 
        
        книги из ГПНТБ / Булах Е.Г. Автоматизированная система интерпретации гравитационных аномалий (метод минимизации)
.pdf3. РЕШЕНИЕ ОБРАТНОЙ З А Д А Ч И ДЛЯ ГРУППЫ ЦИЛИНДРОВ ПО АНОМАЛИИ Ѵ_
Интерпретацию гравитационных аномалий методом минимизации проиллюстрируем примером. Пусть задана аномалия Ѵхг и уста новлена возможность аппроксимации возмущающих тел цилинд рами. Положение и геометрические размеры каждого цилиндра могут характеризоваться следующими параметрами: d— абсцисса эпицентра, Ii — глубина залегания оси, ст — избыточная плотность (рис. 3). Здесь следует отметить, что производные по массе имеют очень малые значения. Следовательно, изменения этого параметра невелики по сравнению с другими. Такая неравномерность изме нения параметров приводит к очень медленной сходимости итераци
онного процесса вычислений. Выразим мас су через линейный параметр.
| 
 | 
 | 
 | Масса | единицы длины цилиндра | опре | ||||
| 
 | 
 | 
 | деляется | соотношением M = | nR2o. | Как | |||
| 
 | 
 | 
 | известно, | раздельно определить ст и Я не | |||||
| 
 | 
 | 
 | представляется | возможным. | Обозначим | ||||
| 
 | 
 | 
 | \ajR2j\=t2j | и будем в дальнейшем опреде | |||||
| Р и с . | 3. З н а ч е н и я | парамет | лять | параметр t. | Д л я того, | чтобы | учесть | ||
| знак | избыточной | плотности, | примем | 
 | |||||
| ров, | которые характери  | 
 | |||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| зуют местоположение ци | 
 | 
 | OjR) = sign (CT;) ()• | 
 | 
 | 
 | |||
| линдрического | тела. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| Здесь | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| 
 | 
 | Sign (CT/) = | 1, | если | ст/>-0, | 
 | 
 | 
 | |
| 
 | 
 | — 1, | если | сту<;0. | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
Таким образом, положение и размеры каждого цилиндра опре деляют следующие четыре параметра {t, h, d, sign (er)}. Составим функцию
| 
 | xz набл1 | 4nk | sign (07) p-jhj (ХІ — di) | .(1.23) | ||
| i=\ | [ ( A - , _ d / ) 2 | 
 | /,2.]2 | |||
| l | /= 1 | + | 
 | |||
| 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| Параметры | sign (er/) будем считать постоянными, | тогда неизвест | ||||
| ными будут m трехмерных | векторов: | 
 | 
 | 
 | 
 | |
Pi*={t,,hhd,).
Найдем составляющие этих векторов, при которых функция
| (1.23) становится минимальной. | 
 | 
 | 
 | |||
| Зададимся | начальными | приближениями: | Р°/ — [tf\ | hf\ df\ | ||
| sign (er/)}. Последующие | приближения будем определять по форму | |||||
| лам: | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| df+1» | = df] - | Xk | {Fdj)k | (j = 1, 2, | . . . , m). | (1.24) | 
20
| 
 | Производные | выразятся | так: | п | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| 
 | 
 | F't. | = 16 sign(07) nk | У | ô, | 
 | tjbiixi-dj) | 
 | 
 | |||
| 
 | Fft, = | 8 sign (a/) я/г | >. о,- —- | 
 | 
 | 
 | ; | 
 | ' -— , | |||
| 
 | f rf. = — 8 sign | or,) п/е | Ô, | " | J | 
 | ; | , | ||||
| где | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| 
 | 
 | 
 | = | Kcz набл (Xi) | — | VXz | теор | 
 | 
 | 
 | ||
| В | последних | соотношениях | 
 | 
 | f | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | m | 
 | 
 | t)hj (x | — | dj) | 
 | |
| 
 | 
 | 
 | 
 | S sign (07) | 
 | |||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | - | 
 | — | 
 | ||||
| 
 | Коэффициент | X будем вычислять | по | методу | Ньютона (1.12). | |||||||
| § | 4. ПРИМЕР РЕШЕНИЯ З А Д А Ч И | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
Применение метода рассмотрим на следующем примере. Пусть
| задана | аномалия | горизонтального | градиента | силы тяжести | (рис. 4) | |||||||||
| и установлено, что | возму | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||
| щающие | геологические | те | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||
| ла можно отнести к двух | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||
| мерным, | например | по | ме | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| тоду А. А. Юнькова [81]. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||
| Даже беглый | анализ | пока | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||
