快速多极算法(FMM)是处理大规模多体系统的高效数值算法,在分子动力学、天体动力学、声学以及电磁学等领域发挥着重要作用.本文首先回顾了快速多极算法的发展历史,其次以Helmholtz和Maxwell方程为例,介绍了二维和三维情形下基于核解析展开的快速多极算法的数据结构、数学原理、实现步骤和复杂度分析,并给出了相应的自适应FMM实现方法,最后基于MATLAB平台进行了二维和三维情形下多体模拟的数值实验.

本文研究了向列相液晶和粘性流相场模型的数值逼近.首先运用凸分裂方法去处理Ginzburg-Landau函数,得到了一个向列相液晶和粘性流相场模型的等价模型.其次在数值格式上,使用向后欧拉方法进行了时间离散,使用混合有限元方法进行了空间离散,使用压力矫正方法将压力和速度解耦,得到了一个新的一阶格式.然后通过理论分析,证明了该格式是无条件稳定的.最后,对变量$\mathbf{d},\mathbf{u},\phi$的时间收敛阶,空间收敛阶,能量演化和奇异点湮灭进行了数值模拟,这些数值结果验证了理论部分的准确性和有效性.

本文主要研究了求解时滞Fisher方程的一类保非负性有限差分法和一类保最大值原理的有限差分法.首先,利用一类加权差分公式和显式欧拉方法分别离散扩散项和一阶时间导数,从而对时滞Fisher方程构造了一类保非负性的差分格式.其次,运用截断技术校正由保非负性差分格式算得的数值解,从而得到了一类满足最大{值}原理的数值方法.然后,利用数值解和精确解的非负性和有界性,得到了它们在最大范数意义下的误差估计和稳定性.数值结果验证了理论结果的正确性和方法的有效性.

本文提出采用隐显分裂方法求解金融期权定价问题中的美式期权满足的线性互补问题.尽管隐显方法已被广泛地应用跳扩散模型,但大多应用在欧式期权,而且在美式期权的数值求解问题中鲜有稳定性分析.在本文中,我们提出在时间上采用隐显二阶向后微分公式(BDF2)、隐显Crank-Nikolson蛙跳(CNLF)和隐显Crank-Nikolson AdamBashforth (CNAB)三种离散化方法,并证明了它们的稳定性.空间上采用有限差分离散,由于初值函数的非光滑性,在执行价格附近考虑局部网格细化策略来提高精度.为了验证理论结果,分别给出了Merton型和Kou型跳扩散模型下美式期权定价的数值结果.数值实验结果表明,我们提出的方法是稳定且有效的.

时间变步长的两步向后差分公式(BDF2)具有强稳定性,在刚性问题、多尺度动力学等问题中具有广泛的应用,但在偏微分方程最优控制问题的应用研究相对较少.本文主要研究用变步长方法求解一类反应扩散方程源项控制的最优控制问题,时间方向采用变步长BDF2格式,空间方向采用中心差分方法进行离散.利用离散正交卷积(DOC)核和离散互补卷积(DCC)核的分析工具,证明了最优控制问题的最优解在相邻时间步长比介于$\frac{1}{4.8645}$和4.8645之间时,所构建的变步长差分格式在离散的$L^2$范数下是无条件稳定的,且在时间与空间方向都具有二阶收敛精度.最后通过数值算例验证了所构造格式的可行性和有效性.

多维标度分析(MDS)是在低维空间展示和分析多维数据结构的一种数据分析技术,其中的个体差异标度模型(INDSCAL)是一类针对多个数据矩阵同时度量多维标度的特定模型,它不仅对所要分析对象的结构进行分析,还能兼顾到判断主体之间的尺度差异.本文将正交INDSCAL模型拟合问题重构为Stiefel流形和对角矩阵线性流形约束下的矩阵优化模型,结合乘积流形几何性质,设计一类自适应问题模型的强Wolfe型混合黎曼共轭梯度求解算法,并给出算法的全局收敛性.数值实验说明所提算法对问题模型是可行有效的,且较黎曼优化工具箱中已有算法及其他黎曼一阶算法在迭代效率上有一定的优势.

本文提出了求解绝对值方程组的单调坐标下降算法,在适当的条件下分析了算法的全局收敛性并用数值实验验证了所提算法的可行性及有效性.本文的另一个目的是指出文献[Optim.Lett.,6:1027—1033,2012]在构造目标函数的下降方向时误用其二阶泰勒展开导致的错误.

