【研究分野】基礎解析学

【研究領域課題番号】18340042 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

Navier-Stokes equations / Stokes equations / water waves / free boundary problem / slip boundary conditions / crack problem / domain with piecewise continuous boundary / Navier slip condition / sector domain / stability / 国際研究者交流 / ロシア:アメリカ:ポーランド / global solution / self-gravitation / radiative and reactive gas / piecewise smooth boundary / overlapping domain problem / inhomogeneous fluid-like body / Navier Stokes equations / sector / shape derivative / nonlinear parabolic system

【研究成果の概要】

連続体および連続体近似できる自然現象の数理モデル方程式を数学解析し, 次のような研究成果が得られた(主要なもののみ記す).
(1) Navier-Stokes方程式, Stokes 方程式に対して, 区分的に連続な境界を持つ領域, 角領域での強解の一意存在 ; (2) Navier-Stokes方程式に対して, 滑り境界条件(Navier型, 閾値型) 下での強解の一意存在 ; (3) 水の波(渦なし非圧縮Euler方程式の自由境界問題) の長波近似, 浅水波近似の正当化 ; (4) 自己重力作用下での流体星(化学的に活性な圧縮性粘性流体) の1次元問題および3次元球対称問題の滑らかな時間大域解の一意存在 ; (5) 弾性体に対するいくつかの亀裂問題の可解性.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2006 - 2008

【配分額】10,090千円 (直接経費: 8,500千円、間接経費: 1,590千円)

【研究分野】大域解析学

【研究領域課題番号】18340045 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

エネルギー消散 / 非線形現象 / 相転移 / 力学系 / 変分不等式 / 力学系の安定性 / 相転移現象 / 安定性理論 / 自由境界問題 / 安定性

【研究成果の概要】

環境問題等、人間生活に深く関わる非線形で複雑な現象のメカニズムの解明を目的とした数学理論の構築と、その活用を物質科学・生命科学に現れる具体的な問題を対象に試みた。本研究の過程で、新しい数学理論が展開され、それにより幾つかの未解決問題への有効なアプローチが見つかった。これは、本研究の最も大きい成果と言える。さらに、この新しい数学理論は、それを基盤とした「生活数学」の創生へ発展している。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2006 - 2009

【配分額】12,740千円 (直接経費: 10,400千円、間接経費: 2,340千円)

【研究分野】大域解析学

【研究領域課題番号】15340054 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ナビエ・ストークス方程式 / 初期値問題 / 自由表面 / 群対称性 / 安定性 / 渦糸 / 渦輪 / 特異積分 / パターン形成 / 対称性 / 水面波 / 漸近挙動 / Navier-Stokes方程式 / 自由境界問題 / 漸近形 / パターン形式

【研究成果の概要】

代表者宮川は,2次元と3次元の外部領域における非圧縮粘性流を扱い,流れの時間・空間減衰度と運動方程式の解の対称性の関係を明らかにした.特に2次元外部問題においてほぼ最終的な結果を得た.その研究の副産物として,2次元外部領域での非圧縮完全流体に関するダランベールの逆理と,対応する圧力場の可積分性との間の明確かつ密接な関係を見出した.この方向での3次元流の研究を現在進めている.分担者福本は,粘性渦の運動と形状変化を研究し,非局所誘導モデルを採用して特異摂動の手法をそれに適用し,渦糸や渦輪の位相的形状変化について考察し,渦の安定性に対して渦の曲率等の幾何学的性質がどのように寄与するかという問題に関して新しい知見を得た.分担者菱田は,回転物体の周囲の流れを初めて数学的に厳密に考察し,新しい特異積分作用素のクラスを発見してその詳しい解析を行い,その結果を駆使して,当該問題に対し,定常流と非定常流に関する新しい存在定理を証明した.同時にまた有限個の穴で結ばれた半空間での流れの問題を扱い,非定常流の存在について従来知られた結果を改良した.分担者井口は,気体の1次元運動方程式を考察し,流れの自由境界面の研究から得た知見を応用して,この方程式の新しい解法を見出し,それが従来の方法にくらべて物事の本質により迫るものであって,従ってより広い応用範囲を持つことを示した.この研究は気体の運動方程式を取り扱う際の本質的な難点がどこにあるかを明らかにしたもので,注目に値する.さらに井口は周期的な底をもつ浅い流れの自由表面の形状を,分岐理論を用いて分類した.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2003 - 2005

【配分額】15,300千円 (直接経費: 15,300千円)

【研究分野】大域解析学

【研究領域課題番号】13440052 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

相転移現象 / 力学系の安定性 / ステファン問題 / 大域的アトラクター / 劣微分作用素 / 非線形発展方程式 / 非 / -* / 線形発展方程式 / 相転移 / アトラクター / 自由境界問題 / 結晶成長過程 / 安定性

