Матус Петр Павлович родился в 1953 году в городском поселке Россь, Волковысского района, Гродненской области. После окончания в 1975 году факультета прикладной математики Белорусского государственного университета по специальности прикладная математика был направлен на работу в Институт математики Национальной академии наук Беларуси.
Прошел путь от стажера-исследователя до главного научного сотрудника. На протяжении многих лет был заведующим отдела численного моделирования и заместителем директора по научной и инновационной работе. Работая в должности заместителя директора организовал отдел информационных технологий, который до сих пор работает над выполнением прямых договоров с американскими компаниями и принес институту математики около 3 миллионов долларов. Общий стаж работы Матуса Петра Павловича в институте на сегодняшний день составляет 48 лет.
В 1980 году он защитил кандидатскую диссертацию на тему «О сходимости разностных схем одномерной газовой динамики» под руководством профессора В.Н. Абрашина (Институт математики НАН Беларуси) и профессора Ю.П. Попова (Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша Российской академии наук), а в 1995 году в Институте математического моделирования Российской академии наук докторскую диссертацию на тему «Разностные схемы на адаптивных сетках для краевых задач математической физики». В ВАК России она была признана наиболее интересной по специальности «вычислительная математика».
Решением Аттестационной коллегии Министерства образования РБ в апреле 1996 году ему присвоено звание профессора по специальности «Вычислительная математика», и в ноябре 2018 года был избран членом-корреспондентом Национальной академии наук Беларуси.
П.П. Матус известный математик, крупный специалист в области математического моделирования, являющегося интеллектуальным ядром современной информатики. Им выполнены основополагающие работы в области построения и исследования вычислительных методов адаптивного типа, позволяющие существенно сократить машинное время при моделировании прикладных задач на ЭВМ. Разработал теорию устойчивости операторно-разностных схем с переменными весовыми множителями. С помощью этой теории удалось построить новые эффективные вычислительные методы на адаптивных сетках. Автор пионерских работ по коэффициентной и нелинейной устойчивости решений дифференциально-операторных уравнений и операторно-разностных схем.
П.П. Матус опубликовал 4 книги, две из которых изданы на английском языке за рубежом, 187 научных статей в различных математических журналах, 111 из них опубликованы в западных журналах с импакт фактором, 10 статей опубликовано в журнале «Доклады Российской академии наук». Он является одним из создателей в 2001 году международного журнала на английском языке “Computational methods in applied mathematics”, который издается авторитетным германским издательством De Gruyter от имени Института математики НАН Беларуси. Журнал был создан для укрепления и расширения международного научного сотрудничества в области прикладной вычислительной математики и математического моделирования. За прошедшие годы CMAM стал авторитетным научным издательством. Он реферируется известными в мире математическими информационными службами, такими как Web of Science, Mathematical Reviews, Zentralblatt и имеет Импакт фактор 1.5. Под эгидой этого авторитетного журнала регулярно проводятся международные конференции. Уже состоялись 9 таких конференций: 2003 г. Минск; 2005г. Тракай, Литва; 2007 г. Минск; 2010 г. Познань, Польша; 2012 г. Берлин, Германия; 2014 г. Линц, Австрия; 2016 г. Ювяскуле, Финляндия; 2018 г. Минск; 2022 г. Вена, Австрия. Подобные конференции способствуют установлению и укреплению международных связей в области прикладной вычислительной математики.
Кратко остановимся на полученных П.П. Матусом научных результатов.
Сходимость. Центральным вопросом теории разностных схем является вопрос о сходимости. На протяжении всей своей научной деятельности он занимался изучением этого свойства для вычислительных метод, аппроксимирующих квазилинейные краевые задачи для уравнений математической физики с нелинейностями неограниченного роста. Именно такие уравнения с нелинейностями подобного типа наиболее часто встречаются при описании реальных физических процессов. Ему впервые совместно со своим научным руководителем профессором В.Н. Абрашиным и своими учениками удалось доказать сходимость в сильных энергетических нормах и сеточном аналоге равномерной нормы решений конечно-разностных методов, аппроксимирующих уравнения газовой динамики в переменных Лагранжа в предположении наличия слабых разрывов в решении дифференциальной задачи [5–9]. Используемый при этом так называемый ?-метод В.Н. Абрашина обладал одним существенным недостатком. Его применение было ограничено соотношениями сеточных шагов типа Куранта, что, во-первых, было неестественно для достаточно гладкого решения исходной дифференциальной задачи, и во-вторых это давало лишь условную сходимость и устойчивость. В своей классической работе [10] Петр Павлович предложил двухэтапный энергетический метод, позволяющий снять неестественные ограничения на шаги сетки и доказать безусловную сходимость решения разностных схем, аппроксимирующих нелинейные краевые задачи для уравнений в частных производных с наличием нелинейностей неограниченного роста. Отметим также цикл работ П.П. Матуса по получению согласованных оценок точности, когда решение принадлежит пространству Соболева и удовлетворяет дифференциальной задаче в частных производных лишь в обобщенном смысле [12–23].
