حل عددی مسئله معکوس فیشر با الگوریتم فرا ابتکاری بهینه پرنده منشی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه علوم کامپیوتر، دانشکده ریاضی و علوم کامپیوتر، دانشگاه دامغان، دامغان، ایران.

2 گروه ریاضی، دانشکده ریاضی و علوم کامپیوتر، دانشگاه پلی تکنیک کواتلن، سوری ـ کانادا.

چکیده

تخمین شرایط مرزی نامعلوم در مسائل معکوس معادلات دیفرانسیل جزئی پارابولیک (IPDEs) مانند معادله فیشر، به دلیل ماهیت بدوضع بودن و حساسیت بالا به نویز، همواره با چالش‌های جدی مواجه بوده است. روش‌های متداول اغلب نیازمند فرضیات اولیه یا تخمین‌های ابتدایی هستند که این امر، کارایی و دقت آن‌ها را محدود می‌سازد. در این مقاله، یک چارچوب عددی ترکیبی و قدرتمند ارائه شده است که با ادغام طرح تفاضلات محدود تمام ضمنی و الگوریتم فراابتکاری بدون پارامتر پرنده منشی (SBOA)، مسئله معکوس معادله فیشر را بدون نیاز به دانش قبلی از تابع مرزی نامعلوم حل می‌کند. الگوریتم SBOA با الهام از پویایی شکار-شکارچی پرنده منشی، با کمینه‌سازی مؤثر اختلاف بین پاسخ عددی و داده‌های مشاهده‌ای همراه با نویز، شرایط مرزی نامعلوم را با دقت بسیار بالا بازیابی می‌نماید. نتایج عددی به‌دست‌آمده بر روی مسائل آزمون استاندارد، نشان‌دهنده دقت چشمگیر روش پیشنهادی با خطای نسبی تا 0.07 درصد و برتری آن نسبت به نه الگوریتم فراابتکاری پیشرفته دیگر از لحاظ دقت و سرعت همگرایی است. این الگوریتم همچنین پایداری بالایی را در برابر اندازه شبکه و سطوح مختلف نویز نشان می‌دهد و معمولاً پاسخ‌ها را در مدت زمان کوتاهی با سخت‌افزار رایانه‌ای معمولی به‌دست می‌آورد. این نتایج، اثربخشی و قابلیت اطمینان چارچوب مبتنی بر SBOA را به‌عنوان ابزاری قدرتمند و مقیاس‌پذیر برای حل مسائل معکوس پیچیده در علوم و مهندسی محاسباتی تأیید می‌کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

An Efficient Hybrid Method for the Inverse Fisher Equation via Secretary Bird Optimization

نویسندگان [English]

  • Yasin Alipour 1
  • Abdolali Basiri 1
  • Reza Pourgholi 1
  • Mahmoud Moallem 1
  • Daniel Anvari 2
1 School of Mathematics and Computer Science, Damghan University, Damghan 36716-45669, Iran
2 Faculty of Mathematics, Kwantlen Polytechnic University, Surrey, British Columbia, Canada.
چکیده [English]

The estimation of unknown boundary conditions in inverse parabolic partial differential equations (IPDEs), such as the Fisher equation, presents significant challenges due to the ill-posed nature and sensitivity to noise of these problems. Traditional methods often require strong prior assumptions or initial guesses, limiting their general applicability and accuracy. In this paper, we propose a robust hybrid numerical framework that integrates a fully implicit finite difference scheme with the parameter-free Secretary Bird Optimization Algorithm (SBOA) to address inverse Fisher equation problems (IFEPs) without prior knowledge of the unknown boundary function. The SBOA algorithm, inspired by the predator-prey dynamics of secretary birds, is employed to efficiently minimize the discrepancy between numerical solutions and noisy observation data, enabling precise recovery of the unknown boundary condition. Numerical experiments conducted on benchmark IFEPs demonstrate that the proposed method achieves outstanding precision, with relative errors as low as 0.07%, and consistently outperforms nine state-of-the-art metaheuristic algorithms in both accuracy and convergence speed. The algorithm also exhibits strong stability under varying grid sizes and noise levels, with solutions typically obtained within seconds on standard computing hardware. These results affirm the effectiveness and reliability of the SBOA-based framework as a powerful and scalable tool for solving complex inverse problems in computational science and engineering.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Inverse Fisher equation
  • Secretary Bird Optimization Algorithm
  • inverse parabolic PDE
  • boundary condition estimation
  • metaheuristic optimization
  • , numerical stability
  • hybrid algorithm
  • precision recovery