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離散勾配法の幾何学的構造の解明および変分原理との融合による新手法

石川, 歩惟 神戸大学

2020.03.25

概要

自励系Hamilton方程式に対し,離散勾配法は,エネルギー保存則を離散化後も厳密に保つスキームを与える数値解法である.Hamilton力学において,ハミルトニアンは・-般に系のエネルギーを表す.したがって,エネルギー保存則は,ハミルトニアンの時間微分がゼロであることより従う.技術的には,ハミルトニアンに関する連鎖律とHamilton方程式自身,さらに方程式の構成要素である歪随伴作用素の3っを用いて証明できる.離散勾配法では,このエネルギー保存則の証明が離散版でも再現されるようにスキームを構成する.特に連鎖律は勾配を特徴づける数学的性質であり,これが再現されるよう注意深く勾配を離散化しなければならない.このように構成した勾配を離散勾配という.離散勾配法によるスキームは,方程式中の勾配を離散勾配に置き換えるなどして得られ,Runge-Kutta法などと比べて長時間計算にも耐えうる髙い安定性を示すことが多い.

離散勾配法に関し,本論文において著者が重視するのは次の2点である.1つ目は,離散勾配法はエネルギー保存則という力学的性質を再現するものである一方,そのために導入する離散勾配は連鎖律という数学的性質を技術的に再現している点である.すなわち,力学的な榊造を陽に用いる方法ではない.中でも,変分原理は解析力学の基本を成す重要な原理である.実際,離散版変分原理を用いてスキームを設計ずる方法ではこれを解析や応用に巧みに利用し,近年急速な発展を見せている.しかし,力学的構造を利用しない離散勾配法は,このように力学理論に倣った自然な発展が困難である.2つ目は,得られるスキームが陰的であり,工学応用上3つの懸念が生じる点である.陰的スキームは,一般にNewton法などを用いて近似解を求める.ここに,反復回数に応じた計算コストの問題,近似解を獲得することによる厳密なエネルギー保存性の欠如の問題がある・本論文では,上記2点の問題に対する1つの答えをそれぞれに与える.

第I部では,離散勾配法が実は力学に忠実な方法であることを数学的に証明する.第2章では,本研究の発端となった,Webster方程式に対する離散勾配法の適用結果について述べる,Webster方程式は音声系の現象のモデル式である.音波は一般に数百へルツ以上の髙周波であり,短時間の数値計算でも膨大な時間ステップ数が要求される長時間計算に分類される.そのため,離散勾配法などを用いた安定性の髙いスキームの設計が欠かせない.特に,係数の少ないスキームは良い結果を与えやすいことが経験的に知られている.このことに係わると予想されるのが,内積,すなわちRiemann構造である.勾配は関数の等値面に垂直なベクトルであることから,角度を定義するために内積の導入が不可欠である.これは離散勾配にっいても同様であり,離散勾配法にも相空間への内積の導入が必要である.ここでどのような内積を用いるかにより,離散勾配の具体形が変化する.これを利用し, 自然に重みづけした内積を用いてWebster方程式に対する係数の少ないスキームの設計を目指した.ところが予想に反し,こうして得られたスキームは,重みのない標準的な内積を用いた場合のスキームと一致する.

しかし,この結果は,離散勾配法がRiemann構造に関する不変性をもつことを示唆する重要な結果である.第3章ではこの予想をもとに,離散勾配法のRiemann構造不変性を証明する.Riemann構造不変性は,Hamilton方程式には本質的に備わるものである.実際, HamUton方程式は内積や勾配を用いず,双対空間にあたるシンプレクティック空間上で関数の等式として記述することができる.Hamilton方程式の各要素は導入するRiemann構造によってその形を変えるが,それらは本質的に等価であり,双対空間上の表現を代表元とする同値類に分類できる.離散勾配法にもこうした構造が本質的に備わっており,スキームがこのような同値類に分類できると著者らは予想した.ただし,連続の場合の勾配と異なり,離散勾配は一意に定まらないという性質がある.一般の内積を用いた場合の離散勾配がどう定義されるべきか幾何学的観点から考察し,離散勾配の自由度も含めて同値類を構成する.

