1、 数学物理方程反问题数学物理方程反问题 麦宏晏麦宏晏2022-12-222n什么是反问题n应用背景n具体实例2022-12-223什么是反问题n耳朵能耳朵能“听出听出”鼓的形状吗？鼓的形状吗？仅仅通过鼓的声音能否判断出鼓的形状？问题最早由丹仅仅通过鼓的声音能否判断出鼓的形状？问题最早由丹麦著名物理学家麦著名物理学家Lorentz在在1910年的一次讲演中提出，它的年的一次讲演中提出，它的背景来自于射线理论。背景来自于射线理论。一个物体的音色可以由一串谱一个物体的音色可以由一串谱 来确定，它们在来确定，它们在物理上对应着物体的固有频率。物理上对应着物体的固有频率。“盲人听鼓盲人听鼓”即是要求通过
2、即是要求通过已已知的谱来确定一个鼓面的形状。经过数学家们的演算给出了知的谱来确定一个鼓面的形状。经过数学家们的演算给出了否定的答案。但是，从鼓声中我们确实能得到相当多的形状否定的答案。但是，从鼓声中我们确实能得到相当多的形状信息：我们能够信息：我们能够“听听”出鼓的面积有多大、周边有多长甚至出鼓的面积有多大、周边有多长甚至鼓鼓的内部是否有洞、有几个洞。的内部是否有洞、有几个洞。2022-12-2242022-12-224n什么是反问题什么是反问题？反问题是相对于正问题而言的。以前面所举的反问题是相对于正问题而言的。以前面所举的“盲人听鼓盲人听鼓”反问题为例，它的正问题就是要在已知鼓的形状的条件
3、下，研反问题为例，它的正问题就是要在已知鼓的形状的条件下，研究其发声规律，这在数学物理历史上已经研究在先，而且比较究其发声规律，这在数学物理历史上已经研究在先，而且比较成熟。此时鼓的所有谱都能通过一套算法利用计算机算出来。成熟。此时鼓的所有谱都能通过一套算法利用计算机算出来。我们可以这样理解：世间的事物或现象之间往往存在着一定的我们可以这样理解：世间的事物或现象之间往往存在着一定的自然顺序，如时间顺序、空间顺序、因果顺序，等等。所谓正自然顺序，如时间顺序、空间顺序、因果顺序，等等。所谓正问题，一般是按着这种自然顺序来研究事物的演化过程或分布问题，一般是按着这种自然顺序来研究事物的演化过程或分布
4、形态，起着由因推果的作用。反问题则是根据事物的演化结形态，起着由因推果的作用。反问题则是根据事物的演化结果，由可观测的现象来探求事物的内部规律或所受的外部影果，由可观测的现象来探求事物的内部规律或所受的外部影响，由表及里，索隐探秘，起着倒果求因的作用。可以看出，响，由表及里，索隐探秘，起着倒果求因的作用。可以看出，正、反两方面都是科学研究的重要内容。正、反两方面都是科学研究的重要内容。2022-12-2252022-12-225n什么是反问题？什么是反问题？尽管一些经典反问题的研究可以追溯很早，反问题这一学科尽管一些经典反问题的研究可以追溯很早，反问题这一学科的兴起却是近几十年来的事情。在科学
5、研究中经常要通过间接观的兴起却是近几十年来的事情。在科学研究中经常要通过间接观测来探求位于不可达、不可触之处的物质的变化规律；生产中经测来探求位于不可达、不可触之处的物质的变化规律；生产中经常要根据特定的功能对产品进行设计，或按照某种目的对流程进常要根据特定的功能对产品进行设计，或按照某种目的对流程进行控制。这些都可以提出为某种形式的反问题。可见，反问题的行控制。这些都可以提出为某种形式的反问题。可见，反问题的产生是科学研究不断深化和工程技术迅猛发展的结果，而计算技产生是科学研究不断深化和工程技术迅猛发展的结果，而计算技术的革命又为它提供了重要的物质基础。术的革命又为它提供了重要的物质基础。现
6、在，反问题的研究已经遍及现代化生产、生活、研究的各现在，反问题的研究已经遍及现代化生产、生活、研究的各个领域。我们下面具体介绍一些常见的反问题应用背景，希望大个领域。我们下面具体介绍一些常见的反问题应用背景，希望大家能够对它有一个概括的了解。家能够对它有一个概括的了解。2022-12-226定向设计物性探测扫描成像逆时反演及其他应用背景2022-12-227 工业生产离不开产品设计，如何设计出优质产品使之更好工业生产离不开产品设计，如何设计出优质产品使之更好地实现其功能，是关系到厂家信誉和企业生存的大问题。在这地实现其功能，是关系到厂家信誉和企业生存的大问题。在这方面，反问题研究可以为企业家出
