使用Python進行波浪模擬

Question

我想模擬三維空間中某些物體吸收和反射的傳播波。我想用python來做。我應該使用numpy嗎？我應該使用一些特殊的圖書館嗎？

如何模擬波？我可以使用波動方程嗎？但是如果我有反思呢？ 有沒有更好的方法？我應該使用矢量嗎？但是當射線發散時，強度變得更低。難。

在此先感謝。

Answer 1

如果您在Python中進行任何計算密集型數值模擬，您應該使用NumPy來確定的確實。

在任意形狀的材料中模擬電磁波的最一般的算法是finite-difference time domain method（FDTD）。它一次一個地在三維網格上求解波動方程。但是，編寫自己的程序相當複雜，而且您最好使用專用包（如Meep）。

有關於如何編寫自己的FDTD仿真書：here's one，here's帶1-d FDTD一些代碼和解釋就超過1種尺寸文檔，谷歌搜索「writing FDTD」會找到你更多相同的。

你也可以通過假設你所有的波都是平面波來解決問題，然後你可以使用矢量和Fresnel equations。或者，如果您想要建模從平面或曲面傳輸和反射的高斯光束，則可以使用ABCD矩陣形式（也稱爲ray transfer matrices）。這考慮了光束的發散。

Answer 2

請勿使用Python。我試過用它來計算昂貴的東西，它只是沒有做到這一點。

如果需要來模擬一個Python程序一揮手，用C/C++必要的代碼，並將其導出到Python。
這裏的C API鏈接：http://docs.python.org/c-api/
被警告，這是不是世界:)

Answer 3

如果您正在解決3D定製的偏微分方程，我建議至少看看FiPy最簡單的API。它將爲您節省從零開始構建大量矩陣調節器和求解器的麻煩。它使用numpy和/或trilinos。這裏有一些examples。

Answer 4

我建議您使用我的項目GarlicSim作爲構建仿真的框架。您仍然需要自己編寫算法，可能在Numpy中，但GarlicSim可以爲您節省大量樣板，並允許您以靈活的方式探索仿真結果，類似於版本控制系統。