| зывает, | что | возмущающие | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||
| массы рассредоточены вдоль | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||
| профиля. Можно | выделить | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||
| три | 
 | аномалиеобразующих | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||
| объекта. Допустим, что | по | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||
| ставлена | задача | 
 | оценить | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| раздельно каждое | 
 | геологи | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||
| ческое | 
 | тело — определить | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||
| его массу и центр тяжести. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||
| Для | решения | задачи | мож | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| но аппроксимировать | каж | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||
| дое геологическое | тело ци | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||
| линдром. Определению под | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||
| лежат | 
 | параметры | 
 | 
 | трех | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| цилиндров (всего девять ве | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||
| личин). Зафиксируем на оси | Рис . | 4. Аномалия | Vxz, | обусловленная тремя | ||||||||||
| (к | наиболее | характерные | 
 | возмущающими | телами. | 
 | ||||||||
| точки | наблюденной | анома | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||
| лии. Всего выделено | 13 точек, которые сведены | в | таблицу — ка | |||||||||||
| талог | (табл. | 1). Учитывая размеры аномалии, за линейные | единицы | |||||||||||
21
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | Т а б л и ц а | 1 | |
| Номер | 1 | 2 | 
 | 
 | 4 | 5 | 6 | 7 | 
 | к | 9 | 10 | и | 12 | 
 | 
| точки | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||
| X | 0 | 200 | 300 | 400 | 500 | 550 | 600 | 650 | 800 | 950 | 1050 | 1150 | 
 | ||
| ѴХ2 74 168 32 —88 | - 5 | 13 | 38 | 83 | 159 | 123 | —17 | —162 | 
 | ||||||
| взяты | метры. | Исходя | из самых общих предпосылок, выберем | ||||||||||||
| схему первого приближения, | параметры | ее приведены в табл. 2. (Не | |||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | которые | замечания | методического харак- | |||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 3 | 2 | тера | по расчету | этих параметров будут при- | |||||||
| Номер воз - | 
 | 
 | 
 | d | ведены во второй | главе). | 
 | 
 | 
 | ||||||
| мущаіощего | ' | h | 
 | Данные | табл. | 1, | 2 являются исходны- | ||||||||
| тела | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ми | для | решения | задачи. | Результаты | ре- | ||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||
| 1 | 
 | 120 | 200 | 3 | 2 0 | шения сведены | в табл. 3. | Здесь | показаны | ||||||
| 
 | 
 | 
 | все | промежуточные | результаты | вычисле- | |||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||
| 2 | 
 | 60 | 100 | 570 | ний | от | итерации | к | итерации | (некоторые | |||||
| 3 | 
 | 130 | 220 | 
 | 
 | итерации | опущены). | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
| 
 | 1 | 0 4 0 | Функция | при начальных значениях | па | ||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | раметров получилась | равной 18768 этвеш2. | ||||||||
| Функция | F в последующих | итерациях | принимает | такие | значения: | ||||||||||
| 12449, | 7369, 4376, | 2780, . . . . | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| га | о | 
 | •2 | 
 | 
 | 
 | 
 | 7 | 
 | 0 | 
| 
 | 0 | i | 3 | 4 . | 5 | 6 | 8 | |||
| Й І І | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| h | 120 | 123 | 129 | 132 | 136 | 137 | 139 | 138 | 139 | 141 | 
| ftl | 200 | 198 | 194 | 192 | 190 | 190 | 189 | 193 | 192 | 192 | 
| 
 | 320 | 319 | 316 | 313 | 309 | 306 | 306 | 305 | 306 | 306 | 
| h | 60 | 54 | 53 | 57 | 58 | 65 | 62 | 71 | 68 | 66 | 
| 
 | 100 | 104 | 105 | 104 | 105 | 106 | 109 | 111 | 113 | 115 | 
| 
 | 570 | 573 | 578 | 583 | 588 | 594 | 594 | 596 | 596 | 596 | 
| 
 | 130 | 134 | 141 | 146 | 149 | 149 | 149 | 148 | 148 | 148 | 
| lh | 220 | 218 | 213 | 209 | 206 | 205 | 205 | 203 | 203 | 201 | 
