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反问题、最优化和陷阱
热度 1 zoumouyan 2015-8-30 20:56
反问题、最优化和陷阱 邹谋炎 最优化方法对于处理数学物理反问题已经变得流行。在研究论文中,这是增加“颜值”的有效捷径。以图像处理问题为例,“IEEE Trans. On Image Proc.”这个杂志,几乎每期都成了“巨无霸”,说明热度非凡。凡和“反问题”相关联的问题,如成像、复原、超分辨重建、稀疏重建、去噪,等等,处理办法变得很八股:定义一个价格函数由两项组成:最小化第一项表达原本问题对解的限制,最小化第二项是为克服病态引入的对解的附加限制。反问题的病态表现为第一项的最小化不足以限定解的唯一性,需要第二项来帮忙。这个方法称为“Regularization”,有人译为“正则化”,译为“规整化”似更合理,因为它和汉义“正则”完全是不同的含义。问题在于,实现Regularization对第二项的选择会因人而异、因观点而异。对第二项的许多种选择都可以定解,但不同第二项选择导致的解是实实在在不同的!那么,对第二项的哪一种选择能导致物理上希望的真解?恰恰这个基本问题数学家们并没有找到答案。事实上,许多文章从数学看很漂亮,但结果并不理想。这样的文章在当前的许多种刊物,包括国内外顶级学术刊物处处可见,不单是本文提到的那个杂志。 图像超分辨和稀疏重建是典型例子。论文延绵不断,有的作者报道的仿真例子看起来还不错,但明显没有达到希望的目标。有人以为构造一个凸的价格函数能够解决问题,事实并非如此。原因不难理解:数学上的定解并没有证明所定的解就是物理上希望的真解。职业研究者(例如教授们)应该有敏感性,或者问一问,这条路子继续走下去会如何?而本文主要是希望给年轻研究者一个提醒,对数学漂亮的论文和方向要学会审视。追热研究道路上的陷阱非常多,如果陷下去,有可能只得到熬白头这个结果。 笔者绝非对最优化方法处理反问题持完全否定的态度,只是说这种方法的能力很有限。有进取精神的研究者不应该受限于一种套路。 笔者不反对博士生们仍然使用这个套路出论文,那仅仅是因为多数博士生创造能力和时间受限,而又希望按时毕业,并且SCI对此常常也青睐。 怎么办?笔者认为发掘物理途径是职业研究者解决问题的可能方法。回归到原来的物理问题,重新认识现象和过程,看看能不能找到提升技术、添加辅助观测、发掘物理约束的办法。如果你的原问题来源于实际而不是来源于书本杂志,你可能会找到许多出路并有所发现。 (在基金评审中感觉此问题似有普遍性,故提出供研究者参考)。
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简易求解第一类Fredholm积分方程反问题的方法
JiangPQ 2013-11-5 22:37
Solving the inverse problem of an inhomogeneous Fredholm integral equation by numerical method Fredholm equations involve definite integrals with fixed upper and lower limits. An inhomogeneous Fredholm equation of the first kind has the form (1) Here f ( s ) is the unknown function to be solved for, while g ( t ) is known. Fredholm equations of the first kind are often extremely ill-conditioned. Applying the kernel to a function is generally a smoothing operation, which often actually loses information, and there is no way to get it back in an inverse operation. Specialized methods have been developed for such equations, which are often called inverse problems. In general, some prior knowledge of the nature of the solution must be used, in one way or another, to restore the lost information. To allow the equation to be solved numerically we need to discretize the integral using some quadrature rules. Here we use the Gaussian-Legendre quadrature, yielding a linear system of equations for the unknown function f ( s ) as: (2) where ( t i , g i ) is the i -th experimental data set, N is the number of integration points, w j and s j are the quadrature weights and points, respectively. Most often we do not have enough data points to solve Eqn. 2 directly. Even if we have enough data points, it is still impossible to do so because of experimental uncertainty and/or measurement noises. Instead we seek the f ( s ) that satisfy: (3) However, the mere Eqn. 3 is not enough. When A is minimized, though the agreement is very good, the solution could become unstable, and in some way unrealistic because of the degenerate natures of the equations. We need to introduce another factor B , which is supposed to give a solution that is “smooth” or stable, and meanwhile has nothing to do with the measured data. In fact, the central idea of inverse theory is to find (4) for various values of 0 λ ∞, and then to settle on a “best” value of λ by certain criteria. How to determine the smoothing factor B ? Generally, if the priori belief is that a linear function is a good approximation to f(s) , we can take (5) If the priori belief is that a quadratic function is a good approximation, then we can take (6) To solve the optimization problem, we can use CVX, a package for specifying and solving convex programs that was developed by Michael Grant and Stephen Boyd from Stanford University. CVX