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
不知名的老吴几秒前
Lambda表达式与新的Streams API相结合
开发语言·python
weelinking6 小时前
【产品】12_接入数据库——让数据永久保存
jvm·数据库·python·react.js·数据挖掘·前端框架·产品经理
程序大视界7 小时前
【Python系列课程】Python正则表达式(下):环视、命名分组与日志实战
开发语言·python·正则表达式
TickDB7 小时前
美股行情 API 接入避坑:REST 快照、WebSocket 推送、盘前盘后数据的边界
人工智能·python·websocket·行情数据 api
枫叶v.8 小时前
Agent 分层存储架构设计:从记忆方法到中间件选型
开发语言·python
水兵没月8 小时前
逆向实战小记——某ToB商城网站分析学习
python·网络爬虫
程序员小远8 小时前
Python自动化测试框架及工具详解
自动化测试·软件测试·python·测试工具·职场和发展·测试用例·接口测试
sleven fung9 小时前
MinerU与BabelDOC与KTransformers与OpenAI API库
开发语言·python·ai·langchain
小毛驴8509 小时前
spring-boot-maven-plugin,maven-compiler-plugin 功能对比
java·python·maven
我爱C编程9 小时前
基于ECC簇内分组密钥管理算法的无线传感器网络matlab性能仿真
网络·matlab·ecc·密钥管理·无线传感器网络·簇内分组