| [221] | 1 | #ifndef BZ_ARRAYSTENCILOPS_H
 | 
|---|
 | 2 | #define BZ_ARRAYSTENCILOPS_H
 | 
|---|
 | 3 | 
 | 
|---|
 | 4 | // NEEDS_WORK: need to factor many of the stencils in terms of the
 | 
|---|
 | 5 | // integer constants, e.g. 16*(A(-1,0)+A(0,-1)+A(0,1)+A(1,0))
 | 
|---|
 | 6 | 
 | 
|---|
 | 7 | #ifndef BZ_ARRAYSTENCIL_H
 | 
|---|
 | 8 |  #error <blitz/array/stencilops.h> must be included via <blitz/array/stencil.h>
 | 
|---|
 | 9 | #endif
 | 
|---|
 | 10 | 
 | 
|---|
 | 11 | #ifndef BZ_GEOMETRY_H
 | 
|---|
 | 12 |  #include <blitz/array/geometry.h>
 | 
|---|
 | 13 | #endif
 | 
|---|
 | 14 | 
 | 
|---|
 | 15 | #ifndef BZ_TINYMAT_H
 | 
|---|
 | 16 |  #include <blitz/tinymat.h>
 | 
|---|
 | 17 | #endif
 | 
|---|
 | 18 | 
 | 
|---|
 | 19 | BZ_NAMESPACE(blitz)
 | 
|---|
 | 20 | 
 | 
|---|
 | 21 | #define BZ_DECLARE_STENCIL_OPERATOR1(name,A)     \
 | 
|---|
 | 22 |   template<class T>                              \
 | 
|---|
 | 23 |   inline _bz_typename T::T_numtype name(T& A)    \
 | 
|---|
 | 24 |   {
 | 
|---|
 | 25 | 
 | 
|---|
 | 26 | #define BZ_END_STENCIL_OPERATOR   }
 | 
|---|
 | 27 | 
 | 
|---|
 | 28 | #define BZ_DECLARE_STENCIL_OPERATOR3(name,A,B,C) \
 | 
|---|
 | 29 |   template<class T>                              \
 | 
|---|
 | 30 |   inline _bz_typename T::T_numtype name(T& A, T& B, T& C)    \
 | 
|---|
 | 31 |   {
 | 
|---|
 | 32 | 
 | 
|---|
 | 33 | // These constants are accurate to 45 decimal places = 149 bits of mantissa
 | 
|---|
 | 34 | const double recip_2 = .500000000000000000000000000000000000000000000;
 | 
|---|
 | 35 | const double recip_4 = .250000000000000000000000000000000000000000000;
 | 
|---|
 | 36 | const double recip_6 = .166666666666666666666666666666666666666666667;
 | 
|---|
 | 37 | const double recip_8 = .125000000000000000000000000000000000000000000;
 | 
|---|
 | 38 | const double recip_12 = .0833333333333333333333333333333333333333333333;
 | 
|---|
 | 39 | const double recip_144 = .00694444444444444444444444444444444444444444444;
 | 
|---|
 | 40 | 
 | 
|---|
 | 41 | /****************************************************************************
 | 
|---|
 | 42 |  * Laplacian Operators
 | 
|---|
 | 43 |  ****************************************************************************/
 | 
|---|
 | 44 | 
 | 
|---|
 | 45 | BZ_DECLARE_STENCIL_OPERATOR1(Laplacian2D, A)
 | 
|---|
 | 46 |     return -4*A(0,0) + A(-1,0) + A(1,0) + A(0,-1) + A(0,1);
 | 
|---|
 | 47 | BZ_END_STENCIL_OPERATOR
 | 
|---|
 | 48 | 
 | 
|---|
 | 49 | BZ_DECLARE_STENCIL_OPERATOR1(Laplacian3D, A)
 | 
|---|
 | 50 |     return -6*A(0,0,0) + A(-1,0,0) + A(1,0,0) + A(0,-1,0) + A(0,1,0)
 | 
|---|
 | 51 |         + A(0,0,-1) + A(0,0,1);
 | 
|---|
 | 52 | BZ_END_STENCIL_OPERATOR
 | 
|---|
 | 53 | 
 | 
|---|
 | 54 | BZ_DECLARE_STENCIL_OPERATOR1(Laplacian2D4, A)
 | 
|---|
 | 55 |     return -1*A(-2,0) + 16*A(-1,0) -A(0,-2) + 16*A(0,-1) -60*A(0,0)
 | 
|---|
 | 56 |       +16*A(0,1) -A(0,2) + 16*A(1,0) - A(2,0);
 | 
|---|
 | 57 | BZ_END_STENCIL_OPERATOR
 | 
|---|
 | 58 | 
 | 
|---|
 | 59 | BZ_DECLARE_STENCIL_OPERATOR1(Laplacian2D4n, A)
 | 
|---|
 | 60 |     return Laplacian2D4(A) * recip_12;
 | 
|---|
 | 61 | BZ_END_STENCIL_OPERATOR
 | 
|---|
 | 62 | 
 | 
|---|
 | 63 | BZ_DECLARE_STENCIL_OPERATOR1(Laplacian3D4, A)
 | 
|---|
 | 64 |     return -1*A(-2,0,0) + 16*A(-1,0,0) -A(0,-2,0) + 16*A(0,-1,0) -90*A
 | 
|---|
 | 65 |       +16*A(0,1,0) -A(0,2,0) + 16*A(1,0,0) - A(2,0,0)
 | 
|---|
 | 66 |       - A(0,0,-2) + 16*A(0,0,-1) + 16*A(0,0,1) - A(0,0,2);
 | 
|---|
 | 67 | BZ_END_STENCIL_OPERATOR
 | 
|---|
 | 68 | 
 | 
|---|
 | 69 | BZ_DECLARE_STENCIL_OPERATOR1(Laplacian3D4n, A)
 | 
|---|
 | 70 |     return Laplacian3D4(A) * recip_12;
 | 
|---|
 | 71 | BZ_END_STENCIL_OPERATOR
 | 
|---|
 | 72 | 
 | 
|---|
 | 73 | /****************************************************************************
 | 
|---|
 | 74 |  * Derivatives
 | 
|---|
 | 75 |  ****************************************************************************/
 | 
|---|
 | 76 | 
 | 
|---|
 | 77 | #define BZ_DECLARE_DIFF(name)  \
 | 
|---|
 | 78 |   template<class T> \
 | 
