Математические основания геоморфологии (по статье А.С. Девдариани) (стр. 3 из 4)

В других случаях геометрические характеристики рельефа могут входить в область определения соответствия (6), определяя собой либо значения геологических, гидрологических, биогеографических и прочих факторов, которые в задачах, удовлетворяющих условию (8), рассматривались как рельефообразующие, либо (в геохронологических исследованиях) время. Этим случаям отвечает условие:

,(9)

где

— логический союз «и», означающий, что должны выполняться оба связываемые им высказывания. Примерами задач такого рода могут служить: установление зависимости характеристик потока от формы ложа, дешифрование геологического строения по очертаниям рельефа, измерение времени скоростью денудации. Отнесение такого рода задач к геоморфологии или к смежным к ней наукам в той или иной мере условно. Те из задач, которые можно отнести к геоморфологии, мы будем называть ее пограничными задачами. Таким образом, условие (9) является необходимым, но недостаточным точно так же, впрочем, как и условие (8), которому могут удовлетворять пограничные задачи смежных с геоморфологией наук.

В построении пространства состояний рельефа непременно, в явном или неявном виде, должно участвовать множество T элементов времени t. В неявном виде, принимая значения на одноэлементном множестве, оно присутствует, когда изучается состояние рельефа в фиксированный, современный или прошлый момент или промежуток времени. В таких случаях среди рассматриваемого множества элементов времени любые два элемента

и совпадают: . Явно время вводится при изучении развития рельефа. При этом мы, очевидно, должны иметь условие, противоположное предыдущему, а именно: .

В пределах внутренних задач геоморфологии, определяемых условием (8), а также приводимым ниже условием (10), можно либо не учитывать, либо учитывать рельефообразующие факторы. В первом случае имеет место условие

, во втором . Здесь — знак логического отрицания «не», который, будучи поставлен перед квантором существования , отрицает его, так что означает «не существует».

Накладывая на пространство (5) и соответствия (6) приведенные условия, можно поставить основные задачи геоморфологии и выделить разделы науки, в которых они решаются.

В пределах внутренних задач геоморфологии, т.е. при выполнении условий (8) или (10), логическое обоснование получают четыре раздела геоморфологии — геометрия, статика, кинематика и динамика рельефа, ранее выделявшиеся интуитивно (Девдариани, 1966).

Геометрия рельефа:

.

Изучаются очертания рельефа в фиксированный момент или промежуток времени. Наиболее часто встречающейся задачей геометрии рельефа является установление соответствий вида

, где под P понимается двумерное (карта) или одномерное (профиль) евклидово пространство. В частности, обозначив координаты точки земной поверхности в трехмерном пространстве , и положив , получим соответствие , под которым с одинаковым правом можно понимать и карту в горизонталях, и аппроксимирующую ее функцию .

Другая задача геометрии рельефа состоит в установлении зависимостей между различными геометрическими характеристиками рельефа, т.е. соответствий вида

. Примером такого соответствия, сформулированного в качественной форме, может служить утверждение, что с возрастанием высоты (принимающей значения на упорядоченном множестве G1) уклоны (принимающие значения на упорядоченном множестве G2) преимущественно (это слово указывает на неоднозначность соответствия, его вероятностный характер) возрастают.

Статика рельефа:

.

Изучаются зависимости очертаний рельефа от рельефообразующих факторов в фиксированный момент или промежуток времени. Очевидно, что такие зависимости имеют геоморфологический смысл, если рельеф достиг устойчивого равновесия (например, предельного профиля) и более не изменяется во времени.

Кинематика рельефа:

.

Изучаются изменения состояния рельефа во времени вне зависимости от вызывающих эти изменения рельефообразующих факторов. При этом могут использоваться два метода описания движения: а) Локальный метод, когда объектами наблюдения служат элементы p физического пространства (например, точки на карте), в которых с течением времени t изменяются геометрические характеристики рельефа g1, g2, …, gk. Соответствие (6) получает вид

.(10)

Здесь знак

обозначает логическое отношение эквивалентности, смысл которого состоит в том, что первое высказывание, утверждающее присутствие в области определения соответствия (6) множества M, требует осуществления второго высказывания, гласящего, что областью значений соответствия является только множество P, и наоборот. Выражение (10) является упоминавшимся выше вторым наряду с (8) условием, определяющим внутренние задачи геоморфологии.

Динамика рельефа:

.

Изучается развитие рельефа при активном или пассивном воздействии рельефообразующих факторов. Примером в терминах континуальной математики может служить уравнение развития продольного профиля реки:

, где H — высота точки профиля, A — постоянная, зависящая от его начальных очертаний; они представляют собой геометрические характеристики рельефа, принимающие значения на множествах G1 и G2 соответственно; t — время, принимающее значения на множестве T; F(x) — функция расстояния x, принимающего значения в одномерном евклидовом пространстве P; m — постоянная, зависящая от рельефообразующих факторов, принимающих значения на множествах B1, B2, …, Bl; e — основание натуральных логарифмов. Все перечисленные характеристики принимают значения из множества действительных чисел, и приведенное уравнение представляет собой конкретную форму функционального соответствия в многомерном евклидовом пространстве состояний

Рассмотрим бесконечную упорядоченную последовательность элементов времени:

Знак

указывает, что стоящий перед ним элемент предшествует элементу, стоящему после. Для элементов множества действительных чисел знак равносилен знаку < (меньше), а — знаку > (больше). Для элементов времени означает раньше, а позже. В указанной последовательности важнейшую грань образует момент (или промежуток) времени tн, в который произведены (или начаты) наблюдения за состоянием рассматриваемой системы. Для последующих элементов времени, , состояния рельефа определяются методами интерполяции и экстраполяции, а для предыдущих, — восстанавливаются историческим и методами, на основании сохранившихся свидетельств прошлых состояний. В соответствии с этим в каждом из разделов геоморфологии следует различать задачи: