三体问题初探

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R! 1, R! 2 分 别 为 m 相 对 于 两 大 天 体 的 位 置 矢 量;
r" 1, r" 2, "r 分 别 为 m1, m2, m 相 对 于 质 心 惯 性 系 的位置矢量; 计算单位采用归一化单位制:
. 在 旋 转 坐 标 系 C - XYZ 中 的 坐 标 分 别 为 (X1,0 ,) (X2,0 ,0 )(x,y,z)两 坐 标 系 坐 标 变 换 关 系 为 :
个 单 位 每 改 变 0 .01 个 单 位 至 0 .976 单 位 ) , 为 了 显 示 差 异 , 我 将 积 分
步 长 定 为 0 .01 , 积 分 时 间 定 为 20 , 分 别 依 次 绘 出 图 象 :
( 5) 特别的情况:
此时小天体的运动轨迹只是一条简单的折线. 注意: 以上讨论都是在小天体的初速度为零的情况下展开的, 即
( 4) 临界点现象: 我在改变 值时发现了下面的有趣的现象: 当 在
三 、结 论 三体问题是复杂的, 其关键性工作是怎样求解微分方程组的问 题, 但目前还不能给出严格的解析解, 这有待于数学理论的进一步 发展.目前的情况下只能通过计算机的数值计算来模拟其运动规律. 在 计 算 过 程 中 发 现 三 体 问 题 运 动 的 “不 确 定 性 ”, 即 存 在 混 沌 现 象 . 这 一现象激励着更多的物理学家和数学家投入研究. 参考文献 [1 ] 周 衍 柏 . 理 论 力 学 教 程 . 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社 , 1989. [2 ] 卢 圣 治 . 理 论 力 学 基 本 教 程 . 北 京 : 北 京 师 范 大 学 出 版 社 , 2004. [3 ] 易 照 华 . 天 体 力 学 基 础 . 南 京 : 南 京 大 学 出 版 社 , 1993 , 39 – 44 . [4 ] 漆 安 慎 , 杜 婵 英 . 力 学 . 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社 , 1996, 204- 207. [5] 黄 元 义. 平 面 园 型 限 制 性 三 体 问 题 的 运 动 方 程. 宜 宾 师 专 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) , 2 ( 1995 ) . [6] 万 云 芳. 平 面 圆 型 限 制 性 三 体 问 题. 聊 城 师 范 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) . 3 ( 1997 ) . [7]李 立 康 , 於 崇 华 , 朱 政 华. 微 分 方 程 数 值 解 法. 上 海 : 复 旦 大 学 出 版 社 , 1999. [8 ] 彭 芳 麟 , 管 靖 , 胡 静 , 卢 圣 治 . MATLAB 编 程 应 用 , 理 论 力 学 计 算 机 模 拟 . 北 京 : 清 华 大 学 出 版 社 , 2002. [9 ] 飞 思 科 技 产 品 研 发 中 心 . MATLAB 7 基 础 与 提 高 . 武 汉 : 电 子 工 业 大 学 出 版 社 , 2005.
(作者单位系安徽大学管理学院)
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(上 接 243 页 ) ( 2) 当积分时间不变, 改变积分步长得到的小天体的运动图象:
0.301775999299999959 附近时小天体的运动轨迹有很大的变化: 大于上值 时其轨迹像一个圆饼, 而小于此值时则为无规则的曲线!