7、谋划策。事实上，最早的反方面，反问题研究可以为企业家出谋划策。事实上，最早的反问题研究就是起源于定向设计问题。我们知道，单摆的等时性问题研究就是起源于定向设计问题。我们知道，单摆的等时性只是在小角度的假设下才近似成立。能不能找到一种特殊轨线只是在小角度的假设下才近似成立。能不能找到一种特殊轨线的摆，使它严格满足等时性？的摆，使它严格满足等时性？Huygens于于1673年提出并解决了年提出并解决了这一问题，这种特殊的轨线就是旋轮线，它的方程为这一问题，这种特殊的轨线就是旋轮线，它的方程为 当代工业产品的极大丰富为反问题的研究提供了广阔的用当代工业产品的极大丰富为反问题的研究提供了广阔的用武之地
8、，许多工业设计问题是相当困难的，需要用到高深的数武之地，许多工业设计问题是相当困难的，需要用到高深的数学手段。例如，国外的光学仪器厂家提出：能否设计一种光栅学手段。例如，国外的光学仪器厂家提出：能否设计一种光栅，利用其非线性衍射效应产生出高能量的单色射线？这就是一，利用其非线性衍射效应产生出高能量的单色射线？这就是一 2022-12-228个定向设计问题，它要求数学家利用推导和计算手段构造出所个定向设计问题，它要求数学家利用推导和计算手段构造出所需要的曲面（光栅）形状。需要的曲面（光栅）形状。定向设计的应用相当广泛。比如说：一个城市的某条街道定向设计的应用相当广泛。比如说：一个城市的某条街道车
9、流量很大，不堪负荷，怎样通过铺设新的路段来进行分流？车流量很大，不堪负荷，怎样通过铺设新的路段来进行分流？在军事行动中如何对不同种类的炮火进行分布以达到特定的轰在军事行动中如何对不同种类的炮火进行分布以达到特定的轰炸效果？这类问题往往涉及各种事物的组合、分配布局，要求炸效果？这类问题往往涉及各种事物的组合、分配布局，要求在各种相互制约、相互影响的因素中寻找出最佳方案，为领导在各种相互制约、相互影响的因素中寻找出最佳方案，为领导的决策提供依据。的决策提供依据。2022-12-229 给你一只管子，不允许直接进入内部测量，你能算出里给你一只管子，不允许直接进入内部测量，你能算出里面的形状吗？如果管
10、子是轴对称的，这时只需要知道内部的面的形状吗？如果管子是轴对称的，这时只需要知道内部的截面半径就可以了。美国贝尔电话实验室的截面半径就可以了。美国贝尔电话实验室的Sondhi和和Gophinath提供了一个方法：在管子的一边发出声音，用仪提供了一个方法：在管子的一边发出声音，用仪器测量管口的位移速度和压力。通过测量结果就可以推知管器测量管口的位移速度和压力。通过测量结果就可以推知管内的截面半径。内的截面半径。这个例子，它实际上暗示了许多不能直接测量的物性探这个例子，它实际上暗示了许多不能直接测量的物性探测问题可以通过类似的间接方法来解决。我们通常说测问题可以通过类似的间接方法来解决。我们通常说
11、“上天上天入地入地”都是很困难的事情，可是在一些情况下似乎必须都是很困难的事情，可是在一些情况下似乎必须“入地入地”才能解决问题，比如说石油勘探。石油通常埋在几千米的才能解决问题，比如说石油勘探。石油通常埋在几千米的地下，无法直接观察油田的位置和储量，靠试打井的办法来地下，无法直接观察油田的位置和储量，靠试打井的办法来探测不但费用昂贵（一口井的代价要上千万元），而且效率探测不但费用昂贵（一口井的代价要上千万元），而且效率2022-12-2210极低（只能探测到井附近的局部信息）。一个可行的办法是通极低（只能探测到井附近的局部信息）。一个可行的办法是通过地面爆炸向地下发射地震波，同时接收地层的反
