Inverses Problem

Ein mathematisches Problem wird ein inverses Problem genannt, wenn man von einer beobachteten oder gewünschten Wirkung eines Systems auf die der Wirkung zugrunde liegende Ursache zurückschließen will. Inverse Probleme sind meistens sehr schwierig oder gar nicht lösbar.
Das Gegenteil eines inversen Problems ist ein direktes Problem (teilweise auch Vorwärtsproblem genannt), bei dem man ausgehend von der bekannten Ursache die Wirkung des Systems ableiten möchte.

Man unterscheidet gut gestellte und schlecht gestellte inverse Probleme. Neben Fragen der mathematisch-physikalischen Stabilität ist oft auch jene der numerischen Stabilität (etwa bei großen Normalgleichungs-Systemen) zu beachten. Zur Verbesserung der numerischen Stabilität kommen Regularisierungsverfahren zum Einsatz.

Erklärendes Beispiel

Diese abstrakte Erklärung und die Schwierigkeit von inversen Problemen kann man an einem Beispiel veranschaulichen: Ein Untersee-Boot befinde sich an einer Stelle x in einer Tiefe t im Meer.
Der Antrieb sende Schallwellen aus (Motoren- und Propellergeräusche).
Kennt man die Eigenschaften dieser Schallwellen (Stärke, Frequenz) und des übertragenden Mediums (Wasser), kann man leicht berechnen, wie laut ein Mikrofon an einer entfernten Stelle y das U-Boot hören kann. Das ist ein einfach zu lösendes, direktes Problem. Man schließt von der Ursache (Geräusch am Ort x in der Tiefe t) auf die Wirkung (akustisches Signal am Mikrofon). Im Rahmen der U-Boot Ortung möchte man umgekehrt aus dem am Ort y gemessenen Motorengeräusch wissen, wo und in welcher Tiefe sich das U-Boot befindet.
Dieses ist das zugehörige inverse Problem, bei dem man von der Wirkung auf die Ursache schließen möchte. Das Ortungsproblem ist ungleich schwieriger zu lösen. Hat man bei dem empfangenen Signal keine Informationen, aus welcher Richtung der Schall kommt, ist das Problem unlösbar, denn selbst wenn man die Eigenschaften der vom U-Boot ausgesandten Schallwellen kennt, kann man nur den Abstand des U-Bootes zum Empfänger ableiten, nicht aber Richtung und Tiefe.

Weitere Beispiele für inverse Probleme:

1. Bei der Computertomografie möchte man aus den Messungen eines beim Durchstrahlen eines Körpers geschwächten Röntgenstrahls (Wirkung) auf den örtlichen Verlauf der Röntgen-Absorption im Körperinnern (Ursache) schließen. Viele inverse Probleme treten im Zusammenhang mit tomografischen Fragestellungen auf.
2. Aufnahmen astronomischer Objekte sind manchmal durch die Eigenschaften der Aufnahmegeräte oder durch die Brechung der Erdatmosphäre in ihrer Qualität herabgesetzt. Man möchte von einem schlechten Bild (beobachtete Wirkung) auf das unverfälschte Bild des Objektes (Ursache) schließen.
3. Aus den gemessenen Signalen eines Erdbebens (Wirkung) möchte man Eigenschaften des Erdinneren ableiten (Ursache des Bebens).
4. Aus Lotabweichungen oder Schwereanomalien soll auf die Massenverteilung im Erdinnern geschlossen werden (Umkehrproblem der Potentialtheorie)
5. Die spektralen Daten der IR-Spektroskopie oder Raman-Spektroskopie einer Mischung von Gasen oder Flüssigkeiten stellen eine Überlagerung der Spektren der im Gemisch enthaltenen reinen Komponenten dar. Bei Kenntnis der Reinstoffspektren möchte man aus den unterschiedlich intensiven Peaks im Gemischspektrum (Wirkung) auf die Konzentrationen (Ursache) der einzelnen Komponenten im Gemisch schließen.
6. Das Kalibrieren von Parametern finanzmathematischer Modelle über Marktpreise gehandelter derivativer Instrumente (Swaptions, Caps, Floors etc.) ist ebenfalls ein inverses Problem.

Literatur

Allgemeine inverse Probleme

• Alfred Louis: Inverse und schlecht gestellte Probleme. Teubner, Stuttgart 2001, ISBN 3-519-02084-X.
• Andreas Rieder: Keine Probleme mit Inversen Problemen. Vieweg, Wiesbaden 2003, ISBN 3-528-03198-0.
• Albert Tarantola: Inverse Problem Theory. (als PDF), Society for Industrial and Applied Mathematics, Philadelphia 2005, ISBN 0-898-71572-5.
• Heinz W. Engl, Martin Hanke, und Andreas Neubauer: Regularization of inverse problems. Springer Netherland, Berlin 1996, ISBN 0-7923-4157-0.

Inverse Probleme in der medizinischen Bildgebung

• Frank Natterer: The Mathematics of Computerized Tomography. Society for Industrial and Applied Mathematics, Philadelphia 2001. ISBN 0-898-71493-1.
• Frank Natterer und Frank Wübbeling: Mathematical Methods in Image Reconstruction. Society for Industrial and Applied Mathematics, Philadelphia 2001, ISBN 0-898-71472-9.

Siehe auch

• A. N. Tikhonov
• Bildgebendes Verfahren