3.1. Корректность постановки задач математической физики
3.2. Взаимосвязь с теоремой об обратном операторе
3.3. Методология решения некорректных задач
3.4. Методологические концепции вычислительной математики
3.5. Соображения по развитию конструктивной теории
Сформулированные Ж.Адамаром на рубеже начала ХХ столетия условия корректности (см. [1]), которые он затем настойчиво популяризировал, едва ли не в первую очередь привлекают неуклонно возрастающей актуальностью для практических приложений. Эти условия относятся к концептуальной основе математического моделирования физически содержательных задач, что по существу никем не оспаривается, и вместе с тем на современном этапе возобладало мнение о том, что положения Адамара – ошибочны.
Имеется в виду основополагающее утверждение о том, что из свойств существования и единственности решений, которые он считал объективно присущими математическим моделям реальных явлений, вытекает корректность постановки адекватных им краевых (начально-краевых) задач, подразумевающая устойчивость используемых алгоритмов численной реализации. Из этого, в частности, следует, что интегральное уравнение Фредгольма первого рода, попросту говоря, не годится для «употребления» в целях математического моделирования.
Естественный ход развития исследований, ставящих целью подтвердить, или же опровергнуть утверждение, постулат, гипотезу, а возможно – пророчество Адамара, казалось, должен был вестись с позиций вариативности постановок рассматриваемых задач, однако этого не произошло. По-видимому, главной причиной явилось формирование представлений об особой миссии вычислительных средств математического моделирования в системе естествознания, вследствие чего оказалось возможным легко пренебречь даже одним из основных принципов функционального анализа – теоремой Банаха об обратном операторе [2, 3, п.9; 4].
Трудно найти объяснение отсутствию в специальных источниках последовательно проводимого тезиса о необходимости конструктивного сопряжения постановок задач математической физики с алгоритмами их численной реализации. Корни сложившегося положения видятся в системной ориентации гигантского компьютерно-обеспечивающего комплекса на достижение коммерческого эффекта за счет высокой стоимости предоставляемых услуг.
В итоге критика позиции Адамара выстраивается альтернативной школой А.Н.Тихонова по схеме:
- решение интегрального уравнения Фредгольма первого рода
(3.1) |
в общем случае, является некорректной задачей (что неоспоримо);
- интегральные уравнения такого типа адекватны множеству реальных явлений, в подтверждение чего фактически предъявляется вполне прозрачная интерпретация соответствующих прямых задач (вычисление по данным и ).
Однако на каком основании постановка задачи, обратной вычислению может производиться путем всего лишь механического переименования в (3.1) данной и искомой функций? Из того, что при данных и процедура восстановления функции является вычислительно некорректной, – ровным счетом ничего большее не следует.
Упреки в адрес Адамара, характерные моменты которых воспроизведены в п.1.1, интегративно выражают позицию: великий ученый затормозил развитие науки, не признав адекватность некорректно поставленных задач реалиям наблюдаемых процессов (см. [3, 4, 5]). Действительно, в сформулированных Адамаром принципах постановки задач нет места некорректности, но это совсем не означает их неправомерность. Если Адамар привел в подтверждение своей концепции убедительные доводы и, можно сказать, опирался на постулаты математической религии, то «некорректная наука» никак не аргументировала саму оправданность своего существования.
Среди приверженцев исследования задач математической физики исключительно в корректной постановке такие имена как А.Пуанкаре, Д.Гильберт, В.А.Стеклов, И.Г.Петровский, И.Пригожин [6, 7, 8, 9, 10]. Наряду с этим едва ли позитивную роль сыграло введение Д.Гильбертом и Р.Курантом [11] трех независимых условий корректности: существование, единственность и непрерывная зависимость решения от данных задачи.
Потенциал того обстоятельства, что третье из них является следствием предыдущих, – мог бы способствовать активизации исследований, связанных с корректной постановкой задач математической физики. Рассматривая интегральное уравнение Фредгольма первого рода (3.1), пришлось бы внимательнее отнестись к возможности осуществления соответствующих преобразований c в противовес, образно выражаясь, суррогату непрерывной обратимости при использовании параметра регуляризации
Отмеченная следственность третьего условия корректности вытекает из теоремы Банаха об обратном операторе [12], весьма оптимистичный смысл которой, состоит в следующем. Если решение уравнения (3.1) с и где – банаховы пространства, существует и единственно, то обратный оператор из в – ограничен (см. п.1.3).
