Schlecht gestellte Probleme - Oder wenn das Ungenaue genauer ist

Zusammenfassung.

Wenn die Dichteverteilung in einem Körper bekannt ist, lässt sich ausrechnen, wie stark ein Röntgenstrahl abgeschwächt wird, wenn er den Körper in einer bestimmten Richtung durchläuft. Das umgekehrte Problem lautet: Kann man die Dichteverteilung im Körper bestimmen, wenn man weiß, wie stark Röntgenstrahlen in jeder vorgegebenen Richtung abgeschwächt werden? Auf der Lösung dieser Umkehraufgabe beruht ein wichtiges medizinisches Diagnoseverfahren, die so genannte Computertomografie (CT). Paare von zueinander inversen Problemen kommen häufig vor. Aus einem Modell für einen Ursache-Wirkungszusammenhang kann entweder aus bekannten Ursachen die Wirkung berechnet werden, oder aber umgekehrt, aus der (beobachteten) Wirkung lässt sich auf die Ursache(n) zurückschließen. Mathematisch geht es darum, Gleichungen zu lösen. Für die Praxis ist Gleichung aber nicht gleich Gleichung! Gleichungen hängen (fast immer) von Daten (Parametern) ab. Diese kennt man in der Regel meist nur ungenau, weil sie durch Messung bestimmt werden müssen und daher fehlerhaft sind. Das ist nicht weiter schlimm, falls sich die Lösung nur wenig ändert, wenn sich die Daten wenig ändern. Was aber, wenn eine geringfügige Veränderung der Daten eine massive Veränderung der Lösung bewirkt? Solche Probleme nennt man schlecht gestellt, englisch ill-posed. Die Pointe ist, dass man schlecht gestellte Probleme unter gewissen Bedingungen doch (einigermaßen) zufriedenstellend lösen kann. Das ist allerdings nicht offensichtlich. Aber es ist gut so: andernfalls würden verschiedene so genannte nicht-invasive medizinische Diagnoseverfahren nicht funktionieren. Warum soll man sich als Mathematiklehrerin, als Mathematiklehrer für schlecht gestellte inverse Probleme interessieren?

- Es geht um ein Thema der Mathematik des zwanzigsten Jahrhunderts, das man in den Grundzügen aufgrund von Kenntnissen verstehen kann, die nicht wesentlich über dem Niveau des gymnasialen Mathematikunterrichts liegen.

- Das Thema eignet sich daher auch für die Schule, und zwar auf verschiedenen Stufen.

- Das Thema zeigt exemplarisch, welche Bedeutung Mathematik heute für alle hat.

Unser Anliegen ist es, einer breiten Leserschaft einen Einstieg in das Thema „schlecht gestellte inverse Probleme“ anzubieten. Eine für Schülerinnen und Schüler der Sekundarstufen geeignete Version findet man in [4].