超材料中Maxwell方程最优控制问题的建模与数值计算

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11701523
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0501.算法基础理论与构造方法
  • 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 optimal control problems governed by Maxwell equations in metamaterials play a very important role in the design and applications of metamaterials. Usually, one can not find analytical solutions of the optimal control problems. Therefore, it is of great importance to find the reliable and efficient numerical methods. This project focus on the modelings and numerical calculations of the optimal control problems governed by Maxwell equations in metamaterials. We first establish the mathematical models with reasonable control variables, state variables and state equations. Then using theories of Helmholtz decomposition, weakly convergence, semigroup and so on, we present rigorous mathematical analyses including existence of optimal controls, regularity results and optimality conditions. Based on these results, we study finite element methods of the optimal control problems. Some approaches, such as discrete Helmholtz decomposition, discrete compactness property of elements and embedding results are employed to derive convergence analysis and error estimations. We aim to eventually propose a general framework of finite element method for solving the optimal control problems governed by Maxwell equations in metamaterials. At last, we try to establish the high order discrete schemes, explore superconvergence analysis and develop efficient algorithms. The innovative results of this project will enrich the connotation of optimal control of electromagnetic wave propagation in the metamaterials and finite element methods.
超材料中Maxwell方程最优控制问题的研究在超材料的设计和应用中发挥着重要作用。由于最优控制问题的精确解通常难以求出,从而寻找其可靠、高效的数值逼近方法具有非常重要的理论意义和应用价值。本项目拟就超材料中Maxwell方程最优控制问题的建模和数值计算展开研究。首先合理选择控制变量、状态变量和状态方程,建立最优控制数学模型;然后基于Helmholtz分解、弱收敛和半群等理论给出严格的数学分析(包括最优解的存在性、正则性、最优性条件等);在此基础上发展其有限元方法,利用离散Helmholtz分解、单元的离散紧致性、嵌入理论等实现收敛性分析和误差估计,形成超材料中Maxwell方程最优控制问题有限元方法的一般格式;进一步探索建立高阶离散格式和超收敛格式,开发其高效算法。项目的创新性成果将丰富超材料中电磁波传播优化控制问题和有限元方法研究的内涵。

结项摘要

鉴于Maxwell方程最优控制问题在电磁材料设计和应用中的重要作用,本项目围绕电磁场最优控制问题的建模和数值计算,从优化问题和控制方程两个角度开展了数学理论及其有限元方法的深入研究。通过创新性思路和方法的探索,取得了一些有积极意义的成果:建立了超材料中Drude型Maxwell方程最优控制问题的数学模型,完成了数学理论分析并给出有限元离散格式。对一类最优控制问题和与最优控制问题密切相关的变分不等式等非线性问题提出了非协调有限元离散的收敛性分析新方法,形式了高精度分析新模式,为电磁场最优控制问题的高效有限元方法研究提供了新思路;对电磁场最优控制问题的几类控制方程构造了全离散有限元格式,得到了最优误差估计和超收敛结果,为发展新的电磁场最优控制模型并进行数值模拟奠定了基础。项目的创新性成果为实现电磁波传播的优化控制提供了理论支撑和数值方法,丰富了最优控制问题和有限元方法研究的内涵。

项目成果

期刊论文数量(4)
专著数量(0)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
New High Accuracy Analysis of a Double Set Parameter Nonconforming Element for the Clamped Kirchhoff Plate Unilaterally Constrained by an Elastic Obstacle
弹性障碍单侧约束的夹紧基尔霍夫板双组参数非一致单元的新高精度分析
  • DOI:
    10.3390/math8112038
  • 发表时间:
    2020-11
  • 期刊:
    Mathematics
  • 影响因子:
    2.4
  • 作者:
    Shi Dongyang;Pei Lifang
  • 通讯作者:
    Pei Lifang
A new error analysis of nonconforming Bergan's energy-orthogonal element for the Extended Fisher-Kolmogorov equation
扩展 Fisher-Kolmogorov 方程非相容 Bergan 能量正交元的新误差分析
  • DOI:
    10.1016/j.jmaa.2018.04.059
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Journal of Mathematical Analysis and Applications
  • 影响因子:
    1.3
  • 作者:
    Pei Lifang;Shi Dongyang
  • 通讯作者:
    Shi Dongyang
Unconditional superconvergence analysis of a linearized Crank-Nicolson Galerkin FEM for generalized Ginzburg-Landau equation
广义 Ginzburg-Landau 方程线性化 Crank-Nicolson Galerkin FEM 的无条件超收敛分析
  • DOI:
    10.1016/j.camwa.2019.11.008
  • 发表时间:
    2018-06
  • 期刊:
    Computers & Mathematics with Applications
  • 影响因子:
    2.9
  • 作者:
    Li Meng;Shi Dongyang;Wang Junjun
  • 通讯作者:
    Wang Junjun
Convergence and superconvergence analysis of finite element methods for the time fractional diffusion equation
时间分数扩散方程有限元法的收敛性和超收敛性分析
  • DOI:
    10.1016/j.apnum.2019.12.023
  • 发表时间:
    2020-01
  • 期刊:
    Applied Numerical Mathematics
  • 影响因子:
    2.8
  • 作者:
    Li Meng;Shi Dongyang;Pei Lifang
  • 通讯作者:
    Pei Lifang

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其他文献

非线性抛物型积分微分方程非协调三角形Carey元的收敛性分析
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
    系统科学与数学
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    --
  • 作者:
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  • 通讯作者:
    石东洋
非参数部分带有测量误差的部分线性变系数模型的经验似然推断
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2011
  • 期刊:
    系统科学与数学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    冯三营;裴丽芳;薛留根
  • 通讯作者:
    薛留根
细菌模型的非协调有限元分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    应用数学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    石东洋;裴丽芳
  • 通讯作者:
    裴丽芳

其他文献

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裴丽芳的其他基金

一类四阶非线性方程的非协调有限元方法研究
  • 批准号:
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  • 批准年份:
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  • 项目类别:
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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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