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[分享] 灰原姐姐教你成为上帝

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发表于 2013-3-18 21:51:28 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
灰原姐姐是标题党,如果你因为这个标题被骗进来,那我向你道歉。
我们是信奉共产主义的无神论新时代好青年,怎么能搞封建迷信呢?

好了,先说说我们到底想讲什么吧。
姐我昨晚(不是发帖时间的昨晚)入睡前被 @tju_speed同学(用QQ吵醒了,问我SCS是怎么做出来的。
姐我这般如此如此这般地解释一个多小时,tju_speed同学终于略有感悟。
姐想啊,tju_speed是爱学习的好同学啊,而论坛上不乏像tju_speed这样爱学习的好同学啊。
怎么能独乐乐而不众乐乐呢?
于是姐让tju_speed同学将我们的聊天记录整理出来,于是有了诸位看到的东西《灰原姐姐教你成为上帝》。
好了闲言碎语不要讲,然我们正是开始吧。

(灰原姐姐最讨厌某些大牛写的大部头啦!
一本书分5个部分,每个部分十几章,每章十几节,每节十几点……,
让不让人囤脑细胞啦!
所以姐姐我拒绝分章分节,
以下所有文字只有一章,每章只有一节,每节只有一点……)

先来看看tju_speed同学问的一些问题:
“如何创建一个仿真环境?”
“如何创建一个物体”
“如何给这个物体施加一个力?”
有没有觉得面对这些问题很无力?
编过程序的同学应该知道如何创建一个变量、一个函数
但是“仿真环境”、“物体”是什么玩意儿?
(知道OOP的同学请悄悄绕行)

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 楼主| 发表于 2013-3-18 21:54:01 | 只看该作者
本帖最后由 灰原姐姐 于 2013-3-18 22:20 编辑

既然如此,举个栗子。
世界一:已知一质点在无穷大光滑平面上的初始位置和速度,求时间t后其位置。
(嘿嘿,各位看官见笑,这么简单的问题都拿来举栗子。)
算法:
        读入初始位置P
        读入初始速度V
        读入时间t
        输出P+V*t
        搞定
C语言代码:
int main (){
        double Px,Py;               // position
        double Vx,Vy;               // velocity
        double t;                      // time

        scanf ("%lf%lf",&Px,&Py);                // read position
        scanf ("%lf%lf",&Vx,&Vy);                // read velocity
        scanf ("%lf",&t);                             // read time
        printf("%lf %lf",Px+Vx*t,Py+Vy*t);    // output last position

        return 0;        // end
}
是不是很简单?你也会写!有木有?灰原姐姐在此恭喜你,你已经成为上帝啦!
莫慌,怎么就成为上帝了呢?成为上帝这么容易?
说到这个问题,我们先来探讨一下什么是世界!

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 楼主| 发表于 2013-3-18 21:55:35 | 只看该作者
其一:什么是世界?(What is world?)
答:世界就是你我此刻所讨论的。(World is what we are talking about.)
(坑爹啊!)

其二:世界是物质的
问:什么是物质?
答:物质就是世界的组成成分
(继续坑爹啊!)

道家言,道可道非常道,姑且先承认上面说的吧。

其三:物质是运动的
问:什么是运动?
答:运动是物质的存在状态对时间的函数
问:什么是时间
答:世界的其中一个维度
问:什么是维度
答:呃……
问:问你话呢
答:呃……
问:怎么不说话了?诶!你别动手啊!啊!救命……
(卒)

其四:运动是有规律的
问:我不是已经死了吗?
答:是的。
(卖萌可耻)

灰原姐姐试图不自量力地回答“什么是世界”这样深奥的问题,殊不知我们的世界的上帝正在为我准备地域……
还是回到我们的小小的“世界一”上来吧。

我们可以将“世界一”看成这样一个系统,该系统接收若干输入,给出若干输出。
现实系统的输入和输出分别有三种形式:物质、能量、信息,
例如人要吃饭、散热、看书。
(本质上能量也是物质的存在形式,而信息必须由物质或能量作为载体
故三者可统一成物质,在此区分仅为了讨论方便)
而“世界一”是只有信息作为输入输出的系统。

