R-функция

Запрос «RFM» перенаправляется сюда; Для режима химиотерапии RFM см. RFM (химиотерапия).

R-функция (функция Рвачёва) — числовая функция действительных переменных, знак которой вполне определяется знаками её аргументов при соответствующем разбиении числовой оси на интервалы ${\displaystyle (-\infty ,0)}$ и ${\displaystyle [0,\infty )}$. Впервые R-функции были введены в работах В. Л. Рвачёва^[1][2][3]. В отличие от классической аналитической геометрии теория R-функций занимается синтезом задач и уравнений с известными свойствами. ^[4]

Для изучения R-функций надо знать не только классическую аналитическую геометрию, но и теорию множеств.

Определение

Числовая функция ${\displaystyle z=z(x,\;y)}$ называется R-функцией, если существует такая сопровождающая булева функция ${\displaystyle \Phi \;}$ с тем же числом аргументов, что

${\displaystyle \mathrm {sign} (z)=\Phi (\mathrm {sign} (x),\;\mathrm {sign} (y)).}$

Аналогично вводится понятие R-функции при количестве аргументов ${\displaystyle n\;>\;2.}$

Каждой R-функции соответствует единственная сопровождающая булева функция. Обратное неверно: одной и той же булевой функции соответствует бесконечное число (ветвь) R-функций.

Множество R-функций замкнуто в смысле суперпозиции R-функций. Система R-функций ${\displaystyle {\mathcal {H}}}$ называется достаточно полной, если множество всех суперпозиций элементов ${\displaystyle {\mathcal {H}}}$ (множество ${\displaystyle {\mathcal {H}}}$-реализуемых функций) имеет непустое пересечение с каждой ветвью множества R-функций. Достаточным условием полноты является полнота системы ${\displaystyle {\mathcal {H}}^{*}}$ соответствующих сопровождающих булевых функций.

Полные системы R-функций

Наиболее часто используемой полной системой R-функций является система ${\displaystyle {\mathcal {R}}_{\alpha }}$ (при ${\displaystyle -1<\alpha \leq 1}$):

${\displaystyle x\wedge _{\alpha }y\equiv {\frac {1}{1+\alpha }}(x+y-{\sqrt {x^{2}+y^{2}-2\alpha xy}}),}$

${\displaystyle x\vee _{\alpha }y\equiv {\frac {1}{1+\alpha }}(x+y+{\sqrt {x^{2}+y^{2}-2\alpha xy}}),}$

${\displaystyle {\bar {x}}\equiv -x.}$

При ${\displaystyle \alpha =0\;}$ имеем систему ${\displaystyle {\mathcal {R}}_{0}}$:

${\displaystyle x\wedge _{0}y\equiv x+y-{\sqrt {x^{2}+y^{2}}},\quad x\vee _{0}y\equiv x+y+{\sqrt {x^{2}+y^{2}}},\quad {\bar {x}}\equiv -x.}$

При ${\displaystyle \alpha =1\;}$ имеем систему ${\displaystyle {\mathcal {R}}_{1}}$:

${\displaystyle x\wedge _{1}y\equiv {\frac {1}{2}}(x+y-|x-y|),\quad x\vee _{1}y\equiv {\frac {1}{2}}(x+y+|x-y|),\quad {\bar {x}}\equiv -x.}$

В последнем случае R-функции конъюнкции и дизъюнкции совпадают с соответствующими t-нормой и t-конормой нечёткой логики:

${\displaystyle x\wedge y\equiv \min(x,y),\quad x\vee y\equiv \max(x,y).}$

Приложения

С помощью R-функций оказывается возможным построение в неявной форме уравнений границ составных областей по известным уравнениям простых областей. Описание границы сложной области в виде единого аналитического выражения позволяет создавать структуры решения краевых задач математической физики, зависящие от неопределённых компонент и точно удовлетворяющие граничным условиям. Неопределённые компоненты таких структур могут далее находиться одним из вариационных или проекционных методов решения краевых задач (коллокации, Рэлея—Ритца, Бубнова—Галёркина—Петрова, наименьших квадратов). Метод решения краевых задач для уравнений в частных производных на основе теории R-функций носит название структурного метода R-функций или, в зарубежной литературе, RFM (R-Functions Method).

R-функции можно рассматривать как инструмент бесконечнозначной логики или нечёткой логики.

R-функции используются (в основном воспитанниками научной харьковской школы) при решении широкого класса задач математической физики (теории упругости^{[5][6][7][8][9]}, электродинамики^[10][11][12], теории теплопроводности^{[13][14][15][16]}), а также в многомерной цифровой обработке сигналов и изображений^[17], машинной графике и других областях.

Применение теории R-функций и вейвлетов к решению краевых задач  математической физики

В работе профессора В.Ф. Кравченко и его ученика А.В. Юрина^[12] предложен и обоснован новый метод, основанный на теории R-функций и WA-систем функций^[18][19][20] (вейвлетов, построенных на основе атомарных функций), с применением вариационного принципа Галеркина-Петрова.

При рассмотрении широкого класса краевых задач различной физической природы возникает необходимость в решении дифференциальных уравнений в частных производных, в которых исследуемая область имеет сложную конфигурацию. В таких случаях, как правило, используются численные методы: сеточные (метод конечных разностей, конечных элементов, граничных элементов), вариационные и проекционные (метод Ритца, Бубнова-Галеркина-Петрова, коллокаций, Трефтца, метод наименьших квадратов, метод фиктивных областей, R-функций). Однако, каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Так, сеточные методы обладают большой эффективностью алгоритма (за счет чего и получили широкое распространение), но при этом не точно учитывают геометрию исследуемого объекта. В случае вариационных методов не всегда можно построить базисные функции, которые удовлетворяли бы  всем требуемым условиям. Поэтому их использование ограничено. Следует особо выделить метод R-функций^[11], обладающий геометрической гибкостью и универсальностью по отношению к выбранному способу минимизации функционала. Применение такого подхода требует значительных вычислительных затрат. Это обусловлено использованием структурных формул, в основе которых лежат построенные с помощью R-операций функции области. Такие функции могут иметь сложную структуру, а для вычисления интегралов от них по области нестандартной формы необходимо использовать квадратурные формулы с высоким порядком точности. Вейвлет-базисы позволяют обойти указанные выше недостатки благодаря своим уникальным свойствам^[21][22] и разработать адаптивную расчетную схему без использования операции интегрирования. Такой подход возможен благодаря введению специальных коэффициентов, отражающих дифференциальные и интегральные характеристики базиса, а также коэффициентов разложения по вейвлетам функций области, краевых условий и правой части уравнения. Основным инструментом для реализации нового метода на основе R-функций и вейвлетов является схема Галеркина – Петрова^[23][24] решения дифференциальных уравнений в частных производных.

В работах^[12][20] на примере решения краевых задач эллиптического типа показана эффективность метода R-функций (функций В.Л. Рвачева) в сочетании с WA-системами функций^[18], снимающего все недостатки, указанные ниже.

