<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.1 20151215//EN" "http://jats.nlm.nih.gov/publishing/1.1/JATS-journalpublishing1.dtd">
<article xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" article-type="research-article" dtd-version="1.1">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="pmc">CMES</journal-id>
<journal-id journal-id-type="nlm-ta">CMES</journal-id>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">CMES</journal-id>
<journal-title-group>
<journal-title>Computer Modeling in Engineering &#x0026; Sciences</journal-title>
</journal-title-group>
<issn pub-type="epub">1526-1506</issn>
<issn pub-type="ppub">1526-1492</issn>
<publisher>
<publisher-name>Tech Science Press</publisher-name>
<publisher-loc>USA</publisher-loc>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">20926</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.32604/cmes.2022.020926</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Article</subject>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Nonlinear Electrical Impedance Tomography Method Using a Complete Electrode Model for the Characterization of Heterogeneous Domains</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Nonlinear Electrical Impedance Tomography Method Using a Complete Electrode Model for the Characterization of Heterogeneous Domains</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">Nonlinear Electrical Impedance Tomography Method Using a Complete Electrode Model for the Characterization of Heterogeneous Domains</alt-title>
</title-group>
<contrib-group content-type="authors">
<contrib id="author-1" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Park</surname><given-names>Jeongwoo</given-names>
</name></contrib>
<contrib id="author-2" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Jung</surname><given-names>Bong-Gu</given-names>
</name></contrib>
<contrib id="author-3" contrib-type="author" corresp="yes">
<name name-style="western"><surname>Kang</surname><given-names>Jun Won</given-names>
</name><email>jwkang@hongik.ac.kr</email></contrib>
<aff><institution>Department of Civil and Environmental Engineering, Hongik University</institution>, <addr-line>Seoul, 04066</addr-line>, <country>Korea</country></aff>
</contrib-group>
<author-notes>
<corresp id="cor1"><label>&#x002A;</label>Corresponding Author: Jun Won Kang. Email: <email>jwkang@hongik.ac.kr</email></corresp>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub" date-type="pub" iso-8601-date="2022-09-19"><day>19</day>
<month>09</month>
<year>2022</year></pub-date>
<volume>134</volume>
<issue>3</issue>
<fpage>1707</fpage>
<lpage>1735</lpage>
<history>
<date date-type="received">
<day>20</day>
<month>12</month>
<year>2021</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>11</day>
<month>5</month>
<year>2022</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>&#x00A9; 2022 Park, Jung and Kang</copyright-statement>
<copyright-year>2023</copyright-year>
<copyright-holder>Park, Jung and Kang</copyright-holder>
<license xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<license-p>This work is licensed under a <ext-link ext-link-type="uri" xlink:type="simple" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">Creative Commons Attribution 4.0 International License</ext-link>, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.</license-p>
</license>
</permissions>
<self-uri content-type="pdf" xlink:href="TSP_CMES_20926.pdf"></self-uri>
<abstract>
<p>This paper presents an electrical impedance tomography (EIT) method using a partial-differential-equation-constrained optimization approach. The forward problem in the inversion framework is described by a complete electrode model (CEM), which seeks the electric potential within the domain and at surface electrodes considering the contact impedance between them. The finite element solution of the electric potential has been validated using a commercial code. The inverse medium problem for reconstructing the unknown electrical conductivity profile is formulated as an optimization problem constrained by the CEM. The method seeks the optimal solution of the domain&#x2019;s electrical conductivity to minimize a Lagrangian functional consisting of a least-squares objective functional and a regularization term. Enforcing the stationarity of the Lagrangian leads to state, adjoint, and control problems, which constitute the Karush-Kuhn-Tucker (KKT) first-order optimality conditions. Subsequently, the electrical conductivity profile of the domain is iteratively updated by solving the KKT conditions in the reduced space of the control variable. Numerical results show that the relative error of the measured and calculated electric potentials after the inversion is less than 1%, demonstrating the successful reconstruction of heterogeneous electrical conductivity profiles using the proposed EIT method. This method thus represents an application framework for nondestructive evaluation of structures and geotechnical site characterization.</p>
</abstract>
<kwd-group kwd-group-type="author">
<kwd>Electrical impedance tomography</kwd>
<kwd>complete electrode model</kwd>
<kwd>inverse medium problem</kwd>
<kwd>Karush-Kuhn-Tucker (KKT) optimality conditions</kwd>
<kwd>nondestructive evaluation of structures</kwd>
</kwd-group>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<label>1</label>
<title>Introduction</title>
<p>Electrical impedance tomography (EIT) is a nondestructive evaluation method that infers the electrical conductivity, permittivity, or impedance of structures using the surficial measurement of electrical responses due to currents. The method seeks to construct a tomographic image of an object by estimating the spatial distribution of its impedance or electrical conductivity. EIT has been recognized as a highly applicable technique in medical imaging, industrial process monitoring, and near-surface site characterization due to its ease of field experimentation, economic feasibility, and superior ability to penetrate structures. When a structure experiences electric potential difference, current flows from the point of high potential to the point of low potential. In other words, when the electric current is input to a structure, electric potential distribution is formed within the structure and on its boundary. If a structure is heterogeneous, the path of electric current is different from the homogeneous case. Therefore, the electric potential distribution of a structure depends on its material heterogeneity [<xref ref-type="bibr" rid="ref-1">1</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-2">2</xref>].</p>
<p>The problem of reconstructing the material properties of a structure using the measured electrical response from the surface can be defined as an inverse medium problem. Many mathematical algorithms and numerical strategies have been proposed to improve the solution to this problem. For example, mathematical and statistical regularization methods have been proposed to relieve the ill-posedness of the inverse problem and improve the solution convergence [<xref ref-type="bibr" rid="ref-3">3</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-6">6</xref>]. Representative methods for solving the nonlinear EIT problem include the back-projection method [<xref ref-type="bibr" rid="ref-7">7</xref>], one-step Newton method [<xref ref-type="bibr" rid="ref-8">8</xref>], D-bar method [<xref ref-type="bibr" rid="ref-9">9</xref>], and block method [<xref ref-type="bibr" rid="ref-10">10</xref>]. Recent studies have also investigated combining the EIT technique with neural networks to improve the accuracy of the tomographic image reconstruction of structures [<xref ref-type="bibr" rid="ref-11">11</xref>]. Such developments have been primarily applied to medical imaging for cancer detection and brain activity imaging. In civil engineering, research on the feasibility of applying the EIT to structural condition assessment or site characterization has been increasing recently. Recent applications of the EIT to civil structures include crack detection in pipes buried in the ground [<xref ref-type="bibr" rid="ref-12">12</xref>], ground saturation monitoring, and damage detection in carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) materials [<xref ref-type="bibr" rid="ref-13">13</xref>]. To successfully implement the EIT, it is essential to have an efficient and accurate forward solver. In civil engineering applications, however, ensuring the accuracy of the forward solution remains a challenge because of the wide range of material properties, scales, and contact impedance between electrodes and structures.</p>
<p>For improving the previous development of the EIT for civil structures, this study proposes a nonlinear inversion method using a complete electrode model (CEM), targeting the reconstruction of the electrical conductivity profile of heterogeneous domains. The CEM comprises the Laplace equation for electric potential and the boundary conditions that express the current input to the structure via surface electrodes [<xref ref-type="bibr" rid="ref-14">14</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-16">16</xref>]. Because the CEM enables the realistic modeling of the interface between the structure and electrodes, accurate solutions of the electric potential in the structural medium and the electrodes are expected. The forward solution generated by the CEM is used within the nonlinear inversion framework for reconstructing the electrical conductivity profile of structures. Specifically, the inverse problem is resolved using a partial differential equation (PDE)-constrained optimization approach. This approach seeks the optimal solution of the medium&#x2019;s electrical conductivity to minimize a Lagrangian, which comprises a least-squares objective functional augmented by the weak imposition of the governing PDE and boundary conditions from the CEM. Enforcing the stationarity of the Lagrangian leads to state, adjoint, and control problems, which constitute the Karush-Kuhn-Tucker (KKT) optimality conditions. They are the first-order optimality conditions resulting from the first variation of the Lagrangian with respect to state, adjoint, and control variables. The electrical conductivity profile of the domain is then iteratively updated by solving the KKT conditions in the reduced space of the control variable. A conjugate gradient method with an inexact line search is used for the iterative solution of the electrical conductivity. To the best of the authors&#x2019; knowledge, the EIT method based on the PDE-constrained optimization using the CEM and KKT conditions has been presented for the first time. The proposed inverse EIT problem deals with the Laplace equation, Robin, and Neumann boundary conditions in the PDE-constrained optimization. There are similar EIT approaches developed so far, but they mostly deal with Neumann or Dirichlet boundary conditions to solve the forward problem [<xref ref-type="bibr" rid="ref-17">17</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-19">19</xref>]. Some recent studies have included the Robin boundary condition to reflect the contact impedance between the domain and electrode boundaries, but their inverse formulation and optimization schemes are different from the present study [<xref ref-type="bibr" rid="ref-20">20</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-21">21</xref>].</p>
<p>The remainder of this paper is organized as follows: In <xref ref-type="sec" rid="s2">Section 2</xref>, the forward problem described by the CEM is presented. In <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref>, the formulation of the electrostatic inverse medium problem is presented using the Lagrangian functional and the first-order optimality conditions. In <xref ref-type="sec" rid="s4">Section 4</xref>, the inversion process used to iteratively update the electrical conductivity profile in the reduced space is described. <xref ref-type="sec" rid="s5">Section 5</xref> discusses numerical examples for a series of cases in which homogeneous and heterogeneous electrical conductivity profiles are reconstructed. Finally, <xref ref-type="sec" rid="s6">Section 6</xref> presents the conclusions of the study. Finite differences for a non-unifrom grid are well shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-19">Figs. A1</xref>&#x2013;<xref ref-type="fig" rid="fig-21">A3</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<label>2</label>
<title>Forward Problem</title>
<sec id="s2_1">
<label>2.1</label>
<title>Problem Statement Using the Complete Electrode Model</title>
<p>To solve the inverse medium problem using measured electric potential values, it is first necessary to resolve the electrostatic forward problem for calculating the electric potential due to the current input. This study uses the CEM as a mathematical model for the forward problem. The CEM accounts for the current loss that occurs when the current flows to a low impedance material through an electrode and the voltage drops due to the contact impedance between the structural surface and electrode [<xref ref-type="bibr" rid="ref-14">14</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-22">22</xref>]. The current loss and voltage drop influence the measured electric potential values detected by the electrodes. As the CEM considers both the contact impedance and current loss at the electrodes, the error between the calculated electric potential and the experimentally derived electric potential is generally smaller than that computed using other models. <xref ref-type="fig" rid="fig-1">Fig. 1</xref> schematically shows a circular structure with electrodes on its surface. Solving the forward problem using the CEM reveals the electric potential inside the structure and that at the electrodes due to the current input through the electrodes.</p>
<fig id="fig-1">
<label>Figure 1</label>
<caption>
<title>Schematic of a circular structure and surface electrodes</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_20926-fig-1.png"/>
</fig>
<p>The forward problem described by the CEM can be formulated as the following boundary value problem:</p>
