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ファイル:Symplectic-method-for-harmonic-oscillator.svg

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元のファイル (SVG ファイル、576 × 432 ピクセル、ファイルサイズ: 84キロバイト)

概要

解説
日本語: 調和振動子をEuler法, 4次のRunge-Kutta法, 1次, 2次, 4次のシンプレクティック法で数値的に解いた際に生じる誤差の大きさのプロット. 時間ステップは 1/16.
日付
原典 投稿者自身による著作物
作者 Osanshouo

Source code

'''Solve the harmonic oscillator $H = p^2/2 + q^2/2$'''

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
plt.rcParams["text.usetex"] = True
plt.rcParams["font.family"] = "DejaVu Sans"
plt.rcParams["font.size"] = 14

fig = plt.figure()
plt.subplots_adjust(left=0.15, right=0.75)
ax = fig.add_subplot(111)

dt = 1./16.
t_end = 8
def force(x, v):
    return -x

def solve(method, param):
    ts, xs, vs = [0.], [1.], [0.]
    while ts[-1] < 2.*np.pi*t_end:
        x, v = method(xs[-1], vs[-1])
        ts.append(ts[-1] + dt)
        xs.append(x)
        vs.append(v)
    ts, xs, vs = np.array(ts), np.array(xs), np.array(vs)
    ax.plot(ts/2./np.pi, np.fabs(xs**2 + vs**2 - 1.), **param)
    return 0

# Euler
def euler(x, v):
    return x + v*dt, v + force(x, v)*dt
solve(euler, {"label":"Euler"})

# RK4
def rk4(x, v):
    dx1, dv1 = v, -x
    dx2, dv2 = v+dv1*dt/2., force(x+dx1*dt/2., v+dv1*dt/2.)
    dx3, dv3 = v+dv2*dt/2., force(x+dx2*dt/2., v+dv2*dt/2.)
    dx4, dv4 = v+dv3*dt,    force(x+dx3*dt,    v+dv3*dt   )
    return x + (dx1 + 2.*(dx2 + dx3) + dx4)*dt/6., v + (dv1 + 2.*(dv2 + dv3) + dv4)*dt/6., 
solve(rk4, {"label": "RK4"})

# symp1
def symp1(x, v):
    x_tmp = x + v*dt
    return x + v*dt, v + force(x_tmp, v)*dt
solve(symp1, {"label":"Symp1", "ls":"-."})

# symp2
def symp2(x, v, dt=dt):
    x_tmp = x + v*dt/2.
    v_tmp = v + force(x_tmp, v)*dt
    return x_tmp + v_tmp*dt/2., v_tmp
solve(symp2, {"label":"Symp2", "ls":":"})

# symp4
def symp4(x, v):
    d1 = 1./(2. - np.cbrt(2.))
    d2 = 1. - 2.*d1
    x, v = symp2(x, v, dt=dt*d1)
    x, v = symp2(x, v, dt=dt*d2)
    return symp2(x, v, dt=dt*d1)
solve(symp4, {"label":"Symp4", "ls":"-."})

ax.set_xlabel("time $t/2\pi$")
ax.set_ylabel(r"energy error $\left| \Delta E \right| / E_0$")
ax.set_yscale("log")
ax.set_xlim([0, t_end])
ax.set_ylim(bottom=1e-11)
ax.grid()
ax.legend(bbox_to_anchor=(1.05, 1), loc='upper left', borderaxespad=0, fontsize=14)

plt.savefig("symplectic-method-for-harmonic-oscillator.svg")
plt.show()
plt.close()

ライセンス

この作品の著作権者である私は、この作品を以下のライセンスで提供します。
w:ja:クリエイティブ・コモンズ
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  • 共有 – 本作品を複製、頒布、展示、実演できます。
  • 再構成 – 二次的著作物を作成できます。
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  • 表示 – あなたは適切なクレジットを表示し、ライセンスへのリンクを提供し、変更があったらその旨を示さなければなりません。これらは合理的であればどのような方法で行っても構いませんが、許諾者があなたやあなたの利用行為を支持していると示唆するような方法は除きます。

キャプション

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Energy error in the numerical solution of harmonic oscillator

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題材

1 6 2020

ファイルの履歴

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日付と時刻サムネイル寸法利用者コメント
現在の版2020年6月1日 (月) 09:222020年6月1日 (月) 09:22時点における版のサムネイル576 × 432 (84キロバイト)OsanshouoUploaded own work with UploadWizard

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