|---|
 | 79 |   inline _bz_typename T::T_numtype name(T& A, int dim = firstDim)
 | 
|---|
 | 80 | 
 | 
|---|
 | 81 | #define BZ_DECLARE_MULTIDIFF(name) \
 | 
|---|
 | 82 |   template<class T> \
 | 
|---|
 | 83 |   inline _bz_typename multicomponent_traits<_bz_typename     \
 | 
|---|
 | 84 |      T::T_numtype>::T_element name(T& A, int comp, int dim)
 | 
|---|
 | 85 | 
 | 
|---|
 | 86 | /****************************************************************************
 | 
|---|
 | 87 |  * Central differences with accuracy O(h^2)
 | 
|---|
 | 88 |  ****************************************************************************/
 | 
|---|
 | 89 | 
 | 
|---|
 | 90 | BZ_DECLARE_DIFF(central12) {
 | 
|---|
 | 91 |   return A.shift(1,dim) - A.shift(-1,dim);
 | 
|---|
 | 92 | }
 | 
|---|
 | 93 | 
 | 
|---|
 | 94 | BZ_DECLARE_DIFF(central22) {
 | 
|---|
 | 95 |   return A.shift(-1,dim) - 2 * A + A.shift(+1,dim);
 | 
|---|
 | 96 | }
 | 
|---|
 | 97 | 
 | 
|---|
 | 98 | BZ_DECLARE_DIFF(central32) {
 | 
|---|
 | 99 |   return -A.shift(-2,dim) + 2*A.shift(-1,dim) -2*A.shift(+1,dim) + A.shift(+2,dim);
 | 
|---|
 | 100 | }
 | 
|---|
 | 101 | 
 | 
|---|
 | 102 | BZ_DECLARE_DIFF(central42) {
 | 
|---|
 | 103 |   return A.shift(-2,dim) -4*A.shift(-1,dim) +6*A.shift(0,dim) -4*A.shift(1,dim)
 | 
|---|
 | 104 |     +A.shift(2,dim);
 | 
|---|
 | 105 | }
 | 
|---|
 | 106 | 
 | 
|---|
 | 107 | /****************************************************************************
 | 
|---|
 | 108 |  * Central differences with accuracy O(h^2)  (multicomponent versions)
 | 
|---|
 | 109 |  ****************************************************************************/
 | 
|---|
 | 110 | 
 | 
|---|
 | 111 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(central12) {
 | 
|---|
 | 112 |   return A.shift(1,dim)[comp] - A.shift(-1,dim)[comp];
 | 
|---|
 | 113 | }
 | 
|---|
 | 114 | 
 | 
|---|
 | 115 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(central22) {
 | 
|---|
 | 116 |   return A.shift(-1,dim)[comp] - 2 * (*A)[comp] + A.shift(+1,dim)[comp];
 | 
|---|
 | 117 | }
 | 
|---|
 | 118 | 
 | 
|---|
 | 119 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(central32) {
 | 
|---|
 | 120 |   return -A.shift(-2,dim)[comp] + 2*A.shift(-1,dim)[comp] 
 | 
|---|
 | 121 |     -2*A.shift(+1,dim)[comp] + A.shift(+2,dim)[comp];
 | 
|---|
 | 122 | }
 | 
|---|
 | 123 | 
 | 
|---|
 | 124 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(central42) {
 | 
|---|
 | 125 |   return A.shift(-2,dim)[comp] -4*A.shift(-1,dim)[comp] 
 | 
|---|
 | 126 |     +6*A.shift(0,dim)[comp] -4*A.shift(1,dim)[comp] +A.shift(2,dim)[comp];
 | 
|---|
 | 127 | }
 | 
|---|
 | 128 | 
 | 
|---|
 | 129 | /****************************************************************************
 | 
|---|
 | 130 |  * Central differences with accuracy O(h^2)  (normalized versions)
 | 
|---|
 | 131 |  ****************************************************************************/
 | 
|---|
 | 132 | 
 | 
|---|
 | 133 | BZ_DECLARE_DIFF(central12n) {
 | 
|---|
 | 134 |   return central12(A,dim) * recip_2;
 | 
|---|
 | 135 | }
 | 
|---|
 | 136 | 
 | 
|---|
 | 137 | BZ_DECLARE_DIFF(central22n) {
 | 
|---|
 | 138 |   return central22(A,dim);
 | 
|---|
 | 139 | }
 | 
|---|
 | 140 | 
 | 
|---|
 | 141 | BZ_DECLARE_DIFF(central32n) {
 | 
|---|
 | 142 |   return central32(A,dim) * recip_2;
 | 
|---|
 | 143 | }
 | 
|---|
 | 144 | 
 | 
|---|
 | 145 | BZ_DECLARE_DIFF(central42n) {
 | 
|---|
 | 146 |   return central42(A,dim);
 | 
|---|
 | 147 | }
 | 
|---|
 | 148 | 
 | 
|---|
 | 149 | /****************************************************************************
 | 
|---|
 | 150 |  * Central differences with accuracy O(h^2)  (normalized multicomponent)
 | 
|---|
 | 151 |  ****************************************************************************/
 | 
|---|
 | 152 | 
 | 
|---|
 | 153 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(central12n) {
 | 
|---|
 | 154 |   return central12(A,comp,dim) * recip_2;
 | 
|---|
 | 155 | }
 | 
|---|
 | 156 | 
 | 
|---|
 | 157 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(central22n) {