一 、引 言 三体问题是研究三个可视为质点的天体在相互之间的万有引 力 作 用 下 的 运 动 规 律 问 题 , 分 为 一 般 三 体 问 题 、圆 型 限 制 性 三 体 问 题和椭圆型限制性三体问题. 一般三体问题的运动方程为十八阶方 程 , 必 须 得 到 18 个 积 分 才 能 得 到 完 全 解。然而, 目前还只能得到三体问题的 10 个 初 积 分 , 还 远 不 能 解 决 三 体 问 题 。 研究三体问题的方法大致可分为三类: 第一类是分析方法, 第二类是定性方法, 第三类是数值方法。三体问题中有两个 特 例 : 早 在 1772 年 , 拉 格 朗 日 已 发 现 三 体 问 题 中 存 在 两 个 定 型 解 (如 ), 即 等 边 三角形定型解和直线形定型解. 本文只 讨论三体问题中最简单的一种情况: 圆型限制性三体问题, 即研究 一个很小的质量体在两个有限质量体 ( 围绕公共质心作圆周运动) 的万有引力作用下运动的规律问题.讨论这个问题是有实际意义的. 例如, 在航天活动中, 可以把航天器看作一个很小的质量体.航天器 在地球- 月球引力作用下, 或者在太阳- 地球引力作用下, 或者在太 阳- 某大行星引力作用下的运动问题, 都可以近似地看成圆型限制 性三体问题. 二 、圆 型 限 制 性 三 体 问 题 ( circula r re s tricte d thre e - body prob- le m ) 下面讨论圆型限制性三体问题的运动规律. 2.1 坐标系的建立 相互作圆周运动.取质心旋转坐标系 , 且旋转速度等于两天体 的圆周运动角速度.则 在此坐标系中处于静止, 如 所示. 2.2 符号和单位的规定 m1, m2, m 分 别 为 两 个 大 天 体 的 质 量 和 另 一 小天体的质量;
2.3 小天体运动微分方程 建 立 坐 标 系 如 Fig.2 所 示 , 在
系 中 m1, m2, m 的 坐 标 分 别 为
t =0 : 0.01 : 20 t =0 : 0.01 : 2000
t =0 : 0.01 : 200 (下 转 245 页 )
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术和工具。这种改革思路与改革实践的高度同质性和契合性决定了 “仿 企 业 化 ”方 略 在 西 方 发 达 国 家 行 政 改 革 中 相 对 较 高 的 地 位 。不 过 即 使 在 西 方 发 达 国 家 , “企 业 型 政 府 ” 是 否 就 是 行 政 改 革 的 核 心 取 向 , 还 有 争 论 。需 要 指 出 的 是 , 不 同 于 “建 立 市 场 经 济 体 制 ”在 当 代 中 国 经 济 体 制 中 的 地 位 , 也 不 同 于 “政 府 行 政 企 业 化 ”在 西 方 发 达 国 家 行 政 改 革 中 的 地 位 , “政 府 行 政 企 业 化 ”思 路 在 当 代 中 国 不 可 能 成 为 行政改革的目标模式。 政府可以借鉴企业的理念和运作机制, 但我 国政府较之于西方发达国家政府, 必须更多地保持有其独特的行政 理 念 和 区 别 于 企 业 的 运 作 机 制 — —— 即 使 是 在 “政 府 行 政 企 业 化 ”思 路 的 尝 试 性 实 践 当 中 ; 在 我 国 , 单 纯 地 推 进 “政 府 行 政 企 业 化 ”, 其 效 果也是有限的。
从 以 上 各 图 可 以 看 出 在 改 变 0 .01 个 很 小 的 单 位 时 , 小 天 体 的 运 动 轨 迹 有 较 显 著 的 差 别 , 也 就 是 说 , 小 天 体 的 运 动 对 初 值 很 “敏 感 ”! 即 使 改 变 很 小 , 运 动 轨 迹 相 差 很 大 , 而 且 很 难 准 确 预 料 其 运 动 。 这 与 牛 顿 的 决 定 论 是 不 同 的 , 即 圆 型 限 制 型 三 体 问 题 中 存 在 “混 沌 ” 现象。