【研究成果の概要】

本研究計画の課題は
(1)相転移現象のモデル化と数学理論の開発
(2)関連の最適制御問題の設定と数値シミュレーション
(3)研究成果の学校教育への還元
の3つであった。課題(1)では、熱力学の基本法則を基盤にして、相転移を伴う物質の数学的表現を通し、時間の発展と共に物質の構造(相変化、成分分離、破壊、原子の秩序)がどのように変化するかを力学系理論の立場から考察した。特に、研究計画後半の2年間、破壊のプロセスを念頭に置いた不可逆相転移現象のモデルのクラスを提案し、その数学理論の開発を行った。15年間構築されてきた、劣微分作用素論とうまく融合したことにより、予想以上の成果が得られた。課題(2)についても、ヒステリシス関数を制御パラメータとする最適制御問題の理論的研究はほぼ目的を達成し、部分的な数値シミュレーションを実行した。計算アルゴリズムについてはまだまだ改良の余地が多く残されている。上記の2課題(1)、(2)について、多くの学術論文が本研究計画の成果として発表された。また、この研究計画期間中に、国際研究集会を2度主催し、国際的レベルでの活動を積極的に行った。
課題(3)については、本研究計画で主催した研究集会「相転移現象の数学と関連した数学教育」において多くの実践研究の成果が報告された。その内容は、時間と共に刻々と変化する(身の回りの)現象に着目し、その力学系の学校教育教材としての付加価値を検証し、実践を行った報告である。これらの教材開発研究は生きた「数学」の学習を体感させるための新教材として発展する可能性が期待され、今後の研究の新展開が大いに注目されている。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2001 - 2004

【配分額】11,500千円 (直接経費: 11,500千円)

【研究分野】数学一般(含確率論・統計数学)

【研究領域課題番号】11440025 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

安定性 / 逆問題 / インピーダンス・トモグラフィー / 自由境界問題 / 有限要素法 / 多倍数計算 / カールマン・フィルター / 多倍長計算 / 幾何形状決定 / 係数決定 / インピーダンス・トモグラフィ

【研究成果の概要】

本研究は、応用数理学に現れる逆問題についてその数学解析とその成果に基づいた数値解析手法を提案することが主要目的であった。それとともに広く応用分野に登場する関連問題についても逆問題の観点から数値的な研究を実施し、本研究課題に適用できる可能性のある数値計算法の基盤を準備することも目指した。
逆問題の数学解析の点では本研究課題を通じて、大きな成果を納めることができたと考えている。さらに数学解析の成果を踏まえた数値解析手法の開発では、いくつかの注目すべき方法か提案され数値実験で有効性が確かめられたが、実データとの照合などまだ課題が残されており、研究の継続か大いに必要である。最後に、逆問題関連の数値解析の研究では、各分担者の専門的知見を活かして特色のある成果をあげることができた。さらには、外国人研究者によるサーベイや国際会誌での活発な成果もおこなった。
以下、研究成果についてやや具体的に述べる。まず、本研究課題を通じて得られた知見を盛り込んで、逆問題解析の数学と数値解析手法に関するやや入門的な解説書として研究代表者は分担者の登坂宣好氏、大西和榮氏とともに『逆問題の数理と解法』東京大学出版会,1999年)を出版した。その他、大西氏、登坂氏、磯祐介氏、河原田秀夫氏、三好哲彦氏、木村正人氏、牛島照夫氏、加古孝氏は逆問題やそれと深く関連した応用数理学に現れる問題に対して数値解析手法を発展させた。さらに、逆問題の理論的な研究は、中村玄氏、斎藤三郎氏、池畠優氏、田沼一実氏、久保雅義氏によって実施された。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1999 - 2001

【配分額】11,800千円 (直接経費: 11,800千円)

【研究分野】大域解析学

【研究領域課題番号】11640197 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

相転移 / 劣微分作用素 / 相分離 / ステファン問題 / 自由境界問題 / アトラクター / 非線形発展方程式 / 安定性

【研究成果の概要】

本プロジェクトでは、線形・非線形作用素論から反応拡散系方程式、波動方程式、シュレディンガー方程式、相転移モデルやそれに関連する数値解析に至るまで実に多様な研究成果が得られた。特に、学際的見地に立った極めてレベルの高い研究が発表されている。例えば下記のような研究結果が上げられる。
●環境問題に関連して、広島湾における赤潮の発生メカニズムに関する数学的解析と数値シミレーションを行った。これは非線形発展方程式理論の立場から環境問題の解決に積極的に寄与しようとする試みである。また、火山の噴火に伴う溶岩流の凝固現象を非柱状領域のステファン問題として捉え劣微分作用素論の立場からモデリングをした。
●メゾスコピックスケールでの液体・固体相転移現象のモデルとして得られた非線形放物型方程式系の安定性理論を展開した。こめ理論では、全く新しい「(空間的)局所安定性」の概念が導入され、定常解の安定性の特徴づけがこの概念で行われている。この概念は、物理的には相(液相・固相)の消滅や成長のメカニズムを説明するもので極めて重要である。
●様々な非線形現象を力学系として捉えたとき、時刻と共に現象がどのように進んでいくか、或はどのような挙動に近づいているか等を数学的に評価する手段として大域的アトラクターの概念がある。多くの非線形現象モデルに対応する十分一般的力学系に対しその大域的アトラクターの構成法を確立した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1999 - 2000

【配分額】3,600千円 (直接経費: 3,600千円)