/* 
************************************************************************
*  ルンゲ・クッタ法による1次元運動方程式の解法                         *
*  速度に比例する抵抗がある強制振動子                                  *
************************************************************************
  t：時間、x：位置、v：速度、dt：時間の刻み幅
  t0、x0、v0：初期値
  tlim：時間の最大値
  alpha：速度に比例する抵抗の係数
  omega：強制力の振動数
  f0：強制力の振幅
  物体の質量 m=1
  ばね定数 k=1
*/
       
#include <stdio.h>
#include <math.h>

#define N 2                                   /* 方程式の数 */

double alpha, omega, f0;
 
main()
{
   void rungen(double t, double x[], double dt);
   double f(double t, double x[], int i);
   
   double t, x[N], v0, dt, h;
   double pi,tlim;
   int j;
   
/* 出力ファイルの指定 */
   FILE *output;
   output = fopen("osc.dat","w");

/* 強制力の振動数、強制力の振幅 */
   printf("Input: omega f0\n");
   scanf("%lf%lf", &omega, &f0);
   printf("omega=%g\t f0=%g\n", omega, f0);
/* 速度に比例する抵抗の係数 */
   printf("Input: alpha\n");
   scanf("%lf", &alpha);
   printf("alpha=%g\n", alpha);
/* 時間の刻み幅 */
   printf("Input: dt\n");
   scanf("%lf", &dt);
   printf("dt=%g\n", dt);
   
/* 初期値 */
   t = 0;
   v0 = 1.0;
   x[0] = 0.0;                                /* 初期位置  */
   x[1] = v0;                                 /* 初期速度  */
   
   fprintf(output, "%f\t%f\t%f\n", t, x[0], x[1]);

      pi=3.1415926535897932385;
      tlim=20.0*pi;

   while(t <= tlim)
   {
/* ルンゲ・クッタ法ルーチンを呼び出す */
      rungen(t, x, dt);
      t += dt;    
      fprintf(output, "%f\t%f\t%f\n", t, x[0], x[1]);
   }
   printf("data stored in osc.dat\n");
   fclose(output);
}
/*-----------------------end of main program--------------------------*/

/* Runge-Kutta法 */
void rungen(double t, double x[], double dt)
{
   double f(double t, double x[], int i);
   double h=dt/2.0,
          t1[N], t2[N], t3[N],                /* Runge-Kutta法のための */
          k1[N], k2[N], k3[N],k4[N];          /* 一時変数              */
   int i;
 
   for (i=0; i<N; i++) 
     {
       k1[i] = dt*f(t, x, i);
       t1[i] = x[i]+0.5*k1[i];
     }
   for (i=0; i<N; i++) 
     {
       k2[i] = dt*f(t+h, t1, i);
       t2[i] = x[i]+0.5*k2[i];
     }
   for (i=0; i<N; i++) 
     {
       k3[i] = dt*f(t+h, t2, i);
       t3[i] = x[i]+    k3[i];
     }
   for (i=0; i<N; i++) 
     {
       k4[i] = dt*f(t + dt, t3, i);
     }

   for (i=0; i<N; i++) x[i] += (k1[i]+2*k2[i]+2*k3[i]+k4[i])/6.0;
}
/*--------------------------------------------------------------------*/

/* 微分方程式の右辺 */
double  f(double t, double x[], int i)
{
   if (i == 0) return(x[1]);                             /* dx[0]/dx = dx/dt*/ 
   if (i == 1) return(-x[0]-alpha*x[1]+f0*cos(omega*t)); /* dx[1]/dx = dv/dt*/ 
}