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2024年2月28日发(作者:switch case用法数字)

2010 赣南师范学院学报 No.6 第六期 Journal of Gannan Normal University Dee.2010 ・基础数学・ 截断策略下正则化参数的后验选择方法 罗兴钧 ,李玉娟 ,李繁春 ,刘 洋 (1.赣南师范学院数学与计算机科学学院;2.江西应用技术职业学院基础教学部,江西赣州341000) 摘要:基于截断投影方法,构造了求解半正定病态积分方程的Lavrentiev截断快速算法,给出了先验误差估 计,并提出了新的后验参数选择准则,与传统投影方法相比得到了相同的最优收敛率,但内积的计算个数少于传统 投影方法. 关键词:病态积分方程;Lavrentiev正则化;截断投影;后验参数选择 中图分类号:O17 文献标识码:A 文章编号:1004—8332(2010)06—0001—06 1 引言 数学物理反问题中多数问题可以归结为第一类病态积分方程¨ .病态积分方程的数值计算对舍入误差 非常敏感,通常要采取正则化方法,普遍采用Tikhonov及Lavrentiev正则化方法求解 J.正则化方法中正 则化参数的确定是非常关键的,与数值计算结果密切相关.正则化参数的确定有很多方法 ,本文提供正 则化参数快速算法. 由于病态积分方程正则化后是第二类良态积分方程,如何快速求解带参数的第二类良态积分方程,是正 则化技术中具有挑战性的重要课题.截断投影方法早期广泛用来快速求解不带参数的第二类良态积分方 程 ].近期,截断投影方法用来快速求解第一类病态积分方程 .相比较第二类良态积分方程,第一类 病态积分方程的数值计算更复杂,因为涉及到正则化参数的确定问题.现有的截断投影方法文献,多数是求 解第一类病态积分方程,文献[13]采用截断投影方法求解第一类病态半正定积分方程,提出了截断投影方 法,考虑了计算复杂度并给出了先验误差估计,遗憾的是没有给出后验参数选择方法.因此,本文先给出简化 后的截断投影算法,提出了新的正则化参数后验选择准则,证明了近似解达到最优. 2截断投影算法 假设E是d维欧氏空间R (d 1)的紧集, 是Hilbert空间L (E),用(・,・)与lI・l1分别表示Hilbert 空问 的内积及范数.假设 : — 是线性半正定紧算子,即对任意xeX,(Ax, )≥0.定义Fredholm积分算 子A Ax(t):=j (s,t) (s)ds=Y(t),teE; (2.1) 士 这里,keC(E×E).以下,考虑第一类积分方程的求解: Ax=Y, (2.2) 即yeX是已知的,而 (t)是待求的.显然,算子A: — 是紧算子.因此,方程(2.2)是病态问题.容易得到算 子4的共扼算子 为 A (t):=I (t,s) (s)ds=Y(t),teE. 士 以下,假设_yE尺(A)且(2.2)有一个最小范数解 ,满足 =A ・ ,ll lI≤P,P, >0, (2.3) 在实际问题中,知道的仅是Y的近似值Y ,且满足 收稿日期:2010—11—12 基金项目:国家自然科学基金资助项目(1 1061001);江西省自然科学基金资助项目(2008GZS0025);江西省教育厅科学技术研究资助项 目(GJJ10586) 作者简介:罗兴钧(1965一),男,江西泰和人,赣南师范学院数学与计算机科学学院教授、博士,研究方向:正反问题计算方法与理论. 