12、射波信号。过地面爆炸向地下发射地震波，同时接收地层的反射波信号。可以想象，地面接收到的反射信号中含有地下的物性结构信息可以想象，地面接收到的反射信号中含有地下的物性结构信息（地层的密度、声速等等），利用数学手段将这些信息提取出（地层的密度、声速等等），利用数学手段将这些信息提取出来，就可以对地下的油储及其分布作出科学的判断。来，就可以对地下的油储及其分布作出科学的判断。类似的探测方法可以应用于许多方面，如：农用土壤分析类似的探测方法可以应用于许多方面，如：农用土壤分析、地下水勘查，甚至于在考古发现上也有应用。位于三峡库区、地下水勘查，甚至于在考古发现上也有应用。位于三峡库区的四川省云阳县故陵镇
13、有一个大土包，相传为楚国古墓，但是的四川省云阳县故陵镇有一个大土包，相传为楚国古墓，但是历经三千余年的变迁，已经难以确认了。科技工作者在地表利历经三千余年的变迁，已经难以确认了。科技工作者在地表利用地震波法、高精度磁法、电场岩性探测和地化方法四种手段用地震波法、高精度磁法、电场岩性探测和地化方法四种手段进行探测，不但确认了古墓的存在，而且得到了关于古墓的埋进行探测，不但确认了古墓的存在，而且得到了关于古墓的埋藏深度、形状、大小甚至墓道的准确信息，为抢救和保护文物藏深度、形状、大小甚至墓道的准确信息，为抢救和保护文物作出了贡献。作出了贡献。2022-12-2211 如果把下落的物体用扫描射线替代
14、，从另一个角度来看它如果把下落的物体用扫描射线替代，从另一个角度来看它为我们提供了从射线的走时响应反推其传播轨迹的方法，将不为我们提供了从射线的走时响应反推其传播轨迹的方法，将不同轨迹射线的反演结果组合起来就能得到传播介质的内部形态同轨迹射线的反演结果组合起来就能得到传播介质的内部形态信息。本世纪初，信息。本世纪初，Hebglotz和和Wiechebt应用应用Abel型反演方法型反演方法解决了在一定对称条件下通过地震波的走时曲线来反推地层内解决了在一定对称条件下通过地震波的走时曲线来反推地层内部形貌的方法。据此部形貌的方法。据此Mohobovic（1909年）发现了地壳与地年）发现了地壳与地幔
15、之间的断层。现在，利用地震波的接收信号通过成像来考察幔之间的断层。现在，利用地震波的接收信号通过成像来考察地层地貌形态已经成为地球物理勘探最为重要的手段。例如，地层地貌形态已经成为地球物理勘探最为重要的手段。例如，通过走时成像，可以得到地震波在不同深度的传播速度；而在通过走时成像，可以得到地震波在不同深度的传播速度；而在已知速度的前提下，利用声波方程或其单程波方程偏移成像方已知速度的前提下，利用声波方程或其单程波方程偏移成像方法，又可以得到反射界面的位置和形状。法，又可以得到反射界面的位置和形状。2022-12-2212 成像的另一个重要应用是医学上的计算机层析成像（成像的另一个重要应用是医学
16、上的计算机层析成像（CT），这是），这是X光射线自光射线自Roentgen发明（获发明（获1900年诺贝尔奖）以来在医疗诊断上年诺贝尔奖）以来在医疗诊断上的重大进展，其发明人的重大进展，其发明人Hounsfield和和Cormack因此获得了因此获得了1979年的年的诺贝尔医学奖。诺贝尔医学奖。CT技术是医学、电子技术、计算机技术和反演数学技术是医学、电子技术、计算机技术和反演数学相结合的产物，它利用计算机来对穿越人体的相结合的产物，它利用计算机来对穿越人体的X射线信号进行处理，射线信号进行处理，来重建体内的结构信息，生成透视图象供医疗诊断参考，其核心算来重建体内的结构信息，生成透视图象供医疗
17、诊断参考，其核心算法的数学基础是二维法的数学基础是二维Radon变换。继之而起的是基于三维变换。继之而起的是基于三维Radon变变换的核磁共振成像，在诊断效果和无伤害性方面更为优越。事实上换的核磁共振成像，在诊断效果和无伤害性方面更为优越。事实上，类似的方法也可以借助于声波、光波、电磁波在无损探伤、雷达，类似的方法也可以借助于声波、光波、电磁波在无损探伤、雷达侦察、射电望远镜探测、环境监测等多方面有广泛应用。侦察、射电望远镜探测、环境监测等多方面有广泛应用。2022-12-2213 我们经常遇到这样的问题：知道了某个事物的现在状我们经常遇到这样的问题：知道了某个事物的现在状态，希望了解它的过去