В заключении этого раздела отметим еще один классический результат Матуса П.П. Как известно, основными понятиями теории разностных схем являются аппроксимация, устойчивость и сходимость. Связь между этими понятиями дается теоремой Филиппова–Рябенького, которая за рубежом известна как теорема эквивалентности Лакса: для согласованного конечно-разностного метода для корректно поставленной линейной начально-краевой задачи для уравнений в частных производных разностный метод сходится тогда и только тогда, когда он устойчив. В нелинейном случае из сходимости, вообще говоря, не следует устойчивость. В своей работе [24] Петр Павлович обобщил теорему Лакса на абстрактные нелинейные задачи. В нелинейном случае такой критерий удается установить лишь для безусловно устойчивых вычислительных методов. Проведенные исследования позволяют сделать вывод о тесной и неразрывной связи понятий устойчивости в дискретном и непрерывном случаях.
Устойчивость. Основной вопрос теории – о точности схемы – сводится к изучению погрешности аппроксимации и устойчивости схемы. Изучение устойчивости схемы базируется на получении априорных оценок решения разностной задачи через входные данные задачи, что является большой самостоятельной проблемой, требующей специального рассмотрения. Важность понятия устойчивости подчеркивается и корректностью дифференциальной или разностной задачи по Адамару: решение существует, единственно и непрерывно зависит от входных данных задачи. Если для анализа устойчивости разностных схем существует разработанная академиком А.А. Самарским и профессорам А.В. Гулиным теория устойчивости операторно-разностных схем с операторами, действующими в конечномерных гильбертовых пространствах, то для нелинейных разностных схем с нелинейностями неограниченного роста этот вопрос долгое время был открыт. В своей первой работе на эту тему [25] Петр Павлович доказал устойчивость решений разностных схем, аппроксимирующих квазилинейное уравнение параболического типа и уравнение переноса. В этой же работе отмечается, что предварительно нужно иметь априорные оценки всех производных, входящих в разностное уравнение, которые необходимы также для доказательства существования и единственности разностного решения. Если в линейном случае для получения априорных оценок для нестационарных задач через входные данные задачи используется известная лемма Гронуолла-Беллмана, то в нелинейном случае для этих целей он использовал сеточный аналог леммы Бихари [26]. Тем самым был указан какой математический аппарат необходимо привлекать для исследования вопросов устойчивости в нелинейных задачах. Кроме того, априорные оценки устойчивости были установлены лишь до конечного момента времени, связанного с появлением таких физических эффектов как градиентная катастрофа (возникновение ударных волн), blow-up (взрыв) в задачах с нелинейными источниками. Самое интересное заключается в том, что время возникновения таких катастроф устанавливается на основе поведения производных от входных данных задачи, которые априори известны. Дальнейшие результаты в этом направлении приведены в работах [16, 24, 27–33].
