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
程序员龙叔11 小时前
编写高质量 Skill 系列 -- 如何设计需求分析与用例生成的 SKILL
自动化测试·软件测试·python·软件测试工程师·接口测试·性能测试·skill·ai测试
用户83562907805114 小时前
使用 Python 操作 Word 内容控件
后端·python
xiao5kou4chang6kai414 小时前
MATLAB机器学习、深度学习--从数据预处理到模型训练
深度学习·机器学习·matlab·数据预处理
码云骑士15 小时前
32-慢查询排查全流程(下)-索引优化实战与最左前缀原则
python
闵孚龙16 小时前
《PyTorch 深度修炼》Dataset 和 DataLoader:数据如何喂给模型
人工智能·pytorch·python
goldenrolan16 小时前
A公司物料替代测试系统 v1.7:从需求到 exe/apk 的 AI 辅助全链路实践
android·自动化测试·软件测试·python·ai
菜板春16 小时前
jupyter入门-手册-特征探索
python·jupyter
Metaphor69217 小时前
使用 Python 将 PDF 转换为 HTML
python·pdf·html
极光代码工作室17 小时前
基于数据仓库的电商数据分析平台
大数据·hadoop·python·spark·数据可视化