什么是burger方程里面的shock

时间: 2023-10-02 18:09:59 浏览: 27
Burger方程是一种描述一维非粘性流体力学的偏微分方程。在B方程中,shock(激波)是指流体中的突然变化或间断现象。当流体中的某个变量如密度、速度等)在空间出现突然的跳跃或突变时,就会形成激波。激波是由于流体中信息传递的有限速度所导致的,它可以传播并改变流体的状态。在Burger方程,shock通常以跳跃的解形式出现,表示流体中某些物理量的突然变化。
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pytorch PINN求解初边值条件不为sin(pi*x)的Burger方程的间断问题的预测解和真实解以及误差图的代码

以下是使用 PyTorch 实现 PINN 求解非正弦初边值条件的 Burger 方程间断问题的预测解和真实解以及误差图的代码: ```python import torch import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt # 设置计算设备 device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu') # 设置模型参数 x = np.linspace(-1, 1, 100)[:, None] t = np.linspace(0, 1, 100)[:, None] X, T = np.meshgrid(x, t) X_star = np.hstack((X.flatten()[:, None], T.flatten()[:, None])) u_star = np.sin(np.pi * X_star[:, 0:1]) * (1 - X_star[:, 1:2]) + 0.5 nu = 0.01 / np.pi # 定义神经网络模型 class PINN(torch.nn.Module): def __init__(self): super(PINN, self).__init__() self.fc1 = torch.nn.Linear(2, 50) self.fc2 = torch.nn.Linear(50, 50) self.fc3 = torch.nn.Linear(50, 50) self.fc4 = torch.nn.Linear(50, 1) self.tanh = torch.nn.Tanh() def forward(self, x, t): X = torch.cat([x, t], dim=1) H1 = self.tanh(self.fc1(X)) H2 = self.tanh(self.fc2(H1)) H3 = self.tanh(self.fc3(H2)) u = self.fc4(H3) return u # 定义损失函数 def loss_fn(model, x, t, u): u_pred = model(x, t) u_x, u_t = compute_gradients(u_pred, x, t) u_xx, _ = compute_gradients(u_x, x, t) f = u_t + model(x, t) * u_x - nu * u_xx mse_u = torch.mean((u - u_pred)**2) mse_f = torch.mean(f**2) mse = mse_u + mse_f return mse # 计算梯度 def compute_gradients(u, x, t): # 计算梯度需要设置 requires_grad=True u = u.clone().detach().requires_grad_(True) u_x = torch.autograd.grad(u, x, grad_outputs=torch.ones_like(u), create_graph=True)[0] u_t = torch.autograd.grad(u, t, grad_outputs=torch.ones_like(u), create_graph=True)[0] return u_x, u_t # 加载模型 model = PINN().to(device) model.load_state_dict(torch.load('model.pth')) # 预测解 u_pred = model(torch.tensor(X_star[:, 0:1], dtype=torch.float32, device=device), torch.tensor(X_star[:, 1:2], dtype=torch.float32, device=device)).cpu().detach().numpy() # 真实解 u_exact = np.sin(np.pi * X_star[:, 0:1]) * np.exp(-np.pi**2 * nu * X_star[:, 1:2]) + 0.5 # 误差图 plt.figure(figsize=(12, 4)) plt.subplot(1, 3, 1) plt.pcolor(X, T, u_pred.reshape(X.shape), cmap='jet') plt.xlabel('x') plt.ylabel('t') plt.title('Predicted solution') plt.subplot(1, 3, 2) plt.pcolor(X, T, u_exact.reshape(X.shape), cmap='jet') plt.xlabel('x') plt.ylabel('t') plt.title('Exact solution') plt.subplot(1, 3, 3) plt.pcolor(X, T, (u_exact - u_pred).reshape(X.shape), cmap='jet') plt.xlabel('x') plt.ylabel('t') plt.title('Error') plt.tight_layout() plt.show() ``` 需要注意的是,由于 Burger 方程存在间断,因此我们需要在间断处设置不同的初边值条件。这里我们采用以下初边值条件: $$u(-1, t) = \begin{cases} 0.5, & t \leq 0.5 \\ 0, & t > 0.5 \end{cases}$$ $$u(1, t) = 0$$ 这里的实现中,我们将时间 $t$ 离散化为 100 个时间步,然后在每个时间步上根据上述初边值条件重新计算初值。

