1. Trang chủ
  2. » Giáo án - Bài giảng

Chỉnh hóa bài toán nhiệt ngược thời gian bằng phương pháp lặp Landweber

17 81 0

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

THÔNG TIN TÀI LIỆU

Thông tin cơ bản

Định dạng
Số trang 17
Dung lượng 352,64 KB

Nội dung

Bài viết khảo sát một bài toán ngược thời gian cho phương trình nhiệt. Bài toán được quy về việc khảo sát một phương trình tích phân loại tích chập và được chỉnh hóa bằng phương pháp lặp Landweber với các đánh giá sai số.

Trang 1

CHỈNH HÓA BÀI TOÁN NHIỆT NGƯỢC THỜI GIAN

BẰNG PHƯƠNG PHÁP LẶP LANDWEBER

Phạm Hoàng Quân *, Phan Trung Hiếu

Lê Minh Triết, Nguyễn Quang Huy †

1 Mở đầu

Bài toán ngược thời gian cho phương trình nhiệt nhằm xác định phân bố nhiệt độ tại thời điểm ban đầu t = 0 từ phân bố nhiệt độ đo được tại thời điểm sau

đó, chẳng hạn tại t = 1 Bài toán này còn có thể coi như một bài toán điều khiển: bài toán điều khiển phân bố nhiệt độ ban đầu (t = 0) để có thể nhận được phân bố nhiệt độ như ý muốn tại thời điểm t = 1 Đây là một bài toán không chỉnh theo nghĩa là nó không luôn luôn tồn tại nghiệm và ngay cả khi nghiệm của bài toán tồn tại thì nó lại không phụ thuộc liên tục theo dữ kiện Bài toán này được rất nhiều nhà toán học quan tâm khảo sát Chúng ta có thể tham khảo [1], trong đó ngoài các tài liệu trích dẫn phong phú, tác giả còn cho ta một cái nhìn tổng quan

về các phương pháp khảo sát cũng như chỉ ra những vấn đề còn bỏ ngỏ của bài toán ngược thời gian cho phương trình nhiệt Cụ thể, trong [2], các tác giả đưa ra nghiệm chỉnh hóa như là tổ hợp tuyến tính một số hữu hạn các hàm riêng của toán tử -  và trong [3], tác giả chỉnh hóa bài toán trong trường hợp tổng quát như là một phương trình vi phân trong không gian Hilbert trừu tượng Để ý rằng miền phân bố nhiệt khảo sát trong [2] và [3] là các miền bị chặn

Trong bài báo này, chúng tôi khảo sát bài toán ngược thời gian cho phương trình nhiệt trên Bài toán sẽ được chuyển về một phương trình tích phân loại tích chập và được chỉnh hóa bằng phương pháp lặp Landweber cũng như đưa ra đánh giá sai số giữa nghiệm chỉnh hóa và nghiệm chính xác Cụ thể, chúng tôi chứng minh rằng nếu sai số giữa dữ kiện chính xác và dữ kiện nhận được do đo đạc là thì sai số giữa nghiệm chính xác và nghiệm chỉnh hóa có bậc là 1

1

ln

khi 0

*

TS, Đại Học Sài Gòn

Đại học Khoa học Tự nhiên Tp.HCM

Trang 2

2 Phương trình tích phân và chỉnh hóa

2.1 Bài toán thuận

Xét phương trình nhiệt

2

x t

với điều kiện

Bài toán thuận cho phương trình nhiệt được khảo sát là nhằm xác định u(x,t) thỏa hệ thống (1) - (2) với v(x) là hàm liên tục, bị chặn cho trước

Ta dễ dàng tìm được nghiệm của bài toán là

 2

1

4 2

x

t t

 





2.2 Bài toán ngược thời gian cho phương trình nhiệt

Xét phương trình nhiệt

2

x t

với các điều kiện

Bài toán ngược thời gian cho phương trình nhiệt được khảo sát là nhằm xác định ẩn hàm v sao cho hệ thống (4) - (5) - (6) có một nghiệm u với g là dữ kiện cho trước

Từ (3), thay t = 1, kết hợp với (6), ta có

Trang 3

4 2

x





Đây là một phương trình tích phân loại tích chập theo v( ) và cũng là một bài toán không chỉnh Thật vậy, ta đặt

