sind das amerikanische Ehepaar Bill und Carol Hoover und die Polnische Akademie der Wissenschaften, vertreten durch das Poznań Supercomputing and Networking Center als Herausgeber von „Computational Methods in Science and Technology“ (CMST).
Literaturangaben
Prämierte Arbeit:
Timo Hofmann, Jochen Merker (2018): On Local Lyapunov Exponents of Chaotic Hamiltonian Systems, Computational Methods in Science and Technology, 24(2), S. 97–111, https://dx.doi.org/10.12921/cmst.2017.0000053
Würdigung der Jury:
William G. Hoover, Carol G. Hoover (2018): The 2017 Snook Prizes in Computational Statistical Mechanics, Computational Methods in Science and Technology, 24(2), S. 75–79, https://dx.doi.org/10.12921/cmst.2018.0000024