Универсальный программный комплекс для решения многомерных вариационных задач

Автор: Григорьева Елена Геннадиевна, Клячин Владимир Александрович, Клячин Алексей Александрович

Журнал: Математическая физика и компьютерное моделирование @mpcm-jvolsu

Рубрика: Компьютерное моделирование

Статья в выпуске: 2 (39), 2017 года.

Бесплатный доступ

В статье рассматривается задача численного расчета равновесных поверхностей произвольной топологии в классе полигональных моделей. Такого рода поверхности являются решением вариационной задачи на минимум функционала типа площади при наличии ограничений интегрального вида. В статье представлено программное решение таких вариационных задач в двух вариантах. В первом - в виде пакета на языке Python, который реализован на базе пакета NumPy и интегрирован в среду 3D-моделирования Blender. Второй вариант предназначен главным образом для решения непараметрических вариационных задач и выполнен стандартными средствами C++.

Экстремальная поверхность, кусочно-линейная аппроксимация, триангуляция, пакет numpy, краевая задача

Короткий адрес: https://sciup.org/14969043

IDR: 14969043

Universal software for solving multidimensional variational problems

The article considers the problem of numerical calculation of the piecewise linear surfaces 𝑀, wich is extremal for the functional type 𝐹(𝑀) =∫︁𝑀 (Φ( ) + (𝑥)) 𝑑𝑆. To solve this problem, we obtain formulas for the calculation of the gradient of the functional in the space of polygonal surfaces as a set of its vertices (︃𝜕 ˜ 𝜕ℎ (𝑃))︃𝑖 = 1 2⟨ Σ︁𝑗=1 (∇Φ(2 |𝑇𝑗 |)) × 𝑙𝑗, ℎ⟩ + 1 2⟨ Σ︁𝑗=1 (𝑝* ) × 𝑙𝑗, ℎ⟩+ + 1 3⟨ Σ︁𝑗=1 ∇ (𝑝* )|𝑇𝑗 |, ℎ⟩. For the organization of calculations on the basis of these formulas, we construct a system of classes in the Python programming language. The system is organized as a class package wich is integrated in the simulation environment 3D Blender. This solution allows the user for the program Blender in interactive mode to perform the desired surface topology modeling, to set the boundary conditions and to visualize the results of calculation. In this paper, we present our implementation of a variational method based on approximation of piecewise-linear functions and surfaces. We proceed from the idea of creating a universal software system, most of which does not depend on the use of triangulation, integral functional, computational domain and boundary conditions. In this article we present the structure of input data, which is stored in the boundary conditions, and the vertices and the triangles of the triangulation and the description of the main program procedures. We are considering a number of illustrative examples of solving boundary value problems of mathematical physics.

Список литературы Универсальный программный комплекс для решения многомерных вариационных задач

  • Григорьева, Е. Г. Алгоритмы идентификации граничных точек полигональных 3D моделей/Е. Г. Григорьева, В. А. Клячин//Геометрический анализ и его приложения: материалы III Междунар. науч. шк.-конф. -Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2016. -C. 114-116.
  • Григорьева, Е. Г. Численное исследование устойчивоcти равновесных поверхностей с использованием пакета NumPy/Е. Г. Григорьева, В. А. Клячин//Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 1, Математика. Физика. -2015. -№ 2 (27). -C. 17-30.
  • Клячин, А. А. Визуализация расчета формы поверхностей минимальной площади/А. А. Клячин, В. А. Клячин, Е. Г. Григорьева//Научная визуализация. Электронный журнал. -2014. -Т. 6, № 2. -C. 34-42.
  • Клячин, А. А. Визуализация устойчивости и расчета формы равновесной капиллярной поверхности/А. А. Клячин, В. А. Клячин, Е. Г. Григорьева//Научная визуализация. Электронный журнал. -2016. -Т. 8, № 2. -C. 37-52.
  • Клячин, А. А. О равномерной сходимости кусочно-линейных решений уравнения минимальной поверхности/А. А. Клячин, М. А. Гацунаев//Уфимский математический журнал. -2014. -№ 6 (3). -C. 3-16.
  • Клячин, А. А. О равномерной сходимости кусочно-линейных решений уравнения равновесной капиллярной поверхности/А. А. Клячин//Сибирский журнал индустриальной математики. -2015. -Т. 18, № 2 (62). -C. 52-62.
  • Михайленко, В. Е. Конструирование форм современных архитектурных сооружений/В. Е. Михайленко, С. Н. Ковалев. -Киев: Будiвельник, 1978. -138 c.
  • Олифант, Т. Многомерные итераторы NumPy/Т. Олифант//Идеальный код. -СПб.: Питер, 2011. -C. 341-358.
  • Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования/Э. Гамма, Р. Хелм, Р. Джонсон, Д. Влиссидес, Г. Буч. -СПб.: Питер, 2007. -366 c.
  • Саранин, В. А. Равновесие жидкостей и его устойчивость/В. А. Саранин. -М.: Институт компьютерных исследований, 2002. -144 c.
  • Тепляков, С. Паттерны проектирования на платформе.NET/С. Тепляков. -СПб.: Питер, 2016. -320 c.
  • Финн, Р. Равновесные капиллярные поверхности. Математическая теория/Р. Финн. -М.: Наука, 1989. -312 c.
Еще