シミュレーション物理4

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1 シミュレーション物理 4 運動方程式の方法

2 運動方程式 物理で最もよく出てくる そもそも物理はものの運動を議論する学問から出発 ( つり合いは運動を行わないという意味で含まれる ) 代表例 ニュートンの運動方程式 波動方程式 シュレーディンガー方程式

3 運動方程式 ( 微分方程式の解法 ) 高次の微分方程式を 1 階微分方程式に変形 N 変数の 階微分方程式 N 変数の 1 階微分方程式 dy/dt=f(t,y) を考察 (y はベクトルでもよいが説明のため,1 次元で考える )

4 運動方程式の解き方 1 最も原始的なとき ( オイラー法 ) 時間を離散的に 0, t, t,3 t と刻む y( t)=y として dy dt = f y = y + f( t, y ) t 1 +

5 運動方程式の解き方 ; オイラー法の改良 オイラー法だと精度が悪い 1 タイムステップで t の誤差 目標が t 秒後の粒子の位置だとすると,N=t/ t 回のステップが必要 するとこの誤差が蓄積して,t t 程度の誤差が生じる オイラー法を改良して t 3 の誤差しか生じないようにする そのためには?

6 次の Ruge-Kutta 法 ( 中点法 ) k = tf( t, y) 1 t k k = tf( t +, y + 1 ) y = y + k + O( t ) 直感的な意味 ;y の時間変化を決める f が t,y に依存している そこで f は t と t+ t,y と y+ y の中点で決めるとよい

7 次の Ruge-Kutta 法の証明 y yt ( t) = dy 1 d y 3 ( ) ( ) = yt + + t t + O t dt dt 1 ( ) ( 3 t y ) = y + f + t f + f f t + O t dy d y dy = = t + y = t + y ( f( t, y( t)), f f f f f) dt dt dt 通常のテイラー展開 Ruge-Kutta 法 y = y + tf( t + t/, y + k/) = y + tf( t + t/, y + tf/) t tf = y + t f + ft + fy + O t t = y + tf + f + f f + O t 3 ( t y ) ( ) 3 ( )

8 4 次の Ruge-Kutta 法 t x として x,y で図で解釈

9 4th Order Ruge-Kutta 法 k = tf( t, y) 1 k = tf( t + t/, y + k/) 1 k = tf( t + t/, y + k /) 3 k = tf( t + t, y + k) 4 3 k k k k y+ 1 = y O( t ) 多くの場合, 力は時間にはあらわに依存しない k 1 = tf( y) k = tf( y + k/ ) 1 k = tf( y + k / ) 3 k = tf( y + k) 4 3 k1 k k3 k4 5 y+ 1 = y O( t ) レポート課題 : 番目の場合について, 証明せよ

10 問題 まずは自由落下から t=0,y=0 で初速 0 でものを落とした場合を, Euler 法 中点法 Ruge-Kutta 法 で解くこと 次に空気抵抗がある場合をとく 空気抵抗は速度に比例

11 無次元化 d x dx m = mg mγ dt dt dv = g γ v dt x, t, v dx = v dt = x / t, g = x / t, γ = 1/ t dv = g γ v dt dx = v dt ここでは 1 秒 1 メートルを基本単位とする

12 課題 : それぞれを数値的にといて解析 的な式と比較しよう g g v= (1 e γt ), x= (1 e γt tγ ) γ γ

13 program euler! ! This is a program to ivestigate the free fall! Euler method! 005/5/ Writte by T. Ohtsuki! implicit oe! Always begi with this statemet iteger,parameter::double=selected_real_kid(14)! Type defied real(kid=double), parameter::zero=0.0_double,oe=1.0_double,& half=0.5_double! Parameter defied real(kid=double), parameter::pi= ! Parameter defied real(kid=double)::x,vx,deltat,xew,vxew,t,tmax,aalytic! Real variables defied real(kid=double), parameter::g=9.8_double,gamma=1.0_double! Parameter defied iteger::i,max! iteger defied deltat=0.05_double! Time iterval x=zero! Iitial positio vx=zero! Iitial velocity tmax=5._double! Target time max=it((tmax-deltat/._double)/deltat)+1! Number of iteratio required do i=1,max! Equatio of motio vxew=vx-g*deltat-gamma*vx*deltat! Vx is slightly chaged xew=x+vx*deltat! X is slightly chaged vx=vxew! Set vxew as vx x=xew! Set xew as x ed do!compare the aalytic ad umerical results tmax=deltat*max aalytic=-g*tmax/gamma-g/gamma***exp(-gamma*tmax)+g/gamma** prit *,tmax,x,aalytic stop ed

14 program midpoit! ! This is a program to ivestigate the free fall! 005/5/ Writte by T. Ohtsuki! midpoit method! implicit oe! Always begi with this statemet iteger,parameter::double=selected_real_kid(1 4) real(kid=double), parameter::zero=0.0_double, oe=1.0_double,half=0.5_double real(kid=double), parameter::pi= real(kid=double), parameter::g=9.8_double,ga mma=1._double real(kid=double)::x,vx,deltat,xew,vxew,t,tma x,aalytic real(kid=double)::xk1,xk,vxk1,vxk iteger::i,max do i=1,max! ここだけ Euler 法とちょっと違う vxk1=-deltat*(g+gamma*vx) xk1=deltat*vx vxk=-deltat*(g+gamma*(vx+half*vxk1)) xk=deltat*(vx+half*vxk1) vxew=vx+vxk xew=x+xk vx=vxew x=xew ed do!compare the aalytic ad umerical results tmax=deltat*max aalytic=-g*tmax/gamma-g/gamma***exp(- gamma*tmax)+g/gamma** prit *,tmax,x,aalytic stop ed deltat=0.05_double x=zero vx=zero tmax=5._double max=it((tmax-deltat/._double)/deltat)+1

15 コンパイル f90 fileame( 必ず.f90 で終わるファイル ) a.out というファイルができるのでそれを実行 (a.out と打ち込む ) もし a.out でなく たとえば Euler1 という名前の実行ファイル ( キーボードで打ち込むと結果が出るものを実行ファイルという ) がほしければ f90 -o Euler1 fieame

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