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    图像反问题中的数学与深度学习方法
    董彬
    2019, 41 (4): 343-366.   DOI: 10.12286/jssx.2019.4.343
    摘要1767)      PDF (695KB)(1275)   
    我们生活在数字的时代,数据已经成为了我们生活中不可或缺的一部分,而图像无疑是最重要的数据类型之一.图像反问题,包括图像降噪,去模糊,修复,生物医学成像等,是图像科学中的重要领域.计算机技术的飞速发展使得我们可以用精细的数学和机器学习工具来为图像反问题设计有效的解决方案.本文主要回顾图像反问题中的三大类方法,即以小波(框架)为代表的计算调和分析法、偏微分方程(PDE)方法和深度学习方法.我们将回顾这些方法的建模思想和一些具体数学形式,探讨它们之间的联系与区别,优点与缺点,探讨将这些方法有机融合的可行性与优势.
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    一类融合逼近和插值的曲线细分
    马欢欢, 张莉, 唐烁, 檀结庆
    2019, 41 (4): 367-380.   DOI: 10.12286/jssx.2019.4.367
    摘要1121)      PDF (668KB)(732)   
    采用生成多项式为主的方法对一类融合逼近和插值三重细分格式的支撑区间、多项式生成、连续性、多项式再生及分形性质进行了分析,给出并证明了极限曲线 C k连续的充分条件.通过对融合型细分规则中参数变量的适当选择来实现对极限曲线的形状调整,从而衍生出具有良好性质的新格式,并将这类新格式与现有格式进行比较.数值实例表明这类新格式生成的极限曲线具有较好的保形性.
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    一类张量特征值互补问题
    罗刚, 杨庆之
    2019, 41 (4): 406-418.   DOI: 10.12286/jssx.2019.4.406
    摘要380)      PDF (422KB)(661)   
    矩阵特征值互补问题在力学系统领域有广泛的应用.在本文中,我们提出了一类特殊的四阶张量特征值互补问题,它是矩阵特征值互补问题的推广.我们对该特征值互补问题解的存在性,计算复杂度等性质进行了初步的研究.在一定条件下,我们建立了该互补问题同一类非线性约束优化问题的等价性联系,并由此提出了平移投影幂法来求解该特征值互补问题.
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    二阶锥线性互补问题的广义模系矩阵分裂迭代算法
    李枝枝, 柯艺芬, 储日升, 张怀
    2019, 41 (4): 395-405.   DOI: 10.12286/jssx.2019.4.395
    摘要380)      PDF (380KB)(621)   
    通过将二阶锥线性互补问题转化为等价的不动点方程,介绍了一种广义模系矩阵分裂迭代算法,并研究了该算法的收敛性.进一步,数值结果表明广义模系矩阵分裂迭代算法能够有效地求解二阶锥线性互补问题.
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    弱有限元方法在线弹性问题中的应用
    张然
    2020, 42 (1): 1-17.   DOI: 10.12286/jssx.2020.1.1
    摘要577)      PDF (482KB)(595)   
    本文考虑弱有限元(简称WG)方法在线弹性问题中的应用.WG方法是传统有限元方法的推广,用于偏微分方程的数值求解.和传统有限元一样,它的基本思想源于变分原理.WG方法的特点是使用在剖分单元内部和剖分单元边界上分别有定义的分片多项式函数(即弱函数)作为近似函数来逼近真解,并针对弱函数定义相应的弱微分算子代入数值格式进行计算.除此之外,WG方法允许在数值格式中引进稳定子以实现近似函数的弱连续性.WG方法具有允许使用任意多边形或多面体剖分,数值格式与逼近函数构造简单,易于满足相应的稳定性条件等优点.本文考虑WG方法在求解线弹性问题中的应用.围绕线弹性问题数值求解中常见的三个问题,即:数值格式的强制性,闭锁性,应力张量的对称性介绍WG方法在线弹性问题求解中的应用.