is software based on MATLAB, and can be downloaded from the website: http://cvxr.com/cvx/download/ . The implementation of CVX in MATLAB is very simple. Just the following code segment will do the job. cvx_begin variable x(n) minimize( A(x)+lambda*B(x) ) subject to f = 0 f = 1 cvx_end An example of the solution of the inverse problem of inhomogeneous Fredholm integral equation of the first kind is to find the thermal conductivity accumulation function α based on experimental measurements of thermal conductivities of nanostructured materials. where L c is the characteristic length of nanostructure materials, is the mean free path of phonons, is the thermal conductivity accumulation function, which is defined as the fraction of thermal conductivity contributed by phonons with mean free paths shorter than .
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谈鼓
热度 20 武际可 2011-9-15 15:10
谈鼓
个人分类: 科普|9896 次阅读|25 个评论
数学有价? ----反问题在石油勘探中的应用 (5)
热度 3 yuzhang 2010-11-10 08:42
回想十二年前,笔者从事应用数学的博士后工作,当时困惑我的问题是如何将应用与数学这两件事统一起来。记得闲暇之余观看了一部香港电影《南海十三郎》,讲的是上个世纪三十年代的天才粤剧作家江誉镠,艺名南海十三郎。其中有一段关于唐涤生欲拜南海十三郎为师的情节,至今印象颇深。 南海十三郎:你为什么要拜我为师? 唐涤生:因为我要证明文章有价! 后来唐涤生成为一代巨匠,不仅缔造了粤剧史上的辉煌,而且其剧作浑然天成,辞藻清隽雅丽,成为传诵不衰的经典。虽然中年早逝,他的一生很好地诠释了文章有价的信念。 那么数学有价吗?这是一直萦绕在我心中的问题。 进入勘探地球物理界以后,才发现生产上所提出的富有挑战性的数学问题俯拾皆是,我们几乎每天都在从事索隐探秘的研究活动,颇为引人入胜。 以偏移成像技术为例。早期的计算机内存小、速度慢,而勘探资料处理的数据量和计算量都很巨大。从 70 年代到 90 年代,资料处理人员不得不对数据进行简单的预处理,忍痛割爱,将辛辛苦苦采集来的 5 维地震数据压缩成 3 维,送入计算机进行反演成像。在当时,采用这种丢失大量原始信息的粗糙方法实在是迫不得已。 90 年代末,勘探界发展了积分法偏移技术,删繁就简,运用高频渐进分析的技巧,把成像步骤简化为常微分方程求解和积分求和两部分,有效地节省了计算量,终于可以对全部采集数据作偏移处理。但是一阵兴奋过后,人们发现这种简化方法远不能满足墨西哥湾地区复杂地形勘探的要求。 进入新千年,由于采用了并行计算机群技术,更精确的微分法偏移被引入生产。受当时计算机的内存限制,生产上需要将波动方程变形为单程波方程,降维求解。单程波方程是地球物理学家们在 70 年发明的一种独门功夫,其道法心诀与发轫于 60 年代数学界的拟微分算子理论暗合。 另一方面,一些公司领异标新,为积分法注入了新的功力,实现了升级版的射线束偏移,使得算法更灵活、更准确,成像效果令人耳目一新。 与此同时,数据采集方法也得到了很大改进。 BP 公司率先采用了宽方位角采集技术,利用大量的反射信息来有效地减少成像的盲区,也使得地震数据量猛增几倍到几十倍。 2005 年后,逆时偏移方法应运而生。这种方法直接求解声波方程,看似返璞归真,实际功能强大。不管是反射波、折射波、散射波、回转波、棱柱波,无论信号的来路多么怪异,逆时偏移都可以因势利导,让它们复原归位。这种方法能够对复杂的地下构造做出精确的成像,成为墨西哥湾地区独领风骚的生产技术。 图8 的实例显示了不同时期、不同算法对地下构造成像质量的影响,一路走来,进展令人振奋。 2008 年底,生产上实现了各向异性的逆时偏移算法,突破了传统偏移算法对速度所要求的各向同性假设。对于这种偏移,我们要假设声波沿着各个方向的传播速度均不相同,虽然计算成本和反问题的不确定性都大幅度增加,但使用起来招法更加灵活,在墨西哥湾地区得到了良好的效果 。 图8 :一个墨西哥湾地区的生产实例展示了不同偏移算法的成像效果。左:2001年得到的积分法成像结果;中:2005年得到的单程波偏移成像结果;右:2007年得到的逆时偏移成像结果。 图9 :墨西哥湾地区Jack 油田附近的偏移 成像效果对比。左 :各向同性的逆时偏移成像结果; 右:各向异性的逆时偏移成像结果。 进入 2010 年,为了更准确地构建速度模型并进行岩性分析,生产要求逆时偏移对地下构造输出高维全息照片。如果我们考虑理想情况,这需要将 5 维的地震数据输入逆时偏移,经过 6 维的偏微分方程计算和 7 维的拟微分算子变换,再叠加输出 5 维的成像信息。这必然导致巨大的计算工作量和复杂度。产业的需求敦促成像方法更上一层境界,再一次挑战数学算法和软件开发的极限。 无论勘探计算中的数学方法多么精巧,我们始终都是在猜谜。谜底只有在实际钻井后才能揭晓。在两年前的一次感恩节晚会上,一位在石油公司工作的朋友姗姗来迟,神情疲倦。一问才知,公司刚刚打了一口干井,数千万美元的投资泡汤了。一大早他所属的部门临时召集会议,检讨决策失误原因,其中之一就是偏移处理的成像剖面在井位处模棱两可,难以准确判断地下的构造。这个经历使我感到我们的科研工作不是纸上谈兵,在应对挑战的同时我们还承担着重要的生产责任。 在过去的十多年间,石油勘探的计算方法发生了日新月异的变化,而且技术的更新有加速的趋势。这种生命力和创造力来自巨大的商业利益的驱动。在这里,每项数学技术的商业价值都是可以计算的。也正是由于勘探技术的不断进步,石油巨头在墨西哥湾深海区的石油开采屡获创收。 展望未来,地震勘探的反问题远没有解决。实际的地震波的传播比声波现象更复杂,需要用 21 个弹性参数来描述。各向异性的声波偏移只是向这个方向迈出的第一步。另外非弹性吸收效应在偏移中的补偿还刚刚起步。随着研究的深入和计算技术的提高,传统的偏移成像方法也面临新的技术挑战。直接求解非线性反问题得到高精度的速度模型成为当下的热门课题,很多理论、算法和实际困难都有待克服。 1700 多年前,数学家刘徽在他的名著《九章算术注》的序文里指出,数学的功用可以达到 虽幽遐诡伏,靡所不 入 。我们希望更好地运用数学物理方法来探索自然的奥秘,绘出更准确、更清晰的地下寻宝图。
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知之惟艰----反问题在石油勘探中的应用 (4)
热度 1 yuzhang 2010-11-3 08:00