18、，即通常所说的态，希望了解它的过去，即通常所说的“恢复历史的本来面恢复历史的本来面目。这往往可以提为逆时反问题。它所研究的对象一般要满目。这往往可以提为逆时反问题。它所研究的对象一般要满足某种类型的演化方程或数学模式。例如，通过远程测得的足某种类型的演化方程或数学模式。例如，通过远程测得的某次爆炸产生的辐射波，如何确定爆炸的位置和初始能量？某次爆炸产生的辐射波，如何确定爆炸的位置和初始能量？这是波动方程的逆时反问题；又如，根据近来的温度变化能这是波动方程的逆时反问题；又如，根据近来的温度变化能否确定过去某个时间的温度状态？这就成为热传导方程的逆否确定过去某个时间的温度状态？这就成为热传导方程的
19、逆时反问题。时反问题。2022-12-2214 反问题的研究起源于数理方程，反问题的研究也促进了人们反问题的研究起源于数理方程，反问题的研究也促进了人们对世界的识。一个著名的例子是反散射方法在孤立子发现中的作对世界的识。一个著名的例子是反散射方法在孤立子发现中的作用：反散射问题是量子物理学研究中的一个问题，通过谱和谱函用：反散射问题是量子物理学研究中的一个问题，通过谱和谱函数在无穷远处的散射性态反推一维数在无穷远处的散射性态反推一维Schordinger方程的位势数。方程的位势数。它由前苏联数学家它由前苏联数学家Gelfand和和Levitan（1955年）一举解决。在年）一举解决。在此基础上
20、引发了一系列突破性进展，最为著名的是利用这个结果此基础上引发了一系列突破性进展，最为著名的是利用这个结果Lax（1968年）得到了关于年）得到了关于KDV方程的巧妙解法，从而发现了非方程的巧妙解法，从而发现了非线性方程中的孤立子现象。这是近代非线性科学研究的重要事线性方程中的孤立子现象。这是近代非线性科学研究的重要事件。件。2022-12-2215具体实例例例1 金融学中的一个简单计息反问题金融学中的一个简单计息反问题 在通常利率的连续复利率模型中，投资变化的百分率是一个给定的常利率，用微分方程表示为其中 是 时刻投资价值，由此导出价值的指数增长模型 在变化利率模型中，利率与时间有关，即 ，于
21、是有/dudlnuurdtdt()u tt()=(0)rtu tue()r=r t2022-12-2216 ，给定与时间有关的利率和初值 ，求价值记录 的问题称为正问题；另一方面，由价值记录求变化率的问题称为反问题。注意这里正问题的求解是积分运算，这是一个稳定的过程，而反问题的求解需要微分运算，是不稳定的。我们通常感兴趣的是反问题，如果已知价值记录的解析表达式，求 是一个简单的微分运算，对时间进行离散 ，用差商代替导数，则用来近似 ，其中 。直接从原始模型出发可以建立求反问题近似解的另一种d0()=(0)tr(t)tu tue(0)u()ut()r=r t012,ktkh,k=,1k+kkln
22、ulnurh()kr t=()kkuu t2022-12-2217方法。将方程两边在 上积分得到 ，利用梯形公式近似右端积分即得由此解出这里的问题中都假定利率和价值记录是严格正的函数。durudt1kk+tt，11()()=k+ktk+ktu tu trudt111=()/2k+kkkk+k+uuh ru+r u1112()/=k+kkkk+k+uuhr uru2022-12-2218例例2 热传导问题热传导问题 与外界存在热交换的物体表面温度不能及时达到热平衡，如果物体比外界热，热量从物体往外流出从而使物体冷却，这一现象最简单的模型是牛顿冷却定律，即表面温度的变化与物体表面和外界温度之差成比