| d, | 1040 | 1040 | 1042 | 1043 | 1045 | 1047 | 1048 | 1049 | 1049 | 1049 | 
| F | 18768 | 12499 | 7369 | 4376 | 2780 | 2378 | 1899 | 2559 | 1628 | 1302 | 
| 
 | Определим значение F, при котором следовало бы закончить | ||||||||||
| вычисления. Обратимся к формуле | (1.13). В нашем случае | п = 13. | |||||||||
| Если | принять, что погрешность | наблюдений составляет 3 | этвеш, | ||||||||
| тогда | FKoa | = | 234 этвеш?. | В 26-м приближении | получилось | /-2 0 = | |||||
| = | 153 этвеш2, | и значение | искомых | векторов Р} = (147, 199, | 302), | ||||||
| Рг | = (82, | 137, 600), Ps = | (148, | 198, | 1049). После 37-го приближе | ||||||
| ния получили F47 = 31 этвеш2 | и Pj = | (149, 200, 301), Р2 | = | (86, | |||||||
| 144, 600), Р3 = (149, 198, 1050). | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||
| 
 | Положим, | что цилиндры имеют | избыточные | плотности | а х | = 1, | |||||
| <т2 | = | 0,8, а 3 = | 1. В этом случае легко вычислить радиусы R, | = —iL . | |||||||
| Получаем | ^ | = 301, R2 = | 97, Rs | = | 149. | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | Приведенная аномалия была рассчитана для трех цилиндров, | ||||||||||
| имеющих следующие параметры: Рг= | (150; 200; 300), Р2— (89,4; | ||||||||||
| 150; | 600), | Р3 | = (150; 200; | 1050). | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
§ 5. ХАРАКТЕР С Х О Д И М О С Т И МЕТОДА СКОРЕЙШЕГО СПУСКА ПРИ РЕШЕНИИ ОБРАТНЫХ З А Д А Ч ДЛЯ ГРУППЫ ЦИЛИНДРОВ
Рассмотрим табл. 3, в которой приведены результаты вычисле ний. Вначале функция убывает. На седьмой итерации наблюдается нарушение монотонного изменения функции. Причем, градиент из менения функции на последующем шаге принимает самое большое
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | Т а б л и ц а | 3 | |
| приближения | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | „ 5 | 
| 10 | п | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 26 | 37 | Точноі зиачеі | 
| 141 | 142 | 143 | 142 | 143 | 146 | 144 | 145 | 146 | 147 | 149 | 150 | 
| 194 | 194 | 194 | 196 | 195 | 195 | 195 | 197 | 197 | 199 | 200 | 200 | 
| 305 | 305 | 305 | 304 | 304 | 305 | 304 | 303 | 304 | 302 | 301 | 300 | 
| 73 | 72 | 70 | 75 | 73 | 72 | 74 | 79 | 78 | 82 | 86 | 89,4 | 
| 117 | 119 | 121 | 122 | 123 | 127 | 126 | 129 | 130 | 137 | 144 | 150 | 
| 597 | 597 | 597 | 598 | 598 | 598 | 598 | 599 | 599 | 600 | 600 | 600 | 
| 148 | 148 | 148 | 148 | 148 | 149 | 148 | 147 | 147 | 148 | 149 | 150 | 
| 201 | 201 | 201 | 201 | 200 | 200 | 200 | 199 | 199 | 198 | 198 | 200 | 
| 1049 | 1049 | 1049 | 1049 | 1049 | 1049 | 1049 | 1049 | 1049 | 1049 | 1050 | 1050 | 
| 
 | |||||||||||
| 1709 | 1092 | 909 | 1098 | 737 | 823 | 578 | 603 | 396 | 153 | 31 | 
 | 
| 22 | 23 | 
| 120 | 127 | 135 | 137 | 140 | 140,9 | 142,4 | 143,5 | 144,5 | 
| 200 | 195 | 190 | 190 | 190 | 192 | 193,6 | 195,1 | 195,4 | 
| 320 | 317 | 310 | 308 | 305 | 305 | 305 | 304,4 | 304,2 | 
| 60 | 47 | 57 | 61 | 66 | 68 | 70,6 | 73,5 | 74,4 | 
| 100 | 107 | 106 | 107 | 113 | 116,5 | 120,4 | 124,1 | 126,4 | 
| 570 | 576 | 586 | 590 | 597 | 596 | 597 | 597,8 | 598,1 | 
| 130 | 137 | 149 | 149 | 148 | 148 | 148,1 | 147,8 | 147,7 | 
| 220 | 216 | 207 | 206 | 203,5 | 202,4 | 201,3 | 200,3 | 199,9 | 
| 1040 | І04І | 1044 | 1046 | 1049 | 1048,8 | 1048,8 | 1018,9 | 1049 | 
0,02102 0,0247 0.04157 0,0810 0.07954 0,07634 0,1064 0,0580 0,0304
| 0,25 | _ | 14S97 | 3820 | 2235 | 1471 | 1161 | 896 | 672 | 551 | 451 | 276 | |
| — | ||||||||||||
| 0,5 | 12449 | 3365 | 2269 | 1697 | 1346 | 1013 | 822 | 579 | 436 | 291 | ||
| 0,75 | — | 11137 | 3319 | 2686 | 2386 | 1904 | 1396 | 1201 | 716 | 492 | 370 | |
| 1 | — | 10728 | 3627 | 3431 | 3568 | 2865 | 2060 | 1838 | 965 | 623 | 515 | |
| 1,25 | — | 11032 | 4242 | 4457 | 3272 | 4260 | 3018 | 2723 | 1332 | 831 | 724 | |
| 1.5 | 
 | IIC9S | 5121 | 5724 | 7529 | 6119 | 4285 | 3872 | 1821 | 1119 | 1000 | |
| 
 | 18768 | 10728 | 3319 | 2235 | 1471 | 1154 | 896 | 672 | 551 | 436 | 276 | 
значение. После 10-й итерации опять наблюдается увеличение значения F, которое необходимо минимизировать. Далее скачки
взначениях функции становятся довольно частыми. Какова же причина скачков?