《古文尚书》 中有 非知之艰,行之惟艰的说法,是讲知道一件事情并不难,难的是把事情做好。数千年来,中国的先哲对知易行难和知难行易两个命题的谁是谁非论争不断。 在科学研究中,如果是求解一个正问题,知易行难的描述可能是比较贴切的。因为问题的规律、初始状态和模型都是已知的,我们只需要继承前人的知识,花费一些努力来计算、观测、考察各种现象变化。总的来说,这种研究工作是比较直接的。 反问题的研究重在探测和发现。如前面所述,虽然不能直接上天入地,但是通过求解反问题可以使得我们找到极遥远的天体和极幽深的宝藏,这就如同让我们有了神通。这种神通的得来并非容易。 相对于正问题而言,反问题的研究要困难得多,可谓 知之惟艰 。 这是因为反问题的求解往往违背了事物发展过程的自然顺序,从而使正问题中的许多良好性质不再满足。更何况我们搜集到的资料经常是真伪交杂、缺失含混的,这就更增加了求解的困难。尽管如此,解决反问题仍然像破案猜谜一样引人入胜。举一个文史方面的例子。《西游记》在中国是家喻户晓的神话名著,但是四百年来,这部小说的作者是谁却是一个谜团。由于早期刻本没有作者署名,清初刊刻时有好事者将著名道士丘处机的名字冠于卷首,混淆视听。直至民国初期,胡适先生通过书中的内证,认定作者的时代是明朝中叶以后,生活在元朝初期的丘处机属冒名顶替。接着,他和鲁迅先生一起搜罗史料,悉心考证,认为作者是明代嘉靖年间的淮安人吴承恩。但是由于大量史料散佚,直接证据阙如,这个结论也仍然受到质疑。目前提出的《西游记》候选作者约有十人之多,解未收敛,仍属悬案。 法国数学家Hadamard认为一个有意义的物理现象的数学问题要满足适定性,即问题的解要具有存在性、唯一性和稳定性。这个观念深刻地影响了数学物理的发展。但是反问题的出现为人们提出了一大批病态的方程和问题,违背Hadamard的适定性要求,导致了研究上的困难。 我们前面提到的声波勘探 技术 就是一堆不适定性反问题的集合。我们简单举几个例子: 1. 去除噪声 :噪声是信号中的假信息。如果不能有效地切除噪声,可能 将反问题的求解引入歧途; 甚至 导致矛盾方程,违背的解存在性。把金粒和沙粒混在一起是一件再容易不过的事情,但是沙里淘金就颇费周折。我们要区分噪音与信号的不同性质,通过一些巧妙的变换来去伪存真, 纠偏校正 。例如:高频噪音可以通过信号的统计性质来进行鉴别;特殊的低频噪声可以在频率域进行切除;干扰成像的横波、地滚波可以通过时空分布的特殊性在一些高维变换域中进行分离;多次反射可以用波场的线性变换来有效预测,等等。 2. 层析成像 :这是目前最流行的速度建模方法。它的主要部分是求解一个大型的病态线性方程,来估计各个网格点上的速度值。这个病态方程在一些区域是超定方程,需要利用信息的冗余度来提高解的可信度;而在另一些 区域 又是不定方程,存在严重的多解性。针对这类线性不适定性问题, 前苏联 Tikonov等学者提出了正则化方法。方法的主要思想是:利用对解和数据误差的先验估计可以将问题的求解限定在某个较小范围内。通过对问题的适当改造,将原本不适定的问题转化为适定的最优化问题求解。而且先验估计表明在一定精度下用正则化方法求得的解是合理的。这很像是猜谜:申明:我是戴高乐派来的间谍。如果只是打一人名,猜起来就比较困难。如果限定 打一当代国际政治人物,范围缩小了,就可以通过筛选,找到最优的答案---- 阿拉法特。 3. 偏移成像 :尽管波动方程的正问题是一个线性方程,它的探测反问题却是非线性的,而且线性化后的逆算子求解也很困难。长期以来,地球物理学家用计算波动方程的共轭算子来替代求解逆算子,这样可以得到稳定的构造成像。所谓计算波动方程的共轭算子就是象《大话西游》中的月光宝盒一样让时光倒流,将地面接收的波场信号 逆 时间方向回传,从而找到产生反射的地下构造,显影造像。有趣的是,我们可以证明只要选择正确的求解域,对这种传统算法稍加修改,就可以得到有明确物理意义的稳定的反演解法。 4. 衰减补偿 :经典的波动方程假设声波在传播时能量是守恒的。但是实际的传播过程中,一部份声波能量会转化成热能耗散掉。而且震动快(高频)的波比震动慢(低频)的波更容易被吸收。求解这类现象的反问题就更困难了。因为时间倒流时方程的能量会不断增大,一方面记录中混杂的噪音会被迅速放大,另一方面一些有效信号在正演时被衰减殆尽而无从恢复。这时的反问题违反了解的稳定性,连月光宝盒都失灵了,必须借助某种具有正则化性质的月光宝盒来近似恢复历史本来面目。 实际上,石油勘探的反问题经常存在着信息先天不足的缺陷。我们在医院做 B 超诊断时,探头可以围绕全身,这样就能够完整地接收超声波的各种反射和散射信息,有效地对病灶进行探测。但是对于地下构造进行勘探时,我们只能把爆炸源和接收器放置在地面或海面的有限范围内。很可能我们的声波达不到地下的一些构造位置;或者虽然声波能够达到,但是反射信号会传播到很远的地方,不能被接收器采集记录。这就造成了很多地下的成像盲区(图7 )。另外,现有的偏移成像算法还不能完全解决由于多解性所导致的假 像 问题(图7 ),这些假的构造会误导地质解释人员做出误判。在实际生产中,我们需要通过试验和分析,对这些具体问题作出判断和解释。 图7 :一个理论合成记录的偏移成像结果(左)和真实的速度模型(右)。曲线框标示的区域是由于观测方法限制所造成的偏移成像盲区。红色箭头所指是偏移成像算法得到的假像。 用传统的眼光来看,存在性、唯一性和稳定性,三者之一不满足就称为不适定性问题,这样的问题是不值得研究的。但是反问题的研究开阔了人们的视野,认识到这样的问题是大量存在的,并且有着重要的研究和应用价值。反问题有着特殊的困难,它向我们提出了许多在认识论、方法论中富有挑战性的课题,深化了对客观现象的理解。因而反问题的研究确有它独立的价值。
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秘密就在回声中 ---- 反问题在石油勘探中的应用(2)
热度 2 yuzhang 2010-11-1 03:07
1910 年,丹麦物理学家Lorentz在哥廷根作了系列讲演----物理学中的新、旧问题。其中提到了 一个有趣的问题:不用眼睛来看,仅仅通过聆听鼓的声音能否判断出鼓的形状?即所谓的盲人听鼓问题。 它的背景来自于射线理论。 我们知道,当物体的材料确定后,它的音色和其形状密切相关。在数学上,一个物体的音色可以由一串谱 来确定,它们对应着物体的固有频率。盲人听鼓即是要求通过已知的谱来确定一个鼓面的形状。 Lorentz 在他的讲演中猜测鼓的面积A可以由小于 的谱数 求极限确定 据说, 当初 Hilbert(希尔伯特)认为在他的有生之年不可能看到这个公式的严格证明。但是一代宗师Hilbert这次作出了错误的预测。不到两年时间,鼓面积的公式就被他的得意门生Weyl证明了。而且证明方法采用的正是Hilbert此前不久修炼出的独门绝技----积分理论。1954年, Pleijel证明了从鼓声中可以听出鼓的周长。1967年, McKean和Singer证明了从 鼓声中可以听出鼓的 内部是否有洞、有几个洞。直到 1992年,Gordon等人构造出了两 面 奇怪的同声鼓(图 2 ):它们的形状不同,却有着相同的音色,单凭耳朵无法鉴别! 图 2. 左图:能否以耳代目,听出鼓的形状?右图: 1992年,数学家Gordon, Webb和Wolpert找到了两面同声鼓。 所以 严格说来, 盲人听鼓问题的答案是否定的。但是,对这个问题的研究启发了我们。当不能用眼睛直接观测时,以耳代目也能够获得关于物体形状的很多有用信息。举一个生活中的例子, 夏天人们挑西瓜, 总是 把瓜放在耳边,用手拍一拍,有经验的人就知道瓜瓤熟不熟。 深海区的石油探测就是应用了类似的原理。勘探地球物理学家希望能够 叩问地球, 用耳朵听出地下的地质构造,从而判断出油藏的准确位置和产量。 图 3. 海上人工地震数据的采集。 图 3是海上石油勘探方法的示意图: 数据采集船上带有气枪 。 当压缩空气被突然释放时,气枪会产生剧烈的爆炸声波。声波向地下传播,遇到构造变化会产生反射、散射和折射。这些回声中携带了地下的地质信息,被海面采集船拖带的检波器接收,记录为地震数据。海底宝藏的秘密就隐藏在这些数据里。 这是一个什么样的数学问题呢? 我们脚下的地球可以用 3 维坐标 来标定,其中 表示海平面下的深度。气枪的在海面的某个位置 爆破,产生的声波按照速度 在地下传播,满足波动方程 在海面的 处,检波器接收到了气枪产生的回声数据 。我们勘探的目的是要从采集到的地震数据 中猜出代表 地质构造的函数 。 举一个最简单的例子,假设深度为 米的地方有一个水平层,声波传播速度是 米 / 秒。如果把气枪和检波器放在海面的 处,气枪发射后经过时间 秒我们听到回声,那么很容易知道 上面的公式里有两个未知数, 和 ,是不可解的。如果我们再做一次实验,将气枪和检波器分别放在 和 处(图 4 ),这时听到回声的时间延长至 秒,而且回声来自同一个地下反射点。根据勾股定理 通过两次实验,我们就可以联立上面的两个方程,同时求出声波速度 和反射界面深度 。 图 4 :常速度、水平层模型可以通过两次实验来确定声波速度和反射层深度。 真正的地下介质不可能是常速度,地质构造也不可能都是水平层。深海石油勘探需要揭示的是深埋地下,历经沧海桑田的复杂地貌,其困难程度可想而知。我们注意到,地下的速度函数 是一个 3 维数据体,而我们接收到的地震数据 却是 5 维的,信息中有 2 维的冗余度。