
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