 | 
|---|
 | 158 |   return central22(A,comp,dim);
 | 
|---|
 | 159 | }
 | 
|---|
 | 160 | 
 | 
|---|
 | 161 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(central32n) {
 | 
|---|
 | 162 |   return central32(A,comp,dim) * recip_2;
 | 
|---|
 | 163 | }
 | 
|---|
 | 164 | 
 | 
|---|
 | 165 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(central42n) {
 | 
|---|
 | 166 |   return central42(A,comp,dim);
 | 
|---|
 | 167 | }
 | 
|---|
 | 168 | 
 | 
|---|
 | 169 | /****************************************************************************
 | 
|---|
 | 170 |  * Central differences with accuracy O(h^4)  
 | 
|---|
 | 171 |  ****************************************************************************/
 | 
|---|
 | 172 | 
 | 
|---|
 | 173 | BZ_DECLARE_DIFF(central14) {
 | 
|---|
 | 174 |   return (A.shift(-2,dim) - A.shift(2,dim)) 
 | 
|---|
 | 175 |      + 8*(A.shift(1,dim)-A.shift(-1,dim));
 | 
|---|
 | 176 | }
 | 
|---|
 | 177 | 
 | 
|---|
 | 178 | BZ_DECLARE_DIFF(central24) {
 | 
|---|
 | 179 |   return -30*A + 16*(A.shift(-1,dim)+A.shift(1,dim))
 | 
|---|
 | 180 |     - (A.shift(-2,dim)+A.shift(2,dim));
 | 
|---|
 | 181 | }
 | 
|---|
 | 182 | 
 | 
|---|
 | 183 | BZ_DECLARE_DIFF(central34) {
 | 
|---|
 | 184 |   return A.shift(-3,dim) - 8*A.shift(-2,dim) +13*A.shift(-1,dim) 
 | 
|---|
 | 185 |      -13*A.shift(1,dim)+8*A.shift(2,dim)-A.shift(3,dim);
 | 
|---|
 | 186 | }
 | 
|---|
 | 187 | 
 | 
|---|
 | 188 | BZ_DECLARE_DIFF(central44) {
 | 
|---|
 | 189 |   return -1*A.shift(-3,dim)+12*A.shift(-2,dim)-39*A.shift(-1,dim)
 | 
|---|
 | 190 |     +56*A-39*A.shift(1,dim)+12*A.shift(2,dim)-A.shift(3,dim);
 | 
|---|
 | 191 | }
 | 
|---|
 | 192 | 
 | 
|---|
 | 193 | /****************************************************************************
 | 
|---|
 | 194 |  * Central differences with accuracy O(h^4)  (multicomponent versions)
 | 
|---|
 | 195 |  ****************************************************************************/
 | 
|---|
 | 196 | 
 | 
|---|
 | 197 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(central14) {
 | 
|---|
 | 198 |   return A.shift(-2,dim)[comp] - 8 * A.shift(-1,dim)[comp] 
 | 
|---|
 | 199 |     + 8 * A.shift(1,dim)[comp] - A.shift(2,dim)[comp];
 | 
|---|
 | 200 | }
 | 
|---|
 | 201 | 
 | 
|---|
 | 202 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(central24) {
 | 
|---|
 | 203 |   return - A.shift(-2,dim)[comp] + 16*A.shift(-1,dim)[comp] - 30*(*A)[comp]
 | 
|---|
 | 204 |     + 16*A.shift(1,dim)[comp] - A.shift(2,dim)[comp];
 | 
|---|
 | 205 | }
 | 
|---|
 | 206 | 
 | 
|---|
 | 207 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(central34) {
 | 
|---|
 | 208 |   return A.shift(-3,dim)[comp] - 8*A.shift(-2,dim)[comp] 
 | 
|---|
 | 209 |     +13*A.shift(-1,dim)[comp] - 13*A.shift(1,dim)[comp] 
 | 
|---|
 | 210 |     + 8*A.shift(2,dim)[comp] - A.shift(3,dim)[comp];
 | 
|---|
 | 211 | }
 | 
|---|
 | 212 | 
 | 
|---|
 | 213 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(central44) {
 | 
|---|
 | 214 |   return -1*A.shift(-3,dim)[comp]+12*A.shift(-2,dim)[comp]
 | 
|---|
 | 215 |     -39*A.shift(-1,dim)[comp] +56*(*A)[comp]-39*A.shift(1,dim)[comp]
 | 
|---|
 | 216 |     +12*A.shift(2,dim)[comp]-A.shift(3,dim)[comp];
 | 
|---|
 | 217 | }
 | 
|---|
 | 218 | 
 | 
|---|
 | 219 | /****************************************************************************
 | 
|---|
 | 220 |  * Central differences with accuracy O(h^4)  (normalized)
 | 
|---|
 | 221 |  ****************************************************************************/
 | 
|---|
 | 222 | 
 | 
|---|
 | 223 | BZ_DECLARE_DIFF(central14n) {
 | 
|---|
 | 224 |   return central14(A,dim) * recip_12;
 | 
|---|
 | 225 | }
 | 
|---|
 | 226 | 
 | 
|---|
 | 227 | BZ_DECLARE_DIFF(central24n) {
 | 
|---|
 | 228 |   return central24(A,dim) * recip_12;
 | 
|---|
 | 229 | }
 | 
|---|
 | 230 | 
 | 
|---|
 | 231 | BZ_DECLARE_DIFF(central34n) {
 | 
|---|
 | 232 |   return central34(A,dim) * recip_8;
 | 
|---|
 | 233 | }
 | 
|---|
 | 234 | 
 | 
|---|
 | 235 | BZ_DECLARE_DIFF(central44n) {
 | 
|---|
