Minimum, messy code
This commit is contained in:
parent
cc6a6e4a9e
commit
54de6d68b1
@ -12,21 +12,34 @@
|
|||||||
#ifndef __WAVE_SIMULATION__
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#ifndef __WAVE_SIMULATION__
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#define __WAVE_SIMULATION__
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#define __WAVE_SIMULATION__
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#include "constants.hpp"
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#include "literals.hpp"
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#include <armadillo>
|
#include <armadillo>
|
||||||
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#include <cstdint>
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||||||
class WaveSimulation {
|
class WaveSimulation {
|
||||||
protected:
|
protected:
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int M;
|
uint32_t M;
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arma::cx_mat U;
|
arma::sp_cx_mat B;
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arma::cx_mat V;
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arma::cx_mat A;
|
|
||||||
arma::cx_mat B;
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double h;
|
double h;
|
||||||
double dt;
|
double dt;
|
||||||
|
double T;
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||||||
public:
|
public:
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virtual void solve() = 0;
|
int32_t N;
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void build_A(arma::cx_vec A_vec);
|
arma::cx_mat V;
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||||||
void build_B(arma::cx_vec B_vec);
|
arma::cx_mat U;
|
||||||
|
arma::sp_cx_mat A;
|
||||||
|
WaveSimulation(double h, double dt, double T);
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virtual void solve(std::ofstream& ofile);
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void build_A();
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|
void build_B();
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void initialize_U(double x_c, double y_c, double sigma_x, double sigma_y,
|
||||||
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double p_x, double p_y);
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|
void write_U(std::ofstream &ofile);
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void step();
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||||||
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void build_V(double thickness, double pos_x, double aperture_sparation, double aperture, uint32_t slits);
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};
|
};
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||||||
|
|
||||||
#endif
|
#endif
|
||||||
|
|||||||
17
include/constants.hpp
Normal file
17
include/constants.hpp
Normal file
@ -0,0 +1,17 @@
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|
/** @file constants.hpp
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||||||
|
*
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||||||
|
* @author Cory Alexander Balaton (coryab)
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|
* @author Janita Ovidie Sandtrøen Willumsen (janitaws)
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|
*
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* @version 1.0
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*
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* @brief Library of constants
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*
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* @bug No known bugs
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* */
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#ifndef __CONST__
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#define __CONST__
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#define I std::complex<double>{0., 1.}
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||||||
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|
||||||
|
#endif
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||||||
19
include/literals.hpp
Normal file
19
include/literals.hpp
Normal file
@ -0,0 +1,19 @@
|
|||||||
|
/** @file literals.hpp
|
||||||
|
*
|
||||||
|
* @author Cory Alexander Balaton (coryab)
|
||||||
|
* @author Janita Ovidie Sandtrøen Willumsen (janitaws)
|
||||||
|
*
|
||||||
|
* @version 1.0
|
||||||
|
*
|
||||||
|
* @brief Useful literals
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||||||
|
*
|
||||||
|
* @bug No known bugs
|
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|
* */
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||||||
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#ifndef __LITERALS__
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#define __LITERALS__
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#include <complex>
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||||||
|
std::complex<double> operator ""_i(long double magnitude);
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||||||
|
|
||||||
|
#endif
|
||||||
@ -118,9 +118,9 @@ std::string dirname(const std::string &path);
|
|||||||
* directory separator (/) between them.
|
* directory separator (/) between them.
|
||||||
*
|
*
|
||||||
* @details This function doesn't care whether or not the values given as
|
* @details This function doesn't care whether or not the values given as
|
||||||
* parameters are valid path strings. It is the responsibility of the user to make
|
* parameters are valid path strings. It is the responsibility of the user to
|
||||||
* sure that the values given are valid path strings.
|
* make sure that the values given are valid path strings. The function only
|
||||||
* The function only guarantees that the output string is a valid path string.
|
* guarantees that the output string is a valid path string.
|
||||||
*
|
*
|
||||||
* @param left The left hand side of the result string
|
* @param left The left hand side of the result string
|
||||||
* @param right The right hand side of the result string
|
* @param right The right hand side of the result string
|
||||||
@ -129,6 +129,8 @@ std::string dirname(const std::string &path);
|
|||||||
* */
|
* */
|
||||||
std::string concatpath(const std::string &left, const std::string &right);
|
std::string concatpath(const std::string &left, const std::string &right);
|
||||||
|
|
||||||
|
// A function that prints the structure of a sparse matrix to screen.
