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METODI NUMERICI INNOVATIVI PER EQUAZIONI DINAMICHE O EVOLUTIVE, ASSOCIATE A PROCESSI STOCASTICI, ANCHE PER PROBLEMI DI CONTROLLO OTTIMALE

Attività inerenti al progetto di ricerca sono: incontri per giornate di studio con esperti in materia, collaborazione attiva con un gruppo di ricerca dell'Università di Würzburg, partecipazione a conferenze nazionali ed internazionali, e l'eventuale acquisto di materiale bibliografico ed informatico. Sezioni di ricerca: A) Si studieranno principalmente problemi di ottimizzazione vincolata dove il vincolo è un'equazione Fokker-Planck-Kolmogorov, che può essere una EDP di tipo parabolico, iperbolico e/o integro-differenziale. Il problema di ottimizzazione è non-lineare, e consiste nel minimizzare un funzionale della soluzione dell'equazione EDP, che dipende da una funzione di controllo. La tecnica base di minimizzazione prevede la scrittura di un “sistema di ottimalità” (SO). Il SO è composto da una coppia di EDP da risolvere in avanti e all'indietro nel tempo, più un problema di ricerca del minimo. Si analizzeranno metodi numerici per la risoluzione di questi problemi, i quali dovranno essere positivi e conservativi per l'equazione in avanti. Per l'equazione all'indietro gli schemi numerici si possono ottenere dalla metodologia “prima discretizzare poi ottimizzare”. Con la soluzione numerica delle EDP si costruisce il gradiente discreto usato per la ricerca del minimo. In alternativa si potrà minimizzare il funzionale ridotto. Applicazioni esempio di questo problema di ottimizzazione sono: “Model Predictive Control Scheme”, dove il controllo ottimale di una traiettoria viene effettuato in “finestre di tempo” su una sequenza assegnata di funzioni, e nella risoluzione di problemi inversi. Questa sezione della ricerca sarà svolta in collaborazione con il Prof. Alfio Borzì dell'Università di Würzburg, riconosciuto esperto internazionale del settore. B) Per attività secondaria potrebbe continuare lo studio della Liouville Master Equation (LME). Questa riguarda lo sviluppo di metodi numerici per sistemi di EDP iperboliche, con condizioni albordo non-locali, e di equazioni integrali di tipo Volterra-rinnovo con flusso. Questi due problemi matematici sono molto poco conosciuti. Si cercheranno metodi numerici che garantiscano una soluzione discreta con le stesse caratteristiche di quelle nel continuo, positive e conservative. Si prevede la collaborazione con la Prof.ssa Eleonora Messina, del Dipartimento di Matematica dell'Università di Napoli Federico II. Bibliografia [1] M. Annunziato, A. Borzì, Optimal Control of Probability Density Functions of Stochastic Processes, Math. Mod. and Analysis, 15 (2010) 393-407. [2] M. Annunziato, A. Borzì, A Fokker-Planck control framework for multidimensional stochastic processes, JCAM, Vol. 237 (2013) No. 1, pp. 487-507 [3] M. Annunziato, A finite difference method for piecewise deterministic processes with memory II, Math. Mod. and Analysis, 14 (2009) 139-158 [4] M. Annunziato, E. Messina, Numerical treatment of a Volterra integral equation with space maps, Ap.Num. 60 (2010) 809-815. [5] M. Annunziato, H. Brunner, E. Messina, Asymptotic stability of solutions to Volterra-renewal Equation with Space Maps, JMAA, Vol. 395 (2012) No. 2, pp. 766-775 [6] M. Annunziato, On the Action of a Semi-Markov Process on a System of Differential Equations, Math. Mod. Analysis Vol. 17 (2012) No. 5, pp. 650-672 [7] M. Annunziato, A. Borzì, Fokker-Planck-based control of a two level open quantum system, Math. Models and Meth. in Appl. Sci. Vol. 23 (2013) No. 11, pp. 2039-2064 [8] M. Annunziato, A. Borzì, Optimal control of a class of piecewise deterministic processes, Eur. J. of Appl. Math. Vol. 25 (2014), pp. 1-25 [9] M. Annunziato, A. Borzì, M. Magdziarz, A. Weron, A fractional Fokker–Planck control framework for subdiffusion processes, Opt. Contr. Appl. and Meth. (in stampa) [10] V. Thalhofer, M. Annunziato , A. Borzì, Stochastic modelling and control of antibiotic subtilin production, J Math Biol. 2016 [11] A. Fleig, L. Grüne, R. Guglieglimi, Some results on model predictive control for the Fokker-Planck equation. MTNS 2014