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    非定常对流扩散方程保正格式解的存在性
    张燕美, 兰斌, 盛志强, 袁光伟
    2019, 41 (4): 381-394.   DOI: 10.12286/jssx.2019.4.381
    摘要380)      PDF (927KB)(578)   
    本文发展了非定常对流扩散方程的非线性保正格式.该格式为单元中心型有限体积格式,保持局部通量的守恒性,适用于任意星形多边形网格,本文证明了该离散格式解的存在性,并给出数值结果,表明该格式具有二阶精度.
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    矩阵形式二次修正Maxwell-Dirac系统的多尺度算法
    付姚姚, 曹礼群
    2019, 41 (4): 419-439.   DOI: 10.12286/jssx.2019.4.419
    摘要324)      PDF (4591KB)(577)   
    带二次修正项的Dirac方程在拓扑绝缘体、石墨烯、超导等新材料电磁光特性分析中有着十分广泛的应用.本文工作的创新点有:一是首次提出了矩阵形式带有二次修正项的Dirac方程,它是比较一般的数学框架,涵盖了上述材料体系很多重要的物理模型,具体见附录A;二是针对上述材料体系的电磁响应问题,提出了有界区域Weyl规范下具有周期间断系数矩阵形式带二次修正项Maxwell-Dirac系统的多尺度渐近方法,结合Crank-Nicolson有限差分方法和自适应棱单元方法,发展了一类多尺度算法.数值试验结果验证了多尺度渐近方法的正确性和算法的有效性.
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    复合凸优化的快速邻近点算法
    郦旭东
    2020, 42 (4): 385-404.   DOI: 10.12286/jssx.2020.4.385
    摘要554)      PDF (598KB)(576)   
    在大数据时代,随着数据采集手段的不断提升,大规模复合凸优化问题大量的出现在包括统计数据分析,机器与统计学习以及信号与图像处理等应用中.本文针对大规模复合凸优化问题介绍了一类快速邻近点算法.在易计算的近似准则和较弱的平稳性条件下,本文给出了该算法的全局收敛与局部渐近超线性收敛结果.同时,我们设计了基于对偶原理的半光滑牛顿法来高效稳定求解邻近点算法所涉及的重要子问题.最后,本文还讨论了如何通过深入挖掘并利用复合凸优化问题中由非光滑正则函数所诱导的非光滑二阶信息来极大减少半光滑牛顿算法中求解牛顿线性系统所需的工作量,从而进一步加速邻近点算法.
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    电子结构计算的数值方法与理论
    戴小英
    2020, 42 (2): 131-158.   DOI: 10.12286/jssx.2020.2.131
    摘要665)      PDF (690KB)(553)   
    第一原理电子结构计算已成为探索与研究物质机理、理解与预测材料性质的重要手段和工具.虽然第一原理电子结构计算取得了巨大的成功,但是如何利用高性能计算机又快又好地计算大规模体系,如何从数学角度理解电子结构模型的合理性与计算的可靠性和有效性,依然充满各种挑战.基于密度泛函理论的第一原理电子结构计算的核心数学模型为Kohn-Sham方程或相应的Kohn-Sham能量泛函极小问题.近年来,人们分别从非线性算子特征值问题的高效离散及Kohn-Sham能量泛函极小问题的最优化方法设计两个方面对电子结构计算的高效算法设计及分析展开了诸多研究.本文重点介绍我们小组在电子结构计算的方法与理论方面的一些进展,同时简单介绍该领域存在的困难与挑战.
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    带乘性噪声的空间分数阶随机非线性Schrödinger方程的广义多辛算法
    刘子源, 梁家瑞, 钱旭, 宋松和
    2019, 41 (4): 440-452.   DOI: 10.12286/jssx.2019.4.440
    摘要404)      PDF (1466KB)(531)   
    带乘性噪声的空间分数阶随机非线性Schrödinger方程是一类重要的方程,可应用于描述开放非局部量子系统的演化过程.该方程为一个无穷维分数阶随机Hamilton系统,且具有广义多辛结构和质量守恒的性质.针对该方程的广义多辛形式,在空间上采用拟谱方法离散分数阶微分算子,在时间上则采用隐式中点格式,构造出一类保持全局质量的广义多辛格式.对行波解和平面波解等进行数值模拟,结果验证了所构造格式的有效性和保结构性质,时间均方收敛阶约在0.5到1之间.
