Обратная задача

Обратная задача — тип задач, часто возникающий во многих разделах науки, когда значения параметров модели должны быть получены из наблюдаемых данных.

Примеры обратных задач можно найти в следующих областях: геофизика, астрономия, медицинская визуализация, компьютерная томография, дистанционное зондирование Земли, спектральный анализ и задачи по неразрушающему контролю.

Обратные задачи являются некорректно поставленными задачами. Из трёх условий корректно поставленной задачи (существование решения, единственность решения и его устойчивость) в обратных задачах наиболее часто нарушается последнее. В функциональном анализе обратная задача представляется в виде отображения между метрическими пространствами. Обратные задачи обычно формулируются в бесконечномерных пространствах, но ограничение на конечность измерений и целесообразность вычисления конечного числа неизвестных параметров приводят к изменению задачи в дискретной форме. В этом случае используют метод регуляризации для того, чтобы избежать переобучения.

Линейная обратная задача

Линейная обратная задача может быть описана в следующем виде:

$\ d = G(m)$,

где $G$ — линейный оператор, описывающий явные отношения между данными и параметрами модели, и представляющий собой физическую систему. В случае дискретной линейной обратной задачи, описывающей линейную систему, $d$ и $m$ являются векторами, что позволяет использовать следующее представление задачи:

$\ d = Gm$,

где $G$ является матрицей.

Примеры

Примером линейной обратной задачи служит интегральное уравнение Фредгольма первого порядка.

$d(x) = \int\limits_a^b g(x,y)\,m(y)\,dy$

Для существенно гладкого $g$ определённый выше оператор является компактным на таких банаховых пространствах, как Пространства $L^p$. Даже если отображение является взаимно однозначным, обратная функция не будет непрерывной. Таким образом, даже маленькие ошибки в данных $d$ будут сильно увеличены в решении $m$. В этом отношении обратная задача по определению $m$ из измеренных данных $d$ будет являться некорректной.

Для получения численного решения необходимо аппроксимировать интеграл с помощью численного интегрирования и дискретных данных. Результирующая система линейных уравнений будет некорректно поставленной задачей.

Преобразование Радона также является примером линейной обратной задачи.

Нелинейная обратная задача

В нелинейных обратных задачах ставятся более сложные отношения между данными и моделью, которые описываются уравнением:

$\ d = G(m).$

Здесь $G$ представляет собой нелинейный оператор, который не может быть приведён к виду линейного отображения, переводящего $m$ в данные. Линейные обратные задачи были полностью решены с теоретической точки зрения в конце XIX века, из нелинейных до 1970 года был решён только один класс задач — задача обратного рассеяния. Существенный вклад внесла российская математическая школа (Крейн, Гельфанд, Левитан).

Ссылки

• Научная Сеть >> Обратные задачи в астрофизике
• Inverse Problems Network

Международные научные журналы

• Inverse Problems
• Journal of Inverse and Ill-posed Problems
• Inverse Problems in Science and Engineering
• Inverse Problems and Imaging