 | 236 |   return central44(A,dim) * recip_6;
 | 
|---|
 | 237 | }
 | 
|---|
 | 238 | 
 | 
|---|
 | 239 | /****************************************************************************
 | 
|---|
 | 240 |  * Central differences with accuracy O(h^4)  (normalized, multicomponent)
 | 
|---|
 | 241 |  ****************************************************************************/
 | 
|---|
 | 242 | 
 | 
|---|
 | 243 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(central14n) {
 | 
|---|
 | 244 |   return central14(A,comp,dim) * recip_12;
 | 
|---|
 | 245 | }
 | 
|---|
 | 246 | 
 | 
|---|
 | 247 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(central24n) {
 | 
|---|
 | 248 |   return central24(A,comp,dim) * recip_12;
 | 
|---|
 | 249 | }
 | 
|---|
 | 250 | 
 | 
|---|
 | 251 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(central34n) {
 | 
|---|
 | 252 |   return central34(A,comp,dim) * recip_8;
 | 
|---|
 | 253 | }
 | 
|---|
 | 254 | 
 | 
|---|
 | 255 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(central44n) {
 | 
|---|
 | 256 |   return central44(A,comp,dim) * recip_6;
 | 
|---|
 | 257 | }
 | 
|---|
 | 258 | 
 | 
|---|
 | 259 | /****************************************************************************
 | 
|---|
 | 260 |  * Backward differences with accuracy O(h)
 | 
|---|
 | 261 |  ****************************************************************************/
 | 
|---|
 | 262 | 
 | 
|---|
 | 263 | BZ_DECLARE_DIFF(backward11) {
 | 
|---|
 | 264 |   return A - A.shift(-1,dim);
 | 
|---|
 | 265 | }
 | 
|---|
 | 266 | 
 | 
|---|
 | 267 | BZ_DECLARE_DIFF(backward21) {
 | 
|---|
 | 268 |   return A -2*A.shift(-1,dim) + A.shift(-2,dim);
 | 
|---|
 | 269 | }
 | 
|---|
 | 270 | 
 | 
|---|
 | 271 | BZ_DECLARE_DIFF(backward31) {
 | 
|---|
 | 272 |   return A -3*A.shift(-1,dim) + 3*A.shift(-2,dim)-A.shift(-3,dim);
 | 
|---|
 | 273 | }
 | 
|---|
 | 274 | 
 | 
|---|
 | 275 | BZ_DECLARE_DIFF(backward41) {
 | 
|---|
 | 276 |   return A - 4*A.shift(-1,dim) + 6*A.shift(-2,dim) -4*A.shift(-3,dim) 
 | 
|---|
 | 277 |     + A.shift(-4,dim);
 | 
|---|
 | 278 | }
 | 
|---|
 | 279 | 
 | 
|---|
 | 280 | /****************************************************************************
 | 
|---|
 | 281 |  * Backward differences with accuracy O(h) (multicomponent versions)
 | 
|---|
 | 282 |  ****************************************************************************/
 | 
|---|
 | 283 | 
 | 
|---|
 | 284 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(backward11) {
 | 
|---|
 | 285 |   return (*A)[comp] - A.shift(-1,dim)[comp];
 | 
|---|
 | 286 | }
 | 
|---|
 | 287 | 
 | 
|---|
 | 288 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(backward21) {
 | 
|---|
 | 289 |   return (*A)[comp] -2*A.shift(-1,dim)[comp] + A.shift(-2,dim)[comp];
 | 
|---|
 | 290 | }
 | 
|---|
 | 291 | 
 | 
|---|
 | 292 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(backward31) {
 | 
|---|
 | 293 |   return (*A)[comp] -3*A.shift(-1,dim)[comp] + 3*A.shift(-2,dim)[comp]
 | 
|---|
 | 294 |     -A.shift(-3,dim)[comp];
 | 
|---|
 | 295 | }
 | 
|---|
 | 296 | 
 | 
|---|
 | 297 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(backward41) {
 | 
|---|
 | 298 |   return (*A)[comp] - 4*A.shift(-1,dim)[comp] + 6*A.shift(-2,dim)[comp]
 | 
|---|
 | 299 |     -4*A.shift(-3,dim)[comp] + A.shift(-4,dim)[comp];
 | 
|---|
 | 300 | }
 | 
|---|
 | 301 | 
 | 
|---|
 | 302 | /****************************************************************************
 | 
|---|
 | 303 |  * Backward differences with accuracy O(h)  (normalized)
 | 
|---|
 | 304 |  ****************************************************************************/
 | 
|---|
 | 305 | 
 | 
|---|
 | 306 | BZ_DECLARE_DIFF(backward11n) { return backward11(A,dim); }
 | 
|---|
 | 307 | BZ_DECLARE_DIFF(backward21n) { return backward21(A,dim); }
 | 
|---|
 | 308 | BZ_DECLARE_DIFF(backward31n) { return backward31(A,dim); }
 | 
|---|
 | 309 | BZ_DECLARE_DIFF(backward41n) { return backward41(A,dim); }
 | 
|---|
 | 310 | 
 | 
|---|
 | 311 | /****************************************************************************
 | 