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    深度学习中残差网络的随机训练策略
    孙琪, 陶蕴哲, 杜强
    2020, 42 (3): 349-369.   DOI: 10.12286/jssx.2020.3.349
    摘要231)      PDF (1584KB)(485)   
    为了有效提高深度学习模型在实际应用场景中的泛化能力,近年来工业界和学术界对神经网络训练阶段所采用的加噪技巧给予了高度关注.当网络模型架构中的待求参数固定时,修正方程的思想可以被用来刻画随机训练策略下数据特征的传播过程,从而看出在恰当位置添加剪枝层后的残差网络等价于随机微分方程的数值离散格式.建立这两者间的对应关系使得我们可以将残差网络的随机训练过程与求解倒向柯尔莫哥洛夫方程的最优控制问题联系起来.该发现不仅使得人们可以从微分方程及其最优控制的角度来研究加噪技巧所带来的正则化效应,同时也为构建可解释性强且有效的随机训练方法提供了科学依据.本文也以二分类问题作为简例来对上述观点做进一步的阐述和说明.
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    中国计算数学奠基人冯康
    2020, 42 (3): 258-259.   DOI: 10.12286/jssx.2020.3.258
    摘要159)      PDF (9198KB)(471)   
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    基于辛格式的深度哈密尔顿神经网络
    祝爱卿, 金鹏展, 唐贻发
    2020, 42 (3): 370-384.   DOI: 10.12286/jssx.2020.3.370
    摘要191)      PDF (2717KB)(386)   
    HNN是一类基于物理先验学习哈密尔顿系统的神经网络.本文通过误差分析解释使用不同积分器作为超参数对HNN的影响.如果我们把网络目标定义为在任意训练集上损失为零的映射,那么传统的积分器无法保证HNN存在网络目标.我们引进反修正方程,并严格证明基于辛格式的HNN具有网络目标,且它与原哈密尔顿量之差依赖于数值格式的精度.数值实验表明,由辛HNN得到的哈密尔顿系统的相流不能精确保持原哈密尔顿量,但保持网络目标;网络目标在训练集、测试集上的损失远小于原哈密尔顿量的损失;在预测问题上辛HNN较非辛HNN具备更强大的泛化能力和更高的精度.因此,辛格式对于HNN是至关重要的.
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    计算神经科学
    周栋焯
    2021, 43 (2): 133-161.   DOI: 10.12286/jssx.j2021-0772
    摘要359)      PDF (1540KB)(342)   
    计算神经科学是近三十年来出现的一个新兴交叉学科,它强调采用数学定量的方法,如数学建模、理论分析和数值模拟等来研究和解决神经科学中的重要科学问题,一方面神经科学实验现象为发展新的数学模型、理论和算法提供了基础,另一方面通过数学定量,能反过来揭示神经科学实验现象背后的数理机制,发现新的科学规律.随着欧盟、美国、日本和我国脑计划的陆续推出,对大脑的探索已成为重要的前沿科学领域,同时随着数据科学、机器学习等领域的兴起,研究如何借鉴大脑的工作原理来实现类脑计算以及人工智能也成为了世界大国科技竞争的战略制高点.鉴于此,计算神经科学作为连接大脑神经科学与类脑人工智能两大研究领域的桥梁,在前沿科学领域和国家战略需求中的地位变得越来越重要.计算神经科学研究领域的发展,对于推动神经科学与数学、物理、统计、计算机、人工智能等其他自然科学学科及工程应用学科之间的共进发展,以及综合利用不同学科的优势互补来取得从零到一的重要科学突破有着重大意义.
