Форум программистов, компьютерный форум, киберфорум
С++ для начинающих
Войти
Регистрация
Восстановить пароль
Блоги Сообщество Поиск Заказать работу  
 
0 / 0 / 0
Регистрация: 05.04.2025
Сообщений: 2

Решение волнового уравнения методом конечных разностей

05.04.2025, 18:59. Показов 3368. Ответов 8

Студворк — интернет-сервис помощи студентам
C++
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
#include "basic_libs.h"
Matrix wave_equation_solver( size_t n, double L, double t0, double t_end, double tau,
                            auto tension, auto density, auto force,auto boundary_condition_left,
                            auto boundary_condition_right,Matrix& u0, const std::string& filename)
{
    double dx = L / (n - 1);
 
    double max_speed = 1.0;
    for (double x = 0.0; x <= L; x += dx) {
        double T = tension(x);
        double rho = density(x);
        if (T <= 0 || rho <= 0) {
            throw std::runtime_error("Tension and density must be positive.");
        }
        max_speed = std::max(max_speed, std::sqrt(T / rho));
    }
    if (tau > dx / max_speed) {
        throw std::runtime_error("Time step is too large (CFL condition violated).");
    }
 
    auto wave_equation_rhs = [&](Matrix u, double t) {
        Matrix dudt(2 * n, Vector(1, 0.0));
 
        for (size_t i = 0; i < n; ++i) {
            dudt[i][0] = u[n + i][0];
        }
 
        for (size_t i = 1; i < n - 1; ++i) {
            double x = i * dx;
            double T_left  = tension(x - dx / 2);
            double T_right = tension(x + dx / 2);
            double rho = density(x);
 
            double d2u_dx2 = (T_right * (u[i + 1][0] - u[i][0]) -
                              T_left  * (u[i][0] - u[i - 1][0])) / (dx * dx);
 
            dudt[n + i][0] = d2u_dx2 / rho + force(x, t) / rho;
        }
 
        dudt[n + 0][0] = boundary_condition_left(t);
        dudt[n + n - 1][0] = (boundary_condition_right(t)-u[n-1][0])/(dx*dx);
 
        return dudt;
    };
 
    return Ralston(wave_equation_rhs, u0, t0, t_end, tau, filename);
}
 
void test_wave()
{
    size_t n = 101;
    double L = 1.0;
    double t0 = 0.0;
    double t_end = 1.0;
    double tau = 0.0001;
 
    auto tension = [](double x) {
        return 1.0;
    };
 
    auto density = [](double x) {
        return 1.0;
    };
 
    auto force = [](double x, double t) {
        return 0.0;
    };
 
    auto boundary_condition_left = [](double t) {
        return 0.0;
    };
 
    auto boundary_condition_right = [](double t) {
        return 0.0;
    };
    auto initial_displacement = [L](double x) {
        return cos(1*M_PI * x/(2*L))+cos(3*M_PI * x/(2*L))+cos(5*M_PI * x/(2*L))+cos(7*M_PI * x/(2*L))+cos(9*M_PI * x/(2*L))+cos(11*M_PI * x/(2*L))+cos(13*M_PI * x/(2*L))+cos(15*M_PI * x/(2*L));
    };
    auto initial_velocity = [L](double x) {
        return 0.0;
    };
 
    Matrix u0(2*n, Vector(1, 0.0));
    for (size_t i = 0; i < n; ++i) {
        double x = i * L / (n - 1);
        u0[i][0] = initial_displacement(x);
        u0[n+i][0] = initial_velocity(x);
    }
 
    std::string filename = "wave_solution_test.txt";
    Matrix result = wave_equation_solver(n, L, t0, t_end, tau, tension, density, force,
                                         boundary_condition_left, boundary_condition_right, u0, filename);
 
    std::cout << "Solution saved to " << filename << std::endl;
}Matrix Ralston(const Function f, const Matrix& u0, double t0, double t_end, double tau, const std::string& filename) {
    Matrix u = u0;
    double t = t0;
    Matrix result;
    double t_between_write = 0.01;
 
    size_t n = u0.size();
 
    std::vector<std::pair<double, Matrix>> data_points;
    data_points.push_back({t, u});
 
    do {
        Matrix k1 = f(u, t);
        Matrix u1 = u;
        for (size_t i = 0; i < n; ++i) {
            for (size_t j = 0; j < u[i].size(); ++j) {
                u1[i][j] = u[i][j] + tau * 0.4 * k1[i][j];
            }
        }
 