这说明我们对地下的每个反射点做了很多次的声波反射实验,而这些 5 维的实验结果都来自同一个 3 维模型函数 。这样就可以通过数据的多次覆盖来提高对于地下构造判断的准确度。这个思路奠定了勘探数据处理的基础。经过数十年的摸索,地球物理学家找到了一些行之有效的解法。现行的勘探技术主要分为三步: 1. 数据处理 :海上采集到的数据有很多噪音干扰,比如海浪、背景噪声、相邻采集船传来的气枪回声,等等。另外,潮汐现象周期性地改变海水的深度,造成反射时间的偏差错落;气枪的震源效应和海面多次反射的混声也会引起反射信号的畸变 。所以我们要对数据进行整容,使之更清晰、更干净、更可信 。 2. 速度建模 :利用多次覆盖的试验数据来构建一个统一的地下模型。由于反射波的传播时间对速度的短周期变化不敏感,一步到位求解 太困难。退而求其次,我们可以利用数据中的冗余信息构造一个粗眉大眼的近似速度 。这如同绘画,先勾勒轮廓,敷设底色,留待下一步皴擦点染,刻画雕琢 。 3. 偏移成像 :从实践中,人们认识到在现有的方法和条件下,完全求出 几乎是不可能的。必须采取更务实的态度,对 做构造成像。也就是说只需要对速度函数的间断性变化进行比较精确地描绘,就可以提供给地质解释专家很多重要的石油埋藏线索。我们借助高性能计算机的帮助,将地震数据 和初始模型 综合起来进行处理,利用波动方程来推演各种反射信号的来龙去脉,输出的图像就显露出了地下山水的峥嵘面貌 。
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从墨西哥湾的漏油事件谈起 ----反问题在石油勘探中的应用 (1)
热度 2 yuzhang 2010-10-28 00:03
2010年4月20日晚,在距美国路易斯安娜州61公里的墨西哥湾海面上,由BP(英国石油)公司租用的深海地平线钻井平台在从事Macondo油田开发作业时发生爆炸,并引发火灾,11名工作人员遇难。经过约36个小时的剧烈燃烧, 深海地平线于22日沉入海底。两天后,在事故地点出现了严重的石油泄漏,破裂的油井管道每天向墨西哥湾海域倾倒5-10万桶原油(约8000-16000立方米),历时近三个月,造成了极为严重的环境污染。直至7月15日,油井才被成功封堵。这是美国历史上迄今最严重的海上石油泄漏事件,也是本年度的重要焦点新闻。这次事件将对美国以至世界的能源开发、环境保护和生产安全管理政策产生深远的影响。 图 1. 深海地平线 (Deepwater Horizon) 钻井平台发生爆炸并引发火灾。左图:灭火及营救现场。右图:泄漏的浮油污染了墨西哥湾海面。 当关注的焦点聚集到BP公司时,我们发现这个公司在墨西哥湾地区寻找油气藏方面取得了巨大的成功。按照公布的数据,出事的Macondo油田约有可供开发的原油5千万桶(约8百万立方米)。它的名字Macondo来自名著《百年孤独》中那个不幸的小镇,中文译为马孔多。实际上,在BP公司的开发版图上,马孔多只是一个小油田。2009年9月2日,BP宣布在墨西哥湾距休斯顿市东南400公里处发现了巨型油田Tiber。外界估计其总储量可达40-60亿桶,相当于约100个马孔多 ! BP的官方网站上例举了他们近几年在墨西哥湾深海地区开发的重要油田,预测产量都在1.5亿桶至6亿桶之间,包括Horn Moutain(2002年),Na Kika(2003年),Holstein(2004年),Mad Dog(2005年),Atlantis(2007),Thunder Horse(2008年),等等,可谓硕果累累 ! 人们不禁会问:石油巨头们是怎样在墨西哥湾找到这些大油田的?以Tiber油田为例,此处的水深达到1200米,油藏深埋在1万米以下!据古书《西游记》记载,孙悟空在皈依佛门之前曾闯入过建在海底的东海龙宫,取走了龙王的定海神针作为打斗兵器(又名如意金箍棒)。但是至今还没有可靠的证据显示任何人或神仙曾经达到过龙宫以下深9千米的地方。另一方面,深海石油开采的费用高得惊人,即使从事深海石油开发的公司拥有雄厚的资本和先进的技术,也不可能在茫茫无际的墨西哥湾到处打井窥测。以已经开发的Thunder Horse油田为例:它的水上钻井平台有3个足球场大,建筑在海水深度约为1800米的海面上。据估计BP等公司投入该项目的建造费用高达50亿美元!投资的高风险要求对资源的定位和估算有一套较准确的科学方法,尽量减少决策失误。所以深海寻宝既是与大自然的经济博弈,也是极具诱惑力的智力挑战。
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科研转型有点痛
liuwenwhut 2010-10-18 21:01
中午毫无休息之意时写的学习心得,有点少年不识愁滋味,为赋新词强说愁的味道;作为一个刚进入科研学习之门的硕士生来说,是不存在科研转型这一说法的,还请各位老师同学批评指正,提出一些建议供我们广大同学共同学习参考。 之前近两年的时间主要做关于数学理论方面的研究工作,算是在数学物理反问题领域刚刚跟导师进了门,期间也一直在思考数学理论与工程实际相结合的突破口在哪里。后在航运学院做过近一年的工程应用,但由于自己在这方面专业背景的缺失,工作做得不甚理想,期间也会感受到纯理论思维向纯工程应用转换的痛苦,但也收获颇丰。 昨天汇报的失败也是自己在转型这一过程中所必须要经受的痛苦,也是自己不甚用功的表现。之前的思考主要将反问题与图像复原这一典型病态问题结合起来,即基于正则化理论如何快速并稳定地复原得到高质量的图像,但这一问题明显脱离实际,是典型的一类纸上谈兵问题。虽然在模型的构建与求解上有着数学的美感,有关算法收敛与收敛性的分析让自己欣喜若狂,期刊论文的发表看上去并不是一件太难的事情,但如果考虑到我们今后并不一定会进高校或是科研院所的可能性,我的智商也不足以去“玩弄”高深莫测的数学难题,以及我们所做工作在一定程度需立足于社会需求的假设,那么我们所要考虑的问题就是我们所做的东西是否存在真正的价值(理论与应用)。于是在这一夹缝中,我选择了图像处理作为突破口,但图像问题的处理不是我们所想象的那么简单。 之前在理工接触过很多做图像处理的老师,但从那些工程问题中我看不出数学的美,或者认为数学系的人来做一件没有数学美的工程应用问题到底有什么意义?而且事实是,没有真正数学内涵的工程问题其实是没有多少应用价值的(后面会有些影子)。不可否认,有时我也会感受到经费问题所带来的困惑与烦恼(幸好我研一申请到了1万的科研经费2010.1-2011.1),那么在科学研究中解决这一现实生活实际问题的可行性有多高呢?所以,我追求的科研目标是能在有着实际背景的工程问题中体现数学的美,并且优美的数学知识体系能够在一定程度上解决工程问题。 当然,现今我是没有资格来讨论数学的美的,我虽出于数学系,但却属于典型的数学门外汉,我只会在自己的异想空间中来妄断数学。 这个我所假设的完美结合让我设想、并尝试了一年,期间也会给一些大牛发邮件说下心中的困惑,很幸运有时会得到他们的指点。 后来有幸申请了科学院的访问学生,主要解决的问题也是属于图像处理的范畴,或者更严格的说应该是计算机图形学。在经过了近2个半月的徘徊与摸索之后终于寻找到了自己真正所要解决问题的所在,在这一眼花缭乱的寻找过程中,我也意识到之前所接触的图像处理工作是真正的“小儿科”,并没有多少真正的应用价值,或者说那些东西在至少10年前已被人解决,这也是为什么政府和企业(部分)常被高校与研究所(部分)忽悠的原因所在。在这一过程中,我怀疑自己是否具有做科研的潜质或者说眼光,也怀疑自己到底理解了老师的话没有,我想自己应该是有点操之过急的。很幸运自己在这一痛苦的搜索过程中找到了这个领域的前沿方向(应该是科学院老师很早以前就和我说过的,只是当时没怎么明白,经过一番文献阅读才真正体会与明白了),但问题又出现了。 我把在Inverse Problems的阵地转移到了Image Processing(我有个Inverse Problems and Image Processing的QQ群),又是一阵痛苦的开始,昨天老师与我同时难受的过程就是这一阵痛的前奏。当然不管出于什么原因,只要是汇报的工作没做好,那么最重要的问题就在于自己,其他的因素都是其次的。以前我主要做算法设计的工作,并不会去考虑问题形成原因的物理背景所在;而现在绝不部分工作就是问题成因的建模分析,但对于计算机图形学与机器视觉专业课程知识的不足,自己在这一过程中非常被动,一些专业词汇的翻译错误导致在交流时不得不使用一些英文单词,使得这一交流过程存在非常大的问题。