“世界一”是由物质组成的,具体而言包含两个物体:无穷大光滑平面、质点。
其中,无穷大光滑平面没有“状态”,故其不随时间变化,也就是说,他不“运动”。
而质点有“位置”这个“状态”,位置随时间变化,所以质点是运动的。
既然平面没有运动,而物质本质上是运动的载体,那么我们无需研究平面,将其忽略,集中精力研究质点。

质点有位置这个状态,“世界一”接收初始位置,输出时间t后的位置。
而且末位置由初始位置、速度、时间t唯一确定。“世界一”是个确定系统。
那么“世界一”是如何将输入对应到输出的呢?
就是这个公式:Pt==P0+V*t (末位置等于初位置加上初速度与时间的乘积)
等等,凭什么是这个公式?我能不能用Pt==P0-V*t?或者直接Pt==P0
当然可以,这都不重要,我们用这个公式仅仅是因为灰原姐姐所处的世界正好也有这个规律,伽利略发现的。
总之,输入到输出是有一个关系的,这就是物质运动的规律啊!

至此:(呼应前文)
其一:我们正在讨论“世界一”
其二:“世界一”是由物质构成的(就是我们讨论了半天的质点)。
其三:物质是运动的(质点的状态“位置”会随时间的变化而变化)。
其四:运动是有规律的(即公式Pt==P0+V*t

看!“世界一”就是一个活生生的世界啊!!!它活生生地运行在灰原姐姐的电脑中啊!!!
怎么样,有没有当上帝的感觉啦?

不管你如何认为,反正灰原姐姐觉得,写出并成功运行上面的代码,你就是上帝,你就成功地创建了一个世界。
但是这个“世界一”貌似也太简单了,简单的输入,简单的输出,上述两者简单的对应关系。
于是灰原姐姐决定创建一个更复杂的世界。

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发表于 2013-3-18 21:56:11 | 只看该作者
虽然不懂,还是顶一下吧。
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 楼主| 发表于 2013-3-18 21:57:25 | 只看该作者
本帖最后由 灰原姐姐 于 2013-3-18 22:21 编辑

世界二:刚体在无穷大光滑平面上做平面平行运动(看不懂的同学悄悄百科去吧),已知其初始位置、速度、角度、角速度,求时间t后其位置、角度。
算法:
        读入初始位置P
        读入初始速度V
        读入初始角度A
        读入初始角速度W(本来应该是“欧米伽”,但是灰原姐姐懒得打希腊字母)
        读入时间t
        输出P+V*t
        输出A+W*t
        搞定
C语言代码:
int main ()
{
        double Px,Py;        // position
        double Vx,Vy;        // velocity
        double A;              // angle
        double W;             // omiga
        double t;               // time

        scanf ("%lf%lf",&Px,&Py);        // read position
        scanf ("%lf%lf",&Vx,&Vy);       // read veocity
        scanf(“%lf”,&A);        // read angle
        scanf(“%lf”,&W);       // read omiga
        scanf ("%lf",&t);        // read time

        printf("%lf %lf",Px+Vx*t,Py+Vy*t);    // output last position
        printf(“%lf”,A+W*t);                       // output last angle

        return 0;        // end
}

相信能理解“世界一”的同学很快就能理解“世界二”了!
两者在代码上几乎是一样的,只是加了初始角度,以及公式At = A0+W*t (角动量定理)而已。
“世界一”只能描述质点,而“世界二”已经能描述刚体的平面平行运动了。
稍微了解一点物理的同学肯定知道,平面平行运动的刚体的自由度是3,所以“世界二”的输出也是三个数。

至此:(呼应前文)
其一:我们正在讨论“世界二”
其二:“世界二”是由物质(就是我们说的那个刚体)构成的。
其三:物质是运动的(刚体的状态“位置”、“角度”会随时间的变化而变化)。
其四:运动是有规律的(即公式Pt==P0+V*tAt = A0+W*t

看!“世界二”也是一个活生生的世界啊!!!它活生生地运行在灰原姐姐的电脑中啊!!!

