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小行星运动轨迹的Runge-Kutta法模拟.
小行星运动的Runge-Kutta法模拟
背景介绍
由于两个恒星作用下行星运动问题没有解析解,只能用数值方法求解微分方程。但是在用一阶近似求解微分方程的时候存在严重的误差累积。
当只考虑一个恒星引力影响时的模型如下:
……..(1)
当初始值是时,行星做圆周运动。此时,微分方程的解是。在后面的讨论中,用这个初始条件的方程作为测试方程。
如果采用一阶近似,,就会有严重的误差累积。如下图所示
当行星偏离理想轨道很小的量以后,之后的偏差就会越来越大,直至脱离恒星的束缚。在离散化以后,原来临界稳定的系统变得发散了。
用高阶系统去求解单恒星问题
当用高于一阶的方法近似求解以上方程时,会取得较好一些的近似。
把二阶常微分方程组(1)转化为一阶常微分方程组:
,初始条件是
一阶常微分方程组的经典4阶RK法的公式是
当时,迭代100000次,模拟行星绕行星圈的轨迹图如下:
从上图中可以看出,当模拟绕中心159圈后,轨道的偏移依然很小。
为了定量衡量偏差的大小,可以用行星的总能量E=。初始状态时的,经过100000次迭代后总能量变为。可见用4阶KR方法的解精度很高。
总能量的偏差量随迭代次数改变的曲线
用高阶系统解双恒星问题
考虑一种简单情况,即行星初始速度在三个天体所在平面内。行星在两个恒星作用下的微分方程是
,其中两个恒星位置是.
用经典4阶RK法求解以上微分方程,并且在求解过程中根据行星的速度自适应调整迭代的步长(变动范围是0.0005到0.005之间)。
当初值条件为时,迭代5000步后的轨迹图如下:
在两个恒星作用下,初始值选的不好时,行星在迭代有限次数后会撞到恒星上去。如以上的初始条件在迭代5780次就会出现行星和恒星的距离小于0.01。
当选取初始值为,迭代50000次时的运动轨迹如下:
在以上初始值下行星的运动接近周期运动,在上图中行星运行了31周。
对以上初始值稍作改动,。迭代35185次时行星与恒星的距离小于0.01。运动轨迹图如下:
当初始值改为。迭代34297次时行星与恒星的距离小于0.01。运动轨迹图如下:
当初始值改为。迭代50000次的运动轨迹图如下:
以上各组测试数据表明,行星在双恒星的引力作用下运动轨迹对初始值很敏感。
参考文献
吴勃英, 王德明等. 数值分析原理. 北京:科学出版社. 2003309-310
Matlab程序1
clear all;clc;close all;
;%J=-1;L=1
f1=@(x,vx,y,vy) vx;
f2=@(x,vx,y,vy) -x/sqrt((x*x+y*y)^3);%-(x-L)/sqrt(((x-L)*(x-L)+y*y)^3)
f3=@(x,vx,y,vy) vy;
f4=@(x,vx,y,vy) -y/sqrt((x*x+y*y)^3);%-y/sqrt(((x-L)*(x-L)+y*y)^3)
h=0.001;
N=10000;
X=zeros(1,N);X(1)=1;
Vx=zeros(1,N);Vx(1)=0.1;
Y=zeros(1,N);Y(1)=1;
Vy=zeros(1,N);Vy(1)=0.7;
d=0.09;
for n=1:N-1
Kx1=f1(X(n),Vx(n),Y(n),Vy(n));
Kvx1=f2(X(n),Vx(n),Y(n),Vy(n));
Ky1=f3(X(n),Vx(n),Y(n),Vy(n));
Kvy1=f4(X(n),Vx(n),Y(n),Vy(n));
Kx2=f1(X(n)+h/2*Kx1,Vx(n)+h/2*Kvx1,Y(n)+h/2*Ky1,Vy(n)+h/2*Kvy1);
Kvx2=f2(X(n)+h/2*Kx1,Vx(n)+h/2*Kvx1,Y(n)+h/2*Ky1,Vy(n)+h/2*Kvy1);
Ky2=f3(X(n)+h/2*Kx1,Vx(n)+h/2*Kvx1,Y(n)+h/2*Ky1,Vy(n)+h/2*Kvy1);
Kvy2=f4(X(n)+h/2*Kx1,Vx(n)+h/2*Kvx1,Y(n)+h/2*Ky1,Vy(n)+h/2*Kvy1);
Kx3=f1(X(n)+h/2*Kx2,Vx(n)+h/2*Kvx2,Y(n)+h/2*Ky2,Vy(n)+h/2*Kvy2);
Kvx3=f2(X(n)+h/2*Kx2,Vx(n)+h/2*Kvx2,Y(n)+h/2*Ky2,Vy(n)+h/2*Kvy2);
Ky3=f3(X(n)+h/2*Kx2,Vx(n)+h/2*Kvx2,Y(n)+h/
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