• Nie Znaleziono Wyników

Ponadto programy algebraiczne były stosowane w fizyce do następujących zagadnień: 1) Dopasowywanie krzywych zadanej rodziny do danych punktów doświadczalnych

W dokumencie Postępy Astronomii nr 1/1978 (Stron 48-51)

metodą najmniejszych kwadratów (T o b e y 1966). Program, napisany w języku FORMAC,

przyjmował jako dane: wartości zmiennej niezależnej x jt wartości zmiennej zależnej y . (x.) wraz

z przypisanymi im wagami oraz rodzinę funkcji /(*, { a . \ ) numerowaną parametrami aj z

ustalonymi przez programistę wartościami początkowymi a.. Obliczenia tego typu są w zasadzie

numeryczne (chodzi o znalezienie numerycznych wartości a .), lecz aby program numeryczny

mógł rozpocząć pracę, należy najpierw wyliczyć wartości funkcji f(x, ) dla zadanych

38

A. Krasiński, M. Perkow ski

7\f

wartości x . oraz wartości pochodnych Zwykle ten rachunek przygotowawczy b y ł robiony „ręcznie” lub kodowany w programie num erycznym , co w ym agało wiele czasu i w ysiłku człowieka. Omawiany program wykonuje cały symboliczny rachunek przygoto­ wawczy, znakomicie ułatw iając pracę programisty — numeryka.

2) Obliczanie elementów macierzowych w metodzie wariacyjnej rozwiązywania równania Schrodingera dla układów wieloelektronowych ( R e e v e s 1966 i prace tam cytowane). Program ten b y ł wielokrotnie wykorzystywany przez chemików do liczenia funkcji falowych elektronów w m olekułach.

3) Znajdowanie postaci równań ruchu Newtona w dowolnych w spółrzędnych krzywolinio­ wych (H o w a r d 1967). Problem ten jest tak prosty, że właściwie nikt nie zechce tracić czasu na pisanie danych dla kom putera, tym bardziej że w ydruk z programu b y ł w dość egzotycznej notacji ty p u FORTRANu. A utor programu napisał go nie z myślą o użytkow nikach, lecz 0 postępie sztuki programowania. Program posługiw ał się rachunkiem tensorowym . Niestety, autor nie w iedział, że w tym czasie istniały już programy wykonujące rachunki tego samego typu na znacznie trudniejszych przykładach, dla potrzeb teorii względności (np. F l e t c h e r

1 in., 1967). Niepotrzebne dublowanie cudzej pracy jest jednym z typow ych zjawisk w nowo powstających dziedzinach wiedzy. Przykłady innych podam y w par. 5.

4) Obliczanie w spółczynników elastyczności w kryształach (B r u g g e r 1965).

Zainteresowanych dalszymi zastosowaniami w fizyce odsyłam y do bibliografii S a m m e t (1968) oraz arty k u łu B a r t o n a i F i t c h a (1972a).

III. ZASTOSOWANIA W ASTRONOM II

Spośród zastosowań astronom icznych najczęściej cytowane w literaturze jest znajdowanie wzorów na kolejne wyrazy szeregów / i g w problemie dwu ciał (np. B a r t o n i F i t c h

1972a). Są to szeregi przedstawiające fu n k c je /(r) i g(r) dane wzorem:

x(t) = f ( r ) x a + g ( r ) x Q,

gdzie: r = t - t Q, x (t) oznacza aktualne położenie badanego obiektu, x Q = x ( t = t Q) , x o = -jj- x (t) |f = f . Posługując się rozwinięciami funkcji / ( r ) , g i r ) i x (t) w szeregi Taylora oraz równaniami ruchu Newtona zapisanymi w postaci:

°" _y

* ( r ) = -M O)

x (t),

a także związkami /i = — 3 /jlo , ó = e - 2 o 2 , e = - o Gu + 2 e),

gdzie: a = r/r, £ = ( x 2 + y 2 + ż 2)/r2 - fi, można pokazać, że wyrazy szeregów / i g w y­ rażają się następującym i wzorami rekurencyjnymi ( S t u m p f f 1959):

f 0 = 1’ 8

o = 0

+ 1

+

gdzie: n Q = n ( t Q), ( f i gn są funkcjami tQ, kropka oznacza różniczkowanie po fQ).

Problem dwu ciał został po raz pierwszy postawiony w ten sposób przez L a g r a n g e’a, który podał jawne wzory na pierwsze pięć wyrazów obu szeregów. Mimo prostej postaci wzoru rekurencyjnego obliczenia te komplikują się gwałtownie z każdym krokiem rachunku i od czasów Lagrange’a aż do lat sześćdziesiątych XX w. nie posunięto się poza rząd n = 7. Jest to więc dobre pole do działania dla kom puterów. Wzory n a / i gn do n = 27 zostały otrzymane w roku 1965 ( S c o n z o , L e S c h a c k i T o b e y 1965) za pomocą języka kom putero­ wego FORMAC ( S a m m e t i B o n d 1964).