<p><disp-formula id="eqn-1"><label>(1)</label><mml:math id="mml-eqn-1" display="block"><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-2a"><label>(2a)</label><mml:math id="mml-eqn-2a" display="block"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-2b"><label>(2b)</label><mml:math id="mml-eqn-2b" display="block"><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-2c"><label>(2c)</label><mml:math id="mml-eqn-2c" display="block"><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2216;</mml:mi></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x222A;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-1"><mml:math id="mml-ieqn-1"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the structural domain, <inline-formula id="ieqn-2"><mml:math id="mml-ieqn-2"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the scalar electric potential, <inline-formula id="ieqn-3"><mml:math id="mml-ieqn-3"><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the electrical conductivity, <inline-formula id="ieqn-4"><mml:math id="mml-ieqn-4"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the outward unit normal on the boundary <inline-formula id="ieqn-5"><mml:math id="mml-ieqn-5"><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-6"><mml:math id="mml-ieqn-6"><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> denotes the <inline-formula id="ieqn-7"><mml:math id="mml-ieqn-7"><mml:mi>l</mml:mi></mml:math></inline-formula>th electrode, <inline-formula id="ieqn-8"><mml:math id="mml-ieqn-8"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the <inline-formula id="ieqn-9"><mml:math id="mml-ieqn-9"><mml:mi>l</mml:mi></mml:math></inline-formula>th electrode boundary, <inline-formula id="ieqn-10"><mml:math id="mml-ieqn-10"><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the contact impedance of <inline-formula id="ieqn-11"><mml:math id="mml-ieqn-11"><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-12"><mml:math id="mml-ieqn-12"><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the injected current at <inline-formula id="ieqn-13"><mml:math id="mml-ieqn-13"><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-14"><mml:math id="mml-ieqn-14"><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the electric potential at <inline-formula id="ieqn-15"><mml:math id="mml-ieqn-15"><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-16"><mml:math id="mml-ieqn-16"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the number of electrodes. To ensure the existence and uniqueness of solutions, we add</p>
<p><disp-formula id="eqn-3"><label>(3)</label><mml:math id="mml-eqn-3" display="block"><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>to the model. To determine the reference point for the electric potential,</p>
<p><disp-formula id="eqn-4"><label>(4)</label><mml:math id="mml-eqn-4" display="block"><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></disp-formula>must be satisfied. We multiply <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-1">Eq. (1)</xref> by a test function <inline-formula id="ieqn-17"><mml:math id="mml-ieqn-17"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> and integrate it over the domain <inline-formula id="ieqn-18"><mml:math id="mml-ieqn-18"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which results in</p>
<p><disp-formula id="eqn-5"><label>(5)</label><mml:math id="mml-eqn-5" display="block"><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.</mml:mn></mml:math></disp-formula></p>
<p>Using the boundary conditions <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-2a">(2a)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-2c">(2c)</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-5">Eq. (5)</xref> can be rewritten as</p>
<p><disp-formula id="eqn-6"><label>(6)</label><mml:math id="mml-eqn-6" display="block"><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.</mml:mn></mml:math></disp-formula></p>
<p>Next, we integrate <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-2a">Eq. (2a)</xref> over <inline-formula id="ieqn-19"><mml:math id="mml-ieqn-19"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, which results in</p>
<p><disp-formula id="eqn-7"><label>(7)</label><mml:math id="mml-eqn-7" display="block"><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mo maxsize="2.047em" minsize="2.047em">(</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mo maxsize="2.047em" minsize="2.047em">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-7">Eq. (7)</xref> is multiplied by a test value <inline-formula id="ieqn-20"><mml:math id="mml-ieqn-20"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, divided by <inline-formula id="ieqn-21"><mml:math id="mml-ieqn-21"><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and summed for all electrodes, which yields</p>
<p><disp-formula id="eqn-8"><label>(8)</label><mml:math id="mml-eqn-8" display="block"><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.</mml:mn></mml:math></disp-formula></p>
<p>Adding <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-6">Eqs. (6)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-8">(8)</xref> results in</p>
<p><disp-formula id="eqn-9"><label>(9)</label><mml:math id="mml-eqn-9" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p><xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-9">Eq. (9)</xref> is the weak form of the forward problem. The electric potential <inline-formula id="ieqn-22"><mml:math id="mml-ieqn-22"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula> in the domain and the potential <inline-formula id="ieqn-23"><mml:math id="mml-ieqn-23"><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">U</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at the electrodes are approximated using Legendre basis functions <inline-formula id="ieqn-24"><mml:math id="mml-ieqn-24"><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> and basis vectors <inline-formula id="ieqn-25"><mml:math id="mml-ieqn-25"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">n</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, respectively:</p>
<p><disp-formula id="eqn-10"><label>(10)</label><mml:math id="mml-eqn-10" display="block"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2245;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-11"><label>(11)</label><mml:math id="mml-eqn-11" display="block"><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">U</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x2245;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">U</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">n</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-26"><mml:math id="mml-ieqn-26"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the number of nodes in the finite element mesh. The coefficient <inline-formula id="ieqn-27"><mml:math id="mml-ieqn-27"><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the nodal value of <inline-formula id="ieqn-28"><mml:math id="mml-ieqn-28"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-29"><mml:math id="mml-ieqn-29"><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the unknown parameter for linearly combining vectors <inline-formula id="ieqn-30"><mml:math id="mml-ieqn-30"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">n</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-31"><mml:math id="mml-ieqn-31"><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">U</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> is a vector consisting of the electric potential at each electrode. The basis vectors <inline-formula id="ieqn-32"><mml:math id="mml-ieqn-32"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">n</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> are defined as</p>
<p><disp-formula id="eqn-12"><label>(12)</label><mml:math id="mml-eqn-12" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">n</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22EE;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">n</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22EE;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">n</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22EE;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">n</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22EE;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>The choice of <inline-formula id="ieqn-33"><mml:math id="mml-ieqn-33"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">n</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> ensures that <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-4">Eq. (4)</xref> is satisfied. The test function <inline-formula id="ieqn-34"><mml:math id="mml-ieqn-34"><mml:mi>v</mml:mi></mml:math></inline-formula> and the value of <inline-formula id="ieqn-35"><mml:math id="mml-ieqn-35"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> at the electrode can be similarly approximated as</p>
<p><disp-formula id="eqn-13"><label>(13)</label><mml:math id="mml-eqn-13" display="block"><mml:msup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-14"><label>(14)</label><mml:math id="mml-eqn-14" display="block"><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">V</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">n</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-36"><mml:math id="mml-ieqn-36"><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">V</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> is a vector consisting of the value of <inline-formula id="ieqn-37"><mml:math id="mml-ieqn-37"><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula> at each electrode. By substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-10">Eqs. (10)</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-11">(11)</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-13">(13)</xref>, and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-14">(14)</xref> into the weak form represented by <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-9">Eq. (9)</xref>, a linear system of equations for unknown vector <inline-formula id="ieqn-38"><mml:math id="mml-ieqn-38"><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">u</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> can be obtained</p>
<p><disp-formula id="eqn-15"><label>(15)</label><mml:math id="mml-eqn-15" display="block"><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">Ku</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">F</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">B</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">C</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">C</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">T</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">D</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">I</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>where the matrices and vectors are written as</p>
<p><disp-formula id="eqn-16a"><label>(16a)</label><mml:math id="mml-eqn-16a" display="block"><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-16b"><label>(16b)</label><mml:math id="mml-eqn-16b" display="block"><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-16c"><label>(16c)</label><mml:math id="mml-eqn-16c" display="block"><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-16d"><label>(16d)</label><mml:math id="mml-eqn-16d" display="block"><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing=".2em" columnspacing="1em" displaystyle="false"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2260;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-17"><label>(17)</label><mml:math id="mml-eqn-17" display="block"><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">I</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22EE;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-18"><label>(18)</label><mml:math id="mml-eqn-18" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22EE;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22EE;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>In <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-16d">Eq. (16d)</xref>, <inline-formula id="ieqn-39"><mml:math id="mml-ieqn-39"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the length of the <inline-formula id="ieqn-40"><mml:math id="mml-ieqn-40"><mml:mi>l</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">h</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> electrode. Solving <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-15">Eq. (15)</xref> yields nodal values of the electric potential in the domain as well as the values of <inline-formula id="ieqn-41"><mml:math id="mml-ieqn-41"><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The potentials <inline-formula id="ieqn-42"><mml:math id="mml-ieqn-42"><mml:msubsup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> at the electrodes can be obtained as follows:</p>
<p><disp-formula id="eqn-19"><label>(19)</label><mml:math id="mml-eqn-19" display="block"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">U</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">h</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22EE;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22EE;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="s2_2">
<label>2.2</label>
<title>Validation of Forward Solutions</title>
<p>For validation, the forward solutions are compared to the solutions obtained using Technology Computer-Aided Design (TCAD) software. TCAD is used for modeling electronic design processes and the behavior of electrical devices based on fundamental physics [<xref ref-type="bibr" rid="ref-23">23</xref>]. <xref ref-type="fig" rid="fig-2">Fig. 2</xref> shows the configuration of a circular domain with a radius of 10 cm. The electrical conductivity of the domain is <inline-formula id="ieqn-43"><mml:math id="mml-ieqn-43"><mml:mn>1.56</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>cm</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. A total of 16 electrodes is arranged to cover 50% of the boundary; a current of 0.78 A is input into the fifth electrode, and it flows out through the 13th electrode. The contact impedance of the electrodes is <inline-formula id="ieqn-44"><mml:math id="mml-ieqn-44"><mml:mn>9.8</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. In this case, the potential of the fifth electrode is 10 V. <xref ref-type="fig" rid="fig-3">Fig. 3</xref> shows the distribution of the calculated electric potential within the domain due to the current input. The numerical solution calculated using the CEM is very close to the result obtained using the TCAD software.</p>
<fig id="fig-2">
<label>Figure 2</label>
<caption>
<title>Homogeneous circular domain and finite element mesh for validating the forward solution</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_20926-fig-2.png"/>
</fig><fig id="fig-3">
<label>Figure 3</label>
<caption>
<title>Calculated electric potential, <bold><italic>u</italic></bold>(<bold><italic>x</italic></bold>), in the homogeneous circular domain</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_20926-fig-3.png"/>
</fig>
<p>The error of the forward solution relative to the TCAD result can be calculated using the following equation:</p>
<p><disp-formula id="eqn-20"><label>(20)</label><mml:math id="mml-eqn-20" display="block"><mml:mrow><mml:mtext>Error&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0025;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>TCAD</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>TCAD</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>100.</mml:mn></mml:math></disp-formula></p>
