научная статья по теме НОВАЯ ФОРМУЛА ОБРАЩЕНИЯ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ОДНОЙ ОБРАТНОЙ ЗАДАЧИ ДИФРАКЦИИ Математика

Текст научной статьи на тему «НОВАЯ ФОРМУЛА ОБРАЩЕНИЯ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ОДНОЙ ОБРАТНОЙ ЗАДАЧИ ДИФРАКЦИИ»

ЖУРНАЛ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАТЕМАТИКИ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ, 2007, том 47, < 1, с. 16-20

УДК 519.634

НОВАЯ ФОРМУЛА ОБРАЩЕНИЯ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ОДНОЙ ОБРАТНОЙ ЗАДАЧИ ДИФРАКЦИИ1}

© 2007 г. Т. М. Иванова, Т. И. Савёлова

(115409 Москва, Каширское ш., 31, МИФИ) e-mail: akmenukas@mtu-net.ru Поступила в редакцию 26.04.2006 г.

Для решения основной задачи количественного текстурного анализа получена новая формула обращения с использованием производящей функции для полиномов Лежандра. Библ. 9.

Ключевые слова: функция распределения ориентаций зерен кристаллов, полюсная фигура, производящая функция для полиномов Лежандра.

ВВЕДЕНИЕ

Аналитический подход к описанию текстуры поликристаллических материалов все более применяется в физике металлов и геофизике, чему во многом способствует усовершенствование как экспериментальной аппаратуры - рентгеновской, нейтронографической, ультразвуковой, так и вычислительной техники.

Наиболее полно описание текстуры поликристаллических материалов достигается с помощью функции распределения ориентаций зерен (ФРО). Прямое измерение ФРО еще не достаточно распространено и мало доступно. Обычной практикой является измерение полюсных фигур (ПФ) путем рентгеновской или нейтронной дифракции. Основная задача количественного текстурного анализа состоит в восстановлении ФРО по конечному набору экспериментальных ПФ. Знание ФРО позволяет более полно исследовать многие физические свойства поликристаллов, а также физические процессы, влияющие на формирование текстуры.

Решению задачи восстановления ФРО посвящено много работ, полная библиография содержит более ста наименований (см., например, [1]-[7]). Наибольшее распространение получил гармонический метод (см. [6]), связанный с разложением ФРО и ПФ в ряды Фурье, соответственно, по обобщенным сферическим функциям на группе вращений SO(3) и классическим сферическим функциям на сфере S2. В [1] было указано на неединственность решения данной задачи, вызванную экспериментальной неразличимостью направлений h и -h. Измеренные ПФ не несут информации о нечетной части ФРО, таким образом, удается восстановить только ее четную составляющую. В [3] указано также на неустойчивость суммирования ряда Фурье относительно погрешностей вычисления коэффициентов, вызванных ошибками измерения ПФ.

В [1], [2] приведены формулы обращения для решения задачи восстановления ФРО по ПФ. Эти формулы не получили практического применения, но оказались важными для понимания данной проблемы. В [2] впервые показана связь задачи восстановления с преобразованием Радона. Это сделано путем перехода от группы вращений SO(3) в трехмерное проективное пространство UP3.

В данной работе с помощью производящей функции для полиномов Лежандра получена новая формула обращения для четной части функции распределения ориентаций.

1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ГРУППЕ SO(3)

Пусть группа вращений трехмерного пространства SO(3) параметризована с помощью углов Эйлера {у, Ф, ф}, 0 < у, ф < 2п, 0 < Ф < п, и g = {у, Ф, ф} - элемент группы. Пусть в некотором

базисе пространства U единичный вектор h имеет сферические координаты {Ф, у}. Тогда считаем, что углы Эйлера определены так, что для вращения g = {у, Ф, ф} вектор gh направлен по

Работа выполнена при финансовой поддержке проекта INTAS < 03-51-6092.

НОВАЯ ФОРМУЛА ОБРАЩЕНИЯ 17

оси Oz. Это означает, что в данном базисе вращение имеет ортогональную матрицу, в третьей строке которой стоят декартовы координаты вектора Ь:

( \

cos ф cos у cos Ь -sin ф sin у cos ф sin у cos Ь + sin ф sin у -cos ф sin Ь

-sin ф cos у cos Ь -cos ф sin у -sin ф sin у cos Ь + cos ф cos у sin ф sin Ь

sin Ь cos у sin Ь sin у cos Ь

(1)

поэтому в случаях, когда это удобно, будем писать

g = {у, Ь, ф} = {h, ф}.

