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我正在尝试解决称为 Burrau 毕达哥拉斯问题的三体问题(初始条件 m1=3、m2=4、m3=5、x1 = 1、y1 = 3、x2 = -2、y2 = - 1, x3 = 1, y3 = -1) 用 Runge-Kutta 4 方法求解微分方程,但是当我使用 GNUPlot 绘制结果时(水平轴上的 x 位置,垂直轴上的 y 位置)我得到的都是直线,而不是 3 条困惑的轨迹。我也尝试过使用 Euler-Cromer 方法,但我仍然得到直线,所以问题一定不是 Runge-Kutta 4 方法。可能跟加速有关? (f 函数)。不管是什么问题,我都想不通。这是代码:
#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
#include<math.h>
/* N.B the units have been normalized so that the gravitational coefficient is 1 */
typedef struct {
long long unsigned int N;
double deltat;
double tmax;
double tn;
} variabile;
typedef struct {
double m;
double xn;
double yn;
double vxn;
double vyn;
} corpo;
double f(double, double, double, double, double, double, double, double);
void RungeKutta4(variabile*, corpo*, corpo*, corpo*, FILE*);
void Euler(variabile*, corpo*, corpo*, corpo*, FILE*);
int main(int argc, char ** argv) {
variabile variab;
variabile *var = &variab;
corpo body1, body2, body3;
corpo *c1 = &body1, *c2 = &body2, *c3 = &body3;
FILE *fp;
fp = fopen("tbp_RungeKutta4.dat", "w");
if (argc != 3) {
system("clear");
fprintf(stderr, "\nCorrect syntax: \n\n'tmax deltat'\n\n\n\n\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
variab.tmax = atof(argv[1]);
variab.deltat = atof(argv[2]);
variab.N = (variab.tmax)/(variab.deltat);
/* Initial conditions for body1: */
body1.m = 3.0;
body1.xn = 1.0;
body1.yn = 3.0;
body1.vxn = 0.0;
body1.vyn = 0.0;
/* Initial conditions for body2: */
body2.m = 4.0;
body2.xn = -2.0;
body2.yn = -1.0;
body2.vxn = 0.0;
body2.vyn = 0.0;
/* Initial conditions for body3: */
body3.m = 5.0;
body3.xn = 1.0;
body3.yn = -1.0;
body3.vxn = 0.0;
body3.vyn = 0.0;
system("clear");
printf("Calculating...\n");
RungeKutta4(var, c1, c2, c3, fp);
printf("...Success!\n");
return EXIT_SUCCESS;
} /* END OF MAIN */
double f(double xi, double yi, double mj, double xj, double yj, double mk, double xk, double yk) {
double a;
a = (xj-xi)*(mj/pow((xi-xj)*(xi-xj) + (yi-yj)*(yi-yj), 1.5)) + (xk-xi)*(mk/pow((xi-xk)*(xi-xk) + (yi-yk)*(yi-yk), 1.5));
return a;
}
void RungeKutta4(variabile *var, corpo *c1, corpo *c2, corpo *c3, FILE *fp) {
int i;
long long unsigned int N = var->N;
double tn = var->tn, dt = var->deltat;
double m1, xn1, yn1, vxn1, vyn1;
double m2, xn2, yn2, vxn2, vyn2;