|---|
 | 312 |  * Backward differences with accuracy O(h)  (normalized, multicomponent)
 | 
|---|
 | 313 |  ****************************************************************************/
 | 
|---|
 | 314 | 
 | 
|---|
 | 315 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(backward11n) { return backward11(A,comp,dim); }
 | 
|---|
 | 316 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(backward21n) { return backward21(A,comp,dim); }
 | 
|---|
 | 317 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(backward31n) { return backward31(A,comp,dim); }
 | 
|---|
 | 318 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(backward41n) { return backward41(A,comp,dim); }
 | 
|---|
 | 319 | 
 | 
|---|
 | 320 | /****************************************************************************
 | 
|---|
 | 321 |  * Backward differences with accuracy O(h^2)
 | 
|---|
 | 322 |  ****************************************************************************/
 | 
|---|
 | 323 | 
 | 
|---|
 | 324 | BZ_DECLARE_DIFF(backward12) {
 | 
|---|
 | 325 |   return 3*A -4*A.shift(-1,dim) + A.shift(-2,dim);
 | 
|---|
 | 326 | }
 | 
|---|
 | 327 | 
 | 
|---|
 | 328 | BZ_DECLARE_DIFF(backward22) {
 | 
|---|
 | 329 |   return 2*A -5*A.shift(-1,dim) + 4*A.shift(-2,dim) -1*A.shift(-3,dim);
 | 
|---|
 | 330 | }
 | 
|---|
 | 331 | 
 | 
|---|
 | 332 | BZ_DECLARE_DIFF(backward32) {
 | 
|---|
 | 333 |   return 5*A - 18*A.shift(-1,dim) + 24*A.shift(-2,dim) -14*A.shift(-3,dim) 
 | 
|---|
 | 334 |     + 3*A.shift(-4,dim);
 | 
|---|
 | 335 | }
 | 
|---|
 | 336 | 
 | 
|---|
 | 337 | BZ_DECLARE_DIFF(backward42) {
 | 
|---|
 | 338 |   return 3*A -14*A.shift(-1,dim) + 26*A.shift(-2,dim) -24*A.shift(-3,dim) 
 | 
|---|
 | 339 |     + 11*A.shift(-4,dim) -2*A.shift(-5,dim);
 | 
|---|
 | 340 | }
 | 
|---|
 | 341 | 
 | 
|---|
 | 342 | /****************************************************************************
 | 
|---|
 | 343 |  * Backward differences with accuracy O(h^2) (multicomponent versions)
 | 
|---|
 | 344 |  ****************************************************************************/
 | 
|---|
 | 345 | 
 | 
|---|
 | 346 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(backward12) {
 | 
|---|
 | 347 |   return 3*(*A)[comp] -4*A.shift(-1,dim)[comp] + A.shift(-2,dim)[comp];
 | 
|---|
 | 348 | }
 | 
|---|
 | 349 | 
 | 
|---|
 | 350 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(backward22) {
 | 
|---|
 | 351 |   return 2*(*A)[comp] -5*A.shift(-1,dim)[comp] + 4*A.shift(-2,dim)[comp]
 | 
|---|
 | 352 |      -1*A.shift(-3,dim)[comp];
 | 
|---|
 | 353 | }
 | 
|---|
 | 354 | 
 | 
|---|
 | 355 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(backward32) {
 | 
|---|
 | 356 |   return 5*(*A)[comp] - 18*A.shift(-1,dim)[comp] + 24*A.shift(-2,dim)[comp]
 | 
|---|
 | 357 |      -14*A.shift(-3,dim)[comp] + 3*A.shift(-4,dim)[comp];
 | 
|---|
 | 358 | }
 | 
|---|
 | 359 | 
 | 
|---|
 | 360 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(backward42) {
 | 
|---|
 | 361 |   return 3*(*A)[comp] -14*A.shift(-1,dim)[comp] + 26*A.shift(-2,dim)[comp]
 | 
|---|
 | 362 |     -24*A.shift(-3,dim)[comp] + 11*A.shift(-4,dim)[comp] 
 | 
|---|
 | 363 |     -2*A.shift(-5,dim)[comp];
 | 
|---|
 | 364 | }
 | 
|---|
 | 365 | 
 | 
|---|
 | 366 | /****************************************************************************
 | 
|---|
 | 367 |  * Backward differences with accuracy O(h^2)  (normalized)
 | 
|---|
 | 368 |  ****************************************************************************/
 | 
|---|
 | 369 | 
 | 
|---|
 | 370 | BZ_DECLARE_DIFF(backward12n) { return backward12(A,dim) * recip_2; }
 | 
|---|
 | 371 | BZ_DECLARE_DIFF(backward22n) { return backward22(A,dim); }
 | 
|---|
 | 372 | BZ_DECLARE_DIFF(backward32n) { return backward32(A,dim) * recip_2; }
 | 
|---|
 | 373 | BZ_DECLARE_DIFF(backward42n) { return backward42(A,dim); }
 | 
|---|
 | 374 | 
 | 
|---|
 | 375 | /****************************************************************************
 | 
|---|
 | 376 |  * Backward differences with accuracy O(h^2)  (normalized, multicomponent)
 | 
|---|