        Matrix k2 = f(u1, t + 0.4 * tau);
        Matrix u2 = u;
        for (size_t i = 0; i < n; ++i) {
            for (size_t j = 0; j < u[i].size(); ++j) {
                u2[i][j] = u[i][j] + tau * (0.29697761 * k1[i][j] + 0.15875964 * k2[i][j]);
            }
        }
 
        Matrix k3 = f(u2, t + 0.45573725 * tau);
        Matrix u3 = u;
        for (size_t i = 0; i < n; ++i) {
            for (size_t j = 0; j < u[i].size(); ++j) {
                u3[i][j] = u[i][j] + tau * (0.21810040 * k1[i][j] - 3.05096516 * k2[i][j] + 3.83286476 * k3[i][j]);
            }
        }
 
        Matrix k4 = f(u3, t + tau);
        Matrix u_new = u;
        for (size_t i = 0; i < n; ++i) {
            for (size_t j = 0; j < u[i].size(); ++j) {
                u_new[i][j] = u[i][j] + tau * (0.17476028 * k1[i][j] - 0.55148066 * k2[i][j] + 1.20553560 * k3[i][j] + 0.17118478 * k4[i][j]);
            }
        }
 
        u = u_new;
        if (t < t_end && t + tau > t_end) {
            tau = t_end - t;
        }
        t += tau;
        data_points.push_back({t, u});
 
    } while (std::abs(t - t_end) > 1e-10);
 
    std::ofstream outputFile(filename);
    if (!outputFile.is_open()) {
        throw std::runtime_error("Error opening file: " + filename);
    }
 
    outputFile << std::fixed << std::setprecision(10);
    outputFile << "# Time and values\n";
 
    double write_time = t0;
    while (write_time <= t_end) {
        size_t i = 0;
        while (i + 1 < data_points.size() && data_points[i + 1].first < write_time) {
            ++i;
        }
 
        double t1 = data_points[i].first;
        double t2 = data_points[i + 1].first;
        Matrix u1 = data_points[i].second;
        Matrix u2 = data_points[i + 1].second;
 
        double alpha = (t2 - t1) > 1e-10 ? (write_time - t1) / (t2 - t1) : 0.0;
        Matrix interpolated_u(u1.size(), Vector(u1[0].size(), 0.0));
        for (size_t j = 0; j < u1.size(); ++j) {
            for (size_t k = 0; k < u1[j].size(); ++k) {
                interpolated_u[j][k] = u1[j][k] + alpha * (u2[j][k] - u1[j][k]);
            }
        }
 
        outputFile << write_time;
        for (const auto& row : interpolated_u) {
            for (double val : row) {
                outputFile << " " << val;
            }
        }
        outputFile << std::endl;
 
        result.push_back({write_time, interpolated_u[0][0], interpolated_u[1][0]});
        write_time += t_between_write;
    }
 
    if (std::abs(result.back()[0] - t_end) > 1e-10) {
        result.push_back({t_end, u[0][0], u[1][0]});
    }
 
    if (std::abs(data_points.back().first - t_end) <= 1e-10) {
        outputFile << t_end;
        for (const auto& row : data_points.back().second) {
            for (double val : row) {
                outputFile << " " << val;
            }
        }
        outputFile << std::endl;
    }
 
    return result;
}
Представлена реализация решения волнового уравнения методом конечных разностей, в последствии решение производится методом ралстона (подкласс методов рунге-кутты). На левой границе задаётся производная, а в правой границе- фиксированная функция. Но при решении возникают несостыковки с аналитическим решением, в частности на границах. Подскажите как исправить
0
IT_Exp
Эксперт
34794 / 4073 / 2104
Регистрация: 17.06.2006
Сообщений: 32,602
Блог
05.04.2025, 18:59
Ответы с готовыми решениями:

Решение краевой задачи для линейного дифференциального уравнения второго порядка методом конечных разностей
Помогите составить программу в С++: Используя метод конечных разностей, найти решение краевой...

Какое решение краевой задачи для линейного дифференциального уравнения второго порядка методом конечных разностей на C++
Какое решение краевой задачи для линейного дифференциального уравнения второго порядка методом...

Методом конечных разностей найти решение краевой задачи
Методом конечных разностей найти решение краевой задачи y''-7*x*y'-y=5*x^2 u(0)-u'(0)=0; u(1)=1...