<p><xref ref-type="table" rid="table-1">Table 1</xref> shows the electric potential values at each electrode and the corresponding relative errors. The maximum error is 3.37%, which demonstrates the accuracy of the forward solution. <xref ref-type="fig" rid="fig-4">Fig. 4</xref> depicts the electric potential, <inline-formula id="ieqn-45"><mml:math id="mml-ieqn-45"><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, calculated at each electrode.</p>
<table-wrap id="table-1">
<label>Table 1</label>
<caption>
<title>Electric potential values at each electrode (calculated using the CEM and TCAD) and the corresponding relative errors</title>
</caption>
<table frame="hsides">
<colgroup>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th>Position</th>
<th>CEM (V)</th>
<th>TCAD (V)</th>
<th>Error (%)</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>1</td>
<td>10.00</td>
<td>10.00</td>
<td>0.00</td>
</tr>
<tr>
<td>2</td>
<td>6.93</td>
<td>7.03</td>
<td>1.42</td>
</tr>
<tr>
<td>3</td>
<td>6.05</td>
<td>6.07</td>
<td>0.33</td>
</tr>
<tr>
<td>4</td>
<td>5.48</td>
<td>5.48</td>
<td>0.00</td>
</tr>
<tr>
<td>5</td>
<td>5.00</td>
<td>5.00</td>
<td>0.00</td>
</tr>
<tr>
<td>6</td>
<td>4.52</td>
<td>4.52</td>
<td>0.00</td>
</tr>
<tr>
<td>7</td>
<td>3.95</td>
<td>3.93</td>
<td>0.51</td>
</tr>
<tr>
<td>8</td>
<td>3.07</td>
<td>2.97</td>
<td>3.37</td>
</tr>
<tr>
<td>9</td>
<td>0.00</td>
<td>0.00</td>
<td>0.00</td>
</tr>
<tr>
<td>10</td>
<td>3.07</td>
<td>2.97</td>
<td>3.37</td>
</tr>
<tr>
<td>11</td>
<td>3.95</td>
<td>3.93</td>
<td>0.51</td>
</tr>
<tr>
<td>12</td>
<td>4.52</td>
<td>4.52</td>
<td>0.00</td>
</tr>
<tr>
<td>13</td>
<td>5.00</td>
<td>5.00</td>
<td>0.00</td>
</tr>
<tr>
<td>14</td>
<td>5.48</td>
<td>5.48</td>
<td>0.00</td>
</tr>
<tr>
<td>15</td>
<td>6.05</td>
<td>6.07</td>
<td>0.33</td>
</tr>
<tr>
<td>16</td>
<td>6.93</td>
<td>7.03</td>
<td>1.42</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap><fig id="fig-4">
<label>Figure 4</label>
<caption>
<title>Graphical representation of the electrical potential at each electrode</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_20926-fig-4.png"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s2_3">
<label>2.3</label>
<title>Mesh-Type Dependency of the Forward Solution</title>
<p>For investigating the dependency of the forward solutions on the finite element mesh, two mesh types are explored: a radial mesh composed of eight-node quadrilateral elements and a mixed mesh with a square section inside. <xref ref-type="fig" rid="fig-5">Fig. 5</xref> illustrates these two types of meshes.</p>
<fig id="fig-5">
<label>Figure 5</label>
<caption>
<title>Two finite element mesh types for forward and inverse analyses</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_20926-fig-5.png"/>
</fig>
<p><xref ref-type="fig" rid="fig-6">Fig. 6</xref> shows a circular domain with a radius of 15 cm and electrodes attached to its boundary. The domain is assumed to be homogeneous, with an electrical conductivity of <inline-formula id="ieqn-46"><mml:math id="mml-ieqn-46"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which is typical of concrete materials. A total of 32 electrodes is arranged on the boundary and are spaced evenly to cover 50% of the boundary (as for the domain described in <xref ref-type="sec" rid="s2_2">Section 2.2</xref>). A current with a cosine pattern along the perimeter is input to each electrode. The magnitude of the current at each electrode is <inline-formula id="ieqn-47"><mml:math id="mml-ieqn-47"><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula id="ieqn-48"><mml:math id="mml-ieqn-48"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the total number of electrodes, and <inline-formula id="ieqn-49"><mml:math id="mml-ieqn-49"><mml:mi>l</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the index for the electrode number. The contact impedance of the electrodes is <inline-formula id="ieqn-50"><mml:math id="mml-ieqn-50"><mml:mn>0.22</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. <xref ref-type="fig" rid="fig-7">Fig. 7</xref> presents the forward solutions calculated using the two meshes displayed in <xref ref-type="fig" rid="fig-5">Fig. 5</xref>. <xref ref-type="fig" rid="fig-7">Fig. 7c</xref> shows the calculated electric potential values at the electrodes on the boundary. The two results show that the forward solution changes minimally with the mesh type.</p>
<fig id="fig-6">
<label>Figure 6</label>
<caption>
<title>Homogeneous circular domain with 32 electrodes on the boundary</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_20926-fig-6.png"/>
</fig><fig id="fig-7">
<label>Figure 7</label>
<caption>
<title>Forward solutions calculated using the two meshes</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_20926-fig-7.png"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec id="s3">
<label>3</label>
<title>Inverse Problem</title>
<sec id="s3_1">
<label>3.1</label>
<title>PDE-Constrained Optimization</title>
<p>The problem of reconstructing the electrical conductivity profile of a structure using the electric potential measured at surface electrodes can be formulated as the following PDE-constrained optimization problem:</p>
<p><disp-formula id="eqn-21"><label>(21)</label><mml:math id="mml-eqn-21" display="block"><mml:munder><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">min</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>The objective functional <inline-formula id="ieqn-51"><mml:math id="mml-ieqn-51"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> consists of a misfit functional in a least-squares sense and a regularization term <inline-formula id="ieqn-52"><mml:math id="mml-ieqn-52"><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. The misfit functional is expressed as the sum of the squared differences between the calculated electric potential <inline-formula id="ieqn-53"><mml:math id="mml-ieqn-53"><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and the measured electric potential <inline-formula id="ieqn-54"><mml:math id="mml-ieqn-54"><mml:msubsup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> at electrode <inline-formula id="ieqn-55"><mml:math id="mml-ieqn-55"><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. This optimization problem is constrained by the governing <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-1">Eq. (1)</xref> and boundary conditions <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-2a">(2)</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-4">(4)</xref> of the forward problem. To relieve the ill-posedness of the inverse problem, the regularization term <inline-formula id="ieqn-56"><mml:math id="mml-ieqn-56"><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is included in the objective functional <inline-formula id="ieqn-57"><mml:math id="mml-ieqn-57"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula>. In this study, the Tikhonov (TN) regularization scheme is used; thus, the regularization term can be written as</p>
<p><disp-formula id="eqn-22"><label>(22)</label><mml:math id="mml-eqn-22" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-58"><mml:math id="mml-ieqn-58"><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is a regularization factor that controls the penalty to the gradient of the electrical conductivity <inline-formula id="ieqn-59"><mml:math id="mml-ieqn-59"><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Although TN regularization cannot accurately capture sharply varying material profiles, it still assists the inversion process in narrowing the feasibility space of solutions and improving the solution convergence.</p>
</sec>
<sec id="s3_2">
<label>3.2</label>
<title>First-Order Optimality Conditions</title>
<p>The PDE-constrained optimization problem can be converted to an unconstrained optimization problem using a Lagrange multiplier method. Specifically, the objective functional <inline-formula id="ieqn-60"><mml:math id="mml-ieqn-60"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> can be augmented by <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-1">Eqs. (1)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-2b">(2b)</xref> to construct the Lagrangian functional <inline-formula id="ieqn-61"><mml:math id="mml-ieqn-61"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,</p>
<p><disp-formula id="eqn-23"><label>(23)</label><mml:math id="mml-eqn-23" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-62"><mml:math id="mml-ieqn-62"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-63"><mml:math id="mml-ieqn-63"><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> are Lagrange multipliers applied to the left-hand terms of the governing equation and boundary conditions, respectively. The electrical conductivity <inline-formula id="ieqn-64"><mml:math id="mml-ieqn-64"><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> that minimizes the Lagrangian is the solution to the inverse problem. For the optimal solutions, first-order optimality conditions are introduced, which enforce the first variation of the Lagrangian with respect to state variables <inline-formula id="ieqn-65"><mml:math id="mml-ieqn-65"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-66"><mml:math id="mml-ieqn-66"><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, adjoint variables <inline-formula id="ieqn-67"><mml:math id="mml-ieqn-67"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-68"><mml:math id="mml-ieqn-68"><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and the control variable <inline-formula id="ieqn-69"><mml:math id="mml-ieqn-69"><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:math></inline-formula> to vanish.</p>
<sec id="s3_2_1">
<label>3.2.1</label>
<title>First Optimality Condition: State Problem</title>
<p>At the optimum of the Lagrangian, its first variation with respect to the adjoint variables <inline-formula id="ieqn-70"><mml:math id="mml-ieqn-70"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-71"><mml:math id="mml-ieqn-71"><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> should vanish. Introducing the stationarity conditions <inline-formula id="ieqn-72"><mml:math id="mml-ieqn-72"><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-73"><mml:math id="mml-ieqn-73"><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> results in the state problem, which is identical to the forward problem presented in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-1">Eqs. (1)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-2a">(2)</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s3_2_2">
<label>3.2.2</label>
<title>Second Optimality Condition: Adjoint Problem</title>
<p>At the optimum of the Lagrangian, its first variation with respect to the state variables <inline-formula id="ieqn-74"><mml:math id="mml-ieqn-74"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-75"><mml:math id="mml-ieqn-75"><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> should vanish as well. Applying the stationarity requirements, <inline-formula id="ieqn-76"><mml:math id="mml-ieqn-76"><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-77"><mml:math id="mml-ieqn-77"><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula>, to the Lagrangian yields</p>
<p><disp-formula id="eqn-24"><label>(24)</label><mml:math id="mml-eqn-24" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mspace width="1em" /><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>Because <inline-formula id="ieqn-78"><mml:math id="mml-ieqn-78"><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-79"><mml:math id="mml-ieqn-79"><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> are arbitrary, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-24">Eq. (24)</xref> results in the following adjoint problem:</p>
<p><disp-formula id="eqn-25"><label>(25)</label><mml:math id="mml-eqn-25" display="block"><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-26a"><label>(26a)</label><mml:math id="mml-eqn-26a" display="block"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-26b"><label>(26b)</label><mml:math id="mml-eqn-26b" display="block"><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-26c"><label>(26c)</label><mml:math id="mml-eqn-26c" display="block"><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.</mml:mn><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2216;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mo>&#x222A;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-25">Eq. (25)</xref> is the governing equation for adjoint variable <inline-formula id="ieqn-80"><mml:math id="mml-ieqn-80"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-26a">Eqs. (26a)</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-26c">(26c)</xref> are boundary conditions for <inline-formula id="ieqn-81"><mml:math id="mml-ieqn-81"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-82"><mml:math id="mml-ieqn-82"><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-26b">Eq. (26b)</xref> indicates the source of the adjoint problem, which depends on the potential misfit at the electrodes. The adjoint problem has the same differential operators as the state problem does.</p>
</sec>
<sec id="s3_2_3">
<label>3.2.3</label>
<title>Third Optimality Condition: Control Problem</title>
<p>Finally, the first variation of the Lagrangian with respect to the control variable <inline-formula id="ieqn-83"><mml:math id="mml-ieqn-83"><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:math></inline-formula> should vanish at the optimum. Introducing the stationarity condition (<inline-formula id="ieqn-84"><mml:math id="mml-ieqn-84"><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>) to the Lagrangian results in</p>
<p><disp-formula id="eqn-27"><label>(27)</label><mml:math id="mml-eqn-27" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mstyle scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mo maxsize="2.047em" minsize="2.047em">(</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mo maxsize="2.047em" minsize="2.047em">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mspace width="1em" /><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mstyle scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mo maxsize="2.047em" minsize="2.047em">(</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mo maxsize="2.047em" minsize="2.047em">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>Because <inline-formula id="ieqn-85"><mml:math id="mml-ieqn-85"><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:math></inline-formula> is arbitary, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-27">Eq. (27)</xref> yields the following control problem:</p>