Соответственно процедура вычисления функции
(3.2) |
(формула вытекает из теоремы Гильберта-Шмидта [13]), удовлетворяющей уравнению (3.1) в должна быть устойчивой к малым возмущениям и при условии Далее предполагается, что такая функция существует, ядро симметрично и замкнуто; использованы обозначения пп. 1.2, 1.4. Так, – гильбертово пространство функций, нормированных согласно (1.7).
Следует отметить, что свойства интегрального уравнения Фредгольма первого рода с симметричным ядром несложно перенести на случай, когда является произвольной функцией из пространства [13, с.188-194].
Однако, как выполнение при проведении вычислений, так и проверка условия – практически неосуществимы, вследствие чего подобные пространства считают «неудобными» (см. [14, 15]). Налицо принципиальная дилемма в выборе методологии исследования:
- стремление к преодолению затруднений, обусловленных использованием пространства в привязке к ограниченности оператора
- утрата данного свойства, взамен на возможность постановки и решения задач в «удобных» пространствах.
С началом широкомасштабного внедрения в математическое моделирование численных методов, второе из обозначенных направлений стало доминирующим.
Показательна динамика взглядов С.Г.Михлина, нашедшая отражение в его курсах по математической физике и теории погрешностей 1968, 1977, 1988 гг. [16, 17, 18]. Вначале автор рассматривает уравнение (3.1) в традиционном предположении о том, что оператор – вполне непрерывен. При этом обратный оператор – неограничен, вследствие чего в обычном смысле задача неразрешима и следует обращаться к методологии А.Н.Тихонова.
В дальнейшем Михлин привлек внимание к тому, что если интегральное уравнение Фредгольма первого рода (3.1) трактовать с позиций отображения из пространства в то оператор перестает быть вполне непрерывным, оператор – ограничен, и задача определения функции становится корректной. Одновременно воссоздается целостность условий корректности, третье из которых автором изначально выделялось.
Итак, использование пары пространств – как бы переносит классическую некорректно поставленную задачу в русло фундаментальных основ функционального анализа. Обращает внимание тот факт, что Михлин не снизил значимость своих соображений доводами об «удобных – неудобных», или же «хороших» и «плохих» пространствах.
Такая позиция, вероятно, встретила критику и в своей заключительной монографии Михлин раздраженно переадресует постановку задач математической физики прикладникам, которые заинтересованы в их разрешении, включая социологов. Одновременно он счел целесообразным не рассматривать бесконечномерные модели с характерной для них некорректностью.
Известно мнение А.М.Ляпунова о том, что, будучи сформулирована в рамках исходных предпосылок, задача механики или физики должна решаться затем строгими методами. При этом имеется в виду задача, «…которая поставлена совершенно определенно с точки зрения математики» [19, с.26]. То есть, надо понимать, – поставленная корректно.
Вместе с тем, почему бы собственно процедуру постановки задач математического моделирования не рассматривать в качестве средства повышения эффективности аппарата их численной реализации? Более того, не сообщают ли жестко детерминированные формулировки задач искусственные осложнения вычислительного свойства в условиях, когда из физических соображений допустимо малое, в некотором смысле, видоизменение? Как представляется, постановка задачи и алгоритм ее численной реализации представляют собой существенно взаимозависимые категории.
Некорректно поставленные задачи математической физики обманчиво прозрачны с точки зрения интерпретации исследуемых процессов и явлений, что обуславливается их адекватностью, на самом деле, пространствам, которые в вычислительном отношении практически нереализуемы. Если же данные таких задач определены в естественных для них классах функций, соответствующие постановки утрачивают математический смысл, вследствие своей неразрешимости.
В столь нетривиальной ситуации, конечно же, исключительно значима роль общеметодологических концепций, иначе говоря, необходимо руководствоваться какой-то системой глобальных принципов. Исходя из этого, если утверждение Адамара о необходимости корректной постановки задач, описывающих физические явления [1], еще можно считать своего рода гипотезой, то по существу родственная ему теорема Банаха об обратном операторе – общепризнанный компонент фундамента математической науки [20].
