ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ТЕОРИИ ПЕРЕНОСА Теория

6 4 0
п о л у ч а с о в ы е
Д
о
к
л
а
д
ы
H A L F - H O U R
R E P O R T S
[8] О r t e g a J. M,, An error analysis of Householder's method for the
symmetric eigenvalue problem, Numerische Math., 6 (1963), 211-225.
[9] T u r i n g A. M., Rounding errors in matrix processes, Quart. J. Mech.,
1 (1948), 287-308.
[10] W i l k i n s o n J. H., Rigorous error bounds for computed eigensystems,
Computer J., 4 (1961), 230-241.
{11] W i 1 к i n s о n J. Й., Error analysis of eigenvalue techniques based
on orthogonal transformations, J, Soc. Industr. and Appl. Math., 10
(1962), 162-196.
[12] W i l k i n s o n J. H., Rounding errors in algebraic processes, Notes on
applied science, № 32, Her Majesty's Stationery Office, London; PrenticeHall, New Jersey (1963).
[13] W i l k i n s o n J. H., Plane rotations in floating-point arithmetic,
Proc. Amer. Math. Soc, Symposium in Applied Mathematics, 16 (1963),
186-198.
[14] W i l k i n s o n J. H,, The algebraic eigenvalue problem, Oxford Uni­
versity Press, London, 1966.
[15] W i l k i n s o n
J. H., Error analysis of transformations based on the
use of matrices of the form / — 2 wwH. Error in digital computation
(edited by L. B. Rail), John Wiley and Son, New York,'1965, 77-101.
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ТЕОРИИ ПЕРЕНОСА
Г. И. M А Р Ч У К
Теория переноса излучения — одна из ведущих проблем совре­
менной науки, бурно развивающаяся на основе достижений теоре­
тической физики и быстро проникающая в самые различные области
естествознания и техники. В настоящее время трудно назвать
область, которая могла бы обходиться без представлений и методов,
выработанных в теории переноса и в которой эта теория не играла
бы прогрессивной роли.
Теория переноса уже с начала XX столетия прочно вошла
в теоретическую астрофизику (Шварцшильд, 1906 г.). Позднее она
начала проникать в физику атмосферы, атмосферную оптику,
оптику моря и даже физику земли — нейтронный и гамма-каротаж.
Параллельно с этим процессом шло проникновение теории излуче­
ния в технику. Раньше других областей методы теории переноса
излучения начали разрабатывать в светотехнике (20-е годы), позд­
нее в теплотехнике.
Нам особо хотелось бы подчеркнуть, что начиная с 40-х годов
ведущая роль в разработке математических методов теории пере­
носа излучения перешла к атомной технике, где теория переноса
столкнулась не только с принципиально новыми задачами, но
и с новыми физическими и математическими проблемами.
Необходимо отметить также, что именно в связи с проблемами
атомной физики были разработаны и мощные математические методы
Г. И. МАРЧУК
641
решения задач теории переноса, в частности машинные ме­
тоды.
Мы не имеем возможности перечислить в докладе различные
применения теории переноса излучения — настолько они разно­
образны и специальны. В дальнейшем мы остановимся только на
вычислительных методах в теории переноса.
Использование в расчетах мощных цифровых вычислительных
машин позволило поставить и решить новые задачи науки и техники,
решение которых казалось раньше практически неосуществимым.
В значительной степени это относится именно к задачам теории
переноса излучения.
1. Весьма общая математическая формулировка нестационар­
ных задач теории переноса излучения дается с помощью линейного
интегро-дио^ференциального уравнения Больцмана с соответствую­
щими краевыми условиями и начальными данными:
I J î + Ogradcp + Sq)— \dv' J dQ'q>-w(Q9 Ö'; v, o ' ) = / ,
ф = £ при r ^ S и (ß, n ) < 0 ,
Ф (г, Ü, v, 0) = q>°,
(1)
(2)
(3)
где ф (r, Q, v, t) — поток частиц в точке с радиусом-вектором г,
имеющих скорость v = vQ, Q — единичный вектор направления
подета частицы, 2 — сечение взаимодействия частицы с веществом.
Функция w является дифференциальным сечением процесса взаимо­
действия частицы с веществом, / — функция, описывающая мощ­
ность источников излучения, n — внешняя нормаль к поверхности S,
g — заданная функция, характеризующая поток частиц, про­
никающих в область D через поверхность S, ф° — заданное началь­
ное распределение частиц.
Обычно решение сформулированной задачи ищется в веществен­
ном гильбертовом пространстве. Классы функций и области опре­
деления решений в различных задачах формулируются в соответ­
ствии с физическим и математическим содержанием (Дэвисон,
Владимиров, Биркгоф и Варга, Марек, Кейс и др.). Теория пере­
носа, вообще говоря, имеет дело с решением интегро-дифференциального уравнения, которое является функцией шести независи­
мых переменных.
N
Важное значение в теории переноса имеют сопряженные в смыс­
ле Лагранжа задачи
~ 4 " ^ f — ß g r a d Ф * + Sф* — J<fo' J dQ'y*-w(Q', Q; v', v) = p, (V)
y* = g при r £ S и (Q, n ) > 0 ,
Ф *(г, Ö, v, 0) = Фо*,
41 — 1220
(2')
(3')
642
ПОЛУЧАСОВЫЕ ДОКЛАДЫ
HALF-HOUR REPORTS
где ф* (r, Q, v, f) — сопряженная функция, а р, ф*, g — некоторые
заданные функции.
Сопряженные уравнения первоначально рассматривались для
однородных задач теории ядерных реакторов и были успешно
применены к теории возмущений (Вигнер, Фукс, Усачев и др,).
В дальнейшем теория сопряженных уравнений была разработана
для неоднородных уравнений. В этом случае объектом исследования
явились линейные функционалы от решений задач, которые интер­
претировались как результаты измерения приборов, регистрирую­
щих излучение. Введение сопряженных уравнений позволило
сформулировать теорию возмущений применительно к исследова­
нию функционалов задач (Кадомцев, Орлов, Марчук и др.). Следует
подчеркнуть, что развитая в связи с решением задач ядерной физики
теория возмущений в настоящее время используется в общей теории
линейных измерений физики и техники.