的 问 题 , 发 现 了 小 天 体 运 动 的 不 “确 定 性 ”. 他 考 察 了 小 天 体 在 Fig.1 中 的 L4 附 近 随 时 间 变 化 的 行 为 . 他 们 自 L4 向 上 取 一 平 行 y 轴 的 小 线 段 , 长 为 0 .1 , 并 把 它 等 分 成 10 个 小 线 元 , 此 时 分 点 Si ( i =0 , 1 , 2 , … , 10 ) 代 表 小 星 体 的 不 同 位 置 , 取 初 速 度 为 零 , 用 计 算 机 求 非 线 性 方程组( 4) 的数值解.我在求( 4) 式的数值解的过程中, 发现小天体 的运动轨迹与积分步长和积分时间以及初始位置三者有关系( 以地 球 、月 球 和 一 航 天 器 为 研 究 系 统 ) 。 ( 1) 当积分步长不变, 改变积分时间得到的小天体的运动图象:
(作者单位系谢欣欣皖西学院数理系物理学)
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三体问题初探
文 / 徐卫青 陈朋 连磊 陈亮 谢欣欣
【摘 要 】 三 体 问 题 ( three- body problem ) 是 天 体 力 学 中 的 基 本 力 学 模 型 , 分 为 一 般 三 体 问 题 、圆 型 限 制 性 三 体问题和椭圆型限制性三体问题. 本文就圆型限制性三体问题进行研究并绘出轨迹图, 分析运动的混沌现 象. 对圆型限制性三体问题的研究方法也适用于一般三体问题. 【关 键 词 】 圆 型 限 制 性 三 体 问 题 天 体 动 力 学 混 沌
t =0 : 1 : 20
t =0 : 0.5 : 20
t =0 : 0.1 : 20
由 ( 1 ) 、( 2 ) 可 知 在 一 定 的 范 围 内 , 积 分 步 长 越 短 , 积 分 时 间 越
长, 所绘出的图象越精确!
( 3 ) 向 L4 上 取 的 11 个 初 值 相 差 很 小 的 线 元 ( y 轴 坐 标 从 0 .866
其中:
( 1)
R! 1, R! 2 的 方 向 余 弦 分 别 为

( 2)
根据牛顿第二定律有
( 3)
由 ( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 式 可 得 小 天 体 的 运 动 微 分 方 程
( 4)
其中: 1981 年 著 名 天 体 力 学 家 策 比 黑 利 ( V.Szebehely) 等 人 研 究 了 上 面
4 、结 束 语 进入二十一世纪的中国, 政府与企业共同面临挑战。因此, 政 府行政企业化本身并不值得推崇, 最重要的是改革精神和改革思
维 。 危 机 感 不 仅 仅 来 源 于 企 业 运 作 得 好 而 政 府 充 斥 着 腐 败 、无 能 与 低效, 而更多的是政府和企业共同面临着新时代的挑战。 参考文献 [1 ] 吴 志 华 . 试 论 政 府 适 度 仿 企 业 化 [J]. 华 东 师 范 大 学 学 报 ( 哲 学 社 会 科 学 版 ), 2000 , (2). [2 ] 胡 伟 , 王 世 雄 . 构 建 面 向 现 代 化 的 政 府 权 力 — —— 中 国 行 政 体 制 改 革 理 论 研 究 [J]. 政 治 学 研 究 , 1999 , (3). [3 ] 竺 乾 威 . 从 行 政 到 管 理 [J]. 公 共 行 政 与 人 力 资 源 , 2000 , (1). [4 ] 任 晓 . 中 国 行 政 改 革 [M ]. 杭 州 : 浙 江 人 民 出 版 社 , 1998. [5 ] 项 飞 . 发 展 经 济 学 视 野 中 政 府 角 色 的 演 变 与 启 示 [J]. 复 旦 学 报 ( 社 会 科 学 版 ), 2001- 02- 11. [6 ] 施 雪 华 . 政 府 权 能 理 论 [M ]. 杭 州 : 浙 江 人 民 出 版 社 , 1998. [7 ] 胡 伟 . 政 府 过 程 [M ]. 杭 州 : 浙 江 人 民 出 版 社 , 1998.
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