| Как отмечалось | ранее, в методе | скорейшего спуска отыскивает | |
| ся вектор-градиент. | В окрестности | выбранного | приближения вдоль | 
| этого направления | происходит наибольшее | изменение функции. | |
В самом начале она интенсивно уменьшается, затем, достигая миниму ма в какой-то точке, начинает увеличиваться. Задача состоит в том, чтобы определить точку, в которой функция достигает минимума. Коэффициент XK и определяет эту точку. Однако вычислить его довольно сложно. Приближенное значение Х К , определенное по ме тоду Ньютона, не всегда удовлетворяет необходимой точности.
Обратимся снова к примеру, который приведен в предыдущем параграфе.
В каждой итерации сделаем несколько вычислений функции F вдоль вектора-градиента. Дл я этого будем полагать XK = SX^N- Па-
| , | 1 | 1 3 | . 5 | 3 , | , | И з | шести | 
| раметру s будем давать значения | -j-, | - у, -^, | 1, | - у . | 
 | ||
| значений функции выбрем F = Fmln | и | соответствующее | 
 | этой | функ- | ||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | Т а б л и ц а | 4 | |
| приближений | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 
 | 30 | 35 | 
 | 37 | 
 | 39 | 40 | Точное значеш | |||
| 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1 | 
| 146,5 | 147,1 | 142,2 | 145 | 147,3 | 146,2 | 
 | 147,9 | 148,8 | 
 | 149 | 149,2 | 149,4 | 150 | ||||
| 197,5 | 197,5 | 198,6 | 197 | 196,4 | 197,6 | 
 | 198,1 | 199,6 | 
 | 199,6 | 199,8 | 199,7 | 200 | ||||
| 302,8 | 302,7 | 303,4 | 303,6 | 302,6 | 302,1 | 
 | 301,8 | 300,9 | 
 | 300 | 300,6 | 300,6 | 300 | ||||
| 80 | 79,6 | 82,6 | 79,7 | 81,6 | 81,5 | 
 | 83,4 | 86,6 | 
 | 86,9 | 
 | 87,6 | 87,5 | 89,4 | |||
| 134,1 | 135,2 | 134,1 | 136,1 | 136,6 | 138,1 | 
 | 140,8 | 145 | 
 | 145,7 | 146,7 | 146,9 | 150 | ||||
| 599 | 599,2 | 599 | 598,9 | 599,1 | 599,6 | 
 | 599,7 | 600,1 | 
 | 600,1 | 600.2 | 600,1 | 600 | ||||
| 147,4 | 147,7 | 147,5 | 147,4 | 147,3 | 147,9 | 
 | 147,7 | 148,3 | 
 | 148,5 | 148,7 | 148,8 | 150 | ||||
| 198,9 | 198,6 | 198,6 | 198,4 | 198,2 | 197,9 | 
 | 198 | 198.2 | 
 | 198,4 | 198,6 | 198,6 | 200 | ||||
| 1049,2 | 1049,3 | 1049,3 | 1049,4 | 1049.4 | 1049,3 | 1049,5 | 1019.8 | 
 | 1049,8 | '049,8 | 1049,8 | 1050 | |||||
| 0,2152 | 0,1278 | 0,1043 | 0.01165 | 0,1560 | 0,1237 | 0,1060 | 0,3996 | 0,3450 | 0,4060 | - | - | ||||||
| функции F | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| 244 | 219 | 
 | 955 | 737 | 192 | 298 | 
 | 84 | 31 | 
 | 19 | 13,9 | 11 | — | |||
| 288 | 264 | 
 | 3437 | 558 | 187 | 160 | 
 | 100 | 28 | 
 | 23 | 13,7 | 9,7 | ||||
| 407 | 374 | 
 | 7673 | 418 | 219 | 195 | 
 | 141 | 30 | 
 | 333 | 16 | 10 | — | |||
| 603 | 547 | 13690 | 318 | 288 | 261 | 
 | 208 | 36 | 
 | 48 | 21 | 12 | — | ||||
| 877 | 781 | 21537 | 256 | 396 | 357 | 
 | 299 | 47 | 
 | 70 | 29 | 15 | — | ||||
| 1230 | 1071 | 31283 | 232 | 543 | 481 | 
 | 416 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| 244 | 219 | 955 | 232 | 187 | 160 | 
 | 84 | 28 | 
 | 19 | 13,7 | 9.7 | - | ||||
| ции Xk. Этот коэффициент | используем | для | дальнейших | расчетов | |||||||||||||
| параметров | цилиндрических | тел. Сделанные | таким | образом вычис | |||||||||||||
| ления | приведены | в табл. 4. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
| На | рис. 5 показаны | графики изменения | функции | вдоль вектора- | |||||||||||||
| градиента. | В | первых | итерациях | минимум | функции | соответствует | |||||||||||
| значению Xk | = | À^(s = | 1). Однако | уже после второго приближения | |||||||||||||
| функция | F принимает | минимальное | значение | при Xk | = sXw, | где | |||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 3 | 
 | 1 | 
 | 1 | 
 | п | 
 | „ | _ | 
 | |
| вначале | параметр s — -^, затем s = | - у и s = | -^. I Іо кривой 7 вид | ||||||||||||||
