ファイル:Hamiltonian flow classical.gif

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Hamiltonian_flow_classical.gif (195 × 390 ピクセル、ファイルサイズ: 172キロバイト、MIME タイプ: image/gif、ループします、86 フレーム、26秒)

このファイルはウィキメディア・コモンズのものであり、他のプロジェクトで使用されている可能性があります。 ウィキメディア・コモンズでのファイル解説ページにある説明を以下に示します。

概要

解説
English: Flow of a statistical ensemble in the potential x**6 + 4*x**3 - 5*x**2 - 4*x. Over long times it becomes swirled up, and appears to become a smooth and stable distribution. However, this stability is an artifact of the pixelization (the actual structure is too fine to perceive).
This animation is inspired by a discussion of Gibbs in his 1902 wikisource:Elementary Principles in Statistical Mechanics, Chapter XII, p. 143: "Tendency in an ensemble of isolated systems toward a state of statistical equilibrium".
日付
原典 投稿者自身による著作物
作者 Nanite
その他のバージョン
GIF 開発
InfoField
 この GIF ラスター画像Matplotlibで作成されました。
 and with Inkscape.

Source

Python source code. Requires matplotlib ImageMagick. Possibly does not run in Windows.

from pylab import *
import subprocess
import sys
import os

figformat = '.png'
seterr(divide='ignore')
rcParams['font.size'] = 9

#define color map that is transparent for low values, and dark blue for high values.
# weighted to show low probabilities well
cdic = {'red':   [(0,0,0),(1,0,0)],
        'green': [(0,0,0),(1,0,0)],
        'blue':  [(0,0.7,0.7),(1,0.7,0.7)],
        'alpha': [(0,0,0),
                  (0.1,0.4,0.4),
                  (0.2,0.6,0.6),
                  (0.4,0.8,0.8),
                  (0.6,0.9,0.9),
                  (1,1,1)]}
cm_prob = matplotlib.colors.LinearSegmentedColormap('prob',cdic,N=640)

### System dynamics ###

# potential is a polynomial
potential_coefs = array([1,0,0,4,-5,-4,0],'d')
def potential(x,t):
    return polyval(potential_coefs,x)

# force function is its derivative.
force_coefs = (potential_coefs*arange(len(potential_coefs)-1,-1,-1))[:-1]
def force(x,t):
    """ derivative of potential(x) """
    return polyval(force_coefs,x)
invmass = 1.0
dt = 0.03

def motion(t,x,p):
    """ returns dx/dt, dp/dt """
    return p*invmass, -force(x,t)

cur_x = -0.1
cur_p = 0

def rkky_step(t, x_i, p_i, dt):
    kx1,kp1 = motion(t, x_i, p_i)
    dt2 = 0.5*dt
    kx2,kp2 = motion(t+dt2, x_i+dt2*kx1, p_i+dt2*kp1)
    kx3,kp3 = motion(t+dt2, x_i+dt2*kx2, p_i+dt2*kp2)
    kx4,kp4 = motion(t+dt, x_i+dt*kx3, p_i+dt*kp3)
    newx = x_i + (dt/6.0)*(kx1 + 2.0*kx2 + 2.0*kx3 + kx4)
    newp = p_i + (dt/6.0)*(kp1 + 2.0*kp2 + 2.0*kp3 + kp4)
    return newx, newp

### Setup ensemble points ###

# most are randomly chosen
x = 0 + 0.5*rand(20000)
p = -1.0 + 2.0*rand(20000)

# the pilot points are set manually
x[0] = 0;    p[0] = 0
x[1] = 0.4;  p[1] = 0.0
pilots = [0,1]
pilot_colors = {
       0: (0,0.7,0),
       1: (0.7,0,0)}
E = potential(x,0) + 0.5*invmass*p**2

### set up plot limits and histogram bins ###
xedges = linspace(-2.1,1.7,151)
pedges = linspace(-7.5,7.5,151)
Eedges = linspace(-9,9,151)
pix = 150
extent = [xedges[0], xedges[-1], pedges[-1], pedges[0]]
H = histogram2d(x,p,bins=[xedges,pedges])[0].transpose()
cmax = amax(H)*0.8

extenten = [xedges[0], xedges[-1], Eedges[-1], Eedges[0]]
Hen = histogram2d(x,E,bins=[xedges,Eedges])[0].transpose()
cmaxen = amax(Hen)*0.3

fig = figure(1)
ysize = 2.6
xsize = 1.3
fig.set_size_inches(xsize,ysize)

