Matematiikka tekee näkymättömästä näkyvän (ja päinvastoin) Mikko Kaasalainen Matematiikan laitos TTY



Samankaltaiset tiedostot
Esimerkki - Näkymätön kuu

Tarinaa tähtitieteen tiimoilta FYSIIKAN JA KEMIAN PERUSTEET JA PEDAGOGIIKKA 2014 KARI SORMUNEN

SATURNUS. Jättiläismäinen kaasuplaneetta Saturnus on aurinkokuntamme toiseksi suurin planeetta heti Jupiterin jälkeen

HÄRKÄMÄEN HAVAINTOKATSAUS

SUHTEELLISUUSTEORIAN TEOREETTISIA KUMMAJAISIA

Ei välttämättä, se voi olla esimerkiksi Reuleaux n kolmio:

Maan ja avaruuden välillä ei ole selkeää rajaa

Tähtitieteessä SI-yksiköissä ilmaistut luvut ovat usein hyvin isoja ja epähavainnollisia. Esimerkiksi

Teollisuusmatematiikka. Samuli Siltanen Matematiikan ja tilastotieteen laitos Helsingin yliopisto Tieteen päivät

Kosmos = maailmankaikkeus

Tähtitiede Tutkimusta maailmankaikkeuden laidoilta Aurinkokuntaan

L a = L l. rv a = Rv l v l = r R v a = v a 1, 5

Dynaamiset regressiomallit

Kosmologia: Miten maailmankaikkeudesta tuli tällainen? Tapio Hansson

Pienkappaleita läheltä ja kaukaa

Syntyikö maa luomalla vai räjähtämällä?

pitkittäisaineistoissa

Tähtitiede harrasteena

KERTAUS KERTAUSTEHTÄVIÄ K1. P( 1) = 3 ( 1) + 2 ( 1) ( 1) 3 = = 4

Differentiaali- ja integraalilaskenta

Aine ja maailmankaikkeus. Kari Enqvist Helsingin yliopisto ja Fysiikan tutkimuslaitos

PRELIMINÄÄRIKOE PITKÄ MATEMATIIKKA

Gravitaatioaallot - uusi ikkuna maailmankaikkeuteen


1 Laske ympyrän kehän pituus, kun

Opetuskalvot aiheesta pietsokontrollerit

Luvun 8 laskuesimerkit

Euclid. Hannu Kurki- Suonio Kosmologian kesäkoulu 2015 Solvalla

matematiikka Tapio Helin Nuorten akatemiaklubi Helsinki Matematiikan ja tilastotieteen laitos

Fotometria Eskelinen Atte. Korpiluoma Outi. Liukkonen Jussi. Pöyry Rami

P(X = x T (X ) = t, θ) = p(x = x T (X ) = t) ei riipu tuntemattomasta θ:sta. Silloin uskottavuusfunktio faktorisoituu

Tarkastellaan tilannetta, jossa kappale B on levossa ennen törmäystä: v B1x = 0:

Aurinko. Tähtitieteen peruskurssi

Kuvantamisen matematiikka: tieteestä tuotteiksi

Fysiikan valintakoe , vastaukset tehtäviin 1-2

Laskennallinen menetelmä puun biomassan ja oksien kokojakauman määrittämiseen laserkeilausdatasta

Helsingin seitsemäsluokkalaisten matematiikkakilpailu Ratkaisuita

IMPEDANSSITOMOGRAFIA AIVOVERENVUODON DIAGNOSOINNISSA - TARVE UUDELLE TEKNOLOGIALLE

Luodin massajakauman optimointi

1 Tieteellinen esitystapa, yksiköt ja dimensiot

Solmu 3/2001 Solmu 3/2001. Kevään 2001 ylioppilaskirjoitusten pitkän matematiikan kokeessa oli seuraava tehtävä:

Jatkuvatoiminen monitorointi vs. vuosittainen näytteenotto

Avaruusromu - avaruusympäristöongelma. Jussi Markkanen EISCAT

Opetusmateriaali. Fermat'n periaatteen esittely

9. Polarimetria. Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I, Syksy 2017 Thomas Hackman (Kalvot JN, TH, MG & VMP)

FYSIIKAN HARJOITUSKOE I Mekaniikka, 8. luokka

Inversio-ongelmia ja matematiikan sovelluksia. Joonas Ilmavirta Matematiikan ja tilastotieteen laitos Jyväskylän yliopisto Täydennyskoulutus 5.6.