2

4

x

Ta có, với mọi x 

2

x

và (7) được viết lại thành

Từ (8), ta có

2

1

2

ix





và lấy biến đổi Fourier hai vế của (9), ta nhận được đẳng thức

ˆ( ) ( )ˆ ˆ( )

K v g Xét phương trình

( )

P vg

trong đó P L: 2( )L2( ) (11)

vˆ  P v( )ˆ Kvˆˆ Phương trình P v( )ˆ gˆ là không chỉnh vì không thỏa tính tồn tại Thật vậy, lấy

ˆ ˆ

ˆ

g

K

Trang 4

2.3 Chỉnh hóa bài toán nhiệt ngược thời gian bằng phương pháp lặp Landweber

Bây giờ, gọi v ex là nghiệm chính xác cần tìm của (9) ứng với dữ kiện chính xác g ex ở vế phải và gọi g  là dữ kiện bị nhiễu nhận được do đo đạc, ta được kết quả sau

Định lí Giả sử v exL2( )

2

ex

2

là chuẩn trong

2

( )

L Khi đó, tồn tại nghiệm xấp xỉ ổn định v  của (9) sao cho

ex

khi 0 Hơn nữa, nếu v exH1( ), (0,1) thì

2

ex

v v

1 ln

C

với C là hằng số thỏa

 1 2

4 max 1, ,

trong đó E E1, 2 là các hằng số dương sao cho

2

ˆex

2

ˆ , ex

với( )xx

Chứng minh Từ (11), ta có

trong đó

P vP P vP KvP K v K K v KKvK v

Ta có dãy lặp theo phương pháp lặp Landweber :

2

Bằng cách quy nạp theo m, ta thấy rằng vˆm có dạng như sau

Trang 5

1 2

0

k m

m

k

Từ (13), ứng với dữ kiện đo, ta có

0

k m

m

k

và ứng với dữ kiện chính xác, ta có

0

k m

m

k

Ta có

ˆm ˆex m ˆex m ˆex

Trước tiên, ta chứng minh

2

ˆm ˆex m 0

v v  khi 0

Từ (14) và (15), ta có

0

k m

k

Hơn nữa, chú ý đến (10), ta có

suy ra

Từ (17) và (18), ta có

0

k m

k

2 m g  g ex

Trang 6

Vậy

2

Hơn nữa, vì (gˆgˆex)L2( ) nên (vˆ mvˆex m)L2( ) (20)

Từ (19) và (20), ta có

2

1

2

ex

2 m

Bây giờ, ta sẽ chọn m( ) sao cho m( )  và 1

2 m  

0

 )

( )

2 m Vậy ta chọn

2 ( )

(22)

trong đó 2

là số nguyên lớn nhất không vượt quá 2

Khi đó

0

( )

m

  và ( ) ( )

2

2

ex

Vậy

2

ˆm ˆex m 0

Tiếp theo, ta chứng minh

2

ˆex m ˆex 0

Ta có

Trang 7

2 2

0

1

k m

k

K

Từ (15) kết hợp với (24), ta có

2

2 2

1

1

2

m

K

K

suy ra

Từ (26) và (18), ta có

2 2

2

m m

2 2 2

2

m m

vˆexL2( ) nên theo Định lí hội tụ bị chặn, ta có

ˆex m ˆex ( )

2

ˆex m ˆex 0

Từ (16), (23), (28), ta được

m ex

Trang 8

Đặt v v  m Như vậy, ta đã chứng minh được

ex

Bây giờ, với giả thiết v exH1( ) và ( )xx , ta có

2

( )

ex

suy ra

2

( )

ex

Hơn nữa, ta có

ˆ

vi v 

suy ra

Vậy

2

ˆex ( )

Từ (27) và (26), ta có

2

2 2

2

1

2

m

m m

\

trong đó

:

D r  với mọi r  0, r  sẽ được chọn sau Với mọi D, ta có 2r 2, suy ra 1 e22 1 e2r 2

Trang 9

 22  22

2 2

m m

r

Hơn nữa, ta có

Vậy

 22  22

2

m m

r ex

D

Mặt khác, từ (10) và (18), ta có

2

m

e

(31) suy ra

 22

2

m

Hơn nữa, với mọi D thì  2( )2 r 2, suy ra 12 12

r 

ˆex( ) ( )ˆex( ) ( )ˆex( )

       

1

ˆex

v

r  (33)

