Методы решения физико-математических задач

Совместное восстановление функции распределения квадрупольного расщепления и зависимости изомерного сдвига по данным мессбауэровских спектров

Журнал вычислительной математики и математической физики Том 30 №9 (отдельный оттиск).
Показано, что для несимметричных мессбауэровских спектров, представляющих собой суперпозицию дублетов, при определенных условиях можно восстановить функцию распределения квадрупольного расщепления и определить зависимость изомерного сдвига как функции поля.

§1. Введение

При интерпретации мессбауэровских спектров непрерывными методами важное значение имеет восстановление функции распределения сверхтонких полей на резонансных ядрах. С математической точки зрения, речь идет о решении интегрального уравнения [1]
(1.1)   y (x )  = ∞∫0 p (t )  f (x, t )  dt
с ядром
(1.2)    f (x, t )  =  Γπ mΣj = 1 αj [x – gj t – s (t ) ]  2  + Γ 2   , 
где αj ,  gj  – соответственно, весовые и полевые коэффициенты, s (t )  – изомерный сдвиг как функция от поля. Функция y (x )  может быть однозначным образом представлена в виде свертки [2],   [3]
(1.3)   y (x )  = ∞∫– ∞ K (x – t ) z (t )  dt
с ядром
K (t )  = Γπ (t 2  + Γ 2 )   , 
где z (t )  – положительно определенная функция.

При известной зависимости s (t )  уравнение (1.1) является линейным интегральным уравнением Фредгольма I рода. Для его решения применяется метод регуляризации [4]. Однако на практике зависимость изомерного сдвига от поля не известна. В настоящей работе строится решение p (t )  и s (t )  для случая чисто квадрупольного расщепления (m = 2,  α1  = α2  = 1 / 2,  g1  = – g2  = 1 / 2 )  . 

§2. Построение решения

Исходное интегральное уравнение можно преобразовать, получив более простое, поскольку
Γπ {[x – gj t – s (t ) ]  2  + Γ 2 }  =  ∞∫0 K (x – t ′ ) δ [t ′ – gj t – s (t ) ]  dt ′ . 
Здесь δ (x )  – функция Дирака. Подставляя это выражение, а также (1.3) в (1.1),   (1.2), получаем
∞∫– ∞ K (x – t ′ ) {z (t ′ )  –  2Σj = 1 ∞∫0 δ [t ′ – gj t – s (t ) ] p (t ) }  dt = 0 .
Воспользовавшись единственностью решения этого уравнения, приходим к более простому уравнению
(2.1)   z (x )  =  12 ∞∫0 p (t ) δ [ x – t2 – s (t )  ]  dt +  12 ∞∫0 p (t ) δ [ x + t2 – s (t )  ]  dt . 

Введем функции t1  и t2  переменной x из соотношений
x – t1  / 2 – s (t1 )  = 0,  x + t2  / 2 – s (t2 )  = 0 .
Нетрудно видеть, что для их однозначного определения нужно считать выполненными условия
(2.2)   – 1 / 2 < ds / dt < 1 / 2 .
Вместе с функциями t1  и t2  введем в рассмотрение обратные функции x1  и x2  из соотношений
(2.3)   x1 (t )  – t / 2 – s (t )  = 0,  x2 (t )  + t / 2 – s (t )  = 0 .
Функция x1  возрастающая, а x2  убывающая, так как, согласно (2.3),
(2.4)   dx1  / dt = 1 / 2 + ds / dt > 0,  dx2  / dt = – (1 / 2 – ds / dt )  < 0 .
Разность уравнений (2.3) дает
(2.5)   x1  – x2  = t . 
Будем считать, что функции x1  и x2  определены при t ≥ 0 ; тогда x1 (t )  ≥ x2 (t )  .  При t = 0 , согласно (2.5), x1 (0 )  = x2 (0 )  = x0  и из (2.4) следует, что
x1 (t )  ≥ x0 ,  x2 (t )  ≤ x0  . 
Производя интегрирование в (2.1), получаем

z (x )  = { 
12 p (t1 ) dt1 dx при x ≥ x0 , 
– 12 p (t2 ) dt2 dx при x ≤ x0 , 
 

откуда имеем
(2.6)   12 p (t )  = z (x1 ) dx1 dt = – z (x2 ) dx2 dt  . 
Подставляя в правую часть равенства x2  = x1  – t (см. (2.5)), приходим к дифференциальному уравнению первого порядка для функции x1   : 
(2.7)   dx1 dt = z (x1  – t ) z (x1 )  + z (x1  – t )   . 
Если проинтегрировать второе уравнение в (2.6) по t от t ′ до бесконечности и заменить в окончательном результате t ′ на t ,  получим уравнение для функции x1 (t )  в другой форме:
(2.8)   ∞∫x1  z (x )  dx = x1  – t∫– ∞ z (x )  dx . 
При t = 0 оно дает начальное значение x1 (0 )  уравнения (2.7). Определив функцию x1 (t )  по формулам (2.3), (2.5), (2.6), найдем p (t )  и s (t )  .  Отметим, что (2.8) имеет решение, если сходится интеграл
∞∫0 [z (x )  – z (– x ) ]  dx . 

§3. Устойчивость решения

Решение, определяемое из (2.8), неустойчиво относительно неточности в определении z (x )  .  Пусть w (x )  – приближенная к z (x )  функция, так что
(3.1)    | w (x )  – z (x )  |  ≤ δ ∀x . 
В качестве приближенного решения уравнения (2.8) возьмем функцию r (t )  ,  определяемую из
(3.2)   A∫r w (x )  dx = r – t∫– A w (x )  dx . 
Параметр A определяем таким образом, чтобы было
(3.3)   w (x )  ≤ 2δ ∀  | x |  ≥ A,  w (A )  = 2δ либо w (– A )  = 2δ . 

