liuxiaolong
2021-07-20 58d904a328c0d849769b483e901a0be9426b8209
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
322
/*
 boost/numeric/odeint/stepper/detail/controlled_adams_bashforth_moulton.hpp
 
 [begin_description]
 Implemetation of an controlled adams bashforth moulton stepper.
 [end_description]
 
 Copyright 2017 Valentin Noah Hartmann
 
 Distributed under the Boost Software License, Version 1.0.
 (See accompanying file LICENSE_1_0.txt or
 copy at http://www.boost.org/LICENSE_1_0.txt)
*/
 
#ifndef BOOST_NUMERIC_ODEINT_STEPPER_CONTROLLED_ADAMS_BASHFORTH_MOULTON_HPP_INCLUDED
#define BOOST_NUMERIC_ODEINT_STEPPER_CONTROLLED_ADAMS_BASHFORTH_MOULTON_HPP_INCLUDED
 
#include <boost/numeric/odeint/stepper/stepper_categories.hpp>
#include <boost/numeric/odeint/stepper/controlled_step_result.hpp>
 
#include <boost/numeric/odeint/stepper/adaptive_adams_bashforth_moulton.hpp>
#include <boost/numeric/odeint/stepper/detail/pid_step_adjuster.hpp>
 
#include <boost/numeric/odeint/util/unwrap_reference.hpp>
#include <boost/numeric/odeint/util/is_resizeable.hpp>
#include <boost/numeric/odeint/util/resizer.hpp>
 
#include <boost/numeric/odeint/util/copy.hpp>
#include <boost/numeric/odeint/util/bind.hpp>
 
#include <iostream>
 
namespace boost {
namespace numeric {
namespace odeint {
 
template<
size_t MaxOrder,
class State,
class Value = double,
class Algebra = typename algebra_dispatcher< State >::algebra_type
>
class default_order_adjuster
{
public:
    typedef State state_type;
    typedef Value value_type;
    typedef state_wrapper< state_type > wrapped_state_type;
 
    typedef Algebra algebra_type;
 
    default_order_adjuster( const algebra_type &algebra = algebra_type() )
    : m_algebra( algebra )
    {};
 
    size_t adjust_order(size_t order, size_t init, boost::array<wrapped_state_type, 4> &xerr)
    {
        using std::abs;
 
        value_type errc = abs(m_algebra.norm_inf(xerr[2].m_v));
 
        value_type errm1 = 3*errc;
        value_type errm2 = 3*errc;
 
        if(order > 2)
        {
            errm2 = abs(m_algebra.norm_inf(xerr[0].m_v));
        }
        if(order >= 2)
        {
            errm1 = abs(m_algebra.norm_inf(xerr[1].m_v));
        }
 
        size_t o_new = order;
 
        if(order == 2 && errm1 <= 0.5*errc)
        {
            o_new = order - 1;
        }
        else if(order > 2 && errm2 < errc && errm1 < errc)
        {
            o_new = order - 1;
        }
 
        if(init < order)
        {
            return order+1;
        }
        else if(o_new == order - 1)
        {
            return order-1;
        }
        else if(order <= MaxOrder)
        {
            value_type errp = abs(m_algebra.norm_inf(xerr[3].m_v));
 
            if(order > 1 && errm1 < errc && errp)
            {
                return order-1;
            }
            else if(order < MaxOrder && errp < (0.5-0.25*order/MaxOrder) * errc)
            {
                return order+1;
            }
        }
 
        return order;
    };
private:
    algebra_type m_algebra;
};
 
template<
class ErrorStepper,
class StepAdjuster = detail::pid_step_adjuster< typename ErrorStepper::state_type, 
    typename ErrorStepper::value_type,
    typename ErrorStepper::deriv_type,
    typename ErrorStepper::time_type,
    typename ErrorStepper::algebra_type,
    typename ErrorStepper::operations_type,
    detail::H211PI
    >,
class OrderAdjuster = default_order_adjuster< ErrorStepper::order_value,
    typename ErrorStepper::state_type,
    typename ErrorStepper::value_type,
    typename ErrorStepper::algebra_type
    >,
class Resizer = initially_resizer
>
class controlled_adams_bashforth_moulton
{
public:
    typedef ErrorStepper stepper_type;
 
    static const typename stepper_type::order_type order_value = stepper_type::order_value;
    
    typedef typename stepper_type::state_type state_type;
    typedef typename stepper_type::value_type value_type;
    typedef typename stepper_type::deriv_type deriv_type;
    typedef typename stepper_type::time_type time_type;
 
    typedef typename stepper_type::algebra_type algebra_type;
    typedef typename stepper_type::operations_type operations_type;
    typedef Resizer resizer_type;
 
    typedef StepAdjuster step_adjuster_type;
    typedef OrderAdjuster order_adjuster_type;
    typedef controlled_stepper_tag stepper_category;
 
    typedef typename stepper_type::wrapped_state_type wrapped_state_type;
    typedef typename stepper_type::wrapped_deriv_type wrapped_deriv_type;
    typedef boost::array< wrapped_state_type , 4 > error_storage_type;
 
    typedef typename stepper_type::coeff_type coeff_type;
    typedef controlled_adams_bashforth_moulton< ErrorStepper , StepAdjuster , OrderAdjuster , Resizer > controlled_stepper_type;
 
    controlled_adams_bashforth_moulton(step_adjuster_type step_adjuster = step_adjuster_type())
    :m_stepper(),
    m_dxdt_resizer(), m_xerr_resizer(), m_xnew_resizer(),
    m_step_adjuster( step_adjuster ), m_order_adjuster()
    {};
 