<p><disp-formula id="eqn-28"><label>(28)</label><mml:math id="mml-eqn-28" display="block"><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-29a"><label>(29a)</label><mml:math id="mml-eqn-29a" display="block"><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-29b"><label>(29b)</label><mml:math id="mml-eqn-29b" display="block"><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.</mml:mn><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2216;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mo>&#x222A;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula></p>
<p>The control problem is a boundary value problem for the electrical conductivity <inline-formula id="ieqn-86"><mml:math id="mml-ieqn-86"><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, with <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-28">Eq. (28)</xref> being the governing equation and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-29a">Eqs. (29a)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-29b">(29b)</xref> being the boundary conditions. The solution <inline-formula id="ieqn-87"><mml:math id="mml-ieqn-87"><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> can be calculated once the state and adjoint solutions <inline-formula id="ieqn-88"><mml:math id="mml-ieqn-88"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-89"><mml:math id="mml-ieqn-89"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-90"><mml:math id="mml-ieqn-90"><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> are obtained. The state, adjoint, and control problems constitute the KKT conditions for the PDE-constrained optimization problem.</p>
</sec>
</sec>
</sec>
<sec id="s4">
<label>4</label>
<title>Inversion Setup and the Simulation Process</title>
<sec id="s4_1">
<label>4.1</label>
<title>Finite Element Formulation of the Adjoint Problem</title>
<p>The adjoint problem described in <xref ref-type="sec" rid="s3_2_2">Section 3.2.2</xref> can be solved using the Galerkin finite element method. Specifically, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-25">Eq. (25)</xref> is multiplied by a test function <inline-formula id="ieqn-91"><mml:math id="mml-ieqn-91"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> and integrated over the entire domain <inline-formula id="ieqn-92"><mml:math id="mml-ieqn-92"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Upon integrating the resulting equation by parts and using a procedure similar to that represented by <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-5">Eqs. (5)</xref> to <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-9">(9)</xref>, the weak form of the adjoint problem can be derived as</p>
<p><disp-formula id="eqn-30"><label>(30)</label><mml:math id="mml-eqn-30" display="block"><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-93"><mml:math id="mml-ieqn-93"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is a test value used to derive the weak form of <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-26a">Eq. (26a)</xref>. The adjoint solutions <inline-formula id="ieqn-94"><mml:math id="mml-ieqn-94"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-95"><mml:math id="mml-ieqn-95"><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> can be approximated using Legendre basis functions <inline-formula id="ieqn-96"><mml:math id="mml-ieqn-96"><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and basis vectors <inline-formula id="ieqn-97"><mml:math id="mml-ieqn-97"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">n</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, respectively, as follows:</p>
<p><disp-formula id="eqn-31"><label>(31)</label><mml:math id="mml-eqn-31" display="block"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2245;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-32"><label>(32)</label><mml:math id="mml-eqn-32" display="block"><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">W</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x2245;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">W</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">n</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-98"><mml:math id="mml-ieqn-98"><mml:msubsup><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> is the nodal value of <inline-formula id="ieqn-99"><mml:math id="mml-ieqn-99"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-100"><mml:math id="mml-ieqn-100"><mml:msubsup><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> is the unknown parameter for linearly combining vectors <inline-formula id="ieqn-101"><mml:math id="mml-ieqn-101"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">n</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-102"><mml:math id="mml-ieqn-102"><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">W</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> is a vector consisting of <inline-formula id="ieqn-103"><mml:math id="mml-ieqn-103"><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> at each electrode. The test functions <inline-formula id="ieqn-104"><mml:math id="mml-ieqn-104"><mml:mi>v</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-105"><mml:math id="mml-ieqn-105"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> are approximated using <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-13">Eqs. (13)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-14">(14)</xref>.</p>
<p>Substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-13">Eqs. (13)</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-14">(14)</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-31">(31)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-32">(32)</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-30">(30)</xref> results in the following linear system of equations:</p>
<p><disp-formula id="eqn-33"><label>(33)</label><mml:math id="mml-eqn-33" display="block"><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">K</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">u</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">F</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">B</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">C</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">C</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">D</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">I</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-106"><mml:math id="mml-ieqn-106"><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">K</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-107"><mml:math id="mml-ieqn-107"><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">u</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-108"><mml:math id="mml-ieqn-108"><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">F</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> are the stiffness matrix, solution vector, and right-hand side vector of the adjoint problem, respectively. The superscript &#x201C;adj&#x201D; denotes the adjoint problem. The matrices and vectors in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-33">Eq. (33)</xref> can be written as</p>
<p><disp-formula id="eqn-34a"><label>(34a)</label><mml:math id="mml-eqn-34a" display="block"><mml:msubsup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-34b"><label>(34b)</label><mml:math id="mml-eqn-34b" display="block"><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-34c"><label>(34c)</label><mml:math id="mml-eqn-34c" display="block"><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-34d"><label>(34d)</label><mml:math id="mml-eqn-34d" display="block"><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing=".2em" columnspacing="1em" displaystyle="false"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2260;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-35"><label>(35)</label><mml:math id="mml-eqn-35" display="block"><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">I</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22EE;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-36"><label>(36)</label><mml:math id="mml-eqn-36" display="block"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22EE;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22EE;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>Solving <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-33">Eq. (33)</xref> yields nodal values of adjoint variable <inline-formula id="ieqn-109"><mml:math id="mml-ieqn-109"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> in the domain as well as the values of <inline-formula id="ieqn-110"><mml:math id="mml-ieqn-110"><mml:msup><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. The adjoint variable <inline-formula id="ieqn-111"><mml:math id="mml-ieqn-111"><mml:msubsup><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> at the electrodes can be derived as</p>
<p><disp-formula id="eqn-37"><label>(37)</label><mml:math id="mml-eqn-37" display="block"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">W</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">h</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable columnalign="left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22EE;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22EE;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>The submatrices in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-33">Eq. (33)</xref> are related to those of the state problem through</p>
<p><disp-formula id="eqn-38a"><label>(38a)</label><mml:math id="mml-eqn-38a" display="block"><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">B</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">B</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-38b"><label>(38b)</label><mml:math id="mml-eqn-38b" display="block"><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">C</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">C</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-38c"><label>(38c)</label><mml:math id="mml-eqn-38c" display="block"><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">C</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">C</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-38d"><label>(38d)</label><mml:math id="mml-eqn-38d" display="block"><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">D</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">j</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">D</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-38a">Eq. (38)</xref> contributes to reducing the computational cost of constructing the system matrices of the adjoint problem in the inversion process.</p>
</sec>
<sec id="s4_2">
<label>4.2</label>
<title>Material Property Update</title>
<p>By solving the state and adjoint problems, the first and second optimality conditions are satisfied. Only the true profile of <inline-formula id="ieqn-112"><mml:math id="mml-ieqn-112"><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> exactly satisfies the control problem represented by <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-28">Eqs. (28)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-29a">(29)</xref>. Therefore, the material profile <inline-formula id="ieqn-113"><mml:math id="mml-ieqn-113"><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> must be updated to satisfy the third optimality condition. Updating <inline-formula id="ieqn-114"><mml:math id="mml-ieqn-114"><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> to minimize the Lagrangian <inline-formula id="ieqn-115"><mml:math id="mml-ieqn-115"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> requires a reduced gradient for <inline-formula id="ieqn-116"><mml:math id="mml-ieqn-116"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The process of updating the control variable <inline-formula id="ieqn-117"><mml:math id="mml-ieqn-117"><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> using the state and adjoint solutions can be summarized as follows:</p>
<p>1) Assuming the initial profile of <inline-formula id="ieqn-118"><mml:math id="mml-ieqn-118"><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, solve the forward problem <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-1">(1)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-2a">(2)</xref> for state variables <inline-formula id="ieqn-119"><mml:math id="mml-ieqn-119"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-120"><mml:math id="mml-ieqn-120"><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>2) Using the state solution <inline-formula id="ieqn-121"><mml:math id="mml-ieqn-121"><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, solve the adjoint problem <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-25">(25)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-26a">(26)</xref> for adjoint solutions <inline-formula id="ieqn-122"><mml:math id="mml-ieqn-122"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-123"><mml:math id="mml-ieqn-123"><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>3) Using the state and adjoint solutions, calculate the reduced gradient for <inline-formula id="ieqn-124"><mml:math id="mml-ieqn-124"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with respect to the control variable <inline-formula id="ieqn-125"><mml:math id="mml-ieqn-125"><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> as</p>
<p><disp-formula id="eqn-39"><label>(39)</label><mml:math id="mml-eqn-39" display="block"><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2261;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>where the derivatives are calculated using second-order accurate finite difference methods. When using a radial mesh, such as that shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-5">Fig. 5a</xref>, the reduced gradient <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-40">(40)</xref> expressed in a cylindrical coordinate system can be used</p>
<p><disp-formula id="eqn-40"><label>(40)</label><mml:math id="mml-eqn-40" display="block"><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>4) Determine the search direction using a line search method and update the electrical conductivity profile <inline-formula id="ieqn-126"><mml:math id="mml-ieqn-126"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>.</p>
<sec id="s4_2_1">
<label>4.2.1</label>
<title>Conjugate Gradient Method with Inexact Line Search</title>
<p>In this study, the search direction for the optimal solution of the control variable <inline-formula id="ieqn-127"><mml:math id="mml-ieqn-127"><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:math></inline-formula> is determined using the Fl<inline-formula id="ieqn-128"><mml:math id="mml-ieqn-128"><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00B4;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula>tcher-Reeves conjugate gradient method with an inexact line search. The continuous form of the reduced gradient, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-39">Eqs. (39)</xref> or <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-40">(40)</xref>, can be discretized by being evaluated at each nodal point. Let <inline-formula id="ieqn-129"><mml:math id="mml-ieqn-129"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">g</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> denote the discrete reduced gradient at the <italic>k</italic>th inversion iteration,</p>