8
 Аватар для Pphantom
2319 / 1561 / 721
Регистрация: 17.03.2022
Сообщений: 5,025
05.04.2025, 19:36
Цитата Сообщение от Lezhandr Посмотреть сообщение
Но при решении возникают несостыковки с аналитическим решением, в частности на границах.
Какие конкретно "нестыковки"?
Цитата Сообщение от Lezhandr Посмотреть сообщение
Подскажите как исправить
Я бы в любом случае начал с переписывания этого кода во что-то приличное.
0
Эксперт функциональных языков программированияЭксперт С++
 Аватар для Royal_X
6222 / 2923 / 1046
Регистрация: 01.06.2021
Сообщений: 10,821
05.04.2025, 20:54
Цитата Сообщение от Lezhandr Посмотреть сообщение
C++
1
dudt[n + n - 1][0] = (boundary_condition_right(t)-u[n-1][0])/(dx*dx);
у меня чёт сомнения насчет корректности условия Дирихле на правой границе
реши сперва математически,а потом уже код пиши. Лучше задай вопрос в разделе математики
0
0 / 0 / 0
Регистрация: 05.04.2025
Сообщений: 2
06.04.2025, 05:13  [ТС]
Цитата Сообщение от Royal_X Посмотреть сообщение
у меня чёт сомнения насчет корректности условия Дирихле на правой границе
реши сперва математически,а потом уже код пиши. Лучше задай вопрос в разделе математики
Я решил данную задачу сначала на листе, там выходит сумма из 8ми произведений косинусов. Данное условие я закладывал из соображений, что правая граница- фиксированная функция, и я численно продифференцировал

Добавлено через 6 минут
Цитата Сообщение от Pphantom Посмотреть сообщение
Какие конкретно "нестыковки"?

В данном коде в выдаваемом файле обе границы некорректны с точки зрения аналитического решения. На левой файл заполняется 8-ками, хотя должен начинаться с 8ми, а далее убывать

Цитата Сообщение от Pphantom Посмотреть сообщение
Я бы в любом случае начал с переписывания этого кода во что-то приличное.
Я достаточно начинающий программист, реализую в рамках учебной задачи. Каковы ваши предложения по переписыванию в "Что-то приличное"?
0
place status here
 Аватар для gunslinger
3190 / 2227 / 640
Регистрация: 20.07.2013
Сообщений: 6,023
06.04.2025, 10:51
Вот что нашел (там, правда, код на питоне, но теория вроде как разбирается): Численно решаем волновое уравнение разностной схемой.
0
 Аватар для Pphantom
2319 / 1561 / 721
Регистрация: 17.03.2022
Сообщений: 5,025
06.04.2025, 12:43
Цитата Сообщение от Lezhandr Посмотреть сообщение
Я решил данную задачу сначала на листе, там выходит сумма из 8ми произведений косинусов.
Вот с этого надо было и начинать. Не с сообщения, что решили, а с аккуратной постановки задачи, которую вы потом пытаетесь решать численно (т.е. сначала формулировка исходной задачи, потом изложение выбранной численной схемы). А потом выложить весь код, а не его часть.

Цитата Сообщение от Lezhandr Посмотреть сообщение
В данном коде в выдаваемом файле обе границы некорректны с точки зрения аналитического решения. На левой файл заполняется 8-ками, хотя должен начинаться с 8ми, а далее убывать
В данном коде в сравнении с данным кодом все правильно. А поскольку никакой другой информации о том, что вы хотели написать, вы не привели...

Цитата Сообщение от Lezhandr Посмотреть сообщение
Я достаточно начинающий программист, реализую в рамках учебной задачи. Каковы ваши предложения по переписыванию в "Что-то приличное"?
Вам в рамках учебы не говорили, что код полезно комментировать?

Откуда и зачем берутся "магические константы", причем записанные с точностью чуть лучше float (при том что весь счет идет с double)?

Зачем шаг (по-видимому, это все же он) добавляется аддитивно, чтобы накопить ошибок округления побольше? И т.д. и т.п.

Я бы еще посоветовал не учиться плохому и не использовать для таких задач C++, но это уже вторично.
0
46 / 38 / 10
Регистрация: 25.02.2025
Сообщений: 84
06.04.2025, 15:03
Лежандр, вы решили задачу аналитически, потом составили математическую модель решения в численном виде, потом запрограммировали решение в численном виде - ошибка может быть на каждом из этих шагов.
Если вы хотите чтобы вам помогли, получается что вам надо предоставить ваше решение в аналитическом виде, математическую модель и полный исходный текст программы.
0
 Аватар для Pphantom
2319 / 1561 / 721
Регистрация: 17.03.2022
Сообщений: 5,025
07.04.2025, 12:34
Ну вот, пришел лесник и всех выгнал. Но, наверное, имеет смысл как-то просуммировать то содержательное, что было в теме...

Lezhandr, если оно вам еще нужно/интересно, выложите сюда:
1) исходную постановку задачи в формульном виде - что решаете, с какими начальными и граничными условиями, на каком интервале времени;
2) описание используемой схемы также в формульном виде - на какой сетке, как выглядит разностная аппроксимация уравнений и граничных условий и т.д.;
3) недостающий заголовочный файл;
4) ну и собственно код полезно было бы прокомментировать, особенно в части установления соответствия с описанием из п.2 (какой из участков вычислительной схемы реализуется в каком месте).

Иначе сравнение кода с кодом лишено смысла: код заведомо правильно делает то, что в нем написано, а что там должно было быть написано, пока никто, кроме вас, не знает.
1
07.04.2025, 16:20

Не по теме:

Цитата Сообщение от Pphantom Посмотреть сообщение
Ну вот, пришел лесник и всех выгнал.
Было за что. Но вот пришел начальник лесника, и все говно вернулось обратною

0
Надоела реклама? Зарегистрируйтесь и она исчезнет полностью.
BasicMan
Эксперт
29316 / 5623 / 2384
Регистрация: 17.02.2009
Сообщений: 30,364
Блог
07.04.2025, 16:20
Помогаю со студенческими работами здесь

Метод Конечных Разностей для уравнения в частных производных
Здравствуйте, требуется ваша помощь в нахождении ошибки в программе. Вычисляю по явной схеме....

Метод конечных разностей для решения дифференциального уравнения
Используя метод конечных разностей, решить краевую задачу для дифференциального уравнения второго...

Нахождение конечных разностей в с++
Очень нужна помощь, недавно начала осваивать с++, нужно написать программу, которая вычисляет...

Метод конечных разностей для краевой задачи
Помогите пожалуйста. Надо написать программу, которая решает краевую задачу для ОДУ 2 порядка...

Метод конечных разностей
#include &quot;stdafx.h&quot; #include&quot;iostream&quot; #include&quot;cmath&quot; using namespace std; int main() { ...


Искать еще темы с ответами

Или воспользуйтесь поиском по форуму:
9
Ответ Создать тему
Новые блоги и статьи
SDL3 для Desktop (MinGW): Создаём пустое окно с нуля для 2D-графики на SDL3, Си и C++
8Observer8 10.03.2026
Содержание блога Финальные проекты на Си и на C++: hello-sdl3-c. zip hello-sdl3-cpp. zip Результат:
Установка CMake и MinGW 13.1 для сборки С и C++ приложений из консоли и из Qt Creator в EXE
8Observer8 10.03.2026
Содержание блога MinGW - это коллекция инструментов для сборки приложений в EXE. CMake - это система сборки приложений. Здесь описаны базовые шаги для старта программирования с помощью CMake и. . .
Как дизайн сайта влияет на конверсию: 7 решений, которые реально повышают заявки
Neotwalker 08.03.2026
Многие до сих пор воспринимают дизайн сайта как “красивую оболочку”. На практике всё иначе: дизайн напрямую влияет на то, оставит человек заявку или уйдёт через несколько секунд. Даже если у вас. . .
Модульная разработка через nuget packages
DevAlt 07.03.2026
Сложившийся в . Net-среде способ разработки чаще всего предполагает монорепозиторий в котором находятся все исходники. При создании нового решения, мы просто добавляем нужные проекты и имеем. . .
Модульный подход на примере F#
DevAlt 06.03.2026
В блоге дяди Боба наткнулся на такое определение: В этой книге («Подход, основанный на вариантах использования») Ивар утверждает, что архитектура программного обеспечения — это структуры,. . .
Управление камерой с помощью скрипта OrbitControls.js на Three.js: Вращение, зум и панорамирование
8Observer8 05.03.2026
Содержание блога Финальная демка в браузере работает на Desktop и мобильных браузерах. Итоговый код: orbit-controls-threejs-js. zip. Сканируйте QR-код на мобильном. Вращайте камеру одним пальцем,. . .
SDL3 для Web (WebAssembly): Синхронизация спрайтов SDL3 и тел Box2D
8Observer8 04.03.2026
Содержание блога Финальная демка в браузере. Итоговый код: finish-sync-physics-sprites-sdl3-c. zip На первой гифке отладочные линии отключены, а на второй включены:. . .
SDL3 для Web (WebAssembly): Идентификация объектов на Box2D v3 - использование userData и событий коллизий
8Observer8 02.03.2026
Содержание блога Финальная демка в браузере. Итоговый код: finish-collision-events-sdl3-c. zip Сканируйте QR-код на мобильном и вы увидите, что появится джойстик для управления главным героем. . . .
КиберФорум - форум программистов, компьютерный форум, программирование
Powered by vBulletin
Copyright ©2000 - 2026, CyberForum.ru