Metsähovin satelliitilaser lähiavaruuden kohteiden karakterisoinnissa

Satelliittipaikannus

Supernova. Joona ja Camilla

Harjoitustyö 3. Heiluri-vaunusysteemin parametrien estimointi

FYSP101/K1 KINEMATIIKAN KUVAAJAT

Keskeisvoimat. Huom. r voi olla vektori eli f eri suuri eri suuntiin!

1) Maan muodon selvittäminen. 2) Leveys- ja pituuspiirit. 3) Mittaaminen

MALLINNUSVIRHEIDEN HUOMIOIMINEN AKUSTISESSA TOMO- GRAFIASSA

Tähtitieteen historiaa

Mustien aukkojen astrofysiikka

Likimääräisratkaisut ja regularisaatio

Tähtitieteen peruskurssi Lounais-Hämeen Uranus ry 2013 Aurinkokunta. Kuva NASA


Impedanssitomografia-peli

Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

Tarvitseeko informaatioteknologia matematiikkaa?

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Kon Simuloinnin Rakentaminen Janne Ojala

Fysiikan kurssit suositellaan suoritettavaksi numerojärjestyksessä. Poikkeuksena kurssit 10-14, joista tarkemmin alla.

Mallipohjainen klusterointi

Kuva 1. Valon polarisoituminen. P = polarisaattori, A = analysaattori (kierrettävä).

Teoreetikon kuva. maailmankaikkeudesta

Harjoitus 9: Excel - Tilastollinen analyysi

Pietsoelementtien sovelluksia

Mikrobikriteereiden arviointi esimerkkinä kampylobakteeri

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Wien R-J /home/heikki/cele2008_2010/musta_kappale_approksimaatio Wed Mar 13 15:33:

Öljysäiliö maan alla

Matematiikka ja teknologia, kevät 2011

Laskun vaiheet ja matemaattiset mallit

KERTAUS KERTAUSTEHTÄVIÄ K1. P( 1) = 3 ( 1) + 2 ( 1) ( 1) 3 = = 4

= 6, Nm 2 /kg kg 71kg (1, m) N. = 6, Nm 2 /kg 2 7, kg 71kg (3, m) N

Jupiterin magnetosfääri. Pasi Pekonen 26. Tammikuuta 2009

(b) Tunnista a-kohdassa saadusta riippuvuudesta virtausmekaniikassa yleisesti käytössä olevat dimensiottomat parametrit.

Laskun vaiheet ja matemaattiset mallit

Miina ja Ville etiikkaa etsimässä

Johdatus tilastotieteeseen

Havaitsevan tähtitieteen pk I, 2012

TEHTÄVIEN RATKAISUT. b) 105-kiloisella puolustajalla on yhtä suuri liikemäärä, jos nopeus on kgm 712 p m 105 kg

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2017 Insinöörivalinnan matematiikan koe , Ratkaisut (Sarja A)

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 2: Usean muuttujan funktiot

Pimeän energian metsästys satelliittihavainnoin

Kenguru 2014 Benjamin (6. ja 7. luokka) sivu 1 / 7 ja Pakilan ala-aste

Tekijä Pitkä matematiikka Suoran pisteitä ovat esimerkiksi ( 5, 2), ( 2,1), (1, 0), (4, 1) ja ( 11, 4).

