home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ io Programmo 60 / IOPROG_60.ISO / soft / c++ / gsl-1.1.1-setup.exe / {app} / src / ode-initval / rkck.c < prev    next >
Encoding:
C/C++ Source or Header  |  2002-04-18  |  8.0 KB  |  325 lines
  1. /* ode-initval/rkck.c
  2.  * 
  3.  * Copyright (C) 1996, 1997, 1998, 1999, 2000 Gerard Jungman
  4.  * 
  5.  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
  6.  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
  7.  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or (at
  8.  * your option) any later version.
  9.  * 
  10.  * This program is distributed in the hope that it will be useful, but
  11.  * WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  12.  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  13.  * General Public License for more details.
  14.  * 
  15.  * You should have received a copy of the GNU General Public License
  16.  * along with this program; if not, write to the Free Software
  17.  * Foundation, Inc., 675 Mass Ave, Cambridge, MA 02139, USA.
  18.  */
  19.  
  20. /* Runge-Kutta 4(5), Cash-Karp */
  21.  
  22. /* Author:  G. Jungman
  23.  */
  24. #include <config.h>
  25. #include <stdlib.h>
  26. #include <string.h>
  27. #include <gsl/gsl_errno.h>
  28. #include <gsl/gsl_odeiv.h>
  29.  
  30. #include "odeiv_util.h"
  31.  
  32. /* Cash-Karp constants */
  33. static const double ah[] = { 1.0 / 5.0, 0.3, 3.0 / 5.0, 1.0, 7.0 / 8.0 };
  34. static const double b21 = 1.0 / 5.0;
  35. static const double b3[] = { 3.0 / 40.0, 9.0 / 40.0 };
  36. static const double b4[] = { 0.3, -0.9, 1.2 };
  37. static const double b5[] = { -11.0 / 54.0, 2.5, -70.0 / 27.0, 35.0 / 27.0 };
  38. static const double b6[] =
  39.   { 1631.0 / 55296.0, 175.0 / 512.0, 575.0 / 13824.0, 44275.0 / 110592.0,
  40.     253.0 / 4096.0 };
  41. static const double c1 = 37.0 / 378.0;
  42. static const double c3 = 250.0 / 621.0;
  43. static const double c4 = 125.0 / 594.0;
  44. static const double c6 = 512.0 / 1771.0;
  45. static const double ec[] = { 0.0,
  46.   /* the first value is the same as c1, above */
  47.   37.0 / 378.0 - 2825.0 / 27648.0,
  48.   0.0,
  49.   /* the first value is the same as c3, above */
  50.   250.0 / 621.0 - 18575.0 / 48384.0,
  51.   /* the first value is the same as c4, above */
  52.   125.0 / 594.0 - 13525.0 / 55296.0,
  53.   -277.00 / 14336.0,
  54.   /* the first value is the same as c6, above */
  55.   512.0 / 1771.0 - 0.25
  56. };
  57.  
  58. typedef struct
  59. {
  60.   double *k1;
  61.   double *k2;
  62.   double *k3;
  63.   double *k4;
  64.   double *k5;
  65.   double *k6;
  66.   double *y0;
  67.   double *ytmp;
  68. }
  69. rkck_state_t;
  70.  
  71. static void *
  72. rkck_alloc (size_t dim)
  73. {
  74.   rkck_state_t *state = (rkck_state_t *) malloc (sizeof (rkck_state_t));
  75.  
  76.   if (state == 0)
  77.     {
  78.       GSL_ERROR_NULL ("failed to allocate space for rkck_state", GSL_ENOMEM);
  79.     }
  80.  
  81.   state->k1 = (double *) malloc (dim * sizeof (double));
  82.  
  83.   if (state->k1 == 0)
  84.     {
  85.       free (state);
  86.       GSL_ERROR_NULL ("failed to allocate space for k1", GSL_ENOMEM);
  87.     }
  88.  
  89.   state->k2 = (double *) malloc (dim * sizeof (double));
  90.  
  91.   if (state->k2 == 0)
  92.     {
  93.       free (state->k1);
  94.       free (state);
  95.       GSL_ERROR_NULL ("failed to allocate space for k2", GSL_ENOMEM);
  96.     }
  97.  
  98.   state->k3 = (double *) malloc (dim * sizeof (double));
  99.  
