6

我只是在游戏中测试几种轨道动力学的集成方案。我在这里采用了恒定和自适应步骤的 RK4 http://www.physics.buffalo.edu/phy410-505/2011/topic2/app1/index.html

我将它与简单的verlet集成(和欧拉,但它的性能非常差)进行了比较。看起来恒定步长的RK4并不比verlet好。具有自适应步长的 RK4 更好,但不是很多。我想知道我是不是做错了什么?或者说 RK4 比 verlet 优越得多是什么意思?

认为 Force 每 RK4 步骤评估 4 次,但每个 verlet 步骤仅评估 1 次。因此,为了获得相同的性能,我可以将 verlet 的 time_step 设置为小 4 倍。使用 4 倍更小的时间步长,verlet 比具有恒定步长的 RK4 更精确,并且几乎可以与具有附加步长的 RK4 相媲美。

见图片: https ://lh4.googleusercontent.com/-I4wWQYV6o4g/UW5pK93WPVI/AAAAAAAAA7I/PHSsp2nEjx0/s800/kepler.png

10T 表示 10 个轨道周期,后面的数字 48968,7920,48966 是需要的力评估数

python代码(使用pylab)如下:

from pylab import * 
import math

G_m1_plus_m2 = 4 * math.pi**2

ForceEvals = 0

def getForce(x,y):
    global ForceEvals
    ForceEvals += 1
    r = math.sqrt( x**2 + y**2 )
    A = - G_m1_plus_m2 / r**3
    return x*A,y*A

def equations(trv):
    x  = trv[0]; y  = trv[1]; vx = trv[2]; vy = trv[3];
    ax,ay = getForce(x,y)
    flow = array([ vx, vy, ax, ay ])
    return flow

def SimpleStep( x, dt, flow ):
    x += dt*flow(x)

def verletStep1( x, dt, flow ):
    ax,ay = getForce(x[0],x[1])
    vx   = x[2] + dt*ax; vy   = x[3] + dt*ay; 
    x[0]+= vx*dt;        x[1]+= vy*dt;
    x[2] = vx;        x[3] = vy;

def RK4_step(x, dt, flow):    # replaces x(t) by x(t + dt)
    k1 = dt * flow(x);     
    x_temp = x + k1 / 2;   k2 = dt * flow(x_temp)
    x_temp = x + k2 / 2;   k3 = dt * flow(x_temp)
    x_temp = x + k3    ;   k4 = dt * flow(x_temp)
    x += (k1 + 2*k2 + 2*k3 + k4) / 6

def RK4_adaptive_step(x, dt, flow, accuracy=1e-6):  # from Numerical Recipes
    SAFETY = 0.9; PGROW = -0.2; PSHRINK = -0.25;  ERRCON = 1.89E-4; TINY = 1.0E-30
    scale = flow(x)
    scale = abs(x) + abs(scale * dt) + TINY
    while True:
        x_half = x.copy();  RK4_step(x_half, dt/2, flow); RK4_step(x_half, dt/2, flow)
        x_full = x.copy();  RK4_step(x_full, dt  , flow)
        Delta = (x_half - x_full)
        error = max( abs(Delta[:] / scale[:]) ) / accuracy
        if error <= 1:
            break;
        dt_temp = SAFETY * dt * error**PSHRINK
        if dt >= 0:
            dt = max(dt_temp, 0.1 * dt)
        else:
            dt = min(dt_temp, 0.1 * dt)
        if abs(dt) == 0.0:
            raise OverflowError("step size underflow")
    if error > ERRCON:
        dt *= SAFETY * error**PGROW
    else:
        dt *= 5
    x[:] = x_half[:] + Delta[:] / 15
    return dt    

def integrate( trv0, dt, F, t_max, method='RK4', accuracy=1e-6 ):
    global ForceEvals
    ForceEvals = 0
    trv = trv0.copy()
    step = 0
    t = 0
    print "integrating with method: ",method," ... "
    while True:
        if method=='RK4adaptive':
            dt = RK4_adaptive_step(trv, dt, equations, accuracy)
        elif method=='RK4':
            RK4_step(trv, dt, equations)
        elif method=='Euler':
            SimpleStep(trv, dt, equations)
        elif method=='Verlet':
            verletStep1(trv, dt, equations)
        step += 1
        t+=dt
        F[:,step] = trv[:]
        if t > t_max:
            break
    print " step = ", step


# ============ MAIN PROGRAM BODY =========================

r_aphelion   = 1
eccentricity = 0.95
a = r_aphelion / (1 + eccentricity)
T = a**1.5
vy0 = math.sqrt(G_m1_plus_m2 * (2 / r_aphelion - 1 / a))
print " Semimajor axis a = ", a, " AU"
print " Period T = ", T, " yr"
print " v_y(0) = ", vy0, " AU/yr"
dt       = 0.0003
accuracy = 0.0001

