Л.Н. Пестов, д-р физ.-мат. наук Югорский НИИ информационных технологий (Россия, 628011, Ханты-Мансийск, ул. Мира, 151), тел. (34671) 59082, [email protected] В.М. Болгова, Югорский гос. университет (Россия, 628011, Ханты-Мансийск, ул. Чехова, 16), тел. (34671) 59113, [email protected] О.П. Казарина Югорский гос. университет (Россия, 628011, Ханты-Мансийск, ул. Чехова, 16), тел. (34671) 59113, [email protected] Численное восстановление плотности в обратной динамической задаче методом граничного управления Приведены результаты численных экспериментов решения дискретного аналога обратной динамической задачи для волнового уравнения: восстановление плотности неоднородной мембраны по данным волновой томографии. Прямая и обратная задача. Пусть D - ограниченная, односвязная область в R 2 с границей . Обозначим через u f решение начально-краевой задачи для волнового уравнения utt u 0 в D (0, T ) u |t 0 ut |t 0 0, (1) def un |[0,T ] f F T L2 [0, T ] . где x 0 - плотность (предполагается кусочно-гладкой), un - нормальная производная (управление). Отображение RT : FT FT, определенное равенством RT f u |[0,T ] называется оператором реакции. Известно, что оно ограничено в F T [1]. Обратная задача состоит в определении плотности по оператору реакции R 2T при достаточно большом T , точнее при 2T diam ( D ) - оптический диаметр области D. При этом волны, возбужденные всевозможными граничными источниками из F T к финальному моменту T заполнят всю область D. Следуя терминологии метода граничного управления (BC -метод; М.И. Белишев [2,3]) функцию def W T f u f , T будем называть состоянием. В основе BC-метода лежит следующее равенство, связывающее управления и состояния: 1 W T f ,W T g H T (C T f , g ) F T , где W T f ,W T g H T def D T x u f x, T u g x, T dx, а симметричная билинейная форма (С f , g ) явно выражается через R (C T f , g ) F T 1 2 T 0 f x, t [ 2 T t t 2T : ( R 2T g )( x, s )ds ]dt T ( R 2T f )( x, t )[ g ( x, s)ds]dt d . t Известно, что при достаточно больших T задача граничного управления Wf H T , f ? (2) разрешима в F [4]. Если - произвольная гладкая гармоническая функция в D D , то равенство (2) выполняется тогда и только тогда, когда выполняется граничное равенство T C T f , g FT g , g F T , (3) где функционал определяется функцией по формуле g 0,T T t x g x, t dtd . Восстановление плотности может быть реализовано по следующей схеме, предложенной в [5]. 1. Для всевозможных гладких гармонических функций решается задача граничного управления (3). Тем самым определяются управления f , такие, что u f , T Wf , T . 2. Тогда для восстановления плотности получаем уравнение D x x x dx (C T f , g ) F , T где , - произвольные гладкие гармонические функции. Поскольку множество всевозможных произведений образует плотное множество в L2 D , то плотность однозначно восстанавливается из последнего уравнения. Подчеркнем, что при этом решение обратной задачи достигается с помощью двух линейных процедур. Прямая и обратная задача в дискретной постановке. Численные эксперименты. Описанная выше схема использовалась для решения обратной динамической задачи, которая получается в результате проектирования прямой задачи (1) на конечномерное подпространство со стандартными базисными функциями метода конечных элеменов. В круге D выбиралась нерегулярная сетка треугольников 2 Делоне, решение прямой задачи раскладывалось по стандартным кусочнолинейными базисным функциям FEM j : u x, t n1 U n t n x , n xm nm , n, m 1,..., N , N где xn - узлы триангуляции. Метод Галеркина сводит исходную прямую задачу к задаче Коши для системы обыкновенных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами MU KU G f , Gi f t i x f x, t d U 0 U 0 0. (4) где M ij x i x j x dx, D Kij ( i x , j x )dx. D После решения задачи на собственные значения MX KX X , X t MX E, где - диагональная матрица собственных значений, решение задачи Коши выписывается в явном виде. При проведении расчетов использовались следующие управления f jkl cos ,sin , t h j t qk cos ,sin , где h j t - смещенный прямоугольный импульс на шаг jt , q k - кусочно-линейные функции на граничной окружности, причем qk ( xk ) 1 и qk 0 в остальных граничных узлах. В дальнейшем управления нумеруются единым индексом f l , l 1,..., L, где L - количество базисных управлений. Восстановление плотности по рассчитанным