【研究分野】数理物理・物性基礎

【研究領域課題番号】15K05202 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

頑健性・安定性 / 多様性 / 開放系 / 非平衡相転移 / 共存 / ネットワーク / 頑健性 / 安定性 / 生態系 / 経済・社会系 / 集団での追跡・逃走 / 社会系 / 自己組織的臨界性 / 進化系 / 相転移 / システミックリスク

【研究成果の概要】

生体、生態系、経済・社会等の現実の複雑な系には、新規要素の包摂と要素の消滅が繰り返されているという共通の特徴が見られる。本研究ではこのような「開放進化系」について研究代表者が簡単な理論模型に基づいて発
見した新しい頑健性決定機構について研究を行い、その普遍性と現実問題への適用の妥当性を吟味した。この結果、生態系や社会系の多くで重要な性質である「相互作用に双方向性がある場合」など拡張モデルについて新し
い発見をし、またそれを通して頑健性決定機構についてより良い理解を得ることができた。また、これらの結果については論文として出版しただけでなく、国際学会や解説記事を通じてより広く発信した。

【研究の社会的意義】

本研究で理解の深まった「開放進化系の頑健性」が多くの現実の系に共通する性質を捉えているものと考えられる。このことは実際に本研究中に行った現実系のデータとの比較解析によっても確認された。
この吟味と、相互作用に相関構造を入れた場合などの拡張モデルについて本研究課題を通じて得られた新しい知見とを合わせて、本理論研究の成果は現実の大規模系についての理解をより深くた。
また、そのことを通じて現実の系の制御・設計の原理に関しても新しい視点を与えたものと言える。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2015-04-01 - 2019-03-31

【配分額】4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)

【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】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】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)