COEスタッフ
事業推進担当者COE研究員COE事務室
事業推進担当者
教官氏名 中尾充宏 (NAKAO Mitsuhiro T.)
所属部局名、
学科部門名
数理学研究院数理科学部門
職名 教授
電子メール mtnakao@math.kyushu-u.ac.jp
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電話番号 092-642-2761
FAX番号 092-642-2779
取得学位 理学博士・九州大学・1984年4月
専門分野 偏微分方程式の解に対する数値的検証法、精度保証付き数値計算法、計算機支援解析学
研究・教育・
社会活動概要
近年、計算機の目ざましい発展と相まって、大規模連立1次方程式や非線形連立方程式など、有限次元問題の数値解を、厳密解の存在と一意性および存在範囲の保証付きで求めることが、理論的にも実用的にも高い精度で可能となりつつある。この様な計算法は数値的検証法または精度保証付き数値計算法と呼ばれており、微分方程式を始めとする無限次元の問題に対しても、同じ方向でのアプローチが盛んになっている。これは近似計算の厳密なa posteriori誤差評価という計算の品質保証の意味とともに、理論的研究が困難な解析学上の問題に対する計算機支援証明(computer assisted proof)という観点からも世界的に注目を集めている。特に常微分方程式の場合には、区間解析の直接の応用を含め、無限次元への飛躍を克服したいくつもの研究が進められ、それらの中には既に十分な実用性を持ち、多方面に多くの活用を見ている。

一方、偏微分方程式の場合、区間解析の適応性に関する本質的難点や、高精度計算に適した関数空間設定の難しさ、あるいは大規模保証付き計算そのものの困難性もあって、未だ実際的な研究例が非常に少ないのが現状である。筆者(中尾)は、楕円型境界値問題の有限要素近似とその構成的a priori誤差評価を、区間解析と有効に組み合わせることにより、厳密解が計算機上で捉えられことを、1988年世界に先駆けて立証した。 その後、周辺の研究協力者の支援も得て、この原理にもとづく研究を進め、 現在までに2階半線形楕円型方程式のDirichlet問題については、検証精度・効率お よび適用領域の点で実用レベルに達する成果を上げている。さらに、最近では定常 Navier-Stokes方程式や変分不等式、あるいは楕円型作用素の固有値問題および逆固 有値問題にまで研究対象を広げて検討を続けている。また、理論解析が困難な Navier-Stokes方程式支配下の熱対流問題に対し分岐解存在の計算機支援証明を行う など、応用解析学上の実際問題への適用も積極的に手がけている。なお、これらの研 究において、最近では有限要素法以外にスペクトル法の構成的誤差評価も取り入れ、 一層検証の効率化・高精度化を実現している。

研究のキーワード 数値解析 ,精度保証付き数値計算 ,偏微分方程式の解の数値的検証 ,有限要素法の構成的誤差評価 ,計算機支援解析学
研究業績
[1]  Nakao, M.T., A numerical approach to the proof of existence of solutions for elliptic problems, Japan Journal of Applied Mathematics 5 (1988), 313-332.
[2]  Nakao, M.T., A numerical verification method for the existence of weak solutions for nonlinear boundary value problems, Journal of Mathematical Analysis and Applications 164 (1992), 489-507.
[3]  Watanabe, Y. \& Nakao, M.T., Numerical verifications of solutions for nonlinear elliptic equations, Japan Journal of Industrial and Applied Mathematics 10 (1993), 165-178.
[4]  Nakao, M.T., Solving nonlinear elliptic problems with result verification using an $H^{-1}$ residual iteration, Computing, Supplementum 9 (1993), 161-173.
[5]  Yamamoto, N. \& Nakao, M.T., Numerical verifications of solutions for elliptic equations in nonconvex polygonal domains, Numerische Mathematik 65 (1993), 503-521.
[6]  Yamamoto, N. \& Nakao, M.T., Numerical verifications for solutions to elliptic equations using residual iterations with higher order finite element, Journal of Computational and Applied Mathematics 60 (1995), 271-279.
[7]  Watanabe, Y., Nakao, M.T. \& Yamamoto, N., Verified computation of solutions for nondifferentiable elliptic equations related to MHD equilibria, {\it Nonlinear Analysis, Theory, Methods and Applications} 28, (1997), 577-587.
[8]  Tsuchiya, T. \& Nakao, M.T., Numerical verification of solutions of parametrized nonlinear boundary value problems with turning points, Japan Journal of Industrial and Applied Mathematics 14 (1997), 357-372.
[9]  Nakao, M.T. \& Yamamoto, N., Numerical verification of solutions for nonlinear elliptic problems using $L^{\infty}$ residual method, Journal of Mathematical Analysis and Applicatons {\bf 217}, (1998), 246-262.
[10] Nakao, M.T., Yamamoto, N. \& Kimura, S., On best constant in the optimal error stimates for the $H^1_0$-projection into piecewise polynomial spaces, Journal of Approximation Theory {\bf 93}, (1998), 491-500.
[11] Nakao, M.T., Yamamoto, N. \& Watanabe, Y., A posteriori and constructive a priori error bounds for finite element solutions of Stokes equations, Journal of Computational and Applied Mathematics 91(1998), 137-158.
[12] 中尾充宏・山本野人,「精度保証付き数値計算」, 日本評論社, 1998.
[13] Nakao, M.T., Yamamoto, N. \& Nagatou, K., Numerical verifications of eigenvalues of second-order elliptic operators, Japan Journal of Industrial and Applied Mathematics 16 (1999), 307-320.
[14] Nakao, M.T., Lee, S.H. \& Ryoo, C.S., Numerical verification of solutions for elasto-plastic torsion problems, Computers \& Mathematics with Applications 39 (2000), 195-204.
[15]  Nakao, M.T., Watanabe, Y. \& Yamamoto, N., Verified numerical computations for an inverse elliptic eigenvalue problem with finite data, Japan Journal of Industrial and Applied Mathematics 18 (2001), 587-602.
[16]  Toyonaga, K., Nakao, M.T. \& Watanabe, Y., Verified numerical computations for multiple or nearly multiple eigenvalues for elliptic operators, Journal of Computational and Applied Mathematics 147 (2002) 175-190.
[17]  Nakao, M.T., Watanabe, Y., Yamamoto, N. \& Nishida, T., Some computer assisted proofs for solutions of the heat convection problems, Reliable Computing 9 (2003), 359-372.
所属学会名 日本数学会(九州支部評議員 1995、応用数学分科会評議員 1998−1999)、日本応用数理学会(評議員 2000−)、情報処理学会、日本計算工学会
教育活動 大学院教育:これまでに指導した大学院生数は、博士後期課程8名(うち課程博士取得者 3名、論文博士取得者 1名)、博士前期課程16名。
現在指導中の大学院生は、博士後期課程1名、博士前期課程1名。
社会連携活動
(論文誌等編集委員)
1. 日本応用数理学会論文誌編集委員(1996-1997年度)
2. 精度保証付き数値計算に関する専門国際論文誌(Kluwer Academic Publishers発行)
"Reliable Computing" 編集委員(1991-現在)
3. 数値解析の専門国際論文誌(Elsevier社発行)"Journal of Computational and Applied Mathematics"編集委員(2000-現在)
(その他)
1. 京都大学数理解析研究所専門委員会委員(1997ー2001)
その他 数学科長(1996年度)、評議員(2000ー2001)、数理学研究院長(2002−現在)
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