分数阶偏微分方程与近场动力学等非局部模型的高保真快速算法与数值分析

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11471194
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    78.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0504.微分方程数值解
  • 结题年份:
    2018
  • 批准年份:
    2014
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2015-01-01 至2018-12-31

项目摘要

Fractional partial differential equations and related nonlocal models provide more appropriate and accurate description for problems with nonlocal behavior such as anomalous diffusion than traditional integer-order partial differential equations do. However, numerical methods for nonlocal models generate dense matrices, and so require O(N2) of memory and (at each time step) O(N3) of computational cost, where N is the number of spatial unknowns. This makes their realistic three-dimensional applications virtually impossible. 1. We were the first internationally to derive fast high-fidelity numerical methods for (one- and multidimensional) space-fractional partial differential equations and related nonlocal models discretized on uniform spatial partitions, which reduce the memory requirement from O(N2) to O(N) and computational cost from O(N3) to O(N log2 N). Three dimensional numerical experiments showed that our fast method reduced the CPU time from almost three months to below 6 seconds while retaining the accuracy of the underlying method. The first objective of this proposal is to derive fast high-fidelity numerical methods for nonlocal problems on more general spatial meshes. 2. We recently showed that in the context of fractional differential equations, the regularity of coefficients and right-hand side (plus the smoothness of the physical domain for multidimensional problems) does not guarantee the regularity of the true solution to the problem. Hence, the high-order numerical methods developed and the high-order convergence rates proved in the literature under the assumption of the sufficiently high regularity of the true solution of the fractional differential equations are unfounded and cannot be guaranteed mathematically by any means. The second objective of this proposal is to develop high-order numerical methods and prove corresponding high-order convergence estimates without any assumption on the true solution of the problem but only in terms of the given data of the problem.
分数阶偏微分方程等非局部模型对反常扩散等兼有非局部特性的问题提供了比整数阶方程更为准确合理的描述。但它们的数值格式会产生稠密矩阵,传统方式求解要求O(N2)的存储量与(每一时间步)O(N3)的计算量,N是空间未知量个数。这使得它们的实际三维应用不可行。 我们通过深入研究数值格式的结构针对一致剖分的情况首次在国际上建立了求解(一维和多维)分数阶方程等非局部问题的高保真快速算法,其存储量为O(N),计算量为O(Nlog2N)。三维算例显示计算时间从近3个月改进为6秒并保持精度。本项目的研究目标是建立更一般空间网格上非局部问题的高保真快速算法。 我们的研究显示系数和右端(多维问题还包括区域)的正则性不能保证分数阶方程解的正则性。因此,文献上假定精确解光滑所得到的误差分析及高阶算法无法保证。本项目的第二个目标是在不假定解的正则性的条件下建立分数阶方程高阶数值方法及证明相应高阶误收敛性。

结项摘要

在项目执行期间,我们针对分数阶偏微分方程开展了数学分析,并对一类问题的适定性进行了深入研究。我们还对空间分数阶方程以及时间空间分数阶的数值格式研发了快速计算方法。我们也针对相关的非局部模型开展了数学分析、数值分析、以及快速方法方面的研究,并取得了一系列的研究成果

项目成果

期刊论文数量(45)
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 probabilistic collocation Eulerian-Lagrangian localized adjoint method on sparse grids for assessing CO2 leakage through wells in randomly heterogeneous porous media
稀疏网格上的概率搭配欧拉-拉格朗日局部伴随方法用于评估随机异质多孔介质中 CO2 渗漏
  • DOI:
    10.1016/j.cma.2014.11.034
  • 发表时间:
    2015-08
  • 期刊:
    Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering
  • 影响因子:
    7.2
  • 作者:
    王宏;任永强;贾金红;Michael A. Celia
  • 通讯作者:
    Michael A. Celia
A Fast Gradient Projection Method for a Constrained Fractional Optimal Control
约束分数最优控制的快速梯度投影法
  • DOI:
    10.1007/s10915-015-0125-1
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    JOURNAL OF SCIENTIFIC COMPUTING
  • 影响因子:
    2.5
  • 作者:
    Du Ning;Wang Hong;Liu Wenbin
  • 通讯作者:
    Liu Wenbin
A mixed‐type Galerkin variational formulation and fast algorithms for variable‐coefficient fractional diffusion equations
变系数分数扩散方程的混合型伽辽金变分公式和快速算法
  • DOI:
    10.1002/mma.4367
  • 发表时间:
    2017-09
  • 期刊:
    Mathematical Methods in the Applied Sciences
  • 影响因子:
    2.9
  • 作者:
    李永姗;陈焕贞;王宏
  • 通讯作者:
    王宏
Fast Iterative Solvers for Linear Systems Arising from Time-Dependent Space-Fractional Diffusion Equations
由瞬态空间分数扩散方程产生的线性系统的快速迭代求解器
  • DOI:
    10.1137/15m1030273
  • 发表时间:
    2016-09
  • 期刊:
    SIAM Journal on Scientific Computing
  • 影响因子:
    3.1
  • 作者:
    潘建瑜;Michael K. Ng;王宏
  • 通讯作者:
    王宏
A fast collocation method for a static bond-based linear peridynamic model
基于静态键的线性近场动力学模型的快速配置方法
  • DOI:
    10.1016/j.cma.2016.08.020
  • 发表时间:
    2016-11
  • 期刊:
    Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering
  • 影响因子:
    7.2
  • 作者:
    张绪浩;王宏
  • 通讯作者:
    王宏

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  • 通讯作者:
    王宏
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  • 发表时间:
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  • 作者:
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    胡敏
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  • 发表时间:
    2020
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    郭维;商志文;王宏;李建芬;姜兴钰
  • 通讯作者:
    姜兴钰

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王宏的其他基金

分数阶偏微分方程数学与数值分析及模型修正
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2019
  • 资助金额:
    52 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似国自然基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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