 | 377 |  ****************************************************************************/
 | 
|---|
 | 378 | 
 | 
|---|
 | 379 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(backward12n) { return backward12(A,comp,dim) * recip_2; }
 | 
|---|
 | 380 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(backward22n) { return backward22(A,comp,dim); }
 | 
|---|
 | 381 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(backward32n) { return backward32(A,comp,dim) * recip_2; }
 | 
|---|
 | 382 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(backward42n) { return backward42(A,comp,dim); }
 | 
|---|
 | 383 | 
 | 
|---|
 | 384 | /****************************************************************************
 | 
|---|
 | 385 |  * Forward differences with accuracy O(h)  
 | 
|---|
 | 386 |  ****************************************************************************/
 | 
|---|
 | 387 | 
 | 
|---|
 | 388 | BZ_DECLARE_DIFF(forward11) {
 | 
|---|
 | 389 |   return -1*A+A.shift(1,dim);
 | 
|---|
 | 390 | }
 | 
|---|
 | 391 | 
 | 
|---|
 | 392 | BZ_DECLARE_DIFF(forward21) {
 | 
|---|
 | 393 |   return A - 2*A.shift(1,dim) + A.shift(2,dim);
 | 
|---|
 | 394 | }
 | 
|---|
 | 395 | 
 | 
|---|
 | 396 | BZ_DECLARE_DIFF(forward31) {
 | 
|---|
 | 397 |   return -A + 3*A.shift(1,dim) -3*A.shift(2,dim) + A.shift(3,dim);
 | 
|---|
 | 398 | }
 | 
|---|
 | 399 | 
 | 
|---|
 | 400 | BZ_DECLARE_DIFF(forward41) {
 | 
|---|
 | 401 |   return A -4*A.shift(1,dim) + 6*A.shift(2,dim) -4*A.shift(3,dim) 
 | 
|---|
 | 402 |     + A.shift(4,dim);
 | 
|---|
 | 403 | }
 | 
|---|
 | 404 | 
 | 
|---|
 | 405 | /****************************************************************************
 | 
|---|
 | 406 |  * Forward differences with accuracy O(h)  (multicomponent versions)
 | 
|---|
 | 407 |  ****************************************************************************/
 | 
|---|
 | 408 | 
 | 
|---|
 | 409 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(forward11) {
 | 
|---|
 | 410 |   return -1*(*A)[comp]+A.shift(1,dim)[comp];
 | 
|---|
 | 411 | }
 | 
|---|
 | 412 | 
 | 
|---|
 | 413 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(forward21) {
 | 
|---|
 | 414 |   return (*A)[comp] - 2*A.shift(1,dim)[comp] + A.shift(2,dim)[comp];
 | 
|---|
 | 415 | }
 | 
|---|
 | 416 | 
 | 
|---|
 | 417 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(forward31) {
 | 
|---|
 | 418 |   return -(*A)[comp] + 3*A.shift(1,dim)[comp] -3*A.shift(2,dim)[comp] 
 | 
|---|
 | 419 |     + A.shift(3,dim)[comp];
 | 
|---|
 | 420 | }
 | 
|---|
 | 421 | 
 | 
|---|
 | 422 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(forward41) {
 | 
|---|
 | 423 |   return (*A)[comp] -4*A.shift(1,dim)[comp] + 6*A.shift(2,dim)[comp] 
 | 
|---|
 | 424 |     -4*A.shift(3,dim)[comp] + A.shift(4,dim)[comp];
 | 
|---|
 | 425 | }
 | 
|---|
 | 426 | 
 | 
|---|
 | 427 | /****************************************************************************
 | 
|---|
 | 428 |  * Forward differences with accuracy O(h)     (normalized)
 | 
|---|
 | 429 |  ****************************************************************************/
 | 
|---|
 | 430 | 
 | 
|---|
 | 431 | BZ_DECLARE_DIFF(forward11n) { return forward11(A,dim); }
 | 
|---|
 | 432 | BZ_DECLARE_DIFF(forward21n) { return forward21(A,dim); }
 | 
|---|
 | 433 | BZ_DECLARE_DIFF(forward31n) { return forward31(A,dim); }
 | 
|---|
 | 434 | BZ_DECLARE_DIFF(forward41n) { return forward41(A,dim); }
 | 
|---|
 | 435 | 
 | 
|---|
 | 436 | /****************************************************************************
 | 
|---|
 | 437 |  * Forward differences with accuracy O(h)     (multicomponent,normalized)
 | 
|---|
 | 438 |  ****************************************************************************/
 | 
|---|
 | 439 | 
 | 
|---|
 | 440 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(forward11n) { return forward11(A,comp,dim); }
 | 
|---|
 | 441 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(forward21n) { return forward21(A,comp,dim); }
 | 
|---|
 | 442 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(forward31n) { return forward31(A,comp,dim); }