<p><disp-formula id="eqn-41"><label>(41)</label><mml:math id="mml-eqn-41" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">g</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>Then, the electrical conductivity vector <inline-formula id="ieqn-130"><mml:math id="mml-ieqn-130"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> comprising nodal values of <inline-formula id="ieqn-131"><mml:math id="mml-ieqn-131"><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03C3;</mml:mi></mml:math></inline-formula> is updated via</p>
<p><disp-formula id="eqn-42"><label>(42)</label><mml:math id="mml-eqn-42" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-132"><mml:math id="mml-ieqn-132"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is a search direction vector at <inline-formula id="ieqn-133"><mml:math id="mml-ieqn-133"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-134"><mml:math id="mml-ieqn-134"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the step length in the direction of <inline-formula id="ieqn-135"><mml:math id="mml-ieqn-135"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. By using the Fl<inline-formula id="ieqn-136"><mml:math id="mml-ieqn-136"><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00B4;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula>tcher-Reeves method, the search direction vector is calculated as</p>
<p><disp-formula id="eqn-43"><label>(43)</label><mml:math id="mml-eqn-43" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing=".2em" columnspacing="1em" displaystyle="false"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">g</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">g</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">g</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">g</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">g</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">g</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x2265;</mml:mo><mml:mn>1.</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The misfit functional is evaluated using the updated electrical conductivity <inline-formula id="ieqn-137"><mml:math id="mml-ieqn-137"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and is compared to a preset tolerance. If it does not meet the tolerance criterion, the inversion process set <inline-formula id="ieqn-138"><mml:math id="mml-ieqn-138"><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x2190;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> and proceeded to the next iteration. As is known, the discrete search direction vector <inline-formula id="ieqn-139"><mml:math id="mml-ieqn-139"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> gradually deviates from the direction to a local minimum because of the non-optimal step length <inline-formula id="ieqn-140"><mml:math id="mml-ieqn-140"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:math></inline-formula> and the round-off error arising from the accumulation of the <inline-formula id="ieqn-141"><mml:math id="mml-ieqn-141"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">g</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">g</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">g</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">g</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> terms in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-43">Eq. (43)</xref>. Therefore, it is necessary to reset <inline-formula id="ieqn-142"><mml:math id="mml-ieqn-142"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> to <inline-formula id="ieqn-143"><mml:math id="mml-ieqn-143"><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">g</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> after every <inline-formula id="ieqn-144"><mml:math id="mml-ieqn-144"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula>th iteration.</p>
<p>In this study, an inexact line search method is used to determine a step length <inline-formula id="ieqn-145"><mml:math id="mml-ieqn-145"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:math></inline-formula> that would yield an adequate reduction in the objective functional <inline-formula id="ieqn-146"><mml:math id="mml-ieqn-146"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Specifically, the method requires the step length to reduce the objective functional sufficiently, as indicated by the <italic>Armijo condition</italic> (or <italic>sufficient decrease condition</italic>); this condition is expressed as</p>
<p><disp-formula id="eqn-44"><label>(44)</label><mml:math id="mml-eqn-44" display="block"><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mover><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">g</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-147"><mml:math id="mml-ieqn-147"><mml:mover><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is selected to be a small value, which is <inline-formula id="ieqn-148"><mml:math id="mml-ieqn-148"><mml:mover><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> in this study. To satisfy the Armijo condition, the backtracking algorithm described in <xref ref-type="table" rid="table-2">Table 2</xref> can be used. In this procedure, an initial step length <inline-formula id="ieqn-149"><mml:math id="mml-ieqn-149"><mml:mover><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is set at the beginning. If <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-44">Eq. (44)</xref> is violated during the inversion, the step length is iteratively reduced by setting <inline-formula id="ieqn-150"><mml:math id="mml-ieqn-150"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x2190;</mml:mo><mml:mover><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:math></inline-formula>. In this study, <inline-formula id="ieqn-151"><mml:math id="mml-ieqn-151"><mml:mover><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.5</mml:mn></mml:math></inline-formula> is used.</p>
<table-wrap id="table-2">
<label>Table 2</label>
<caption>
<title>Backtracking algorithm to determine the step length <inline-formula id="ieqn-152"><mml:math id="mml-ieqn-152"><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03B1;</mml:mi></mml:math></inline-formula></title>
</caption>
<table frame="hsides">
<colgroup>
<col align="left"/>
</colgroup>
<tbody>
<tr>
<td>Choose <inline-formula id="ieqn-153"><mml:math id="mml-ieqn-153"><mml:mover><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-154"><mml:math id="mml-ieqn-154"><mml:mover><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-155"><mml:math id="mml-ieqn-155"><mml:mover><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>;</mml:mo></mml:math></inline-formula> set <inline-formula id="ieqn-156"><mml:math id="mml-ieqn-156"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x2190;</mml:mo><mml:mover><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>;</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td>repeat <inline-formula id="ieqn-157"><mml:math id="mml-ieqn-157"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x2190;</mml:mo><mml:mover><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td>until <inline-formula id="ieqn-158"><mml:math id="mml-ieqn-158"><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mover><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">g</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">d</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td>Terminate with <inline-formula id="ieqn-159"><mml:math id="mml-ieqn-159"><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
</sec>
<sec id="s4_2_2">
<label>4.2.2</label>
<title>Regularization Factor Continuation Scheme</title>
<p>The choice of the regularization factor <inline-formula id="ieqn-160"><mml:math id="mml-ieqn-160"><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-39">Eqs. (39)</xref> or <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-40">(40)</xref> considerably affects the reconstruction of the electrical conductivity profile. If <inline-formula id="ieqn-161"><mml:math id="mml-ieqn-161"><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is excessively large, it may be difficult to capture a sharply varying interface in the profile because of the large penalty on the gradient of <inline-formula id="ieqn-162"><mml:math id="mml-ieqn-162"><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. Conversely, if <inline-formula id="ieqn-163"><mml:math id="mml-ieqn-163"><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is excessively small, the inversion may suffer from a solution multiplicity problem. To determine the optimal regularization factor at each inversion iteration, a regularization factor continuation scheme [<xref ref-type="bibr" rid="ref-24">24</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-26">26</xref>] is used in this study. The reduced gradient in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-39">Eqs. (39)</xref> or <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-40">(40)</xref> can be formally rewritten as</p>
<p><disp-formula id="eqn-45"><label>(45)</label><mml:math id="mml-eqn-45" display="block"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>in which</p>
<p><disp-formula id="eqn-46a"><label>(46a)</label><mml:math id="mml-eqn-46a" display="block"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-46b"><label>(46b)</label><mml:math id="mml-eqn-46b" display="block"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>In <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-45">Eq. (45)</xref>, <inline-formula id="ieqn-164"><mml:math id="mml-ieqn-164"><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> represents the gradient of the regularization functional, and <inline-formula id="ieqn-165"><mml:math id="mml-ieqn-165"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> denotes the gradient of the misfit functional. The first term, <inline-formula id="ieqn-166"><mml:math id="mml-ieqn-166"><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, penalizes spatial oscillations in the inverted profile such that an increasing <inline-formula id="ieqn-167"><mml:math id="mml-ieqn-167"><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> results in a smoother inverted profile. A balance between these two terms can be imposed using</p>
<p><disp-formula id="eqn-47"><label>(47)</label><mml:math id="mml-eqn-47" display="block"><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x27F9;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>Therefore, <inline-formula id="ieqn-168"><mml:math id="mml-ieqn-168"><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> can be calculated at each iteration as</p>
<p><disp-formula id="eqn-48"><label>(48)</label><mml:math id="mml-eqn-48" display="block"><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>where the value of the weight factor <inline-formula id="ieqn-169"><mml:math id="mml-ieqn-169"><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:math></inline-formula> is between 0.5 and 1, as recommended for a reasonable regularization effect.</p>
</sec>
</sec>
</sec>
<sec id="s5">
<label>5</label>
<title>Numerical Results</title>
<sec id="s5_1">
<label>5.1</label>
<title>Homogeneous Domains</title>
<p>Consider a circular domain with a radius of 15 cm, as shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-8">Fig. 8</xref>. A total of 32 electrodes is placed on the boundary and spaced evenly to cover 50% of the boundary. For finite element implementation, the mixed mesh illustrated in <xref ref-type="fig" rid="fig-5">Fig. 5b</xref> is used. The contact impedance of the electrodes is <inline-formula id="ieqn-170"><mml:math id="mml-ieqn-170"><mml:mn>0.22</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. The initial value of the regularization factor <inline-formula id="ieqn-171"><mml:math id="mml-ieqn-171"><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is 1.0, and the weight factor <inline-formula id="ieqn-172"><mml:math id="mml-ieqn-172"><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:math></inline-formula> for the regularization factor continuation scheme is 0.5. As an excitation to the domain, a current with a cosine pattern, as expressed in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-49">Eq. (49)</xref>, is input to each electrode along the circular perimeter,</p>
<fig id="fig-8">
<label>Figure 8</label>
<caption>
<title>Schematic of a circular domain and 32 surface electrodes used for inversion</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_20926-fig-8.png"/>
</fig>
<p><disp-formula id="eqn-49"><label>(49)</label><mml:math id="mml-eqn-49" display="block"><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x03C0;</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>32</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>32.</mml:mn></mml:math></disp-formula></p>
<p><xref ref-type="fig" rid="fig-9">Fig. 9</xref> shows the target, initial guess, and reconstructed electrical conductivity profiles. The target profile is homogeneous with <inline-formula id="ieqn-173"><mml:math id="mml-ieqn-173"><mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.0</mml:mn></mml:math></inline-formula> S/cm, which is typical of graphite materials. The inversion starts with an initial guess of <inline-formula id="ieqn-174"><mml:math id="mml-ieqn-174"><mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.5</mml:mn></mml:math></inline-formula> S/cm and reconstructs the target profile accurately at about 700 iterations. <xref ref-type="fig" rid="fig-9">Fig. 9d</xref> shows the response misfit as a function of the iteration number during the inversion process. The misfit decreases from <inline-formula id="ieqn-175"><mml:math id="mml-ieqn-175"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> to <inline-formula id="ieqn-176"><mml:math id="mml-ieqn-176"><mml:mn>1.49</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, which represents a reduction on the order of <inline-formula id="ieqn-177"><mml:math id="mml-ieqn-177"><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. The response misfit, <inline-formula id="ieqn-178"><mml:math id="mml-ieqn-178"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, as part of the objective functional <inline-formula id="ieqn-179"><mml:math id="mml-ieqn-179"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-21">Eq. (21)</xref>, can be written as</p>
<fig id="fig-9">
<label>Figure 9</label>
<caption>
