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import numpy as np
from scipy.special import ellipk, ellipe, ellipj, ellipeinc, elliprf, elliprj
from typing import Dict
import matplotlib.pyplot as plt
class KerrGeodesic:
def __init__(
self,
a: float = 0.5,
E: float = 0.9399345988610105,
L: float = 2.7112773585455683,
C: float = 2.4576243221024896,
r1: float = 4.0,
r2: float = 10.0,
r3: float = 0.042226249843339975,
r4: float = 3.121774509959378,
z1: float = 0.5,
z2: float = 3.135362385873193,
delta_lambda: float = 0.05,
N: int = 200
) -> None:
"""
初始化 KerrGeodesic 类并设置必要的参数。
参数:
a (float): 自旋参数
E (float): 能量
L (float): 角动量
C (float): tilde_Upsilon_t_z 中使用的常数
r1 (float): 径向参数 r1
r2 (float): 径向参数 r2
r3 (float): 径向参数 r3
r4 (float): 径向参数 r4
z1 (float): z 相关参数 z1
z2 (float): z 相关参数 z2
delta_lambda (float): 演化步长
N (int): 演化步数
"""
self.a = a
self.E = E
self.L = L
self.C = C
self.r1 = r1
self.r2 = r2
self.r3 = r3
self.r4 = r4
self.z1 = z1
self.z2 = z2
self.delta_lambda = delta_lambda
self.N = N
# 初始化计算
self.compute()
def compute(self) -> None:
"""运行整个计算过程。"""
self._compute_horizon_radii()
self._compute_constants()
self._compute_k_values()
self._compute_elliptic_integrals()
self._compute_angular_frequencies()
self._compute_evolution_parameters()
self._compute_sn_functions()
self._compute_coordinates()
self._compute_t_phi()
def _compute_horizon_radii(self) -> None:
"""计算外视界和内视界半径。"""
if abs(self.a) > 1:
raise ValueError("自旋参数 a 的绝对值不能大于 1,否则事件视界不存在。")
self.r_plus = 1 + np.sqrt(1 - self.a**2)
self.r_minus = 1 - np.sqrt(1 - self.a**2)
print(f"Horizons: r_plus={self.r_plus}, r_minus={self.r_minus}")
def _compute_constants(self) -> None:
"""计算常数 h_r, h_plus, h_minus。"""
self.h_r = (self.r1 - self.r2) / (self.r1 - self.r3)
self.h_plus = self.h_r * (self.r3 - self.r_plus) / (self.r2 - self.r_plus)
self.h_minus = self.h_r * (self.r3 - self.r_minus) / (self.r2 - self.r_minus)
print(f"常数: h_r={self.h_r}, h_plus={self.h_plus}, h_minus={self.h_minus}")
def _compute_k_values(self) -> None:
"""根据公式计算椭圆模数 k_r 和 k_z。"""
self.k_r = np.sqrt(
((self.r1 - self.r2) * (self.r3 - self.r4)) / ((self.r1 - self.r3) * (self.r2 - self.r4))
)
self.k_z = np.sqrt(self.a**2 * (1 - self.E**2) * (self.z1**2) / (self.z2**2))
print(f"椭圆函数: k_r={self.k_r}, k_z={self.k_z}")
def _compute_elliptic_integrals(self) -> None:
"""计算完全椭圆积分。"""
self.K_k_r = ellipk(self.k_r**2) # K(k_r)
self.E_k_r = ellipe(self.k_r**2) # E(k_r)
self.K_k_z = ellipk(self.k_z**2) # K(k_z)
self.E_k_z = ellipe(self.k_z**2) # E(k_z)