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||||||
|
void print_sp_matrix_structure(const arma::sp_cx_mat &A);
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} // namespace utils
|
} // namespace utils
|
||||||
|
|
||||||
#endif
|
#endif
|
||||||
|
|||||||
@ -0,0 +1,180 @@
|
|||||||
|
/** @file WaveSimulation.cpp
|
||||||
|
*
|
||||||
|
* @author Cory Alexander Balaton (coryab)
|
||||||
|
* @author Janita Ovidie Sandtrøen Willumsen (janitaws)
|
||||||
|
*
|
||||||
|
* @version 0.1
|
||||||
|
*
|
||||||
|
* @brief Implementation of the WaveSimulation class.
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||||||
|
*
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||||||
|
* @bug No known bugs
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||||||
|
* */
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||||||
|
#include "WaveSimulation.hpp"
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||||||
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||||||
|
#include "utils.hpp"
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|
#include <cmath>
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#include <complex>
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#include <cstdint>
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#include <cstdlib>
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|
WaveSimulation::WaveSimulation(double h, double dt, double T)
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|
{
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||||||
|
this->dt = dt;
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||||||
|
this->h = h;
|
||||||
|
this->T = T;
|
||||||
|
this->M = 1. / h;
|
||||||
|
this->N = M - 2;
|
||||||
|
this->V.set_size(this->N, this->N);
|
||||||
|
this->V.fill(0.);
|
||||||
|
this->U.set_size(this->N, this->N);
|
||||||
|
this->U.fill(0.);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
void WaveSimulation::solve(std::ofstream &ofile)
|
||||||
|
{
|
||||||
|
ofile << this->N << '\n';
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||||||
|
uint32_t iterations = this->T / this->dt;
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||||||
|
for (size_t i = 0; i < iterations; i++) {
|
||||||
|
this->write_U(ofile);
|
||||||
|
this->step();
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
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||||||
|
|
||||||
|
void WaveSimulation::step()
|
||||||
|
{
|
||||||
|
DEBUG("Inside step");
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||||||
|
arma::cx_vec tmp = this->B * this->U.as_col();
|
||||||
|
arma::spsolve(this->U, this->A, tmp);
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||||||
|
}
|
||||||
|
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||||||
|
void WaveSimulation::build_A()
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||||||
|
{
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||||||
|
// Create the diagonal
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arma::cx_vec diagonal(this->N * this->N);
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||||||
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||||||
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// Set diagonal values
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|
std::complex<double> r = (1._i * this->dt) / (2 * h * h);
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||||||
|
for (size_t i = 0; i < diagonal.size(); i++) {
|
||||||
|
diagonal(i) = 1. + 4. * r + (1._i * this->dt / 2.) * this->V(i);
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||||||
|
}
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||||||
|
|
||||||
|
// Create the submatrix
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||||||
|
arma::cx_mat sub_matrix(this->N, this->N, arma::fill::zeros);
|
||||||
|
sub_matrix.diag(-1).fill(-r);
|
||||||
|
sub_matrix.diag(1).fill(-r);
|
||||||
|
|
||||||
|
// Set the size of A
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||||||
|
this->A.set_size(this->N * this->N, this->N * this->N);
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||||||
|
|
||||||
|
// Fill in the values in the submatrix diagonal
|
||||||
|
for (size_t i = 0; i < this->A.n_cols; i += this->N) {
|
||||||
|
this->A.submat(i, i, i + this->N - 1, i + this->N - 1) = sub_matrix;
|
||||||
|
}
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||||||
|
|
||||||
|
// Fill the last sub/sup-diagonals
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||||||
|
this->A.diag() = diagonal;
|
||||||
|
this->A.diag(-this->N).fill(-r);
|
||||||
|
this->A.diag(this->N).fill(-r);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
void WaveSimulation::build_B()
|
||||||
|
{
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||||||
|
std::complex<double> r = (1._i * this->dt) / (2 * h * h);
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||||||
