反問題

反問題,抽象術語,和“正問題”相對,是指通過由果索因來探究問題的研究過程。比如讓“時光倒流”的方法,就是“反問題”的研究領域。“反問題”是套用數學成長最快的領域之一。

概念

反問題,就是通過由果索因來探究問題的研究過程。

例如研究長沙馬王堆的漢墓女屍,生前到底長得什麼模樣;警察如何根據罪犯現場留下的蛛絲馬跡,來還原他的犯罪過程等,這些讓“時光倒流”的方法,就是“反問題”的研究領域。

正問題

正問題是對應給定系統已知輸入求輸出。一般所碰到的問題一般是由因索果,這是“正問題”。比如求解方程,要求給出已知條件,這樣才可以求解。

套用案例

讓2000多年前的馬王堆女屍“復活”

馬王堆女屍30歲時的復原圖馬王堆女屍30歲時的復原圖

2002年4月19日,中國刑警學院教授趙成文用滑鼠在電腦上描完馬王堆女屍面相的最後一筆,並將製作好的女屍面相復原標準圖拷入軟碟,標誌著西漢長沙國丞相夫人面相復原標準圖正式完成。此次復原的馬王堆女屍系西漢時長沙國丞相利蒼的夫人,距今已有約2200年。

據史料記載,利蒼夫人名叫辛追,死時約50歲。1972年,辛追的墓葬被發現。辛追屍體出土時,全身潤澤,皮膚覆蓋完整,這是世界上首次發現濕屍,出土後震驚世界。

趙成文能在較短的時間內對千年遺容進行復原,關鍵得益一個叫“警星CCK-3型人像模擬系統”的幫助。該系統實際上是趙教授實戰經驗和計算機技術相結合的產物。此系統通過對數萬人照片進行技術處理,可以組合90億乘以1億個人像而不重複。

研究表明,人的面相關鍵取決於顱骨的形狀。也就是說,只要顱骨存在,即使被毀容,也能按照一定步驟對其原貌復原。此次為辛追分別繪製了18歲、30歲和50歲三個年齡段的面相。只要顱骨保留完整,2000多年前的女屍與日常破案中遇到的屍體基本上沒有區別。女屍在地下埋藏了2000多年,出土30年,但顱骨並未發生太大變化。通過顱骨的X光片,就可以確定其五官的基本位置和形狀大小,面部照片為復原提供了更多的參考依據。通過帛畫和文獻資料,了解了辛追晚年的生活情景。

套用領域

勘探石油、CT掃描都用到“反問題”

人們常見的海底潛艇的探測、地質資源勘探、人體內部的醫學成像、材料的無損探傷等都屬於這個研究領域,基本的問題都是這樣的由介質外部的信息來探測介質內部的信息。

比如說石油煤炭的地下勘探,現在常用的方法是人工放炮或者是打勘探井,都是希望能夠在地層“採集”到放射物的“信號”,從而判定哪裡會有煤炭石油。地下很複雜,通過現在的技術根本無法還原地下的全貌,所以這種方法就是“反問題”的研究範圍。

比如潛艇在海洋底下航行,如何確定它所在的位置,可以發射聲波信號,以此來檢測它的位置。再比如醫院裡的CT掃描、核磁共振成像,就是先掃描,然後根據“反問題”的研究方法,在不破壞腫瘤的前提下,確定它是否是良性。

未來發展

研製新型汽車,出車禍儘量“車傷人不傷”

美國佛羅里達國際大學機械與材料工程系喬治教授,也是《工程與科學中的反問題》雜誌的主編。正在與湖南的高校進行一項關於“反問題”的合作。喬治表示,現在駕駛人對於汽車外形的要求越來越高,不光設計要美觀大方,還要滿足力學設計,最大限度保證安全。正在研究涉及一種車型,在車輛發生碰撞後,所產生的能量能被車體分散掉,從而保障車內人員儘可能減少傷害。

日本東京大學數學系教授、東南大學客座教授山本昌宏介紹:現在城市的高樓越來越多,而且越來越高,這些高層建築內部溫度也比較高,很容易造成樓層內部鋼筋出現腐蝕,威脅安全。為了能及早“預計”到高樓內部的情況,也可以早起預防,減少經濟損失,就可以利用“反問題”的研究方法,與鋼鐵企業合作,從外部指標來為這些鋼筋“體檢”,看它們是否“健康”。

來自韓國延世大學教授Jin Keun Seo的“反問題”研究,都是與醫學有關。韓國人喜歡喝酒,所以很多人的肝臟都不太健康,現在利用“反問題”研究,利用核磁共振成像檢測內部,以保證內部不會病變。他們也正在與韓國三星公司進行合作,希望能利用“反問題”來做“超音波成像”。如果成功,這種成像將比現有的B超成像更為清晰,這對醫治效果更有保證。

現在學院使用很多精密的醫學儀器,但其實儀器內部的工作原理,醫生並不了解,所以一些醫學儀器並不能完全與現實情況完全適應。已經研究設計了一種新型接口,可以將儀器內部的“信息”全部顯示出來,醫生或者專業人士可以根據這些信息建立自己新的“目標模型”,讓儀器更能達到自己的要求。現在這樣的技術在東南大學附屬中大醫院就在使用。

國際會議

2012年10月22日,第六屆國際反問題及套用會議在東南大學舉行,來自美國德國韓國日本等16個國家和地區的160餘名學者參加了此次會議。本次會議也是第三屆江蘇省自然科學學術活動月的一個重要項目。來自韓國、日本、美國的專家們,帶來了他們最新的“反問題”研究成果和未來研究方向。

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