Тем не менее, появилось понятие корректности по Тихонову, обыгрывающее вариант поиска решения задачи (3.1) в суженном классе функций, [14]. Общие рекомендации в отношении установления такого класса, на основании информации содержательного плана, не разработаны.
Зыбкость концептуальной основы обрекла на провал идею осуществления предельного перехода по малому параметру в решении семейства задач, имитирующих некорректно поставленную (метод регуляризации [2]). Причина, очевидно, во все той же неадекватности использования функциональных пространств. Если характеризуется совокупностью бесконечного набора признаков, и при этом зависящих от оператора (суперпозиция произведений квадратов значений, состоящих из характеристических чисел и интегралов от свободного члена и собственных функций), а – всего одним (интеграл от квадрата функции), то можно ли, даже из сугубо эвристических соображений, надеяться на преодоление столь кардинального несоответствия с помощью параметра регуляризации ?
Положение, сложившееся в сфере деятельности многочисленных последователей А.Н.Тихонова, представляется весьма неприглядным. Фактически, усилия сконцентрированы вокруг математического объекта с малым множителем образованного на основе (3.1):
(3.3) |
который именуется интегральным уравнением Фредгольма второго рода, без упоминаний о его в этом смысле неполноценности. Несмотря на огромный поток исследований, посвященных определению параметра регуляризации – конструктивные алгоритмы отсутствуют. Главная причина видится в несостоятельности идеи, подразумевающей возможность эффективного согласования решений с данными некорректно поставленных задач (см. [2, 21, 22]).
По существу, приходится довольствоваться всего лишь сопоставлением решений уравнения (3.3), получаемых в диапазоне уменьшения Можно предположить, что в связи с высокой затратностью численной реализации при малых значениях внедрение методологии Тихонова в практику разработок нанесло большой экономический ущерб. Что касается попыток исследования интегрального уравнения Фредгольма первого рода в функциональных пространствах его корректной разрешимости, то они носили единичный характер и не сопровождались конструктивным воплощением [23].
В.М.Фридман, о работах [24, 25] которого говорилось в п.2.3, подошел к решению уравнения (3.1), безотносительно его приемлемости для моделирования реальных явлений. С позиций настоящего изложения, итерационные алгоритмы Фридмана интересны достижением, как представляется, максимально возможной результативности в рамках выбранного объекта исследования, о чем косвенно свидетельствуют их простота и лаконичность. Иначе говоря, добиться чего-то большего от уравнения (3.1) – едва ли возможно. Несмотря на формально существующую сходимость, с приближением к решению определяемые поправки становятся на фоне значений искомой функции малыми:
Без своевременного останова такой процедуры, вычислительный «шум» от операций с отличающимися на порядки числами способен радикально исказить решение [5, 15]. Становится очевидным, что в силу своей природы интегральное уравнение Фредгольма первого рода содержит дефект, принципиально не согласующийся с содержательной постановкой задачи об определении функции по ядру и свободному члену (3.1).
В п.2.5 приведено соображение К.И.Бабенко [26] о необходимости учитывать фактор потери информации при оценке сравнительной эффективности вычислительных алгоритмов. Как представляется, в еще большей мере это следует делать на этапе постановки задачи. Поскольку при вычислении по формуле (3.1) информация о объективно сглаживается, восстановление этой функции в рамках традиционного подхода вполне закономерно сводится к решению некорректной задачи.
Если гипотетически предположить, что для определения функции удовлетворяющей уравнению (3.1), окажется возможным использовать некоторое другое уравнение, содержащее ее не только под интегралом, но и в явном виде, – все проблемы снимаются. Такое вхождение можно представить в контексте моделирования погрешности вычислений, с участием также и интегральной компоненты (в сумме дающих «нуль»).
