Развитие идеи Динамической системы (не завершено)

Author: Infarh

MathCore/DynamicSystem.cs

@@ -0,0 +1,111 @@
+#nullable enable
+namespace MathCore;
+
+/// <summary>Кольцевой буфер истории с доступом по числу шагов назад</summary>
+public sealed class HistoryBuffer<T>(int capacity)
+{
+    private readonly T[] _Items = capacity > 0 ? new T[capacity] : [];
+    private int _Count;
+    private int _Head;
+
+    /// <summary>Ёмкость буфера</summary>
+    public int Capacity => _Items.Length;
+
+    /// <summary>Текущее число элементов в буфере</summary>
+    public int Count => _Count;
+
+    /// <summary>Добавляет элемент в историю</summary>
+    public void Enqueue(T item)
+    {
+        if (Capacity == 0) return;
+
+        _Items[_Head] = item;
+        _Head = (_Head + 1) % Capacity;
+
+        if (_Count < Capacity)
+            _Count++;
+    }
+
+    /// <summary>Возвращает элемент истории k шагов назад, где 0 — последний добавленный</summary>
+    public T this[int LastStep]
+    {
+        get
+        {
+            if (LastStep < 0 || LastStep >= _Count)
+                throw new ArgumentOutOfRangeException(nameof(LastStep));
+
+            var idx = (_Head - 1 - LastStep) % Capacity;
+            if (idx < 0)
+                idx += Capacity;
+            return _Items[idx];
+        }
+    }
+
+    /// <summary>Очищает буфер</summary>
+    public void Clear() { _Count = 0; _Head = 0; }
+}
+
+/// <summary>Дискретная динамическая система с поддержкой истории состояний</summary>
+public class DynamicSystem<TState, TInput>(int Order)
+    where TState : struct
+    where TInput : struct
+{
+    private HistoryBuffer<HistoryItem>? _History = new(Order);
+
+    /// <summary>Элемент истории состояния во времени</summary>
+    public readonly record struct HistoryItem(TState State, double Time)
+    {
+        /// <summary>Неявное приведение к типу состояния</summary>
+        public static implicit operator TState(HistoryItem item) => item.State;
+    }
+
+    /// <summary>Текущее состояние системы</summary>
+    public HistoryItem State { get; protected set; }
+
+    /// <summary>Представление истории для вычисления шага</summary>
+    public readonly record struct History(HistoryBuffer<HistoryItem>? history, double Time)
+    {
+        /// <summary>Доступ к элементу истории k шагов назад, где 0 — предыдущий шаг</summary>
+        public HistoryItem this[int steps] => history?[steps] ?? throw new InvalidOperationException("History is disabled");
+
+        /// <summary>Число доступных элементов истории</summary>
+        public int Count => history?.Count ?? 0;
+    }
+
+    /// <summary>Набор «дифференциальных уравнений», формирующих вклады в новое состояние</summary>
+    public required IReadOnlyList<Func<TInput, History, TState>> DiffEquations { get; init; }
+
+    /// <summary>Агрегатор, собирающий новое состояние из предыдущего, вкладов и времени</summary>
+    public required Func<TState, TState[], double, TState> Aggregator { get; init; }
+
+    private TState[]? _DiffStates;
+
+    /// <summary>Выполняет один дискретный шаг обновления состояния</summary>
+    public TState Update(double Time, TInput input)
+    {
+        // Сначала фиксируем предыдущее состояние в истории, чтобы s[0] был прошлым шагом
+        _History?.Enqueue(State);
+
+        var states = _DiffStates ??= new TState[DiffEquations.Count];
+
+        var s = new History(_History, Time);
+        for (var i = 0; i < DiffEquations.Count; i++)
+            states[i] = DiffEquations[i](input, s);
+
+        var new_state = Aggregator(State, _DiffStates, Time);
+
+        State = new(new_state, Time);
+
+        return new_state;
+    }
+
+    /// <summary>Сбрасывает состояние и очищает историю</summary>
+    public void Reset(TState state = default, double time = 0)
+    {
+        State = new(state, time);
+        _History = new(Order); // сохраняем настроенный объём истории
+        // Стартовое состояние НЕ добавляем в историю, чтобы при первом Update s[0] ссылался на него один раз
+    }
+}
+
+

Tests/MathCore.Tests/DynamicSystemTests.cs

@@ -0,0 +1,16 @@
+using MathCore.Vectors;
+
+namespace MathCore.Tests;
+
+[TestClass]
+public class DynamicSystemTests
+{
+    [TestMethod]
+    public void CreationTest()
+    {
+        var system = new DynamicSystem<Vector2D, Vector2D>
+        {
+
+        };
+    }
+}