Obliczanie szeregów / i g nie jest jednak najszczęśliwszym przykładem zastosowania pro­ gramów algebraicznych, ponieważ rachunek ten sprowadza się do wyliczania całkow itych współczynników szeregu, a to może być wykonane również przez program numeryczny (V e 11 m a n 1972). Klasycznym polem do zastosowania programów algebraicznych w astronom ii są rozmaite schematy rachunkowe mechaniki nieba do obliczania rzeczywistych torów planet, księżyców i kom et, zwyczajowo zwane teoriami. Tu również istnieje efektow ny przykład pożytku z programów algebraicznych. Jeden ze schematów, zwany teorią Delaunaya ruchu Księżyca, w swoim oryginalnym sform ułow aniu ( D e l a u n a y 1860) zawierał obok członów wiekowych również człony periodyczne w funkcji Hamiltona dla równania ruchu Księżyca. Należało te drugie wyeliminować przez rozwiązywanie równań Hamiltona m etodą kolejnych przybliżeń. D e l a u n a y w ybierał jeden człon periodyczny, zaniedbując po­ zostałe, rozwiązywał równania Hamiltona, a następnie przez odpowiednio dobraną transformację kanoniczną otrzym yw ał nowy hamiltonian - już bez pierwszego członu perio­ dycznego. Powtarzając ten rachunek dla kolejnych członów periodycznych dochodziło się w końcu do hamiltonianu stałego (w danym rzędzie przybliżenia), dla którego rozwiązanie jest trywialne. Następnie należało odtw orzyć szereg opisujący aktualne położenie Księżyca, będący rozwinięciem względem 4 m ałych parametrów: mimośrodów orbit Księżyca i Ziemi, stosunku promieni orbit Księżyca i Ziemi oraz sinusa kąta m iędzy płaszczynam i tych orbit. Z powodu powolnej zbieżności szeregu, dla celów praktycznych rachunek musiał b yć ciągnięty do wysokich rzędów przybliżeń. Był on tak skomplikowany, że wyliczenie pierwszych 9 rzędów przybliżeń zajęło D e 1 a u n a y o w i 20 lat pracy, a więc niemal całe aktywne życie naukowe dostępne człowiekowi, zaś opublikowane wyniki zajmują 2 tom y po 400 stron. Przy użyciu kom putera ten sam wynik został uzyskany w ciągu p ó ł roku, wliczając w to czas pisania programu. Przy okazji autorzy ( D e p r i t i in. 1970a,b) wykryli w rachunkach D e l a u ­ n a y a kilka pom yłek (sygnalizowanych wcześniej w literaturze, lecz bez wskazania źródeł b łę d u , D e p r i t i in. 1970bj oraz zauważyli możliwość znacznego ulepszenia metody i poprawienia zbieżności szeregu (możliwość tę zrealizowali w innej pracy, dotyczącej ruchu sztucznych satelitów, D e p r i t , i in. 1970c). W konkluzji stwierdzili, że poświęciwszy temu problemowi p ó ł roku zamiast 20 lat nie czują się do niego przykuci na całe życie, co daje im „cudowną wszechstronność” .

Dwa różne szeregi opisujące tę samą funkcję (w przypadku mechaniki nieba - to r planety) muszą być oczywiście równoważne, tzn. musi istnieć algorytm pozwalający na wyliczenie każdego wyrazu drugiego szeregu na podstawie pewnej (skończonej lub nieskończonej) liczby wyrazów pierwszego. W tym sensie każde dwie „teorie” mechaniki nieba muszą by ć sobie równoważne. Zdarzały się jednak sytuacje, że istniały na ten tem at wątpliwości. Na przykład

40

A. Krasiński, M. Perkow ski

D e p r i t (1969) wysuwał wątpliwości co do tego, czy teoria Hori (1966) jest równoważna

jego własnej, tzn. wolna od błędów , ponieważ swojej był pewien, zaś nie udawało się mu

znaleźć jawnych wzorów przekształcających elementy szeregu Hori w jego szereg. Roz­

strzygnięcie tej kwestii umożliwiły dopiero programy algebraiczne ( C a m p b e l l i

J e f f r e y s 1970). Wykonały one rachunki, dla których wykonania ręcznego jakiś człowiek

musiałby znów złożyć ofiarę z całego swojego życia.

Innym przykładem skomplikowanego rachunku w mechanice nieba jest wyliczanie tzw.

operatorów Newcomba ( N e w c o m b 1895; P l u m m e r 1960), czyli współczynników

szeregu przedstawiającego siłę zaburzającą, z jaką jedna planeta oddziałuje na drugą.Małymi

parametrami są tu mimośrody orbit i kąty nachylenia ich płaszczyzn. Rachunek (policzenie

wszystkich wyrazów szeregu do 8-rzędu), który zajął N e w c o m b o w i kilka miesięcy,

komputer wykonał w 5 min. ( G e r a r d i in. 1965), przy czym w ciągu następnych 5 min.

dociągnął rachunki do 12 rzędu. Operatory wyższych rzędów mogą być wyliczone bez więk­

szych przeszkód. Dzięki zastosowaniu programu udało się rozszerzyć metodę Newcomba na

kilka przypadków szczególnych, które przedtem wymagały osobnego traktowania (np. przypa­

dek orbit prawie współmiernych oraz przypadek, gdy orbita planety zaburzającej leży wewnątrz

orbity zaburzanej).

Programy do wyliczania szeregów perturbacyjnych mechaniki nieba były również stosowane

W dokumencie Postępy Astronomii nr 1/1978 (Stron 48-51)