23、例，如果时刻 物体的表面温度为 ，而外界温度为常数 ，由牛顿冷却定律得其中热交换系数为正常数 ，这是一个经典的指数衰减模型，确定表面温度的正问题有唯一解t()u tA()duAudt()=+(0)tu tAuA e2022-12-2219这个解依赖外界温度 、初始温度 和热交换系数 三个参数。当然在适当时候表面温度观测值确定了识别参数 、和 的反问题的解。热是一种形式的能量，物体的热含量是物体分子动能的一种测量标准，温度计测量得的温度与物体分子的平均动能有关。物体的热含量不仅依赖于它的温度，而且依赖于它的质量，如3千克的铁球在给定的温度下，它的热能是相同温度的1千克的铁球的3倍。热还与材料的种
24、类有关，1千克的棉花球在给定温度下，其热能比相同温度的1千克铁球的少。这一思想可描述为：其中 是物体的温度，是它的质量，是物质的比热。A(0)uA(0)uQ=cmuumc2022-12-2220 我们讨论具有最简单几何形状的物体的内部温度：一个横截面积为单位面积的单位长度的棒子，并假设它正好处于 轴的单位坐标上。假设棒子的质量密度和比热分别为 和 ，并假设棒子的侧面是隔热的，所以温度空间上仅为单变量 的函数。这样的棒子在 上的点在 时刻的温度函数为 。考虑棒子上的一小段区域 ，这一薄层上的热量变化速度近似为 ，由能量守恒原理，这个量等于流入这一薄层的热量速度加上这一薄层单位时间内可能产生的热量
25、。如果定义（时刻 点）单位体积产生的热量为 ，那么单位时间内，横截面积为单位面积的薄层产生的热量近似为 。热只能从 的左侧或 的右侧流入（或流出）这一薄层。最后，由傅立叶定律，通过表面的热流速度与表面c01x，0t(,)u x tx,x+xc uxttx(,)f x tfxxx+xxx2022-12-2221上温度梯度的负数 成比例。（这里的负号是因为热量是从热流向冷）。因此单位时间内通过表面流入薄层 的净热流加上单位时间内部生成的热量，我们得到这一薄层中热量变化速度近似为由能量守恒原理，这与前面计算的比率相等，当区间 收缩到点 时这一模型变成这就是著名的傅立叶热方程。热方程的正问题包括给定边
26、界条件，即端点的温度 和初始温度 分布及参数值 ，求解 时刻所有点的温度，一般来说这些参数x+xxuukkfxxxu/x x0()x+xxxuukkc uuxxlimf=kftxxx(0,),(1,)ut u t(,0)u xc,k0tx,x+xx,x+x2022-12-2222是时间、空间和温度的函数。我们研究识别和估计热模型中的分布参数，特别的，我们考虑由观测得到的棒子中点的温度变化过程，确定与时间有关的参数 的问题练习：练习：下面给出测量得到的不同时刻按牛顿定律冷却的物体表面温度，求解周围温度、初始温度和热交换系数。()=(0.5,)h tut()a t22(),01,0(0,)(1,)
27、0(,0)=sinuua txttxututu xx 5 10 15 72 62 54tu2022-12-2223例例3 线性代数中的反问题线性代数中的反问题 线性代数主要关注的是线性方程组解的存在性、唯一性和稳定性，线性代数的正问题指给定 矩阵和一个 维向量 ，求解 维向量 ，而寻求满足 的解 的原因反问题受到更多的关注，还有一类识别反问题即确定矩阵使得对给定的输入-输出满足 。首先考虑原因反问题，求解向量 满足 ，这个问题的解存在当且仅当 属于子空间 ，这一子空间就是所有 的列向量的线性方程组合形成的 的子空间。确定 是否属于 也就是解是否存在，寻找所有的解是通过高斯消去法来实现的。m n
28、nxmb=AxAx=bxAx=bnxRAx=bb()=:nRAAx x RAmRb()R A2022-12-2224唯一性问题是通过 的零空间 来解决的，高斯消去法是一个刻画零空间的有效手段。的解 关于右端项 的扰动的稳定性，可以用矩阵的条件数来量化。我们假设矩阵 为可逆矩阵，我们想知道 在怎样一个相对误差内会导致解的相对大的改变，假设是右端项 的一个扰动，扰动的大小可以用范数来衡量，令 是右端项为 的解，那么所以可以得到如下的相对误差估计A()=:0nN AxRAx=Ax=bxbAbbbx b111|xx=A bA bAb b11|b bb bxxAbAAxbb|/|b bb2022-12-
