离散模拟每一步都要先后更新速度与位置。即使使用同一条恢复力公式,位置使用旧速度还是新速度,也会产生不同的轨迹和能量变化。
质量取一,恢复加速度为负k乘位置,步长为h。显式方法同时按旧状态计算新位置和新速度;半隐式方法先用旧位置更新速度,再用新速度更新位置。两种方法都从同一组位置和速度出发。
初始位置7、速度4,弹簧常数4,步长1/2。记录初始及十二次更新。
步 | 显式位置/速度/两倍能量 | 半隐式位置/速度/两倍能量 0 | 7/4/212 | 7/4/212 1 | 9/-10/424 | 2/-10/116 2 | 4/-28/848 | -5/-14/296 3 | -10/-36/1696 | -7/-4/212 4 | -28/-16/3392 | -2/10/116 5 | -36/40/6784 | 5/14/296 6 | -16/112/13568 | 7/4/212 7 | 40/144/27136 | 2/-10/116 8 | 112/64/54272 | -5/-14/296 9 | 144/-160/108544 | -7/-4/212 10 | 64/-448/217088 | -2/10/116 11 | -160/-576/434176 | 5/14/296 12 | -448/-256/868352 | 7/4/212
表中编号仅用于识别本例的元素。读取一个结果时,应先核对它对应的输入、处理顺序和边界约定;布尔值表示条件是否成立,空集合表示没有符合要求的对象,不应把这些字段混成同一种数值。
每一步记录位置、速度和速度平方加k乘位置平方;最后一项是理想弹簧系统能量的两倍。计算保留精确分数,避免把舍入误差混进更新顺序的比较。
本例没有阻尼、碰撞或外力,也不保证任意步长都稳定。半隐式方法并非每一步都严格保持真实能量;选择步长仍应结合具体系统,不能把某一份表的表现当成所有参数的结论。
练习时可以先独立计算最前面的一步,再检查最后的整体不变量。若结论不同,应保留各步记录,定位第一处差异;只调整最终数字会掩盖规则理解上的问题。改变输入后也要重新演算,而不是照抄这一例的输出。