Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

171100

.pdf
Скачиваний:
4
Добавлен:
28.06.2022
Размер:
3.35 Mб
Скачать

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

РОЗКЛАД ДОВІЛЬНОЇ ФУНКЦІЇ В РЯД

ЗА СФЕРИЧНИМИ ФУНКЦІЯМИ

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до виконання лабораторної роботи з курсу ”Основи фізичної геодезії” базового напряму 6.080101 “Геодезія, картографія та землеустрій”

Затверджено на засіданні кафедри

вищої геодезії та астрономії. Протокол № 10 від 15.05.2017 р.

Львів – 2017

Розклад довільної функції в ряд за сферичними функціями : метод.

вказівки до лабораторної роботи з курсу “Основи фізичної геодезії” для студентів геодезичних спеціальностей / уклад.: Б. Б. Джуман, О. М. Марченко. – Львів : Видавництво Львівської політехніки, 2017. – 12 с.

Укладачі

Джуман Б. Б., канд. техн. наук, асист.,

 

Марченко О. М., д-р фіз.-мат. наук, проф.

Відповідальний за випуск Заблоцький Ф. Д., д-р техн. наук, проф.

Рецензент Зазуляк П. М., д-р фіз.-мат. наук, проф.

2

Загальні положення

Починаючи з фундаментальних досліджень Лежандра і Гаусса в царині теорії ньютонівського потенціалу, класичним представленням гравітаційного поля або відповідного гравітаційного потенціалу небесних тіл став його запис у вигляді нескінчених рядів кульових функцій Лежандра, яке прийняло міждисциплінарне значення при вивченні статичних і залежних від часу полів Землі і планет. Варто зауважити, що така параметризація гравітаційного потенціалу не тільки вважається стандартною, але й однією з найкращих для розв’язування сучасних наукових і прикладних задач небесної механіки, супутникової геодезії, глобальної геодинаміки тощо [2].

Сферичні функції Лежандра можна отримати з розв’язку рівняння Лапласа

 

1

 

 

2

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

sin

 

 

 

 

 

 

 

(1)

r2

 

 

 

 

 

 

r2 sin2

2

 

 

r

 

r

 

r2 sin

 

 

 

у сферичній системі координат. У рівнянні (1)

 

 

– оператор Лапласа, r, ,

сферичні координати.

Якщо ми спробуємо розв’язати рівняння Лапласа V = 0 в сферичних координатах методом розділення змінних за допомогою добутку трьох функцій, кожна з яких залежить тільки від однієї сферичної координати, отримаємо три диференційні рівняння другого порядку

r2 f (r) 2r f (r) n(n 1) f (r) 0

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

m

 

 

 

sin g ( ) cos g ( ) n(n 1)sin

 

 

g( ) 0

.

(2)

sin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h ( ) m2 h( ) 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сферичні функції Лежандра є розв’язком двох останніх рівнянь (2), а

саме

g( ) Pnm (cos ) ,

(3а)

h( ) cos m або h( ) sin m .

(3б)

Отже, шукані функції можна записати у вигляді

Rnm ( , ) Pnm (cos )cos(m ),

(4)

Snm ( , ) Pnm (cos )sin(m ).

 

Геометрично сферичні функції можна представити так. Гармоніки з m=0 (поліноми Лежандра) мають n нулів. Усі ці нулі є дійсними і перебувають в інтервалі 1 cos 1, або, відповідно, 0≤ ≤π (рис. 1). отже, гармоніки при m=0 змінюють свій знак n разів на цьому інтервалі; крім того, вони не

3

залежать від λ. Їх геометричне представлення показано на рис. 1(а). Оскільки вони ділять сферу на зони, їх також називають зональними [1].

Приєднані функції Лежандра змінюють знак n-m разів на інтервалі 0≤ ≤π. Функції cosmλ і sinmλ мають 2m нулів на інтервалі 0≤λ≤2π, тож геометричне представлення гармонік при m≠0 показано на рис. 1(б). Вони ділять сферу на частини, в яких вони по черзі додатні і від’ємні, подібно до шахівниці, і називаються тесеральними гармоніками. Зокрема, при n=m, вони вироджуються в функції, які ділять сферу на додатні і від’ємні сектори, і в такому випадку їх називають секторіальними гармоніками (рис. 1(в)).

