Математики РУДН и ИБРАЭ РАН предложили экспресс-вариант расчета распространения света

Математики РУДН и ИБРАЭ РАН предложили экспресс-вариант расчета распространения света

Математики РУДН и Института проблем безопасного развития атомной энергетики (ИБРАЭ) РАН предложили численный метод  решения уравнений по распространению света в среде.

Математики РУДН и Института проблем безопасного развития атомной энергетики (ИБРАЭ) РАН предложили численный метод  решения уравнений по распространению света в среде. За основу они взяли нелинейное уравнение эйконала с граничными условиями. Такая задача не решается напрямую, поэтому математики построили численный метод, провели расчеты и получили картину поведения таких решений. Результаты математиков  могут стать основой для полноценной теории приближенных решений подобных дифференциальных уравнений. Метод можно будет применить при производстве линз и оптических кристаллов. Статья опубликована в журнале Journal of Computational and Applied Mathematics.

Уравнение эйконала – нелинейное дифференциальное уравнение в частных производных. Оно описывает распространение света в среде и необходимо для решения задач оптики. С его помощью удается связать геометрическую оптику, которую проходят в школе, с волновой оптикой, которая описывается сложными уравнениями.

Традиционно для численного решения (то есть получения приближенного решения с достаточно высокой точностью) уравнения эйконала используют метод, который базируется на решении большой системы нелинейных уравнений.

Математики РУДН и ИБРАЭ использовали другой подход, который позволяет проще решать задачу для нелинейного уравнения эйконала численным методом. Для этого в уравнении делается замена переменных с добавлением параметра. После замены получаются новые уравнения, которые, с одной стороны, проще исходных — задача линейная. С другой стороны, их решения не являются решениями исходной системы. Однако при уменьшении параметра решения новой системы приближаются к решениям исходной.

Математики постепенно (с некоторым фиксированным шагом) уменьшали значение добавленного параметра и для каждого такого значения решали уравнение численно. Для каждого следующего значения параметра полученное решение сравнивалось с предыдущими вариантами. С уменьшением параметра решения изменялись все меньше и меньше, то есть результат расчетов стабилизировался. Как оказалось, решение с хорошей точностью находится при не очень малом значении параметра. Полученное решение бралось как приближение изначального уравнения.

Математики продемонстрировали, что такой метод показывает достаточно хорошие результаты на представительных модельных задачах.

«Вычислительная сложность – так называемые «вычислительные затраты» рассматриваемого нами подхода не больше, чем в других подходах. Но мы решаем линейную краевую задачу, что, конечно, менее трудоемко, чем решение нелинейной задачи», – пояснил автор исследования Петр Вабищевич, сотрудник Научного центра вычислительных методов в прикладной математике РУДН.

Вабищевич и его соавторы моделировали уравнение для анизотропных сред. С точки зрения физики, это такая среда, в которой физические свойства распространения света неодинаковы по разным направлениям. Материалы с такими свойствами широко используются сейчас при создании оптических приборов.

Помимо оптики, уравнение эйконала используется для численного решения уравнений, описывающих движение жидкости. Такое моделирование необходимо для создания реалистичной картинки в компьютерной графике - например, в фильме «Пираты Карибского моря» где вода не просто рисовалась, а рассчитывалась на физическом уровне. В этой области скорость расчета, которую потенциально может повысить метод, созданный математиками РУДН и ИБРАЭ, играет ключевую роль.

Статья:
Numerical solution of boundary value problems for the eikonal equation in an anisotropic medium
Численное решение краевых задач для уравнения эйконала в анизотропной среде
Journal of Computational and Applied Mathematics
Volume 362, 15 December 2019, Pages 55-67
DOI: /10.1016/j.cam.2019.05.016
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0377042719302511?via%3Dihub
Научное направление: Математика
Российский университет дружбы народов (RUDN University)

Новости
Все новости
Наука
26 октября
Команда ученых, в которую входит исследователь из РУДН, получила главную награду выставки «Золотая осень»

Коллектив ученых, которым руководит академик РАН Харон Амерханов, получил золотую медаль XXVIII Российской агропромышленной выставки «Золотая осень — 2026». Награда присуждена за разработку и внедрение ферментированных комбикормов из растительных отходов АПК и их использование в рационах сельскохозяйственных животных. Работа отмечена в конкурсе «За достижение высоких показателей в развитии племенного и товарного животноводства» по направлению «Научное обеспечение отраслей животноводства».

Наука
20 октября
«Небольшие биологические фабрики»: ученый РУДН Никита Митькин — о первых результатах исследования по «настройке» личинок на переработку разных видов отходов

Личинки мухи «чёрная львинка» в мире все чаще используются для утилизации отходов. Ученые института экологии РУДН поставили перед собой амбициозную задачу: понять, как тот или иной набор микроорганизмов в кишечнике личинок влияет на эффективность переработки разных видов отходов и как меняется состав микробиома в зависимости от условий питания. Никита Митькин — кандидат биологических наук, старший научный сотрудник института экологии РУДН, рассказал о первых результатах этого трехлетнего исследования. В частности, ученые доказали, что набор микроорганизмов микробиома способен перестраиваться. Теперь предстоит установить, какие именно изменения являются функционально полезными и можно ли воспроизвести их целенаправленно, «запрограммировав» личинок чёрной львинки на переработку определенного вида сырья.

Наука
20 октября
В РУДН разрабатывают прототип водородного источника электропитания

Коллектив института инженерных инновационных технологий РУДН под руководством старшего научного сотрудника Михаила Юрьевича Задорожного получил грант университета на разработку и исследование прототипа металлогидридной системы для аккумулирования энергии. Проект поддержан в рамках конкурса 2026 года на выполнение НИР/НИОКР научными коллективами под руководством молодых учёных.