<title>Numerical inversion for homogeneous target profile</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_20926-fig-9.png"/>
</fig>
<p><disp-formula id="eqn-50"><label>(50)</label><mml:math id="mml-eqn-50" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>To investigate the accuracy of the inversion result, the errors in the inverted electrical conductivity values are calculated at four sampling points, as shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-10">Fig. 10</xref>: A(0,0), B(4,0), C(8,0), and D(12,0). <xref ref-type="table" rid="table-3">Table 3</xref> lists the errors at each sampling point. The maximum error is 0.116%, which demonstrates that the inversion for the homogeneous electrical conductivity profile is highly accurate.</p>
<fig id="fig-10">
<label>Figure 10</label>
<caption>
<title>Sampling points for error calculation</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_20926-fig-10.png"/>
</fig><table-wrap id="table-3">
<label>Table 3</label>
<caption>
<title>Errors in the inverted electrical conductivity values at the sampling points (inversion case with <inline-formula id="ieqn-180"><mml:math id="mml-ieqn-180"><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03C3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">tg</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> &#x003D; 1.0 S/cm and <inline-formula id="ieqn-181"><mml:math id="mml-ieqn-181"><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x03C3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">ini</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> &#x003D; 0.5 S/cm)</title>
</caption>
<table frame="hsides">
<colgroup>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th>Point</th>
<th>Target <inline-formula id="ieqn-182"><mml:math id="mml-ieqn-182"><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:math></inline-formula> (S/cm)</th>
<th>Reconstructed <inline-formula id="ieqn-183"><mml:math id="mml-ieqn-183"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (S/cm)</th>
<th>Error (%)</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>A</td>
<td>1.00000</td>
<td>1.00002</td>
<td>0.002</td>
</tr>
<tr>
<td>B</td>
<td>1.00000</td>
<td>0.99999</td>
<td>0.001</td>
</tr>
<tr>
<td>C</td>
<td>1.00000</td>
<td>1.00026</td>
<td>0.026</td>
</tr>
<tr>
<td>D</td>
<td>1.00000</td>
<td>1.00116</td>
<td>0.116</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>To investigate the effect of the initial guess on the reconstructed profile, four cases of the inversion with different initial-to-target ratios are considered. <xref ref-type="table" rid="table-4">Table 4</xref> shows the four cases for the initial guess <inline-formula id="ieqn-184"><mml:math id="mml-ieqn-184"><mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and target <inline-formula id="ieqn-185"><mml:math id="mml-ieqn-185"><mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. For Cases 1 and 2, the initial guess is less than the target, whereas for Cases 3 and 4, it is greater. The electrode arrangement, input current, and contact impedance are the same as those in the previous example.</p>
<table-wrap id="table-4">
<label>Table 4</label>
<caption>
<title>Four cases of inversion with different initial-to-target ratios</title>
</caption>
<table frame="hsides">
<colgroup>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th>Case</th>
<th>Target electrical conductivity <inline-formula id="ieqn-186"><mml:math id="mml-ieqn-186"><mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> (<inline-formula id="ieqn-187"><mml:math id="mml-ieqn-187"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>)</th>
<th>Assumed electrical conductivity <inline-formula id="ieqn-188"><mml:math id="mml-ieqn-188"><mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> (<inline-formula id="ieqn-189"><mml:math id="mml-ieqn-189"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>)</th>
<th><inline-formula id="ieqn-190"><mml:math id="mml-ieqn-190"><mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>1</td>
<td>1.5</td>
<td>0.7</td>
<td>0.47</td>
</tr>
<tr>
<td>2</td>
<td>15.0</td>
<td>1.5</td>
<td>0.10</td>
</tr>
<tr>
<td>3</td>
<td>1.5</td>
<td>2.3</td>
<td>1.53</td>
</tr>
<tr>
<td>4</td>
<td>1.0</td>
<td>10.0</td>
<td>10.00</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p><xref ref-type="fig" rid="fig-11">Figs. 11</xref>&#x2013;<xref ref-type="fig" rid="fig-14">14</xref> display the inversion results for the four electrical conductivity profiles presented in <xref ref-type="table" rid="table-4">Table 4</xref>. In all four cases, the homogeneous target values are accurately reconstructed. In particular, as shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-12">Figs. 12b</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-14">14b</xref>, the target values are recovered well even when the target is 10 times smaller or larger than the initial guess. <xref ref-type="fig" rid="fig-11">Figs. 11c</xref>, <xref ref-type="fig" rid="fig-12">12c</xref>, <xref ref-type="fig" rid="fig-13">13c</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-14">14c</xref> show the misfit <inline-formula id="ieqn-191"><mml:math id="mml-ieqn-191"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> as a function of the number of iterations. For each case, the misfit decreases by a factor of at least <inline-formula id="ieqn-192"><mml:math id="mml-ieqn-192"><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. <xref ref-type="fig" rid="fig-11">Figs. 11d</xref>, <xref ref-type="fig" rid="fig-12">12d</xref>, <xref ref-type="fig" rid="fig-13">13d</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-14">14d</xref> show the electric potential values at the 32 electrodes calculated using the reconstructed electrical conductivity profile for each case. The calculated electric potential values nearly coincide with the measured values, which demonstrates that the target profiles are successfully reconstructed. The root-mean-square (RMS) error, <inline-formula id="ieqn-193"><mml:math id="mml-ieqn-193"><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and the relative RMS error, <inline-formula id="ieqn-194"><mml:math id="mml-ieqn-194"><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, of the electric potential at the electrodes can be calculated using <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-51">Eq. (51)</xref>. In the equations, <inline-formula id="ieqn-195"><mml:math id="mml-ieqn-195"><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-196"><mml:math id="mml-ieqn-196"><mml:msubsup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> denote the calculated and measured electric potential values at the <inline-formula id="ieqn-197"><mml:math id="mml-ieqn-197"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>th electrode, respectively, and <inline-formula id="ieqn-198"><mml:math id="mml-ieqn-198"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">max</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> is the absolute maximum of the measured potentials. <xref ref-type="table" rid="table-5">Table 5</xref> shows the calculated RMS errors for each case of the inversion process. Even in Case 4 with the largest relative error, the value is less than 0.18%. In all cases, the inversion results are evaluated to be sufficiently accurate,</p>
<fig id="fig-11">
<label>Figure 11</label>
<caption>
<title>Inversion results for Case 1; <bold>&#x03C3;<sub>tg</sub> &#x003D; 1.5 S/cm,</bold> <bold>&#x03C3;<sub>ini</sub> &#x003D; 0.7 S/cm</bold></title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_20926-fig-11.png"/>
</fig><fig id="fig-12">
<label>Figure 12</label>
<caption>
<title>Inversion results for Case 2; <bold>&#x03C3;<sub>tg</sub> &#x003D; 15.0 S/cm,</bold> <bold>&#x03C3;<sub>ini</sub> &#x003D; 1.5 S/cm</bold></title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_20926-fig-12.png"/>
</fig><fig id="fig-13">
<label>Figure 13</label>
<caption>
<title>Inversion results for Case 3; <bold>&#x03C3;<sub>tg</sub> &#x003D; 1.5 S/cm,</bold> <bold>&#x03C3;<sub>ini</sub> &#x003D; 2.3 S/cm</bold></title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_20926-fig-13a.png"/>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_20926-fig-13b.png"/>
</fig><fig id="fig-14">
<label>Figure 14</label>
<caption>
<title>Inversion results for Case 4; <bold>&#x03C3;<sub>tg</sub> &#x003D; 1.0 S/cm,</bold> <bold>&#x03C3;<sub>ini</sub> &#x003D; 10.0 S/cm</bold></title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_20926-fig-14.png"/>
</fig><table-wrap id="table-5">
<label>Table 5</label>
<caption>
<title>RMS errors of the reconstructed homogeneous profiles</title>
</caption>
<table frame="hsides">
<colgroup>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th>RMS errors</th>
<th>Case 1</th>
<th>Case 2</th>
<th>Case 3</th>
<th>Case 4</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-199"><mml:math id="mml-ieqn-199"><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> (V)</td>
<td><inline-formula id="ieqn-200"><mml:math id="mml-ieqn-200"><mml:mn>8.11</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-201"><mml:math id="mml-ieqn-201"><mml:mn>1.86</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-202"><mml:math id="mml-ieqn-202"><mml:mn>7.55</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-203"><mml:math id="mml-ieqn-203"><mml:mn>9.25</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-204"><mml:math id="mml-ieqn-204"><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-205"><mml:math id="mml-ieqn-205"><mml:mn>2.25</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-206"><mml:math id="mml-ieqn-206"><mml:mn>3.74</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-207"><mml:math id="mml-ieqn-207"><mml:mn>2.10</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-208"><mml:math id="mml-ieqn-208"><mml:mn>1.74</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p><disp-formula id="eqn-51"><label>(51)</label><mml:math id="mml-eqn-51" display="block"><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:msqrt><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">max</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mfrac></mml:msqrt><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="s5_2">
<label>5.2</label>
<title>Heterogeneous Domains</title>
<p>Next, the inversion is performed to reconstruct heterogeneous electrical conductivity profiles. <xref ref-type="fig" rid="fig-15">Fig. 15</xref> shows three cases of the target profile. In Case 5, the target values of the electrical conductivity are <inline-formula id="ieqn-209"><mml:math id="mml-ieqn-209"><mml:mn>0.04</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula id="ieqn-210"><mml:math id="mml-ieqn-210"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>&#x2265;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-211"><mml:math id="mml-ieqn-211"><mml:mn>0.01</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula id="ieqn-212"><mml:math id="mml-ieqn-212"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. In Case 6, the target profile is divided into three layers: <inline-formula id="ieqn-213"><mml:math id="mml-ieqn-213"><mml:mn>0.04</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula id="ieqn-214"><mml:math id="mml-ieqn-214"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>&#x2265;</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-215"><mml:math id="mml-ieqn-215"><mml:mn>0.025</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula id="ieqn-216"><mml:math id="mml-ieqn-216"><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-217"><mml:math id="mml-ieqn-217"><mml:mn>0.01</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula id="ieqn-218"><mml:math id="mml-ieqn-218"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:math></inline-formula>. The target profile for Case 7 has four quadrants. In quadrants 1 and 3, the target value is <inline-formula id="ieqn-219"><mml:math id="mml-ieqn-219"><mml:mn>0.04</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In quadrants 2 and 4, the target value is <inline-formula id="ieqn-220"><mml:math id="mml-ieqn-220"><mml:mn>0.01</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The target conductivity values of Case 5 to Case 7 are typical of air-dried concrete materials in various conditions [<xref ref-type="bibr" rid="ref-27">27</xref>]. Examples of the profile heterogeneity in <xref ref-type="fig" rid="fig-15">Fig. 15</xref> include fiber-reinforced composite sandwich plates and concrete specimens under curing. The electrode arrangement, current input, contact impedance, initial value of <inline-formula id="ieqn-221"><mml:math id="mml-ieqn-221"><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and weight factor <inline-formula id="ieqn-222"><mml:math id="mml-ieqn-222"><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:math></inline-formula> are the same as in the homogeneous domain cases.</p>
<fig id="fig-15">
<label>Figure 15</label>
<caption>
<title>Heterogeneous target electrical conductivity profiles</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_20926-fig-15.png"/>
</fig>
<p><xref ref-type="fig" rid="fig-16">Figs. 16</xref>&#x2013;<xref ref-type="fig" rid="fig-18">18</xref> show the inversion results for the heterogeneous electrical conductivity profiles. The target conductivity values are reconstructed reasonably well in the three heterogeneous cases. <xref ref-type="fig" rid="fig-16">Figs. 16c</xref>, <xref ref-type="fig" rid="fig-17">17c</xref>, and <xref ref-type="fig" rid="fig-18">18c</xref> show the response misfit <inline-formula id="ieqn-223"><mml:math id="mml-ieqn-223"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> as a function of the iteration number. <xref ref-type="fig" rid="fig-16">Figs. 16d</xref>, <xref ref-type="fig" rid="fig-17">17d</xref>, and <xref ref-type="fig" rid="fig-18">18d</xref> show the electric potential values calculated at the electrodes using the reconstructed electrical conductivity profile for each case. The calculated electric potential values nearly coincide with the measured ones, which demonstrates that the reconstructed profiles converged to the targets. For each case, the initial misfit decreases by a factor on the order of <inline-formula id="ieqn-224"><mml:math id="mml-ieqn-224"><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. <xref ref-type="table" rid="table-6">Table 6</xref> shows the RMS error and the relative RMS error of the electrical potentials calculated at the electrodes for each case. The errors were calculated using <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-51">Eq. (51)</xref>. They are relatively large compared with those in the homogeneous cases, due to the difficulty in accurately recovering the sharply varying interfaces between layers. Nevertheless, the relative RMS error of the heterogeneous cases is less than 0.80%, indicating that the inversion results are sufficiently accurate.</p>