def _compute_angular_frequencies(self) -> None:
"""计算角频率 Upsilon_r、Upsilon_z、Upsilon_t、Upsilon_phi。"""
# 计算 Upsilon_r 和 Upsilon_z
self.Upsilon_r = (np.pi / (2 * self.K_k_r)) * np.sqrt(
(1 - self.E**2) * (self.r1 - self.r3) * (self.r2 - self.r4)
)
self.Upsilon_z = (np.pi * self.z2) / (2 * self.K_k_z)
# 此处做了对参考文献的修改
print(f"角频率: Upsilon_r={self.Upsilon_r}")
print(f"角频率: Upsilon_z={self.Upsilon_z}")
# 计算 tilde_Upsilon_t_r 和 tilde_Upsilon_t_z
self.tilde_Upsilon_t_r = self._compute_tilde_Upsilon_t_r()
self.tilde_Upsilon_t_z = self._compute_tilde_Upsilon_t_z()
self.Upsilon_t = self.tilde_Upsilon_t_r + self.tilde_Upsilon_t_z
print(f"角频率: Upsilon_t={self.Upsilon_t}")
# 计算 tilde_Upsilon_phi_r 和 tilde_Upsilon_phi_z
self.tilde_Upsilon_phi_r = self._compute_tilde_Upsilon_phi_r()
self.tilde_Upsilon_phi_z = self._compute_tilde_Upsilon_phi_z()
self.Upsilon_phi = self.tilde_Upsilon_phi_r + self.tilde_Upsilon_phi_z
print(f"角频率: Upsilon_phi={self.Upsilon_phi}")
def _compute_tilde_Upsilon_t_r(self) -> float:
"""计算 tilde_Upsilon_t_r。"""
Pi_h_r_pi = self._compute_incomplete_pi(self.h_r, np.pi / 2, self.k_r)
Pi_h_plus_pi = self._compute_incomplete_pi(self.h_plus, np.pi / 2, self.k_r)
Pi_h_minus_pi = self._compute_incomplete_pi(self.h_minus, np.pi / 2, self.k_r)
E_pi_k_r = ellipeinc(np.pi, self.k_r**2) # E(pi | k_r)
term1 = (4 + self.a**2) * self.E
term2 = self.E * 0.5 * (
(4 + self.r1 + self.r2 + self.r3) * self.r3
- self.r1 * self.r2
+ (self.r1 - self.r3) * (self.r2 - self.r4) * (self.E_k_r / self.K_k_r)
+ (4 + self.r1 + self.r2 + self.r3 + self.r4) * (self.r2 - self.r3) * (Pi_h_r_pi / self.K_k_r)
)
term3 = self.E * (2 / (self.r_plus - self.r_minus)) * (
(
(4 - self.a * self.L / self.E) * self.r_plus
- 2 * self.a**2
) / (self.r3 - self.r_plus)
* (1 - (self.r2 - self.r3) / (self.r2 - self.r_plus) * (Pi_h_plus_pi / self.K_k_r))
- (
(4 - self.a * self.L / self.E) * self.r_minus
- 2 * self.a**2
) / (self.r3 - self.r_minus)
* (1 - (self.r2 - self.r3) / (self.r2 - self.r_minus) * (Pi_h_minus_pi / self.K_k_r))
)
return term1 + term2 + term3
def _compute_tilde_Upsilon_t_z(self) -> float:
"""计算 tilde_Upsilon_t_z。"""
if self.z1 == 0:
return -self.a**2 * self.E
else:
return (
-self.a**2 * self.E
+ (self.E * self.C / ((1 - self.E**2) * self.z1**2))
* (1 - (self.E_k_z / self.K_k_z))
)
def _compute_tilde_Upsilon_phi_r(self) -> float:
"""计算 tilde_Upsilon_phi_r。"""
# 计算不完全椭圆积分 Pi(h_plus | k_r) 和 Pi(h_minus | k_r)
Pi_h_plus = self._compute_incomplete_pi(self.h_plus, np.pi/2, self.k_r)