Аппарат сопряженных функций во многих случаях позволяет
провести эффективную замену задачи с непрерывным аргументом
v — скоростью частиц — многогрупповой системой, каждое из
уравнений которой в пределах фиксированного интервала скоро­
стей не зависит от этой переменной. Таким образом, переход к
многогрупповым задачам в конечном итоге является математической
идеализацией, с помощью которой осуществляется переход к бо­
лее простым односкоростным задачам. Указанная редукция имеет
большое значение для численного решения задач теории переноса.
Теоретическое обоснование метода замены задач с непрерывным
аргументом многогрупповыми системами по-прежнему остается
важной и в значительной мере нерешенной проблемой теории
интерполяции в пространстве операторов.
Учитывая это обстоятельство, в дальнейшем мы более подробно
остановимся именно на вычислительных методах решения односкоростных задач теории переноса. Мы будем рассматривать
только стационарные проблемы, поскольку именно они представ­
ляют наибольший интерес в приложениях.
2. Активный прогресс атомной науки и техники стимулировал
развитие простых приближенных методов решения уравнений пере­
носа. К настоящему времени наиболее продвинутой в алгоритми­
ческом и теоретическом аспектах является диффузионная теория,
основы которой были заложены еще в 40-х годах. Как известно,
сущность диффузионного приближения состоит в том, что решение
уравнений переноса ищется в форме линейной функции относитель­
но угловой переменной Q:
Ф(г, Q, и) = ^ [ ф 0 ( г , гО + Зйф^г, v)],
Г. И. МАРЧУК
643
где ф0 — полный поток частиц через единичную сферу с центром
в точке г, а ф! —векторный ток частиц в точке г.
В этом случае односкоростная задача теории переноса приво­
дится к следующей:
(Иуф1 + 2 с фо = /о,
^ г а а ф 0 + 2ф 1 = ! 1 ,
2 (ф4, п) — ф0 = go
при r Ç 5,
где /о> h — первые два члена разложения функции f в ряд по сфе­
рическим функциям, a go = \ QgdQ, причем интегрирование про­
водится по ß , удовлетворяющим условию (ß, n) < 0.
Если f ! равно -нулю, система приводится к уравнению
— d iv D grad ф0 + 2 с ф 0 = / 0 ,
где D и 2 с выражаются через элементарные константы и функцио­
налы от w.
Таким образом, в этом простейшем случае задача свелась к хоро­
шо изученному классу проблем математической физики. Численные
методы решения этого уравнения к настоящему времени развиты
достаточно хорошо.
В общем случае, когда изучается многоскоростная дио^фузионная проблема, приходим к задаче следующего вида:
Лфо^Яфо + ^о,
где оператор А описывает диффузию и поглощение, a ß — рас­
сеяние частиц в процессе переноса.
Аналогичная задача на собственные числа, связанная с расчетом
критического режима ядерных реакторов, имеет вид
Лф0 = Вфо + т с Ф о ,
где À — формальный параметр задачи и оператор С описывает
размножение частиц. Существенные результаты по теоретическому
обоснованию методов решения задач теории переноса в диффузион­
ном приближении были получены Варга и Биркгофом на основе
теории неотрицательных матриц Перрона — Фробениуса.
Однако диффузионное приближение далеко не во всех случаях
приводило к удовлетворительному решению задачи, поэтому раз­
работка более точных методов решения уравнений переноса уже
давно являлась важной задачей вычислительной математики.
41*
644
ПОЛУЧАСОВЫЕ ДОКЛАДЫ
HALF-HOUR REPORTS
С самого начала казалось естественным искать решение в виде
ряда Фурье по сферическим функциям, учитывая более высокие
их порядки, чем в диффузионном приближении. На этом пути были
получены существенные результаты по крайней мере для задач
теории переноса в одномерных геометриях — плоской, сферической
и цилиндрической.
Для иллюстрации ограничимся рассмотрением этого метода,
называемого методом сферических гармоник, для случая плоской
геометрии, когда поток частиц зависит только от одной геометриче­
ской координаты х и угловой переменной ß = Qxi, где I — орт
вдоль оси x, a Qx = \i. В этом случае односкоростное урарнение
переноса имеет вид
i
( ^ + 2ф = ~ J <р(х, \i')w(\x, \i')d\i'+f(x,
\i).
В соответствии с идеей метода сферических гармоник решение
уравнения ищется в форме ряда Фурье
ф ( * . rt=2 Ч2^ ф* (*) р *М
z=o
где Pi (ii) — полиномы Лежандра. В результате приходим к системе
обыкновенных дифференциальных уравнений для коэффициентов
Фурье
/
^
+ ( / + 1 ) ^ + ( 2 / + 1 ) 2 ^ = (2/+1)А
(/ = 0, 1, 2 , . . . ) ,
a 2* ufi находятся через коэффициенты Фурье функций w (p,p/)
и / (x, |1).
Предположим, что на внешней границе поток излучения извне
отсутствует. В этом случае граничные условия формулируются
в виде
о
( х
\
2
1
+
1
ф Ф = 0 при rGS
(1 = 0,
1,
2,
...)•
-i
Эти условия, введенные в рассмотрение Маршаком, в дальнейшем
получили обоснование в работах Владимирова на основе специаль­
ного вариационного принципа. Если ряд Фурье для ф подставить
в условие Маршака, то приходим к граничным условиям
оо
S адр*=о при rÇS
1=0
где au — заданные числа.
(*' = 0, 1, 2, .,.),
Г. И. МАРЧУК
645
Решение уравнений методом сферических гармоник проводится
численным путем, который изложен ниже (Ляшенко, Кочергин,
Марчук и др.). Теория метода сферических гармоник достаточно
полно изучена в работах Дэвисона, Маршака, Вика, Марка,
Владимирова, Николайшвили и др.
Введем векторы
Фо
Ф
= Ф2
/о
Ф1
. } =
фз , f =
ft
. g=
h
h
и рассмотрим отдельно уравнения для четных и нечетных индексов.
