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计算方法:椭圆弹球

已有 5112 次阅读 2018-1-24 20:14 |个人分类:计算方法|系统分类:教学心得

掌握一定的计算方法后,可以做很多有趣的数值模拟。数值模拟不仅仅用来证实解析的预言,更是理论家的实验手段,是理论家以计算机为平台做的实验。好比实验家以传统实验仪器为平台做出发现,理论家也完全可以以计算机为平台做出发现。在数学界,有个方向叫实验数学,就是强调以数值模拟为手段发现潜在的规律, 做出猜想或者否定猜想,辅助或者启发解析工作。目前,这个方向已经诞生了一个专门的杂志叫experimental mathematics

物理上,博主印象最深的是Borland和Dennis在1970,1972的发现

下面作为一个例子,我们研究椭圆弹球的运动,就是一个粒子被限制在一个椭圆区域内,在边界发生弹性反射的运动。

下面的图展示的是比较典型的情况。梅花号*表示椭圆边界的两个焦点。

包络为椭圆:

包络为双曲线:

这里的数值模拟强烈地暗示着这个体系是可积的,不存在混沌。

作业1:试编程实现这里展示的现象。我写的这个程序存在一个缺憾,就是只是展示了粒子的轨迹,但是没有让粒子沿着轨迹匀速运动,你能否实现这点?  

作业2:作为包络的椭圆或者双曲线与外面的椭圆边界是什么关系?

作业3:显然粒子的能量是个守恒量,另外一个守恒量是什么?

作业4:在有关彩虹的博文中,第一幅图也是用matlab生成的,试编程实现之。



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