Pi_h_minus = self._compute_incomplete_pi(self.h_minus, np.pi/2, self.k_r)
# 计算完全椭圆积分 K(k_r)
K_kr = ellipk(self.k_r)
# 计算 r_plus 对应的项
numerator_plus = 2 * self.E * self.r_plus - self.a * self.L
denominator_plus = self.r3 - self.r_plus
factor_plus = numerator_plus / denominator_plus
correction_plus = (self.r2 - self.r3) / (self.r2 - self.r_plus) * (Pi_h_plus / K_kr)
term_plus = factor_plus * (1 - correction_plus)
# 计算 r_minus 对应的项
numerator_minus = 2 * self.E * self.r_minus - self.a * self.L
denominator_minus = self.r3 - self.r_minus
factor_minus = numerator_minus / denominator_minus
correction_minus = (self.r2 - self.r3) / (self.r2 - self.r_minus) * (Pi_h_minus / K_kr)
term_minus = factor_minus * (1 - correction_minus)
# 计算 tilde_Upsilon_phi_r
tilde_Upsilon_phi_r = (self.a / (self.r_plus - self.r_minus)) * (term_plus - term_minus)
return tilde_Upsilon_phi_r
def _compute_tilde_Upsilon_phi_z(self) -> float:
"""计算 tilde_Upsilon_phi_z。"""
Pi_z1_pi = self._compute_incomplete_pi(self.z1**2, np.pi / 2, self.k_z)
return (self.L / self.K_k_z) * Pi_z1_pi
def _compute_incomplete_pi(self, n: float, phi: float, m: float) -> float:
"""
计算不完全椭圆积分 Pi。
参数:
n (float): 参数 n
phi (float): 参数 phi
m (float): 模数 m
返回:
float: 计算结果
"""
sqepsilon = 1e-15
epsilon = sqepsilon**2
# 参数验证
if not isinstance(n, (int, float)):
raise TypeError("参数 n 必须是整数或浮点数。")
if not isinstance(phi, (int, float)):
raise TypeError("参数 phi 必须是整数或浮点数。")
if not isinstance(m, (int, float)):
raise TypeError("参数 m 必须是整数或浮点数。")
if not (0 <= m <= 1):
raise ValueError("参数 m 必须在 [0, 1] 范围内。")
def compute_terms(n_val: float, angle: float, m_val: float) -> float:
sin_phi = np.sin(angle)
cos_phi_sq = np.cos(angle) ** 2
try:
first_term = sin_phi * (1 + 0.1 * sqepsilon) * elliprf(
epsilon + (1 - epsilon) * cos_phi_sq,
1 - m_val * sin_phi**2,
1,
)
second_term = (n_val / 3) * sin_phi**3 * (1 + sqepsilon) * elliprj(
epsilon + (1 - epsilon) * cos_phi_sq,
1 - m_val * sin_phi**2,
1,
1 - n_val * sin_phi**2,
)
except Exception as e:
raise ValueError(f"计算 elliprf 或 elliprj 时出错: {e}")
return first_term + second_term
original_phi = phi
phi = np.mod(phi, np.pi) # 直接使用 np.mod 将角度标准化
k = 2 * (original_phi - phi) / np.pi
combined_terms = compute_terms(n, phi, m)
midpoint = np.pi / 2
midpoint_terms = compute_terms(n, midpoint, m)
if phi <= midpoint:
return combined_terms + k * (midpoint_terms + sqepsilon)
else:
return (k + 2) * (midpoint_terms + sqepsilon) - combined_terms
def _compute_evolution_parameters(self) -> None:
"""设置演化参数。"""
self.lambda_array = np.linspace(0, self.N * self.delta_lambda, self.N)