Тогда приходим к следующей системе векторно-матричных урав­
нений:
I £+•»='•
где g, т), а и b — известные матрицы, определяемые коэффициентами
•исходной системы уравнений. Граничное условие может быть
записано в виде
Аф + В]' = 0 при r £ S .
Дальнейшая задача состоит в решении полученных векторно-мат­
ричных уравнений с соответствующими граничными условиями.
Разумеется, для этой цели удобнее всего воспользоваться конечноразностным методом. Соответствующие разностные уравнения
ищутся в классе кусочно непрерывных коэффициентов а и b и функ­
ций f и g. При достаточной гладкости функций ф и j методом, анало­
гичным методу Тихонова и Самарского, можно' прийти к формаль­
ной трехточечной векторно-матричной системе уравнений
А А ф А+1 — ВАфА +
СаФд-!
= — FÄ,
где фй — значение вектор-функции ф в точке х = Хь, коэффициенты
Ад, BÄ и Ck — специальным образом определенные матрицы,
a Fk — известный вектор.
Для решения полученных уравнений вместе с граничными
условиями применяется метод матричной факторизации, развитый
Гельфандом и Локуциевским, а также Бабенко, Ченцовым и Руса­
новым.
Метод матричной факторизации в применении к решению урав­
нений сферических гармоник в плоской, сферической и цилиндри­
ческих геометриях оказался весьма эффективным численным мето­
дом решения широкого класса задач теории переноса излучения.
646
ПОЛУЧАСОВЫЕ ДОКЛАДЫ
HALF-HOUR REPORTS
Однако попытки обобщения метода сферических гармоник на
решение неодномерных проблем до последнего времени не приво­
дили к успеху.
Можно отметить, что принципы построения численных алгорит­
мов решения уравнений сферических гармоник оказались весьма
общими и позволили в дальнейшем сформулировать ряд новых
численных алгоритмов решения задач методом дискретных орди­
нат, развитым Виком и Чандрасекаром, и другими методами
(Мертенс, Курганов, Гермогенова, Романова и др.).
Интерес представляет другой численный метод решения урав­
нений сферических гармоник, основанный на ортогонализации
собственных векторов задачи и разработанный Годуновым. Указан­
ный метод состоит в решении краевой задачи для системы уравне­
ний сферических гармоник с помощью задач с начальными данными.
Устойчивый алгоритм счета достигается применением специального
метода ортогонализации ошибок, возникающих в процессе счета.
3. Одновременно с развитием численных методов решения
уравнений сферических гармоник имел место интенсивный поиск
новых путей решения уравнений переноса. В этом аспекте внима­
ние исследователей было привлечено к различным итерационным
методам. Такие методы были предложены уже в 50-х годах. Это
метод характеристик, разработанный Владимировым и Нейманом,
а также S^-метод, разработанный Карлсоном. Эти методы развива­
лись в связи с потребностью решения задач теории переноса в ней­
тронной физике для областей сферической и цилиндрической
геометрий. Общим в этих методах является то, что в обоих методах
решения задачи представляются в виде ряда Неймана на основе
реализации следующего итерационного процесса:
ßgradф<'г) + 2ф.<'г)= J Ф(«-1)(г, Q')w(Q, Çl')dQ'+f(r,
ß)
или в формальном виде
Ьф(«) = 5ф('г)+/,
где п — номер последовательного приближения. Различие методов
состоит в способах реализации обратного оператора L"1. В методе
характеристик при реализации обратного оператора уравнение
приводится к характеристическому виду, а в S^-методе исполь­
зуется для этой цели специальным образом определенный метод
дискретных ординат. Оба указанных метода, в особенности
Sn-метод, были обобщены на решение широкого класса одномерных
задач. В последние годы Ад-метод был применен к решению много­
мерных задач теории переноса (Карлсон, Белл, Вендроф, Гельбард и др.). Различные аспекты применения А71-метода и его обосно­
вания изложены в ряде докладов на второй и третьей Женевских
Г. И. МАРЧУК
647
конференциях по использованию атомной энергии и в настоящее
время хорошо известны.
Несмотря на известные успехи в построении вычислительных
алгоритмов для задач теории переноса, проблема новых численных
алгоритмов для решения многомерных задач по-прежнему требо­
вала большого внимания со стороны исследователей. Научный
поиск, продолжавшийся около десяти лет, в настоящее время
завершился созданием ряда новых численных методов, к изложению
которых мы и переходим.
4. Первый из таких методов основан на идее расщепления слож­
ных интегро-дифференциальных операторов переноса на диффе­
ренциальный и интегральный. После известных работ Писмана,
Рэкфорда и Дугласа, сформулировавших метод переменных направ­
лений, появилась возможность формулировки универсальных
и общих алгоритмов (принципы построения которых были описаны
Фаддеевыми), охватывающих различные схемы реализации. В Совет­
ском Союзе был предпринят широкий научный поиск в этом направ­
лении, начиная с работы Яненко, в которой был предложен метод
расщепления некоторых классов нестационарных задач. Методы
расщепления в дальнейшем были развиты в работах Яненко,
Самарского, Дьяконова и др. В результате были сформулированы
итерационные методы решения стационарных задач и схемы рас­
щепления нестационарных задач математической физики. Сущность
этих методов состоит в следующем.
Требуется найти решение уравнения
Л ф = /,
где Л — линейный оператор, а / — заданная функция. Сформули­
руем итерационный процесс
П(*+^)о+лФ<=?.
Здесь Е — единичный оператор.
Операторы Аа, вообще говоря, произвольные, так же как
и /1+1 параметров т а и т. Операторы Аа и параметры т а , т
выбираются из условия простоты реализации алгоритма и быстро­
ты сходимости итерационного процесса. В частности, если
л= s ла,
а=1
где Ла—элементарные операторы, из которых состоит Л, то мы
приходим к простейшей формулировке метода. Схема реализации
648
ПОЛУЧАСОВЫЕ ДОКЛАДЫ
HALF-HOUR REPORTS
рассматриваемого алгоритма имеет простой вид:
[ Е + Ц Л2)
^ / « ^ Ж / п ,
+
3
+1
Ф>1 = Ф '+тф' ,
где
5
^• = Лф "—/
—невязка релаксационного процесса. Предполагается, что опера­
торы Аа допускают простую реализацию полученной системы
уравнений. Таким образом, основная задача приводится к реали­
зации ряда задач более простой структуры.