  100.   if (state->k3 == 0)
  101.     {
  102.       free (state->k2);
  103.       free (state->k1);
  104.       free (state);
  105.       GSL_ERROR_NULL ("failed to allocate space for k3", GSL_ENOMEM);
  106.     }
  107.  
  108.   state->k4 = (double *) malloc (dim * sizeof (double));
  109.  
  110.   if (state->k4 == 0)
  111.     {
  112.       free (state->k3);
  113.       free (state->k2);
  114.       free (state->k1);
  115.       free (state);
  116.       GSL_ERROR_NULL ("failed to allocate space for k4", GSL_ENOMEM);
  117.     }
  118.  
  119.   state->k5 = (double *) malloc (dim * sizeof (double));
  120.  
  121.   if (state->k5 == 0)
  122.     {
  123.       free (state->k4);
  124.       free (state->k3);
  125.       free (state->k2);
  126.       free (state->k1);
  127.       free (state);
  128.       GSL_ERROR_NULL ("failed to allocate space for k5", GSL_ENOMEM);
  129.     }
  130.  
  131.   state->k6 = (double *) malloc (dim * sizeof (double));
  132.  
  133.   if (state->k6 == 0)
  134.     {
  135.       free (state->k5);
  136.       free (state->k4);
  137.       free (state->k3);
  138.       free (state->k2);
  139.       free (state->k1);
  140.       free (state);
  141.       GSL_ERROR_NULL ("failed to allocate space for k6", GSL_ENOMEM);
  142.     }
  143.  
  144.   state->y0 = (double *) malloc (dim * sizeof (double));
  145.  
  146.   if (state->y0 == 0)
  147.     {
  148.       free (state->k6);
  149.       free (state->k5);
  150.       free (state->k4);
  151.       free (state->k3);
  152.       free (state->k2);
  153.       free (state->k1);
  154.       free (state);
  155.       GSL_ERROR_NULL ("failed to allocate space for y0", GSL_ENOMEM);
  156.     }
  157.  
  158.   state->ytmp = (double *) malloc (dim * sizeof (double));
  159.  
  160.   if (state->ytmp == 0)
  161.     {
  162.       free (state->y0);
  163.       free (state->k6);
  164.       free (state->k5);
  165.       free (state->k4);
  166.       free (state->k3);
  167.       free (state->k2);
  168.       free (state->k1);
  169.       free (state);
  170.       GSL_ERROR_NULL ("failed to allocate space for ytmp", GSL_ENOMEM);
  171.     }
  172.  
  173.   return state;
  174. }
  175.  
  176.  
  177. static int
  178. rkck_apply (void *vstate,
  179.         size_t dim,
  180.         double t,
  181.         double h,
  182.         double y[],
  183.         double yerr[],
  184.         const double dydt_in[],
  185.         double dydt_out[], const gsl_odeiv_system * sys)
  186. {
  187.   rkck_state_t *state = (rkck_state_t *) vstate;
  188.  
  189.   size_t i;
  190.   int status = 0;
  191.  
  192.   double *const k1 = state->k1;
  193.   double *const k2 = state->k2;
  194.   double *const k3 = state->k3;
  195.   double *const k4 = state->k4;
  196.   double *const k5 = state->k5;
  197.   double *const k6 = state->k6;
  198.   double *const ytmp = state->ytmp;
  199.  
  200.   /* k1 step */
  201.   if (dydt_in != NULL)
  202.     {
  203.       DBL_MEMCPY (k1, dydt_in, dim);
  204.     }
  205.   else
  206.     {
  207.       int s = GSL_ODEIV_FN_EVAL (sys, t, y, k1);
  208.       GSL_STATUS_UPDATE (&status, s);
  209.     }
  210.  
  211.   for (i = 0; i < dim; i++)
  212.     ytmp[i] = y[i] + b21 * h * k1[i];
  213.  
  214.   /* k2 step */
  215.   {
  216.     int s = GSL_ODEIV_FN_EVAL (sys, t + ah[0] * h, ytmp, k2);
  217.     GSL_STATUS_UPDATE (&status, s);
  218.   }
  219.   for (i = 0; i < dim; i++)
  220.     ytmp[i] = y[i] + h * (b3[0] * k1[i] + b3[1] * k2[i]);
  221.  