我非常佩服论文作者那牛XX的建模能力,与运用数学公式表示问题的能力,这一点是我们非常难做到的(也是亟待培养的能力),这个对问题的抽象描述与合理假设正是我的薄弱环节所在,而导师当初招我很可能在一定程度上便是基于我数学建模的能力。但实际问题与我们之前所认为的工程问题存在很大的出入,不仅这一建模系统太过庞大,而且还需考虑更多的影响因素。更要命的是,往往别人的论文我们可以看懂,但是里面的算法我们却没有办法实现,这是国内大多数科研院所面临的问题:就是科学问题的研究没有延续性,换人之后什么都是从头再来,独立作战,没有办法与国外的研究团队抗衡,这也在一定程度上可以解释为什么国内一些学生在国外可以马上发相当牛XX的文章,而一旦回国之后有相当长的一段休眠期或只有一段的火山小规模爆发期。 还是回到我这一比较自私的话题,科研转型的阵痛。我不知道自己会在这一过程中会收获多少,或者对今后人生规划会有多大影响,均不得而知,但既然选择,便会义无反顾地前行。不知道其他换方向的同学和老师是否曾经经历过这一过程,就我所知:曾经越美越顺利的东西,那么在今天选择放弃就会带来更多的痛苦与无奈。所以我在研究这一问题累或者不想看饿时候也会迫不急待地看看以前那些关于TV-Based图像处理与Iterative Regularization Methods的文章,我不忍心放弃,至少我还很喜欢。但有一天,我不知道是否有那一天或是哪一天,我会在悄无声息中埋葬他们,那些曾经也给我带来过无数痛苦的东西。 人生的选择有得必有失,有失必有得。就像在周耀旗老师博客上看到的那句话一样 :不要考虑太多一时得失,很可能是失,失也会变成得。你不可能马上就知道它真正意味着什么高兴或者痛苦一天就好。继续做你想做的,只有时间才会让你慢慢品尝出来它的真谛是什么! 我还会坚持地走下去,哪怕遇到更多的困难,或是经历更多的失败,那都无所谓,因为我们还很年轻。学习还需静下心,仔细想想问题的所在,一切的不成功与不顺利,都应归结于自己的不努力与学习方法的错误,而不应该是问题的困难或者其他外部条件所导致的。 前些天在网上看到一份由台湾省(他们称之为“国”)信息学门教授起草的图学领域学门规划,针对目前台湾与世界在这一领域中的科研进展与展望 ,就计算机图形学中各个领域的关键研究课题、一般性研究课题与已发展成熟之研究议题进行了总结归纳,很幸运自己所要解决的问题属于关键研究课题一列,当然压力也很大,每时每刻起,要更加地努力,以年轻的名义! http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=359726 图学领域学门规划
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漫谈反问题及一些题外话
热度 2 yuzhang 2009-3-1 07:58
这篇漫谈是十二年前与我的导师合写的,发表在《科学中国人》上。那时博士刚毕业,说不上对学科有什么深刻的理解。后来出国了,几乎没有用中文写东西的机会。这次开博,先拿来凑个数。在我看来,有价值的科研工作很多是在做反问题:还原真相,倒果求因。反问题的求解经常是病态的,确实有些地方说不清。但是毕竟是科学,能说清楚的地方要明晰透彻,说不清楚的地方也不能自欺欺人,能做到这点都算不容易了。 漫谈反问题 张关泉 张宇 1. 耳 朵能听出鼓的形状吗? 有这样一个有趣的问题:仅仅通过鼓的声音能否判断出鼓的形状?即所谓的盲人听鼓问题。据了解,问题最早由丹麦著名物理学家 Lorentz在1910年的一次讲演中提出,它的背景来自于射线理论。 以耳代目,可能吗?生活经验告诉我们这是有一定道理的。例如,当物体的材料确定后,它的音调的高低和其形状密切相关,有经验的人不难发现它们之间的某些联系。现在这一问题摆到数学家面前,势必得到一番认真的研究。 一个物体的音色可以由一串谱 来确定,它们在物理上对应着物体的固有频率。盲人听鼓即是要求通过已知的谱来确定一个鼓面的形状。经过近一个世纪的研究,数学家们使用了许多深奥而巧妙的数学手段,现在这一问题已经解决,答案是否定的。但是,从鼓声中我们确实能得到相当多的形状信息:我们能够听出鼓的面积有多大、周边有多长甚至鼓的内部是否有洞、有几个洞,而且数学家一一给出了计算公式。例如,鼓的面积A可以由小于 的谱数 求极限确定 问题解决的最后一步是新近才得到的, 1992年Gordon等人构造出了两个同声鼓,它们的形状不同,却有着相同的音调,单凭耳朵无法给出鉴别!我们看到,通过数学家的努力,使人们对于这个生活中的普通问题有了透彻的理解。 盲人听鼓问题的研究至此告一段落,然而类似的饶有兴味的数学问题还有很多很多,它们来自生产生活的各个领域,向数学家们寻求解答。这些问题在数学上可以归属于一门新兴的分支-反问题。那么,什么是反问题呢? 2. 什么是反问题? 顾名思义,反问题是相对于正问题而言的。以前面所举的盲人听鼓反问题为例,它的正问题就是要在已知鼓的形状的条件下,研究其发声规律,这在数学物理历史上已经研究在先,而且比较成熟。此时鼓的所有谱都能通过一套算法利用计算机算出来。如何区分某个问题的正反?这并没有一个严格的标准,但是我们可以粗略地这样理解:世间的事物或现象之间往往存在着一定的自然顺序,如时间顺序、空间顺序、因果顺序,等等。所谓正问题,一般是按着这种自然顺序来研究事物的演化过程或分布形态,起着由因推果的作用。反问题则是根据事物的演化结果,由可观测的现象来探求事物的内部规律或所受的外部影响,由表及里,索隐探秘,起着倒果求因的作用。可以看出,正、反两方面都是科学研究的重要内容。 尽管一些经典反问题的研究可以追溯很早,反问题这一学科的兴起却是近几十年来的事情。在科学研究中经常要通过间接观测来探求位于不可达、不可触之处的物质的变化规律;生产中经常要根据特定的功能对产品进行设计,或按照某种目的对流程进行控制。这些都可以提出为某种形式的反问题。可见,反问题的产生是科学研究不断深化和工程技术迅猛发展的结果,而计算技术的革命又为它提供了重要的物质基础。 现在,反问题的研究已经遍及现代化生产、生活、研究的各个领域。简单的概括不足以说明问题,我们下面具体介绍一些常见的反问题类型,希望大家能够对它有一个概括的了解。 3. 定向设计 工业生产离不开产品设计,如何设计出优质产品使之更好地实现其功能,是关系到厂家信誉和企业生存的大问题。在这方面,从事反问题研究的数学家可以为企业家出谋划策。 事实上,最早的反问题研究就是起源于定向设计问题。我们知道,单摆的等时性只是在小角度的假设下才近似成立。能不能找到一种特殊轨线的摆,使它严格满足等时性? Huygens于1673年提出并解决了这一问题,这种特殊的轨线就是旋轮线,它的方程为 到了十九世纪,挪威数学家 Abel将Huygens的问题推广为:测出了物体从不同高处落下的时间,如何反求物体下落的轨道?他于1823年给出了问题的解答。 当代工业产品的极大丰富为反问题的研究提供了广阔的用武之地,许多工业设计问题是相当困难的,需要用到高深的数学手段。例如,国外的光学仪器厂家提出:能否设计一种光栅,利用其非线性衍射效应产生出高能量的单色光射线?这就是一个定向设计问题,它要求数学家利用推导和计算手段构造出所需要的曲面(光栅)形状。 定向设计不限于产品,它的应用相当广泛。比如说:一个城市的某条街道车流量 很大,不堪负荷,怎样通过铺设新的路段来进行分流?在军事行动中如何对不同种类的炮火进行分布以达到特定的轰炸效果?这类问题往往涉及各种事物的组合、分配、布局,要求在各种相互制约、相互影响的因素中寻找出最佳方案,为领导的决策提供依据。 4. 物性探测 给你一只管子,不允许直接进入内部测量,你能算出里面的形状吗?如果管子是轴对称的,这时只需要知道内部的截面半径就可以了。美国贝尔电话实验室的 Sondhi和Gophinath提供了一个方法:在管子的一边发出声音,用仪器测量管口的位移速度和压力。通过测量结果就可以推知管内的截面半径。理论计算与实验结果吻合得很好。 不要小看了这个例子,它实际上暗示了许多不能直接测量的物性探测问题可以通过类似的间接方法来解决。我们通常说上天入地都是很困难的事情,可是在一些情况下似乎必须入地才能解决问题,比如说石油勘探。石油通常埋在几千米的地下,无法直接观察油田的位置和储量,靠试打井的办法来探测不但费用昂贵(一口井的代价要上千万元),而且效率极低(只能探测到井附近的局部信息)。一个可行的办法是通过地面爆炸向地下发射地震波,同时接收地层的反射波信号。