带奇性的 Kinetic Cucker-Smale 模型在随机环境中的平均场极限及时间渐近行为研究

批准号:
11801194
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
25.0 万元
负责人:
张雄韬
依托单位:
学科分类:
A0306.混合型、退化型偏微分方程
结题年份:
2021
批准年份:
2018
项目状态:
已结题
项目参与者:
蔡睿、刘彦彩、王慧、程秀俊
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中文摘要
复杂多体系统的动力学行为研究正在高速发展之中,与社会科学、工程控制以及生命科学等学科都密切相关。Kinetic Cucker-Smale(KCS)模型正是研究多体系统集体行为的非常重要和经典的模型之一。目前的研究主要集中在正则交互作用的情形,而在很多情形下,类似于库仑力等带奇性的交互作用也具有现实意义,能很好地与物理、生物等学科的需求相兼容。本项目针对随机环境下、带奇性交互作用的KCS模型所做的研究包括:1. 严格证明平均场极限,从而论证微观模型与介观模型的统一性;2. 证明KCS模型经典解在小初值条件下的存在性;3. 研究KCS模型小初值解的大时间行为,描述系统中集体行为的涌现。本课题是多体系统动力学行为研究的一个自然的深入和发展,对于多体系统中集体行为涌现的研究有重要的学术价值,也为样本数量特别巨大的系统的仿真模拟提供了有效的方法和理论基础。
英文摘要
Collective dynamics of multi-agent systems is ubiquitous in our nature. For instance, in biological system, the flocking of birds, the aggregation of bacteria, and swarming of fish are all collective behavior; while the herding of volatilities in financial markets and formation of dominant opinions in social systems are the collective behavior in our human society. Because of these closed connections with various scientific areas, the research on the collective dynamics nowadays becomes more and more popularized and a lot of phenomenological models were proposed for the collective motions of multi-agent systems. Among them, the Cucker-Smale (CS) model introduced by F. Cucker and S. Smale is a very seminal model and has been widely used in the engineering community due to the applications of unmanned aerial vehicles and sensor networks...In this project, we will focus on the mean field limit and large time behavior of Kinetic CS model with singular communication function in random environment. The singular setting is very natural, in fact, the Coulomb force is a singular force and has been widely applied in our science community. Moreover, the singular communication weight will automatically guarantee the avoidance of collision, which is very important in the application. Therefore, the study on the CS model with singular communication is very valuable and important. ..However, comparing to the kinetic CS model with regular communication, which has been extensively studied in the past ten years, only a few results have been done for the kinetic CS model with singular communication weight. Actually, only global existence of measure valued solution and local existence of classical solution were guaranteed so far. ..The main purposes of this project are three folds: 1. Apply the probabilistic approach to prove rigorously the mean field limit; 2. Prove the global well posed-ness of the kinetic CS model provided small initial data; 3. Prove the large time behavior of the classical solution provided small initial data and show the emergence of alignment of macroscopic velocity. ..This direction is a very natural and important development of the study on the kinetic CS model. The results provide a solid fundamental theory of kinetic CS model and also provide an efficient and valid method to simulate the dynamics in multi-agent system.
项目工作主要集中在以 Cucker-Smale (CS) 模型为代表的复杂系统,及相关非局部方程的适定性、稳定性以及时间渐进行为。从结构和原理上解释系统的动力学性质、热力学性质等特性,并对系统在不同参数下的动力学行为进行定性、定量刻画,为生物医学、航空航天、自动化控制等领域的应用提供理论依据和支持。目前已撰写论文30余篇,其中25篇发表在《ARMA》、《M3AS》、《JDE》等国际优秀期刊上。主要学术成果和贡献可分为以下三个方面。. 第一,考查耦合粒子系统中集体行为的涌现,对动力学行为演化做定性、定量分析。在这方面,项目组引入自然速率的守恒量,结合初始信息的非线性耦合,得到一维正则和奇性CS模型中各种集群状态涌现的充分必要条件,对一维CS模型的时间渐近行为进行完整分类和定量刻画。同时,这一工作延伸出系列后续结果,如具有非对称网络结构的一维CS系统中,得到无条件集群涌现的充分必要条件;论证一维奇性CS系统中,碰撞至多发生有限次,且有限时间集群发生的概率为零。. 第二,平均场极限论证及动理学方程理论的研究。当系统的研究对象数目非常巨大时,观察每一个对象的状态并不现实。这种情况下可通过平均场极限构造动理学方程,在介观层次通过分布函数来描述系统的动力学行为。项目组针对确定和随机两种情形,论证时间一致的稳定性,进而验证时间一致的平均场极限。这一结果说明介观CS模型在描述单集群涌现方面,与微观模型具有长时间的一致性,从理论上支撑了动理学方程的合理性和有效性。. 第三,动理学方程在噪声及流体等外部环境影响下的行为。当系统处于外部环境之中(例如气体环境或者液态环境),其运动所受环境影响不可忽视。因此,考察具有随机噪声、时滞效应、以及与流体方程耦合的CS系统,是非常自然的延伸。同时这一耦合系统在数值模拟中展示出的非牛顿流体特性,与颗粒性气体、金融模型等领域所发现的规律相契合,有潜在的研究应用价值。. 由于流体方程的理论研究尚不完整,因此耦合模型这一方向的主要困难来自于流体部分。在保证流体部分具有较高正则性的条件下,项目组在可压和不可压等不同情况下,对耦合模型的适定性和大时间行为进行了初步的探索。目前得到了一维可压,二维可压及不可压情形下,耦合模型解的整体存在唯一性,并在周期条件下论证耦合模型时间渐进地趋向稳定态。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Emergent behaviors of the swarmalator model for position-phase aggregation
用于位置相位聚合的 swarmalator 模型的涌现行为
DOI:10.1142/s0218202519500453
发表时间:2019-11
期刊:Mathematical Models and Methods in Applied Sciences
影响因子:3.5
作者:Ha Seung Yeal;Jung Jinwook;Kim Jeongho;Park Jinyeong;Zhang Xiongtao
通讯作者:Zhang Xiongtao
Uniform-in-time transition from discrete to continuous dynamics in the Kuramoto synchronization
Kuramoto 同步中从离散动态到连续动态的均匀时间过渡
DOI:10.1063/1.5051788
发表时间:2019-05
期刊:Journal of Mathematical Physics
影响因子:1.3
作者:Ha Seung-Yeal;Kim Dohyun;Kim Jeongho;Zhang Xiongtao
通讯作者:Zhang Xiongtao
One dimensional singular Cucker?Smale model: Uniform-in-time mean-field limit and contractivity
一维奇异 Cucker?Smale 模型:均匀时间平均场极限和收缩性
DOI:10.1016/j.jde.2021.04.002
发表时间:2021
期刊:Journal of Differential Equations
影响因子:2.4
作者:Choi Young-Pil;Zhang Xiongtao
通讯作者:Zhang Xiongtao
DOI:10.3934/krm.2021011
发表时间:2021
期刊:Kinetic and Related Models
影响因子:1
作者:Ha Seung-Yeal;Jung Jinwook;Kim Jeongho;Park Jinyeong;Zhang Xiongtao
通讯作者:Zhang Xiongtao
On the critical exponent of the one-dimensional Cucker–Smale model on a general graph
普通图上一维 Cucker-Smale 模型的临界指数
DOI:10.1142/s0218202520500335
发表时间:2020-08
期刊:Mathematical Models and Methods in Applied Sciences
影响因子:3.5
作者:Seung-Yeal Ha;Zhuchun Li;Xiongtao Zhang
通讯作者:Xiongtao Zhang
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