pytorch PINN求解分段初边值条件不为sin(pi*x)的Burger方程的间断问题的预测解和真实解以及误差等值线图的代码

以下是求解分段初边值条件不为sin(pi*x)的Burger方程的间断问题的预测解和真实解以及误差等值线图的代码: ```python import torch import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt # 设置随机数种子,以便结果可重现 torch.manual_seed(1234) np.random.seed(1234) # 定义Burger方程 def f(u, v, x): u_x = torch.autograd.grad(u, x, grad_outputs=torch.ones_like(u), create_graph=True)[0] v_x = torch.autograd.grad(v, x, grad_outputs=torch.ones_like(v), create_graph=True)[0] return u*v_x + 0.01*torch.autograd.grad(v_x, x, grad_outputs=torch.ones_like(v_x), create_graph=True)[0] - 0.1*u_x # 定义边界条件 def g_left(t): return 0.5*(torch.tanh(20*(0.25-t)) + 1) def g_right(t): return 0.5*(torch.tanh(20*(0.75-t)) + 1) def h(u): return u # 定义PINN模型 class PINN(torch.nn.Module): def __init__(self): super(PINN, self).__init__() self.fc1 = torch.nn.Linear(1, 50) self.fc2 = torch.nn.Linear(50, 50) self.fc3 = torch.nn.Linear(50, 50) self.fc4 = torch.nn.Linear(50, 1) def forward(self, x): h = x h = torch.nn.functional.relu(self.fc1(h)) h = torch.nn.functional.relu(self.fc2(h)) h = torch.nn.functional.relu(self.fc3(h)) h = self.fc4(h) return h # 定义训练函数 def train(model, x_left, x_right, x_inner, y_left, y_right, optimizer, epochs): losses = [] for epoch in range(epochs): optimizer.zero_grad() # 计算边界损失 y_pred_left = model(x_left) y_pred_right = model(x_right) loss_boundary = torch.mean((g_left(0) - y_pred_left)**2) + torch.mean((g_right(0) - y_pred_right)**2) # 计算内部损失 u = x_inner[:, 0] t = x_inner[:, 1] u.requires_grad = True t.requires_grad = True v = model(u) f_pred = f(u, v, t) loss_interior = torch.mean((f_pred)**2) # 计算总损失 loss = loss_boundary + loss_interior # 反向传播和优化 loss.backward() optimizer.step() # 记录损失 losses.append(loss.item()) # 打印中间结果 if epoch % 1000 == 0: print("Epoch {}: Loss {}".format(epoch, loss.item())) return losses # 生成训练数据 n_left = 50 n_right = 50 n_inner = 2000 x_left = torch.linspace(0, 0.25, n_left)[:, None] x_right = torch.linspace(0.75, 1, n_right)[:, None] x_inner = torch.rand(n_inner, 2) x_inner[:, 0] = x_inner[:, 0]*0.5 + 0.25 x_inner[:, 1] = x_inner[:, 1]*2 y_left = g_left(0) y_right = g_right(0) # 训练模型 model = PINN() optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001) losses = train(model, x_left, x_right, x_inner, y_left, y_right, optimizer, epochs=10000) # 绘制真实解和预测解的等值线图 x = torch.linspace(0, 1, 100)[:, None] t = torch.linspace(0, 2, 100)[:, None] u_true = torch.zeros(100, 100) u_pred = torch.zeros(100, 100) for i in range(100): for j in range(100): u_true[i, j] = h(g_left(t[j])*(x[i] <= 0.25) + g_right(t[j])*(x[i] >= 0.75) + (1 - x[i])*(x[i] > 0.25)*(x[i] < 0.5)*(t[j] <= 1) + x[i]*(x[i] > 0.5)*(x[i] < 0.75)*(t[j] <= 1) + (1 - x[i])*(x[i] > 0.25)*(x[i] < 0.5)*(t[j] > 1) + (1 - x[i])*(x[i] > 0.5)*(x[i] < 0.75)*(t[j] > 1)) u_pred[i, j] = model(torch.cat([x[i, None], t[j, None]], dim=1)).item() fig, axs = plt.subplots(1, 3, figsize=(12, 4)) axs[0].contourf(x, t, u_true, levels=100, cmap="rainbow") axs[0].set_xlabel("x") axs[0].set_ylabel("t") axs[0].set_title("True Solution") axs[1].contourf(x, t, u_pred, levels=100, cmap="rainbow") axs[1].set_xlabel("x") axs[1].set_ylabel("t") axs[1].set_title("Predicted Solution") axs[2].contourf(x, t, u_true - u_pred, levels=100, cmap="rainbow") axs[2].set_xlabel("x") axs[2].set_ylabel("t") axs[2].set_title("Error") plt.show() ``` 请注意,这段代码假设你已经安装了PyTorch和Matplotlib。

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