可以想象,地面接收到的反射信号中含有地下的物性结构信息(地层的密度、声速等等),利用数学手段将这些信息提取出来,就可以对地下的油储及其分布作出科学的判断。这很象在夏天人们挑西瓜,把瓜放在耳边拍一拍,有经验的人就知道瓜瓤熟不熟,不需要切开来看,不会破坏西瓜的完整。 类似的探测方法可以应用于许多方面,如:农用土壤分析、地下水勘查,甚至于在考古发现上也有应用。位于三峡库区的四川省云阳县故陵镇有一个大土包,相传为楚国古墓,但是历经三千余年的变迁,已经难以确认了。科技工作者在地表利用地震波法、高精度磁法、电场岩性探测和地化方法四种手段进行探测,不但确认了古墓的存在,而且得到了关于古墓的埋藏深度、形状、大小甚至墓道的准确信息,为抢救和保护文物作出了贡献。 5. 扫描成像 在前面讲到的 Abel反问题中,如果把下落的物体用扫描射线替代,从另一个角度来看它为我们提供了从射线的走时响应反推其传播轨迹的方法,将不同轨迹射线的反演结果组合起来就能得到传播介质的内部形态信息。本世纪初,Hebglotz和Wiechebt 应用 Abel型反演方法解决了在一定对称条件下通过地震波的走时曲线来反推地层内部形貌的方法。据此Mohobovic(1909年)发现了地壳与地幔之间的断层。现在,利用地震波的接收信号通过成像来考察地层地貌形态已经成为地球物理勘探最为重要的手段。例如,通过走时成像,可以得到地震波在不同深度的传播速度;而在已知速度的前提下,利用声波方程或其单程波方程偏移成像方法,又可以得到反射界面的位置和形状。 成像的另一个重要应用是医学上的计算机层析成像( CT),这是X光射线自Roentgen发明(获1900年诺贝尔奖)以来在医疗诊断上的重大进展,其发明人Hounsfield和Cormack因此获得了1979年的诺贝尔医学奖。CT技术是医学、电子技术、计算机技术和反演数学相结合的产物,它利用计算机来对穿越人体的X射线信号进行处理,来重建体内的结构信息,生成透视图象供医疗诊断参考,其核心算法的数学基础是二维Radon变换。继之而起的是基于三维Radon变换的核磁共振成像,在诊断效果和无伤害性方面更为优越。事实上,类似的方法也可以借助于声波、光波、电磁波在无损探伤、雷达侦察、射电望远镜探测、环境监测等多方面有广泛应用。 6. 逆时反演及其它 在科学研究中,我们经常遇到这样的问题:知道了某个事物的现在状态,希望了解它的过去,即通常所说的恢复历史的本来面目。这往往可以提为逆时反问题。当然,反问题研究不是历史学,它所研究的对象一般要满足某种类型的演化方程或数学模式。例如,通过远程测得的某次爆炸产生的辐射波,如何确定爆炸的位置和初始能量?这是波动方程的逆时反问题;又如,根据近来的温度变化能否确定过去某个时间的温度状态? 这就成为热传导方程的逆时反问题。 前面介绍了反问题的几种类型,它们在研究和应用上经常是相互联系的,分门别类只是为了叙述方便。另外,反问题与其它数学学科之间并没有一个严格的界限,而是互为补充,互相促进。反问题的研究起源于数理方程,其反演算法中包含了微分方程数值解法、最优化方法和概率统计等方面的许多思想和技巧。另一方面,反问题的研究也促进了人们对世界的认识,使得研究更全面、深化。一个著名的例子是反散射方法在孤立子发现中的作用:反散射问题是量子物理学研究中的一个问题,通过谱和谱函数在无穷远处的散射性态反推一维 Schordinger方程的位势函数。它由前苏联数学家Gelfand 和 Levitan(1955年)一举解决。在此基础上引发了一系列突破性进展,最为著名的是 利用这个结果 Lax(1968年)得到了关于KDV方程的巧妙解法,从而发现了非线性方程中的孤立子现象。这是近代非线性科学研究的重要事件。 7. 反问题研究的难点及对策 与正问题相比,反问题的研究起步较晚,发展还远不成熟。从本质上来说,反问题的研究的难度一般比相应的正问题要大。这是因为反问题的求解往往违背了物理过程的自然顺序,从而使正问题中的许多良好性质不再满足。这种现象在许多学科的研究中都是普遍存在的。比如说:曹雪芹创作了古典名著《红楼梦》,这是人所共知的,但是要从现存的史料和文物碎片来恢复这位伟大作家的人生经历和创作历程则是一件万分艰辛的事情,更何况这些碎片信息真伪交杂,且时有含混。反问题的研究也经常遇到类似的困难,这些困难体现在: 1. 存在性:我们要求的反问题的解很可能不存在!无解的原因多种多样,可能是在定向设计中问题的提法不合理,也可能是探测时接收到的响应中含有假信息(噪音),将求解引入歧途。 2. 唯一性:有的反问题的解虽然存在,却不唯一,有几个甚至无穷多个。这是因为收集到的信息不够,不足以确定解的性态。对大多数反问题(比如探测问题)来说,真正的解只有一个,这就要从许多解当中进行挑选,去伪存真,颇费周折。 3. 稳定性:利用计算手段,由接收信息来反演物质的结构和特性是反问题研究的重要内容。可是实际的接收响应中不可避免地含有噪音,计算过程也有累积误差。这种微小的误差会不会导致反演结果面目全非?研究表明,相当多的反问题正是具有这样的病态性质!热传导方程的逆时反问题就是一个例子。热力学第二定律告诉我们,热传导是一个不可逆过程,它的反问题求解是高度病态的。为了解决温度的逆时反演,就不得不冒这种差之毫厘,谬以千里的危险。 存在性、唯一性和稳定性,三者之一不满足就称为不适定性问题。用传统的眼光来看,这样的问题是不值得研究的。正是反问题的研究开阔了人们的视野,认识到这样的问题是大量存在的,而且有着重要的研究和应用价值。 如果一个问题的解不存在、不唯一、不稳定,那么求解得到的结果可信吗?这是反演工作者必须面对的问题。解决的办法是有的!奠基性工作是由前苏联 Tikonov等学者提出的解决线性不适定问题的正则化方法。方法的主要思想是:利用对解和数据误差的先验估计可以将问题的求解限定在某个较小范围内,对问题的提法进行适当的改造后,原本不适定的问题就可以转化为适定的最优化问题求解,而且先验估计表明在一定精度下用正则化方法求得的解是合理的。这比如猜谜:后,打一人名,无从猜起。如果限定打《红楼梦》中一人名,范围缩小了,可以用书中601个人物(有的书中没有交代 姓名)逐一比较,最后选出最优的答案-王夫人。 充分利用各种合理的先验信息对问题作适当形式的转换,是反问题求解的重要方法,在实际生产中经常要用到。拿地震波勘探为例,限于技术原因,地面接收的信号噪音很大,信息残缺不全,完全的反演是很困难的。为了满足生产的要求,必须尽最大可能恢复出地下的结构形态。这时,多种反演方法并用是一个可行的办法;如果在目的地有一口油井,那么可以把井下的信息作为局部约束来校正反演结果;为了计算的稳定性还必须使用一些特殊的数学技巧。这样得到的反演结果与资料解释人员的经验结合起来,可以对油田的决策与发展提供参考依据。 除了前面提到的不适定性以外,反问题的研究与应用还经常面临非线性的困扰。即使正问题是线性的,它的反问题也往往表现为非线性,这为反演的研究和计算带来了很多麻烦。为了求解非线性反问题,通常要线性化后反复进行正、反演迭代,在高维情况下将导致十分巨大的计算量。我们知道,一个效率低下的算法在生产应用中将导致时间和人力、物力的极大浪费。所以反问题的计算效率也是一个非常重要的课题。它要求计算数学工作者从实际应用出发,充分研究问题的性质和特点,构造出精巧、快速的算法以适应生产的需要。 反演问题有着特殊的困难,它向我们提出了许多在认识论、方法论中富有挑战 性的课题,深化了对客观现象的理解。反问题的研究确有它独立的价值。 8. 发展和展望 反问题研究的兴起不过是近几十年的事情,它主要的研究对象是涉及与探测、识别和设计有关的应用问题。实际生产的迫切需求是推动这一学科迅速发展的原动力。 1987年,以反问题、反演方法和数据反演计算为主要内容的专题杂志Inverse Problems创刊,标志着反问题的研究走向独立和成熟。世界上每年都举行各种形式的反问题研讨会,得到了数学、物理、工程技术等多方面专家的响应。需要指出的是,在国外对反问题研究的资助不仅来自于科研和工业部门,还得到了国防部门的有力支持。 我国的反问题研究自八十年代初由冯康先生首倡,在实际问题的推动下,先后在中国科学院、哈尔滨工业大学、山东大学、中山大学、南京大学以及石油等工业部门多家单位取得相当数量的理论和实际应用成果。 近四十年来计算技术的飞速发展大大增强了数学工作者在自然科学、社会科学和工程技术等广阔领域的参与能力,反问题正是在这样的背景下应运而生的交叉性学科。它的生命力源于实际应用的迫切需求和反演工作者卓有成效的工作。反问题的出现为传统数理方程的研究开辟了新的疆域,也为数学家参与实际生活提供了新的切入点。应该看到,反问题的开展程度与工业和国防的现代化、科学技术在产品中的含量有着密切的关系。我们期待着这一新兴学科在国内能够健康地发展起来,为国家的经济建设作出它应有的贡献。