Предобусловленный метод сопряженных градиентов рассматривают в качестве одного из наиболее эффективных для решения больших плохо обусловленных систем линейных алгебраических уравнений, которые возникают при дискретизации задач математической физики [27]. Невырожденная матрица – предобусловливатель позволяет сводить процедуру численной реализации к последовательности алгебраических задач со сколь угодно благоприятными свойствами, однако в противовес возрастает количество необходимых итераций и трудоемкость промежуточных вычислений (п.2.7).
Одной из ключевых проблем вычислительной математики является выработка концептуальных основ, касающихся зависимости между представлением данных и эффективностью реализации алгоритмов. В этой связи, как весьма пессимистичные можно охарактеризовать воззрения К.И.Бабенко [26], всецело базирующиеся на количественной трактовке понятия информации. Действительно, едва ли не все алгоритмы указанного руководства сопровождаются «колоссальной» потерей информации, а редкие исключения отвечают лишь специальному представлению исходных таблиц, что на практике, как правило, не реализуется.
Альтернативна позиция Р.В.Хемминга [28], которого можно охарактеризовать как прямого продолжателя идей Адамара в области вычислительной математики. По его мнению, методы численной реализации должны адаптироваться к имеющейся информации, что же касается принципиальных осложнений, таких как некорректность постановки, то основное внимание необходимо сосредоточить на видоизменении математических моделей. Весьма привлекательно также соображение Р.Беллмана и С.Дрейфуса о целесообразности оценки качества информации на основании показателей эффективности ее использования [29].
О.М.Белоцерковский и В.В.Щенников [30] выступили с заявлением о кризисе в сфере математического моделирования, обусловленном сложностью как постановок задач, выдвигаемых практикой, так и – аппарата их численной реализации (п.2.8). В качестве причины указана неприспособленность методов «домашинной» математики к ситуациям, когда вследствие накопления погрешности округлений фактически любой алгоритм становится вычислительно некорректным. В конструктивном отношении, авторы предложили более целенаправленно развивать подходы в стиле Тихонова, никак не упомянув альтернативный вариант – согласование постановок задач с теоремой Банаха об обратном операторе.
Обратим внимание, поколения специалистов в различных областях математического моделирования воспитывались под лозунгами типа – «все реальные задачи механики сплошной среды плохо обусловлены», которые, без каких-либо обоснований, назойливо повторялись «мэтрами» на заседаниях различного рода симпозиумов. Итогом явилось внедрение на фольклорном уровне тезиса, подкрепленного всего лишь сформировавшейся практикой осуществления научно-исследовательской деятельности.
Флагманом отмеченной идеологии можно назвать Н.Н.Яненко, который, в отличие от ряда коллег, хорошо осознавал потери математического моделирования из-за разрыва аппарата численной реализации с основами функционального анализа. Однако первостепенным он считал принципиальное расхождение между классической и вычислительной математикой, состоящее в том, что первая из них оперирует с абстрактной символикой без потери информации, тогда как объектами второй являются числовые массивы, преобразования которых происходят с погрешностью (см. [3, 31]).
Аргументация работ Яненко методологической направленности позволяет предположить, что определенную роль при формировании его взглядов сыграли также и амбициозные мотивы сопричастности к становлению «новой» математики, которая, частично используя «старую», в целом ее существенно превосходит. Гротесковое выражение такой позиции содержат материалы монографий [21, 32], выдержки из которых приведены в п.2.8.
Представляется, что налицо извращение существа проблемы, поскольку теорема Банаха об обратном операторе – субстанция более высокого уровня, нежели операции с числами и, вместе с тем, именно для них наиболее важная. В самом деле, ограниченность обратного оператора дает практически единственную возможность предотвратить как неадекватную зависимость решения от данных задачи, так и накопление погрешности вычислений.
Итак, считаем, что ядро интегрального уравнения Фредгольма первого рода (3.1) симметрично, замкнуто и функция удовлетворяющая ему в существует. Соответственно то есть выполняется условие [13]:
(3.4) |
где – характеристические числа и собственные функции ядра Заметим также, что система элементов полна в или же пространстве [33, с.69].
В таком случае оператор осуществляющий отображение из пространства в – ограничен (теорема Банаха). Получается, определение функции по формуле (3.2) можно произвести без накопления погрешности?