| но, что вычисленное значение функции F при s — 1 будет | большим, | ||||||||||||||||
чем в предыдущем приближении. Решая задачу с фиксированным
| значением s = 1, мы и получали скачки | в изменении функции F | ||
| (рис. 5, б). | 
 | 
 | 
 | 
| Необходимо | иметь в виду еще одну особенность. После скачков | ||
| в значении функции следующая итерация, | как правило, | сопровож | |
| дается большим | значением коэффициента | s. Так, из табл. | 4 видно, | 
что после 21-го приближения произошел сбой в машине (вычисления велись без двойного счета), нарушилось монотонное убывание функ ции и 22-е приближение стало хуже предыдущего. При вычислении
| 24 | 25 | 
| 
 | 
| 23-го приближения | значение коэффициента s = | - у . Это значит, | 
| что вектор значительно увеличился. Изменение | функции вдоль | |
| F{s)-]o3 | вектора проиллюстрировано | на рис. 5, е. Уже | 
| і | в последующих итерациях, | когда значение | 
| a | S | . | В | г | 
Р и с . б. Изменение функции F вдоль вектора - градиента (различные итерации)-
Приведенный пример указывает на необходимость определения коэффициента s при вычислениях. В дальнейшем все программы вычисления составлены с учетом расчета величины s.
§ 6. О Б УЛУЧШЕНИИ С Х О Д И М О С Т И МЕТОДА СКОРЕЙШЕГО СПУСКА ПРИ РЕШЕНИИ ОБРАТНЫХ З А Д А Ч ГРАВИРАЗВЕДКИ
В предыдущем разделе был установлен характер изменения функ ции вдоль вектора-градиента. В этом направлении функция F, ко торую необходимо минимизировать, зависит от одного параметра. Этим параметром является величина s. Задача состоит в том, что бы найти такое значение параметра s, при котором функция F вдоль направления вектора-градиента принимает минимальное значение. Исходя из геометрической интерпретации метода скорейшего спус ка, можно сделать заключение о характере этой функции. Допустим, что функция F изменяется по параболическому закону
| F = as2 + bs + c. | (1.25) | 
Такая аппроксимация вполне согласуется с результатами вычис ления, которые проиллюстрированы рис. 5.
26
| 
 | Найдем такое s, при | котором F (s) = | Fmln. | Дл я этого | достаточ- | |||||||||||
| но найти | 
 | 
 | 
 | dF | 0. Дифференцируя | (1.25), | найдем | |||||||||
| корень уравнения - ^ - = | ||||||||||||||||
| Откуда | 
 | 
 | 2as + b = | 0. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | h | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | S = | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 2а | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | Д л я | вычисления | искомого параметра | s | необходимо определить | |||||||||||
| коэффициенты а и b в | равенстве (1.25). | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||
| 
 | Нам | известно значение | функции | F (0) = F0. | При s = | 0 | функ | |||||||||
| ция | принимает значение предшествующего | расчета. Дл я | определе | |||||||||||||
| ния | коэффициентов а и b вычислим функцию F (s) при двух | значе | ||||||||||||||
| ниях | s = | st и s = s2. Пусть | F (Sj) = | Рг и F (s2) = | F2. Подставляя | |||||||||||
| эти значения в (1.25), | получим | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | F0 = | с,; | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | = | as? + | bst | + | F0, | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | F2 = as\ + | bs2 | - f F0. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | Из последних двух | уравнений | находим | а и | 6, после чего | лег | ||||||||||
| ко определить параметр s: | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 2[s2(F1-Fn)-sl(F2-F0)]- | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | I | |
| 
 | Таким образом, рекомендуется следующая методика вычислений. | |||||||||||||||