针对广义坐标系上带重力源项的Euler方程,提出一种基于加权紧致非线性差分方法的高阶保平衡型有限差分格式。基本思想是,利用稳态解信息对重力源项进行重构,使之在平衡状态下与流通量中的压力梯度形成对应关系；采用具有尺度不变性的非线性插值计算半节点处的守恒量,确保平衡状态下守恒量的重构值与稳态解的重构值精确相等；采用相同的中心差分格式计算通量导数和网格导数,保证数值格式在曲网格上满足几何守恒律.理论推导和数值试验证明了格式的保平衡性、保几何守恒律性,以及在曲网格能够获得高阶精度和对稳态解附近的小扰动实现精细捕捉.

本文针对低Tucker秩张量补全问题,基于$L_{*}-L_{F}$,提出一种新的非凸优化.采用Lagrange乘子法,设计了三种求解新优化的高精度低秩张量补全算法.在理论方面,分析了算法的全局收敛性.在数值实验方面，针对新的非凸优化和传统的核范数凸优化,利用仿真数据和实际图像修复进行了数值实验.实验结果表明,在精度基本相同的情况下,本文建议的三种算法在CPU时间上优于文献[12]中的高精度张量补全算法.

本文考虑求解一类特殊的非凸优化问题,即DC优化问题,其目标函数可以写成一个光滑凸函数,一个适当的闭凸函数和一个连续可能非光滑凹函数的和.本文提出广义惯性的邻近DC算法(GIPDCA),该算法框架在经典邻近DC算法的基础上,对惯性方向和求解子问题时的梯度中心和邻近中心采用了三个不同的外推点.该算法可以包括一些经典的算法作为特例.本文证明了当目标函数具有Kurdyka-Łojasiewicz性质且参数满足合适的条件时,由算法GIPDCA生成的有界序列全局收敛到问题的临界点.最后,通过数值实验验证了算法的可行性和有效性.

本文粗略地探讨数学形式化的基本原理与应用, 重点介绍形式化语言Lean及其在数学优化中的应用进展. 我们先回顾数学形式化的发展背景, 阐述形式化语言Lean的构建原理及其正确性保障机制, 介绍Lean语言中的定理库Mathlib4的作用. 通过自然语言与形式化证明的对比, 阐述利用形式化验证数学的优势, 强调形式化在数学理论的准确验证中的重要作用. 在数学优化领域, 本文讨论目前数学优化理论的形式化进展, 以二次上界引理等经典定理的形式化实例, 进一步给出形式化数学的特点与优势. 此外, 我们探讨运筹优化中的形式化目标, 以及自动形式化和自动定理证明的可能性, 分析自动化工具在数学形式化过程中的潜力与挑战. 最后总结数学形式化的研究现状, 提出一些推动形式化领域发展的建议, 并探讨形式化在应用数学理论发展中的重要意义.

垂直非线性互补问题在实际中有着广泛的应用, 设计求解垂直非线性互补问题的数值方法是近年来学者们的研究热点. 为充分利用高性能计算机进行求解, 本文运用矩阵多分裂结合垂直非线性互补问题的等价模方程建立了一类模系同步多分裂迭代法, 在$H$-矩阵的假设下给出模系同步多分裂迭代法的若干收敛性条件, 并得到常见的加速超松弛多分裂迭代过程松弛参数的收敛域, 最后在OpenACC框架下通过数值实验展示模系同步多分裂迭代法的高效并行计算效率.

本文针对一类含$\alpha\in(0,1)$阶Riemann-Liouville导数的时间分数阶扩散方程,提出了一类时空混合有限元法: 空间离散采用$m(m\geq0)$阶的Raviart-Thomas(RT)有限元, 时间离散采用分片$r(r\ge 0)$次间断Galerkin(DG)有限元. 由于解在$t=0$附近有奇性, 时间方向上使用等级网格. 分析了全离散格式的适定性. 对于时间离散采用分片常数$(r=0)$DG格式和分片线性$(r=1)$DG格式这两种情形, 推导了全离散误差估计, 并给出了数值实验.

