xref: /petsc/src/ts/tutorials/multirate/ex3.c (revision 6a5217c03994f2d95bb2e6dbd8bed42381aeb015)
1 static char help[] = "Basic problem for multi-rate method.\n";
2 
3 /*F
4 
5 \begin{eqnarray}
6                  ys' = -2.0*\frac{-1.0+ys^2.0-\cos(t)}{2.0*ys}+0.05*\frac{-2.0+yf^2-\cos(5.0*t)}{2.0*yf}-\frac{\sin(t)}{2.0*ys}\\
7                  yf' = 0.05*\frac{-1.0+ys^2-\cos(t)}{2.0*ys}-\frac{-2.0+yf^2-\cos(5.0*t)}{2.0*yf}-5.0*\frac{\sin(5.0*t)}{2.0*yf}\\
8 \end{eqnarray}
9 
10 F*/
11 
12 #include <petscts.h>
13 
14 typedef struct {
15   PetscReal Tf,dt;
16 } AppCtx;
17 
18 static PetscErrorCode RHSFunction(TS ts,PetscReal t,Vec U,Vec F,AppCtx *ctx)
19 {
20   const PetscScalar *u;
21   PetscScalar       *f;
22 
23   PetscFunctionBegin;
24   PetscCall(VecGetArrayRead(U,&u));
25   PetscCall(VecGetArray(F,&f));
26   f[0] = -2.0*(-1.0+u[0]*u[0]-PetscCosScalar(t))/(2.0*u[0])+0.05*(-2.0+u[1]*u[1]-PetscCosScalar(5.0*t))/(2.0*u[1])-PetscSinScalar(t)/(2.0*u[0]);
27   f[1] = 0.05*(-1.0+u[0]*u[0]-PetscCosScalar(t))/(2.0*u[0])-(-2.0+u[1]*u[1]-PetscCosScalar(5.0*t))/(2.0*u[1])-5.0*PetscSinScalar(5.0*t)/(2.0*u[1]);
28   PetscCall(VecRestoreArrayRead(U,&u));
29   PetscCall(VecRestoreArray(F,&f));
30   PetscFunctionReturn(0);
31 }
32 
33 static PetscErrorCode RHSFunctionslow(TS ts,PetscReal t,Vec U,Vec F,AppCtx *ctx)
34 {
35   const PetscScalar *u;
36   PetscScalar       *f;
37 
38   PetscFunctionBegin;
39   PetscCall(VecGetArrayRead(U,&u));
40   PetscCall(VecGetArray(F,&f));
41   f[0] = -2.0*(-1.0+u[0]*u[0]-PetscCosScalar(t))/(2.0*u[0])+0.05*(-2.0+u[1]*u[1]-PetscCosScalar(5.0*t))/(2.0*u[1])-PetscSinScalar(t)/(2.0*u[0]);
42   PetscCall(VecRestoreArrayRead(U,&u));
43   PetscCall(VecRestoreArray(F,&f));
44   PetscFunctionReturn(0);
45 }
46 
47 static PetscErrorCode RHSFunctionfast(TS ts,PetscReal t,Vec U,Vec F,AppCtx *ctx)
48 {
49   const PetscScalar *u;
50   PetscScalar       *f;
51 
52   PetscFunctionBegin;
53   PetscCall(VecGetArrayRead(U,&u));
54   PetscCall(VecGetArray(F,&f));
55   f[0] = 0.05*(-1.0+u[0]*u[0]-PetscCosScalar(t))/(2.0*u[0])-(-2.0+u[1]*u[1]-PetscCosScalar(5.0*t))/(2.0*u[1])-5.0*PetscSinScalar(5.0*t)/(2.0*u[1]);
56   PetscCall(VecRestoreArrayRead(U,&u));
57   PetscCall(VecRestoreArray(F,&f));
58   PetscFunctionReturn(0);
59 }
60 
61 static PetscErrorCode sol_true(PetscReal t,Vec U)
62 {
63   PetscScalar    *u;
64 
65   PetscFunctionBegin;
66   PetscCall(VecGetArray(U,&u));
67   u[0] = PetscSqrtScalar(1.0+PetscCosScalar(t));
68   u[1] = PetscSqrtScalar(2.0+PetscCosScalar(5.0*t));
69   PetscCall(VecRestoreArray(U,&u));
70   PetscFunctionReturn(0);
71 }
72 
73 int main(int argc,char **argv)
74 {
75   TS             ts;            /* ODE integrator */
76   Vec            U;             /* solution will be stored here */
77   Vec            Utrue;
78   PetscErrorCode ierr;
79   PetscMPIInt    size;
80   AppCtx         ctx;
81   PetscScalar    *u;
82   IS             iss;
83   IS             isf;
84   PetscInt       *indicess;
85   PetscInt       *indicesf;
86   PetscInt       n=2;
87   PetscReal      error,tt;
88 
89   /* - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
90      Initialize program
91      - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - */
92   PetscCall(PetscInitialize(&argc,&argv,(char*)0,help));
93   PetscCallMPI(MPI_Comm_size(PETSC_COMM_WORLD,&size));
94   PetscCheck(size == 1,PETSC_COMM_WORLD,PETSC_ERR_WRONG_MPI_SIZE,"Only for sequential runs");
95 
96    /* - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
97     Create index for slow part and fast part
98     - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - */
99   PetscCall(PetscMalloc1(1,&indicess));
100   indicess[0]=0;
101   PetscCall(PetscMalloc1(1,&indicesf));
102   indicesf[0]=1;
103   PetscCall(ISCreateGeneral(PETSC_COMM_SELF,1,indicess,PETSC_COPY_VALUES,&iss));