Рис. 1. Види сферичних функцій: (a) зональні, (б) тесеральні, (в) секторіальні [3]

4

Сферичні функції володіють властивістю ортогональності

 

 

 

 

Rnm ( , )Rsr ( , )d 0

 

 

 

 

якщо s n або r m;

 

Snm ( , )Ssr ( , )d 0

 

 

(5)

 

 

 

 

 

 

 

Rnm ( , )Ssr ( , )d 0

 

вбудь якомувипадку,

 

 

 

 

а також їх можна нормувати

 

 

 

n0 ( , )

2n 1Rn0

( , )

2n 1Pn (cos );

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(n m)!

 

 

 

 

 

 

Rnm ( , )

2(2n 1)

Rnm ( , )

 

 

(6)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(n m)!

 

 

(m

0).

 

 

 

 

 

 

 

 

(n m)!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( , )

2(2n 1)

 

S

 

( , )

 

 

 

S

nm

nm

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(n m)!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Практично будь-яку функцію на сфері можна розкласти в ряд за сферичними функціями

n

 

f ( , ) anmRnm ( , ) bnmSnm ( , ) ,

(7)

n 0 m 0

де anm і bnm – невідомі коефіцієнти.

На практиці під час розкладу за сферичними функціями обмежуються певним максимальним порядком моделі Km , при чому кількість невідомих

коефіцієнтів можна знайти як (K m 1)2 .

Приклад обчислення моделі за сферичними функціями Лежандра

Вхідні дані:

θ

λ

f

35°

0.06747

35°

90°

0.02192

35°

180°

-0.06747

35°

270°

-0.02192

70°

0.16726

70°

90°

0.05435

70°

180°

-0.16726

70°

270°

-0.05435

110°

0.10491

110°

90°

0.03409

5

 

 

Продовження

 

 

 

 

θ

λ

 

f

110°

180°

 

-0.10491

110°

270°

 

-0.03409

145°

 

0.01023

145°

90°

 

0.00332

145°

180°

 

-0.01023

145°

270°

 

-0.00332

Для побудови моделі fm за сферичними функціями слід обмежитись третім порядком

3 n

 

fm ( , ) anmRnm ( , ) bnmSnm ( , ) .

(8)

n 0 m 0

У такому випадку кількість невідомих коефіцієнтів збігатиметься з кількістю рівнянь.

Аналітичний вигляд приєднаних сферичних функцій до 3-го порядку

такий: P 1,

P

cos ,

P

 

sin ,

P

 

1 (3cos

2 1) ,

P

3sin cos ,

 

00

10

 

 

 

11

 

20

 

2

 

 

21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P

3sin2 ,

P

1 (5cos3 3cos ) ,

 

 

P 3 sin (5cos2 1) ,

22

 

 

30

 

2

 

 

 

 

 

 

31

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P

15sin2 cos ,

P

 

15sin3

.

 

 

 

 

 

 

 

32

 

 

33

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Складемо систему лінійних алгебраїчних рівнянь (СЛАР)

3 n

 

fi\ anmRnm ( i , i ) bnmSnm ( i , i ) .

(9)

n 0 m 0

В СЛАР (9) 16 рівнянь і 16 невідомих, тому вона має єдиний розв’язок. Її можна подати в матричному вигляді як

AX L ,

(10)

де вектор L складається із значень функції f, що містяться у вхідних даних, матриця А залежить лише від конфігурації заданих точок, а вектор Х – вектор невідомих коефіцієнтів anm і bnm.

Оскільки використовуються ненормовані сферичні функції, розв’язок (10) буде нестійким, тому його слід стабілізувати, ввівши параметр регуляризації Тихонова α так:

X ( AT A I ) 1( AT L) .

