Geometric Numerical Integration of Plasma Physics and General Relativity

等离子体物理与广义相对论的几何数值积分

基本信息

  • 批准号:
    1813635
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 23.76万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2018
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2018-09-01 至 2023-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The accurate and efficient numerical simulation of complex mathematical models is critical to the design and analysis of contemporary engineering, scientific, and medical systems. Mathematical models of drones, computer vision and graphics, medical imaging, fluid dynamics of plasmas, and gravitational waves are posed on curved spaces, which possess geometric properties that have to be respected by the numerical simulations in order to obtain accurate, robust, and reliable predictions. The two main motivating applications for this project are to plasma physics and gravitational waves. Plasmas are highly ionized gases; theyarise in nuclear fusion devices, propulsion systems for space exploration, and during the formation of galaxies. Gravitational waves are ripples in spacetime that were predicted by Einstein, and they arise from the collision of massive astrophysical bodies like black holes and neutron stars. The construction of numerical methods for such problems enables scientists to design more stable and efficient nuclear fusion systems, and to more accurately determine the astrophysical events that correspond to gravitational waves that are detected. In addition, the investigator develops optimization and sensitivity analysis techniques that improve the efficiency of optimization algorithms that underlie deep learning and other machine learning techniques in data science. Graduate students participate in the research.The project combines theoretical and computational tools arising from discrete Dirac mechanics and geometry, variational integrators, the relationship between symmetric spaces and the generalized polar decomposition, and embeddings of noncanonical Hamiltonian systems as well as nonvariational equations and their adjoints into degenerate Lagrangian systems. This provides a systematic method for constructing and analyzing geometric structure-preserving discretizations of degenerate noncanonical Hamiltonian systems, nonvariational equations and their adjoints, and problems that evolve on symmetric spaces. The resulting methods have implications for plasma physics, which is described by noncanonical Hamiltonian systems, as well as general relativity, which is a degenerate higher-order gauge field theory on a symmetric space. In addition, adjoint equations arise in many important applications, including optimal control, optimal design, optimal estimation, uncertainty quantification, and sensitivity analysis. A deeper understanding of the hidden geometric structure underlying an arbitrary system of differential equations and their associated adjoint equations, and variational discretizations that respect that geometric structure, would have profound implications on the broad range of analytical and numerical techniques that rely critically on the solution of adjoint equations. Graduate students participate in the research.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.
复杂数学模型的准确高效的数值模拟对于当代工程、科学和医疗系统的设计和分析至关重要。 无人机、计算机视觉和图形、医学成像、等离子体流体动力学和引力波的数学模型建立在弯曲空间上,这些模型具有数值模拟必须遵守的几何特性,以获得准确、稳健和可靠的结果预测。 该项目的两个主要推动应用是等离子体物理学和引力波。 等离子体是高度电离的气体;它们出现在核聚变装置、太空探索推进系统以及星系形成过程中。 引力波是爱因斯坦预言的时空中的涟漪,它们是由黑洞和中子星等大质量天体的碰撞产生的。 针对此类问题构建数值方法使科学家能够设计更稳定、更高效的核聚变系统,并更准确地确定与检测到的引力波相对应的天体物理事件。 此外,研究人员还开发了优化和敏感性分析技术,以提高数据科学中深度学习和其他机器学习技术基础的优化算法的效率。 研究生参与该研究。该项目结合了离散狄拉克力学和几何、变分积分器、对称空间和广义极分解之间的关系、非正则哈密顿系统的嵌入以及非变分方程及其伴随物的理论和计算工具转化为简并拉格朗日系统。 这提供了一种系统方法,用于构造和分析简并非正则哈密顿系统的几何结构保持离散化、非变分方程及其伴随物以及对称空间上演化的问题。 由此产生的方法对等离子体物理学(由非规范哈密顿系统描述)以及广义相对论(对称空间上的简并高阶规范场理论)都有影响。 此外,伴随方程出现在许多重要的应用中,包括最优控制、最优设计、最优估计、不确定性量化和敏感性分析。 更深入地理解任意微分方程组及其相关伴随方程的隐藏几何结构,以及尊重该几何结构的变分离散化,将对广泛依赖于求解的分析和数值技术产生深远的影响。伴随方程。 研究生参与这项研究。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(15)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Geometric Methods for Adjoint Systems
伴随系统的几何方法
  • DOI:
    10.1007/s00332-023-09999-7
  • 发表时间:
    2023-12
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3
  • 作者:
    Tran, Brian Kha;Leok, Melvin
  • 通讯作者:
    Leok, Melvin
Practical perspectives on symplectic accelerated optimization
辛加速优化的实践观点
  • DOI:
    10.1080/10556788.2023.2214837
  • 发表时间:
    2022-07-23
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.2
  • 作者:
    Valentin Duruisseaux;M. Leok
  • 通讯作者:
    M. Leok
A Variational Formulation of Accelerated Optimization on Riemannian Manifolds
黎曼流形加速优化的变分公式
  • DOI:
    10.1137/21m1395648
  • 发表时间:
    2021-01-16
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Valentin Duruisseaux;M. Leok
  • 通讯作者:
    M. Leok
Simplifying Momentum-based Positive-definite Submanifold Optimization with Applications to Deep Learning
通过在深度学习中的应用简化基于动量的正定子流形优化
  • DOI:
  • 发表时间:
    2023-06
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Lin, Wu;Duruisseaux, Valentin;Leok, Melvin;Nielsen, Frank;Khan, Mohammad Emtiyaz;Schmidt, Mark.
  • 通讯作者:
    Schmidt, Mark.
High-order symplectic Lie group methods on $ SO(n) $ using the polar decomposition
使用极分解的 $SO(n)$ 上的高阶辛李群方法
  • DOI:
    10.3934/jcd.2022003
  • 发表时间:
    2022-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    1
  • 作者:
    Shen, Xuefeng;Tran, Khoa;Leok, Melvin
  • 通讯作者:
    Leok, Melvin
{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ journalArticles.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ monograph.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ sciAawards.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ conferencePapers.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ patent.updateTime }}