self.q_r = self.Upsilon_r * self.lambda_array
self.q_z = self.Upsilon_z * self.lambda_array
self.q_t = self.Upsilon_t * self.lambda_array
self.q_phi = self.Upsilon_phi * self.lambda_array
# print("已设置演化参数。")
def _compute_sn_functions(self) -> None:
"""计算雅可比椭圆函数 sn, cn, dn。"""
# 计算 u_r 和 u_z
self.u_r = (self.K_k_r / np.pi) * self.q_r
self.sn_r, self.cn_r, self.dn_r, self.ph_r = ellipj(self.u_r, self.k_r)
# print("径向雅可比椭圆函数 sn_r 计算完成。")
self.u_z = (2 * self.K_k_z / np.pi) * self.q_z
self.sn_z, self.cn_z, self.dn_z, self.ph_z = ellipj(self.u_z, self.k_z)
# print("z 向雅可比椭圆函数 sn_z 计算完成。")
def _compute_coordinates(self) -> None:
"""计算 r(lambda) 和 z(lambda)。"""
# 计算 r(lambda)
numerator_r = self.r3 * (self.r1 - self.r2) * self.sn_r**2 - self.r2 * (self.r1 - self.r3)
denominator_r = (self.r1 - self.r2) * self.sn_r**2 - (self.r1 - self.r3)
# 避免除以零
denominator_r = np.where(np.abs(denominator_r) < 1e-10, 1e-10, denominator_r)
self.r_lambda = numerator_r / denominator_r
# 计算 z(lambda)
self.z_lambda = self.z1 * self.sn_z
def _compute_t_phi(self) -> None:
"""计算 t(lambda) 和 phi(lambda)。"""
# 计算 t_r(q_r), t_z(q_z), phi_r(q_r), phi_z(q_z)
t_r = self._t_r(self.q_r)
t_z = self._t_z(self.q_z)
phi_r = self._phi_r(self.q_r)
phi_z = self._phi_z(self.q_z)
# 计算 t(lambda) 和 phi(lambda)
self.t_lambda = self.q_t + t_r + t_z
self.phi_lambda = self.q_phi + phi_r + phi_z
# print("已计算 t(lambda) 和 phi(lambda)。")
def _t_r(self, q_r: np.ndarray) -> np.ndarray:
"""
从径向部分计算 t_r(q_r)。
参数:
q_r (np.ndarray): 演化参数 q_r
返回:
np.ndarray: t_r 的值
"""
# 计算雅可比幅角 am_r
_, _, _, am_r = ellipj(self.K_k_r * q_r / np.pi, self.k_r)
# 计算 tilde_t_r(am_r) 和 tilde_t_r(pi)
tilde_t_r_am_r = np.vectorize(self._tilde_t_r)(am_r)
tilde_t_r_pi = self._tilde_t_r(np.pi)
# 根据公式计算 t_r(q_r)
t_r = tilde_t_r_am_r - (tilde_t_r_pi / (2 * np.pi)) * q_r
return t_r
def _t_z(self, q_z: np.ndarray) -> np.ndarray:
"""
从 z 部分计算 t_z(q_z)。
参数:
q_z (np.ndarray): 演化参数 q_z
返回:
np.ndarray: t_z 的值
"""
# 计算雅可比幅角 am_z
_, _, _, am_z = ellipj(self.K_k_z * 2 * q_z / np.pi, self.k_z)
# 计算 tilde_t_z(am_z) 和 tilde_t_z(pi)
tilde_t_z_am_z = np.vectorize(self._tilde_t_z)(am_z)
tilde_t_z_pi = self._tilde_t_z(np.pi)
# 根据公式计算 t_z(q_z)
t_z = tilde_t_z_am_z - (tilde_t_z_pi / np.pi) * q_z
return t_z
def _phi_r(self, q_r: np.ndarray) -> np.ndarray:
"""
从径向部分计算 phi_r(q_r)。
参数:
q_r (np.ndarray): 演化参数 q_r
返回:
np.ndarray: phi_r 的值
"""
# 计算雅可比幅角 am_r
_, _, _, am_r = ellipj(self.K_k_r * q_r / np.pi, self.k_r)