Примечания

1. Рвачёв В. Л. Геометрические приложения алгебры логики. — Киев: Техніка, 1967.
2. Рвачёв В. Л. Методы алгебры логики в математической физике. — Киев: Наук. думка, 1974.
3. Рвачёв В. Л. Теория R-функций и некоторые её приложения. — Киев: Наук. думка 1982.
4. Каледин, Валерий Олегович. Теория R-функций : учебное пособие для высших учебных заведений по направлению Прикладная математика и информатика : рек. УМО вузов РФ / В. О. Каледин, Е. В. Решетникова, В. Б. Гридчина ; Кемеровский гос. ун-т, Новокузнецкий ин-т (фил.). - 2-е изд., перераб. и доп. - Новокузнецк : НФИ КемГУ, 2017. - 119 с.
5. Рвачёв В. Л., Курпа Л. В., Склепус Н. Г., Учишвили Л. А. Метод R-функций в задачах об изгибе и колебаниях пластин сложной формы. — Киев: Наукова думка, 1973.
6. Рвачёв В. Л., Проценко В. С. Контактные задачи теории упругости для неклассических областей. — Киев: Наукова думка, 1977.
7. Рвачёв В. Л., Курпа Л. В. R-функции в задачах теории пластин. — Киев: Наукова думка 1987.
8. Рвачёв В. Л., Синекоп Н. С. Метод R-функций в задачах теории упругости и пластичности. — Киев: Наукова думка 1990.
9. Победря Б. Е. Численные методы в теории упругости и пластичности. — М.: Изд-во МГУ, 1995.
10. Кравченко В. Ф., Басараб М. А. Булева алгебра и методы аппроксимации в краевых задачах электродинамики. — М.: Физматлит, 2004.
11. Кравченко В. Ф., Рвачёв В. Л. Алгебра логики, атомарные функции и вейвлеты в физических приложениях. — М.: Физматлит, 2006.
12. В.Ф. Кравченко, А.В. Юрин. Применение теории R-функций и вейвлетов к решению краевых задач эллиптического типа. Электромагнитные волны и электронные системы. 2009. Т.14. №3. С. 4-39.
13. Рвачев В. Л., Слесаренко А. П. Алгебро-логические и проекционные методы в задачах теплообмена. — Киев: Наук. думка, 1978.
14. Басараб М. А., Кравченко В. Ф., Матвеев В. А. Математическое моделирование физических процессов в гироскопии. — М.: Радиотехника, 2005.
15. Басараб М. А., Кравченко В. Ф., Матвеев В. А. Методы моделирования и цифровой обработки сигналов в гироскопии. — М.: Физматлит, 2008.
16. Матвеев В. А., Лунин Б. С., Басараб М. А. Навигационные системы на волновых твердотельных гироскопах. — М.: Физматлит, 2008.
17. Цифровая обработка сигналов и изображений в радиофизических приложениях / Под ред. В. Ф. Кравченко. — М.: Физматлит, 2007.
18. В.Ф. Кравченко, О.С. Лабунько, А.М. Лерер, Г.П. Синявский. Глава 3, 4 // Вычислительные методы в современной радиофизике. Под. ред. В.Ф. Кравченко. — Москва: Физматлит, 2009.
19. Кравченко В. Ф., Кравченко О. В., Пустовойт В. И., Чуриков Д. В., Юрин А.В. Применение семейств атомарных, WA-систем и R-функций в современных проблемах радиофизики. Часть II // Радиотехника и электроника : Обзор. — 2015. — № Т. 60. № 2. — С. 109-148.
20. Кравченко В. Ф., Кравченко О. В., Пустовойт В. И., Чуриков Д. В., Юрин А.В. Применение семейств атомарных, WA-систем и R-функций в современных проблемах радиофизики. Часть IV // Радиотехника и электроника. — 2015. — Т. 60, № 11. — С. 1113-1152.
21. Добеши И. Десять лекций по вейвлетам. Ижевск: НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика", 2001.
22. Новиков И.Я., Протасов В.Ю., Скопина М.А. Теория всплесков. М.: Физматлит, 2006.
23. Обэн Ж.П. Приближенное решение эллиптических краевых задач. М.: Мир, 1972.
24. Красносельский М.А., Вайненко Г.М., Забрейко П.П., Рутицкий Я.Б., Стеценко В.Я. Приближенное решение операторных уравнений. М.: Наука, 1969.

См. также

• Алгебра логики
• Булева алгебра
• Булева функция
• S-функция (функция Слесаренко)

Ссылки

• Решение обратной задачи аналитической геометрии. Теория R-функций