Melvin Leok其他文献

On Properties of Adjoint Systems for Evolutionary PDEs
演化偏微分方程伴随系统的性质
  • DOI:
  • 发表时间:
    2024
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Brian K. Tran;Benjamin Southworth;Melvin Leok
  • 通讯作者:
    Melvin Leok
Safe Stabilizing Control for Polygonal Robots in Dynamic Elliptical Environments
动态椭圆环境中多边形机器人的安全稳定控制
  • DOI:
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Kehan Long;Khoa Tran;Melvin Leok;Nikolay Atanasov
  • 通讯作者:
    Nikolay Atanasov
On the Geometry of Multi-Dirac Structures and Gerstenhaber Algebras
论多重狄拉克结构和格斯顿哈伯代数的几何
  • DOI:
  • 发表时间:
    2011
  • 期刊:
  • 影响因子:
    1.5
  • 作者:
    Joris Vankerschaver; Hiroaki Yoshimura;Melvin Leok
  • 通讯作者:
    Melvin Leok
Discrete Routh reduction
离散劳斯约简
  • DOI:
    10.1088/0305-4470/39/19/s12
  • 发表时间:
    2005-08-17
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Sameer M. Jalnapurkar;Melvin Leok;J. Marsden;Matthew West
  • 通讯作者:
    Matthew West
The Hamilton-Pontryagin Principle and Multi-Dirac Structures for Classical Field Theories
经典场论的汉密尔顿-庞特里亚金原理和多重狄拉克结构
  • DOI:
  • 发表时间:
    2012
  • 期刊:
  • 影响因子:
    1.3
  • 作者:
    Joris Vankerschaver; Hiroaki Yoshimura;Melvin Leok
  • 通讯作者:
    Melvin Leok