#                 x        y     vx  vy
trv0 = array([ r_aphelion, 0,    0, vy0 ])             

def testMethod( trv0, dt, fT, n, method, style ):
    print " "
    F = zeros((4,n));
    integrate(trv0, dt, F, T*fT, method, accuracy);
    print "Periods ",fT," ForceEvals ",  ForceEvals
    plot(F[0],F[1], style ,label=method+" "+str(fT)+"T "+str(  ForceEvals ) ); 

testMethod( trv0, dt, 10, 20000  , 'RK4', '-' )
testMethod( trv0, dt, 10, 10000  , 'RK4adaptive', 'o-' )
testMethod( trv0, dt/4, 10, 100000, 'Verlet', '-' )
#testMethod( trv0, dt/160, 2, 1000000, 'Euler', '-' )

legend();
axis("equal")
savefig("kepler.png")
show();
4

3 回答 3

13

我知道这个问题现在已经很老了,但这实际上与其中一种方法相对于另一种方法的“优越性”无关,或者与您对它们的编程无关——它们只是擅长不同的事情。(所以不,这个答案实际上与代码无关。甚至与编程有关。更多的是关于数学,真的......)

Runge-Kutta 系列求解器非常擅长以相当高的精度解决几乎任何问题,并且在自适应方法的情况下,性能非常好。但是,它们不是的,这意味着它们在问题中不保存能量。

另一方面,Verlet 方法可能需要比 RK 方法小得多的步长以最小化解中的振荡,但该方法是辛的。

你的问题是节能;在任意转数之后,行星体的总能量(动能 + 势能)应该与初始条件下相同。这对于 Verlet 积分器是正确的(至少作为时间窗平均值),但对于 RK 系列的积分器则不会 - 随着时间的推移,RK 求解器将建立一个不会减少的误差,由于能量迷失在数值积分中。

为了验证这一点,请尝试在每个时间步保存系统中的总能量,并绘制它(您可能需要进行十次以上的旋转才能注意到差异)。RK 方法的能量将稳定下降,而 Verlet 方法将给出围绕恒定能量的振荡。

如果这是您需要解决的确切问题,我还推荐使用 Kepler 方程,它可以解析地解决这个问题。即使对于具有许多行星、卫星等的相当复杂的系统,行星际相互作用是如此微不足道,以至于您可以对每个物体及其旋转中心单独使用开普勒方程,而不会损失太多精度。但是,如果您正在编写游戏,您可能真的对其他问题感兴趣,这只是一个学习示例 - 在这种情况下,请阅读各种求解器系列的属性,然后选择一个适合你的问题。

于 2013-08-14T01:43:57.107 回答
4

我不知道我是否会回答你的具体问题,但这是我的想法。

您已经定义了一个非常简单的力模型。在这种情况下,保存一些步骤可能不会提高性能,因为在 RK4 中计算新步骤可能需要更长的时间。如果力模型比较复杂,带有自适应步长的 RK4 可以为您节省很多时间。从你的情节我认为 Verlet 也偏离了正确的解决方案,一个重复的椭圆。

对于轨道力学,您还可以尝试 RK7(8) 自适应积分器、Adams-Bashforth 多步法或 Gauss Jackson 方法。这是一篇展示其中一些方法的论文:http: //drum.lib.umd.edu/bitstream/1903/2202/7/2004-berry-healy-jas.pdf

最后,如果你的力模型总是一个简单的中心力,就像这个例子一样,看看开普勒方程。解决它是精确的,快速的,你可以跳到任意时间。

于 2013-04-18T20:43:00.390 回答
2

好的,最后,我使用了自适应 Runge-Kutta-Fehlberg (RKF45)。有趣的是,当我要求更高的精度(最佳为 1E-9 )时,它更快(需要更少的步骤),因为在较低的精度( <1e-6 )下,解决方案是不稳定的,并且大量迭代被分散的步骤(步骤太长且不精确)。当我要求更好的精度( 1E-12 )时,它需要更多的步骤,因为时间步骤更短。

对于圆形轨道,精度可以降低到 (1e-5),速度增益高达 3 倍,但是当我需要模拟高度偏心(椭圆轨道)时,我更喜欢保持安全的 1E-9 精度。

如果有人会解决类似问题,则有代码 http://www.openprocessing.org/sketch/96977 它还显示了模拟一个时间单位的轨迹长度需要多少力评估

于 2013-04-22T13:08:53.960 回答