(11)

6

 

Матриця А в цьому випадку має вигляд

1,000

0,819

0,565

0,100

0,507

1,388

0,245

0,927

0,338

0,145

1,995

0,352

3,799

1,383

2,451

1,415

1,000

0,819

-0,100

0,565

0,507

-0,245

1,388

-0,927

-0,338

0,145

-0,352

1,995

-3,799

-1,383

1,415

-2,451

1,000

0,819

-0,565

-0,100

0,507

-1,388

-0,245

0,927

0,338

0,145

-1,995

-0,352

3,799

1,383

-2,451

-1,415

1,000

0,819

0,100

-0,565

0,507

0,245

-1,388

-0,927

-0,338

0,145

0,352

-1,995 -3,799 -1,383

-1,415

2,451

1,000

0,342

0,925

0,163

-0,325

0,950

0,167

2,489

0,906

-0,413

-0,576

-0,102

4,257

1,549

10,779

6,223

1,000

0,342

-0,163

0,925

-0,325

-0,167

0,950

-2,489

-0,906 -0,413 0,102 -0,576 -4,257 -1,549

6,223

-10,779

1,000

0,342

-0,925

-0,163 -0,325 -0,950

-0,167

2,489

0,906

-0,413

0,576

0,102

4,257

1,549

-10,779

-6,223

1,000

0,342

0,163

-0,925 -0,325 0,167

-0,950

-2,489

-0,906 -0,413 -0,102 0,576 -4,257 -1,549

-6,223

10,779

1,000

-0,342

0,925

0,163

-0,325

-0,950

-0,167

2,489

0,906

0,413

-0,576

-0,102 -4,257 -1,549

10,779

6,223

1,000

-0,342

-0,163

0,925

-0,325

0,167

-0,950

-2,489

-0,906 0,413 0,102 -0,576 4,257 1,549

6,223

-10,779

1,000

-0,342

-0,925

-0,163 -0,325 0,950

0,167

2,489

0,906

0,413

0,576

0,102

-4,257

-1,549

-10,779

-6,223

1,000

-0,342

0,163

-0,925 -0,325 -0,167

0,950

-2,489

-0,906 0,413 -0,102 0,576 4,257 1,549

-6,223

10,779

1,000

-0,819

0,565

0,100

0,507

-1,388

-0,245

0,927

0,338

-0,145

1,995

0,352

-3,799

-1,383

2,451

1,415

1,000

-0,819

-0,100

0,565

0,507

0,245

-1,388

-0,927

-0,338

-0,145

-0,352

1,995

3,799

1,383

1,415

-2,451

1,000

-0,819

-0,565

-0,100

0,507

1,388

0,245

0,927

0,338

-0,145 -1,995 -0,352 -3,799 -1,383

-2,451

-1,415

1,000

-0,819

0,100

-0,565

0,507

-0,245

1,388

-0,927

-0,338

-0,145

0,352

-1,995

3,799

1,383

-1,415

2,451

Параметр регуляризації рекомендовано прийняти α = 0.0000001. Вектор невідомих коефіцієнтів дорівнює

-5,87

1,73

1,38

7,33E

1,44

2,24

1,19

1,59

-4,37

-2,31

3,17

1,68

-2,40

6,61

1,13

2,40

E-18

E-17

E-03

-04

E-17

E-02

E-02

E-10

E-10

E-17

E-03

E-03

E-10

E-10

E-02

E-03

 

Оскільки параметр регуляризації спотворив розв'язок, необхідно знайти

відхилення моделі від вхідних даних

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V AX L .

 

 

 

 

 

 

 

(12)

На рис. 1 зображено вхідні дані L, модельні значення AX, а також їхні різниці V.

7

Рис. 1. Вхідні дані L, модельні значення AX та їх різниці V

Середню квадратичну похибку моделі m обчислюють за формулою

 

V T V

 

m

(K m 1)2 .

(13)

У цьому випадку m = 0,005.

Література

1.Марченко О. М. Дослідження гравітаційного поля, топографії океану та рухів земної кори в регіоні Антарктики: монографія / О. М. Марченко, К. Р. Третяк, А. Я. Кульчицький, Ю. І. Голубінка, Д. О. Марченко, Н. П. Третяк – Львів: Видавництво Львівської політехніки, 2012. – 308 с.

2.Джуман Б. Б. Про побудову моделі локального гравітаційного поля /

Б. Б. Джуман // Геодинаміка. – 2013. – № 1(14). – C. 29–33.

