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2023 Fiscal Year Research-status Report

Studies on rigorous integrator for infinite dimensional dynamical systems

Research Project

Project/Area Number 22K03411
Research InstitutionUniversity of Tsukuba

Principal Investigator

高安 亮紀  筑波大学, システム情報系, 准教授 (60707743)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2026-03-31
Keywords計算機援用証明 / 初期値問題 / 境界値問題 / 零点探索問題 / 簡易ニュートン写像 / 時間大域存在
Outline of Annual Research Achievements

今年度は、昨年度確立した時間発展する非線形偏微分方程式(時間発展方程式)の解軌道を厳密に求積するフレームワークを再度検討し、解の検証に関する定式化を関数方程式の零点探索問題とみなして考えることで、検証理論をより精密にかつ一般的に改良することに成功した。これまで複数の時間区間における局所存在検証はタイムステッピング法を使用していたが、この改良により複数時間区間にわたる解の近似解近傍における一意存在を同時に検証することができるようになった。この結果は本研究の目的である時間発展方程式の厳密な数値求積法が初期値問題だけでなく、時間変数に関する境界値問題にも対応できることを示唆している。具体的には、時間発展方程式の求解を零点探索問題に対する簡易ニュートン作用素の不動点問題として考えると、ある近似作用素の逆作用を発展作用素を用いた定数変化法による解の表記を用いることで各時間区間における存在検証が不要になり、代わりに各時間区間における発展作用素の評価を得ることで、複数時間区間にわたる解が同時に検証可能となった。
さらに今年度はある程度広いクラスの半線形放物型偏微分方程式に対して、解の時間大域存在を厳密な数値求積と解の捕捉領域の数値検証によって実現できた。時間発展方程式の非自明な平衡解と平衡解における固有値の情報を計算機援用証明の方法で明らかにし、平衡解周りの解の捕捉領域(無限次元安定多様体)を数値的に構築することに成功した。捕捉領域内に解の軌道が含まれることを我々の厳密な数値求積法によって示すことで解の時間大域存在が証明される。
これらの研究成果を空間多次元のSwift-Hohenberg方程式およびOhta-Kawasaki方程式に対して適用し、解の時間大域存在の計算機援用証明を達成した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度は、昨年度確立した時間発展方程式の解軌道を厳密に求積する計算機援用証明手法の基盤技術をさらに発展させ、時間大域解の存在を計算機援用証明によって実現することに成功したため、進捗状況は順調である。特に、空間多次元のSwift-Hohenberg方程式およびOhta-Kawasaki方程式に対して厳密な数値求積を用いた時間大域存在が計算機援用証明によって示されたことは、これまでにない成果である。この結果は、本方法の適用範囲が広範囲であることを例証し、本研究による寄与が明確化されている。

Strategy for Future Research Activity

本年度得られた研究成果は論文としてまとめられ、現在投稿中である。さらに、時間発展方程式の解軌道を厳密に求積する計算機援用証明手法の次なる研究対象として、解をフーリエ級数以外で表現する場合にも対象を拡げることを計画している。具体的には、方程式が定義される領域を球面や円筒形などとし、解をフーリエ関数以外の基底関数で構成する解の検証理論を考案する予定である。この方策によって、研究対象により一般的な領域上での偏微分方程式や球対称性や軸対称性を仮定した偏微分方程式を統一な手法で扱えるようになる。

Causes of Carryover

例年参加している京都大学RIMSにおける研究集会が同日開催だったこと、当初計画していたICIAM 2023への招聘研究者が自費での来日が可能となったことで、次年度に繰越が生じた。次年度は3次元空間上の時間発展方程式に対する計算機援用証明の実践のための計算機ワークステーションを購入予定である。

  • Research Products

    (22 results)

All 2024 2023 Other

All Int'l Joint Research (4 results) Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (14 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 6 results) Funded Workshop (1 results)

  • [Int'l Joint Research] McGill University(カナダ)

    • Country Name
      CANADA
    • Counterpart Institution
      McGill University
  • [Int'l Joint Research] New Jersey Institute of Technology(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      New Jersey Institute of Technology
  • [Int'l Joint Research] National Central University(その他の国・地域)

    • Country Name
      その他の国・地域
    • Counterpart Institution
      National Central University
  • [Int'l Joint Research] Kunsan National University(韓国)

    • Country Name
      KOREA (REP. OF KOREA)
    • Counterpart Institution
      Kunsan National University
  • [Journal Article] A rigorous integrator and global existence for higher-dimensional semilinear parabolic PDEs via semigroup theory2024

    • Author(s)
      G. W. Duchesne, J.-P. Lessard, and A. Takayasu
    • Journal Title

      arXiv [math.AP]