Обратное вращение g1 = {п - ф, Ь, п - у} имеет транспонированную по отношению к (1) матрицу, и координаты вектора h содержатся в ее третьем столбце. Инвариантная мера на SO(3) имеет вид (см. [8], [9])

dg = —-—sin (Ь)^у^Ь^ф, 8п2

так что для любой интегрируемой на группе функции f(g) верно соотношение

j f(g0g)dg = j f(ggo)dg. (2)

SO (3) SO(3)

Неприводимые представления {Tlg }, l = 0, 1, 2, ..., группы SO(3) в некотором базисе являются унитарными матрицами размерности 21 + 1, элементы которых - обобщенные сферические функции (см. [8])

Tmn (g) = е-'тф - оту Pmn (cos Ь), причем, в силу унитарности, имеем

TT (g-1) = T7 (g). (3)

Для функций TT (g) и PT (cos Ь) выполняются соотношения ортогональности (см. [9])

f rr,mn, \7fSq, ч j ^is^mr^nq /i*

j Ti (g) Ts (g) dg = -^T+i' (4)

SO(3)

п

^mn /

Vncnir imcnicinini/m =

21 + Г

j PTn( cos Ь) PTn( cos Ь) sin (Ь) dЬ = 2^. (5)

0

Если m = n = 0, то обобщенные шаровые функции совпадают с полиномами Лежандра порядка l

T (g) = PT (cos fl) = Pi(cos fl), (6)

а при m = 0, n Ф 0 они с точностью до множителя являются классическими сферическими функциями

т0п ({ ь, ф}) = ^^г+Г ¥" ( ь ) • (7)

Теорема сложения для обобщенных сферических функций имеет вид (см. [9])

I

т7Ъг §2) = X т7к( §1) тк1"( g2) • (8)

k = -l

Всякая функция f(g), интегрируемая с квадратом модуля на SO(3):

J f(g)l'dg < + (9)

SO(3)

18 ИВАНОВА, САВЁЛОВА

может быть разложена в ряд Фурье по обобщенным шаровым функциям, сходящийся в среднем (см. [8]):

I I

= xx x стпттп (10)

I = 0 т = -1п = —

2. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ УТВЕРЖДЕНИЯ

Лемма 1. Пусть Ь и у - единичные векторы, к1, gъ g е 80(3) и g1 = {Ь, 0}, £2 = {у, 0}. Тогда скалярное произведение (Ь, ¿у) равно элементу матрицы произведения вращений (кgg21 )33.

Доказательство. Согласно (1), третья строка в g1 содержит координаты вектора Ь, а третий

столбец в g21 - координаты вектора у. Произведению вращений соответствует произведение матриц, откуда и следует утверждение леммы.

Из (6) видно, что Т0 (К) зависит только от со8 Ф, т.е. только от элемента (к)33. Поэтому верна

Лемма 2. При условиях леммы 1 выполнено равенство

Р((Ь, gy)) = Т00 (gl gg-1).

Из теоремы сложения (8) и леммы 2 получаем

Следствие 1. Для полиномов Лежандра, зависящих от скалярного произведения (Ь, gy), имеет место разложение

¡1 ¡1 Р(( Ь, g у)) = xx Т 0г (gl) тгА g) тТ (g-1) = xx т 0Г ({ Ь, 0 }) тг,д( g) Т °9({ у, 0 }).

г = -¡д = -I г = -¡д = -I

Рассмотрим производящую функцию для полиномов Лежандра (см. [9]) со скалярным произведением (Ь, ку) в качестве аргумента и параметром р2:

^((Ь, gy), р2) = . 2 1 —. (11)

л/1-2 р2( Ь, gy) + р4

Лемма 3. При 0 <р2 < 1 функция ^((Ь, gy), р2) интегрируема с квадратом модуля на 80(3) и разлагается в абсолютно сходящийся ряд по обобщенным шаровым функциям.

Доказательство. Пусть g1, g2 - вращения, указанные в условии леммы (1), g = {у, Ф, ф} и е = = {0, 0}. Вычислим интеграл от квадрата модуля производящей функции, используя свойство инвариантности (2):

г _¿К_ = г _¿К_ = г _¿К_=

(3) 1 - 2 р2 (Ь к у) + р4 80( 3) 1 - 2 р2( Ь к!1 КК2У ) + р4 0(3) 1 - 2 р2 ( К: ь КК2У ) + р4

2

4п ¿х 1,1 + р - = -1п-— < +га

2 , 4 ~ 2 , 2

г _<К_= г ^ = — г -

^ 1-2 р2 (е, к е) + р4 1-2 р2со8 Ф + р4 8 л2-М-2 р2 х + рч 2 р2 1- р

Принимая во внимание лемму (2) и следствие (1), имеем

га га 5 5

xр2X((Ь, КУ)) = xxx р25^^Ь, 0})тТ({у, 0})тгд(К). (12)

га га 5 5

1 V 25П ,,, чч V V 25^0^ Г1 п-¡^тгАд,

л/1-2 р2 (Ь, к у) + р

4

5 = 0 5 = 0 г = -5 д = -5

Этот ряд сходится абсолютно при р2 < 1, так как мажорируется суммой бесконечно убывающей геометрической прогрессии со знаменателем р2. Лемма доказана.