double m3, xn3, yn3, vxn3, vyn3;
double dp1, dp2, dp3, dp4, dv1, dv2, dv3, dv4;
double temp_dxn1, temp_dvxn1, temp_dyn1, temp_dvyn1;
double temp_dxn2, temp_dvxn2, temp_dyn2, temp_dvyn2;
double temp_dxn3, temp_dvxn3, temp_dyn3, temp_dvyn3;
/* Temporary variables for body1 */
m1 = c1->m;
xn1 = c1->xn;
yn1 = c1->yn;
vxn1 = c1->vxn;
vyn1 = c1->vyn;
/* Temporary variables for body2 */
m2 = c2->m;
xn2 = c2->xn;
yn2 = c2->yn;
vxn2 = c2->vxn;
vyn2 = c2->vyn;
/* Temporary variables for body3 */
m3 = c3->m;
xn3 = c3->xn;
yn3 = c3->yn;
vxn3 = c3->vxn;
vyn3 = c3->vyn;
/* Writing the initial values (time=0) on file */
fprintf(fp, "#x1\t\ty1\t\tx2\t\ty2\t\tx3\t\ty3\t\ttempo\n");
fprintf(fp, "%lf\t%lf\t%lf\t%lf\t%lf\t%lf\t%lf\n", xn1, yn1, xn2, yn2, xn3, yn3, tn);
for (i=1; i<=N; i++) {
tn += dt;
/* BODY c1: */
dp1 = vxn1*dt;
dv1 = f(xn1, yn1, m2, xn2, yn2, m3, xn3, yn3)*dt;
dp2 = (vxn1 + 0.5*dv1)*dt;
dv2 = f(xn1 + 0.5*dp1, yn1, m2, xn2, yn2, m3, xn3, yn3)*dt;
dp3 = (vxn1 + 0.5*dv2)*dt;
dv3 = f(xn1 + 0.5*dp2, yn1, m2, xn2, yn2, m3, xn3, yn3)*dt;
dp4 = (vxn1 + dv3)*dt;
dv4 = f(xn1 + dp3, yn1, m2, xn2, yn2, m3, xn3, yn3)*dt;
temp_dxn1 = (1./6.)*(dp1 + 2*dp2 + 2*dp3 + dp4);
temp_dvxn1 = (1./6.)*(dv1 + 2*dv2 + 2*dv3 + dv4);
dp1 = vyn1*dt;
dv1 = f(yn1, xn1, m2, yn2, xn2, m3, yn3, xn3)*dt;
dp2 = (vyn1 + 0.5*dv1)*dt;
dv2 = f(yn1 + 0.5*dp1, xn1, m2, yn2, xn2, m3, yn3, xn3)*dt;
dp3 = (vyn1 + 0.5*dv2)*dt;
dv3 = f(yn1 + 0.5*dp2, xn1, m2, yn2, xn2, m3, yn3, xn3)*dt;
dp4 = (vyn1 + dv3)*dt;
dv4 = f(yn1 + dp3, xn1, m2, yn2, xn2, m3, yn3, xn3)*dt;
temp_dyn1 = (1./6.)*(dp1 + 2*dp2 + 2*dp3 + dp4);
temp_dvyn1 = (1./6.)*(dv1 + 2*dv2 + 2*dv3 + dv4);
/* BODY c2: */
dp1 = vxn2*dt;
dv1 = f(xn2, yn2, m1, xn1, yn1, m3, xn3, yn3)*dt;
dp2 = (vxn2 + 0.5*dv1)*dt;
dv2 = f(xn2 + 0.5*dp1, yn2, m1, xn1, yn1, m3, xn3, yn3)*dt;
dp3 = (vxn2 + 0.5*dv2)*dt;
dv3 = f(xn2 + 0.5*dp2, yn2, m1, xn1, yn1, m3, xn3, yn3)*dt;
dp4 = (vxn2 + dv3)*dt;
dv4 = f(xn2 + dp3, yn2, m1, xn1, yn1, m3, xn3, yn3)*dt;
temp_dxn2 = (1./6.)*(dp1 + 2*dp2 + 2*dp3 + dp4);
temp_dvxn2 = (1./6.)*(dv1 + 2*dv2 + 2*dv3 + dv4);
dp1 = vyn2*dt;
dv1 = f(yn2, xn2, m1, yn1, xn1, m3, yn3, xn3)*dt;
dp2 = (vyn2 + 0.5*dv1)*dt;
dv2 = f(yn2 + 0.5*dp1, xn2, m1, yn1, xn1, m3, yn3, xn3)*dt;
dp3 = (vyn2 + 0.5*dv2)*dt;
dv3 = f(yn2 + 0.5*dp2, xn2, m1, yn1, xn1, m3, yn3, xn3)*dt;
