算子分裂方法及其若干计算问题的研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11701416
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    24.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0405.连续优化
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2020-12-31

项目摘要

The first order operator splitting methods are a class of important methods for solving the separable convex optimization problems, which have been widely concerned by communities in science and engineering in recent years. We will consider to apply and modify some operator splitting methods for solving linear inverse problems and fractional optimal control problems, which arise from the fields of physics, chemistry, medicine, financial, and etc., can be modeled as separable convex optimization problems. Then it becomes essential to design efficient algorithms to solve these models by exploiting their structures favorably. Based on our previous work on numerical studies of TV regularized inverse problems and fractional partial differential equations, we will develop some improved operator splitting methods to solve these two problems. Specifically, we will consider: (1) using finite element method to discretize TV regularized linear inverse problems, designing primal-dual methods with positive-indefinite proximal term, adaptively-chosen step sizes and its acceleration version, designing convergent ADMM in finite element space and its linearized acceleration algorithm, and then discussing their convergence analysis and error estimates; (2) using finite difference/element methods to discretize the optimal control problems of fractional Feynman-Kac equations, analyzing the error estimates, and using the ADMM based on fast algorithms to solve the problems efficiently.
一阶算子分裂方法是求解可分凸优化问题的一类重要方法,近年来受到科学与工程界的广泛关注。我们将利用并改进一些经典的算子分裂方法来求解线性反问题及分数阶偏微分方程的优化控制问题,它们来源于物理、化学、医药学、金融等领域,都可以归结为可分的凸优化问题。如何利用它们的特殊结构来设计高效的算法显得至关重要。基于申请人前期关于TV正则化反问题和分数阶方程数值计算方面的工作,拟在经典的算子分裂方法的基础上,设计出改进的算法来更有效地求解这两类问题。具体来说,我们将考虑:(1)利用有限元离散TV正则化的线性算子方程反问题,设计带不定邻近项和自适应步长的原始对偶方法及其加速算法、设计在有限元解空间中收敛的ADMM算法并讨论其线性化加速算法,进而分析算法的收敛性与误差估计;(2)利用有限差分/有限元离散分数阶Feynman-Kac方程的优化控制问题,分析误差估计,并利用基于快速算法的ADMM对其进行高效求解。

结项摘要

具有可分结构的凸优化问题广泛存在于科学与工程领域,一阶算子分裂方法是求解该类问题的重要方法之一。本项目考虑可分凸优化问题的一阶算子分裂方法研究,及其在不适定线性算子方程反问题及分数阶Feynman-Kac方程的二次优化控制问题中的应用。完成的研究结果有:(1)提出了可以自动选取最优迭代步长的原始对偶方法求解TV正则化问题;(2)设计了一个线性化原始对偶加速算法求解不适定线性算子方程的TV正则化问题,证明了其收敛性和收敛速度,分析了模型的正则化和扰动误差、有限元离散误差、优化算法的迭代误差以及数值解与原问题精确解之间的误差;(3)提出了一个求解非强凸的可分凸优化问题的(邻近)ADMM加速算法,分析了算法的收敛性和收敛速度;(4)得到了分数阶Feynman-Kac方程的二次优化控制问题的一阶最优性条件并建立了有限差分与有限元离散格式。

项目成果

期刊论文数量(3)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
An alternating direction method of multipliers with a worst-case O(1/n^2) convergence rate
具有最坏情况 O(1/n^2) 收敛速度的乘法器交替方向方法
  • DOI:
    10.1090/mcom/3388
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Mathematics of Computation
  • 影响因子:
    2
  • 作者:
    Tian Wenyi;Yuan Xiaoming
  • 通讯作者:
    Yuan Xiaoming
An accelerated primal-dual iterative scheme for the L^2-TV regularized model of linear inverse problems
线性反问题L^2-TV正则化模型的加速原对偶迭代方案
  • DOI:
    10.1088/1361-6420/aaf70a
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Inverse Problems
  • 影响因子:
    2.1
  • 作者:
    Tian Wenyi;Yuan Xiaoming
  • 通讯作者:
    Yuan Xiaoming
Convergence analysis of primal-dual based methods for total variation minimization with finite element approximation
有限元近似总变差最小化的基于原对偶方法的收敛性分析
  • DOI:
    10.1007/s10915-017-0623-4
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Journal of Scientific Computing
  • 影响因子:
    2.5
  • 作者:
    Tian WenYi;Yuan Xiaoming
  • 通讯作者:
    Yuan Xiaoming

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其他文献

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AI项目思路

AI技术路线图

田文义的其他基金

几类偏微分方程系数反问题的算子分裂方法
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2020
  • 资助金额:
    51 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似国自然基金

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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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