| Определенное ранее | значение функции | обозначаем | через | F0. | Вы | |||||||||||
| числяем | функцию F (s) при s = Sjl и s = | s2. Получаем T7 | (sx) = | 
 | ||||||||||||
| и F (s2) = ,F2 . По формуле (1.26) вычисляем коэффициент s, | а | затем | ||||||||||||||
| значение | функции F (s). | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
| 
 | Возникает вопрос о выборе значений sx и s2. Пусть | Sj < | 
 | s2. | ||||||||||||
| Наилучший результат | в отыскании минимума функции F (s) | сле | ||||||||||||||
| дует | ожидать тогда, | когда | Sj < sm l n | <с s2. | Можно | рекомендовать | ||||||||||
| для выбора значений sx и s2 использовать | значение s = sn p , | вычис | ||||||||||||||
| ленное в предшествующей | итерации, и | принимать | sx = | -j-sn p , | а | |||||||||||
| 
 | 
 | 3 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| s2 | = | -g-Snp. В расчетах | первой итерации | можно | положить Sj = | 1, | ||||||||||
| s2 | = | 2. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| § 7. ДРУГОЙ АЛГОРИТМ М И Н И М И З А Ц И И | ФУНКЦИИ | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||
| МНОГИХ | ПЕРЕМЕННЫХ | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| Мы установили, что при решении обратных задач | минимизации | |||||||||||||||
| подлежит функция | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| 
 | 
 | 
 | 
 | F | = F(Pl,p2, | . . . , pN). | 
 | 
 | 
 | (1.27) | 
 | |||||
Описываемый алгоритм основан на градиентном методе скорейшего спуска [10, 22]. Зафиксируем некоторое начальное значение
27
{pf\ pf\ P1N), которым в N-мерном пространстве фиксируется определенная точка. Теперь выберем одно направление таким образом, чтобы оно совпадало с вектором-градиентом, но было про тивоположно ему по направлению. Если вдоль вектора-градиента функция максимально увеличивается, то в противоположном на правлении она будет уменьшаться. Выбранный луч характеризует ся направляющими косинусами
| COS (X/ = - | - F ' o i | 
 | 
| N | 
 | |
| 
 | Ii ( | V | 
| 
 | 1=1 | ' | 
Функция (1.27) вдоль вектора-градиента может быть записана как
| функция одной переменной /. Д л я | этого нужно в (1.27) | параметры | ||||||
| представить | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| Pt-pf | + | lcosa, | 
 | ( / = 1 , 2 | ЛЛ). | (1.28) | ||
| Таким образом, вдоль | выбранной | оси F — F (2). | 
 | 
 | 
 | |||
| Теперь поставим задачу найти такое значение 1 = 1*, | для | кото | ||||||
| рого F (/*) = min. Д л я | этого необходимо решить | уравнение | ||||||
| 
 | 
 | F ' (I) = | ср (/) = 0. | 
 | 
 | 
 | (1.29) | |
| Новое обозначение | функции | ср (/) введено | для | удобства | даль | |||
нейших изложений. Нужно найти корни трансцендентного уравне ния (1.29).
Воспользуемся методом сведения решения трансцендентных
| уравнений к | решению дифференциальных | уравнений [58]. | ||||||
| Итак, | задано | уравнение | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | 
 | 
 | 
 | Ф(/) = 0. | 
 | 
 | (1.30) | |
| Рассмотрим | функцию | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| 
 | 
 | 
 | 
 | * = | <P(Q. | 
 | 
 | (1.31) | 
| Значение | 1 = | 1*, | обращающее эту функцию | в нуль, | является | |||
| корнем | уравнения | (1.29). Если | функция | (1.31) | имеет | обратную | ||
| 
 | 
 | 
 | 
 | l = | L(t), | 
 | 
 | (1.32) | 
то задача нахождения корня уравнения (1.29) сводится к вычис
| лению функции | (1.32) при t = 0, ибо | 
 | |
| 
 | /* = L ( f ) = | L (0). | (1.33) | 
| Производная | функции (1.32) как | обратная | (1.31) | 
| 
 | 
 | 
 | ( L 3 4 ) | 
Таким образом, мы имеем дифференциальное уравнение функции (1.32). Выбрав произвольное значение / = /0 и подставив его в (1.31), получаем начальные условия для решения дифференциаль ного уравнения (1.34) при t = t0 = ср (/0 ), / = /0 .