乘热打铁,“世界一”及“世界二”都是简单映射的系统,
灰原姐姐赶紧基于“世界一”举出第三个栗子,更复杂的例子。
同学们做好心理准备。

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 楼主| 发表于 2013-3-18 21:59:00 | 只看该作者
本帖最后由 灰原姐姐 于 2013-3-18 22:22 编辑

世界三:已知一质点在无穷大光滑平面上的初始位置和速度,求任意时间后其位置。(注意哦!是任意时间哦!不是确定的时间t哦!)
(在此假设“任意时间”流逝速度与灰原姐姐所处的世界流速相同,step是一个较短的时间,例如1毫秒)
算法:
        读入初始位置P
        读入初始速度V
        置初始时间为0
        循环
                等待时间step
                读取当前时间t
                输出P+V*t
        搞定(这个“搞定”永远也不会执行)
C语言代码:
int main ()
{
        double Px,Py;                // position
        double Vx,Vy;                // velocity
        double t = 0.0;               // time
        double step = 1000;        // step time

        scanf ("%lf%lf",&Px,&Py);        // read position
        scanf ("%lf%lf",&Vx,&Vy);        // read velocity

        while (1) {
                sleep (step);        // call os api
                readtime (t);        // call os api
                printf("%lf %lf",Px+Vx*t,Py+Vy*t);        // output last position
        }

        return 0;        // end
}
先解释一下,sleep 以及 readtime 调用了操作系统API,分别表示睡眠一段时间、读取程序运行时间。
这两个函数都是灰原姐姐随便写的,因为不同的操作系统API不一样。
所以具体这两句怎么写是不一定的。(当然调用这两个函数之前要include相应的头文件)(这已经不是C语言的范畴了)
上面这个程序严格来讲已经不是“算法”了,因为它永远不会停机。
他会每隔一段时间(step变量所表示的时间)输出一个坐标,表示质点当前的位置。
很明显,它是一个世界,而且比“世界一”、“世界二”更像我们的世界,如果你不信,我们可以这样诠释它:
int main ()
{
// 以下6行是大爆炸
        double Px,Py;                // position
        double Vx,Vy;                // velocity
        double t = 0.0;               // time
        double step = 1000;        // step time

        scanf ("%lf%lf",&Px,&Py);        // read position
        scanf ("%lf%lf",&Vx,&Vy);        // read velocity

// 以下5行是大爆炸之后的事情
        while (1) {
                sleep (step);        // call os api
                readtime (t);        // call os api
                printf("%lf %lf",Px+Vx*t,Py+Vy*t);        // output last position
        }

// 以下1行是大坍缩
        return 0;        // end
}
有没有,有没有!是不是跟我们的世界一模一样?
只不过“世界三”明显是开放宇宙,而我们的世界是开放的还是封闭的,我们还不知道,也等不到了。
“世界一”与“世界二”虽然有时间的概念,但本质上它们还是静态的,输入与输出简单对应。
但是“世界三”就是个动态的世界了,它会实时输出质点当前的位置。
而且,由readtime(t)函数保证,“世界三”的时间流逝速度和我们“真实”世界时间流逝速度是一致的。
如果在readtime(t)后面加一句t = t*2;那么“世界三”的速度就比我们“真实”世界快!
我们只要缩放时间变量t的值,就可以改变虚拟世界的时间流逝。

至此,我们完成了静态宇宙到动态宇宙的仿真过程。

总结世界一二三,他们有个共同的特点:
当初始条件确定时,输出就已经确定了,观察者只需要盯着屏幕看输出就可以了。
但是现实世界哪有这么简单。再举个栗子,以世界三为基础,稍微复杂一点。

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 楼主| 发表于 2013-3-18 22:00:12 | 只看该作者
本帖最后由 灰原姐姐 于 2013-3-18 22:26 编辑