29、2225于是其中 称为矩阵 的条件数，因此条件数给出了由给定的右端项相对误差造成的解的相对误差的上界。对于大条件数的矩阵，即病态矩阵，右端相对小的扰动会引起解的相对大的变化，在这种意义下，病态线性方程组是不稳定的。考虑无解或有无穷多解的线性方程组。当 不属于矩阵的值域时，无解。零空间、值域和转置之间的关系使得我们可以求它的一类广义解：最小二乘解，即解向量 使得所有的 中的范数达到最小。如果 是最小二乘解，那么对于任意向量 ，函数|()|xxbbcond Axb1()=|cond AAAbAnuRnxRnvRAx=bnxRA2022-12-2226在 时达到最小值，由极值的必要条件 得 ，所以对
30、于所有的 成立 ，也就是说如果 是最小二乘解，那么 其中 是 的转置矩阵。相反的，如果 ，那么对于任何 ，2222()|(+)|2(,)|g tA u tvbAu bAv Au b tAvt0t=(0)0g(,)0Av AubnvR(,)0v A Au A bA AuA bAAA AuA bnx R2222|()|()|2(,)|Ax bA x uAu bA x ux u A AuA bAu bAu bnuR2022-12-2227即 是 最小二乘解。所有的 最小二乘解就是对称问题 的普通解，由于 ,这一对称问题总是有一个解。事实上,如果 是 最小二乘解，那么对于任意 ，也是最小二乘解，即最小
31、二乘解的集合构成平行于零空间的超平面，因此如果 有一个非平凡的零空间，那么 有无限多个最小二乘解，其中有一个最小二乘解能够区别其它的解，即这一解与零空间正交，这样的最小二乘解至多只有一个。我们接受这一广义解的概念，那么每个线性系统都有唯一的广义解。下面考虑识别反问题，即给定关于 的向量对确定矩阵 的反问题。通过询问适当的 观察输出的 来识别黑箱，我们可以控制输入，安排他们为线性无关的，用一个 矩阵表示输入，其中矩阵的每一列分别输入向量nu RAx=bA AuA b()=()R A R A Au()vN Au vAx=bAx=bAx=bAx=bxbnpA1x,AA2022-12-2228 ，记为
32、 ，相应的输出向量可以用 矩阵 来表示。如果存在唯一的矩阵 满足 ，那么称可以通过矩阵对 来识别 。考虑三种情况，首先 是不可能的，因为向量组 是线性无关的；第二种情况 ，那么 是可逆的，是可识别的。第三种情况 ，在这种情况下存在一个向量 与 正交，令 是 矩阵，它的第一行是 ，其他行都是零向量，那么 是 的零矩阵，因此如果 就有 ，此时从信息 无法识别 2,pxxXAAx=b(,)X BApn12,px,xxp=nXApnnqR12,px,xxCm nqCXm pAx=b()A+C X=B(,)X BAmpB2022-12-2229例例4 混合溶液的流动混合溶液的流动 典型的正问题为给定一个
33、初始浓度的溶液，以及溶液流入和流出的速度，计算将来时刻溶液的浓度。这里给出最简单的模型：已知容器的容积为 ，浓度为 的溶液以一个给定速度 流入，而这被充分搅和的溶液又以相同的速度 从容器中排出。这一模型的建立仅仅依赖于速度的平衡，如果 代表容器中时刻 溶质的质量，那么 随时间变化的速度就是溶液流入容器的速度和它流出的速度之差，因此或者可以给出容器中溶液浓度的微分方程Var()q ttqdqqarrdtVr2022-12-2230这一微分方程与通过牛顿得到的冷却过程模型有相同的形式，有唯一的解其中 是容器中溶液的初始浓度，给定参数 ，这一正问题的解给出了该溶液任意时刻的浓度。这一简单模型蕴藏了许
34、多有趣的反问题，例如，假设容器是个有污染的地下水渗入的地下蓄水池，通过抽样这个蓄水池的溶液（通过预测的探测器），可以测量得到这一蓄水池任意时刻的液体浓度，这些测量结果可以用来反演这一模型中的参数，这一模型也可以推广，例如流出和流入的速度不同时，这个模型中()d cracd tV0()=+()rtVc taca e0c0,a cV,r2022-12-2231体积 就是一个依赖于时间的参数。反问题也可以这样提出，流速或流入液体的浓度是依赖于时间的。练习：练习：含有未知（常数）浓度的污染物质的地下水以一个未知（常数）速度渗入到一个容积为1000加仑的蓄水池中，这一被充分搅和的溶液以同样的速度向外渗漏
