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我有下面的工作功能。我有一个函数,可以从中计算一阶和二阶导数。然后我需要找到一阶导数为零而第二个导数为负的 theta 值。我必须为大量点计算这个。点数等于K1和K2的长度。使用 sympy 我计算一阶和二阶导数。我目前迭代所有导数并为每个导数求解方程。有没有更快的方法来做到这一点,一旦 K1 和 K2 的长度增加 > 1000 ,这对我的应用程序来说需要很长时间。
import numpy as np
import sympy as sp
from scipy.optimize import fsolve
from sympy.utilities.lambdify import lambdify
def get_cpd(K1, K2):
'''
*args:
K1, 1D numpy array: mode I stress intensity factors
K2, 1D numpy array: mode II stress intensity factor
*Note:
K1 and K2 should have the same length
'''
# Define symbols
r, theta = sp.symbols("r theta")
# Shear stress intensity
sif_shear = 1/2*sp.cos(theta/2)*(K1*sp.sin(theta)+K2*(3*sp.cos(theta)-1))
# Determine the first and second derivative w.r.t. theta
first_derivative = sp.diff(sif_shear, theta)
second_derivative = sp.diff(first_derivative, theta)
cpd_lst = []
for first, second in zip(first_derivative, second_derivative):
# Lambdify function such that it can evaluate an array of points
func1 = sp.lambdify(theta, first, "numpy")
func2 = sp.lambdify(theta, second, "numpy")
# initialize array from -π/2 to π/2, this is used for the initial guesses of the solver
x = np.linspace(-np.pi/2, np.pi/2, num=50)
# Solve the first derivative for all initial guesses to find possible propagation angles
y1 = fsolve(func1, x)
# Evaluate the second derivative in the roots of the first derivative
y2 = func2(y1)
# Get roots of first derivative between -π/2 to π/2
# and where second derivative is negative
y1 = np.round(y1, 4)
y1 = y1[(y1 > -np.pi/2) & (y1 < np.pi/2) & (y2 < 0)]
# get unique roots
cpd = np.unique(y1)
cpd_lst.append(cpd)
return cpd_lst
输入示例:
K1 = np.random.rand(10000,)
K2 = np.random.rand(10000,)
get_cpd(K1, K2)
最佳答案
最好的办法是在符号参数方面尽可能多地尝试符号化地处理方程。可以得到一个解析解,例如first_derivative
但你需要稍微改造一下。在这里,我将 sin/cos 重写为 exp,然后使用替换 exp(I*theta/2) = sqrt(z)
得到 z
的三次多项式:
In [150]: K1, K2 = symbols('K1, K2', real=True)
In [151]: theta = Symbol('theta', real=True)
In [152]: sif_shear = S.Half*sp.cos(theta/2)*(K1*sin(theta)+K2*(3*cos(theta)-1))
In [153]: eq = diff(sif_shear, theta)
In [154]: eq
Out[154]:
⎛K₁⋅sin(θ) K₂⋅(3⋅cos(θ) - 1)⎞ ⎛θ⎞
⎜───────── + ─────────────────⎟⋅sin⎜─⎟
⎝ 2 2 ⎠ ⎝2⎠ ⎛K₁⋅cos(θ) 3⋅K₂⋅sin(θ)⎞ ⎛θ⎞
- ────────────────────────────────────── + ⎜───────── - ───────────⎟⋅cos⎜─⎟
2 ⎝ 2 2 ⎠ ⎝2⎠
In [155]: eqz = fraction(cancel(eq.rewrite(exp).subs(exp(I*theta/2), sqrt(z))))[0].collect(z)
In [156]: eqz
Out[156]:
3 2
3⋅K₁ - 9⋅ⅈ⋅K₂ + z ⋅(3⋅K₁ + 9⋅ⅈ⋅K₂) + z ⋅(K₁ + ⅈ⋅K₂) + z⋅(K₁ - ⅈ⋅K₂)
现在 sympy 可以解决这个问题(
roots(eqz, z)
),但是三次方的通用公式非常复杂,所以这可能不是最好的方法。给定
K1
的特定浮点值和
K2
尽管 sympy 可以轻松获得
nroots
的根源否则你可以使用 numpy 的
roots
功能。
In [157]: eqzp = eqz.subs({K1:0.2, K2:0.5})
In [158]: eqzp
Out[158]:
3 2
z ⋅(0.6 + 4.5⋅ⅈ) + z ⋅(0.2 + 0.5⋅ⅈ) + z⋅(0.2 - 0.5⋅ⅈ) + 0.6 - 4.5⋅ⅈ
In [159]: Poly(eqzp, z).nroots()
Out[159]: [-0.617215947987055 + 0.786793793538333⋅ⅈ, -0.491339121039621 - 0.870968350823388⋅ⅈ, 0.993562347047054 + 0.113286638798883⋅ⅈ]
In [163]: coeffs = [complex(c) for c in Poly(eqzp, z).all_coeffs()]
In [164]: np.roots(coeffs)
Out[164]:
array([ 0.99356235+0.11328664j, -0.61721595+0.78679379j,
-0.49133912-0.87096835j])
无论哪种方式,这都会为
z
提供 3 个可能的值这是
exp(I*theta)
所以你可以得到 theta (模
2*pi
):
In [167]: r1, r2, r3 = Poly(eqzp, z).nroots()
In [168]: get_theta = lambda r: acos((r + r.conjugate())/2)
In [169]: get_theta(r1)
Out[169]: 2.23599562043958
In [170]: get_theta(r2)
Out[170]: 2.08442292239622
In [171]: get_theta(r3)
Out[171]: 0.113530366549989
我们所做的转换意味着
+-
这些值可以是原始方程的解,因此我们可以通过代入例如:
In [178]: eq.subs({K1:0.2, K2:0.5}).subs(theta, get_theta(r1))
Out[178]: -5.55111512312578e-17
In [179]: eq.subs({K1:0.2, K2:0.5}).subs(theta, get_theta(r2))
Out[179]: -0.124767626702216
In [180]: eq.subs({K1:0.2, K2:0.5}).subs(theta, -get_theta(r2))
Out[180]: 5.55111512312578e-17
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