<fig id="fig-16">
<label>Figure 16</label>
<caption>
<title>Inversion results for Case 5</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_20926-fig-16.png"/>
</fig><fig id="fig-17">
<label>Figure 17</label>
<caption>
<title>Inversion results for Case 6</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_20926-fig-17a.png"/><graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_20926-fig-17b.png"/>
</fig><fig id="fig-18">
<label>Figure 18</label>
<caption>
<title>Inversion results for Case 7</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_20926-fig-18.png"/>
</fig><table-wrap id="table-6">
<label>Table 6</label>
<caption>
<title>RMS errors of the reconstructed heterogeneous profiles</title>
</caption>
<table frame="hsides">
<colgroup>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
<col align="left"/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th>RMS errors</th>
<th>Case 5</th>
<th>Case 6</th>
<th>Case 7</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-225"><mml:math id="mml-ieqn-225"><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> (V)</td>
<td><inline-formula id="ieqn-226"><mml:math id="mml-ieqn-226"><mml:mn>1.96</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-227"><mml:math id="mml-ieqn-227"><mml:mn>2.18</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-228"><mml:math id="mml-ieqn-228"><mml:mn>1.08</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-229"><mml:math id="mml-ieqn-229"><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">M</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-230"><mml:math id="mml-ieqn-230"><mml:mn>6.13</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-231"><mml:math id="mml-ieqn-231"><mml:mn>8.00</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula></td>
<td><inline-formula id="ieqn-232"><mml:math id="mml-ieqn-232"><mml:mn>3.28</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
</sec>
</sec>
<sec id="s6">
<label>6</label>
<title>Conclusions</title>
<p>This study was conducted to develop a nonlinear inversion method for electrical impedance tomography of structures using measured electric potentials at the surface. The proposed method minimizes the misfit between calculated and measured electric potential values at surface electrodes within a PDE-constrained optimization framework. The CEM was used as a forward model to calculate the electric potential due to current input. By solving the KKT conditions of the Lagrangian iteratively, the inversion procedure could successfully recover heterogeneous electrical conductivity profiles. The TN regularization scheme was used to mitigate the ill-posedness of the inverse problem and improve the convergence of the solution. A series of numerical results showed that the homogeneous and heterogeneous electrical conductivity profiles were successfully reconstructed using the inversion method developed in this study.</p>
<p>For all numerical example cases, the misfit was decreased from its original value by a factor on the order of <inline-formula id="ieqn-233"><mml:math id="mml-ieqn-233"><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> or less. In addition, the electric potential values at the electrodes that were calculated using the reconstructed conductivity profiles were nearly identical to the measured values. Specifically, the relative RMS error of the calculated electric potential after inversion was less than 0.18% for the homogeneous cases. The relative RMS error of the heterogeneous cases was less than 0.80%, indicating that the inversion results are sufficiently accurate. This study is expected to provide an application framework for nondestructive evaluation of structures, geotechnical site characterization, etc.</p>
</sec>
</body>
<back>
<fn-group>
<fn fn-type="other"><p><bold>Funding Statement:</bold> This research was funded by the National Research Foundation of Korea, the Grant from a Basic Science and Engineering Research Project (NRF-2017R1C1B200497515), and the Grant from Basic Laboratory Support Project (NRF-2020R1A4A101882611). The supports are greatly appreciated.</p>
</fn>
<fn fn-type="conflict"><p><bold>Conflicts of Interest:</bold> The authors declare that they have no conflicts of interest to report regarding the present study.</p>
</fn>
</fn-group>
<ref-list content-type="authoryear">
<title>References</title>
<ref id="ref-1"><label>1.</label><mixed-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Paipetis</surname>, <given-names>A. S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Matikas</surname>, <given-names>T. E.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Aggelis</surname>, <given-names>D. G.</given-names></string-name>, <string-name><surname>van Hemelrijck</surname>, <given-names>D.</given-names></string-name></person-group> (<year>2012</year>). <source>Emerging technologies in non-destructive testing</source>. <publisher-loc>London</publisher-loc>: <publisher-name>CRC Press</publisher-name>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-2"><label>2.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Kralovec</surname>, <given-names>C.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Schagerl</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name></person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Review of structural health monitoring methods regarding a multi-sensor approach for damage assessment of metal and composite structures</article-title>. <source>Sensors</source><italic>,</italic> <volume>20</volume><italic>(</italic><issue>3</issue><italic>),</italic> <fpage>826</fpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/s20030826</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-3"><label>3.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Nachman</surname>, <given-names>A. I.</given-names></string-name></person-group> (<year>1988</year>). <article-title>Reconstruction from boundary measurements</article-title>. <source>Annals of Mathematics</source><italic>,</italic> <volume>128</volume><italic>(</italic><issue>3</issue><italic>),</italic> <fpage>531</fpage>&#x2013;<lpage>576</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.2307/1971435</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-4"><label>4.</label><mixed-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Vauhkonen</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name></person-group> (<year>1997</year>). <source>Electrical impedance tomography and prior information</source>. <publisher-loc>Finland</publisher-loc>: <publisher-name>Kuopio University</publisher-name>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-5"><label>5.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Borsic</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lionheart</surname>, <given-names>W. R. B.</given-names></string-name>, <string-name><surname>McLeod</surname>, <given-names>C. N.</given-names></string-name></person-group> (<year>2002</year>). <article-title>Generation of anisotropic-smoothness regularization Filters for EIT</article-title>. <source>IEEE Transactions on Medical Imaging</source><italic>,</italic> <volume>21</volume><italic>(</italic><issue>6</issue><italic>),</italic> <fpage>579</fpage>&#x2013;<lpage>587</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TMI.2002.800611</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-6"><label>6.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Kaipio</surname>, <given-names>J. P.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kolehmainen</surname>, <given-names>V.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Somersalo</surname>, <given-names>E.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Vauhkonen</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name></person-group> (<year>2000</year>). <article-title>Statistical inversion and Monte Carlo sampling methods in electrical impedance tomography</article-title>. <source>Inverse Problems</source><italic>,</italic> <volume>16</volume><italic>(</italic><issue>5</issue><italic>),</italic> <fpage>1487</fpage>&#x2013;<lpage>1522</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0266-5611/16/5/321</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-7"><label>7.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Santosa</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Vogelius</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name></person-group> (<year>1990</year>). <article-title>A back projection algorithm for electrical impedance imaging</article-title>. <source>SIAM Journal on Applied Mathematics</source><italic>,</italic> <volume>50</volume><italic>(</italic><issue>1</issue><italic>),</italic> <fpage>216</fpage>&#x2013;<lpage>243</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/0150014</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-8"><label>8.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Cheney</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Isaacson</surname>, <given-names>D.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Newell</surname>, <given-names>J. C.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Simske</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Goble</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name></person-group> (<year>1990</year>). <article-title>Noser: An algorithm for solving the inverse conductivity problem</article-title>. <source>International Journal of Imaging Systems and Technology</source><italic>,</italic> <volume>2</volume><italic>(</italic><issue>2</issue><italic>),</italic> <fpage>66</fpage>&#x2013;<lpage>75</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/(ISSN)1098-1098</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-9"><label>9.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Knudsen</surname>, <given-names>K.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lassas</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Mueller</surname>, <given-names>J. L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Siltanen</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name></person-group> (<year>2009</year>). <article-title>Regularized D-bar method for the inverse conductivity problem</article-title>. <source>Inverse Problems and Imaging</source><italic>,</italic> <volume>3</volume><italic>(</italic><issue>4</issue><italic>),</italic> <fpage>599</fpage>&#x2013;<lpage>624</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.3934/ipi.2009.3.599</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-10"><label>10.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Abbasi</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Vahdat</surname>, <given-names>B. V.</given-names></string-name></person-group> (<year>2010</year>). <article-title>A non-iterative linear inverse solution for the block approach in EIT</article-title>. <source>Journal of Computational Science</source><italic>,</italic> <volume>1</volume><italic>(</italic><issue>4</issue><italic>),</italic> <fpage>190</fpage>&#x2013;<lpage>196</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jocs.2010.09.001</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-11"><label>11.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Hamilton</surname>, <given-names>S. J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hauptmann</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name></person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Deep D-bar: Real-time electrical impedance tomography imaging with deep neural networks</article-title>. <source>IEEE Transactions on Medical Imaging</source><italic>,</italic> <volume>37</volume><italic>(</italic><issue>10</issue><italic>),</italic> <fpage>2367</fpage>&#x2013;<lpage>2377</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TMI.2018.2828303</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-12"><label>12.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Jordana</surname>, <given-names>J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gasulla</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Pallas-Areny</surname>, <given-names>R.</given-names></string-name></person-group> (<year>2001</year>). <article-title>Electrical resistance tomography to detect leaks from buried pipes</article-title>. <source>Measurement Science and Technology</source><italic>,</italic> <volume>12</volume><italic>(</italic><issue>8</issue><italic>),</italic> <fpage>1061</fpage>&#x2013;<lpage>1068</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0957-0233/12/8/311</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-13"><label>13.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Baltopoulos</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Polydorides</surname>, <given-names>N.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Pambaguian</surname>, <given-names>L.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Vavouliotis</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kostopoulos</surname>, <given-names>V.</given-names></string-name></person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Damage identification in carbon fiber reinforced polymer plates using electrical resistance tomography mapping</article-title>. <source>Journal of Composite Materials</source><italic>,</italic> <volume>47</volume><italic>(</italic><issue>26</issue><italic>),</italic> <fpage>3285</fpage>&#x2013;<lpage>3301</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1177/0021998312464079</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-14"><label>14.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Vauhkonen</surname>, <given-names>P. J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Vauhkonen</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Savolainen</surname>, <given-names>T.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kaipio</surname>, <given-names>J. P.</given-names></string-name></person-group> (<year>1999</year>). <article-title>Three-dimensional electrical impedance tomography based on the complete electrode model</article-title>. <source>IEEE Transactions on Biomedical Engineering</source><italic>,</italic> <volume>46</volume><italic>(</italic><issue>9</issue><italic>),</italic> <fpage>1150</fpage>&#x2013;<lpage>1160</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/10.784147</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-15"><label>15.</label><mixed-citation publication-type="other"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Agsten</surname>, <given-names>B.</given-names></string-name></person-group> (<year>2015</year>). <source>Comparing the complete and the point electrode model for combining TCS and EEG (Master Thesis)</source>. <comment>Westf&#x00E4;lische Wilhelms-Universit&#x00E4;t M&#x00FC;nster, Germany</comment>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-16"><label>16.