地球科学中的大气物理学

地球物理学应用中的人工智能和动力系统

Alexei Gvishiani, Schmidt United Institute of Physics of

the Earth RAS, Russia

Jacques Octave Dubois, Institut de Physique du Globe de

Paris, France

Artificial Intelligence and Dynamic Systems for

Geophysical Applications

2002, 347pp.

Hardcover EUR 119.00

ISBN 3-540-43258-2

Springer-Verlag

本书是一套两卷的丛书，作者用新的人工智能和动力系统技术采集、管理和研究地球物理学数据。第1卷《地球物理学应用中的动力系统和动力学分类》已于1998年发表，本书为该丛书的第2卷，介绍地球物理学、地球动力学和自然灾害中应用新的几何分类归并方案、动力系统和模式识别算法等论题。原来的数学技术是建立在经典和模糊系模型上的，而应用本书描述的人工智能技术大大超越地球科学应用的界限。 全书分成两部分，共有6章。第一部分用人工智能分析地球物理数据(有3章)，涉及用几何分类归并和模糊逻辑解决地球物理数据分类问题的新概念和新方法。第1章动力学和模糊逻辑群集和分类；第2章地物理学、地震学和工程地震学中的应用；第3章地震易发区的识别和地震风险评估。第二部分分形和动力系统(有3章)，讨论不同的理论工具及它们在用大的地球物理数据集的自然系统模化中的应用，用分形和动力系统分析地貌(大陆和海洋)、水文、深海探测、重力、地震、地磁和火山所生成等的数据。第4章分形和多分形；第5章动力系统的特性和长时间系；第6章结论和远景。

本书可供从事地球物理学研究和实际工作的科学家、工程师，以及大学教师和高年级学生参考。

考试Ｔ＝Ｊ　２０１４＃－ｇ４２，１￣　

数学在地球物理学中的应用　

程丰波　马　征　范　开　周刘军　李闯建　

（中国矿业大学北京地球科学与测绘工程学院，北京　１０００８３）　

摘要：地球物理学是一门通过用数学知识解释地下异　

常体在各种场中的响应，从而为资源勘探、工程施工等提供指　

导的综合性学科。本文就矿井瞬变电磁法时深转换公式推导　

及直流电法勘探中均匀电流场球体电位推导阐述数学在地球　物理学中的重要性　

关键词：数学地球物理学拉氏变换　贝塞尔方程　

科学技术发展到今天，越来越显示科学技术化、技术科学　

化的趋势。地球物理学的发展离不开其理论研究的进步。而其　

理论研究则依托了数学、物理学、电子科学和计算机科学的最　

新成就。但是应用地球物理学教学学时较以前有大幅压缩和　

裁剪，这使得很多地球物理学本科毕业生缺乏扎实的与专业相　

关的数学知识从而使其对专业理论理解不深厚…．（２］。　

在进行地球物理勘探时，需要对勘探过程得到的信息进行处　

理，傅立叶级数与变换、拉普拉斯变换、微分方程求解等都是处理　

地球物理勘探信息的主要数学方法。此外。地球物理中的分支电磁　法勘探中的诸多理论知识都是依托大量数学知识发展起来的［３］。　

拉普拉斯变换是处理工程技术信息数据的一种常见数学　

方法。一个实变量函数在实数域中进行一些运算往往并不容　

易，但若将实变量函数作拉普拉斯变换，并在复数域中作各种　

运算，再将运算结果作拉普拉斯反变换来求得实数域中的相　

应结果，这样在计算上容易得多。拉普拉斯变换的这种运算步　

骤对于求解线性微分方程尤为有效．它可把微分方程化为容　

易求解的代数方程来处理，从而使计算简化［　］，［　］ｔ［　］－　

拉普拉斯变换有关概念在此不做详解。在用拉普拉斯变　

换解微分方程时常常用到它的以下性质：　

微分性质：Ｌ［ｆ　（ｔ）］＝ｐ｜ｌＬ［　ｔ）］—ｐ｜卜　０）一ｐｌ’（０）一．　（ｏ）　

积分性质：Ｌ［　ｆ（叮ｒ）ｄＴ］＝二Ｉ　［ｆ（ｔ）］　

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谈谈物理学中的“科学探究”