2 赣南师范学院学报 2010 ll Y—Y。l I, (2.4) 由于方程(2.2)是不适定的,要使用正则化策略.本文采用Lavrentiev正则化方法Ⅲ2 求 的近似解 (4+od)x =Y , (2.5) 从(2.5)可以得到 。=(aI+4)一Y .为了得到z 的近似解,必须离散化问题(2.5).以下介绍多尺度 Galerkin离散方法.定义N:={1,2…},No:={0,1,2,…}以及Z ={0,1,2,…,n一1},E={E :i eNo}, E ={E : eZ )}满足 、E J=E,meas(E n Eij/)=0,j,j EzP(f)√≠/,与max{d( J): eZ州))~ ,, 这里对每个非负的 ,E 都是E的一个剖分,而e(i)就表示剖分E 中包含的子集个数,即第i层的剖分数, meas(E)表示集合E的测度,d(A)表示集合A的直径,a~b表示存在正数C ,c:使得c。a b C2a.d是 E的维数,d, 是正整数.假设 是相对于分割E ,次数不超过正整数f的多项式空间,则以下关系成立 U :L (E),X C X ,凡EⅣ0.对任意i eN,假设 是 X = 假设子空间 在X 中的正交补,则有以下多尺度空间分解 , (2.6) o W ① …① 其中,Wo=X。.定义s(n):=dimX 和W(i):=dimWi,则有 s(n)~ 及W(i)— . 的基底是{W : eZ )},这意味着X =span{W :(i, )E },这里,U :={(i,J_): eZ ,i eZ }.假设P 是L。(E)到 正交投影算子.有了这些准备后,现在介绍解(2.5)的投影算法.关键 是如何选择4 作为A的近似,其选择决定了精确度和算法的复杂性.传统Galerkin全投影方法 选取A = P, AJP ,需要进行大量的内积计算.文献[13]提出了截断投影算法,但是投影算法表达式比较繁,项数也更 多,文献[7]提出了一种简便且有效的截断投影方法,即修正的投影方法 =∑( 一 一 )AP (2.7) 这里,P一,=0.相比传统投影方法,这种投影方法可以通过更少的内积计算达到相同的最优收敛率.此时, 求解正则化方程(2.5)变成寻找 :∈ 使得 ( + ,) =P Y , (2.8) 以下指出,改进的截断投影算法(2.8)会导致快速算法,即计算量减少了.为了把方程(2.8)写成等价的矩阵 形式,利用 的多尺度小波基底{W :( , )eU ̄},(2.8)的解表示成 =∑XqW E 为方便起见,引入 向量X :=[ :(i, )eU ] ,fn::[(W , ,,Y )],以及矩阵 E :=[( ,,,,wij):(i , ),(i,.,)E 】 , A :=[A :( ),(i, )]eU , ; (2.9) (2・这里, A , , {。(w其它, + it,Aw ’,.1。) 利用这些记号,(2.8)可以表示成如下矩阵形式 (aE +A )X =厂n, (2.11) 由于A 矩阵具有稀疏结构,因而方程(2.11)的求解是快速的.以下分析截断算法的计算复杂度. 引理1 如果截断矩阵 是根据截策略(2.9)和(2.10)选择的,则有 Ⅳ~(n+1) , (2.12) 其中Ⅳ表示求解方程(2.11)要计算的内积数量. 证明 要证明(2.12),只需估计出计算( r,,,Aw )和(W r,r,Y )的计算量.由(2.10)可知 Ⅳ=∑dim WKdim 一 +∑dim ~(n+1) “ 注:如果采用全投影算法求近似解,计算内积需要计算次数是 ,计算量显然高于截断投影算法. 3误差分析 以下估计误差lI鼋 一 l1.为此,假设Hr(0<r<∞)是 的线性赋范子空间,且 _I厂lI =II川+l lDfll,V, 这里D :∥一X是线性算子.假设 

第6期 罗兴钧,李玉娟,李繁春,等截断策略下正则化参数的后验选择方法 3 (H )存在常数c 三1使得Jl(,一P )lI c , (日:)存在常数 1使得l lA I1 +l IA lI +II(D A) Il , 以下先估计误差I l一 l1. 引理2假设条件( 。),(H2)成立,则 lI A—A Il C。(n+1)tx… , (3.1) 其中,c1:=2c 2 . 证明 由(2.7)可知 A—A =P AP 一∑(P 一P )AP 一 : ‘∈Zn+1 ∑(P —P )A(P 一Pn-i)=∑Pi(,一P )4(,一P, ̄-i)P (3.2) 由条件(H ),( )及(3.2)可知 lI 一 I l∑l=l I,一P I lIl a(1一P…)l i∑Il,一P (1 la(I—Pn-i)lI +Il D,a(1~P, ̄-i)lI…)= I ∑Il,一P I I(1 la(I—Pn-i)l1卜 +ll(,一Pn-i)(D A) II…)曼 2c; ∑ 吖“ 吖 d C1 n/xI, (3.3) 其中,c :=2c2 .