第4章では,第3章で定めた同値類の同値条件に基づき,離散勾配法をシンブレクティック幾何学的に再定式化する.加えて,離散微分を,勾配だけでなく変数の時間微分などのあらゆる微分を統一的に扱う離散接写像に拡張することで,離散勾配法の理論を「離散微分法Jとして再構築する.これらの研究により,本来必要のない構造が取り除かれて本質的に離散化が必要な部分が明確化され,高精度化などの理論的な研究の見通しが良くなると期待される.また,Hamilton方程式のシンプレクティック空間上での表現は,特に偏微分方程式に適用した場合には自然に弱形式を導く.したがって,有限要素法による自然な離散化が可能であると期待される.変分原理により本来自然に導出されるのも,双対空間上の運動方程式である.そのため,離散勾配法と変分原理との自然な関係が明らかになり, 離散勾配法の発展の一助となる可能性がある.

第Ⅱ部では,離散勾配法と変分原理の関係を探る.具体的な手段としては,エネルギー保存スキームが導かれるような離散版変分原理を用い,得られたスキームを比較する方法が考えられる.この方法では,導出されるスキームが離散勾配法のものと一致しなければ,あくまでも離散勾配法と変分原理を融合した別物・であるという結論しか得られない.しかし,先述したように,離散勾配法には陰的スキームが得られることに起因する幾っかの懸念がある.もしも陽的スキームを導く方法が得られるならば,先述の離散勾配法の2つの弱点を補う新手法が誕生することとなる.そこで,第Ⅱ部ではそうした新手法開発への期待も込め,このアプローチを採用する.これに関し,離散勾配法をLagrange力学的に定式化 することを目的とした研究が既に提案されている.Lagrange力学では,Noetherの定理の 文脈で,エネルギーはラグランジアンの時間方向の対称性から変分原理により導かれるものと位置づけられる.先行研究はこの事実に着目し,離散勾配を利用してNoetherの定理の証明を再現しながらエネルギー保存スキームを設計する.したがって,この意味で離散版変分原理を陽に利用していると言える.第5章で実際に先行研究と同様のアイデアを用いてHamilton力学上でスキームを導出した結果,ある離散勾配導出法を採用すると常に陽的に解けるようなスキームが獲得された.第Π部は,この新手法の特徴や様々な応用方法にっいて述べたものである.第5章では,続けて新手法と先行研究それぞれから得られるエネルギー保存スキームの等価条件を示し,新手法が確かに先行研究Hamilton力学版に相当することも確認する.さらに,ピアノの弦とハンマーの動きを記述した偏微分方程式に対する適用結果から,長時間計算における有用性を考察する.既にシンプレクテイック Partitioned Runge-Kutta法を用いた数値計算結果は報告されていたが,計算時間の削減と髙いエネルギー保存性がトレードオフの関係にあった.新手法では,この両方を同時に達成することが可能である.

第6,7章では,変分原理を融合した利点を活かしながら,新手法の適用対象を拡大する.第6章では,Caldirola-Kanai型変分原理を用いて,速度比例散逸項をもっHamUton方程 式への適用を行う.応用例として,目的関数を散逸するエネルギーに見立て,無制約最適 化問題の数値解法を提案する.無制約最適化問題には,教師あり機械学習を選択する.機 械学習のパラメータ評価関数として教師データと出カデータの誤差関数を用いると,誤差関数を目的関数とする無制約最適化問題と解釈することができる.ただし,この問題の目的関数は複雑であり,離散勾配を求める多大な労力が必要となる.そこで,入力された関 数の微分を自動計算する技術である自動微分を応用し,離散勾配を自動導出する方法を提案する.今後,最適パラメータ選択などの課題もあるが,章末に機械学習アルゴリズムとしての提案手法の性能を示す.

第7章では,配位空間の幾何学的性質も同時に保っように新手法を拡張する.実際には,作用積分を適切にLie群やLie代数の言葉で記述し,これを離散近似できればよい.あと は,これまで同様,連続の場合のエネルギー保存則の証明中の計算を,Lie群上に拡張された離散勾配を利用して離散版で再現することで,エネルギー保存スキームを獲得できる.Lie群の多様体構造に起因し,Lie群上のHamilton方程式はこれまでのHamUton正準方程式と表現が少し異なる.しかし,やはりこの場合にも新手法で陽的スキームの設計が可能である.最後に,3次元特殊直交群上のモデルを用いた数値実験結果を示す.陽的スキームが得られることで反復法を使用する必要が無いことから,簡単な問題では大きな計算時間の差は現れないものの,長時間計算後も離散エネルギー保存性,解の直行性および行列式の値が同時に髙い精度で再現されることを示す.

今後の課題として,新手法の髙精度化が挙げられる.また,変分原理を融合したことを積極的に利用し,適用範囲のさらなる拡大や,統一的な解析理論の確立も必要である.

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