作者：庞小玲

来源：《中学教学参考·理科版》2012年第12期

科学探究是物理学科的一种新的教学内容和教学方法，物理学科是一门以实验为基础的学科，对初学物理的学生而言，生活中遇到的许多现象都是新奇而有趣的，因此把这些现象与物理知识联系起来，就会得到惊奇的答案。科学探究过程中的七要素是：（1）提出问题；（2）猜想与假设；（3）制订计划与设计实验；（4）分析与收集数据；（5）分析与论证；（6）评估；（7）交流与合作。

下面依次解读这些要素。

一、提出问题

物理学科的特点是和实际生活密切相关。教师要创设情景，让学生知道提出什么问题，让学生能从日常生活、自然现象或实验中发现与物理学有关的问题。

1.从日常生活中发现问题。在日常生活中，许多现象与物理息息相关。例如，学习《物态变化》后，知道物态变化在日常生活中很常见，因此，教师可以先播放一段天气预报，然后解释发现天气预报中除了报天气状况是晴朗或是多云或是有雨外，还会通报什么呢？同学们由此可以提出：温度是什么？温度又如何测量？对于温度知识，从学生熟悉的生活现象中提出问题，引导学生进行科学探究，还鼓励学生利用身边的材料进行实践、探究活动，这样有利于学生轻轻松松地学习相关的物理知识，拓展知识面，还有利于帮助学生树立科学的世界观。

2.从实验中发现问题。物理教学中，实验是重要组成部分，是学生学好物理的重要手段。例如，声音是人们交流信息的重要媒介，是日常生活中人们经常接触到的物理现象，对声音的产生和传播的探究，可以通过同学们唱歌、敲击鼓面等，引导学生提出：声音是怎样产生的呢？各种不同的声音为什么一听就可以区分呢……总之学生联系生活实际，就能提出很有探究价值的问题。

二、猜想和假设

猜想与假设，实质上就是引导学生根据生活经验对提出的问题进行猜想，即在提出问题后，让学生大胆猜想。

一、什么是正演问题和反演问题

在地球科学中，有两大问题是离不开的，正演问题和反演问题。由物理定律根据给定物理模型的参数计算出数据的问题是正演问题。而由观测数据通过适当的方法计算物理模型参数来重建物理模型的问题是反演问题。

由卫星云图预报天气、由遥感影像估计粮食产量都是正演问题。从思路上而言，正演问题比较简单。如果给定物理模型的系数，由物理定律能够计算出与观测数据相比对的理论数据。在模型比较精确的情况下，正演一般能够获得比较好的效果。当然，反演问题也在多个领域有应用，这里可以给出很多实例，比如太阳的内部结构探测、储油层厚度的估计、莫霍面深度的推断、核幔边界形态的分析等等。由于我们不单对模型系数不清楚，甚至有时对物理模型本身都不甚清楚，所以我们可以断言反演比正演问题将面临更多更大的困难。

根据百度百科，正演问题（direct problem）定义：在地球物理磁法勘探的理论研究中，根据磁性体的形状、产状和磁性数据，通过理论计算、模拟计算或模型实验等方法，得到磁异常的理论数值或理论曲线，统称为正演问题。反演问题（inversed problem）在磁法勘探理论研究和解释磁测成果时，根据磁异常特征，确定磁性体的形状、产状及其磁性等，称为“反演问题”。这个概念给的范围太狭隘，就简单的地磁勘探而已，所以仅作为参考。

二、哪个先提出来

现在有一个逻辑问题，是先有正演问题还是先有反演问题？似乎直观上先有前者，然而我认为，对大多数问题，尤其是系统复杂的问题，应当是先有后者。科学研究的先驱们没有今天的人有这么好的条件，不可能通过课堂学习系统地掌握成体系的知识，也没有条件去图书馆查阅资料，更不用说利用检索工具搜集信息了，他们掌握的资料和信息是极其的贫乏的。当先驱们涉足新的研究领域时，是没有经验可循的，也没有什么物理模型可以利用。他们看到的是规律或者说模型所呈现出来的现象，他们的任务是找出规律、建立模型，这个任务本身就是反演问题。