注意到 A—A =(,一P )A+P 4(,一P )+/4 一 , (3.4) 由(3.3)及条件(H ),(H2)可知 I lA 一A l l2yC rlX +clntx…,d cl(凡+1) I, (3.5) 以下证明要用到熟悉的不等式 ] ll(ol,+ l ,l1( ,+A _ I(3.6) 引理3假设条件(H。),( )成立,0<c。<1,若n满足 ( +1) …/d , (3.7) C1 则 j+ 是可逆的,且 l l¨ }1 ・ (3.8) 证明 由于 ,+ = ,+A 一 + =( ,+A )[,+( ,+A ) ( 一A )], (3.9) 由(3.3),(3.8)和(3.9)可知 (oil+A, ) (A 一24 ) 吉c ≤c。< (3.10) 结合(3.3),(3.9)和(3.1o)可得I J( ,+ ) I fll( ,+A ) lI 1一Il( ,+A ) (A 一 ) 一(1二<一三三 一co) ,以下估计 J 卜4……“  1十 误差II嚣 一 ll,为此,引入 :=(cd+A)~Y,X~n:=( ,+ )~P Y (3.I I) 定理4假设条件(H ),( )成立,若rl,满足(3.7),则 童: 一 1l≤lI 一 Il+ + , (3.12) 其中, …t c } 

4 赣南师范学院学报 2010正 证明易知X~n 一 =X n 一 +元:一 + 一 ,结合(2.4),(3.8)得 II元: 一面:I III( ,+ ) P I II Iy 一 II , (3.13) 由(3.1 1)得 :一 =(al+A )一 P Y一( ,+A)一。Y: (aI+A )一 (P 一I)ax +(aI+An)一 (A—A )(aI+A)一 Ax , (3.14) 由假设( )以及关系式(2.3),(3.1),(3.6),(3.14)得 面:一 “--≤ 竺 y + c -, cly 。, (3.15) (n+1) + 丁 结合(3.14)与(3.15)可知结论成立. 4后验参数选择方法 数值求解方程(2.8),需要给出正则化参数.正则化参数的选择很重要,也是难点.受文献[10]的影响, 但又区别于文献[10],献文[10]采用的是Morozov偏差原理,缺陷是近似解的收敛率不饱和.以下给出修正 的正则化参数后验选择方法,确保近似解收敛率达到最优.为此,引入记号 ( ):= ( ,+A)I1,R ( ):= (al+ )~,△( ):=R ( )y,△:( ):=R:( )P Y . 以下给出改进后的后验参数选择算法: (i)假定(H ),(H2)成立; ㈤擞 ㈣迭代 (a) = =noq , 字 南 :=一{ (n+2) min{L C6,.Co }, 1 J ) [ + ・ (4.1) (6)确定离散层n=n( ,6),使得 (c)计算X~ nm =( ,+A )~P Y ,直至0 实际上△:( )= lI△:( )J I. (4.2) ( )(A X n 一P y ).以下将证明采用算法(4.1)一(4.2)选取的参数 ,近似解收敛率 达到最优. 引理5 假设 满足(2.3),条件(H )和(H2)成立,n满足(4.1),则有 II△ ( )一△(a)I I和 II△( )l l(c +7 )6, (4.3) (4.4) pa , 这 : max{ 及(m ( )一 ,cs)・ + 】I Ia II I II I证明 容易得到△:( )~△(仅)= ( )Pn(y 一),)+m (仅)(P 一I)y+( (0【)一 ( ))y,以 ( ))),: (aI+A ) (A— )(aI+ ) Y+ (al+ )_2( — )( ,+A)_。Y,于是, 由(2.3)'(3.1),(3.6)和(3.8)得到II(毗:( )一{y} ( y Il<[ c。(n+1) ,这里,c,:=【 + A)I2A + ]c .结合以上不等式,有I Ia ̄( )一△( )I l(c + pa . +c,(凡+1) … I P sup (I +t)-2t -__ ・下证(4・4).显然II a( l =l II ,+ 