Melvin Leok的其他文献

{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

{{ truncateString('Melvin Leok', 18)}}的其他基金

Hierarchical Geometric Accelerated Optimization, Collision-based Constraint Satisfaction, and Sensitivity Analysis for VLSI Chip Design
VLSI 芯片设计的分层几何加速优化、基于碰撞的约束满足和灵敏度分析
  • 批准号:
    2307801
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 23.76万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Geometric Numerical Discretizations of Gauge Field Theories and Interconnected Systems
规范场论和互连系统的几何数值离散
  • 批准号:
    1411792
  • 财政年份:
    2014
  • 资助金额:
    $ 23.76万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Collaborative Research: Ergodic Trajectories in Discrete Mechanics
协作研究:离散力学中的遍历轨迹
  • 批准号:
    1334759
  • 财政年份:
    2013
  • 资助金额:
    $ 23.76万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Collaborative Research: Computational Geometric Uncertainty Propagation for Hamiltonian Systems on a Lie Group
合作研究:李群上哈密顿系统的计算几何不确定性传播
  • 批准号:
    1029445
  • 财政年份:
    2010
  • 资助金额:
    $ 23.76万
  • 项目类别:
    Standard Grant
LTB: Generalized Variational Integrators for Large-Scale Scientific Computation
LTB:用于大规模科学计算的广义变分积分器
  • 批准号:
    1001521
  • 财政年份:
    2009
  • 资助金额:
    $ 23.76万
  • 项目类别:
    Standard Grant
CAREER: Computational Geometric Mechanics: Foundations, Computation, and Applications
职业:计算几何力学:基础、计算和应用
  • 批准号:
    1010687
  • 财政年份:
    2009
  • 资助金额:
    $ 23.76万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
CAREER: Computational Geometric Mechanics: Foundations, Computation, and Applications
职业:计算几何力学:基础、计算和应用
  • 批准号:
    0747659
  • 财政年份:
    2008
  • 资助金额:
    $ 23.76万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
LTB: Generalized Variational Integrators for Large-Scale Scientific Computation
LTB:用于大规模科学计算的广义变分积分器
  • 批准号:
    0714223
  • 财政年份:
    2007
  • 资助金额:
    $ 23.76万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Computational Geometric Mechanics and its Applications to Geometric Control Theory
计算几何力学及其在几何控制理论中的应用
  • 批准号:
    0726263
  • 财政年份:
    2007
  • 资助金额:
    $ 23.76万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Computational Geometric Mechanics and its Applications to Geometric Control Theory
计算几何力学及其在几何控制理论中的应用
  • 批准号:
    0504747
  • 财政年份:
    2005
  • 资助金额:
    $ 23.76万
  • 项目类别:
    Standard Grant

相似国自然基金

基于鞘层Monte Carlo粒子仿真模型的非稳态真空弧等离子体羽流的内外流一体化数值模拟研究
  • 批准号:
    12372297
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    53 万元
  • 项目类别:
    面上项目
“芯部-边界一体化”离子回旋波加热数值模拟程序开发及全局数值模拟研究
  • 批准号:
    12275202
  • 批准年份:
    2022
  • 资助金额:
    56 万元
  • 项目类别:
    面上项目
旱区曲流河末端体系点坝的遥感大数据识别-地下探测-数值模拟预测一体化研究
  • 批准号:
    42172133
  • 批准年份:
    2021
  • 资助金额:
    60 万元
  • 项目类别:
    面上项目
旱区曲流河末端体系点坝的遥感大数据识别-地下探测-数值模拟预测一体化研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2021
  • 资助金额:
    60 万元
  • 项目类别:
复杂加罩天线系统—载体平台目标一体化数值建模与仿真技术研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2020
  • 资助金额:
    64 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似海外基金

Geometric Numerical Integration Methods for Differential-Algebraic Equations and Their Application to Evolutionary Equations
微分代数方程的几何数值积分方法及其在演化方程中的应用
  • 批准号:
    19K23399
  • 财政年份:
    2019
  • 资助金额:
    $ 23.76万
  • 项目类别:
    Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
New structures in geometric numerical integration
几何数值积分的新结构
  • 批准号:
    DP140100640
  • 财政年份:
    2014
  • 资助金额:
    $ 23.76万
  • 项目类别:
    Discovery Projects
Integration of geometric modeling and numerical analysis based on Constructive Solid Geometry, Boundary Representation, and the Finite Cell Method Part 2: Extension to flawed geometry and volumetric spline-based models
基于构造实体几何、边界表示和有限元方法的几何建模和数值分析的集成第 2 部分:扩展到有缺陷的几何和基于体积样条的模型
  • 批准号:
    232449854
  • 财政年份:
    2013
  • 资助金额:
    $ 23.76万
  • 项目类别:
    Research Grants
Geometric numerical integration of differential equations
微分方程的几何数值积分
  • 批准号:
    DP0878459
  • 财政年份:
    2008
  • 资助金额:
    $ 23.76万
  • 项目类别:
    Discovery Projects
GEOMETRIC NUMERICAL INTEGRATION
几何数值积分
  • 批准号:
    ARC : DP0210300
  • 财政年份:
    2002
  • 资助金额:
    $ 23.76万
  • 项目类别:
    Discovery Projects
{{ showInfoDetail.title }}

作者:{{ showInfoDetail.author }}

知道了