1. 引言
与热传导方程有关的反问题大多都是不适定的,也就是即使方程存在唯一的精确解,也不连续依赖给定的数据。近年来,该领域的大多数已发表文献都使用了正则化方法。如Fourier正则化方法 [1] [2] [3] ,Tikhonov正则化方法 [4] [5] [6] 、准边界法 [7] [8] 和拟逆正则化方法 [9] [10] 等。这些方法都被非常广泛的用于各种不适定问题的解决当中。而对于二维时间反向热传导问题,目前研究的还比较少 [11] [12] ,但二维时间反向热传导问题在数学建模以及图像处理等方面有着重要的应用。在文献中 [13] ,作者用拟逆正则化方法和分数次Tikhonov正则化方法求解了二维时间反向热传导问题。在文献 [14] 中,作者用Fourier正则化研究了一维的逆热传导问题。下面本文将用Fourier正则化的方法求解二维时间反向热传导方程,并分别给出了先验和后验参数选取下的误差估计。
考虑无界区域中的二维时间反向热传导方程
(1)
下面,需通过数据
来确定温度分布
。
设
是一个Sobolev空间,我们定义
的Fourier变换为
,由以下给出
(2)
函数
相应的Fourier逆变换为
(3)
在Sobolev空间上的范数为
(4)
当
时,
为
范数。
在本文的第二节中,用Fourier变换得到了问题的精确解并给出了反问题的不适定性分析;在第三节中,我们构造出了问题的Fourier正则化近似解,给出了先验参数选取下的对数型误差估计,并由偏差原理给出了后验参数选取下的Hölde型误差估计。最后,对本文进行了一个总结。
2. 问题的解及不适定性分析
首先对问题(1)关于变量
作Fourier变换,可得
(5)
可以得到问题(5)的解为
(6)
由Fourier逆变换,可以得到问题(1)的解为
(7)
特别的,当
时,由(6)式,有
(8)
记
考虑问题(1)在
中关于变量
时,设
存在一个先验界:
(9)
由(8),(9)式以及Parseval等式,有
(10)
由(6)式可知,当
,
时,
,因此
是一个放大因子,当
,
时,
必须是急速衰减的,否则当
有微小的扰动时,放大因子
将会把解无限的放大,最终导致解的爆破,但是在实际问题中T时刻的数据通常都是由测量
得到的,记为
,且
一般是不会满足急速衰减的,所以问题(1)是严重不适定的。
3. Fourier正则化及误差估计
由于
在实际中无法准确的知道,记
为T时刻的测量数据,
为噪音水平,满足:
(11)
对于
,假设一个如下的先验界:
(12)
这里的E是一个正常数,
表示的是Sobolev空间
上的范数。
接下来,构造出问题(1)的含有噪音数据
的正则化近似解,称为问题(1)的Fourier正则化解,由以下给出
(13)
等价于
(14)
其中
是正常数,
分别表示的是区间
和
上的特征函数,
在这里扮演的是正则化参数的角色。
3.1. 先验参数选取下的误差估计
定理1设
和
分别为问题(1)的精确解和Fourier正则化解,假设先验条件(11)和(12)成立,如果选取正则化参数
(15)
则有以下的估计
(16)
证明:由Parseval等式和三角不等式,由(6),(14)式有
首先对
做估计,有
其中
;
;
;
.
对
作估计,有
同理可以得到
的估计
对
做估计,有
因此,有
所以,定理1得证。
注1:当
时,估计(16)式为
此时为
中的Hölde型最优稳定性估计。当
时正则化解的精度逐渐降低,在
处误差为4E。
注2:在
处,当
,
时,估计(16)式为
此时(16)式仍为最优估计。
3.2. 后验参数选取下的误差估计
当噪音水平
已知时,一般采用偏差原理进行后验正则化参数的选取,定义新的正则化算子
。找到
满足下面的方程
(17)
其中
是常数,
均为正常数在这里扮演的是正则化参数的角色。
构造出问题(1)的Fourier正则化解
本节考虑
时,即
中后验参数的选取,假设一个新的先验界:
(18)
这里的M是一个正常数,
表示的是
空间上的范数。
引理1设
,如果当
,则
满足以下性质
1)
为连续函数;
2)
为单调增函数;
3)
;
4)
。
证明:由于
由以上易知
为连续函数,因此1)成立。
又因为
,
,
均为单调减函数,所以
为单调增函数,因此2) 得证;
可得性质3),4)。
引理2假设条件(11)和(18)成立,且
是(17)式的解,则有以下不等式成立
(19)
证明:由(8)式,有
则有
定理2设
和
分别为问题(1)的精确解和Fourier正则化解,假设条件(11)和(18)成立,且
是方程(17)的解,则有以下估计
(20)
证明:由Parseval等式和三角不等式,有
下面我们对
分别作估计,对
做估计有
另一方面,对
作估计
对
作估计,有
同理,可以得到
则,有
所以
所以,定理2得证。
4. 结论
本文解决了一个不适定问题,即二维时间反向热传导方程在无界区域中通过终值时刻的数据来确定温度的分布。本文先通过Fourier变换推导出了问题的精确解,然后构造出了问题的Fourier正则化解。最后分别给出了先验和后验参数选取下的误差估计。