Algorithms and Numerical Methods for Optimization with Partial Differential Equation Constraints

偏微分方程约束优化的算法和数值方法

基本信息

  • 批准号:
    2110263
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 34万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2021-08-15 至 2024-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Optimization problems with constraints are ubiquitous in science and engineering. Some examples include designing a drug delivery mechanism to maximize the impact on cancerous cells, maximizing oil recovery from the wells, designing new materials that can be manufactured using additive manufacturing, and machine learning for solving inverse problems. Many of these problems are inherently non-linear and non-smooth, which makes the development of algorithms and their analysis extremely challenging. The project aims to create new optimization algorithms that will overcome these challenges and that are widely applicable. The precise target applications include, magnetic drug targeting, quantum spin chains, harmonic maps, structure design, and solving inverse problems using machine learning. Open-source software will be created and collaborations with practitioners will be carried out to maximize the impact of the work.The applications described above can be modeled using partial differential equations (PDEs). These PDEs are geometric (harmonic maps), nonlocal (fractional), multiphysics (magnetic drug delivery), multiscale with an unknown domain, i.e., free boundary problems (FBPs). The goal of this project is to study optimization problems with PDE constraints, i.e., PDE constrained optimization. Specifically, it aims to create new optimization methods based on Deep Learning and Augmented Lagrangian frameworks to solve several currently intractable optimization problems, for instance, problems constrained by advection dominated (also limiting transport equations) arising in magnetic targeted drug delivery. All these problems are nonlinear, nonconvex, and non-smooth in nature. Novel optimization algorithms will provide new insights into nonconvex non-smooth problems. In particular for optimization problems with state or gradient constraints, where concepts from set-valued analysis are typically needed. The deep learning work will help create new research directions. Cancerous cells absorb only a small amount of medicine, magnetic drug targeting has shown to increase this absorption rate without harming vital organs. This research will also improve our understanding of magnetic fluids and will create mathematical understanding of control of conservation laws. Nonlocal problems are increasingly important in science and engineering. They lead, for instance, to better models for quantum spin chains, cardiac electrical response, additive manufacturing (materials science), image denoising and phase separation. Open-source software will be created. This will not only benefit scientists in optimization, FBPs, and nonlocal problems but also scientists in nonlinear PDEs and data science. The results will be disseminated via a special topics course, research publications, and talks. Two PhD students will get PhDs. Reading seminars for students will be created.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.
与约束的优化问题在科学和工程中无处不在。一些例子包括设计一种药物输送机制来最大程度地影响癌细胞的影响,最大程度地利用井中的石油回收,设计可以使用添加剂制造的新材料,以及用于解决反问题的机器学习。这些问题中的许多是固有的非线性和不平滑的问题,这使得算法的发展及其分析极具挑战性。该项目旨在创建新的优化算法,以克服这些挑战并广泛适用。精确的目标应用包括使用机器学习的磁性药物靶向,量子旋转链,谐波图,结构设计和解决反问题。将创建开源软件,并将与从业人员进行协作以最大程度地发挥作品的影响。上述应用程序可以使用部分微分方程(PDES)进行建模。这些PDE是几何(谐波图),非本地(分数),多物理(磁性药物输送),多尺度,具有未知域,即自由边界问题(FBPS)。该项目的目的是通过PDE约束研究优化问题,即PDE受约束优化。具体而言,它旨在基于深度学习和增强拉格朗日框架来创建新的优化方法,以解决几个当前棘手的优化问题,例如,在磁性靶向药物输送中受到对流的限制(也限制了传输方程)的限制的问题。所有这些问题都是非线性,非凸和非平滑的。新颖的优化算法将为非convex非平滑问题提供新的见解。特别是对于具有状态或梯度约束的优化问题,通常需要从设定值分析中的概念。深度学习工作将有助于创建新的研究方向。癌细胞仅吸收少量药物,磁性药物的靶向已显示出可提高这种吸收率而不会损害重要器官。这项研究还将提高我们对磁性流体的理解,并将对控制法律的控制产生数学理解。非局部问题在科学和工程中越来越重要。例如,他们引导了更好的量子旋转链,心脏电响应,添加剂制造(材料科学),图像denoising和相位分离的模型。将创建开源软件。这不仅将使科学家在优化,FBP和非局部问题方面有益于非线性PDE和数据科学的科学家。结果将通过特殊主题课程,研究出版物和演讲来传播。两名博士生将获得博士学位。将为学生的阅读研讨会创建。该奖项反映了NSF的法定任务,并被认为是使用基金会的知识分子优点和更广泛影响的评论标准的评估值得支持的。

项目成果

期刊论文数量(20)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Approximation of Integral Fractional Laplacian and Fractional PDEs via sinc-Basis
  • DOI:
    10.1137/20m1374122
  • 发表时间:
    2020-10
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Harbir Antil;P. Dondl;Ludwig Striet
  • 通讯作者:
    Harbir Antil;P. Dondl;Ludwig Striet
Spectral, Tensor and Domain Decomposition Methods for Fractional PDEs
Sparse optimization problems in fractional order Sobolev spaces
分数阶 Sobolev 空间中的稀疏优化问题
  • DOI:
    10.1088/1361-6420/acbe5e
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.1
  • 作者:
    Antil, Harbir;Wachsmuth, Daniel
  • 通讯作者:
    Wachsmuth, Daniel
Parallel Deep ResNets for Chemically Reacting Flows
用于化学反应流的并行深度 ResNet
  • DOI:
    10.2514/6.2022-1076
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Brown, Thomas S.;Antil, Harbir;Lohner, Rainald;Verma, Deepanshu;Togashi, Fumiya
  • 通讯作者:
    Togashi, Fumiya
TTRISK: Tensor train decomposition algorithm for risk averse optimization
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知道了