# 计算 tilde_phi_r(am_r) 和 tilde_phi_r(pi)
tilde_phi_r_am_r = np.vectorize(self._tilde_phi_r)(am_r)
tilde_phi_r_pi = self._tilde_phi_r(np.pi)
# 根据公式计算 phi_r(q_r)
phi_r = tilde_phi_r_am_r - (tilde_phi_r_pi / (2 * np.pi)) * q_r
return phi_r
def _phi_z(self, q_z: np.ndarray) -> np.ndarray:
"""
从 z 部分计算 phi_z(q_z)。
参数:
q_z (np.ndarray): 演化参数 q_z
返回:
np.ndarray: phi_z 的值
"""
# 计算雅可比幅角 am_z
_, _, _, am_z = ellipj(self.K_k_z * 2 * q_z / np.pi, self.k_z)
# 计算 tilde_phi_z(am_z) 和 tilde_phi_z(pi)
tilde_phi_z_am_z = np.vectorize(self._tilde_phi_z)(am_z)
tilde_phi_z_pi = self._tilde_phi_z(np.pi)
# 根据公式计算 phi_z(q_z)
phi_z = tilde_phi_z_am_z - (tilde_phi_z_pi / np.pi) * q_z
return phi_z
def get_results(self) -> Dict[str, np.ndarray]:
"""
获取计算得到的 t(lambda)、r(lambda)、z(lambda) 和 phi(lambda) 数组,
以及角频率 Upsilon_t、Upsilon_r、Upsilon_z、Upsilon_phi。
返回:
Dict[str, np.ndarray]: 计算结果的字典
"""
return {
't_lambda': self.t_lambda,
'r_lambda': self.r_lambda,
'z_lambda': self.z_lambda,
'phi_lambda': self.phi_lambda,
'Upsilon_t': self.Upsilon_t,
'Upsilon_r': self.Upsilon_r,
'Upsilon_z': self.Upsilon_z,
'Upsilon_phi': self.Upsilon_phi
}
def _tilde_t_r(self, xi_r: float) -> float:
"""
Calculate the value of tilde_t_r(xi_r) (scalar version).
Parameters:
xi_r (float): Parameter xi_r
Returns:
float: The value of tilde_t_r
"""
# Precompute common terms to simplify the expression
numerator = self.E * (self.r2 - self.r3)
denominator = np.sqrt(
(1 - self.E**2) * (self.r1 - self.r3) * (self.r2 - self.r4)
)
common_factor = numerator / denominator
term1 = (4 + self.r1 + self.r2 + self.r3 + self.r4) * self._compute_incomplete_pi(self.h_r, xi_r, self.k_r)
r_diff_plus = self.r2 - self.r_plus
r_diff_minus = self.r2 - self.r_minus
r3_diff_plus = self.r3 - self.r_plus
r3_diff_minus = self.r3 - self.r_minus
factor_plus = (self.r_plus * (4 - self.a * self.L / self.E) - 2 * self.a**2) / (r_diff_plus * r3_diff_plus)
factor_minus = (self.r_minus * (4 - self.a * self.L / self.E) - 2 * self.a**2) / (r_diff_minus * r3_diff_minus)
term2 = 4 / (self.r_plus - self.r_minus) * (
factor_plus * self._compute_incomplete_pi(self.h_plus, xi_r, self.k_r) -
factor_minus * self._compute_incomplete_pi(self.h_minus, xi_r, self.k_r)
)
ellipe_inc = ellipeinc(xi_r, self.k_r)
term3 = self.h_r * np.sin(xi_r) * np.cos(xi_r) * np.sqrt(1 - self.k_r * np.sin(xi_r)**2)
term4 = (1 - self.h_r * np.sin(xi_r)**2)
term5 = (self.r1 - self.r3) * (self.r2 - self.r4) / (self.r2 - self.r3) * (
ellipe_inc - term3 / term4
)
result = common_factor * (term1 - term2 + term5)
return result
def _tilde_t_z(self, xi_z: float) -> float:
"""
计算 tilde_t_z(xi_z) 的值(标量版本)。
参数:
xi_z (float): 参数 xi_z
返回:
float: tilde_t_z 的值
"""
E_xi_z = ellipeinc(xi_z, self.k_z)
return -self.E / (1 - self.E**2) * self.z2 * E_xi_z
def _tilde_phi_r(self, xi_r: float) -> float:
"""
计算 tilde_phi_r(xi_r) 的值(标量版本)。
参数:
xi_r (float): 参数 xi_r
返回:
float: tilde_phi_r 的值
"""
Pi_h_plus_pi = self._compute_incomplete_pi(self.h_plus, xi_r, self.k_r)
Pi_h_minus_pi = self._compute_incomplete_pi(self.h_minus, xi_r, self.k_r)
factor = -2 * self.a * self.E * (self.r2 - self.r3) / (
(self.r_plus - self.r_minus)
* np.sqrt((1 - self.E**2) * (self.r1 - self.r3) * (self.r2 - self.r4))
)
term = (
((2 * self.r_plus - self.a * self.L / self.E) / ((self.r2 - self.r_plus) * (self.r3 - self.r_plus)))
* Pi_h_plus_pi
- ((2 * self.r_minus - self.a * self.L / self.E) / ((self.r2 - self.r_minus) * (self.r3 - self.r_minus)))
* Pi_h_minus_pi
)
return factor * term
def _tilde_phi_z(self, xi_z: float) -> float:
"""
计算 tilde_phi_z(xi_z) 的值(标量版本)。
参数:
xi_z (float): 参数 xi_z
返回:
float: tilde_phi_z 的值
"""
Pi_z1_pi = self._compute_incomplete_pi(self.z1**2, xi_z, self.k_z)
return (self.L / self.z2) * Pi_z1_pi
# 示例用法
if __name__ == "__main__":
# 初始化 KerrGeodesic 对象
kerr = KerrGeodesic()
# 获取结果
results = kerr.get_results()
# 输出部分结果(用于演示)
print(f"t(λ) 前5个元素: {results['t_lambda'][:5]}")
print(f"r(λ) 前5个元素: {results['r_lambda'][:5]}")
print(f"z(λ) 前5个元素: {results['z_lambda'][:5]}")
print(f"φ(λ) 前5个元素: {results['phi_lambda'][:5]}")
print(f"角频率 Upsilon_t: {results['Upsilon_t']}")
print(f"角频率 Upsilon_r: {results['Upsilon_r']}")
print(f"角频率 Upsilon_z: {results['Upsilon_z']}")
print(f"角频率 Upsilon_phi: {results['Upsilon_phi']}")
# 创建 lambda 数组用于绘图
lambda_array = kerr.lambda_array
# 创建 t(λ), r(λ), z(λ), φ(λ) 的演化图
plt.figure(figsize=(12, 8))
# t(λ) 演化
plt.subplot(2, 2, 1)
plt.plot(lambda_array, results['t_lambda'], label='t(λ)')
plt.xlabel('λ')
plt.ylabel('t(λ)')
plt.title('t(λ) vs λ')
plt.grid(True)
# r(λ) 演化
plt.subplot(2, 2, 2)
plt.plot(lambda_array, results['r_lambda'], label='r(λ)', color='orange')
plt.xlabel('λ')
plt.ylabel('r(λ)')
plt.title('r(λ) vs λ')
plt.grid(True)
# z(λ) 演化
plt.subplot(2, 2, 3)
plt.plot(lambda_array, results['z_lambda'], label='z(λ)', color='green')
plt.xlabel('λ')
plt.ylabel('z(λ)')
plt.title('z(λ) vs λ')
plt.grid(True)
# φ(λ) 演化
plt.subplot(2, 2, 4)
plt.plot(lambda_array, results['phi_lambda'], label='φ(λ)', color='red')
plt.xlabel('λ')
plt.ylabel('φ(λ)')
plt.title('φ(λ) vs λ')
plt.grid(True)
# 调整布局并显示图像
plt.tight_layout()
plt.show()