Для задач нестационарных
§? + Аф = / •
предполагается следующая схема второго порядка аппроксимации
относительно At = т, по форме аналогичная рассмотренной выше
итерационной схеме:
а=1
где операторы Аа удовлетворяют условию
А= 2
<х=1
Аа+0{х).
В этом случае на гладких решениях схема имеет второй порядок
точности по т. Операторы Аа выбираются из условия простоты
реализации алгоритма и требования счетной устойчивости числен­
ного алгоритма. Таким образом, принципиальная схема реализации
для решения разностного аналога нестационарного уравнения будет
та же, что и для решения стационарных задач.
Эти соображения были положены в основу решения задач теории
переноса излучения. В работе Яненко и автора, а также Пененко,
Султангазина и др. дано дальнейшее развитие и теоретическое
обоснование метода расщепления для решения задач теории пере­
носа. Идея метода молеет быть проиллюстрирована на простейшем
примере односкоростной задачи в плоско-параллельной геометрии,
Г. И. МАРЧУК
649
Оператор интегро-дифференциального уравнения
представляется
циального
в
виде
суммы двух
операторов — дифферен­
и интегрального
A 2 = 2 S — \ w{\\,, p/)dp/.
Можно показать, что оператор А 4 положителен, а А 2 положительно
полуопределен. Для решения задачи формулируется итерационный
процесс
(
£ +
| Л , ) ( £
+
й л , ) ^ + Л ф < = ? .
Указанный итерационный процесс имеет три произвольных пара­
метра т ь т 2 ит, которые выбираются так, чтобы процесс сходился
быстро. Доказательство сходимости итерационного процесса про­
водится с использованием известной техники доказательства (Келлог, Дуглас и Пирс, Самарский).
Проблема выбора оптимальных параметров является весьма
сложной.* Частное решение этой проблемы было дано Пененко,
который разработал алгоритм выбора параметров на основе анализа
диффузионного приближения задачи. Оценка сходимости процесса
в асимптотических случаях показывает, что спектральная норма
итерируемого оператора оказывается величиной, малой по срав­
нению с 1.
Главное применение метод расщепления имеет в связи с реше­
нием многомерных задач теории переноса. В работах Султангазина,
Пененко и других теоретически установлена возможность расщеп­
ления оператора на дифференциальную и интегральную состав­
ляющие в общем случае конечных связных областей в трехмерном
евклидовом пространстве и доказана сходимость итерационного
процесса в метрике пространства L 2 . Расщепление оператора на
еще более простые одномерные дифференциальный и интегральный
операторы является очередной проблемой этого направления.
Вторым направлением работ, связанных с методом расщепления
в теории переноса, является проблема решения уравнений методом
сферических гармоник для многомерных областей. Даже в про­
стейшем случае двумерных цилиндрических областей с круговой
симметрией метод сферических гармоник приводит к сложной систе-
650
ПОЛУЧАСОВЫЕ ДОКЛАДЫ
HALF-HOUR REPORTS
ме дифференциальных уравнений в частных производных, порядок
которой определяется номером приближения. Решение этой системы
связано с большими математическими трудностями. Лишь в послед­
нее время Бояринцеву и Узнадзе, развивая метод расщепления,
удалось представить матричный оператор системы уравнений мето­
дом сферических гармоник в виде суммы двух операторов специаль­
ного вида и для решения системы применить итерационный процесс
в форме универсального алгоритма. Эта работа, по-видимому,
открывает ряд новых возможностей в использовании метода сфери­
ческих гармоник для решения многомерных задач теории переноса.
5. Оригинальный подход к решению уравнений переноса
с помощью итерационных методов предложен в работе Морозова.
Сущность метода состоит в том, что метод простых итераций
ßgradф<n> + 2ф<w)= [ d ß y - O z ^ ß , Q')+f(r;
ß),
схема реализации которого возможна как по методу характеристик,
так и по Sn -методу, дополняется вторым этапом: уточнением реше­
ния с помощью решения приближенного уравнения для погреш­
ности
ßgradeC l ) + S c e(' l )= [ du' (ф£ — ф«- 1 )ш(В, ß'),
eW(r, ß) = 0 при r £ S , (ß, n ) < 0 .
Такие алгоритмы в дальнейшем будем условно называть двухшаговыми.
В работах Лебедева сформулирован более общий метод реше­
ния уравнения переноса на этом пути (KP-метод). Основываясь
на простой итерации, как на первом этапе решения, Лебедев
построил специальные уравнения для погрешности на основе
теории аппроксимации оператора. Им была восстановлена общая
структура оператора уравнения для погрешности
1
Qe<«> = Р [ е(">— J dß' (ф<»> - фО- )) w (ß, ß') ] ,
где Q и P — некоторые операторы полиномиальной структуры.
В случае изотропного рассеяния эти операторы действуют на
функции только от г. Показано, что полученная итерационная
схема является в известном смысле оптимальной и во многих слу­
чаях просто реализуется на ЭВМ. Этот метод молеет быть применен
для решения многомерных задач.
Интересный метод решения уравнений переноса в рамках двухшаговой схемы сформулировал Гольдин. Он также использует на
нервом шаге простую итерацию, а на втором шаге осуществляет
Г. И. МАРЧУК
651
уточнение решения на основе решения системы уравнений
div ф1 + 2ф 0 — \ dQq>w(Q, Çi') = f0,
\7£><">фо + 2ф 1 — [ dQQ<pw(Q, Q') = fi,
где £КП) — симметричный тензор с компонентами
Uih
~
J9cn)rf0
при соответствующих граничных условиях.
Теоретическое обоснование этого метода пока отсутствует, однако
метод Гольдина представляет большой интерес, поскольку он
связан с реализацией нелинейного итерационного процесса.
