Theoretical and Numerical Studies of Nonlocal Equations Derived from Stochastic Differential Equations with Levy Noises

带Levy噪声的随机微分方程推导的非局部方程的理论与数值研究

基本信息

  • 批准号:
    1620449
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 19.96万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2016
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2016-09-15 至 2020-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Stochastic effects are ubiquitous in complex systems in science and engineering. Although random mechanisms may appear to be very small or very fast, their long time impact on the system evolution may be delicate or even profound, which has been observed in, for example, stochastic bifurcation, stochastic resonance and noise-induced pattern formation. The research team will study the complex systems under uncertainty by developing numerical methods to be simulated on computers and answer fundamental questions about the average quantities of the systems. The investigators will deliver the following broader impact outcomes: (1) Two graduate students (including one female underrepresented minority) will receive education and training and (2) they will continue to recruit and nurture underrepresented students in STEM. Additionally, the resulting computational tools have broad applications in areas ranging from biology to geophysics. The software resulting from the proposed project will be made publicly available.Mathematical modeling of complex systems under uncertainty often leads to stochastic differential equations (SDEs). Fluctuations appeared in the SDEs are often non-Gaussian (e.g., Levy motions) rather than Gaussian (e.g., Brownian motion). Compared with systems with Gaussian noises, quantifying the impacts of non-Gaussian Levy fluctuations are much less understood. The researchers will develop convergent and efficient numerical techniques for investigating the deterministic macroscopic quantities that can help understand the dynamics of SDEs with Levy noises, in particular the mean exit time, escape probability, and probability density function. They will also answer theoretical questions with regard to the well-posedness and the regularity of the solutions to these nonlocal equations. Building upon previously developed methods in the one-dimensional case, the team will focus its effort on two-dimensional systems. The proposed project will provide not only broadly applicable computational techniques to solve integro-differential equations with singular integrands, but also theoretically address the central questions pertaining to the solutions. The theory will help to provide insight into fundamental issues in quantifying the impacts of non-Gaussian Levy fluctuations in dynamical systems.
随机效应在科学和工程中的复杂系统中无处不在。 尽管随机机制似乎很小或很快,但它们对系统演化的长期影响可能是微妙甚至是深刻的,这在例如随机分叉,随机共振和噪声诱导的模式形成中已经观察到。 研究团队将通过开发用于在计算机上模拟的数值方法来研究不确定性下的复杂系统,并回答有关系统平均数量的基本问题。 调查人员将提供以下更广泛的影响成果:(1)两名研究生(包括一名女性代表性不足的少数民族)将接受教育和培训,并且(2)他们将继续招募和培养STEM中代表性不足的学生。 此外,所得的计算工具在从生物学到地球物理学的领域中都有广泛的应用。 拟议项目产生的软件将公开可用。不确定性下的复杂系统的数学建模通常会导致随机微分方程(SDE)。 SDE中出现的波动通常是非高斯(例如征费运动)而不是高斯(例如,布朗尼运动)。 与具有高斯噪音的系统相比,量化非高斯征税波动的影响的理解远远不够。 研究人员将开发收敛性和有效的数值技术来研究确定性的宏观量,这些技术可以帮助您理解具有征费噪声的SDE的动力学,特别是平均退出时间,逃脱概率和概率密度函数。 他们还将回答有关这些非本地方程的解决方案的良好性和规律性的理论问题。 在一维情况下,该团队将基于先前开发的方法,将其努力集中在二维系统上。 拟议的项目不仅将提供广泛适用的计算技术,以用单数集成求解整数差异方程,而且从理论上讲,它可以解决与解决方案有关的核心问题。 该理论将有助于洞悉量化非高斯征税波动在动态系统中的影响时的基本问题。

项目成果

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