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I. Ilmakehän vaikutus havaintoihin. Jyri Lehtinen. kevät Helsingin yliopisto, Fysiikan laitos

Pimennys- yms. lisäsivut Maailmankaikkeus nyt -kurssi

6. TAIVAANMEKANIIKKA. Antiikki: planeetat = vaeltavia tähtiä jotka liikkuvat kiintotähtien suhteen

Planeetan määritelmä

INSINÖÖRIN NÄKÖKULMA FYSIIKAN TEHTÄVÄÄN. Heikki Sipilä LF-Seura

Nopeus, kiihtyvyys ja liikemäärä Vektorit

Kenguru 2012 Student sivu 1 / 8 (lukion 2. ja 3. vuosi)

TT00AA Ohjelmoinnin jatko (TT10S1ECD)

Lataa Matemaattinen mallinnus. Lataa

Transkriptio:

Matematiikka tekee näkymättömästä näkyvän (ja päinvastoin) Mikko Kaasalainen Matematiikan laitos TTY

Mitä inversio-ongelmat ovat? Seurauksista syihin: mikä on aiheuttanut havainnot? Havainnot pyritään selittämään matemaattisella mallilla Data on yleensä hyvin epäsuoraa, rajoittunutta ja usein epätarkkaa Onko malli yksikäsitteinen ja stabiili? Kuinka paljon se voi vaihdella? Paljon vaikeampaa kuin suora ongelma: matemaattinen analyysi ja käytännön ratkaisumetodien hakeminen olennaisia

Miksi käänteinen on vaikeaa? Vrt. päässälasku: laske 15129 1/2. Käänteisfunktio on hankalampi kuin suora 123 2 =(120+3) 2 =15129. Ratkaisun monikäsitteisyys: Oletetaan kaivon kansi ja sen (konveksi) aukko tasossa (2D). Minkä muotoinen kansi ei mene tason läpi aukosta missään asennossa (3D)? Hadamard 2: käänteiskuvauksen yksikäsitteisyys? Virheiden vuoksi: Vaikka formaali käänteisratkaisu olisi olemassa, voi pienikin virhe havainnoissa johtaa jopa rajattomaan virheeseen ratkaisussa. Hadamard 3: käänteiskuvauksen jatkuvuus? Mistä tiedämme mikä on maksimaalinen havainnoista johdettavissa oleva informaatio ja vastaava matemaattinen malli?

IP-Centre of excellence 6 korkeakoulua, kaikkea viruksista galakseihin, puhtaasta matematiikasta teollisuuden sovelluksiin Laaja kansainvälinen verkosto Johtava maailmassa Pitkällinen kokemus matemaattisista menetelmistä eri sovelluksissa

Hammastomografia Rajoitettujen kulmien röntgendata Täydellinen 3- ulotteinen malli hampaasta Tilastollinen inversio tuottaa tarkemman ratkaisun kuin perinteinen röntgenprojektio (Bayes: a posteriori - jakauma sisältää a priori -informaation)

Lääketieteellinen tomografia Radon-muunnos ~100 v. sitten aloitti kuvantamisen matematiikan (röntgendata) Monia tomografian menetelmiä: MRI, PET, jne. Uusia: EIT, diffuusiotomografia EIT perustuu Calderonin ongelman matemaattiseen ratkaisuun (2000-luku): sähkönjohtavuus kohteen sisällä ratkeaa jännitteen mittauksista pinnalla Rintasyöpä, keuhkotoiminta: kudokset johtavat sähköä eri tavoin

Sonar ja tutka Kaikuluotaus myös sivusuunnassa Täydellinen topografinen malli joen pohjasta Pulssien koodaus ja inversiomenetelmä olennaisia (voidaan mm. johtaa täydelliset koodit) Säätutka toimii matematiikan ansiosta hankalissakin olosuhteissa

Avaruustutkia Sodankylä EISCAT 32 m Arecibo 300 m Ionosfääri, avaruusromu, kuu, asteroidit

Galaksi ja pimeä aine Asumme kiekon reunalla Pöly estää näkemästä kaikkea Toisaalta paljon kaikenlaista nähtävissä tiheyden ansiosta Kuinka pimeä aine on jakautunut? Mitä se on? Siis: mikä potentiaalikenttä (=> materiajakauma) pitää systeemin kasassa?

Newtonin inversio-ongelman yleistys F 1/r 2 => ellipsirata (kartioleikkaukset) Inversio-ongelman ratkaisu: ellipsirata => 1/r 2 (kun liike fokuksen ympärillä) Kuinka tehdä tämä N>>2 kappaleelle (esim. miljardin tähden paikat ja nopeudet)? Tomografiaa kuudessa ulottuvuudessa!