6. К вычислительным методам теории переноса тесно примы­
кают аналитические методы решения уравнений Больцмана, осно­
ванные на разложении решения в ряд по собственным функциям
оператора переноса. Уже давно было замечено, что оператор пере­
носа, кроме дискретного спектра, имеет спектр непрерывный
{Вигнер, Лефар и Милот и др.). Далее Кейсу удалось построить
полную систему собственных функций оператора переноса и сфор­
мулировать теорему о разложимости для некоторого класса функ­
ций. С помощью этого метода Кейс решил проблему Милна и задачу
об альбедо для полупространства и построил в явном виде функции
Грина для бесконечной и полубесконечной среды в случае односкоростной модели переноса при изотропном рассеянии частиц.
Эта работа явилась началом большого цикла исследований, которые
привели к серии интересных в теоретическом и практическом аспек­
тах результатов. Была исследована полнота системы собственных
функций и получены соотношения ортогональности для различных
моделей, дано распространение результатов на случай ограничен­
ных плоско-параллельных сред, анизотропного рассеяния частиц,
энергетической зависимости и т. д. (Мика, Желязны, Кужель,
Митсис, Фердзигер, Леонард, Мак Кормик, Кучер и Зоммерфельд,
Инерней и др.). Вычислительные основы метода рассмотрены в рабо­
тах Митсиса и Ковальской. В последнее время Лалетин дал обоб­
щение метода Кейса на случай задач в сферической и цилиндриче­
ской геометриях. Для л-мерного пространства и самосопряженной
формулировки задачи теории переноса метод Кейса развит
Лебедевым.
7. Оригинальный подход к решению уравнения переноса излу­
чения, основанный на принципах инвариантности, был предложен
Амбарцумяном и развит во многих направлениях (Чандрасекар,
652
ПОЛУЧАСОВЫЕ ДОКЛАДЫ
HALF-HOUR REPORTS
Беллман и Кал аба, Соболев, Седельников и др.). Этот метод позво­
ляет свести уравнение переноса излучения к решению нелинейных
и линейных уравнений"" простой конструкции. Этот метод нашел
применение в задачах астрофизики и нейтронной физики.
8. Существенный интерес для теории переноса" имеют вариа­
ционные методы решения задач. Впервые примененные к решению
уравнения Пайерлса — интегральному аналогу уравнения пере­
носа, они позволили получить ряд важных результатов как в ней­
тронной физике, так и в других научных направлениях (Дэвисон,
Лё-Кен, Брудно и др.). Важный этап достигнут при формулирова­
нии вариационного принципа непосредственно для кинетического
уравнения (Владимиров).
9. Большое развитие в последние годы получили статистические
методы решения уравнений переноса — методы Монте-Карло. Бла­
годаря использованию все более совершенной вычислительной
техники методы Монте-Карло приобретают все большее значение
в решении сложных задач теории переноса. К настоящему времени
уже накоплен ценный опыт в применении методов Монте-Карло для
решения задач математической физики вообще и теории переноса
в особенности. Работы Улама и Неймана нашли дальнейшее разви­
тие во многих направлениях науки, и к настоящему времени мы
располагаем системой алгоритмов, эффективно реализуемых на
машинах для широкого класса задач (Бергер, Фано, Спенсер*
Гельфанд, Ченцов, Фролов, Михайлов, Золотухин, Гольдштейн,
Ермаков и др.). Можно предположить, что уже в близком будущем
методы Монте-Карло окажутся мощным математическим аппаратом
для решения наиболее сложных задач теории переноса. Успехи,
достигнутые в способе уменьшения дисперсии, а также новые
подходы к моделированию случайных величин позволяют прибли­
зиться к формированию универсальных и экономичных методов
решения задач теории переноса.
10. Прогресс в развитии вычислительных методов теории пере­
носа ставит перед математиками комплекс теоретических проблем,
развитие которых стимулирует развитие новых вычислительных
методов. К настоящему времени уже достигнуты существенные
успехи в области математической теории переноса как для односкоростных задач (Дэвисон. Владимиров, Гермогенова, Кучер,
Масленников, Ленер, Цинг, Йоргенс и др.), так и для задач с энер­
гетической зависимостью (Марек, Хабетлер и Мартно, Биркгоф
и Варга, Масленников, Шихов и др.). Особое значение имеет прин­
цип максимума, сформулированный для уравнений переноса Гермогеиовой.
Г. И. МАРЧУК
653
11. Развитие вычислительных методов теории переноса и прак­
тическое их осуществление на цифровых вычислительных машинах
всегда были тесно связаны с уровнем вычислительной математики.
Это определялось тем, что решение практических задач, как правило,
было связано с проблемами развития новой техники. Вместе с тем
нельзя не отметить, что сама вычислительная математика зачастую
обогащалась методами и идеями, возникавшими при разработке
проблем теории переноса излучения. К числу таких методов молено
отнести численные методы решения уравнений диффузии, различ­
ные методы факторизации, теорию решения больших алгебраиче­
ских систем, ускорение сходимости итерационных процессов и др.
На основе разработанных вычислительных алгоритмов решение
задач теории переноса в настоящее время составлен большой комп­
лекс программ для цифровых вычислительных машин, которые
используются в практических расчетах во многих областях науки
и техники.
12. В заключение остановимся на некоторых актуальных'про­
блемах, решение которых крайне валено для дальнейшего развития
теории переноса и ее приложений.
Наиболее важной задачей, по нашему мнению, является разра­
ботка численных методов решения многомерных кинетических
уравнений переноса для областей слолшой геометрии. Существующие
методы решения таких задач указывают лишь направление научного
поиска. Можно предположить, что развитие новых алгоритмов
решения многомерных задач и теоретическое их обоснование явится
основным направлением в развитии вычислительных методов в тео­
рии переноса на блюкайшие годы.