多维标度分析是一种在低维空间中以点间距离展现观测对象之间相似性测度或亲疏关系的多维数据分析方法, 其通过在低维空间中表示高维数据, 保留数据点之间的相对距离关系. 本文主要针对对称多维标度中一类考虑观测对象之间个体差异的个体差异标度模型(O-INDSCAL)设计有效的数值求解算法. 首先基于交替最小二乘迭代算法思想将模型对应的多变量约束矩阵优化问题转换为不动点迭代问题, 并结合向量序列加速原理给出加速算法的具体实施过程, 进而设计适应问题模型的基于极小多项式外推加速, 降秩外推加速和修正极小多项式外推加速, 以及Anderson加速的不动点迭代加速算法. 数值实验说明表明所考虑的加速算法均可提高由不动点迭代生成序列的收敛速度, 同时较O-INDSCAL 模型求解已有的基于连续时间的投影梯度流算法和基于流形优化的黎曼优化工具箱Manopt中若干黎曼一阶和二阶算法在迭代效率上均有较为明显的优势.

本文将Hermite多项式作为神经网络的隐层, 利用遗传算法优化Hermite神经网络的初始权值, 同时选取遗传算法优化的Hermite神经网络实际输出与期望输出的误差函数的倒数作为遗传算法的适应度函数, 构造一种新的遗传算法优化的Hermite神经网络求解Caputo分形-分数阶Bagley-Torvik微分方程的数值方法. 结合多点处的泰勒公式, 给出Caputo分形-分数阶Bagley-Torvik微分方程数值解的一般形式, 理论探究了该算法的绝对误差及收敛性. 与现有数值方法进行比较, 结果表明本文方法的有效性和可行性.

本文主要讨论了一类含有多项延迟的中立型延迟微分方程数值解的振动性, 利用线性$\theta$-方法离散原方程得到相应的差分方程, 通过讨论差分方程解的性质，把原方程数值解的振动性质转化为一个非中立型差分方程解的振动性.根据差分方程振动性与特征方程特征根的关系, 分别讨论了当$0\leq \theta \leq \frac{1}{2}$ 和$\frac{1}{2}<\theta \leq1$ 时数值解的振动性. 同时对非振动数值解的性质也做了研究, 最后给出了数值算例阐述了结论.

本文提出了一种带惯性项的自适应步长三算子分裂算法求解非光滑 DC 规划问题. 在适当的条件下, 证明了由算法产生的迭代序列收敛到问题的稳定点. 最后将算法应用于稀疏恢复问题, 数值实验表明新算法的有效性和优越性.

单相多组分渗流问题在油气藏、地下水污染等广泛存在, 对其进行数值模拟研究具有重要的意义.本文针对传统IMPEC(隐式压力显式摩尔密度)方法存在对所有组分不遵循质量守恒问题, 采用一种对每一组分质量守恒的保物理性IMPEC方法进行时间离散, 迎风块中心有限差分方法对压力方程、达西方程和组分方程空间离散.本文在合理的假设条件下, 对所构造的所有组分保质量守恒的特性以及摩尔密度分别进行了严格的证明.最后, 本文通过单相多组分渗流问题进行数值模拟, 验证所算法的有效性.

推导二维Sobolev方程具有空间四阶精度的紧致差分格式, 证明了紧致差分格式的收敛性. 改写差分格式为矢量形式, 利用特征投影分解(Proper Orthogonal Decomposition, 简称 POD)方法构造降维高阶紧致差分格式, 并证明了近似解的误差估计. 给出数值算例, 分别计算紧致差分格式和降维紧致差分格式的数值误差, 空间收敛阶和时间收敛阶, 验证了实验结果和理论分析相符, 进一步对比降维前后两种格式的CPU计算时间, 表明了应用POD方法用于紧致格式降维的优越性.

本文考虑一类由斜对称三对角矩阵和周期斜对称三对角矩阵结合而成的特殊矩阵, 简称为广义周期斜对称三对角矩阵. 研究了一个构造该矩阵的逆特征值问题, 即从给定的三个平衡集和一个正数中来构造该类矩阵. 首先将该矩阵酉相似于一个广义周期对称三对角矩阵, 从而来分析该矩阵的特征值与其顺序主子矩阵和尾主子矩阵的特征值之间的关系, 分别从这两个主子矩阵的谱是否有交集和尾主子矩阵阶数的奇偶性等两个方面进行讨论. 进而给出不同情形下该逆特征值问题有解的充要条件, 并且确定了解存在时的最大个数和重构算法. 最后通过两个数值算例验证了该算法的有效性.