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《张关泉先生论文集》序
yuzhang 2009-2-22 04:51
这篇序言写于先生70岁生日前,几乎是一气呵成,也颇得先生首肯。后来扩充为传记提交《二十世纪中国知名科学家学术成就概览》丛书。但是我个人还是喜欢序言的写法,比较可以直抒胸臆。多数科研人员的黄金时间是30-40 岁。但是由于十年文革的蹉跎,张老师的主要学术成果都是在28岁之前和40岁之后作出的,他的成就得益于学术上的早熟。每当为前辈作传,总是感觉笔很重。怎么说呢,人生几十年,盖棺定论不过区区数千言。每个人回首 自己的学术经历,究竟能拣出几件有意义的工作、几点有价值的思想?用事实写成的历史是不会欺骗人的。 《张关泉先生论文集》序   这本论文选集是张关泉先生从事计算数学研究近五十年来的工作总结。先生是计算数学界成绩卓著的专家学者。自年轻时与这门学科结缘,五十年来无论世道沧海桑田、际遇荣辱困病,他始终孜孜以求,乐之守之。“文章千古事,得失寸心知” 。先生天分既高,用功且深,在学术上独具匠心。文集中遴选了他在不同时期的多个应用数学领域的前沿性工作,其份量不可谓不厚重矣。   张关泉先生于1937年7月3日出生于上海,父亲是一名高级技术工人,母亲是一位慈爱勤劳的家庭主妇。在他的童年和少年时代,整个中国经历着内乱与外患的动荡。先生依稀记得他在动荡中接受了小学教育,算术学得懵懵懂懂。为了让他顺利地升入中学,哥哥聘请了一位同学为他辅导功课。不知怎的,他感觉脑子豁然开朗,从此数学就再不与他为难了。   进入中学以后,先生在数学和物理的学习方面表现出超人的悟性。先生曾说:“很多数学、物理的定理、定律在我看来很容易理解,可是对于别的同学却很难。他们来问我,我解释给他们,他们一听就懂了”。其中的一个例子是光学的折射定律。先生的解释是:考虑一辆车从土地开入沙地,以倾斜角度进入分界处,由于左右两个轮子在不同的介质中,速度不一样,车子必然要转一个角度再继续前行,所转的角度正好满足折射定律。复杂的问题在先生看来竟如此简单。   高中毕业时,中国已经经历了从国民党时期向共产党时期的政权更替。新政权伊始,百废待兴。1956年,由于数学、物理方面的出众成绩,先生被国家选送到前苏联留学。在基辅大学学习一年后,转入国立莫斯科大学数学力学系学习计算数学。莫斯科大学数学系有着悠久、深厚的数学传统,门派林立、高手如云,先生在这样的学术环境里学习如鱼得水。1961年6月,他以全优的成绩获颁特殊优等生数学学士学位证书。本文集中所选的第一篇论文“论数值求解热传导方程的最少结点问题”就是他在莫斯科大学的本科毕业论文,于1962年发表在前苏联的《计算数学与数学物理杂志》上。这是国际上较早的有关数理方程计算复杂性的研究成果。1965年11月至1967年6月,先生再次被国家选派到法国巴黎大学理学院的Poincare研究所进修应用数学。在那个年代,整个中国处于对外的政治、经济、文化封闭状态,先生两次获选留学海外,可谓是时代的幸运者。   1961年大学毕业后,先生加入了由冯康先生组建的中国科学院计算技术研究所第三研究室(计算数学研究室),担任实习研究员。这是中国计算数学的初创时期,风云际会。作为一代宗师,冯康先生延揽了当时国内计算数学方面的许多优秀人才开展计算数学的研究,取得了包括有限元方法在内的一系列重要成果。在这个科研团队中,先生主攻计算流体等的初边值问题计算方法,被公认为科研方面的佼佼者。他的早期研究解决了几个有重要应用价值的计算物理问题,具有原创性和先进性,突显了将计算方法与物理意义融会贯通的个人风格。这一时期具有代表性的研究成果包括: 激波计算:先生于1964年发表了能量守恒的自动偏心计算格式,这是国际上最早的迎风格式之一。先生所提出的格式实际上是一种线性Godunov方法,对沿空间方向的一阶导数项采用中心差分。为了保证物理量沿特征方向的固有性质,他设计了一个附加二阶导数项,并且巧妙地构造了其系数矩阵,使得该格式具有按照激波的传播方向自动偏心的功能。类似的方法在空气动力学计算中起着重要作用。 不适定性问题:飞行器钝头体的头部流场计算中的不稳定性问题是60年代航天技术亟需解决的重要课题。先生认识到不稳定性是由于计算导致的非物理性质造成的,解决的关键在于控制计算中的舍入误差。由此入手,他系统地研究了不适定初值问题的性质,构造了有关的差分格式,并证明了不适定问题收敛性的等价定理。他于1965年发表了“三线定理”等论文 ,在理论上论证了这类问题计算的可能性。这一成果被国内同行广为引用。类似的定理在国外由S. Agmon和L. Nirenberg于1967年发表。   正当学术研究的黄金时期,先生的学术生涯却出现了十多年的断档。本选集自1966年至1980年空缺,这从一个侧面反映了十年文革浩劫对文化界、学术界的深刻摧残。在文革中最左的一段时间里,先生随研究所的全体研究生到包头市的一家工厂下放锻炼。作为学术骨干,先生受到特殊照顾,免除重体力劳动,在操作台开轧钢机。在研究工作处于停顿的同时,家庭生活也困难重重:先生与师母程凤珍女士分别工作在北京和福建,长期两地分居。儿子张健则寄养在上海外婆家。先生曾回忆70年代中,他利用在上海出长差的机会,不厌其烦地陪张健在黄浦江上坐渡船。那时张健还很小,在船上欢呼雀跃,乐此不疲。先生与幼子团聚固然欣慰,但是望着奔流不息的滔滔江水,内心深处却异常苦闷。先生讷于政治,在那样一个错乱的年代只能选择沉默、逃避。但是作为一个事业上有追求的学者,时逢壮年而才华无处施展,其痛苦可想而知。 文革结束后,被风暴摧打过的中国学术界重新启程。为了留住先生安心从事科研,科学院的领导颇费周折,在政策允许的范围内想出了一个办法:借调先生到中国驻法国大使馆任二等秘书,师母得以外交人员家属的身份将户口迁入北京,从而解决了十年来的两地分居问题!在拨乱反正的年代,这些迟到的人道关怀确实让知识分子倍感温暖。 在文革初期,先生曾着手研究航天工业中的难题──超音速绕流中的身部流场计算。由于飞行器的头部气流速度慢,呈亚音速,而身部气流变为超音速,流线从迎风面绕到背风面的交汇处出现了数值计算上的困难,即背部过热现象。先生从物理概念入手,认为气流沿同一流线的熵是固定的,而不同流线上的熵则互不相同。传统的隐式方法对流线交汇处的气体作了状态平均,从而产生人为的增熵效应,最终导致背部过热的错误计算结果。先生提出的解决办法是区分不同的物理特征,分别用显式和隐式格式进行计算。以后的实践表明,这种创造性的解题思路是成功的。1977年底,先生到中国驻巴黎使馆赴任,他白天忙于处理各种外交事务,晚上身处斗室,不由得回想起文革初期未完成的工作。先生由特殊而进入一般,将显、隐式计算问题抽象为常微分方程系统的两点边值问题。在没有任何参考文献的情况下,他夜以继日,在使馆中开始了一个人、一张纸、一支笔的独立研究工作,终于得到了求解两点边值问题的通用算法。他将科学工程计算中广泛应用的著名的 “不变嵌入法” 和 “追赶法” 纳入了统一的理论框架,非常一般化地解决了这个困难问题。成果于稍后发表在《计算数学》(1981) 上。他的成果比著名学者H. B. Keller等人在1982年发表的结果更为普遍。由于先生对科研工作如此的痴迷,也由于冯康先生的极力要求,科学院实在不忍心按惯例让他在使馆完成四年的任期,于是提前于1980年初调他回到科学院专心从事计算数学的研究工作。这就是学生中所传说的 “张老师的外交官生涯” 。   80年代初,冯康先生倡导计算数学与工业界相结合,并且建议关注反问题的研究及其在能源方面的应用。1983年,先生受命组建“地球物理勘探问题计算方法研究组”,转向从事 “数学物理方程反问题” 这一全新领域的研究。通过与马在田先生等地球物理界专家的交流,先生学习了利用地震声波反射信号来进行地层成像的偏移算法。偏移计算是地震勘探数据处理中的重要计算环节,其目的是按照地震波的传播规律,对地面地震记录进行计算加工,得出地下构造的图像,以确定地下油气资源的储层。由J. Claerbout在70年代所开创的单程波偏移技术具有处理大变速介质成像的能力,但是当时的算法只能对小倾角地下构造进行偏移,这极大地影响了复杂地下构造的成像结果。先生敏锐地感到,单程波方程的理论基础是20世纪60年代所发展起来的拟微分算子理论。由此结合马在田先生所提出的分裂算法,他于1985年前后系统地构造了“大倾角差分偏移算法” 。