Коэффициентная устойчивость. Для приближенного решения нестационарных задач математической физики при дискретизации по времени наиболее часто используются двух – и трехслойные схемы. При исследовании их корректности основное внимание обычно уделяется устойчивости решения по начальным данным, правой части и граничным условиям. Однако при численном решении дифференциальной задачи может оказаться, что коэффициенты уравнений, выражающие конкретные характеристики непрерывной модели, вычисляются неточно в результате измерения приборами, наблюдений и т.п. Отсюда ясно, насколько важно изучение схем с возмущенными коэффициентами. На абстрактном уровне возникающие здесь проблемы главным образом связаны с выбором меры оценки нормы возмущения неограниченного операторного коэффициента. Последнее обстоятельство объясняет отсутствие результатов по коэффициентной устойчивости для нестационарных задач не только в теории операторно-разностных схем, но и в теории дифференциально-операторных уравнений. В своих совместных работах [34–49] с известными российскими учеными, академиком РАН А.А. Самарским, профессором П.Н. Вабищевичем, белградским профессором Б.С. Йовановичем и белорусским математиком С.В. Лемешевским, своей болгарской аспиранткой Й.Н. Понайотовой, П.П. Матус получил серьезные результаты по исследованию коэффициентной устойчивости для различных нестационарных задач математической физики. В этом списке публикаций отметим обзорную работу [43] и работы [48], [49]. В [43] впервые дано определение нормы возмущения неограниченного операторного коэффициента в банаховом пространстве, а две последние посвящены исследованию сильной устойчивости решения разностных схем, аппроксимирующих нелинейные и нестационарные задачи.
Монотонные схемы. Понятие монотонности является фундаментальным как с теоретической, так и с практической точки зрения при построении разностных схем заданного качества. Монотонные схемы удовлетворяют сеточному принципу максимума и обладают нескольким замечательными свойствами. Во-первых, из принципа максимума следует неотрицательность приближенного решения при неотрицательных входных данных, что очень важно для получения физически корректного решения и отсутствия нефизических осцилляций. Во-вторых, принцип максимума используется для исследования устойчивости и сходимости разностных схем в самой сильной равномерной норме. В-третьих, в результате реализации монотонных схем получаются хорошо обусловленные системы линейных алгебраических уравнений. Отметим наиболее существенные результаты, полученные Петром Павловичем в этом направлении. Для многомерных эллиптических и параболических уравнений со смешанными производными впервые построены и исследованы безусловно монотонные разностные схемы с сохранением второго порядка точности [50–54]; работы с испанскими математиками F.J. Gaspar и F.J. Lisbona [55–57], посвященные разработке и анализу монотонных схем для нелинейной Biot модели в теории упругости, фундаментальные работы [58–60] по изучению понятий устойчивости и монотонности для нелинейных уравнений в частных производных. Фундаментальной является также, и работа [61], в которой впервые для разностных схем, аппроксимирующих системы параболических и эллиптических уравнений сформулировано как само понятие монотонности, так и приведены соответствующие результаты. Укажем также важные работы П.П. Матуса [43], [62–65] по разработке соответствующего математического аппарата для анализа монотонных схем в нелинейных задачах математической физики.
Адаптивные сетки. Правильный выбор расчетной сетки в задачах математической физики всегда являлся важнейшим компонентом численного решения. Более грубую сетку имеет смысл использовать в местах достаточно плавного поведения решения, а более мелкую – вблизи различных особых точек (тепловых фронтов, ударных волн и др.). Самое главное, адаптивные сетки позволяют существенно сократить машинное время при математическом моделировании прикладных задач на ЭВМ. Свои первые работы в этом направлении П.П. Матус опубликовал еще в 1991 году. С тех пор в соавторстве с другими известными учеными были созданы уникальные вычислительные методы адаптивного типа, среди которых можно выделить алгоритмы на динамических локально сгущающихся сетках для многих классов уравнений в частных производных, построенные на базе специального усреднения Стеклова. За этот период была создана теория операторно-разностных схем с операторно весовыми множителями, позволяющая обосновать применение тех или иных вычислительных методов адаптивного типа в вычислительной практике. Полученные результаты опубликованы в более чем сорока журнальных статьях и трех монографиях, 2 из которых изданы на западе.
Компактные схемы. Одной из важнейших задач вычислительной математики является построение и исследование разностных схем повышенного порядка точности, аппроксимирующих уравнения математической физики. Среди таких методов большую популярность получили компактные схемы, которые записываются на стандартных для данного уравнения шаблонах. Это позволяет без увеличения каких-нибудь вычислительных затрат существенно увеличить точность разностных схем. Такие методы до недавнего времени были разработаны лишь для линейных уравнений математической физики как с постоянными, так и переменными коэффициентами. Естественно, они не представляли интерес для математического моделирования сложных физических процессов. В последние годы П.П. Матус совместно со своими аспирантами существенно развил теорию компактных схем на полулинейные и квазилинейные уравнения параболического и гиперболического типов. Среди них уравнение Клейна-Гордона (используется для изучения солитонов и физике конденсированного вещества), уравнение Фишера (встречается при описании биологических процессов, теории горения и т.д.). Основные результаты по данной тематике отражены в работах [64–69].