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    求解加权线性最小二乘问题的一类预处理GAOR方法
    王丽, 罗玉花, 王广彬
    2020, 42 (1): 63-79.   DOI: 10.12286/jssx.2020.1.63
    摘要189)      PDF (354KB)(339)   
    为了快速求解一类来自加权线性最小二乘问题的2×2块线性系统,本文提出一类新的预处理子用以加速GAOR方法,也就是新的预处理GAOR方法.得到了一些比较结果,这些结果表明当GAOR方法收敛时,新方法比原GAOR方法和之前的一些预处理GAOR方法有更好的收敛性.而且,数值算例也验证了新预处理子的有效性.
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    中立型随机延迟微分方程分裂步 θ方法的强收敛性
    彭捷, 代新杰, 肖爱国, 卜玮平
    2020, 42 (1): 18-38.   DOI: 10.12286/jssx.2020.1.18
    摘要298)      PDF (411KB)(304)   
    中立型随机延迟微分方程常出现在一些科学技术和工程领域中.本文在漂移系数和扩散系数关于非延迟项满足全局Lipschitz条件,关于延迟项满足多项式增长条件以及中立项满足多项式增长条件下,证明了分裂步 θ方法对于中立型随机延迟微分方程的强收敛阶为1/2.数值实验也验证了这一理论结果.
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    边界元方法的一些研究进展
    刘阳, 李金, 胡齐芽, 贾祖朋, 余德浩
    2020, 42 (3): 310-348.   DOI: 10.12286/jssx.2020.3.310
    摘要164)      PDF (833KB)(293)   
    本文旨在综述我们小组近二十年来在边界元方法这一领域的一些研究成果,在简要介绍边界元方法的基本思想后,主要介绍了一类非线性界面问题的有限元-边界元耦合方法、求解电磁散射问题的有限元-边界元耦合方法和超奇异积分的一类计算方法.
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    可压缩流体力学高精度拉格朗日格式及其保正性质
    成娟, 舒其望
    2020, 42 (3): 261-278.   DOI: 10.12286/jssx.2020.3.261
    摘要172)      PDF (496KB)(284)   
    本文对可压缩流体力学高精度拉格朗日格式及其保正性质近年来的发展给出回顾与综述.文中分别介绍了一维、二维可压缩流体力学方程中心型拉格朗日格式的设计步骤,回顾了高精度拉格朗日格式以及高精度保正拉格朗日格式的研究进展.
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    广义鞍点问题的改进的类SOR算法
    张纯, 贾泽慧, 蔡邢菊
    2020, 42 (1): 39-50.   DOI: 10.12286/jssx.2020.1.39
    摘要253)      PDF (430KB)(279)   
    针对广义鞍点问题,本文提出了一个改进的类逐次超松弛迭代算法,在较弱的条件下,分析了算法的收敛性及线性收敛率.新算法的每步计算量与已有的算法类似,都是需要(近似)求解线性方程组,但新算法有更好的灵活度通过合适地选取参数矩阵,每一步子问题可以容易地求解,甚至可以有闭式解(closed-form solution).数值实验结果显示了新算法的有效性.
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    正则化HSS预处理鞍点矩阵的特征值估计
    曹阳, 陈莹婷
    2020, 42 (1): 51-62.   DOI: 10.12286/jssx.2020.1.51
    摘要209)      PDF (438KB)(256)   
    最近,Bai和Benzi针对鞍点问题提出了一类正则化HSS(Regularized Hermitian and skew-Hermitian splitting,RHSS)预处理子(BIT Numer.Math.,57(2017)287-311).为了进一步分析RHSS预处理子的效果,本文重点研究了RHSS预处理鞍点矩阵特征值的估计,分析了复特征值实部和模的上下界、实特征值的上下界,还给出了特征值均为实数的充分条件.当正则化矩阵取为零矩阵时,RHSS预处理子退化为HSS预处理子,分析表明本文给出的复特征值实部的界比已有的结果更精确.数值算例验证了本文给出的理论结果.
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