С этой точки зрения, «Обратимый мир Банаха» исключительно заманчив, однако в нем отсутствует какая-либо дифференциация используемых пространств по предпочтительности. Они определяются содержанием задачи, то есть оператором Главенствующие тенденции в сфере вычислительной математики – сугубо альтернативны, из-за чего как явно, так и, преимущественно, исподволь проводится тезис о фактической бесполезности теоремы Банаха об обратном операторе.
На первый взгляд, для этого имеются веские основания. Действительно, малость возмущения данных, а также и погрешности, допускаемой при проведении вычислительных операций, подразумевается в Однако практическая возможность для выполнения такого условия – отсутствует. Пространство как бы иллюзорно, поскольку оперирует с бесконечной совокупностью признаков данных задачи, становящихся при больших значениях в (3.2) по существу – неидентифицируемыми.
Можно заметить также, что уравнение (3.1) является в определенном смысле – нелинейным. В самом деле, представим интегрируемую по формуле (3.1) функцию Соответственно
и каждое из этих уравнений разрешимо в смысле выполнения условия вида (3.4).
Однако функцию можно представить суммой бесконечного набора слагаемых. Если предположить, что уравнения
где при произвольном разделении на и – разрешимы, приходим к противоречию. Действительно, решение уравнения (3.1) – единственно и условие вида (3.4) выполняется лишь для
Таким образом, принцип линейной суперпозиции в отношении свободного члена уравнения (3.1) не работает.* Данное обстоятельство обуславливается незамкнутостью области значений оператора о которой упоминалось в п.1.3.
В общем, получается, что теоретическая принадлежность функции пространству – реально ничего не дает. Вместе с тем, подобный вывод не может служить основанием для игнорирования пространства при рассмотрении задачи (3.1). Как представляется, конструктивизм здесь возможен исключительно в контексте согласования, вообще говоря, альтернативных устремлений:
- функция используемая при проведении вычислений, принадлежит пространству
- оператор осуществляет отображение из в пространство
Мотивация очевидна, – сохранить потенциал непрерывной обратимости оператора в целях его практической реализации. Вместе с тем обозначенное противоречие налицо и преодолеть его, ограничиваясь исключительно рамками интегрального уравнения Фредгольма первого рода (3.1), не представляется возможным. В подобной ситуации естественно обратиться к, образно выражаясь, происхождению данного уравнения, то есть – к постановке задачи.
Итак, имеется явление, описываемое оператором Прямая задача состоит в вычислении интеграла по формуле (3.1) при подстановке в нее функции Такая процедура обладает множеством интерпретаций и математически корректна.
Ключевой момент – формулировка обратной задачи для того же оператора которая сопряжена с восстановлением функции по реализации упомянутого интегрирования, то есть – Соответственно подразумевается определение причины по следствию, и если постановка прямой задачи наглядна, то в отношении обратной ситуация – прямо противоположная. При ее разрешении приоритетной становится собственно алгоритмическая процедура (на базе адекватной математической модели), не являющаяся аналогом процесса, проистекающего в режиме реального времени.*
Как в свете изложенного не обратиться к утверждению Адамара о том, что все
задачи, имеющие практическое истолкование, допускают
математически корректную постановку? Исходя из этого, поскольку функция
в (3.1) объективно существует,
задачу ее определения следует всего лишь адекватно сформулировать. Вместе с
тем, Адамар не привел соответствующих рекомендаций практического характера,
и, как уже отмечалось, его методология оказалась фактически отвергнутой.
Однако попытаемся наметить постановку задачи, обратной вычислению интеграла (3.1), которое в общем случае производится с некоторой погрешностью:
(3.5) |
В прямой постановке ее учет не имеет принципиального значения, однако, решения интегральных уравнений Фредгольма первого рода (3.1) и (3.5) могут оказаться совершенно разными. При этом ставить вопрос о какой-либо количественной оценке – бессмысленно. Можно считать лишь, что по сравнению со значениями функций и погрешность является малой.
Из общих соображений, присутствие в (3.5) повышает потенциал постановки обратной задачи, наряду с чем, возникает вопрос о функциональном представлении погрешности. В этой связи следует принять во внимание, что механизм ее генерации обуславливается фактором сглаживания процедурой интегрирования, а значит, структура должна отражать данное обстоятельство.
