Efficient Numerical Methods and Algorithms for Nonlinear Stochastic Partial Differential Equations

非线性随机偏微分方程的高效数值方法和算法

基本信息

  • 批准号:
    2012414
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 27.5万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2020-08-01 至 2024-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Modeling in industry, engineering, and domain sciences often involves various degrees of randomness and uncertainty effects. A large and important class of models incorporating uncertainty are random and/or stochastic partial differential equations (SPDEs). This research project will address several important SPDEs and aims to develop improved numerical methods that are stable, accurate, and efficient, with focus on nonlinear problems and adequate sampling methods. The resulting numerical methods and algorithms are anticipated to provide much-needed tools for computational modeling of systems described mathematically by SPDEs from many scientific, engineering, and industry applications such as materials science, fluid and quantum mechanics, wave scattering, mathematical finance, and stochastic optimal control. Moreover, the project will train graduate students through involvement in the research, helping them develop applied and computational mathematics knowledge and skills needed for successful careers in either academia or industry. This research project develops advanced numerical methods and algorithms for general nonlinear random and/or stochastic partial differential equations (R/SPDEs). Current approaches for solving R/SPDEs face considerable challenges at large scales: the sheer amount of computation involved in such systems prevents the use of high spatial and temporal resolutions, and solver optimization is often not considered. In the meantime, R/SPDEs become more complex as additional nonlinearities and sources of noise are considered. This presents a big challenge but also a great opportunity to the numerical PDE community. The project focuses on developing efficient numerical methods and algorithms for solving nonlinear SPDEs that arise from various scientific and engineering applications, including stochastic Allen-Cahn and Cahn-Hilliard equations and stochastic nonlinear wave and Schrodinger equations. The numerical methods under development will aim to feature stability with respect to mesh sizes and physical parameters, structure-preserving properties, and amenability to fast and parallelizable implementation.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
工业,工程和领域科学中的建模通常涉及各种随机性和不确定性影响。 包含不确定性的大型模型是随机和/或随机部分微分方程(SPDE)。该研究项目将解决一些重要的SPDE,并旨在开发改进的数值方法,这些方法稳定,准确且高效,重点是非线性问题和足够的采样方法。 预计所得的数值方法和算法将提供急需的工具,用于对许多科学,工程和行业应用在数学上描述的系统进行计算建模,例如材料科学,流体力学和量子力学,波浪散射,数学融资,数学融资和随机最佳最佳控制。此外,该项目将通过参与研究来培训研究生,帮助他们发展学术界或行业成功职业所需的应用和计算数学知识和技能。该研究项目开发了一般非线性随机和/或随机偏微分方程(R/SPDES)的高级数值方法和算法。当前解决R/SPDE的方法在大规模面临着巨大的挑战:此类系统中涉及的大量计算可防止使用高空间和时间分辨率,并且通常不考虑求解器优化。同时,由于考虑了其他非线性和噪声来源,R/SPDE变得更加复杂。这给数字PDE社区带来了巨大的挑战,但也是一个很好的机会。该项目着重于开发有效的数值方法和算法来解决源自各种科学和工程应用的非线性SPDE,包括随机的Allen-Cahn和Cahn-Hilliard方程以及随机的非线性波浪和Schrodinger方程。开发的数值方法将旨在以网状尺寸和物理参数,结构性保存属性以及对快速且可行的可行实施的敏感性的稳定性。该奖项反映了NSF的法定任务,并被认为是值得通过基金会的知识分子和更广泛影响的评估来通过评估来支持的,审查了审查的审查标准。

项目成果

期刊论文数量(14)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
A new theory of fractional differential calculus
  • DOI:
    10.1142/s0219530521500019
  • 发表时间:
    2020-07
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Xiaobing H. Feng;Mitchell Sutton
  • 通讯作者:
    Xiaobing H. Feng;Mitchell Sutton
An Efficient Iterative Method for Solving Parameter-Dependent and Random Convection–Diffusion Problems
解决参数相关和随机对流扩散问题的有效迭代方法
  • DOI:
    10.1007/s10915-021-01737-z
  • 发表时间:
    2021-05
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.5
  • 作者:
    Xiaobing Feng;Yan Luo;Liet Vo;Zhu Wang
  • 通讯作者:
    Zhu Wang
Analysis of Fully Discrete Mixed Finite Element Methods for Time-dependent Stochastic Stokes Equations with Multiplicative Noise
具有乘性噪声的时变随机斯托克斯方程的全离散混合有限元方法分析
  • DOI:
    10.1007/s10915-021-01546-4
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.5
  • 作者:
    Feng, Xiaobing;Qiu, Hailong
  • 通讯作者:
    Qiu, Hailong
Stable numerical methods for a stochastic nonlinear Schrödinger equation with linear multiplicative noise
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一类带有乘性噪声的半线性随机偏微分方程的全离散有限元方法的强收敛性
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    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    17.6
  • 作者:
    Changjiang Zhou;Xiaobing Feng;Yijie Jin;H. Gu;Youcai Zhao;X. Teng;Lingchuan Guo;Jiatong Ji;Shuopeng Jia;Yan Xing;Xiangshan Fan;Jun Liao
  • 通讯作者:
    Jun Liao
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  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    8.3
  • 作者:
    Ruyi Liang;Xiaobing Feng;Da Shi;Linling Yu;Meng Yang;Min Zhou;Yongfang Zhang;Bin Wang;Weihong Chen
  • 通讯作者:
    Weihong Chen
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