世界四:已知一质点在无穷大光滑平面上的初始位置和速度,以及任意时间的受力情况,求任意时间后其位置。
(注意哦!还有一个受力情况哦!)
算法:
        读入初始位置P
        读入初始速度V
        读入质量m
        置初始时间为0
        循环
                等待时间step
                读取当前时间t
                读取当前受力F
                V += F/m*step;
                输出P+V*t
        搞定
C语言代码:
int main ()
{
        double Px,Py;                // position
        double Vx,Vy;                // velocity
        double Fx,Fy;                // force
        double t = 0.0;              // time
        double step = 1000;       // step time
        double m;                     // mass

        scanf ("%lf%lf",&Px,&Py);        // read position
        scanf ("%lf%lf",&Vx,&Vy);        // read velocity
        scanf(“%lf”,&m);                     // read mass

        while (1) {
                sleep (step);        // call os api
                readtime (t);        // call os api
                scanf(“%lf%lf”,&Fx,&Fy);        // read force
                Vx += Fx/m*step;
                Vy += Fy/m*step;
                printf("%lf %lf",Px+Vx*t,Py+Vy*t);        // output last position
        }
        return 0;        // end
}
稍具物理知识的同学应该都看得懂吧,“世界四”每次循环都会读入一个受力,并且据此改变质点的速度。
“世界四”与之前的世界有本质的区别。“世界四”在“运动”过程中是一直接受一个输入的。
“世界四”是在一个参数的作用下变化的。即使初始状态一样,最终世界的发展过程也可能不一样。

以这个栗子反观我们存在的世界,大爆炸瞬间,我们的宇宙的运动过程是否由机械决定论确定?
在宇宙发展过程中,是否接受额外的输入来调节未来的发展方向?
如果有额外的输入,那这个输入是如何确定的?上帝在投掷色子吗?
量子效应是否就是上帝投掷的色子?
……

算了,不想了,上帝又在给灰原姐姐准备地域了。

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 楼主| 发表于 2013-3-18 22:01:40 | 只看该作者
栗子就举这么多了,吃多了不消化也不好,总结一下吧。

我们的宇宙是由物质组成的,物质是运动的。
为了描述这样的宇宙,人类发明了数学。
数学,以“数”作为描述“物质”的概念,以“运算”作为描述“运动”的概念。
在线性代数中,“线性变换”这个运算本身可以由“矩阵”这个结构表示,揭示了运动的本质还是物质。
为了使人更方便地计算,人类发明了计算机。
计算机,以“数据”、“变量”作为描述物质的概念,以“指令”作为描述“运动”的概念。
指令本身保存在存储器中,又可以看成数据,同样揭示了运动的本质还是物质。

据此,为了用计算机软件描述我们所处的世界,我们用变量来描述物体的状态,例如位置、速度、角速度等。
我们用公式(实际上被编译器转变为一系列指令)来描述物质的运动规律。
对物体反复应用这些公式,即得得到宇宙运动发展的过程。
将发展过程的状态输出,即可观察到宇宙运动的整个过程。
当然,上述栗子都是简单地输出数据来表达过程的。
如果用图形库(例如opengldirectX)将数据绘制成图像显示在屏幕上,就得到更直观的结果。

到这一步,灰原姐姐终于可以明确的告诉各位同学偶不是标题党了。
计算机仿真虚拟现实,本质上是个上帝工程,是创造一个世界的过程。
这个虚拟的世界,以真实世界为蓝本。用变量,表示“真实”世界的物体的状态;用公式,表示“真实”世界的物理规律。
以此作为真实世界的一个“模型”。
通过研究模型的规律,来反映真实世界的规律。
由于模型具有一些真实世界没有的优点(例如:可调节仿真速度,几乎不耗电,没有电路故障的干扰),
故基于模型研究真实世界可以达到提高生产力的目的。
当然,由于计算机是离散的,而物理世界姑且可以看成是连续的,所以一定有误差存在。
仿真时应尽量减小误差,将算法移植真实世界时也要正视这之间的差距。

如果各位同学想开发自己的仿真软件,仅仅知道这些原理是不够的。
你还需要面对各种细节问题,开发工具的使用问题。
但不要怕,这些前进道路上的畔脚石同样是垫脚石。
正视他们,不怕钻研,解决他们,你会越走越高,越走越远。

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哈哈~这个写得生动,是我喜欢的风格~~
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