1. 引言
随着科学技术的发展,人们发现实际问题的建模中,不适定问题占有重要地位,于是不适定问题的研究得以发展。对于热传导问题各类典型的不适定问题,学者们对于该问题提出了一些正则化方法,如Tikhonov正则化方法 [1] [2]、拟逆正则化方法 [3] [4]、数值微分正则化方法 [5]、边界元方法 [6] [7] 等。同时也给出了相应近似解与精确解的误差估计。通过文献检索,我们发现对于一维空间中的时间反向热传导问题的研究相对较多,同时大多给出的误差估计为先验误差估计,而对二维空间的此类问题 [8] [9] [10] 研究相对较少。本文将对一类二维时间反向热传导问题进行讨论,并给出其后验误差估计。
本文考虑二维时间反向热传导问题 [11]
(1)
其中
,
和
是定义在
上的函数。我们想由数据
来确定
在
上的温度分布。而这里的输入数据
往往是被测量出来的,记
为带噪音的测量数据,且满足
(2)
表示输入数据的噪音水平且
。
是
空间的范数。进一步,给出如下先验假设
(3)
其中E为大于0的有界常数。
2. 问题的解与不适定性分析
下面分析问题(1)在
空间中的不适定性。我们定义
的Fourier变换
如下:
对问题(1)中的精确解
进行Fourier变换得到
(4)
因此,作Fourier逆变换有
(5)
当
时,
(6)
注意到,
为放大因子,即对固定的
,它关于
是无界的。若假设精确解
在
中,则当
时,
必须为急降函数。否则当输入数据
有微小扰动时,放大因子
将解无限放大,导致解的爆破。我们只有带噪音的数据
,而
一般不是急降函数,故问题严重不适定。
针对传统的正则化方法,如Fourier正则化方法和经典Tihonov正则化方法给出的近似解过度光滑,因此本文将用拟逆正则化方法和分数次Tihonov正则化方法来解决该不适定问题,并给出后验参数选取及相应的误差估计。
3. 预备定理
引理1. [12] 若常数
,
,且
,则有下述不等式成立
引理2. [13] 对于
,有下述不等式成立
4. 分数次Tikhonov正则化方法后验参数选取及误差估计
由前述内容可知问题(1)的精确解为
我们选取分数次Tihonov正则化解
(7)
这里
为正则化参数,
为分数次参数。当
时为拟边界方法;当
时为经典Tihonov方法。记
(8)
下面我们考虑分数次Tihonov正则化方法的后验参数选取。当噪音水平
已知时,一般采用Morozov’s偏差原理进行后验正则化参数选取,找到一个
满足方程
(9)
其中
是一个常数,
是正则化参数。
引理3. 设对固定的
,
满足如下几条性质:
1)
是连续函数;
2)
;
3)
;
4)
是严格单调增函数。
证明:由
的表达式
容易验证上述结论成立。若选择常数
满足
时,根据引理内容知(9)的解是存在且唯一的。
引理4. 假设噪音水平(2)和先验条件(3)成立,如果
是(9)的解,可得如下不等式
(10)
证明:由三角不等式,噪音水平(2)及(9)有
引理5. 假设噪音水平(2)和先验界(3)成立。如果
是(9)的解,有不等式
(11)
证明:由噪音水平(2)和(9),可得
由此,有
定理1:假设噪音水平(2)及先验条件(3)成立。正则化参数
是由Morozov’s偏差原理选取的,则有如下误差估计
(12)
证明:设
。由Parseval’s等式,(4)及(7)有
由Hölder不等式,得
因此有
根据引理1、引理4、引理5,易得
即
故
5. 拟逆正则化方法后验参数选取及误差估计
对于问题(1)给出拟逆正则化方法近似如下:
(13)
这里的
为正则化参数。对(13)作Fourier变换有
(14)
其频域上相应的正则解为
记
(15)
下面我们考虑拟逆正则化方法的后验参数选取以及相应的误差估计。当噪音水平
已知时,一般采用Morozov’s偏差原理进行后验正则化参数选取,找到一个
满足方程
(16)
其中
是一个常数,
是正则化参数。
引理6. 设对固定的
,
满足以下几条性质:
1)
是连续函数;
2)
;
3)
;
4)
是严格单调增函数。
证明:由
的表达式
容易验证上述结论成立。若选择常数
满足
时,根据引理内容知(16)的解是存在且唯一的。
引理7. 如果
是(16)的解,则有下述不等式成立
(17)
证明:由三角不等式和噪音水平(2)可得
引理8. 假设噪音水平(2)成立,正则化参数
是由Morozov’s偏差原理(16)选取,则有下述不等式成立:
(18)
证明:由噪音水平(2)和先验界(3)以及(16),得
令
由于
故有
令
,则对m求导,得到极大值点
,则
于是有
从而
定理2. 假设噪音水平(2)和先验条件(3)成立,并存在
,使得
,对于
,正则化参数
是由后验正则化参数选取得到的,则有如下估计:
证明:令
,由Parseval’s等式及三角不等式得
则先对
做估计,根据引理1有
由引理8,则
再对
做估计,由Hölder不等式有
则由(16)式有
于是
从而
6. 结束语
本文针对二维空间的时间反向热传导问题采用分数次Tihonov正则化方法和拟逆正则化方法进行了正则化,并得到了正则解。同时给出了后验参数选取规则以及正则解与精确解之间稳定的误差估计。
参考文献