35、，测量结果表明蓄水池中污染物质的初始浓度为 ，一天以后污染物浓度为 ，两天后为 ，求地下水中污染物质的浓度是多少？地下水渗入蓄水池的速度是多少？V1%1.1%1.2%2022-12-2232例例5 利用万有引力寻宝利用万有引力寻宝 考虑质量为 的质点，位于单位深度的平静的河底，假定任何其他的重力源都是完全均匀的，从而由质点源产生的重力异常是唯一的重力影响源。确定河底的金块对河面单位质量质点的引力是一个正问题，牛顿万有引力定律认为该作用力等于两质点质量乘积的万有引力常数倍，再除以两质点距离的平方。我们考虑基于河底测得数据来确定质点质量和位置的反问题，测得的数据包括河面基准点到测量点的距离以及河底
36、的金块产生的对河面 处单位质量质点的引力的垂直分量的估计值 （例如利用灵敏弹簧秤测得），mx2022-12-2233金块与测量仪器上单位质点的距离的平方为 ，（由毕达哥拉斯定理得出），且质量的乘积为 。金块对河面 处单位质量质点的引力的垂直分量为 ，由牛顿万有引力定律可表示为因为河水的深度为1，可见此关系式代入前式可得 21()x s1 m2cos1()mxs21cos1()xs23/2(1()mxsx2022-12-2234上面的正问题是确定河底金块对河面 处单位质量质点的引力的垂直分量，由上述方程可见正问题有唯一解。下面考虑通过在河底 处 的观测值来确定金块的质量和位置的反问题。首先将上述
37、方程改写使得问题变得简单一些，定义两个新的变量 分别称为有效质量和有效垂直引力。显然 的测量值唯一确定了 ，知道了 就确定了 于是有 ，现在反问题变成了如何确定 以及金块位置。已知数据是 以及金块对 处单位质量质点的有效垂直引力 ，称数对 为一个观测，因此反问题相当于x2 3/Mm2 3()/GGM2()M G=G x sMG(,)x Gmxxx2022-12-2235由观测确定源 ，如果源能唯一测定，那么不用下水就可以知道金块的位置和质量。下面我们希望识别非齐次质量密度 ，这种质量分布使得河面的单位质点受到的引力在垂直分量变得不均匀。处长度为 的质点在 处产生的重力垂直分量 其中 是 的质量
38、密度，由求和极限运算可得这里取 ，由质量密度确定不均匀重力是正问题，另一 (,)s M(),01wss ssx2123/2()()(1()cos(1()()xw sxssxsw ss()w ss123/20()(1()()xxsw s ds12022-12-2236方面，由测量得到的不均匀重力确定无法直接测量到的质量密度是经典的反问题。上述模型需要注意的问题是 通常比 光滑，甚至对于非常粗糙的函数 ，函数 却是无限可微的，因为它从核函数 继承了光滑性。通过积分过滤函数 ，是希望 的一些细节可以从该过程中变平滑，最主要的是 包含了比 更少的信息，因此通过 重构 的反问题将会变得更困难。对于研究近
39、似离散问题所遇到的困难，可以给出具体的解决方法。一种方法是使用近似积分准则，如使用中点公式其中 ，应用这一法则得到ww23/2(1()x swwww101()()njjf s dshf s1/(1 2)12jhn,sj/h,j=,n2022-12-2237如果对每个 都套用上述公式即得到向量 和 ，其分量分别为函数 和 在离散过程中子区间中点的近似值，则它们之间的关系矩阵为 ，矩阵 的元素为 。参考文献：参考文献：1.反问题反问题:大学生的科技活动大学生的科技活动.程晋，刘继军，谭永基译程晋，刘继军，谭永基译.2.不适定问题的正则化方法及应用不适定问题的正则化方法及应用.刘继军著刘继军著.23/21()(1()()njjjxhxsw s,12ix s i,nwwAwA23/2(1(),1 2ijjahxsi,j,n
