大波数Helmholtz方程新型、高效积分方程解法的研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11371376
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    62.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0504.微分方程数值解
  • 结题年份:
    2017
  • 批准年份:
    2013
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2014-01-01 至2017-12-31

项目摘要

Numerical simulation of the solutions of Helmholtz equations with large wavenumbers arises in many applications in mathematics, physics and engineering, which has attracted a growing interest from scientific computation community, and is a hot and difficult topic in this area. There are a number of challenging problems that require mathematical insights to solve. The main focus of this proposal is on developing new and efficient integral equation methods for solving Helmholtz equations with large wavenumbers, where the solutions of the Helmholtz equations are formulated by boundary integral equations. One feature of these integral equations is of particular relevance: the solutions are more highly oscillatory as the wavenumber increases. Numerical approaches for these equations have been constructed by Galerkin methods, collocation methods, etc. These discretisations of oscillatory integral equations invariably involve the evaluation of a large number of (singularly) oscillatory integrals. Therefore, the problems of evaluating oscillatory integrals and of solving oscillatory integral equations are highly correlated. Consequently, efficient solution methods for integral equations require efficient methods for the calculation of such integrals. However,the computation of these highly oscillatory integrals by standard quadrature methods is exceedingly difficult and the cost steeply increases with large values of the wavenumber. This means that the numerical methods based on standard numerical quadrature formulas, such as Gauss, Clenshaw-Curtis and Nystr?m, are not feasible for solving these equations. These are particularly challenging examples of the general problem of computing oscillatory integrals, which has a long history and has seen a great deal of research interest in recent years. Here, we will devote to develop new Clenshaw-Curtis-Filon-type methods for approximation of such integrals with singularities, which are in simplicity and can be implemented using O(NlogN) operations with the fast Fourier transform (FFT), and share that the higher the wavenumber, the higher the accuracy. Furthermore, we will analyze the asymptotics of the solution of the Helmholtz equation and study the hybrid methods combined with conventional piecewise polynomial approximations, orthogonal polynomials, trigonometric functions or Bessel functions with high-frequency asymptotics to build basis functions suitable for representing the oscillatory solutions. They have the potential to solve scattering problems accurately and efficiently. Finally, together with the above analysis and efficient methods, we will design efficient (spectral) Galerkin, collocation and Filon methods for solving the boundary value problems for these Helmholtz equations formulated by boundary integral equations, and consider their convergence and error bounds.
大波数Helmholtz方程的数值计算在数学、物理、工程领域有着广泛而重要的应用,是科学计算领域非常重要、被公认为难的国际热点研究课题,存在许多挑战性问题亟待解决。本项目集中研究大波数Helmholtz方程的高效积分方程解法,其与传统方法的区别在于:第一,针对Galerkin、配置法等离散格式中的(Hilbert变换、对数奇异、高阶奇异)高振荡积分,发展新型、高效的积分算法,而非传统的Gauss、Clenshaw-Curtis或Nystr?m等算法(当波数很大时,这些传统算法的计算效率极低、计算精度较差);第二,强调大波数问题解的渐进分析,针对其渐进性分析,构造混合方法中基于正交多项式等的高振荡混合基函数的逼近。基于这些理论与算法分析,结合(谱)Galerkin、配置、Filon方法,构建出大波数问题的新型、高精度的高效积分方程解法。

结项摘要

项目针对具有广泛应用背景的大波数Helmholtz方程,集中研究了其高效数值积分方程解法。针对传统Galerkin、配置法等离散格式产生的含对数奇异、Hilbert、高阶奇异的高振荡积分发展快速高效数值积分格式,分析其关于波数的渐进性,并根据渐进性分析构造混合方法的高振荡基函数逼近。克服了传统的Gauss、Clenshaw-Curtis、Nyström等算法对高振荡问题的计算复杂性高、计算精度差等缺陷,一些算法可应用于医疗图像、电磁散射反问题中Volterra积分方程的研究,解决了一般Jacobi点多项式插值的最优阶估计以及Hermite-Fejer重心插值格式的快速计算,推动了古典数值分析理论的发展。研究结果发表于SIAM J. Numer. Math.、SIAM J. Sci. Comput.、Math. Prog.等顶级期刊,已发表标注基金资助SCI论文23篇。

项目成果

期刊论文数量(23)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
On error bounds of Filon-Clenshaw-Curtis quadrature for highly oscillatory integrals
关于高振荡积分的 Filon-Clenshaw-Curtis 求积的误差范围
  • DOI:
    10.1007/s10444-014-9377-9
  • 发表时间:
    2015-06-01
  • 期刊:
    ADVANCES IN COMPUTATIONAL MATHEMATICS
  • 影响因子:
    1.7
  • 作者:
    Xiang, Shuhuang;He, Guo;Cho, Yeol Je
  • 通讯作者:
    Cho, Yeol Je
Sparse solutions of linear complementarity problems
线性互补问题的稀疏解
  • DOI:
    10.1007/s10107-015-0950-x
  • 发表时间:
    2016-09-01
  • 期刊:
    MATHEMATICAL PROGRAMMING
  • 影响因子:
    2.7
  • 作者:
    Chen, Xiaojun;Xiang, Shuhuang
  • 通讯作者:
    Xiang, Shuhuang
The fast implementation of higher order hermite-fejer interpolation
高阶hermite-fejer插值的快速实现
  • DOI:
    10.1137/140971488
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    Siam Journal ON Scientific Computing
  • 影响因子:
    3.1
  • 作者:
    Xiang Shuhuang;He Guo
  • 通讯作者:
    He Guo
Modified asymptotic orders of the direct Filon method for a class of Volterra integral equations
一类 Volterra 积分方程直接 Filon 法的修正渐近阶数
  • DOI:
    10.1016/j.cam.2014.12.010
  • 发表时间:
    2015-06-01
  • 期刊:
    JOURNAL OF COMPUTATIONAL AND APPLIED MATHEMATICS
  • 影响因子:
    2.4
  • 作者:
    Ma, Junjie;Fang, Chunhua;Xiang, Shuhuang
  • 通讯作者:
    Xiang, Shuhuang
On Fast and Stable Implementation of Clenshaw-Curtis and Fejer-Type Quadrature Rules
Clenshaw-Curtis和Fejer型求积规则的快速稳定实现
  • DOI:
    10.1155/2014/436164
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    Abstract and Applied Analysis
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Xiang Shuhuang;He Guo;Wang Haiyong
  • 通讯作者:
    Wang Haiyong

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  • 通讯作者:
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    --
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  • 作者:
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  • 期刊:
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  • 影响因子:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
    刘桂东

其他文献

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AI项目解读示例

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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