£ 3
Л ас интересует лишь одно значение функции (1.32) / = L (0). Интервал интегрирования определяется
| 
 | 
 | ht | — tKoa | — tua4 | = 0 —10 | = — ф ( / 0 ) . | 
 | |||
| 
 | Вполне естественно | выбрать | начальное | значение | 10 = 0, тогда | |||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | Af = — Ф(0) . | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| 
 | Если для | вычисления | /* применить | метод Рунге-Кутта, при | ||||||
| няв | шаг вычисления | равным | А/, то | необходимо | рассчитать | |||||
| = | - Ф ( 0 ) | . _ | - Ф(0 ) | ъ _ | - ф ( 0 ) | . | _ | - Ф ( 0 ) | 
 | |
| 1 | Ф'(0) ' | 
 | Ф ' ( | ^ ) | ' | Ф ' ( і * 2 ) | ' | 4 | " *Ы " | 
 | 
Тогда
Теперь новые значения искомых величин определяются, соглас но (1.28),
| P l = pf> - f /* cos ah | (1.35) | 
Если при вычисленных значениях параметров функция доста точно мала, то расчет закончен. Формулы (1.35) дают окончатель ный результат решения. В противном случае итерационный цикл повторяется. Точка, координаты которой вычислены по формулам (1.35), принимается за начальную.
§ 8. ПРОГРАММА РЕШЕНИЯ ОБРАТНЫХ З А Д А Ч
МЕ Т О Д О М МИНИМИЗАЦИИ [СКОРЕЙШИМ СПУСКОМ)
Вобщем виде вся программа записана алгоритмическим языком
| (АЛГОЛ-60). Она | состоит из отдельных | блоков и операторов. | ||||
| В самом начале программы описаны те величины, | которые встретят | |||||
| ся | в программе. Об этих величинах речь | пойдет | несколько | ниже. | ||
| 
 | Д л я решения обратной задачи в вычислительную машину | долж | ||||
| на | быть введена числовая информация. Она состоит из | нескольких | ||||
| групп. Первая группа —информация, характеризующая | наблюден | |||||
| ное | гравитационное | поле, содержит координаты | точек | и значение | ||
| поля в данных точках: X T [1 : п], УТ [1 : п], GNABL [1 : п]. | Вто | |||||
рая группа содержит значения параметров тел, которыми аппрок
| симируется | геологическая | схема: | РР1 [1 : m], | РР2 [1 : m], ... | |||
| PPT I I : m] | и PI [1 : m], | P2 [1 : m], | ... PK [1 : т]. В массивах | ||||
| Р Р 1 , | РР2, | ... PPT [1 : m] объединены | параметры, | значения | кото | ||
| рых | подлежат | определению | (параметры переменные). Они | входят | |||
| в функции (1.2) | и (1.3). | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| Массивы | Р ] , Р2, ... PK [1 : пг] определяют геологическую схему, | ||||||
| но они при решении задачи | закреплены и имеют роль постоянных | ||||||
| параметров. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
Так как при решении различных задач размеры первой и второй групп могут быть различными, то в память вычислительной машины
29
| необходимо ввести | значения величин п — количество точек, кото | ||||||
| рые используются | при | решении | задачи, m — количество | возму | |||
| щающих тел, | которыми | аппроксимируется геологическая | схема. | ||||
| Что же касается величины (Т + | К) | — общее количество | параметров | ||||
| в элементарном | геологическом | теле, то оно постоянно | для | каждой | |||
конкретной задачи. Например, если геологическое тело представ
| ляется совокупностью | цилиндрических | тел, | то Т + К — 4, | Т = | 
| = 3 (это параметры t, | h, d), а параметр | /< = | 1 это sign а. Если | гео | 
логическая схема описана как совокупность прямых уступов, огра
| ниченных по простиранию (рис. 1), то | чаще | всего | Т — 1 (этим | |||||||||
| параметром | является | d— | положение | грани | уступа). | Величина | ||||||
| К = 5 (a, | h, | H, | Іъ | U) — все | они | считаются постоянными и | ||||||
| не подлежат изменениям в процессе минимизации (1.2). | 
 | 
 | ||||||||||
| Далее в | память | машины | должны быть | записаны | значения | F K 0 I I | ||||||
| и АК 0 1 І . Эти | величины | определят | окончание вычислительных | цик | ||||||||
| лов по критериям (1.13) и (1.14). | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| Значение | FKon | может быть вычислено, а | величина | Д К 0 І І | задается. | |||||||
| Она должна | быть определена в | процессе | опробования конкретных | |||||||||
практических задач или установлена из модельных исследований. Чаще всего эта величина колеблется в пределах 0,05—0,02. Таким образом, в оперативном запоминающем устройстве выделяется мас сив исходных значений для решения задачи. Обозначим его Мх. Размеры этого массива зависят от величины п и /п.
Введенная в вычислительную машину информация печатается. Это необходимо для возможной проверки исходных данных. Ведь даже незначительная на первый взгляд ошибка во введенной число вой информации может исказить замысел интерпретатора, и задача не будет решена.