 | 
|---|
 | 443 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(forward41n) { return forward41(A,comp,dim); }
 | 
|---|
 | 444 | 
 | 
|---|
 | 445 | /****************************************************************************
 | 
|---|
 | 446 |  * Forward differences with accuracy O(h^2)     
 | 
|---|
 | 447 |  ****************************************************************************/
 | 
|---|
 | 448 | 
 | 
|---|
 | 449 | BZ_DECLARE_DIFF(forward12) {
 | 
|---|
 | 450 |   return -3*A + 4*A.shift(1,dim) - A.shift(2,dim);
 | 
|---|
 | 451 | }
 | 
|---|
 | 452 | 
 | 
|---|
 | 453 | BZ_DECLARE_DIFF(forward22) {
 | 
|---|
 | 454 |   return 2*A -5*A.shift(1,dim) + 4*A.shift(2,dim) -A.shift(3,dim);
 | 
|---|
 | 455 | }
 | 
|---|
 | 456 | 
 | 
|---|
 | 457 | BZ_DECLARE_DIFF(forward32) {
 | 
|---|
 | 458 |   return -5*A + 18*A.shift(1,dim) -24*A.shift(2,dim) 
 | 
|---|
 | 459 |     + 14*A.shift(3,dim) -3*A.shift(4,dim);
 | 
|---|
 | 460 | }
 | 
|---|
 | 461 | 
 | 
|---|
 | 462 | BZ_DECLARE_DIFF(forward42) {
 | 
|---|
 | 463 |   return 3*A -14*A.shift(1,dim) + 26*A.shift(2,dim) -24*A.shift(3,dim) 
 | 
|---|
 | 464 |     +11*A.shift(4,dim) + 11*A.shift(5,dim);
 | 
|---|
 | 465 | }
 | 
|---|
 | 466 | 
 | 
|---|
 | 467 | /****************************************************************************
 | 
|---|
 | 468 |  * Forward differences with accuracy O(h^2)   (multicomponent versions)
 | 
|---|
 | 469 |  ****************************************************************************/
 | 
|---|
 | 470 | 
 | 
|---|
 | 471 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(forward12) {
 | 
|---|
 | 472 |   return -3*(*A)[comp] + 4*A.shift(1,dim)[comp] - A.shift(2,dim)[comp];
 | 
|---|
 | 473 | }
 | 
|---|
 | 474 | 
 | 
|---|
 | 475 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(forward22) {
 | 
|---|
 | 476 |   return 2*(*A)[comp] -5*A.shift(1,dim)[comp] + 4*A.shift(2,dim)[comp] 
 | 
|---|
 | 477 |     -A.shift(3,dim)[comp];
 | 
|---|
 | 478 | }
 | 
|---|
 | 479 | 
 | 
|---|
 | 480 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(forward32) {
 | 
|---|
 | 481 |   return -5*(*A)[comp] + 18*A.shift(1,dim)[comp] -24*A.shift(2,dim)[comp]
 | 
|---|
 | 482 |     + 14*A.shift(3,dim)[comp] -3*A.shift(4,dim)[comp];
 | 
|---|
 | 483 | }
 | 
|---|
 | 484 | 
 | 
|---|
 | 485 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(forward42) {
 | 
|---|
 | 486 |   return 3*(*A)[comp] -14*A.shift(1,dim)[comp] + 26*A.shift(2,dim)[comp] 
 | 
|---|
 | 487 |     -24*A.shift(3,dim)[comp] +11*A.shift(4,dim)[comp] 
 | 
|---|
 | 488 |     + 11*A.shift(5,dim)[comp];
 | 
|---|
 | 489 | }
 | 
|---|
 | 490 | 
 | 
|---|
 | 491 | 
 | 
|---|
 | 492 | /****************************************************************************
 | 
|---|
 | 493 |  * Forward differences with accuracy O(h^2)     (normalized)
 | 
|---|
 | 494 |  ****************************************************************************/
 | 
|---|
 | 495 | 
 | 
|---|
 | 496 | BZ_DECLARE_DIFF(forward12n) { return forward12(A,dim) * recip_2; }
 | 
|---|
 | 497 | BZ_DECLARE_DIFF(forward22n) { return forward22(A,dim); }
 | 
|---|
 | 498 | BZ_DECLARE_DIFF(forward32n) { return forward32(A,dim) * recip_2; }
 | 
|---|
 | 499 | BZ_DECLARE_DIFF(forward42n) { return forward42(A,dim); }
 | 
|---|
 | 500 | 
 | 
|---|
 | 501 | /****************************************************************************
 | 
|---|
 | 502 |  * Forward differences with accuracy O(h^2)     (normalized)
 | 
|---|
 | 503 |  ****************************************************************************/
 | 
|---|
 | 504 | 
 | 
|---|
 | 505 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(forward12n) { return forward12(A,comp,dim) * recip_2; }
 | 
|---|
 | 506 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(forward22n) { return forward22(A,comp,dim); }
 | 
|---|
 | 507 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(forward32n) { return forward32(A,comp,dim) * recip_2; }
 | 
|---|
 | 508 | BZ_DECLARE_MULTIDIFF(forward42n) { return forward42(A,comp,dim); }
 | 
|---|
 | 509 | 