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||||||
|
// Create the diagonal
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||||||
|
arma::cx_vec diagonal(this->N * this->N);
|
||||||
|
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||||||
|
for (size_t i = 0; i < diagonal.size(); i++) {
|
||||||
|
diagonal(i) = 1. - 4. * r - (1._i * this->dt / 2.) * this->V(i);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
// Create the submatrix
|
||||||
|
arma::cx_mat sub_matrix(this->N, this->N, arma::fill::zeros);
|
||||||
|
sub_matrix.diag(-1).fill(r);
|
||||||
|
sub_matrix.diag(1).fill(r);
|
||||||
|
|
||||||
|
// Set the size of B
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||||||
|
this->B.set_size(this->N * this->N, this->N * this->N);
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||||||
|
|
||||||
|
// Fill in the values in the submatrix diagonal
|
||||||
|
for (size_t i = 0; i < this->B.n_cols; i += this->N) {
|
||||||
|
this->B.submat(i, i, i + this->N - 1, i + this->N - 1) = sub_matrix;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
// Fill the last sub/sup-diagonals
|
||||||
|
this->B.diag() = diagonal;
|
||||||
|
this->B.diag(-this->N).fill(r);
|
||||||
|
this->B.diag(this->N).fill(r);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
void WaveSimulation::initialize_U(double x_c, double y_c, double sigma_x,
|
||||||
|
double sigma_y, double p_x, double p_y)
|
||||||
|
{
|
||||||
|
double x, y, diff_x, diff_y;
|
||||||
|
std::complex<double> sum = 0.;
|
||||||
|
for (size_t j = 0; j < this->U.n_cols; j++) {
|
||||||
|
x = j * h;
|
||||||
|
diff_x = x - x_c;
|
||||||
|
for (size_t i = 0; i < this->U.n_rows; i++) {
|
||||||
|
y = i * h;
|
||||||
|
diff_y = y - y_c;
|
||||||
|
this->U(i, j) =
|
||||||
|
std::exp(-(diff_x * diff_x) / (2. * sigma_x * sigma_x)
|
||||||
|
- (diff_y * diff_y) / (2. * sigma_y * sigma_y)
|
||||||
|
+ p_x * x * 1._i + p_y * y * 1._i);
|
||||||
|
sum += this->U(i, j) * std::conj(this->U(i, j));
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
if (std::abs(sum.imag()) > 1e-7) {
|
||||||
|
abort();
|
||||||
|
}
|
||||||
|
double norm = 1. / std::sqrt(sum.real());
|
||||||
|
|
||||||
|
this->U.for_each([norm](std::complex<double> &el) { el *= norm; });
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
void WaveSimulation::write_U(std::ofstream &ofile)
|
||||||
|
{
|
||||||
|
this->U.for_each(
|
||||||
|
[&ofile](std::complex<double> el) { ofile << el << '\t'; });
|
||||||
|
ofile << '\n';
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
void WaveSimulation::build_V(double thickness, double pos_x,
|
||||||
|
double aperture_separation, double aperture,
|
||||||
|
uint32_t slits)
|
||||||
|
{
|
||||||
|
uint32_t mid_y = this->N / 2 - (this->N % 2 == 0);
|
||||||
|
arma::cx_vec res;
|
||||||
|
|
||||||
|
if (slits % 2 == 0) {
|
||||||
|
res = arma::cx_vec(aperture_separation/this->h,arma::fill::value(1e10));
|
||||||
|
for (size_t i=0; i < slits; i+=2) {
|
||||||
|
res = arma::join_cols(res, arma::cx_vec(aperture/this->h,arma::fill::zeros));
|
||||||
|
res = arma::join_cols(arma::cx_vec(aperture/this->h,arma::fill::zeros), res);
|
||||||
|
res = arma::join_cols(res, arma::cx_vec(aperture_separation/this->h,arma::fill::value(1e10)));
|
||||||
|
res = arma::join_cols(arma::cx_vec(aperture_separation/this->h,arma::fill::value(1e10)), res);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
else {
|
||||||
|
res = arma::cx_vec(aperture/this->h,arma::fill::value(0));
|
||||||
|
for (size_t i=0; i < slits-1; i+=2) {
|
||||||
|
res = arma::join_cols(res, arma::cx_vec(aperture_separation/this->h,arma::fill::value(1e10)));
|
||||||
|
res = arma::join_cols(arma::cx_vec(aperture_separation/this->h,arma::fill::value(1e10)), res);
|
||||||
|
res = arma::join_cols(res, arma::cx_vec(aperture/this->h,arma::fill::zeros));
|
||||||
|
res = arma::join_cols(arma::cx_vec(aperture/this->h,arma::fill::zeros), res);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
if (res.size() > this->N) {
|
||||||
|
abort();
|
||||||
|
}
|
||||||
|
uint32_t fill = (this->N - res.size()) / 2;
|
||||||
|
res = arma::join_cols(arma::cx_vec(fill, arma::fill::value(1e10)), res);
|
||||||
|
res = arma::join_cols(res, arma::cx_vec(fill + ((this->N - res.size()) % 2), arma::fill::value(1e10)));
|
||||||
|
|
||||||
|
uint32_t start = pos_x/this->h - thickness/this->h/2;
|
||||||
|
for (size_t i=0; i < thickness/this->h; i++) {
|
||||||
|
this->V.col(start+i) = res;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
17
lib/literals.cpp
Normal file
17
lib/literals.cpp
Normal file
@ -0,0 +1,17 @@
|
|||||||
|
/** @file literals.cpp
|
||||||
|
*
|
||||||
|
* @author Cory Alexander Balaton (coryab)
|
||||||
|
* @author Janita Ovidie Sandtrøen Willumsen (janitaws)
|
||||||
|
*
|
||||||
|
* @version 1.0
|
||||||
|
*
|
||||||
|
* @brief The implementation of the literals.
