SCI Библиотека

В настоящем томе представлены основные работы Г. И. Марчука по физике атмосферы, океана и проблемам окружающей среды. Они разделены на четыре раздела. В первом из них представлены статьи по динамике атмосферы, во втором – по динамике океана, в третьем – по взаимодействию атмосферы и океана и в четвертом – по проблемам, связанным с окружающей средой.

В конце тома помещены подробные комментарии к статьям, в которых дан анализ вклада Г. И. Марчука в данную область науки. Для специалистов в области вычислительной математики и математического моделирования, аспирантов и студентов старших курсов.

В книге рассмотрены особенности ковариационной матрицы измерений марковских процессов. Исследованы ковариационные матрицы простого (односвязного), сложного (многосвязного) и векторного процессов. Введено понятие ковариационно марковского процесса (КМ-процесса), в котором условие марковости накладывается на вид ковариационной функции процесса. Введение понятия КМ-процесса дает возможность построить достаточно простые процедуры линейного оценивания характеристик для широкого класса процессов, не являющихся марковскими в обычном смысле, но широко используемые в практике инженерных исследований. Найдены структуры ковариационной матрицы измерений для измерений упорядоченных и неупорядоченных в порядке возрастания координат точек измерений. Это позволило построить весьма простые процедуры рекуррентного оценивания для задач фильтрации и идентификации КМ-процессов. Предложен метод дискретной аппроксимации немарковских процессов многосвязными марковскими процессами. Рассматриваются вопросы планирования эксперимента для задач оценивания КМ-процессов. Приведены примеры применения полученных результатов для решения некоторых практических задач. В приложениях приведены краткие сведения из матричной алгебры, примеры одно-, дву-, трех- и многомерных КМ-процессов, доказательства некоторых теорем и утверждений и формулы рекуррентного обращения матриц, рассмотренных в книге.

В настоящее собрание избранных трудов вошли монографии и статьи, наиболее ярко отображающие многолетнюю научную деятельность Г.И. Марчука в вычислительной математике и математическом моделировании. Подготовка к изданию данного собрания велась ИВМ РАН ближайшими учениками соратниками Г.И. Марчука. Тома содержат комментарии, в которых проанализирован вклад работ Г.И. Марчука в современную науку.

В Томе 1 дано изложение численных методов решения задач математической физики. Основное внимание уделяется сложным задачам математической физики, которые в процессе решения сводятся, как правило, к более простым, допускающим реализацию алгоритмов на ЭВМ. Рассмотрены многие современные подходы к численным методам.

В настоящем томе представлены основные работы Г. И. Марчука в области теории сопряженных уравнений и их приложений к решению задач математической физики. Развитие метода сопряженных уравнений в значительной степени основано на трудах Г. И. Марчука в течение его 65-летней научной деятельности. В книге изложена развиваемая им и его научной школой методология решения задач математической физики с помощью теории сопряженных уравнений. Методология применяется к требующим глубокого анализа сложным системам, с помощью которых изучаются проблемы глобальных изменений климата, охраны окружающей среды, атомной энергетики, иммунологии, сохранения биосферы с учетом интенсивного развития промышленности и многие другие. В рамках единого подхода формулируются новые постановки задач, стимулируемые развитием новых технологий.

Они включают совместный анализ модельных решений и данных измерений, например спутниковых; поиск решения обратных задач; оценку функционалов от решения прямых и обратных задач.

Для специалистов в области вычислительной математики и математического моделирования, аспирантов и студентов старших курсов.

В монографии рассмотрены различные вопросы, связанные с исследованием природных восходящих закрученных потоков, таких как торнадо, тропические циклоны и огненные вихри. Для системы уравнений газовой динамики с учетом действия сил тяжести и Кориолиса обосновано существование и единственность решения конкретных характеристических задач Коши стандартного вида, моделирующих неодномерные течения со стоком, притоком и возле нагревающегося цилиндра. Установлен факт отсутствия закрутки, если в исходной начально-краевой задаче не учитывается вращение Земли вокруг своей оси. Численными методами приближенно построены трехмерные стационарные течения идеального газа в окрестности непроницаемой горизонтальной плоскости в условиях действия сил тяжести и Кориолиса и определены их геометрические, скоростные и энергетические характеристики. Полученными в монографии теоретическими результатами, результатами отечественных экспериментов, а также данными натурных наблюдений, получаемых с 2013 года американскими исследователями, обоснована схема возникновения и устойчивого функционирования природных восходящих закрученных потоков, предложенная С.П. Баутиным в 2008 году.