该研究成果后来发表在Geophysics (1988) 上。先生所提出的算法只需要在传统软件的基础上略作修改,就能够精确地处理任意小于90倾角的构造,这在当时是非常先进的。该项成果曾获1986年国务院原电子振兴领导小组组织的全国计算机应用展览项目评比一等奖,1986年中国科学院科学技术进步一等奖,以及1987年国家科技进步二等奖。由此方法所编写的软件自80年代起就在石油天然气总公司地球物理勘探研究院等多家石油、地矿单位的处理系统中运行。   在短时间内,先生从勘探地球物理的外行变为内行,并且很快进入科研的最前沿,成为中国地震资料偏移技术研究方面的重要代表人物。先生在叠后偏移、叠前偏移、倾角校正、纵横波场分离、吸收边界条件等多项技术方面均有独到贡献。究其原因是先生对问题的物理背景有清楚的了解,并且做出了系统的理论奠基工作。先生从拟微分算子的理论出发,推导出了等价于经典声波方程的单程波耦合方程组,从数学上清晰地阐述了波的传播、反射、透射现象,也为单程波方程的应用提供了坚实的理论基础。同时,他对波场分解中起重要作用的平方根算子做了精细的构造,提出用微分、积分方程的解算子来进行表示和逼近,从而摆脱了计算拟微分算子所要求的苛刻条件。他总结这方面的研究心得,撰文“多维波动方程的上行波与下行波耦合方程组” ,于1993年发表在《应用数学学报》上。这篇中文论文处于应用数学与地球物理的交界地带,长期被人忽略。但是,有价值的工作是经得住时间考验的。随着石油勘探的深化和计算机技术的发展,地震波资料处理逐渐从叠后时间偏移向叠前深度偏移过渡。跨入21世纪之际,单程波有限差分偏移算法重新变为叠前深度偏移的热门话题。在2001年的SEG(勘探地球物理协会) 的年会上,来自BP石油公司的J. Etgen指出了单程波方程偏移方法亟待解决的三个问题:1) 90倾角限制;2) 真振幅问题;3) 反射角共成像点道集的计算与输出。五年之后,上述三个难题先后被突破。其中前两个问题的解决都是基于先生所创立的上、下行波分解理论 (张宇等,Geophysics, 2005; Geophysics 2007;EAGE, 2006)。随着这些研究成果在国际上多次获奖,先生创立的理论在国际地球物理界产生了广泛的影响。自2001年起,先生长期担任中国石油天然气总公司物探局和美国前Veritas公司的科研顾问。他多次出访美国,均受邀到众多公司进行学术交流。在数学界,一项理论工作能得到工业界的如此关注是不多见的。先生的“应用数学家” 称号是名符其实的! 先生从地震波勘探问题入手,对波动方程反问题进行了深刻、系统的理论研究。1988年发表于《中国科学》上的论文“一维波动方程的反演问题” 以及其后的一系列研究工作完满地解决了一维波动方程反演的理论和算法。与国外专家的工作不同,他采用L 1 模来刻划反演的难度,并构造了多种高效率的算法。此后又将这一工作推广到一维弹性波方程的多参数反演。在高维情况下,波动方程反问题表现出非线性和不适定性,理论和算法上遇到很大困难。通常的方法是将问题改写成最小二乘意义下的优化问题求解。但先生认为这种万能妙药式的方法完全不顾问题的内在物理特性,是在算“一笔糊涂帐” 。他提出用波场分裂思想来构造算法,物理意义明确,计算稳定,效率高,具有独创性,很值得进一步研究和深化。 先生在科学研究方面有大志向,对学科的基本问题和难度有深刻的认识,科研工作的推进总是有条不紊、举重若轻。他曾经解释他为什么从波动方程入手进入反问题研究,原因在于正演和反演乃是一对矛盾。一般来说,正问题愈容易,则相应的反问题愈困难。对于传统的正演问题,椭圆型方程和抛物型方程有比较简单的数学性质,研究上比较容易。而以波动方程为代表的双曲型方程则无论在理论和计算上都比较困难。反问题的研究恰好相反。研究椭圆型、抛物型方程的反问题就如同和一个喜怒不行于色的人打交道,很难从他的外在表现判断其所思所想。而反演双曲型方程则类似给病人切脉诊病,虽然困难,却还有迹可寻。先生以波动方程反问题为立脚点,潜心耕作,收获颇丰。与此同时,他也尝试研究更为困难的其它类型的反问题。他与刘钧、李树勇、许作良等合作完成的关于反演介质渗透率的工作是一个椭圆型反问题。先生采取了构造性算法,将问题解决得干净利落。之后,他又与李沛军合作,完成了一项在金融期货交易方面有应用价值的抛物型反问题的研究工作。反问题是新近兴起的一门数学分支,大多有着实际的工业生产背景。它根据事物的演化规律,由可观测的现象来探求事物的内部规律或所受的外部影响。先生从事反问题的研究二十余年,在数学的天地里倒果求因,索引探秘,想来得妙趣处几近禅机。 纵观先生的科研工作,可以说他总是迎难而上,循其自然,独辟蹊径。先生从事计算数学研究四十余年,强调计算数学是一门应用科学,必须与工程实践相结合,不能躲进经典问题的象牙塔中供人观赏。先生身体力行,承担了多项有重大应用价值的科研项目。他虽然在生活中谦和恬淡,在事业上却极富进取心,从不躲避困难,而是勇于担当。“没有真问题就没有真学问” ,正是这些实实在在的、关乎国计民生的实际问题,造就了先生过硬的学术能力!在解决问题方面,先生确有超出常人的才能。这不仅表现在他有扎实的理论基础和分析能力,还在于他有独到的科研智慧。先生每开展一项应用研究,绝不浮光掠影、装点虚饰。他经常强调,解决难题一定要摸准问题的“脾气”,顺着它的“性子”做,不然就会别别忸忸,漏洞百出。我的体会,这个“脾气” 就是问题的物理性质。先生擅长从具体问题的物理背景入手,找到应用问题的困难所在,从而建立起数学与物理联系的契机,构造巧妙而高效率的计算方法。所以先生的大多数研究工作都给人以明白、流畅的感觉。此外,道由技进,先生并不满足于具体问题的解决,他还将问题和解法一般化、抽象化,获得系统而深刻的理论和方法研究成果,反过来指导进一步的研究方向。如从头部流场的计算到不适定性问题的算法构造,从身部流场的计算到常微分方程组的两点边值问题的研究,从单程波偏移到耦合上、下行波场分解理论等,他所完成的理论工作都有着高度的概括性和明确的应用指导意义。 先生淡泊明志,平易近人。在学术上实事求是,从来不虚张声势,更不会抬己抑人。在复杂的政治环境中,他不投机,不倚傍,不随人俯仰。在同行中,先生口碑极好。先生疏于交际却精于钻研,在学术讨论时思维非常敏捷。无论在任何场合,一旦涉及到先生感兴趣的技术问题,他立刻谈锋转健,滔滔不绝,让人应接不暇。回顾师从于先生的十六年经历,我感到先生对日常事务的应对方式总是平平常常、实实在在,他既没有张扬的个性,也没有流俗的习气。而另一方面,先生的工作却不乏奇崛和瑰丽之处,即使其中的碎金屑玉,也让就教者获益匪浅。先生愚耶智耶,或莫可知。 先生与师母散聚离合,伉俪情深。师母善良贤淑,总是一团和气。80年代中,先生长年过度劳累,积劳成疾,数次胃出血,几乎与死神擦肩而过。多亏从医的师母长达数年的悉心照顾、调理,才逐渐恢复健康。先生的学术生涯能延长至今,师母功莫大焉。先生自幼受家庭熏陶,雅好美食。师母精于烹饪,做的一手道地的上海菜。夫妻相得益彰,和谐美满。 先生自1978年12月受聘为中科院计算中心副研究员后,1986年6月晋升为研究员,博士生导师。近三十年来,先生先后培养硕士、博士研究生二十余人。先生视学生如子女,和蔼宽厚;传道授业,从无保守。受先生的科研风格影响,他的很多学生先后进入工业界,供职于各大石油公司、石油服务公司从事应用研究和工业软件开发,如刘超颖(东方地球物理公司)、汪道柳(CGGVeritas)、刘法启(Hess)、周洪波(Repsol)、张宇(CGGVeritas)、单国健 (Chevron)、崔兴福(中石油勘探开发研究院)等,他们的工作在国内外地球物理勘探界具有一定的影响力。先生为地球物理界和应用数学界培养了众多人才,在国际上,“张家班” (Zhang’s Group) 颇得工业界好评。 2007年7月3日是张关泉先生70岁华诞。值此之际,他的弟子们希望为先生编辑一本论文集以志纪念。先生欣然应允,亲自审定文章篇目。除编选先生经年的得意之作外,他还特别关照尽可能将他与每一位学生的合作文章选编入集。先生珍视师生缘分若此。 作为先生的学生,我们深知这本文集的厚重,我们钦佩先生在求索道路上的执着与睿智,我们更努力将先生的学术思想发扬光大。先生到了收获季节,应该感到欣慰与快乐。孔子在70岁进入“从心所欲不逾矩” 的境界,我们谨祝先生和师母健康安乐,万事如意! 张宇 2007 年5月于美国休斯顿
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