В ракурсе сказанного, воспользуемся операторной моделью погрешности вида
(3.6) |
где – тождественный оператор; – некоторый интегральный оператор; и – параметры.
Итак, вместо уравнения (3.1) предлагается иметь дело со следующей задачей:
(3.7) |
преследуя целью сведение ее к решению интегрального уравнения Фредгольма второго рода. Параметр как и при обращении оператора предназначен для того, чтобы это уравнение не располагалось на спектре, что эквивалентно существованию и единственности его решения.
Обратим внимание, к свободному члену уравнения (3.1) всего лишь прибавлена функция, представляющая «нуль». Вместе с тем, переход от некорректной задачи (3.1) к постановке (3.6) создает предпосылки для кардинального изменения ситуации. От вообще говоря, можно потребовать адаптивной компенсации погрешности вычислительных операций, выводящих из пространства вследствие чего появляется перспектива реализации ограниченного оператора В самом деле, при негативный фактор некорректности уравнения (3.1) – нивелируется.
Предположим, что оператор из (3.6), при котором в пространствах или окажется возможным представить в виде
с наложением на ядро определенных условий. В таком случае задача (3.7) становится следующей:
(3.8) |
(3.9) |
Таким образом, равенство нулю эквивалентное уравнению (3.9), предполагается удовлетворить с помощью на – новой неизвестной функции.
Бытует суждение будто бы перспективы получения весомых результатов с помощью простых преобразований математических зависимостей – невелики. В самом деле, применив к уравнениям (3.8), (3.9) операцию вычитания, вновь получим исходную задачу (3.1), которая некорректна. Однако, во-первых, мы не собираемся этого делать и, во-вторых, за интегральными уравнениями с искомой функцией в явном виде интуитивно ощутим конструктивный потенциал.
С этой точки зрения, весьма знаменательным можно назвать «несрабатывание» примера, иллюстрирующего сглаживание информации о функции процедурой интегрирования (3.1), который приведен в целом ряде изданий. Действительно, предполагая, что функция удовлетворяющая системе уравнений (3.8), (3.9), известна, сообщим ей возмущение вида Подстановка в (3.7) показывает, что на свободный член оно будет влиять как с понижающим коэффициентом (сглаживание), так и без него – за счет соответственно интегральной компоненты и функции в явном виде.
Сказанное не распространяется на однако определение этой функции выходит за рамки рассматриваемой задачи. Подчеркнем, что последние соображения – исключительно наводящего характера.
С позиций практической реализации изложенного, весьма существенной представляется взаимосвязь пространств а также и Как известно, в паре пространств и она – теснейшая. Теорема Рисса-Фишера [34] устанавливает взаимнооднозначное, непрерывное и линейное соответствие между функциями из и числовыми последовательностями со сходящейся суммой квадратов. То есть, всегда существует -функция, для которой
является рядом Фурье по системе ортонормированных элементов
Однако между пространствами и а соответственно и также наблюдается весьма интересная зависимость. Действительно, (3.2) представляет собой ряд Фурье по ортонормированным элементам условием сходимости которого является (3.4). Если предположить, что где то при пространство превращается в
Вместе с тем, ядро в (3.1) обладает характеристическими числами, которые ему объективно присущи, и, следовательно, использоваться для такого превращения не может. Но появилось не зависящее от данных задачи ядро а с ним и перспектива реализации намеченного замысла. Ниже вокруг этого момента будет сосредоточена значительная часть всего изложения.
В заключение настоящего раздела хотелось бы отметить спорность распространенного мнения о необходимости формулировки задач математического моделирования специалистами-прикладниками соответствующего профиля, тогда как предназначение математиков состоит в проведении строгих аналитических исследований, разработке вычислительных методов и участии в их реализации.
Как представляется, прикладники должны заниматься постановкой прямых и в целом корректных задач. Фактор некорректности тесно взаимосвязан с процедурой численной реализации, вследствие чего уделом математиков является приведение постановок задач, описывающих изучаемые процессы и явления, к условиям применимости теоремы Банаха об обратном операторе.