Верна следующая

Теорема
Пусть r (t )  – приближенное решение уравнения (2.8), причем
z (x )  – непрерывная положительная функция на всей вещественной оси и
при  | x |  → ∞
(3.4)   z (x )  ≤ α /  | x |  n ,  n > 1, α > 0 .
Пусть t0  – произвольное фиксированное положительное число.
Тогда если на всей вещественной оси w (x )  → z (x )  равномерно,
то r (t )  → x1 (t )  равномерно на сегменте 0 ≤ t ≤ t0  . 
Доказательство

Беря разность уравнений (2.8) и (3.2) и учитывая (3.1), находим
|x1  – t∫r – t w (x )  dx + x1 ∫r w (x )  dx  |  = 
 |A∫x1  [z (x )  – w (x ) ]  dx –  x1  – t∫– A [z (x )  – w (x ) ]  dx +  ∞∫A [z (x )  – z (– x ) ]  dx  |  ≤ 
 |A∫x1  [z (x )  – w (x ) ]  dx –  x1  – t∫– A [z (x )  – w (x ) ]  dx  |  +  |∞∫A z (x )  dx  |  + |– A∫– ∞ z (x )  dx  |  ≤ 
 2Aδ + 2αn – 1 1A n – 1   . 
Далее, по условию (3.3),
2δ = w (± A )  =  w (± A )  – z (± A )  + z (± A )  ≤ 
  | w (± A )  – z (± A )  |  + z (± A )  ≤  δ + α / A n  , 
или
(3.5)   A ≤ (α / δ )  1 / n  . 
Теперь покажем, что
(3.6)   limδ → 0 A (δ )  = ∞ . 
Допустим противное: пусть существует такое A0  и последовательность δm  → 0 при m → ∞ ,  что A (δm )  ≤ A0  .  Тогда w (x )  ≤ 2δm  для всех  | x |  ≥ A0  .  Устремляя m к бесконечности, получаем z (x )  = 0 для  | x |  ≥ A0  ,  что противоречит условию теоремы. Таким образом, учитывая (3.5) и (3.6), получаем
|x1  – t∫r – t w (x )  dx + x1 ∫r w (x )  dx  |  =  |x1 ∫r [w (x )  + w (x – t ) ]  dx  |  ≤ 
 2α 1 / n δ 1 – 1 / n  + 2αn – 1 1A n – 1  → 0,  δ → 0 .
В то же время, вводя обозначения z ′(x )  = z (x )  + z (x – t )    и   w ′(x )  = w (x )  + w (x – t )  ,  получаем
(3.7)   limδ → 0 x1 ∫r w ′(x )  dx = 0 .

Допустим, что для t ≤ t0  отсутствует равномерная сходимость r (t )  к x1 (t )  ,  т. е. для любого δ1  существует такое t :  0 ≤ t ≤ t0  и a > 0 , что при
(3.8)   |r (t ) ∫x1 (t )  w ′(x )  dx  |  ≤ δ1 ,    | r (t )  – x1 (t )  |  ≥ a
имеем
r∫x1  w ′(x )  dx ≥ x1  + a∫x1  w ′(x )  dx ≥  x1  + a∫x1  (z ′(x )  – 2δ )  dx =  x1  + a∫x1  z ′(x )  dx – 2δa . 
При переходе от первого неравенства ко второму предполагалось, что выбором δ ,  учитывая (3.4), функцию w (x )  ,  а с нею и w ′(x )  всегда можно сделать положительными. Пусть минимальное значение z ′(x )  на сегменте x1 (t0 )  – t0  ≤ x ≤ x1 (t0 )  есть 2m .  Ввиду непрерывности z (x )  существует такое Δ > 0 , что z ′(x ′ )  ≥ m при x1 (t0 )  – t0  – Δ ≤ x ′ ≤ x1 (t0 )  + Δ .  Уменьшим Δ ,  если потребуется, чтобы было Δ ≤ a ;  тогда
|x1  + a∫x1  z ′(x )  dx  |  ≥  |x1  + Δ∫x1  z ′(x )  dx  |  ≥ mΔ , 
или
r (t ) ∫x1 (t )  w ′(x )  dx ≥ mΔ – 2δa . 
И, устремляя δ к нулю, получаем, что
r (t ) ∫x1 (t )  w ′(x )  dx = mΔ ≠ 0 .
Однако это противоречит (3.8), так как, устремляя δ к нулю, из (3.7) получаем, что δ1  также стремится к нулю. Теорема доказана.

Список литературы
1. Литвинов В. С., Каракишев С. Д., Овчинников В. В. Ядерная гамма-резонансная спектроскопия сплавов. М.: Металлургия, 1982.
2. Шпинель В. С. Резонанс гамма лучей в кристаллах. М.: Наука, 1969.
3. Николаев В. И., Русаков В. С. Мессбауэровские исследования ферритов. М.: Изд-во МГУ, 1985.
4. Тихонов А. Н., Арсенин В. Я. Методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1986.

Поступила в редакцию 16.06.89
Переработанный вариант 19.12.89

Авторы: О. Г. Одинцов, Е. А. Пушкарев.
Журнал вычислительной математики и математической физики, том 30, № 9, 1990 г.

Оригинал

Журнал вычислительной математики и математической физики Введение Построение решения Устойчивость решения Устойчивость решения продолжение список литературы
▲
Меню