  222.   /* k3 step */
  223.   {
  224.     int s = GSL_ODEIV_FN_EVAL (sys, t + ah[1] * h, ytmp, k3);
  225.     GSL_STATUS_UPDATE (&status, s);
  226.   }
  227.   for (i = 0; i < dim; i++)
  228.     ytmp[i] = y[i] + h * (b4[0] * k1[i] + b4[1] * k2[i] + b4[2] * k3[i]);
  229.  
  230.   /* k4 step */
  231.   {
  232.     int s = GSL_ODEIV_FN_EVAL (sys, t + ah[2] * h, ytmp, k4);
  233.     GSL_STATUS_UPDATE (&status, s);
  234.   }
  235.   for (i = 0; i < dim; i++)
  236.     ytmp[i] =
  237.       y[i] + h * (b5[0] * k1[i] + b5[1] * k2[i] + b5[2] * k3[i] +
  238.           b5[3] * k4[i]);
  239.  
  240.   /* k5 step */
  241.   {
  242.     int s = GSL_ODEIV_FN_EVAL (sys, t + ah[3] * h, ytmp, k5);
  243.     GSL_STATUS_UPDATE (&status, s);
  244.   }
  245.   for (i = 0; i < dim; i++)
  246.     ytmp[i] =
  247.       y[i] + h * (b6[0] * k1[i] + b6[1] * k2[i] + b6[2] * k3[i] +
  248.           b6[3] * k4[i] + b6[4] * k5[i]);
  249.  
  250.   /* k6 step and final sum */
  251.   {
  252.     int s = GSL_ODEIV_FN_EVAL (sys, t + ah[4] * h, ytmp, k6);
  253.     GSL_STATUS_UPDATE (&status, s);
  254.   }
  255.  
  256.   for (i = 0; i < dim; i++)
  257.     {
  258.       const double d_i = c1 * k1[i] + c3 * k3[i] + c4 * k4[i] + c6 * k6[i];
  259.       y[i] += h * d_i;
  260.       if (dydt_out != NULL)
  261.     dydt_out[i] = d_i;
  262.     }
  263.  
  264.   /* difference between 4th and 5th order */
  265.   for (i = 0; i < dim; i++)
  266.     yerr[i] =
  267.       h * (ec[1] * k1[i] + ec[3] * k3[i] + ec[4] * k4[i] + ec[5] * k5[i] +
  268.        ec[6] * k6[i]);
  269.  
  270.   return status;
  271. }
  272.  
  273.  
  274. static int
  275. rkck_reset (void *vstate, size_t dim)
  276. {
  277.   rkck_state_t *state = (rkck_state_t *) vstate;
  278.  
  279.   DBL_ZERO_MEMSET (state->k1, dim);
  280.   DBL_ZERO_MEMSET (state->k2, dim);
  281.   DBL_ZERO_MEMSET (state->k3, dim);
  282.   DBL_ZERO_MEMSET (state->k4, dim);
  283.   DBL_ZERO_MEMSET (state->k5, dim);
  284.   DBL_ZERO_MEMSET (state->k6, dim);
  285.   DBL_ZERO_MEMSET (state->ytmp, dim);
  286.  
  287.   return GSL_SUCCESS;
  288. }
  289.  
  290. static unsigned int
  291. rkck_order (void *vstate)
  292. {
  293.   rkck_state_t *state = (rkck_state_t *) vstate;
  294.   state = 0; /* prevent warnings about unused parameters */
  295.   return 5;
  296. }
  297.  
  298. static void
  299. rkck_free (void *vstate)
  300. {
  301.   rkck_state_t *state = (rkck_state_t *) vstate;
  302.  
  303.   free (state->ytmp);
  304.   free (state->y0);
  305.   free (state->k6);
  306.   free (state->k5);
  307.   free (state->k4);
  308.   free (state->k3);
  309.   free (state->k2);
  310.   free (state->k1);
  311.   free (state);
  312. }
  313.  
  314. static const gsl_odeiv_step_type rkck_type = { "rkck",    /* name */
  315.   1,                /* can use dydt_in */
  316.   0,                /* gives exact dydt_out */
  317.   &rkck_alloc,
  318.   &rkck_apply,
  319.   &rkck_reset,
  320.   &rkck_order,
  321.   &rkck_free
  322. };
  323.  
  324. const gsl_odeiv_step_type *gsl_odeiv_step_rkck = &rkck_type;
  325.