Большое значение в задачах теории переноса уже сейчас имеет
метод Монте-Карло. В связи с совершенствованием цифровых
вычислительных машин роль этого метода, по-видимому, будет
непрерывно возрастать. Молено ожидать, что на первом этапе метод
Монте-Карло будет комбинироваться с разностными методами в тех
частях алгоритмов, где их применение окажется наиболее целе­
сообразным. Это позволит уменьшить дисперсию, а таюке количе­
ство информации, перерабатываемой машиной в процессе решения
задач. Разумеется, пути широкого использования метода МонтеКарло для решения задач теории переноса могут быть самыми
различными. Однако несомненно, что вычислительная техника
и вычислительная математика в настоящее время созрели для
широкого применения этих методов для решения задач науки
и техники в рассматриваемой области.
В последние годы сформулировалось новое научное направле­
ние в теории переноса излучения, связанное с решением обратных
задач. Решение обратных задач нейтронной физики, атмосферной
654
ПОЛУЧАСОВЫЕ ДОКЛАДЫ
HALF-HOUR REPORTS
оптики и т. д. давно привлекает внимание исследователей. Такие
задачи ставились и решались в основном в связи с эксперименталь­
ным изучением сечений взаимодействия частиц с веществом, когда
по эффекту ослабления потока частиц необходимо определить
элементарные константы физического процесса. Решение таких
задач, как правило, опиралось на теорию возмущений для одно­
родных и неоднородных задач теории переноса. В настоящее время
появился новый объект исследования, где обратные задачи теории
переноса имеют большое значение. Речь идет об интерпретации
данных с метеорологических спутников. Поле радиации земной
атмосферы, регистрируемое приборами на метеорологических спут­
никах, существенно зависит от метеорологических условий в атмо­
сфере (температуры, влалшости, давления и т. д.), и задача состоит
в восстановлении этих величин по измеряемым на спутниках харак­
теристикам поля излучения. В связи с постановкой и решением
таких задач возникает необходимость в изучении сопрялеенных
уравнений по отношению к функционалам задач, которыми являют­
ся показания приборов, регистрирующих поле уходящей из атмо­
сферы радиации/а таюке в развитии теории возмущения по отноше­
нию к указанным функционалам задач.
Большое внимание исследователей в настоящее время привле­
кают экстремальные задачи теории переноса, связанные с опреде­
лением конструкций систем, для которых реализуется минимум
существенных функционалов задачи. Такие проблемы, за редким
исключением, изучены еще очень слабо, хотя отдельные интересные
результаты в этом направлении уже получены в ряде областей
и в особенности в атомной физике.
Методы решения линейных уравнений переноса к настоящему
времени развиты достаточно хорошо. Это обстоятельство позволяет
надеяться, что эти методы могут проникать в более слолшые области
нелинейных кинетических уравнений, интенсивно развиваемые
в теории разреженных газов, теории плазмы и других. По-види­
мому, переход к решению нелинейных задач явится естественным
этапом в развитии теории переноса.
В кратком докладе не представляется возмоленым остановиться
на всех аспектах вычислительных методов в теории переноса.
Мы отметили лишь некоторые тенденции, которые оказались в сфере
внимания автора доклада, и потому естественно, что в настоящем
докладе несколько большее внимание было уделено исследованиям,
проводимым в Советском Союзе.
Вычислительный центр Сибирского отделения АН
Новосибирск, СССР
СССР,
Г. И. МАРЧУК
655
ЛИТЕРАТУРА
[1] А м б а р ц у м я н В. А., Рассеяние и поглощение света в планетных
атмосферах, Уч. зап. ЛГУ, 82 (1941).
[2] А м б а р ц у м я н В. A., M у с т е л ь Э. Р., С е в е р н ы й А . Б.,
С о б о л е в В. В., Теоретическая астрофизика, гл. 8, Гостехиздат,
1952.
[3] B e d n a r z R. J., M i k a J.R., Energy dependent Boltzmann equation
in plane geometry, /. Math, and Phys., 4, № 10 (1963).
[4] B e l l m a n R.', К a 1 a b a R . , P r e s t r u d M., Invariant imbedding
and radiative transfer in slabs of definite thickness, New York>
1963, •
[5] В i r с h о f f Y., V a r g a R. S., Reactor criticality and non-negative
matrices, J. Soc. Indust. and AppL Math., 6, Mb 4 (1958).
[6] W e i n b e r g A M., W i g n e r E. P., The physical theory of neutron
chain reactors, Chicago, 1958.
[7] В и г н e p E., Математические проблемы теории ядерных реакторов*
сб. «Теория ядерных реакторов», М., Госатомиздат, 1963, 103-119.
[8] В а р г а Р., Численные методы решения многомерных многогруппо­
вых дифференциальных уравнений, сб. «Теория ядерных реакторов»,
Госатомиздат, 1963.
[9] V a r g a R. S., Matrix iterative analysis, New Jersey, 1963.
[10] В л а д и м и р о в В. С , Численное решение кинетического уравне­
ния для сферы, Вычислительная математика, 3 (1958).
[11] В л а д и м и р о в
В. С , Математические задачи односкоростной
теории переноса частиц, Труды математического института им. В. А. Стеклова А Н СССР, XI, 1961.
[12] В л а д и м и р о в В. С., О некоторых вариационных методах при­
ближенного решения уравнения переноса, Вычислительная
математи­
ка, 7 (1961).
[13] Г и б е т л е р
Т. И., M а р т и н о М. А., Теоремы существования
и теория спектров для многогрупповой диффузионной модели, сб.
«Теория ядерных реакторов», М., Госатомиздат 1963, 145-159.
[14] G е 1 b a r d E., An iterative method for solving the Pe equations in
slab geometry, Nucl. Sei. and Engng, 3, № 4 (1958).
[15] Г е л ь ф а н д И. M., Л о к у ц и е в с к и й О. В., Метод «прогонки»
для решения разностных уравнений в книге С. К. Годунова и В. С. Ря­
бенького «Введение в теорию разностных схем», М., Физматгиз,
1962.
[16] Г е л ь ф а н д И. М., Ф е й н б е р г С. М., Ф р о л о в А . С , Ч е нц о в H. Н., О применении метода случайных испытаний (метода МонтеКарло) для решений кинетического уравнения, Докл. № 2141, Труды
Второй международной конференции по мирному использованию атом­
ной энергии, Докл. советских ученых, т. 2, -Атомиздат, 1959.