104   PetscCall(ISCreateGeneral(PETSC_COMM_SELF,1,indicesf,PETSC_COPY_VALUES,&isf));
105 
106   /* - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
107     Create necesary vector
108     - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - */
109   PetscCall(VecCreate(PETSC_COMM_WORLD,&U));
110   PetscCall(VecSetSizes(U,n,PETSC_DETERMINE));
111   PetscCall(VecSetFromOptions(U));
112   PetscCall(VecDuplicate(U,&Utrue));
113   PetscCall(VecCopy(U,Utrue));
114 
115   /* - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
116     Set initial condition
117     - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - */
118   PetscCall(VecGetArray(U,&u));
119   u[0] = PetscSqrtScalar(2.0);
120   u[1] = PetscSqrtScalar(3.0);
121   PetscCall(VecRestoreArray(U,&u));
122 
123   /* - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
124      Create timestepping solver context
125      - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - */
126   PetscCall(TSCreate(PETSC_COMM_WORLD,&ts));
127   PetscCall(TSSetType(ts,TSMPRK));
128 
129   PetscCall(TSSetRHSFunction(ts,NULL,(TSRHSFunction)RHSFunction,&ctx));
130   PetscCall(TSRHSSplitSetIS(ts,"slow",iss));
131   PetscCall(TSRHSSplitSetIS(ts,"fast",isf));
132   PetscCall(TSRHSSplitSetRHSFunction(ts,"slow",NULL,(TSRHSFunction)RHSFunctionslow,&ctx));
133   PetscCall(TSRHSSplitSetRHSFunction(ts,"fast",NULL,(TSRHSFunction)RHSFunctionfast,&ctx));
134 
135   /* - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
136      Set initial conditions
137    - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - */
138   PetscCall(TSSetSolution(ts,U));
139 
140   /* - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
141      Set solver options
142    - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - */
143   ierr = PetscOptionsBegin(PETSC_COMM_WORLD,NULL,"ODE options","");PetscCall(ierr);
144   {
145     ctx.Tf = 0.3;
146     ctx.dt = 0.01;
147     PetscCall(PetscOptionsScalar("-Tf","","",ctx.Tf,&ctx.Tf,NULL));
148     PetscCall(PetscOptionsScalar("-dt","","",ctx.dt,&ctx.dt,NULL));
149   }
150   ierr = PetscOptionsEnd();PetscCall(ierr);
151   PetscCall(TSSetMaxTime(ts,ctx.Tf));
152   PetscCall(TSSetTimeStep(ts,ctx.dt));
153   PetscCall(TSSetExactFinalTime(ts,TS_EXACTFINALTIME_MATCHSTEP));
154   PetscCall(TSSetFromOptions(ts));
155 
156   /* - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
157      Solve linear system
158      - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - */
159   PetscCall(TSSolve(ts,U));
160   PetscCall(VecView(U,PETSC_VIEWER_STDOUT_WORLD));
161 
162  /* - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
163      Check the error of the Petsc solution
164      - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - */
165   PetscCall(TSGetTime(ts,&tt));
166   PetscCall(sol_true(tt,Utrue));
167   PetscCall(VecAXPY(Utrue,-1.0,U));
168   PetscCall(VecNorm(Utrue,NORM_2,&error));
169 
170   /* - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
171      Print norm2 error
172      - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - */
173   PetscCall(PetscPrintf(PETSC_COMM_WORLD,"l2 error norm: %g\n", error));
174 
175   /* - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
176      Free work space.  All PETSc objects should be destroyed when they are no longer needed.
177    - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - */
178   PetscCall(VecDestroy(&U));
179   PetscCall(TSDestroy(&ts));
180   PetscCall(VecDestroy(&Utrue));
181   PetscCall(ISDestroy(&iss));
182   PetscCall(ISDestroy(&isf));
183   PetscCall(PetscFree(indicess));
184   PetscCall(PetscFree(indicesf));
185   PetscCall(PetscFinalize());
186   return 0;
187 }
188 
189 /*TEST
190     build:
191       requires: !complex
192 
193     test:
194 
195 TEST*/
196