Python 和 MatLab 模拟粒子动力系统

力计算

我们将假设一个由 N N N 个点粒子组成的系统,索引为 i = 1 , ... , N i=1, \ldots, N i=1,...,N。每个粒子都有一个:

  • 质量 m i m_i mi

  • 位置 r i = x i , y i , z i r_{\boldsymbol{i}}=\leftx_i, y_i, z_i\\right ri=xi,yi,zi

  • 速度 v i = v x i , v y i , v z i \mathbf{v}_{\boldsymbol{i}}=\left\\mathrm{vx}_i, \\mathrm{v} y_i, \\mathrm{v} z_i\\right vi=vxi,vyi,vzi

根据牛顿万有引力定律(著名的"平方反比定律"),每个粒子都会感受到所有其他粒子的引力。也就是说,每个粒子都会感受到加速度:
a i = G ∑ j ≠ i m j r j − r i ∣ r j − r i ∣ 3 \mathbf{a}i=G \sum{j \neq i} m_j \frac{\mathbf{r}_j-\mathbf{r}_i}{\left|\mathbf{r}_j-\mathbf{r}_i\right|^3} ai=Gj=i∑mj∣rj−ri∣3rj−ri

Python计算矩阵

时间积分

位置和速度使用蛙跳方案进行更新。对于每个时间步 Δt,每个粒子都会受到半步"跳":
v i = v i + Δ t 2 × a i \mathbf{v}_i=\mathbf{v}_i+\frac{\Delta t}{2} \times \mathbf{a}_i vi=vi+2Δt×ai

Python加速度函数

上述代码的性能在Python中实际上可以通过向量化来提高。 也就是说,用向量和矩阵运算来表述问题。 它通常可以带来 100 倍的加速,还使代码更具可读性。 缺点是在矩阵内存储中间计算会占用大量内存。 这是计算所有粒子加速度的函数的矢量化版本:

Python矢量加速度计算

Python动能和势能

我们的代码计算这些量并跟踪总能量,以确保通过数值方法近似守恒。

MatLab再实现

参阅 - 亚图跨际
相关推荐
云和数据.ChenGuang2 小时前
光哥说Python 循环导入(Circular Import)深度解析:成因、排查与解决方案
开发语言·前端·人工智能·python·langchain
星夜离尘562 小时前
MATLAB 工程实验:滞回加持续时间报警,把 UNKNOWN 留在状态机里
开发语言·matlab
TomEval2 小时前
【测AI】第16篇:模型公平性与可解释性测试 — AI 的偏见与黑箱
人工智能·python·功能测试·ai·测试用例
田里的水稻2 小时前
FA_CNN卷积神经网络四---线性层及其拉平PyTorch
人工智能·pytorch·python·深度学习·神经网络·cnn
钱栈up2 小时前
GitHub热榜上手|Claude插件:4.3万星官方目录
python·开源·github
青春不朽5122 小时前
Python 的 list append 为什么是均摊 O(1)?拆开过度分配那张表,看容量翻倍背后的暗账
java·python·list
小羊没烦恼!3 小时前
.NET 11 Runtime Async 详解
java·运维·开发语言·javascript·python
染指11103 小时前
152.Agent-LangGraph-Command的参数
人工智能·python·langchain·agents
第404号工位3 小时前
“已彻底删除”的照片与文件到底去哪了?我用底层扇区扫描,扒出手机和电脑的幽灵数据
linux·python·架构
智购科技自动售卖机厂家3 小时前
双摄像头方案F1-score只有0.85,排查发现是上下视角的融合逻辑写反了~YH
python·单片机·嵌入式硬件·算法·eclipse