О совместных работах с А.А. Самарским. Александр Андреевич Самарский советский и российский математик, академик российской академии наук, ученый с мировым именем, герой Социалистического труда, основоположник метода математического моделирования, автор более 30 монографий и 500 научных статей, первый в мире провел расчеты атомной и термоядерной бомб. Оказал огромное влияние на развитие вычислительной математики в Беларуси. За огромные заслуги перед нашей республики в 2000 году был избран Почетным членом Национальной академии наук Беларуси. После успешной защиты докторской диссертаций в Москве в 1995 году А.А. Самарский пригласил П.П. Матуса для совместной с ним и профессором П.Н. Вабищевичем (кстати, тоже белорусом) работы в области вычислительной математики. Период их плодотворного сотрудничества длился практически 10 лет. Получено много замечательных результатов, которые отражены в 33 научных статьях и 2-х монографиях, одна из которых была издана за рубежом [2, 3]. Характеристика полученных результатов отражена в статье П.П. Матуса, которая опубликована в книге [70], посвященной столетию со дня рождения знаменитого ученого. Приведем здесь лишь описание одной научной идеи построения вычислительных методов на адаптивных сетках.
При построении адаптивных численных алгоритмов приближенного решения задач математической физики часто приходится использовать неравномерные сетки. При переходе от равномерной сетки к неравномерной порядок локальной аппроксимации обычно падает. Мы обратили внимание на возможность повышения локальной точности метода за счет аппроксимации исходного дифференциального уравнения не в узлах расчетной сетки, а в некоторых промежуточных точках расчетной области. В случае прямоугольных сеток – это центр массы системы материальных точек единичной массы, входящих в шаблон схемы. А.А. Самарским, П.Н. Вабищевичем, П.П. Матусом [71–74] для одномерных нестационарных задач построены и исследованы различные классы конечно-разностных методов повышенного порядка аппроксимации на неравномерных прямоугольных сетках. В последующих работах этих же авторов полученные результаты обобщаются на многомерные эллиптические уравнения, причем построенные алгоритмы обладают свойством монотонности. Отметим, что разностные схемы повышенного (второго и третьего) порядка аппроксимации были известны и ранее. Однако монотонность таких схем имеет место при очень жестких ограничениях на шаги сеток – фактически речь идет о квазиквадратных сетках. Среди наиболее важных обобщений в данном направлении отметим возможность построения аналогичных алгоритмов и для произвольных многосвязных областей [75, 76]. Фактически на 7, 8-точечных шаблонах для двумерного уравнения Пуассона удалось построить монотонные схемы второго порядка аппроксимации. Аналогичные методы построены для трехмерных задач и уравнений конвекции-диффузии [77].
О прикладных исследованиях П.П. Матуса. На основе предложенных и изученных вычислительных методов разработаны комплексы программ и проведено прямое моделирование многих прикладных задач физики и техники с помощью ЭВМ в рамках различных научно-технических программ. Среди них взаимодействие ядерных взрывов, электроэрозионная обработка металлов [78], течение жидкости в разветвленных гидроприводах машин [79], закупорка и разгерметизация системы анероидно-мембранных приборов самолетов, анализ процесса высокоэнергетической ионной имплантации при производстве новых приборов в микроэлектронике [80–82], исследование газодинамического следа в атмосфере, моделирование тепловых режимов космических аппаратов. В рамках четырех проектов ИНТАС выполнены исследования по задачам лазерной технологии и гидро-экологическим проблемам.
Петр Павлович ведет большую научно-организованную, педагогическую и общественную работу, неоднократно являлся приглашенным лектором крупнейших международных конференций, проводимых в США, Германии, Австрии, Финляндии, Турции и многих других странах. Подготовил и защитил 21-го кандидата физико-математических наук, член редколлегии двух отечественных и шести зарубежных журналов, руководитель городского семинара по математическому моделированию, член экспертного совета по математике ВАК Республики Беларусь.