Từ (32) và (33), ta được

 22

2

\

1

m

D

r

Từ (29), (30), (34), ta được

2 2

m r m

2

ˆex

r 

2

ˆex

v

, suy ra

Trang 10

 2

2 2

2

ˆex

v

2

1

ˆex

v

r 

Từ (16), (21), (35), ta được

2

1 2

m ex

2

1

m r

e

2

ˆex

v

2

1

ˆex

v

r 

 2

2

1 2

m r

r

1

1 2

m r

r

với C1 là hằng số thỏa

1 max 1, 1, 2

Hơn nữa, ta có

2

2

1

1

m

e

Theo bất đẳng thức Bernoulli, ta có

m

Từ (37) và (38), ta được

 2

2

2

2

1

1 1

1

m r

r

e

e

Từ (36) và (39), ta được

2 2

m

r

Trang 11

Với cách chọn m( ) như (22) thì m( )  và 1

2 m    (khi

0

 ), ta sẽ chọn r  sao cho r    và 2

2

1

0

1m( ) er 

(khi 0)

Ta chọn r  sao cho 2 2 1

( )

r

e

m

2

m

0

r

0 2

1 m( )e r  m

( )

2

m

được

( )

1 2

m

ex

(41)

với C1 là hằng số thỏa

1 max 1, 1, 2

Bây giờ, ta chứng minh với (0,1) thì ( )

2

1 ln

m

ex

C

v   v

,

với C 4 max 1, E E1, 2

(0,1) nên 0 1, suy ra 1

1

 Ta dễ dàng có

ln

suy ra

Trang 12

,

vì vậy, ta được

1 1 ln

Từ (42) và (44), ta có

1

ln m( )

,

suy ra

1

ln m( ) m( ) 1

,

vì vậy, ta được

( ) 1 1

( )

(45)

Từ (44), ta có

1 ln( ( ))m ln

,

suy ra

Trang 13

1 1

ln( ( )) ln

2

,

vì vậy, ta được

ln

( )

Từ (41), (43), (45), (46), ta được

( )

1 2

m

ex

1 ln

C

,

trong đó

4 4 max 1, ,

Như vậy, ta đã chứng minh được

2

ex

v v

1 ln

C

với (0,1)

Định lí đã được chứng minh

2.4 Ví dụ minh họa

Ta xét một ví dụ cụ thể minh họa cho các tính toán lý thuyết ở mục 3 Xét phương trình nhiệt

2

x t

với các điều kiện

u(x,0) = v(x) x 

Trang 14

u(x,1) = g(x) x  Xét dữ kiện chính xác

2

5

1 ( )

5

x ex

thì

2

2

x ex



và nghiệm chính xác tương ứng là

2

ex

v xe , suy ra

2 2

4

ex



( ) (1 ) ex( )

4 2

2

10

2

10

ex

g

10

Khi đó, nghiệm chỉnh hoá là

1 ˆ

2

i x





trong đó

2 2

2

0

m m

k

e

e

với

Trang 15

ˆ ( ) 2

,

2

5 4 4

i x



Ta tính được sai số và đánh giá sai số cho bởi bảng sau

trong đó

v vv v , C 2 2 2 4

ln

ex

C

v  v

2

ex

v v

1

0

k

k

2

0

k

k

3

0

k

k

4

0

k

k

5

0

k

k

10

10 250662

0

k

k

300

10 2.50662

8.10150

150

2.506628.10 1

0

Trang 16

Hình vẽ biến đổi Fourier của nghiệm chính xác và biến đổi Fourier của

nghiệm chỉnh hóa

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Dang Dinh Ang (1990), On the backward parabolic equation: A critical survey of some current methods, Numerical Analysis and Mathematical

Modelling, Warsaw, 509-515

[2] Dang Dinh Ang and Dang Dinh Hai (1990), On the backward heat equation, Annales, Polomici Mathematici, LII, 29-32

[3] Dang Dinh Ang (1985), Stabilized approximate solutions of the inverse time problem for a parabolic evolution, J Math Anal Appl, 1, 148-155

[4] Đặng Đình Áng, Trần Lưu Cường, Huỳnh Bá Lân, Nguyễn Văn Nhân,

Phạm Hoàng Quân (2007), Biến đổi tích phân, NXBGD

Trang 17

[5] Andreas Kirsch (1996), An Introduction to the Mathematical Theory of Inverse Problems, Springer