Avaruustutkimus Kirkkauden mittaus asteroideista eri aikoina (kohde pyörii ja kulkee radallaan) Minkälainen kappale aiheutti havainnot? Täydellinen malli muodosta, pinnasta ja pyörimisestä

Aurinkokunta täynnä asteroideja Miljoonia kohteita ~1-100 km-luokassa, lukemattomia pienempiä Jokainen oma maailmansa Jurassic Park : asteroidit kertovat aurinkokunnan synnystä ja kehityksestä Samanlaisia vyöhykkeitä muillakin tähdillä Vain muutamasta asteroidista suoria kuvia

Matematiikka kartoittaa asteroidit Yleistettyjen projektioiden inversio-ongelma Tavalliset projektioalat eivät riitä (vrt. Reuleaux n kolmio) Eri katselu- ja valaistussuunnat antavat sekä yksikäsitteisen että stabiilin tuloksen kun käytetään apuna konveksisuusehtoa Testattu monin tavoin käytännössä Pidettiin mahdottomana ratkaista...

Eri suunnista tehtyjen havaintojen avulla kohde voidaan rekonstruoida Havaintojen teko edullista: usein pienikin kaukoputki ja CCD-kamera (+ohjelmisto) riittää

Uusia löytöjä: Aurinkomoottori YORP-ilmiö: auringonvalon kiihdyttämä pyöriminen löydettiin 1862 Apollon valokäyristä 2006 [Kaasalainen et al., Nature 446, 420 (2007)] Useita muita YORP-kohteita löydetty tämän jälkeen samalla tavoin Voi käyttää massan jne. määräämiseen Sorakasa -asteroidien hajoaminen, muodon muuttuminen; ratojen muuttuminen (Yarkovskyilmiö)

Uusi ilmiö aurinkokunnassa Auringonvalo vaikuttaa asteroidien liikkeeseen, siis myös siihen miten ne tulevat Maata kohti Voidaan käyttää myös törmäyksen torjumiseen (maalataan asteroidi sopivasti!)

Maahan törmännyt 2008TC3 Pieni (alle 10 m, massa 100 tonnia), hajosi ilmakehässä Palasia löytyi Afrikasta, siis tiedämme koostumuksen Lisäksi tiedämme lentoradan; ensimmäinen ennustettu törmäys Maahan... Joten kohteesta ehdittiin tehdä paljon kirkkaushavaintoja juuri ennen törmäystä: muoto ja pyöriminen (prekessointi)

Kartoitamme aurinkokunnan Seuraavien 10 vuoden aikana N*10 000 kartoitettua asteroidia Ainoa tapa poistaa viimeinen suuri aurinkokunnan valkoinen läikkä Tietokannat ja havaintoprojektit kansainvälisiä ja Internet-pohjaisia Useita survey-ohjelmia >2010: Pan-STARRS, LSST, Gaia, jne. Shape@home näytönsäästäjä: kartoita oma asteroidisi!

Avaruuslennot: kuinka nähdä näkymätön puoli ESA:n Rosetta-luotain ohitti Steins-asteroidin nopeasti ja näki vain yhden puolen (ja kaiken lisäksi tarkin kamera sammui) Toisen puolen rekonstruoimme kirkkausdatasta YORP on lingonnut asteroidia

Rosetta: Steinsin ohilento Ohilento kesti vain 7 minuuttia Lähin etäisyys n. 800 km, kohteen koko n. 5 km Nopeus kohteeseen nähden 8.6 km/s =31000 km/h

Hiilen kiertokulun mallit Monimutkainen systeemi Mallin valinta ja datan tulkinta: inversioongelma Erittäin altis virhetulkinnoille: mitkä parametrit ovat luotettavia? Mikä on järkevä ennusteaika?

Näkymättömyysviitta Valo kiertää kohteen: näyttää kuin sen tiellä ei olisi mitään Inversio-ongelma: millainen väliaineen malli poistaa havainnot kohteesta kokonaan?

Optinen madonreikä Valo kulkee näkymätöntä putkea pitkin ( Harry Potterin hiha ): vain ulostuloaukko näkyy Näin voisi tehdä vaikka 3-ulotteisen television Metamateriaalit (negatiivinen taitekerroin) putkessa/viitassa