dp4 = (vyn2 + dv3)*dt;
dv4 = f(yn2 + dp3, xn2, m1, yn1, xn1, m3, yn3, xn3)*dt;
temp_dyn2 = (1./6.)*(dp1 + 2*dp2 + 2*dp3 + dp4);
temp_dvyn2 = (1./6.)*(dv1 + 2*dv2 + 2*dv3 + dv4);
/* BODY c3: */
dp1 = vxn3*dt;
dv1 = f(xn3, yn3, m1, xn1, yn1, m2, xn2, yn2)*dt;
dp2 = (vxn3 + 0.5*dv1)*dt;
dv2 = f(xn3 + 0.5*dp1, yn3, m1, xn1, yn1, m2, xn2, yn2)*dt;
dp3 = (vxn3 + 0.5*dv2)*dt;
dv3 = f(xn3 + 0.5*dp2, yn3, m1, xn1, yn1, m2, xn2, yn2)*dt;
dp4 = (vxn3 + dv3)*dt;
dv4 = f(xn3 + dp3, yn3, m1, xn1, yn1, m2, xn2, yn2)*dt;
temp_dxn3 = (1./6.)*(dp1 + 2*dp2 + 2*dp3 + dp4);
temp_dvxn3 = (1./6.)*(dv1 + 2*dv2 + 2*dv3 + dv4);
dp1 = vyn3*dt;
dv1 = f(yn3, xn3, m1, yn1, xn1, m2, yn2, xn2)*dt;
dp2 = (vyn3 + 0.5*dv1)*dt;
dv2 = f(yn3 + 0.5*dp1, xn3, m1, yn1, xn1, m2, yn2, xn2)*dt;
dp3 = (vyn3 + 0.5*dv2)*dt;
dv3 = f(yn3 + 0.5*dp2, xn3, m1, yn1, xn1, m2, yn2, xn2)*dt;
dp4 = (vyn3 + dv3)*dt;
dv4 = f(yn3 + dp3, xn3, m1, yn1, xn1, m2, yn2, xn2)*dt;
temp_dyn3 = (1./6.)*(dp1 + 2*dp2 + 2*dp3 + dp4);
temp_dvyn3 = (1./6.)*(dv1 + 2*dv2 + 2*dv3 + dv4);
/************** END OF RK4 **************/
/* Increasing variables */
xn1 += temp_dxn1;
vxn1 += temp_dvxn1;
yn1 += temp_dyn1;
vyn1 += temp_dvyn1;
xn2 += temp_dxn2;
vxn2 += temp_dvxn2;
yn2 += temp_dyn2;
vyn2 += temp_dvyn2;
xn3 += temp_dxn3;
vxn3 += temp_dvxn3;
yn3 += temp_dyn3;
vyn3 += temp_dvyn3;
/* Updating variables on the structs from the temporary variables */
var->tn = tn;
/* Body 1 */
c1->xn = xn1;
c1->yn = yn1;
c1->vxn = vxn1;
c1->vyn = vyn1;
/* Body 2 */
c2->xn = xn2;
c2->yn = yn2;
c2->vxn = vxn2;
c2->vyn = vyn2;
/* Body 3 */
c3->xn = xn3;
c3->yn = yn3;
c3->vxn = vxn3;
c3->vyn = vyn3;
/* Writing data on file */
fprintf(fp, "%lf\t%lf\t%lf\t%lf\t%lf\t%lf\t%lf\n", xn1, yn1, xn2, yn2, xn3, yn3, tn);
}
return;
}
最佳答案
您需要一次对所有 12 个变量求积分,因为它们的方程是耦合的。通过分离积分步骤,您可以改变物理场并减少方法的阶数。典型的后果是引入一些漂移,即动量不守恒。
事实上,该方法仍然是 1 阶一致的,也就是说,如果您足够小地减小步长,那么您很可能会接近一些真实的物理行为。但是,如果步长太小,则积分会淹没在累积的浮点噪声中。
关于c - 三体problem(Burrau's pythagorean problem.)与Runge-Kutta 4积分法(c语言),我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题: https://stackoverflow.com/questions/41130887/
话说,尾部的++在这里没有实际作用? 最佳答案 l+l++ 未定义。您的表达式中没有序列点来分隔对 l 的访问和后增量。它可以做任何事情,包括具有与 l+l 相同的效果。 编辑:问题和答案在 Why
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我是一名优秀的程序员,十分优秀!