計算機程式設計/物理/加速物體的位移函式

維基文庫:原始碼

加速物體的位移可以用數學函式 $\mathbf {s} (t)$ 描述。可以使用泰勒級數 獲得廣義函式

$\mathbf {s} (t+t_{0})=\sum {\frac {t^{n}}{n!}}\mathbf {s} ^{(n)}(t_{0})$,

其中 $\mathbf {s} ^{(n)}$ 是 $nth$ 階導數 $\mathbf {s}$

• $\mathbf {s} ^{(0)}={\frac {d^{0}\mathbf {s} }{dt^{0}}}=\mathbf {s}$
• $\mathbf {s} ^{(1)}={\frac {d^{1}\mathbf {s} }{dt^{1}}}=\mathbf {v}$
• $\mathbf {s} ^{(2)}={\frac {d^{2}\mathbf {s} }{dt^{2}}}=\mathbf {a}$
• 等等。

此函式的精度取決於所用項數，因為 ${\frac {1}{n!}}$ 迅速減小。此外，時間 $t$ 可以同步，使得 $t_{0}=0$ （麥克勞林級數）。

注意，對於恆定加速度，大多數項將變為零，只剩下

$s(t)={\frac {1}{0!}}\mathbf {s} _{0}+{\frac {t}{1!}}\mathbf {s} _{0}^{(1)}+{\frac {t^{2}}{2!}}\mathbf {s} _{0}^{(2)}$

或者

$\mathbf {s} (t)=\mathbf {s} _{0}+\mathbf {v} _{0}t+{\frac {1}{2}}\mathbf {a} t^{2}$

C++

template<class Vector,class Number>
Vector PositionAcceleratingBody(Vector *s0,Number t,size_t Accuracy)
{
     Vector s(0);     //set to zero if int, float, etc. or invoke the
                      //     "set to zero" constructor for a class
     Number factor(1);//0!==1 and t^0==1
     for(size_t n(0);n<Accuracy;n++)
     {
          if(n)factor*=(t/n);//0!==1 and t^0==1
          s+=(factor*s0[n]); //s0 is the array of nth derivatives of s
                             //     at t=t0=0
     }
     return s;
}

使用泰勒級數的理由

泰勒級數可以透過系統地選擇哪些變數是常數，然後將其外推到無限極限來推導。

• 恆定位置

$s(t)=s_{0}$

或者

$s(t)={\frac {t^{0}}{0!}}s^{(0)}(t_{0}=0)$

• 恆定速度

$v(t)=v_{0}$

$s(t)=\int vdt=\int v_{0}dt$

$s(t)=v_{0}t+s_{0}$

或者

$s(t)={\frac {t^{0}}{0!}}s^{(0)}(t_{0}=0)+{\frac {t^{1}}{1!}}s^{(1)}(t_{0}=0)$

• 恆定加速度

$a(t)=a_{0}$

$v(t)=\int adt=\int a_{0}dt$

$v(t)=a_{0}t+v_{0}$

$s(t)=\int vdt=\int (a_{0}t+v_{0})dt$

$s(t)={\frac {1}{2}}a_{0}t^{2}+v_{0}t+s_{0}$

或者

$s(t)={\frac {t^{0}}{0!}}s^{(0)}(t_{0}=0)+{\frac {t^{1}}{1!}}s^{(1)}(t_{0}=0)+{\frac {t^{2}}{2!}}s^{(2)}(t_{0}=0)$

• 加速度的變化率恆定

$a^{(1)}(t)=a_{0}^{(1)}$

$a(t)=\int a^{(1)}dt=\int a_{0}^{(1)}dt$

$a(t)=a_{0}^{(1)}t+a_{0}$

$v(t)=\int adt=\int (a_{0}^{(1)}t+a_{0})dt$

$v(t)={\frac {1}{2}}a_{0}^{(1)}t^{2}+a_{0}t+v_{0}$

$s(t)=\int vdt=\int ({\frac {1}{2}}a_{0}^{(1)}t^{2}+a_{0}t+v_{0})dt$

$s(t)={\frac {1}{6}}a_{0}^{(1)}t^{3}+{\frac {1}{2}}a_{0}t^{2}+v_{0}t+s_{0}$

或者

$s(t)={\frac {t^{0}}{0!}}s^{(0)}(t_{0}=0)+{\frac {t^{1}}{1!}}s^{(1)}(t_{0}=0)+{\frac {t^{2}}{2!}}s^{(2)}(t_{0}=0)+{\frac {t^{3}}{3!}}s^{(3)}(t_{0}=0)$

• 等等。