|
||||||
|
*
|
||||||
|
* @bug No known bugs
|
||||||
|
* */
|
||||||
|
#include "literals.hpp"
|
||||||
|
|
||||||
|
std::complex<double> operator""_i(long double magnitude)
|
||||||
|
{
|
||||||
|
return std::complex<double>(0.,magnitude);
|
||||||
|
}
|
||||||
@ -70,4 +70,47 @@ std::string concatpath(const std::string &left, const std::string &right)
|
|||||||
}
|
}
|
||||||
}
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
void print_sp_matrix_structure(const arma::sp_cx_mat &A)
|
||||||
|
{
|
||||||
|
using namespace std;
|
||||||
|
using namespace arma;
|
||||||
|
|
||||||
|
// Declare a C-style 2D array of strings.
|
||||||
|
string S[A.n_rows][A.n_cols];
|
||||||
|
|
||||||
|
// Initialise all the strings to " ".
|
||||||
|
for (int i = 0; i < A.n_rows; i++) {
|
||||||
|
for (int j = 0; j < A.n_cols; j++) {
|
||||||
|
S[i][j] = " ";
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
// Next, we want to set the string to a dot at each non-zero element.
|
||||||
|
// To do this we use the special loop iterator from the sp_cx_mat class
|
||||||
|
// to help us loop over only the non-zero matrix elements.
|
||||||
|
sp_cx_mat::const_iterator it = A.begin();
|
||||||
|
sp_cx_mat::const_iterator it_end = A.end();
|
||||||
|
|
||||||
|
int nnz = 0;
|
||||||
|
for (; it != it_end; ++it) {
|
||||||
|
S[it.row()][it.col()] = "•";
|
||||||
|
nnz++;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
// Finally, print the matrix to screen.
|
||||||
|
cout << endl;
|
||||||
|
for (int i = 0; i < A.n_rows; i++) {
|
||||||
|
cout << "| ";
|
||||||
|
for (int j = 0; j < A.n_cols; j++) {
|
||||||
|
cout << S[i][j] << " ";
|
||||||
|
}
|
||||||
|
cout << "|\n";
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
cout << endl;
|
||||||
|
cout << "matrix size: " << A.n_rows << "x" << A.n_cols << endl;
|
||||||
|
cout << "non-zero elements: " << nnz << endl;
|
||||||
|
cout << endl;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
} // namespace utils
|
} // namespace utils
|
||||||
|
|||||||
120
src/main.cpp
120
src/main.cpp
@ -0,0 +1,120 @@
|
|||||||
|
/** @file main.cpp
|
||||||
|
*
|
||||||
|
* @author Cory Alexander Balaton (coryab)
|
||||||
|
* @author Janita Ovidie Sandtrøen Willumsen (janitaws)
|
||||||
|
*
|
||||||
|
* @version 1.0
|
||||||
|
*
|
||||||
|
* @brief Implementation of the testing library
|
||||||
|
*
|
||||||
|
* @bug No known bugs
|
||||||
|
* */
|
||||||
|
#include "WaveSimulation.hpp"
|
||||||
|
#include "utils.hpp"
|
||||||
|
|
||||||
|
void probability_deviation()
|
||||||
|
{
|
||||||
|
WaveSimulation sim_narrow(.005, 2.5e-5, .008);
|
||||||
|
sim_narrow.initialize_U(.25, .5, .05, .05, 200., 0.);
|
||||||
|
sim_narrow.build_A();
|
||||||
|
sim_narrow.build_B();
|
||||||
|
|
||||||
|
WaveSimulation sim_wide(.005, 2.5e-5, .008);
|
||||||
|
sim_wide.build_V(.02, .5, .05, .05, 2);
|
||||||
|
sim_wide.initialize_U(.25, .5, .05, .10, 200., 0.);
|
||||||
|
sim_wide.build_A();
|
||||||
|
sim_wide.build_B();
|
||||||
|
|
||||||
|
std::ofstream ofile;
|
||||||
|
utils::mkpath("data");
|
||||||
|
ofile.open("data/probability_deviation.txt");
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||||||
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||||||
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double sum_narrow, sum_wide;
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||||||
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||||||
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for (size_t i = 0; i < 320; i++) {
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||||||
|
sum_narrow = 0;
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||||||
|
sum_wide = 0;
|
||||||
|
for (size_t j = 0; j < sim_narrow.U.n_elem; j++) {
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||||||
|
sum_narrow += (sim_narrow.U(j) * std::conj(sim_narrow.U(j))).real();
