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Fortran源自于“公式翻译”(英语:FormulaTranslation)的缩写,是一种编程语言。
它是世界上最早出现的计算机高级程序设计语言,广泛应用于科学和工程计算领域。FORTRAN语言以其特有的功能在数值、科学和工程计算领域发挥着重要作用。
随着FORTRAN语言版本的不断更新和变化,语言不兼容性问题日益突出,语言标准化工作被提上了日程。
1962年5月:美国标准化协会(简称ANSI)着手进行FORTRAN语言标准化的研究工作。
1966年:ANSI正式公布了两个标准文本:美国国家标准FORTRAN(ANSI X3.9-1966)和美国国家标准基本FORTRAN(ANSI X3.10-1966),前者相当于FORTRAN Ⅳ,后者相当于FORTRANⅡ。基本FORTRAN是美国国家标准FORTRAN的一个子集,从而实现了语言的向下兼容,初步解决了语言的兼容性问题。
当G接近奇异时,有的奇异值较小,此时由于W中的元素相差过大,导致条件数极大,逆矩阵的计算误差较大,方程的解极不稳定。为了解决这个问题,维根斯(Wiggins)提出去掉较小的奇异值,用r×r矩阵We来代替W,从而有较稳定的广义逆[9]:
地球物理反演教程
其中:
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这样方程Gm=d就有广义逆解:
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下面以三个例子来说明如何使用奇异值分解程序[1]。
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下面程序段是维根斯法的具体实现步骤。用到两个子程序:奇异值分解子程序svdcmp和回代解线性方程组子程序svbksb。这两个子程序可以从Fortran power station 4.0中获得源程序。
首先调用svdcmp子程序进行奇异值分解,找到最大奇异值wmax然后设定最小奇异值和最大奇异值的比值界限ε(下面的程序令ε=10-6),从而设定了最小奇异值wmin=wmax*ε,如果原来矩阵W中有奇异值小于wmin,则令它为零最后调用子程序svbksb用近似的奇异值矩阵回代解线性方程组。
! 例1,2,3
usemsimsl
! parameter(mp=3,np=2)! 例3
! parameter(mp=2,np=3)! 例2
parameter(mp=1,np=2)! 例1
integerm,n,np,mp
reala(mp,np),X(np),d(mp),w(np),v(np,np),wmax,wmin
dataa/1,1/,d/2/ ! 例1
! dataa/1,0,1,0,0,1/,d/3,3/ ! 例2
! dataa/1,1,0,1,0,1/,d/3,1,1/! 例3
m=mp
n=np
! 对a进行奇异值分解
callsvdcmp(a,m,n,mp,np,w,v)
! SUBROUTINEsvdcmp(a,m,n,mp,np,w,v)
! INTEGERm,mp,n,np,NMAX
! REALa(mp,np),v(np,np),w(np)
! PARAMETER(NMAX=500)
!findmaximumsingularvalue
wmax=0.0
do13k=1,np
if(w(k).gt.wmax)wmax=w(k)
13 continue
! define"small"
wmin=wmax*(1.0e-6)
!zerothe"small"singularvalues
do14k=1,np
if(w(k).lt.wmin)w(k)=0.0
14 continue
write(*,*)'u'
doi=1,m
write(*,*)(a(i,j),j=1,n)
enddo
! 回代解方程
callsvbksb(a,w,v,m,n,mp,np,d,X)
!这时a就是u
!SUBROUTINEsvbksb(u,w,v,m,n,mp,np,b,x)
!INTEGERm,mp,n,np,NMAX
!REALb(mp),u(mp,np),v(np,np),w(np),x(np)
!PARAMETER(NMAX=500)
write(*,*)'v'
doi=1,np
write(*,*)(v(i,j),j=1,n)
enddo
write(*,*)'w'
doi=1,np
write(*,*)w(i)
enddo
write(*,*)'x'
write(*,*)(x(i),i=1,np)
end
用以上方法解式(4.1)就可以直接获得模型的解。当然一般来说写不出那样的数据方程,而是用泰勒公式近似的,所以用以上方法解第3章的最小二乘法的线性方程组公式(3.14),获得模型修改量,使反演的迭代过程可以稳定进行下去。
应用奇异值分解法并不要求系数矩阵为方阵,当G的维数M<N时,方程组Gm=d欠定,奇异值分解法得到的是最小长度解。当G的维数M>N时,方程组超定,得到最小方差解[1]。
[例1] m1+m2=2
这是一个欠定方程组。未知数个数大于方程个数,所以有无穷多个解,但是用奇异值分解法可以得到唯一解,这个解为最小长度解(解向量的长度最小)。
用上面程序解出m1=m2=0.999999≈1,从图4.1可知,符合[例1]方程的解有无穷多个,但是从原点到方程的直线的距离最小的点只有一个,这个点就是最小长度解。
图4.1 [例1]最小长度解示意图[1]
[例2]
这也是一个欠定方程组。用奇异值分解法也可以得到唯一最小长度解。
[例2]中第一个方程代表图4.2中FDCB所在的平面。第二个方程代表EDF所在的平面。这两个平面的相交线为FD所在的直线。FD直线上所有的点都是[例2]方程组的解。用奇异值分解法可以解出最小长度解(A点到原点的距离最小)。
图4.2 [例2]最小长度解示意图[1]
图4.3 [例3]最小方差解示意图
[例3]
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这是一个超定方程组,有2个未知数,3个方程,并且是一个矛盾方程组,因为无法同时满足3个方程,理论上这样的方程应该是无解的,但是奇异值分解法可以得到唯一解,即“最小方差解”。
图4.3所示黑点为奇异值分解法所得的“最小方差解”。它不满足[例3]中任何一个方程,但是它到每个方程所代表的直线的距离的平方和最小。
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