### Prepare lower plot ###
axen = axes((0.2/xsize,0.2/ysize,1.0/xsize,1.0/ysize),frameon=True)
axen.xaxis.set_ticks([])
axen.xaxis.labelpad = 2
axen.yaxis.set_ticks([])
axen.yaxis.labelpad = 2
xlim(-2.1,1.7)
ylim(-9,9)
xlabel('position $x$')
ylabel('energy')
potx = linspace(-2.1,1.7,151)

### Prepare upper plot ###
ax = axes((0.2/xsize,1.5/ysize,1.0/xsize,1.0/ysize),frameon=True)
ax.xaxis.set_ticks([])
ax.xaxis.labelpad = 2
ax.yaxis.set_ticks([])
ax.yaxis.labelpad = 2
xlim(-2.1,1.7)
ylim(-7.5,7.5)
xlabel('position $x$')
ylabel('momentum $p$')

### Start running simulation ###
frames = list()
delays = list()
framemod = 5
frame = "frames/background"+figformat
savefig(frame,dpi=pix)
frames.append(frame)
delays.append(16)

print "generating frames...  0%",
sys.stdout.flush()
savesteps = range(0,401,framemod) + [600, 1000, 2000, 6000]
delays += [10]*len(savesteps)
delays[1] = 200
delays[-5:] = [100,200,200,200,400]
totalsteps = max(savesteps)+1
for step in range(totalsteps):
    if step % 20 == 0:
        print "\b\b\b\b\b{0:3}%".format(int(round(step*100.0/totalsteps))),
        sys.stdout.flush()
    if step in savesteps:
        # Every several frames, do a plot
        remlist = list()

        sca(ax)
        H = histogram2d(x,p,bins=[xedges,pedges])[0].transpose()
        remlist.append(imshow(H, extent=extent, cmap=cm_prob, interpolation='none', aspect='auto'))
        remlist[-1].set_clim(0,cmax)
        for i in pilots:
            remlist += plot(x[i], p[i], '.', color=pilot_colors[i], markersize=3)

        E = potential(x,step*dt) + 0.5*invmass*p**2
        sca(axen)
        pot = potential(potx,step*dt)
        remlist += plot(potx,pot,color='r',zorder=0)
        Hen = histogram2d(x,E,bins=[xedges,Eedges])[0].transpose()
        remlist.append(imshow(Hen, extent=extenten, cmap=cm_prob, interpolation='none', aspect='auto',zorder=1))
        remlist[-1].set_clim(0,cmaxen)
        for i in pilots:
            remlist += plot(x[i], E[i], '.', color=pilot_colors[i], markersize=3)

        frame = "frames/frame"+str(step)+figformat
        savefig(frame,dpi=pix)
        frames.append(frame)
        # Clear out updated stuff.
        for r in remlist: r.remove()
    x, p = rkky_step(step*dt, x, p,dt)
print "\b\b\b\b\b      done"

assert(len(delays) == len(frames))

### Assemble animation using ImageMagick ###
calllist = 'convert -dispose Background'.split()
for delay,frame in zip(delays,frames):
    calllist += ['-delay',str(delay)]
    calllist += [frame]
calllist += '-loop 0 -layers Optimize _animation.gif'.split()
f = open('anim_command.txt','w')
f.write(' '.join(calllist)+'\n')
f.close()

print "composing into animated gif...",
sys.stdout.flush()
subprocess.call(calllist)
print "      done"
os.rename('_animation.gif','animation.gif')

ライセンス

この作品の著作権者である私は、この作品を以下のライセンスで提供します。
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題材

27 10 2013

175,929 バイト

390 ピクセル

195 ピクセル

4514c2cac48a9270c275ed18645aeb0f216af5ea

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日時サムネイル寸法利用者コメント
現在の版2013年10月27日 (日) 09:572013年10月27日 (日) 09:57時点における版のサムネイル195 × 390 (172キロバイト)wikimediacommons>NaniteAdded potential plot (with bonus ensemble histogram in E,x), as well as a couple of "pilot" systems.

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