НОВАЯ ФОРМУЛА ОБРАЩЕНИЯ 19

3. ФОРМУЛА ОБРАЩЕНИЯ ДЛЯ ОСНОВНОЙ ЗАДАЧИ КОЛИЧЕСТВЕННОГО ТЕКСТУРНОГО АНАЛИЗА

Функция распределения ориентаций зерен в поликристаллических материалах fg), g е SO(3) связана с полюсной фигурой Ph(y), h, y е S2, описывающей распределение кристаллографических плоскостей с вектором нормали h интегральным уравнением (см. [1])

2 п

Ph(y) = 1 j{ f ({h, ф}-1{у, 0}) + f({-h, ф}-1{у, 0})^ф. (13)

о

Считается, что ФРО допускает представление в виде сходящегося ряда (10). Подставляя разложение (10) в (13) и выполняя почленное интегрирование, получаем ряд для ПФ. Обычно его пишут в виде разложения по классическим сферическим функциям, нам же удобнее представить этот ряд в виде

^ l l l

Ph(у) = Ш ^Ir11 CTTT({h, 0})T0n({y, 0}). (14)

l = 0 m = -In = -l

Четная часть ФРО получается при суммировании ряда (10) по четным значениям l:

^ l l l feven(g)=Ш L±yJI cmnTmn( g). (15)

l = 0 m = —l n = -l

Теорема. Если ФРО обладает свойством (9) и известны все полюсные фигуры, то четная составляющая ФРО восстанавливается по формуле

Ге n( g) = _Ц llm dp dip f f - Ph(ydhdy . (16)

16п2p -dp dp f ¿71-2p2(h, gy) + p4

Доказательство. По условию теоремы, ФРО, а значит, и ПФ являются суммами сходящихся рядов Фурье; кроме того, согласно лемме (3), ряд для производящей функции сходится абсолютно. Перемножим ряды (12) и (14) и проинтегрируем полученный ряд. Учитывая соотношения ортогональности (4) и (5), получаем

С х l l l

ff - Ph (y)dhdy ^ = fji x x x щ-иcmnT0m({h, 0})T0n({y, 0}) x

S2Sw1"2p2(h, gy) + p4 S2S2Vl = 0m = -ln = -l

^ s s

ll

l 2l

х x x x Р2*Т0г({ь, 0})т09({у, о})тл§) dьау = 16п2x x x г±^гг1-р—*стптГ(§) •

(21 +1)

5 = 0 Г = —5 ^ = -5 / 1 = 0 т = —1 п = —1 ^ ^

Получившийся в (17) ряд допускает почленное дифференцирование по параметру при р2 < 1. Имеем

1 1 - ■ - а 21 ~ 11

1+ (-1) p mn mn sr V V 1 + (-1) n2lr mn rpmn,

(2l + 1 )2

l = 0 m = —l n = -l v ' l =0 m = —l n =-l

U d ^ V X"1 1+ (-1) p ^mn^mn, . ^ X"1 1+ (-1) 2l/r-ImnT,mn, ч /,0>

-npTnp x x x T- c 1 (g) = xxx C T (g). (18)

Поскольку ряд (10) сходится, то сходится и его четная часть (15), и по теореме Абеля получаем, что ^ i i i ^ i i i Дт xxx p стч g) = xxx L4-il cmnTmn( g) • (19)

i = 0 m = -in = -i i = 0 m = -in = -i

Левая часть формулы (19) представляет собой четную составляющую ФРО (15). Теорема доказана.

Подынтегральное выражение, фигурирующее в (16), близко к сингулярному при

h = gy и p2 —- 1.

20 ИВАНОВА, САВЁЛОВА

Отметим, что если в (16) не переходить к пределу, а зафиксировать некоторое значение р2 = р0 < 1, то это приведет к размазыванию пиков распределения, т.е. к заглаживанию данных. Так, в случае распределения Лоренца с центром к0 и параметром т

1 - т2

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком