scipy 如何正确设置科学集成模块solve_ivp中的“rtol”和“atol”来求解一个解析解未知的常微分方程组?

sycxhyv7  于 2022-12-26  发布在  其他
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我试图在Python中使用solve_ivp重现ode 45求解器的一些结果。尽管所有参数、初始条件、步长以及“atol”和“rtol”(分别为1 e-6和1 e-3)相同,但得到的解不同。两个解都收敛到周期解,但类型不同。由于solve_ivp使用相同的rk 4(5)方法,但最终结果中的这种差异并不十分欠稳定。我们如何知道哪一个是正确的解决方案呢?代码如下

import sys
import numpy as np
from scipy.integrate import solve_ivp
#from scipy import integrate
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.patches import Circle

# Pendulum rod lengths (m), bob masses (kg).

L1, L2, mu, a1 = 1, 1, 1/5, 1
m1, m2, B = 1, 1, 0.1
# The gravitational acceleration (m.s-2).

g = 9.81

# The forcing frequency,forcing amplitude

w, a_m =10, 4.5
A=(a_m*w**2)/g
A1=a_m/g

def deriv(t, y, mu, a1, B, w, A): # beware of the order of the aruments
"""Return the first derivatives of y = theta1, z1, theta2, z2, z3."""
a, c, b, d, e = y

#c, s = np.cos(theta1-theta2), np.sin(theta1-theta2)
adot = c
cdot = (-(1-A*np.sin(e))*(((1+mu)*np.sin(a))-(mu*np.cos(a-b)*np.sin(b)))-((mu/a1)*((d**2)+(a1*np.cos(a-b)*c**2))*np.sin(a-b))-(2*B*(1+(np.sin(a-b))**2)*c)-((2*B*A/w)*(2*np.sin(a)-(np.cos(a-b)*np.sin(b)))*np.cos(e)))/(1+mu*(np.sin(a-b))**2)

bdot = d
ddot = ((-a1*(1+mu)*(1-A*np.sin(e))*(np.sin(b)-(np.cos(a-b)*np.sin(a))))+(((a1*(1+mu)*c**2)+(mu*np.cos(a-b)*d**2))*np.sin(a-b))-((2*B/mu)*(((1+mu*(np.sin(a-b))**2)*d)+(a1*(1-mu)*np.cos(a-b)*c)))-((2*B*a1*A/(w*mu))*(((1+mu)*np.sin(b))-(2*mu*np.cos(a-b)*np.sin(a)))*np.cos(e)))/(1+mu*(np.sin(a-b))**2)
edot = w
return adot, cdot, bdot, ddot, edot



# Initial conditions: theta1, dtheta1/dt, theta2, dtheta2/dt.

y0 = np.array([3.15, -0.1, 3.13, 0.1, 0])

# Do the numerical integration of the equations of motion


sol = integrate.solve_ivp(deriv,[0,40000], y0, args=(mu, a1, B, w, A), method='RK45',t_eval=np.arange(0, 40000, 0.005), dense_output=True, rtol=1e-3, atol=1e-6)

T = sol.t
Y = sol.y

我希望MATLAB中的ode 45和Python中的solve_ivp得到类似的结果。我如何才能准确地重现Python中的ode 45的结果?出现差异的原因是什么?

mklgxw1f

mklgxw1f1#

即使ode45RK45使用相同的基本方案,它们也不一定使用完全相同的策略来处理时间步长的演变及其适应性以匹配误差容限。因此,很难知道哪一个更好。您唯一可以做的就是简单地尝试较低的容限,例如1 e-10。然后,两种解决方案最终应该是几乎相同的......在这里,您当前的容错性可能不够低,因此两种算法的细微细节中的微小差异会在解决方案中产生明显的差异。

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