We introduce an efficient stochastic interacting particle-field (SIPF) algorithm with no history dependence for computing aggregation patterns and near singular solutions of parabolic-parabolic Keller-Segel (KS) chemotaxis system in three space dimensions (3D). The KS solutions are approximated as empirical measures of particles coupled with a smoother field (concentration of chemo-attractant) variable computed by the spectral method. Instead of using heat kernels causing history dependence and high memory cost, we leverage the implicit Euler discretization to derive a one-step recursion in time for stochastic particle positions and the field variable based on the explicit Green's function of an elliptic operator of the form Laplacian minus a positive constant. In numerical experiments, we observe that the resulting SIPF algorithm is convergent and self-adaptive to the high gradient part of solutions. Despite the lack of analytical knowledge (e.g. a self-similar ansatz) of the blowup, the SIPF algorithm provides a low-cost approach to study the emergence of finite time blowup in 3D by only dozens of Fourier modes and through varying the amount of initial mass and tracking the evolution of the field variable. Notably, the algorithm can handle at ease multi-modal initial data and the subsequent complex evolution involving the merging of particle clusters and formation of a finite time singularity.


翻译:我们提出了一种高效的、无历史依赖性的随机相互作用粒子-场(SIPF)算法,用于计算三维空间(3D)中抛物-抛物Keller-Segel(KS)趋化系统的聚集模式及近奇异解。KS解通过粒子的经验测度与由谱方法计算的平滑场变量(化学吸引物浓度)耦合来进行近似。为避免使用热核导致的历史依赖性和高内存成本,我们利用隐式欧拉离散化,基于椭圆算子(形式为拉普拉斯算子减去一个正常数)的显式格林函数,推导出随机粒子位置和场变量的单步时间递归。在数值实验中,我们观察到所得的SIPF算法是收敛的,并能自适应于解的高梯度区域。尽管缺乏对爆破的分析性知识(例如自相似假设),SIPF算法仅需数十个傅里叶模式,并通过改变初始质量大小以及跟踪场变量的演化,即可低成本地研究三维有限时间爆破的出现。值得注意的是,该算法能轻松处理多模态初始数据及其后续涉及粒子团簇合并和形成有限时间奇异性的复杂演化过程。

0
下载
关闭预览

相关内容

IFIP TC13 Conference on Human-Computer Interaction是人机交互领域的研究者和实践者展示其工作的重要平台。多年来,这些会议吸引了来自几个国家和文化的研究人员。官网链接:http://interact2019.org/
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
35+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
61+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年11月5日
VIP会员
最新内容
《无人机对海面作战影响评估》
专知会员服务
11+阅读 · 7月21日
印度精确打击与指挥架构的断层
专知会员服务
6+阅读 · 7月20日
美空军AI完成F-16战斗机自主空战历史性试飞
专知会员服务
6+阅读 · 7月20日
深入Project Maven:为何人工智能在战场上依然失灵
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员