      Volume: arXiv:2402.00406 Pages: 63 pages

    • DOI

      10.48550/arXiv.2402.00406

    • Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Monodromy Approach to Pair Production of Charged Black Holes and Electric Fields2023

    • Author(s)
      C.-M. Chen, T. Ishige, S. P. Kim, A. Takayasu, and C.-Y. Wei
    • Journal Title

      Chinese Journal of Physics

      Volume: 86 Pages: 255-268

    • DOI

      10.1016/j.cjph.2023.10.007

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Verified eigenvalue and eigenvector computations using complex moments and the Rayleigh-Ritz procedure for generalized Hermitian eigenvalue problems2023

    • Author(s)
      A. Imakura, K. Morikuni, and A. Takayasu
    • Journal Title

      Journal of Computational and Applied Mathematics

      Volume: 424 Pages: 114994

    • DOI

      10.1016/j.cam.2022.114994

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] A rigorous integrator and global existence for higher-dimensional semilinear parabolic PDEs via semigroup theory2024

    • Author(s)
      Akitoshi Takayasu
    • Organizer
      Workshop of Computational Science and Information Engineering 2024 (SCIE2024)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] チェビシェフ補間を用いた数学関数の精度保証付き数値計算2024

    • Author(s)
      近藤慎佑, 高安亮紀
    • Organizer
      日本応用数理学会 第20回 研究部会連合発表会
  • [Presentation] 二次非線形性を持つ複素数値発展方程式のヘテロクリニック軌道と特異性の計算機援用証明2024

    • Author(s)
      高安亮紀
    • Organizer
      第67回拡大MCMEセミナー One day workshop on differential equations in the complex domain
    • Invited
  • [Presentation] 時間発展方程式の厳密な数値求積法の零点探索問題としての定式化2023

    • Author(s)
      高安亮紀
    • Organizer
      2023年度応用数学合同研究集会
  • [Presentation] 半線形放物型方程式の時間大域解の計算機援用証明2023

    • Author(s)
      Gabriel Duchesne, Jean-Philippe Lessard, 高安亮紀
    • Organizer
      日本数学会2023年度秋季総合分科会
  • [Presentation] Global Dynamics and Blowup in Some Quadratic PDEs2023

    • Author(s)
      Jonathan Jaquette, Jean-Philippe Lessard, Akitoshi Takayasu
    • Organizer
      10th International Congress on Industrial and Applied Mathematics (ICIAM 2023 TOKYO)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Rigorous numerics for finding the monodromy of Picard-Fuchs differential equations for a family of K3 toric hypersurfaces2023

    • Author(s)
      Akitoshi Takayasu, Toshimasa Ishige
    • Organizer
      10th International Congress on Industrial and Applied Mathematics (ICIAM 2023 TOKYO)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Rigorous forward numerical integration of general evolutionary partial differential equations based on semigroup theory2023

    • Author(s)
      Akitoshi Takayasu, Gabriel Duchesne, Jean-Philippe Lessard
    • Organizer
      IUTAM Symposium on Nonlinear dynamics for design of mechanical systems across different length/time scales (IUTAM 2023)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 微分作用素の固有値に対する複素モーメントを用いた精度保証付き数値計算2023

    • Author(s)
      今倉暁, 保國惠一, 高安亮紀
    • Organizer
      2023年並列/分散/協調処理に関するサマー・ワークショップ(SWoPP 2023)
  • [Presentation] 遅延微分方程式系の周期解の数値的存在証明2023

    • Author(s)
      高安亮紀
    • Organizer
      第3回微分方程式セミナー
    • Invited
  • [Presentation] 自己共役な微分作用素の固有値に対する周回積分型精度保証付き数値解法2023

    • Author(s)
      今倉暁, 保國惠一, 高安亮紀
    • Organizer
      第49回数値解析シンポジウム
  • [Presentation] 二次非線形性を持つ複素数値発展方程式の大域的なダイナミクスの計算機援用証明2023

    • Author(s)
      高安亮紀
    • Organizer
      秋田発展方程式小研究集会
    • Invited
  • [Presentation] 二次の非線形性を持つ複素数値発展方程式の大域的なダイナミクスの計算機援用証明と未解決問題2023

    • Author(s)
      高安亮紀
    • Organizer
      「有限時間特異性」勉強会 第8回
  • [Presentation] Recent Results of Rigorous Numerical Integration for Higher Spatial Dimensional PDEs2023

    • Author(s)
      Akitoshi Takayasu, Gabriel Duchesne, Jean-Philippe Lessard
    • Organizer
      SIAM Conference on Applications of Dynamical Systems (DS23)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Funded Workshop] ICIAM Minisymposium: Computer-assisted proofs in differential equations2023

URL: 

Published: 2024-12-25  

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