3.Режим доступу: http://icgem.gfz-potsdam.de/vis3d/tutorial

8

Вхідні дані

 

Варіант № 1

 

 

Варіант № 2

 

 

Варіант № 3

 

 

Варіант № 4

35

 

20

0,06410

 

35

 

25

0,05448

 

35

30

0,04245

 

35

 

35

0,03013

35

 

110

0,05682

 

35

 

115

0,07969

 

35

120

0,10387

 

35

 

125

0,12687

35

 

200

-0,06410

 

35

 

205

-0,05448

 

35

210

-0,04245

 

35

 

215

-0,03013

35

 

290

-0,05682

 

35

 

295

-0,07969

 

35

300

-0,10387

 

35

 

305

-0,12687

70

 

20

0,15890

 

70

 

25

0,13505

 

70

30

0,10524

 

70

 

35

0,07469

70

 

110

0,14087

 

70

 

115

0,19755

 

70

120

0,25752

 

70

 

125

0,31454

70

 

200

-0,15890

 

70

 

205

-0,13505

 

70

210

-0,10524

 

70

 

215

-0,07469

70

 

290

-0,14087

 

70

 

295

-0,19755

 

70

300

-0,25752

 

70

 

305

-0,31454

110

 

20

0,09967

 

110

 

25

0,08471

 

110

30

0,06601

 

110

 

35

0,04685

110

 

110

0,08836

 

110

 

115

0,12392

 

110

120

0,16153

 

110

 

125

0,19730

110

 

200

-0,09967

 

110

 

205

-0,08471

 

110

210

-0,06601

 

110

 

215

-0,04685

110

 

290

-0,08836

 

110

 

295

-0,12392

 

110

300

-0,16153

 

110

 

305

-0,19730

145

 

20

0,00972

 

145

 

25

0,00826

 

145

30

0,00644

 

145

 

35

0,00457

145

 

110

0,00862

 

145

 

115

0,01208

 

145

120

0,01575

 

145

 

125

0,01924

145

 

200

-0,00972

 

145

 

205

-0,00826

 

145

210

-0,00644

 

145

 

215

-0,00457

145

 

290

-0,00862

 

145

 

295

-0,01208

 

145

300

-0,01575

 

145

 

305

-0,01924

 

Варіант № 5

 

 

Варіант № 6

 

 

Варіант № 7

 

 

Варіант № 8

35

40

0,01920

 

35

45

0,01070

 

35

50

0,00499

 

35

55

0,00178

35

130

0,14592

 

35

135

0,15838

 

35

140

0,16219

 

35

145

0,15621

35

220

-0,01920

 

35

225

-0,01070

 

35

230

-0,00499

 

35

235

-0,00178

35

310

-0,14592

 

35

315

-0,15838

 

35

320

-0,16219

 

35

325

-0,15621

70

40

0,04759

 

70

45

0,02653

 

70

50

0,01236

 

70

55

0,00441

70

130

0,36175

 

70

135

0,39263

 

70

140

0,40209

 

70

145

0,38725

70

220

-0,04759

 

70

225

-0,02653

 

70

230

-0,01236

 

70

235

-0,00441

70

310

-0,36175

 

70

315

-0,39263

 

70

320

-0,40209

 

70

325

-0,38725

110

40

0,02985

 

110

45

0,01664

 

110

50

0,00775

 

110

55

0,00277

110

130

0,22691

 

110

135

0,24628

 

110

140

0,25221

 

110

145

0,24291

110

220

-0,02985

 

110

225

-0,01664

 

110

230

-0,00775

 

110

235

-0,00277

110

310

-0,22691

 

110

315

-0,24628

 

110

320

-0,25221

 

110

325

-0,24291

145

40

0,00291

 

145

45

0,00162

 

145

50

0,00076

 

145

55

0,00027

145

130

0,02213

 

145

135

0,02402

 

145

140

0,02460

 

145

145

0,02369

145

220

-0,00291

 

145

225

-0,00162

 

145

230

-0,00076

 

145

235

-0,00027

145

310

-0,02213

 

145

315

-0,02402

 

145

320

-0,02460

 

145

325

-0,02369

9

 

Варіант № 9

 

 

Варіант № 10

 

 

Варіант № 11

 

 

Варіант № 12

35

 