    template< class ExplicitStepper, class System >
    void initialize(ExplicitStepper stepper, System system, state_type &inOut, time_type &t, time_type dt)
    {
        m_stepper.initialize(stepper, system, inOut, t, dt);
    };
 
    template< class System >
    void initialize(System system, state_type &inOut, time_type &t, time_type dt)
    {
        m_stepper.initialize(system, inOut, t, dt);
    };
 
    template< class ExplicitStepper, class System >
    void initialize_controlled(ExplicitStepper stepper, System system, state_type &inOut, time_type &t, time_type &dt)
    {
        reset();
        coeff_type &coeff = m_stepper.coeff();
 
        m_dxdt_resizer.adjust_size( inOut , detail::bind( &controlled_stepper_type::template resize_dxdt_impl< state_type > , detail::ref( *this ) , detail::_1 ) );
 
        controlled_step_result res = fail;
 
        for( size_t i=0 ; i<order_value; ++i )
        {
            do
            {
                res = stepper.try_step( system, inOut, t, dt );
            }
            while(res != success);
 
            system( inOut , m_dxdt.m_v , t );
            
            coeff.predict(t-dt, dt);
            coeff.do_step(m_dxdt.m_v);
            coeff.confirm();
 
            if(coeff.m_eo < order_value)
            {
                ++coeff.m_eo;
            }
        }
    }
 
    template< class System >
    controlled_step_result try_step(System system, state_type & inOut, time_type &t, time_type &dt)
    {
        m_xnew_resizer.adjust_size( inOut , detail::bind( &controlled_stepper_type::template resize_xnew_impl< state_type > , detail::ref( *this ) , detail::_1 ) );
 
        controlled_step_result res = try_step(system, inOut, t, m_xnew.m_v, dt);
 
        if(res == success)
        {
            boost::numeric::odeint::copy( m_xnew.m_v , inOut);
        }
 
        return res;
    };
 
    template< class System >
    controlled_step_result try_step(System system, const state_type & in, time_type &t, state_type & out, time_type &dt)
    {
        m_xerr_resizer.adjust_size( in , detail::bind( &controlled_stepper_type::template resize_xerr_impl< state_type > , detail::ref( *this ) , detail::_1 ) );
        m_dxdt_resizer.adjust_size( in , detail::bind( &controlled_stepper_type::template resize_dxdt_impl< state_type > , detail::ref( *this ) , detail::_1 ) );
 
        m_stepper.do_step_impl(system, in, t, out, dt, m_xerr[2].m_v);
 
        coeff_type &coeff = m_stepper.coeff();
 
        time_type dtPrev = dt;
        dt = m_step_adjuster.adjust_stepsize(coeff.m_eo, dt, m_xerr[2].m_v, out, m_stepper.dxdt() );
 
        if(dt / dtPrev >= step_adjuster_type::threshold())
        {
            system(out, m_dxdt.m_v, t+dtPrev);
 
            coeff.do_step(m_dxdt.m_v);
            coeff.confirm();
 
            t += dtPrev;
 
            size_t eo = coeff.m_eo;
 
            // estimate errors for next step
            double factor = 1;
            algebra_type m_algebra;
 
            m_algebra.for_each2(m_xerr[2].m_v, coeff.phi[1][eo].m_v, 
                typename operations_type::template scale_sum1<double>(factor*dt*(coeff.gs[eo])));
 
            if(eo > 1)
            {
                m_algebra.for_each2(m_xerr[1].m_v, coeff.phi[1][eo-1].m_v, 
                    typename operations_type::template scale_sum1<double>(factor*dt*(coeff.gs[eo-1])));
            }
            if(eo > 2)
            {
                m_algebra.for_each2(m_xerr[0].m_v, coeff.phi[1][eo-2].m_v, 
                    typename operations_type::template scale_sum1<double>(factor*dt*(coeff.gs[eo-2])));
            }
            if(eo < order_value && coeff.m_eo < coeff.m_steps_init-1)
            {
                m_algebra.for_each2(m_xerr[3].m_v, coeff.phi[1][eo+1].m_v, 
                    typename operations_type::template scale_sum1<double>(factor*dt*(coeff.gs[eo+1])));
            }
 
            // adjust order
            coeff.m_eo = m_order_adjuster.adjust_order(coeff.m_eo, coeff.m_steps_init-1, m_xerr);
 
            return success;
        }
        else
        {
            return fail;
        }
    };
 
    void reset() { m_stepper.reset(); };
 
private:
    template< class StateType >
    bool resize_dxdt_impl( const StateType &x )
    {
        return adjust_size_by_resizeability( m_dxdt, x, typename is_resizeable<deriv_type>::type() );
    };
    template< class StateType >
    bool resize_xerr_impl( const StateType &x )
    {
        bool resized( false );
 
        for(size_t i=0; i<m_xerr.size(); ++i)
        {
            resized |= adjust_size_by_resizeability( m_xerr[i], x, typename is_resizeable<state_type>::type() );
        }
        return resized;
    };
    template< class StateType >
    bool resize_xnew_impl( const StateType &x )
    {
        return adjust_size_by_resizeability( m_xnew, x, typename is_resizeable<state_type>::type() );
    };
 
    stepper_type m_stepper;
 
    wrapped_deriv_type m_dxdt;
    error_storage_type m_xerr;
    wrapped_state_type m_xnew;
 
    resizer_type m_dxdt_resizer;
    resizer_type m_xerr_resizer;
    resizer_type m_xnew_resizer;
 
    step_adjuster_type m_step_adjuster;
    order_adjuster_type m_order_adjuster;
};
 
} // odeint
} // numeric
} // boost
 
#endif