[17] Г e р м о г е н о в а Т. А., Экстраполированная длина и плотность
вблизи границы в сферической задаче Милна, сб. «Некоторые мате­
матические задачи
нейтронной физики»,
изд-во
МГУ, 1960,
80-119.
[18] Г e р м о г е н о в а Т. А., Принцип максимума для уравнения пере­
носа, Журнал вычислительной математики и математической
физики,
1,№ 1 (1962).
[19] Г о д у н о в С. Км Метод ортогональной прогонки для решения систем
разностных уравнений, Журнал вычислительной математики и мате­
матической физики, 2, № 6 (1962).
656
ПОЛУЧАСОВЫЕ ДОКЛАДЫ
HALF-HOUR REPORTS
(20] Г о л ь д и н В. Я., Характеристическая разностная схема для неста­
ционарного кинетического уравнения, Докл. АН СССР, 133 (I960),
748-751.
[21] Г о л ь д и н В. Ям Квазидиффузионный метод решения кинетического
уравнения, Журнал вычислительной математики и математической
физики, 4, № 6 (1964).
[22] D a v i s o n В., Neutron transport theory, Oxford, 1957.
123] D a v i s o n В., Remark on the variational methods, Phys. Rev., 71
(1947), 694.
[24] D o u g l a s J., R a c h f o r d H. H., On the numerical solution of
heat conduction problems in two and three space variables5 Trans. Amer.
Math. Soc, 82 (1956), 421-439.
[25] D o u g l a s J., P e a r c y C , On convergence of alternating direction
procedures in the presence of singular operators, Numer. Math., 5 (1963).
[26] Д ь я к о н о в E. Г., О некоторых разностных схемах для решения
краевых задач, Журнал вычислительной математики и математиче­
ской физики, 2, № 1 (1962).
[27] Д ь я к о н о в Е. Г., О некоторых итерационных методах решения
систем разностных уравнений, возникающих при решении методом
сеток уравнений в частных производных эллиптического типа, сб. «Вы­
числительные • методы и программирование», изд-во МГУ, 1965,
191-222.
[28] Е р м а к о в С. М., З о л о т у х и н В. Г., сб. «Вопросы физики за­
щиты реакторов», М., Атомиздат, 1962, стр. 171.
[29] Ж е л я з н ы Р., Метод разложения по собственным функциям в тео­
рии транспорта нейтронов, Третья международная конференция по
использованию атомной энергии в мирных целях, Доклад A. (conf. 28)
р/498.
[30] Z e l a z n y R., K u s z e l l A., Two-group approach by neutron trans­
port theory in plane geometry, Ann. Phys., 16, № 1 (1961).
[31] J ö r g e n s Км An asymptotic expansion in the theory of neutron trans­
port, Communs Pure and Appl. Math., 11 (1958), 219-242.
[32] C a s e К. M., Elementary solution of the transport equations and their
applications, Ann. Phys., 9, № 1 (1960).
[33] К а д о м ц е в Б. Б., О функции влияния в теории переноса лучистой
энергии, Докл. АН СССР, ИЗ, № 3 (1957).
[34] K a p l a n S . , Some new methods of flux syntesis, Nucl. Sei. and Engng.,
13 (1962), 22-38.
[35] K u s z e l l A., The critical problems for multilayer slab systems,
Acta Phys. Polon., 20 (1961), 567.
[36] K u S c e r I., M c C o r m i c k N. L, S u m m e r f i e l d
G. C ,
Orthogonality of Case's eigenfunctions in one-speed transport theory,
Ann. Phys., 30, № 3 (1964).
[37] K u S c e r I., Milne's problem for anisotropic scattering, J. Math, and
Phys., 34 (1956), 256-266.
[38] К о w a 1 s k a Kr., Critial calculation of the slab reactors, Nucl. Sei.
and Engng., 24, Ns 3 (1966).
[39] К e 1 1 о g R. В., Another alternating direction implicit method, /. Soc.
Indust. and AppL Math., 11, № 4 (1963).
[40] К а р л с о н
Б., Б е л л Д ж., Решение транспортного уравнения
Ад-методом, Труды Второй международной конференции по мирному
использованию атомной энергии, Избранные доклады иностран­
ных ученых,
т. 3 . — Физика ядерных реакторов, М., Атомиздат,
1959.
[41] Л а л е т и н Н. И., Элементарные решения уравнения переноса ней­
тронов, сб. «Физика ядерных реакторов», т. 1, 1966, 3-11.
Г. И. МАРЧУК
657
42] L e h n e r J., W i n g G. M., On the spectrum of an unsymmetric ope­
rator arising in the transport theory of neutrons, Communs Pure and AppL
Math., 8 (1955), 213-234,
43] Л e б e д e в В. И., О KP-методе ускорения сходимости итераций при
решении кинетического уравнения, Журнал вычислительной
матема­
тики и математической физики, 6, № 2 (1966).
44] L е С a i n e J., Application of a variational method to Milne's pro­
blem, Phys. Rev., 72 (1947), 564.
45] Л я ш e н к о E. И., H и к о л a й ш в и л и Ш, С , Обзор численных
методов и программ расчета малогабаритных реакторов, сб. «Физика
ядерных реакторов», т. 1, 1966, 173-192.
46] М а р е к
И., Некоторые математические задачи теории ядерных
реакторов на быстрых нейтронах, Aplikace matematiky, 8, № 6
(1963).
47] M а р ч у к Г. И., Методы расчета ядерных реакторов, Госатомиздат,
1961.
4 8 ] М а р ч у к Г. И., О р л о в В В., К теории сопряженных функций,
сб. «Нейтронная физика», Госатомиздат, 1961.
49] M а р ч у к Г. И., Я н е н к о H. Н., Применение метода расщепления
(дробных шагов) для решения задач математической физики, Доклад
на конгрессе ИФИП, июль 1965, Нью-Йорк.