60

0,00040

 

35

 

65

0,00003

 

35

70

0,00000

 

35

 

75

0,00001

35

 

150

0,14041

 

35

 

155

0,11598

 

35

160

0,08513

 

35

 

165

0,05086

35

 

240

-0,00040

 

35

 

245

-0,00003

 

35

250

0,00000

 

35

 

255

-0,00001

35

 

330

-0,14041

 

35

 

335

-0,11598

 

35

340

-0,08513

 

35

 

345

-0,05086

70

 

60

0,00100

 

70

 

65

0,00008

 

70

70

0,00000

 

70

 

75

0,00004

70

 

150

0,34809

 

70

 

155

0,28752

 

70

160

0,21105

 

70

 

165

0,12610

70

 

240

-0,00100

 

70

 

245

-0,00008

 

70

250

0,00000

 

70

 

255

-0,00004

70

 

330

-0,34809

 

70

 

335

-0,28752

 

70

340

-0,21105

 

70

 

345

-0,12610

110

 

60

0,00063

 

110

 

65

0,00005

 

110

70

0,00000

 

110

 

75

0,00002

110

 

150

0,21834

 

110

 

155

0,18035

 

110

160

0,13238

 

110

 

165

0,07909

110

 

240

-0,00063

 

110

 

245

-0,00005

 

110

250

0,00000

 

110

 

255

-0,00002

110

 

330

-0,21834

 

110

 

335

-0,18035

 

110

340

-0,13238

 

110

 

345

-0,07909

145

 

60

0,00006

 

145

 

65

0,00000

 

145

70

0,00000

 

145

 

75

0,00000

145

 

150

0,02129

 

145

 

155

0,01759

 

145

160

0,01291

 

145

 

165

0,00771

145

 

240

-0,00006

 

145

 

245

0,00000

 

145

250

0,00000

 

145

 

255

0,00000

145

 

330

-0,02129

 

145

 

335

-0,01759

 

145

340

-0,01291

 

145

 

345

-0,00771

 

Варіант № 13

 

 

Варіант № 14

 

 

Варіант № 15

 

 

Варіант № 16

35

 

80

0,00029

 

35

 

85

0,00153

 

35

90

0,00481

 

30

 

15

0,05292

35

 

170

0,01651

 

35

 

175

-0,01471

 

35

180

-0,04012

 

30

 

105

0,02850

35

 

260

-0,00029

 

35

 

265

-0,00153

 

35

270

-0,00481

 

30

 

195

-0,05292

35

 

350

-0,01651

 

35

 

355

0,01471

 

35

360

0,04012

 

30

 

285

-0,02850

70

 

80

0,00071

 

70

 

85

0,00379

 

70

90

0,01191

 

65

 

15

0,16316

70

 

170

0,04093

 

70

 

175

-0,03647

 

70

180

-0,09947

 

65

 

105

0,08786

70

 

260

-0,00071

 

70

 

265

-0,00379

 

70

270

-0,01191

 

65

 

195

-0,16316

70

 

350

-0,04093

 

70

 

355

0,03647

 

70

360

0,09947

 

65

 

285

-0,08786

110

 

80

0,00045

 

110

 

85

0,00238

 

110

90

0,00747

 

115

 

15

0,08970

110

 

170

0,02567

 

110

 

175

-0,02287

 

110

180

-0,06239

 

115

 

105

0,04830

110

 

260

-0,00045

 

110

 

265

-0,00238

 

110

270

-0,00747

 

115

 

195

-0,08970

110

 

350

-0,02567

 

110

 

355

0,02287

 

110

360

0,06239

 

115

 

285

-0,04830

145

 

80

0,00004

 

145

 

85

0,00023

 

145

90

0,00073

 

150

 

15

0,00518

145

 

170

0,00250

 

145

 

175

-0,00223

 

145

180

-0,00608

 

150

 

105

0,00279

145

 

260

-0,00004

 

145

 

265

-0,00023

 

145

270

-0,00073

 

150

 

195

-0,00518

145

 

350

-0,00250

 

145

 

355

0,00223

 

145

360

0,00608

 

150

 

285

-0,00279

10

Соседние файлы в предмете Фізична геодезія