|
||||||
|
sum_wide += (sim_wide.U(j) * std::conj(sim_wide.U(j))).real();
|
||||||
|
}
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||||||
|
|
||||||
|
sim_narrow.step();
|
||||||
|
sim_wide.step();
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||||||
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ofile << i << ',' << sum_narrow << ',' << sum_wide << '\n';
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||||||
|
}
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||||||
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|
||||||
|
ofile.close();
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||||||
|
}
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||||||
|
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void color_map()
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|
{
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||||||
|
WaveSimulation sim(.005, 2.5e-5, .008);
|
||||||
|
sim.build_V(.02, .5, .05, .05, 2);
|
||||||
|
sim.initialize_U(.25, .5, .05, .10, 200., 0.);
|
||||||
|
sim.build_A();
|
||||||
|
sim.build_B();
|
||||||
|
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||||||
|
std::ofstream ofile;
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|
ofile.open("data/color_map.txt");
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||||||
|
ofile << sim.N << '\n';
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||||||
|
sim.write_U(ofile);
|
||||||
|
for (size_t i = 0; i < 40; i++) {
|
||||||
|
sim.step();
|
||||||
|
}
|
||||||
|
sim.write_U(ofile);
|
||||||
|
for (size_t i = 0; i < 40; i++) {
|
||||||
|
sim.step();
|
||||||
|
}
|
||||||
|
sim.write_U(ofile);
|
||||||
|
ofile.close();
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
void detector_screen()
|
||||||
|
{
|
||||||
|
WaveSimulation sim(.005, 2.5e-5, .008);
|
||||||
|
sim.build_V(.02, .5, .05, .05, 1);
|
||||||
|
sim.initialize_U(.25, .5, .05, .10, 200., 0.);
|
||||||
|
sim.build_A();
|
||||||
|
sim.build_B();
|
||||||
|
|
||||||
|
std::ofstream ofile;
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||||||
|
ofile.open("data/screen/single_slit.txt");
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||||||
|
ofile << sim.N << '\n';
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||||||
|
for (size_t i = 0; i < 80; i++) {
|
||||||
|
sim.step();
|
||||||
|
}
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||||||
|
sim.write_U(ofile);
|
||||||
|
ofile.close();
|
||||||
|
|
||||||
|
sim.build_V(.02, .5, .05, .05, 2);
|
||||||
|
sim.initialize_U(.25, .5, .05, .10, 200., 0.);
|
||||||
|
|
||||||
|
ofile.open("data/screen/double_slit.txt");
|
||||||
|
ofile << sim.N << '\n';
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||||||
|
for (size_t i = 0; i < 80; i++) {
|
||||||
|
sim.step();
|
||||||
|
}
|
||||||
|
sim.write_U(ofile);
|
||||||
|
ofile.close();
|
||||||
|
|
||||||
|
sim.build_V(.02, .5, .05, .05, 3);
|
||||||
|
sim.initialize_U(.25, .5, .05, .10, 200., 0.);
|
||||||
|
|
||||||
|
ofile.open("data/screen/triple_slit.txt");
|
||||||
|
ofile << sim.N << '\n';
|
||||||
|
for (size_t i = 0; i < 80; i++) {
|
||||||
|
sim.step();
|
||||||
|
}
|
||||||
|
sim.write_U(ofile);
|
||||||
|
ofile.close();
|
||||||
|
}
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||||||
|
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|
int main()
|
||||||
|
{
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|
probability_deviation();
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||||||
|
color_map();
|
||||||
|
detector_screen();
|
||||||
|
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||||||
|
return 0;
|
||||||
|
}
|
||||||
@ -0,0 +1,4 @@
|
|||||||
|
int main()
|
||||||
|
{
|
||||||
|
return 0;
|
||||||
|
}
|
||||||
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