Монография предназначена научным работникам, преподавателям, аспирантам, магистрантам и студентам, интересующимся содержательными задачами газовой динамики, а также аналитическими и численными методами решения нелинейных уравнений с частными производными.

Рассматриваются вопросы построения эффективных алгоритмов статистического моделирования систем со случайной структурой, заданной стохастическими дифференциальными уравнениями (СДУ). Для численного решения СДУ построены асимптотически несмещенные численные методы, которые наиболее эффективны при решении жестких и осциллирующих систем СДУ. Для моделирования неоднородных пуассоновских ансамблей построены алгоритмы с меньшей трудоемкостью за счет уменьшения обращений к датчику случайных чисел. Разработанные алгоритмы используются для статистического моделирования систем со случайной структурой. Исследованы вопросы сходимости и условной оптимизации построенных алгоритмов. Верификация разработанных методов и сравнение их с известными алгоритмами проведены на решении прикладных и тестовых задач.

Для специалистов по вычислительной математике и математическому моделированию, а также для студентов математических факультетов.

В монографии представлены результаты численного моделирования сложных трехмерных течений сжимаемого вязкого теплопроводного газа при учете действия сил тяжести и Кориолиса, наблюдающихся при локальном нагреве подстилающей поверхности и при вертикальном продуве. Математическая модель, решения которой описывают возникновение и продолжительное существование подобных течений, есть полная система уравнений Навье-Стокса. Численное построение решений полной системы уравнений Навье-Стокса при соответствующем выборе начальных и граничных условий позволяет моделировать указанные сложные течения сжимаемого вязкого теплопроводного газа в трехмерном нестационарном случае.

Монография может быть использована для подготовки аспирантов направления 09.06.01 «Информатика и вычислительная техника» по профилю «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ». Кроме того, будет полезна научным работникам, преподавателям, магистрантам и студентам, интересующимся содержательными задачами газовой динамики, а также аналитическими и численными методами решения систем нелинейных уравнений с частными производными.

В книге изложены методы анализа многомерных нелинейных непрерывных стохастических систем управления с фиксированной и случайной структурой, основанные на спектральной форме математического описания и ориентированные на применение современных высокопроизводительных вычислительных систем. Она предназначена для специалистов и инженеров, интересующихся современными задачами теории управления и методами их решения, а также для студентов старших курсов и аспирантов технических вузов и университетов.

Монография посвящена задачам вычислительной математики, численные методы решения которых отсутствуют в существующей литературе. К таким неклассическим задачам в данной работе отнесены методы решения нелинейных уравнений, содержащих интегралы с искомым параметром; методы формирования, исследования и применения неявно заданных функций одной переменной; методы решения нелинейных параметрических уравнений и систем уравнений; методы решения дифференциальных уравнений с разрывной правой частью по используемому аргументу. Книга предназначена для специалистов в области разработки численных методов, а также магистрантов, аспирантов и докторантов, осуществляющих с использованием методов вычислительной математики решение разнообразных прикладных задач.

Рассматривается задача управления процессом кристаллизации металла в литейном деле. От того, как протекал процесс затвердевания жидкого металла, зависит качество полученного образца. Известно, что для получения образца хорошего качества желательно, чтобы поверхность раздела фаз была как можно ближе к плоской и чтобы скорость ее движения была близка к заданной. Предложена математическая модель процесса кристаллизации, в основе которой лежит трехмерная двухфазная начально-краевая задача типа Стефана. В качестве функции, управляющей процессом, используется скорость перемещения литейной формы в печи. Управляющая функция, удовлетворяющая технологическим требованиям, определяется из решения сформулированной задачи оптимального управления. Её решение проводится численно, с помощью градиентных методов минимизации функционалов. В работе используется эффективный способ вычисления компонент градиента целевой функции. Он основан на применении методологии быстрого автоматического дифференцирования и позволяет вычислять точное значение градиента целевой функции для выбранного дискретного варианта задачи оптимального управления.