решениям прямой задачи U f t , t [0, 2T ] на множестве граничных узлов ( i A N : def Rft i Ufi t i A проводилось по схеме, близкой к описанной выше схеме решения обратной задачи в непрерывной постановке. При этом использовалась кусочно-постоянная модель плотности (в каждом треугольнике - константа). Алгоритм решения обратной задачи в дискретной постановке состоял в следующем: 1. Рассчитывались сеточные "гармонические функции" ( j ) , j 1,..., J , где J количество граничных узлов: K ( j ) G( j ) , где векторы G( j ) - могут быть произвольными линейно-независимыми граничными векторами (их компоненты равны нулю во внутренних узлах), удовлетворяющих условию разрешимости задачи Неймана nN1 G(nj ) 0. В работе выбиралось G(i j ) n ln x x j |x xi , 3 где i A, а точки x j , j 1,..., J задавались на близкой к окружности, большего радиуса. 2. Для каждой ( j ) решалась задача граничного управления def W f ( j ) U T относительно управлений f( j ) T ( j ) , j 1,..., J (5) f( j ) . Как и в непрерывном случае, эти уравнения эквивалентны уравнениям, использующим только данные обратной задачи f (состояния U k T в обратной задаче неизвестны). Можно показать, что (5) выполняется тогда и только тогда, когда управление f j удовлетворяет линейному уравнению, ( Pf( j ) , g ) iAG(i j ) ( Rg )i (T )). (6) где билинейная форма ( Pf , g ) явно выражается через данные обратной задачи ( Pf , g ) ( KW T f ,W T g ) 1 T (G , Rg ) t (G g , Rf ) t 2 0 f (G f t , Rg 2T t ) dt и условию ( Rf j )i (T ) (i j ) , i A. (7) Во всех рассмотренных численных экспериментах задача граничного управления решалась с хорошей точностью. Точнее, в результате решения системы линейных уравнений (относительно коэффициентов разложения f( j ) kL1cl j f k ), получающихся из (6), когда g пробегает базисные управления f l , l 1,..., L с условими (7) ( Pf( j ) , f l ) iAG(i j ) ( Rf l )i (T )), T находились управления f( j ) . Вычисленные по ним состояния W f ( j ) отличались от ( j ) в относительной норме l 2 на величины порядка менее 10 3 10 6 . 3. Как и в случае непрерывной постановки BC - метод приводит к равенству ( MW T f ,W T g ) (CT f , g ), где правая часть явно вычисляется через данные обратной задачи. Подставляя сюда f f( j ) , g f( k ) и заменяя W T f ( j ) на ( j ) для нахождения значений плотности в каждом треугольнике получаем систему уравнений K (jp ) (kq ) ( j ) x ( k ) x dx (C T f , f ). k 1 k k ( p) (q) (8) Фактически, это система линейных алгебраических уравнений с матрицей Q 4 размерности K J ( J 1) / 2. Количество управлений выбиралось так, чтобы соблюдалось условие J 2 4 K . В приведенных ниже примерах эта система решалась с помощью алгоритма псевдообращения Мура-Пенроуза. Ниже приведены графические результаты численных экспериментов восстановления плотности. На рисунках слева представлена модель, справа – результат реконструкции. Величина означает относительную среднеквадратическую погрешность. Рис. 1. Модель с одним включением. Рис. 2. Результат восстановления, 4,5% Рис. 3. Два включения. Рис. 4. Результат восстановления, 6,7% 5 1 Рис. 5. Исходная модель плотности. Рис. 6. Результат восстановления, 40% Рис. 7. Модель с четырьмя включениями. Рис. 8. Результат восстановления, 8% Численные эксперименты показали, что первая задача - задача граничного управления при достаточно большом T и достаточно большом количестве управлений решается с хорошей точностью. Качество решения второй задачи восстановление распределения плотности из (8) зависит от ранга матрицы Q . Список литературы 1. Lasiecka I., Lions J-L. and Triggiani R. Non homogeneous boundary value problems for second order hyperbolic operators. J. Math. Pures Appl. 65 (1986). p. 149-192. 2. Белишев М. И., Благовещенский А. С. Динамические обратные задачи теории волн. Изд-во СанктПетербургского университета, (1999), 265 с. 3. Belishev M. I. Boundary control in reconstruction of manifolds and metrics (the BC-method). Inverse Problems, 13 (1997), R1-R45. 4. Bardos C., Lebeau G. and Rauch J. Sharp sufficient conditions for the observation control and stabilization of the waves from the boundary. SIAM J. Contr. Opt., 30 (1992), p. 1024-1065. 5. Pestov L. N. On reconstraction of the speed of sound from a part of boundary. Journal of inverse and illposed problems, 1999, n 5, v. 7, pp. 481-486, Netherland. 6