Теперь вновь обратимся к описанию переменных величин в программе. Символами і, j обозначены переменные индексы: і изме
| няется от | 0 до п, j — от | 0 до пг. Величины SKL, | T K L , Р35, | Р7 | |
| определяются в самой программе. Первые две величины нужны | для | ||||
| передачи | управления по | переключателям switch | KLM2: | = | АО, | 
| A I , А2, A3; switch КХ37: | = Т6, Т14, Û. Возле наименования | пере | |||
ключателя указаны метки, которыми обозначены некоторые опера торы в программе. Величина SKL в процессе решения задачи может принимать значение от 1 до 4. В зависимости от значения этой ве личины переключатель KLM2 передает управление одному из опе раторов с метками АО, A l , А2 или A3. Величина T K L может при нимать в вычислительном процессе значения от 1 до 3. Целые числа Р35 и Р7 так же используются для передачи управления.
Далее описаны массивы действительных чисел. В начале идут координаты точек и значения поля в данных точках, затем парамет ры геологической схемы. Д л я записи промежуточных данных выделе
| но две | группы массивов 7И2 и М3. | В группе М2 выделены массивы | ||||
| РР1М2, | РР2М2, | РРТМ2 [1 : m] для записи результатов | вычис | |||
| лений | в | очередной | итерации параметров | геологической | схемы. | |
| В каждом | цикле вычислительного | процесса | после изменений | геоло- | ||
30
| гической схемы делается расчет гравитационного поля | У т е о р | (хс, t/t) | |
| в и | точках. В программе этот массив обозначен GTM2 | [1 : п\. | В мас | 
| сив | М3 переписываются вычисленные значения | геологических | |
параметров и рассчитанное гравитационное поле (массивы РР1МЗ,
| РР2МЗ, ... РРТМЗ [1 : т] | и | GTM3 [1 :л]). Символами FPR1, | FPR2, | |||||||
| ... FPRT [1 : т] | обозначены | массивы | значений | производных | от | |||||
| функции (1.2) по искомым параметрам. | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||
| Затем следует описание действительных чисел. Как указыва | ||||||||||
| лось, | FK 0 1 I , А к о п | вводятся | вместе с | исходными данными. Они опи | ||||||
| саны | идентификаторами | FKON | и | DELT . | О | значении | других | |||
| чисел будет сказано дальше. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | s1 | ||||
| Теперь перейдем к описанию | самой программы. Величинам | |||||||||
| и s2 присваиваются значения | соответственно | 1,0 и 2,0. Целое | число | |||||||
Р7 получает значение 0. Далее следует составной оператор. Он опи сан меткой N . В цикле переписываются значения переменных па
| раметров в массиве М2. Переменным Р35, SKL, | T K L присваивается | 
| значение 1 и управление передается оператору, | которому присвое | 
| на метка А. | 
 | 
В самом конце программы помещены четыре группы операторов, возле которых стоят метки А, В, С, К . Они тесно связаны между со
| бой, и представляют, по сути, | специализированные подпрограммы. | |||
| Меткой | А обозначен блок, | в | котором вычисляются значения | |
| 
 | 
 | 
 | m | 
 | 
| 
 | Ѵтеор (*£і Ус) = | І Ѵ^/теор (Х[, | Ус). | |
| 
 | 
 | 
 | і=\ | 
 | 
| Под меткой | В записан блок вычисления функции | |||
| 
 | п | 
 | 
 | 
 | 
| 
 | F = Il [Ѵнабл (ХІ, | У[) — Ѵтеор (*„ | Ус)?. | |
Работает блок в одном вычислительном цикле четыре раза. Здесь помещен переключатель КХМ2 (switch KLM2: = АО, A I , А2, A3;).
| Функция F поочередно записывается в | четыре разные ячейки | 
| памяти. | 
 | 
| На следующий блок (метка С) переходят только в том случае, | |
| если число Р35 Ф 0. Здесь вычисляются | производные функции F | 
по искомым параметрам. Эти величины в каждом цикле вычисляют ся только один раз. Значит, каждый раз при переходе к А (а значит,
| и к блоку | В, который следует за ним) всегда | нужно обращать вни | |
| мание на | значения числа | Р35. | 
 | 
| С помощью оператора | К осуществляет выход из этой своеобраз | ||
| ной подпрограммы в нужное место основной | программы. | ||
Обращает на себя внимание, что операторы А и С не могут быть описаны конкретно в общей программе. В каждой задаче будут свои функции Ѵ/теор (xt, ус), значит, и разные значения производных функции F. При рассмотрении конкретных задач необходимо опи сать эти блоки.
Выход из подпрограммы с метками А — В — С — К осуществ ляется на оператор Т6 при (TKL = 1). Вычисленное значение функ-
31
