Numerical solution of optimal control of atherosclerosis using direct and indirect methods with shooting/collocation approach

数学 搭配法 最优控制 搭配(遥感) 射击方法 边界(拓扑) 偏微分方程 边值问题 正交配置 常微分方程 应用数学 数值分析 非线性系统 Neumann边界条件 数学分析 数学优化 微分方程 计算机科学 量子力学 机器学习 物理
作者
Farzaneh Nasresfahani,M.R. Eslahchi
出处
期刊:Computers & mathematics with applications [Elsevier BV]
卷期号:126: 60-76
标识
DOI:10.1016/j.camwa.2022.08.047
摘要

We present a direct numerical method for the solution of an optimal control problem controlling the growth of LDL (Low-density Lipoprotein), HDL (High-density Lipoprotein) and plaque. The optimal control problem is constrained with a system of coupled nonlinear free and mixed boundary partial differential equations consisting of three parabolics one elliptic and one ordinary differential equations. In the first step, the original problem is transformed from a free boundary problem into a fixed one and from the mixed boundary condition to a Neumann one. Then, employing a fixed point-collocation method, we solve the optimal control problem. In each step of the fixed point iteration, the problem is changed to a linear one and then, the equations are solved using the collocation method bringing about an NLP which is solved using sequential quadratic programming. Then, the obtained solution is verified using indirect methods originating from the first-order optimality conditions. Numerical results are considered to illustrate the efficiency of methods.

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