變值運算

各種變值函式的有關運算叫變值運算

引言

變值運算

——一種擴展的新型數學運算

各種 變值函式的有關運算叫 變值運算。其各種基本算法( 變值算法)應當是對等值函式各類基本算法( 等值算法)的繼承、包容和擴展(基值函式也應如此)。這些擴展算法與等值算法的根本區別在於變值係數不再恆為1,其中,尤其是各種異基四則運算(基距不同的四則運算)和各種積分運算等,更是變值算法所特有。

因此,在各種變值運算中,要始終牢記其對應基距和變值係數。現將變值函式的部分算法作一簡要說明,其中,包含積分運算的有關算法只限於正箱坐標系(與斜箱坐標系對應的積分運算目前尚不成熟)。

四則運算

變值函式和基值函式的四則運算可分為同基和異基兩種算法。 同基四則運算的基本算法與常規四則運算相同,但應牢記變值係數(運算前後變值係數不變),尤其是異系運算更應如此。當變值係數恆為1時,二者完全相同。

異基四則運算則應依據變值函式的基本性質,先通基後運算,通基後可按同基運算進行。其中,變值加減運算還可引申擴展為 變值合併運算變合運算)與 變值分解運算變分運算)。變合運算相當於不同基距的基箱面或基箱體的合併,可將均勻或不均勻空間合併為不均勻空間。變分運算屬於變合運算的逆運算,相當於對基箱面或基箱體的分解,可將均勻或不均勻空間分解為不均勻或均勻空間。這裡只對較為常用的作一說明,而變分運算可按變合運算的逆過程適當求之。

變值運算 變值運算

異基變合運算與常規的異分母加減運算相類似,亦即先通基後合併,以便可使自變數採用同值同步進行有關運算。變合運算可用於各種一元和多元函式,下面重點說明一元和二元。

上述一元和二元的變合運算通常對應於不同空間的相互合併。仿照上述方法亦可進行多元變合運算。

積分運算

目前比較成熟的變值函式積分運算(叫 變積運算)還只限於正箱坐標系及其對應的一元到三元。其基本運算規則與等值函式完全相同,所不同的是必須要有變值係數係數的直接參與。下面介紹兩種情形,即單一變值函式的積分運算(或叫 單積運算)和非單一變值函式的合併和積分運算( 合積運算)。

變積運算

變值運算 變值運算
變值運算 變值運算

由於等值函式的變值係數恆為1,故其積分結果對應於密度或單位與基準(基值)單位相同的實際數值(如密度均勻的面積或體積數值等);但變值函式的變值係數通常不為常數1,自變數的取值通常只是同名坐標單位數,所對應的密度或單位並不相同,故其直接積分結果仍然只是密度或單位不等的對應單位數,並非與基準(基值)單位相同的實際數值,二者存在某一差值。這一差值來自積分變數的變值係數餘項。因此,若要得到密度或單位與基值單位相同的實際數值(即補上相應差值),則應將被積函式的對應單位還原為基值單位,亦即應將被積函式進行還原,通常是將被積函式(顯函式)乘以某一係數(可為數值或算式)。由於該係數對積分運算具有上述還原作用,故可稱之為 還原係數積分係數(用 U表示)。這種還原只對被積函式中不含變值係數的積分變數進行,此時的積分變數叫 還原變數。 在通常情況下,還原變數為寬距變數和長距變數。此時,還原係數可有兩種求法:當只有一個還原變數時,還原係數等於對應變值係數;當有兩個還原變數時,還原係數等於兩個對應變值係數的首項之積與餘項之和。現將比較常用的還原係數列示如下(左下二圖):以上各種積分變數的上、下限均為常數,當含有函式項時(如多重積分),其有關運算仍與常規的積分運算方法相同。

合積運算

合積運算是指同時包含變合和變積運算的算法,仍有同基與異基之分。

(1)同基合積運算:本法是指各單式均為同基函式合積運算,其中,又有同系與異系之分,前者可視為後者的特殊情形。通基合積的一般步驟是:一還原、二求和、三積分。現以二元為例說明如下(右下圖):

變值運算 變值運算

當各單式為同基同系時,還原係數相同,前兩步可以互換,也可將還原係數提到求和符號之前;當各單式為異基異系時,還原係數不同,前兩步不能互換;當積分變數採用同值同步時,積分運算只能放在最後;當積分變數不採用同值同步時,其後兩步可以互換。

(2)異基合積運算:本法是指各單式不為同基函式的合積運算。其一般步驟是:一通基、二還原、三求和、四積分。這裡先進行通基使各單式變為同基算式,然後便可按照同基算式進行合積運算,其中,又有同系與異系之分(前者可視為後者的

變值運算 變值運算

特殊情形)。這裡仍以二元為例作一說明(右下圖)。

以上為二元類合積運算的基本算法,當各單式為三元高距坐標算式(為高距算式的一個原函式)或二元高距係數算式時(此時為箱體坐標系),則可先求出對應高距的二元算式(如將二元高距係數算式對Z定積分而得),然後按照上述方法求之。

另當上述各單式為高距坐標的二元算式(高距算式的一個原函式)或為高距係數的一元算式時(常與箱面坐標系相對應),此時,亦可先求出各單式的高距算式(如將一元高距係數算式對Z定積分而得),然後可由上述二元類合積算式簡化而得。其一般求法如下(左下圖):

變值運算 變值運算

在上述合積運算的一般算式中,積分符號與求和符號也可互換位置,亦即兩種運算也可交換順序。另當積分變數不採用同值同步時,可省去其通基變換。

坐標變換

在變值函式中,總體來說,自變數的取值均與基值坐標相對應,基值函式也同樣如此,因此,當需要自變數的實際坐標位置(即對應變值坐標)時,則應進行基值坐標與變值坐標的相互變換。其具體變換方法可依據變值公式進行,即:變值坐標=基值坐標×變值係數,或基值坐標=變值坐標/變值係數。應當注意的是,當變值函式經過變基運算或通基變換時,上式中的變值係數應採用新的變值係數。

上述的變合、變積與合積三種運算為變值函式所特有,其中,變合和合積運算可用於一維到三維的不均勻空間的的精確合併。此外,作為上述運算的逆運算(變分運算、變微運算、分積運算)尚待系統探討。有興趣的讀者可按積分運算、合併運算、合積運算的逆過程對其試求之,其中,分解運算、分積運算可先對原式的圖象直觀分解或對原式各項採用同號分解,並適當設定分解後的基長、基寬、基高等,然後分步求之。

歸納上述各種變值運算可知,當變值係數均為常數1時,其運算規則便與常規等值函式的算法完全相同,這也充分說明,變值函式是對等值函式的合理擴展(如同實數是對有理數的合理擴展一樣)。作為本法一個套用實例的 CS儲量積分法已首次實現了對圈礦模型同時進行 精確快捷定位計算這一世界難題。不僅如此,有關 變值方法將使更多疑難數學問題迎刃而解。不過,該法只對部分變值算法作了驗證,還有大量的擴展算法和有關套用尚需繼續實踐與探索。

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