第6期 罗兴钧,李玉娟,李繁春,等截断策略下正则化参数的后验选择方法 5 引理6假设 = 及n=n( , 是依据算法(4.1)一(4.2)选择的,则存在正数d。,d ,使得 dl8≤Il△( )ll d28 (4.5) 证明 显然II△( )II II△ ( )一△( )lI+ll△:(05 llI由(4.2)及(4.3)可知【l△( )I d2l8,其 =l 2l (OtN,+ 中,d::=c +d+1.以下证明(4.4)左边不等式.假设E 是算子A的谱集,则Il△( ) )一 A II = ( ) d(E , )三:g II△( —t)I ,也就是有 I1I A( )l lq ll△(Ot )I1. (4.6) 于是有II△(O/N)II q I IA( 川)l q(1II△ (O/ )ll—Il△ (Ot )一△( )I1) dl 其中,d。:=(d一 )g . 定理7 设 满足(2.3),条件(H。),(H2)满足,O/=O/ 及n=n( ,8)是按(4.1)一(4.2)选取的, 则对于 E[0,1]有Il嚣 一 Il D(6 ). 证明 由定理4可知,对任意 =O/ 以及n=n(ot ,8),均有 :一一 I ll 一 lIl+ + + , O/ (4.7) 其中,c5:= 一十Ca,由(4.3)及(4.4)可知l1△:( )I l1 )6,I1△:( )一△( )ll+l】△( )I p +(cl + )6≥ II△( ) I — III△ ( ) 一△( ) II 一 (c + )>0.于是 ≥ 于是p ¨ II/x ̄( ) II 一 (c + ) 1 1 (dt一2(c + ))6=c 6这里,c : qd一(2+g)(c + ( ) 6 ,从而 鱼 (卫) 6 . (4.8) 利用能量不等式 得到 I I一 II=II毗( )A II=II( (aN) ) 2 II(m(OtN)A)” 一 ( ) lI 卜 ( ) II奇II m (a ) II 1 . (4.9) 2 Il△( Ⅳ)ll p s 26 由(4.7),(4.8)以及(4.9)可知结论成立. 5数值例子 这一节,我们给出一个数值例子来说明以上算法的有效性.考虑积分方程(2.1),其中 ( ,t)=st,(s, t)e(0,1)×(0,1),显然,积分方程(2.1)中对应于右端数据y( ) 1 f的精确解是 1 ,易知, =A∞, ∞=1, =1.因此,从理论上可以知道最优收敛率可以达到0(8f).以下结果是采用如下多尺度小波基底通 过MATLAB计算所得.其中 的基函数为 。。(t)=1, 。 (t)= (2t一1),t E[0,1].W 的基函数为 ∞ 。c :一1-6t— , t e [O1/2 ],’,。/2,.c -c ={ 三 -一43t),, eE [O/ ,21/,2 ]., e[O , 1/2 … 一 子空间Wi=span{ : =0,1,2,…,2 一1},其基函数由如下公式生成 )f L (2 ), ∈[0,1/2], :0,1,2,…,2 一1 0 ,t∈l 1/2,1 J. ~㈩ ’, , ,

6 赣南师范学院学报 2010年 为计算方便,取y (£)=y(f)+ ×rand(t)作为扰动后的右端数据,实验中参数见表1: a0:1,q=0.95,。4=1/2,r=2m=100,Y=1,P=1 ,表1 实验中参数选取表 表中结果表明,此时最优收敛率是0( 1)与理论分析相吻合.表明算法的有效性. ,参考文献: [1]Tikh。n0V A H,Arensin V Y.Solutions of ill—pc)sed problems[M].New York:wil。y,1977. .[2]Tautenhahn.u.0n the meth。d。f LavrentieV regularization for n。nlinear ill—posed problems[J]inveIse Pmblems,2002,18:191—207 [3]H・w.Engl,Martin Hanke,Andreas Neubauer,Regularizati。n。finvers pmblems[M].Dordrecht:K1uwer Academjc Publishe坞2000. .[4]Z Chen,C.A.Micchelli,Y.Xu.The PeIrnV—Galerkin methods for sec。nd kind int。gral。quations[J]IlI:MuhiwaveIet scheme.Adv .Math.,1997,7:199—233. [5】z・Chen。C.A.Miechelli,Y.Xu.Discrete wavelet Petrov—Galerkin methods[J].Adv.Comput.Malh.,2002。16:1—28. .[6]Rajan,M・P・A posteriori parameter choice with an effcient discrehzation scheme for s0Ivi“gⅢ一posed problems[J]Applied Mathematics and Computation,2008,204(2 J:891~904. [7]Zhongyi“g Chen,YueshengXtl THongqi Yang.Fast c。