50] M а р ч у к Г. И., Я н е н к о Й[. Н., Решение многомерного кинети­
ческого уравнения методом расщепления, Докл. АН СССР, 157, № 6
(1964).
51] M а р ч у к Г. И., С у л т а н г а з и н У. М., К обоснованию мето­
да расщепления для уравнений переноса излучения, Журнал вы­
числительной
математики и математической
физики,
5, № 4
(1965).
52] M а р ч у к Г. И., П е н е н к о В. В., С у л т а н г а з и н
У, М.,
О решении кинетического уравнения методом расщепления, Труды
семинара по прикладной и вычислительной математике, Новосибирск,
1965.
53] M a r s h a k I . R . Е., Theory of the slowing down of neutrons by elastic
collision with atomic nuclei, Rev. Mod. Phys., 19 (1947), 185238.
54] M i k a J., The thermalization theory with a simple scattering kernel.
Nucl. Sei. and Engng. 22, № 2 (1965).
55] M i t s i s G. J., Transport solutions to the one-dimensional critical
problem, Nuclear Sei. and Engng., 17, № 1 (1963).
56] M и x а й л о в Г. А., Расчеты критических систем методом МонтеКарло, Журнал вычислительной математики и математической физи­
ки, 6, № 1 (1966).
57] M о р о з о в В. Н., К вопросу о решении кинетических уравнений
с помощью Sra-метода, сб. «Теория и методы расчета реакторов», Гос­
атомиздат, 1962.
58] М а с л е н н и к о в
В. В., Проблема Милна с произвольной инди­
катрисой, Докл. АН СССР, 118, № 2 (1958).
59] H и к о л а й ш в и л и Ш. С , Односкоростная задача об угловых
распределениях нейтронов, сб. «Теория и методы расчета ядерных
реакторов», Госатомиздат, М., 1962.
60] P e a c e m a n D. W., R a c h e o r d H. H., The numerical solution
of parabolic and elliptic differential equations, J. Soc. Indust. and
AppL Math., 3 (1955), 28-41.
61] П е н е н к о В. В., Об алгоритмах и системе программирования задач
расчета двумерных ядерных реакторов и некоторых задач теории пере­
носа, Диссертация, Новосибирск, 1965.
42-1220
658
ПОЛУЧАСОВЫЕ ДОКЛАДЫ
HALF-HOUR REPORTS
[62] Р о м а н о в а Л, M,, Задача Милна для полупространства с анизо­
тропным рассеянием и захватом нейтронов, сб. «Некоторые математи­
ческие задачи нейтронной физики», изд-во МГУ, 1960, 8-27.
[63] Р и х т м а й е р Р. Д., Разностные методы решения краевых задач,
М., ИЛ, 1960.
[64] Р и х т м а й е р Р. Д., Методы Монте-Карло, сб. «Теория ядерных
реакторов», Госатомиздат, 1963.
[65] Р у с а н о в В. В., Об устойчивости метода матричной прогонки,
Вычислительная математика, 6 (1960).
[66] С а м а р с к и й
А. А., Об одном экономичном разностном методе
решения многомерного параболического уравнения в произвольной
области, Журнал вычислительной математики и матем. физики, 2,
№ 5 (1962).
[67] С а м а р с к и й А. А., О разностных схемах для многомерных диф­
ференциальных уравнений математической физики, Aplikace matematiky,
10, Ni? 2 (1965), 146-163.
[68] С а у л ь е в В. Км Интегрирование уравнений параболического типа
методом сеток, М., Физматгиз, 1960.
[69] Сб. «Теория ядерных реакторов» под ред. Г. Биркгофа и Э. Вагнера,
М., Госатомиздат, 1963.
[70] С о б о л е в В . В . , Новый метод в теории рассеяния света, Астрономи­
ческий журнал, 28, № 5 (1951).
[71] Т и х о н о в А. Н., С а м а р с к и й А. А., Об однородных разност­
ных схемах, Докл. АН СССР, 122, № 4 (1958).
[72] У с а ч ё в Л. Н-, Уравнение для ценности нейтронов, кинетика реак­
торов и теория возмущений, сб. «Реакторостроение и теория реакторов»,
изд-во АН СССР, 1955.
[73] Ф а д д е е в а Д. Км Ф а д д е е в В. Н., Вычислительные методы
линейной алгебры, М., Физматгиз, 1962.
[74] F a n о U., S p e n с e r L. V., В e r g e r M. J., Penetration and diffu­
sion of X-rays, Handbuch der Physik, Band XXXVIII/2, Neutronen und
Vervandte
Gammastrahlprobleme, Berlin — Göttingen — Heidelberg,
1959.
[75] F e r z i g e r J. H., L e o n a r d A., Energy-dependent neutron transport theory. I. Constant cross sections, Ann* Phys., 22, № 2
(1963).
[76] F e r z i g e r J. H. f R o b i n s o n A. H., A transport theoretic calcu­
lation of the disadvantage factor, Nucl. Sei. and Engng., 21, № 3
[77] F u с4c s Км Perturbation theory in neutron multiplication problems,
Proc. Phys. Soc, 62 (1949), 791.
[78] H a m m e r s l e y J. M., H a n d s c o m b D. C , Monte-Carlo methods,
London, New York, 1964.
[79] III и x о в С. Б,, Ш и ш к о в Л. К., Существование и единственность
положительного решения однородного уравнения переноса нейтронов,
сб. «Физика ядерных реакторов», т. 1, 1966, 50-55.
[80] J a c o b s А. М., M c l n e r n e y J. J., On the Green's function of
monoenergetic neutron transport theory, Nucl. Sei. and Engng., 22, № 1
(1965).
[81] Я H e н к о H. H., Об одном разностном методе счета многомерного
уравнения теплопроводности, Докл. АН СССР, 125, № 6 (1959).
[82] Я н е н к о H . H . , Метод дробных шагов решения многомерных задач
математической физики, Новосибирск, 1966.
[83] C h a n d r a s e k h a r S., Radiative transfer, Oxford, 1950. Русский перевод:
Ч а н д р а с е к а р Ш., Перенос лучистой энергии, М-, ИЛ, 1953.