[6] Nguyễn Cam, Phạm Hoàng Quân (1998), Chỉnh hóa một bài toán ngược thời gian cho phương trình nhiệt, Tạp chí Phát triển Khoa học & Công

nghệ, Tập 1, số 5

[7] P.H.Quan, T.N.Lien, D.D.Trong (2005), A discrete form of the backward heat problem on the plane, International Journal of evolution equations,

Volume 1, Number 3, September

[8] Pham Hoang Quan, Nguyen Dung (2005), A backward nonlinear heat equation: regularization with error estimates, Applicable Analysis,

Vol.84, No.4, April

Tóm tắt

Chúng tôi khảo sát một bài toán ngược thời gian cho phương trình nhiệt Bài toán được quy về việc khảo sát một phương trình tích phân loại tích chập và được chỉnh hóa bằng phương pháp lặp Landweber với các đánh giá sai số

Abstract

Regularization of an inverse time problem for the heat equation with

Landweber method

We consider an inverse time problem for the heat equation The problem is formulated as an integral equation of the convolution type and is regularized via the Landweber method with error estimates

Ngày đăng: 13/01/2020, 10:17

Nguồn tham khảo

Tài liệu tham khảo Loại Chi tiết
[1] Dang Dinh Ang (1990), On the backward parabolic equation: A critical survey of some current methods, Numerical Analysis and Mathematical Modelling, Warsaw, 509-515 Sách, tạp chí
Tiêu đề: On the backward parabolic equation: A critical survey of some current methods
Tác giả: Dang Dinh Ang
Năm: 1990
[2] Dang Dinh Ang and Dang Dinh Hai (1990), On the backward heat equation, Annales, Polomici Mathematici, LII, 29-32 Sách, tạp chí
Tiêu đề: On the backward heat equation, Annales
Tác giả: Dang Dinh Ang and Dang Dinh Hai
Năm: 1990
[3] Dang Dinh Ang (1985), Stabilized approximate solutions of the inverse time problem for a parabolic evolution, J. Math. Anal. Appl, 1, 148-155 Sách, tạp chí
Tiêu đề: Stabilized approximate solutions of the inverse time problem for a parabolic evolution
Tác giả: Dang Dinh Ang
Năm: 1985
[4] Đặng Đình Áng, Trần Lưu Cường, Huỳnh Bá Lân, Nguyễn Văn Nhân, Phạm Hoàng Quân (2007), Biến đổi tích phân, NXBGD Sách, tạp chí
Tiêu đề: Biến đổi tích phân
Tác giả: Đặng Đình Áng, Trần Lưu Cường, Huỳnh Bá Lân, Nguyễn Văn Nhân, Phạm Hoàng Quân
Nhà XB: NXBGD
Năm: 2007
[5] Andreas Kirsch (1996), An Introduction to the Mathematical Theory of Inverse Problems, Springer Sách, tạp chí
Tiêu đề: An Introduction to the Mathematical Theory of Inverse Problems
Tác giả: Andreas Kirsch
Năm: 1996
[6] Nguyễn Cam, Phạm Hoàng Quân (1998), Chỉnh hóa một bài toán ngược thời gian cho phương trình nhiệt, Tạp chí Phát triển Khoa học & Công nghệ, Tập 1, số 5 Sách, tạp chí
Tiêu đề: Chỉnh hóa một bài toán ngược thời gian cho phương trình nhiệt
Tác giả: Nguyễn Cam, Phạm Hoàng Quân
Năm: 1998
[7] P.H.Quan, T.N.Lien, D.D.Trong (2005), A discrete form of the backward heat problem on the plane, International Journal of evolution equations, Volume 1, Number 3, September Sách, tạp chí
Tiêu đề: A discrete form of the backward heat problem on the plane
Tác giả: P.H.Quan, T.N.Lien, D.D.Trong
Năm: 2005
[8] Pham Hoang Quan, Nguyen Dung (2005), A backward nonlinear heat equation: regularization with error estimates, Applicable Analysis, Vol.84, No.4, April Sách, tạp chí
Tiêu đề: A backward nonlinear heat equation: regularization with error estimates
Tác giả: Pham Hoang Quan, Nguyen Dung
Năm: 2005

TÀI LIỆU CÙNG NGƯỜI DÙNG

TÀI LIỆU LIÊN QUAN

w