llocati。nmeth。dsfor s。Mngill~posedintegral equa【i。ns。ftherst kind[J]Inverse Problem. .2008,24(6):065007. [8]S・G・Solodky.On quasi—optimal regularized projection method for solving。perator equati0ns Of therst kind[J]Inverse Problem,2005,21: .1473—1485. [9]S・V-PereverzevIE.Sehoek.On the adaptiVe selecti0n 0fth parameter in regularization Of ill—posed problems[J]SlAM J Numer.Ana1.,2005。 .43:2060—2076. [1O]P.Maass,S.V.PereVerzev。R.Ramlau,et a1.A|l adaptive diseretizati。n for Tikhon0v PhiUips regularization with a p0steri0ri pammeter selecti0n [J].Numer.Math.,2001。87:485—502. [1 1]LuoXingjun.Fast muhilevel iteration methods for solving linear operator Equations[J].Northeast.Math.J2008,24 f 1):1—9. [12]Lu。Xingjun,Chen Z Y.MultileVel iteration methods for s。lving linear ill—p。sed pr0blems[J]Nume r.Math.J.Chinese Universities。2005。14 ..(3):244—251. [13]S・V.PereverzevS.G.Solodky.On 0ne approach to the diseretization of the Lavrent"ev method[J]Ukminian Mathematica1 journal。1996,48 .(2):239—247. A Posteriori Parameter Choice Strategy Based on the Truncated Projection Method LUO Xing-jun ,LI Yu-juan ,LI Fan chun ,LIU Yang f 1.School ofMathematics and Computer Science,Gannan Normal University; 2-Department ofBasic Teaching Ministry,Jiangxi Vocational College ofApplied Technology,GanzhoM 341000。China} Abstract:In this paper,a fast truncated LavrentieV IT/eth。d is established for solving the semidefinite ill—P。sed integral equation —based on the optimization of projection method.We proposed priori error estimates and a new posteriofi parameter choice strategy. Compared with the traditional projection technique,we obtain the same optimal convagence ratebut 1ess than the number of inner , products caculation. Key words:ill—posed integral equations;lavrentiev regularization;truncated projection methods;a posteriori parameter choice strategy 


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