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Hadinia</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Jafari</surname>, <given-names>R.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Soleimani</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name></person-group> (<year>2016</year>). <article-title>EIT image reconstruction based on a hybrid FE-EFG forward method and the complete-electrode model</article-title>. <source>Physiological Measurement</source><italic>,</italic> <volume>37</volume><italic>(</italic><issue>6</issue><italic>),</italic> <fpage>863</fpage>&#x2013;<lpage>878</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0967-3334/37/6/863</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-17"><label>17.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Garrillo</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>G&#x00F3;mez</surname>, <given-names>J. A.</given-names></string-name></person-group> (<year>2015</year>). <article-title>A globally convergent algorithm for a PDE-constrained optimization problem arising in electrical impedance tomography</article-title>. <source>Numerical Functional Analysis and Optimization</source><italic>,</italic> <volume>36</volume><italic>(</italic><issue>6</issue><italic>),</italic> <fpage>748</fpage>&#x2013;<lpage>776</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1080/01630563.2015.1031379</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-18"><label>18.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Albuquerque</surname>, <given-names>Y. F.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Laurain</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Sturm</surname>, <given-names>K.</given-names></string-name></person-group> (<year>2020</year>). <article-title>A shape optimization approach for electrical impedance tomography with point measurements</article-title>. <source>Inverse Problems</source><italic>,</italic> <volume>36</volume><italic>(</italic><issue>9</issue><italic>),</italic> <fpage>095006</fpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1361-6420/ab9f87</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-19"><label>19.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Gupta</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Mishra</surname>, <given-names>R. K.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Roy</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name></person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Sparse reconstruction of log-conductivity in current density impedance tomography</article-title>. <source>Journal of Mathematical Imaging and Vision</source><italic>,</italic> <volume>62</volume><italic>(</italic><issue>2</issue><italic>),</italic> <fpage>189</fpage>&#x2013;<lpage>205</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10851-019-00929-5</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-20"><label>20.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Abdulla</surname>, <given-names>U. G.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Bukshtynov</surname>, <given-names>V.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Seif</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name></person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Cancer detection through electrical impedance tomography and optimal control theory: Theoretical and computational analysis</article-title>. <source>Mathematical Biosciences and Engineering</source><italic>,</italic> <volume>18</volume><italic>(</italic><issue>4</issue><italic>),</italic> <fpage>4834</fpage>&#x2013;<lpage>4859</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.3934/mbe.2021246</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-21"><label>21.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Pasha</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kupis</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ahmad</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Khan</surname>, <given-names>T.</given-names></string-name></person-group> (<year>2021</year>). <article-title>A Krylov subspace type method for electrical impedance tomography</article-title>. <source>ESIAM: Mathemetical Modelling and Numerical Analysis</source><italic>,</italic> <volume>55</volume><italic>(</italic><issue>6</issue><italic>),</italic> <fpage>2827</fpage>&#x2013;<lpage>2847</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1051/m2an/2021057</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-22"><label>22.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Cheng</surname>, <given-names>K.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Isaacson</surname>, <given-names>D.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Newell</surname>, <given-names>J. C.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gisser</surname>, <given-names>D. G.</given-names></string-name></person-group> (<year>1989</year>). <article-title>Electrode models for electric current computed tomography</article-title>. <source>IEEE Transactions on Biomedical Engineering</source><italic>,</italic> <volume>36</volume><italic>(</italic><issue>9</issue><italic>),</italic> <fpage>918</fpage>&#x2013;<lpage>924</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/10.35300</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-23"><label>23.</label><mixed-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Saha</surname>, <given-names>S. K.</given-names></string-name></person-group> (<year>2013</year>). <source>Technology computer aided design: Simulation for VLSI MOSFET</source>. <publisher-loc>London</publisher-loc>: <publisher-name>CRC Press</publisher-name>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-24"><label>24.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Kang</surname>, <given-names>J. W.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kallivokas</surname>, <given-names>L. F.</given-names></string-name></person-group> (<year>2010</year>). <article-title>The inverse medium problem in 1D PML-truncated heterogeneous semi-infinite domains</article-title>. <source>Inverse Problems in Science and Engineering</source><italic>,</italic> <volume>18</volume><italic>(</italic><issue>6</issue><italic>),</italic> <fpage>759</fpage>&#x2013;<lpage>786</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1080/17415977.2010.492510</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-25"><label>25.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Kang</surname>, <given-names>J. W.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kallivokas</surname>, <given-names>L. F.</given-names></string-name></person-group> (<year>2011</year>). <article-title>The inverse medium problem in heterogeneous PML-truncated domains using scalar probing waves</article-title>. <source>Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering</source><italic>,</italic> <volume>200</volume><italic>(</italic><issue>1&#x2013;4</issue><italic>),</italic> <fpage>265</fpage>&#x2013;<lpage>283</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.cma.2010.08.010</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-26"><label>26.</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Joh</surname>, <given-names>N.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kang</surname>, <given-names>J. W.</given-names></string-name></person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Material profile reconstruction using plane electromagnetic waves in PML-truncated heterogeneous domains</article-title>. <source>Applied Mathematical Modeling</source><italic>,</italic> <volume>96</volume><italic>(</italic><issue>6</issue><italic>),</italic> <fpage>813</fpage>&#x2013;<lpage>833</lpage>. DOI <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.apm.2021.03.026</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-27"><label>27.</label><mixed-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Neville</surname>, <given-names>A. M.</given-names></string-name></person-group> (<year>1995</year>). <source>Properties of concrete</source>. <publisher-loc>London</publisher-loc>: <publisher-name>Longman</publisher-name>.</mixed-citation></ref>
</ref-list>
<app-group>
<app id="app-1">
<title>Appendix A. Finite Differences for a Non-Unifrom Grid</title>
<p>In a uniform finite-element mesh, as shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-19">Fig. A1</xref>, the first-order and second-order derivatives at node <inline-formula id="ieqn-234"><mml:math id="mml-ieqn-234"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> can be calculated using the central difference method, as shown in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-1">Eqs. (A1)</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-4">(A4)</xref>:</p>
<p><disp-formula id="eqn-A1"><label>(A1)</label><mml:math id="mml-eqn-A1" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-A2"><label>(A2)</label><mml:math id="mml-eqn-A2" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-A3"><label>(A3)</label><mml:math id="mml-eqn-A3" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-A4"><label>(A4)</label><mml:math id="mml-eqn-A4" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-235"><mml:math id="mml-ieqn-235"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-236"><mml:math id="mml-ieqn-236"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> are the spacing between node <inline-formula id="ieqn-237"><mml:math id="mml-ieqn-237"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> and the adjacent nodes in the <inline-formula id="ieqn-238"><mml:math id="mml-ieqn-238"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-239"><mml:math id="mml-ieqn-239"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> directions, respectively. For nodes located at the boundary, derivatives cannot be calculated using the central difference method, as adjacent nodes exist in only one direction.</p>
<fig id="fig-19">
<label>Figure A1</label>
<caption>
<title>Uniform finite element mesh</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_20926-fig-19.png"/>
</fig>
<p>This study used the backward difference method shown in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-5">Eqs. (A5)</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-8">(A8)</xref> to calculate the derivative at nodes located at the boundary:</p>
<p><disp-formula id="eqn-A5"><label>(A5)</label><mml:math id="mml-eqn-A5" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-A6"><label>(A6)</label><mml:math id="mml-eqn-A6" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-A7"><label>(A7)</label><mml:math id="mml-eqn-A7" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-A8"><label>(A8)</label><mml:math id="mml-eqn-A8" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>For a radial finite-element mesh such as that shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-20">Fig. A2</xref>, the polar coordinate system can be used to calculate the derivative.</p>
<fig id="fig-20">
<label>Figure A2</label>
<caption>
<title>Polar coordinate system finite element mesh</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_20926-fig-20.png"/>
</fig>
<p>The central difference method for the polar coordinate system is shown in</p>
<p><disp-formula id="eqn-A9"><label>(A9)</label><mml:math id="mml-eqn-A9" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-A10"><label>(A10)</label><mml:math id="mml-eqn-A10" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-A11"><label>(A11)</label><mml:math id="mml-eqn-A11" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-A12"><label>(A12)</label><mml:math id="mml-eqn-A12" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-240"><mml:math id="mml-ieqn-240"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-241"><mml:math id="mml-ieqn-241"><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:math></inline-formula> are the radial and angular coordinates, respectively. The backward difference method for the polar coordinate system can be expressed as</p>
<p><disp-formula id="eqn-A13"><label>(A13)</label><mml:math id="mml-eqn-A13" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-A14"><label>(A14)</label><mml:math id="mml-eqn-A14" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-A15"><label>(A15)</label><mml:math id="mml-eqn-A15" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-A16"><label>(A16)</label><mml:math id="mml-eqn-A16" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>In a non-uniform finite-element mesh, as shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-21">Fig. A3</xref>, the spacing of the adjacent nodes on the left and right or above and below may differ. For such a finite element mesh, the finite difference method was used to calculate the derivatives, as shown in</p>
<p><disp-formula id="eqn-A17"><label>(A17)</label><mml:math id="mml-eqn-A17" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-A18"><label>(A18)</label><mml:math id="mml-eqn-A18" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-A19"><label>(A19)</label><mml:math id="mml-eqn-A19" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-A20"><label>(A20)</label><mml:math id="mml-eqn-A20" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-242"><mml:math id="mml-ieqn-242"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the spacing between nodes (<inline-formula id="ieqn-243"><mml:math id="mml-ieqn-243"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula>) and (<inline-formula id="ieqn-244"><mml:math id="mml-ieqn-244"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula>), and <inline-formula id="ieqn-245"><mml:math id="mml-ieqn-245"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the spacing between nodes (<inline-formula id="ieqn-246"><mml:math id="mml-ieqn-246"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula>) and (<inline-formula id="ieqn-247"><mml:math id="mml-ieqn-247"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula>); <inline-formula id="ieqn-248"><mml:math id="mml-ieqn-248"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the spacing between nodes (<inline-formula id="ieqn-249"><mml:math id="mml-ieqn-249"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>) and (<inline-formula id="ieqn-250"><mml:math id="mml-ieqn-250"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula>), and <inline-formula id="ieqn-251"><mml:math id="mml-ieqn-251"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the spacing between nodes (<inline-formula id="ieqn-252"><mml:math id="mml-ieqn-252"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula>) and (<inline-formula id="ieqn-253"><mml:math id="mml-ieqn-253"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>).</p>
<fig id="fig-21">
<label>Figure A3</label>
<caption>
<title>Non-uniform finite element mesh</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="png" xlink:href="CMES_20926-fig-21.png"/>
</fig>

</app>
</app-group>
</back>
</article>



