 | 
|---|
 | 510 | /****************************************************************************
 | 
|---|
 | 511 |  * Gradient operators
 | 
|---|
 | 512 |  ****************************************************************************/
 | 
|---|
 | 513 | 
 | 
|---|
 | 514 | template<class T>
 | 
|---|
 | 515 | inline TinyVector<_bz_typename T::T_numtype,2> grad2D(T& A) {
 | 
|---|
 | 516 |   return TinyVector<_bz_typename T::T_numtype,2>(
 | 
|---|
 | 517 |     central12(A,firstDim),
 | 
|---|
 | 518 |     central12(A,secondDim));
 | 
|---|
 | 519 | }
 | 
|---|
 | 520 | 
 | 
|---|
 | 521 | template<class T>
 | 
|---|
 | 522 | inline TinyVector<_bz_typename T::T_numtype,2> grad2D4(T& A) {
 | 
|---|
 | 523 |   return TinyVector<_bz_typename T::T_numtype,2>(
 | 
|---|
 | 524 |     central14(A,firstDim),
 | 
|---|
 | 525 |     central14(A,secondDim));
 | 
|---|
 | 526 | }
 | 
|---|
 | 527 | 
 | 
|---|
 | 528 | template<class T>
 | 
|---|
 | 529 | inline TinyVector<_bz_typename T::T_numtype,3> grad3D(T& A) {
 | 
|---|
 | 530 |   return TinyVector<_bz_typename T::T_numtype,3>(
 | 
|---|
 | 531 |     central12(A,firstDim),
 | 
|---|
 | 532 |     central12(A,secondDim),
 | 
|---|
 | 533 |     central12(A,thirdDim));
 | 
|---|
 | 534 | }
 | 
|---|
 | 535 | 
 | 
|---|
 | 536 | template<class T>
 | 
|---|
 | 537 | inline TinyVector<_bz_typename T::T_numtype,3> grad3D4(T& A) {
 | 
|---|
 | 538 |   return TinyVector<_bz_typename T::T_numtype,3>(
 | 
|---|
 | 539 |     central14(A,firstDim),
 | 
|---|
 | 540 |     central14(A,secondDim),
 | 
|---|
 | 541 |     central14(A,thirdDim));
 | 
|---|
 | 542 | }
 | 
|---|
 | 543 | 
 | 
|---|
 | 544 | /****************************************************************************
 | 
|---|
 | 545 |  * Grad-squared operators
 | 
|---|
 | 546 |  ****************************************************************************/
 | 
|---|
 | 547 | 
 | 
|---|
 | 548 | template<class T>
 | 
|---|
 | 549 | inline TinyVector<_bz_typename T::T_numtype,2> gradSqr2D(T& A) {
 | 
|---|
 | 550 |   return TinyVector<_bz_typename T::T_numtype,2>(
 | 
|---|
 | 551 |     central22(A,firstDim),
 | 
|---|
 | 552 |     central22(A,secondDim));
 | 
|---|
 | 553 | }
 | 
|---|
 | 554 | 
 | 
|---|
 | 555 | template<class T>
 | 
|---|
 | 556 | inline TinyVector<_bz_typename T::T_numtype,2> gradSqr2D4(T& A) {
 | 
|---|
 | 557 |   return TinyVector<_bz_typename T::T_numtype,2>(
 | 
|---|
 | 558 |     central24(A,firstDim),
 | 
|---|
 | 559 |     central24(A,secondDim));
 | 
|---|
 | 560 | }
 | 
|---|
 | 561 | 
 | 
|---|
 | 562 | template<class T>
 | 
|---|
 | 563 | inline TinyVector<_bz_typename T::T_numtype,3> gradSqr3D(T& A) {
 | 
|---|
 | 564 |   return TinyVector<_bz_typename T::T_numtype,3>(
 | 
|---|
 | 565 |     central22(A,firstDim),
 | 
|---|
 | 566 |     central22(A,secondDim),
 | 
|---|
 | 567 |     central22(A,thirdDim));
 | 
|---|
 | 568 | }
 | 
|---|
 | 569 | 
 | 
|---|
 | 570 | template<class T>
 | 
|---|
 | 571 | inline TinyVector<_bz_typename T::T_numtype,3> gradSqr3D4(T& A) {
 | 
|---|
 | 572 |   return TinyVector<_bz_typename T::T_numtype,3>(
 | 
|---|
 | 573 |     central24(A,firstDim),
 | 
|---|
 | 574 |     central24(A,secondDim),
 | 
|---|
 | 575 |     central24(A,thirdDim));
 | 
|---|
 | 576 | }
 | 
|---|
 | 577 | 
 | 
|---|
 | 578 | /****************************************************************************
 | 
|---|
 | 579 |  * Grad-squared operators (normalized)
 | 
|---|
 | 580 |  ****************************************************************************/
 | 
|---|
 | 581 | 
 | 
|---|
 | 582 | template<class T>
 | 
|---|
 | 583 | inline TinyVector<_bz_typename T::T_numtype,2> gradSqr2Dn(T& A) {
 | 
|---|
 | 584 |   return gradSqr2D(A);
 | 
|---|
 | 585 | }
 | 
|---|
 | 586 | 
 | 
|---|
 | 587 | template<class T>
 | 
|---|
 | 588 | inline TinyVector<_bz_typename T::T_numtype,2> gradSqr2D4n(T& A) {
 | 
|---|
 | 589 |   return TinyVector<_bz_typename T::T_numtype,2>(
 | 
|---|
 | 590 |     central24(A,firstDim) * recip_12,
 | 
|---|
 | 591 |     central24(A,secondDim) * recip_12);
 | 
|---|
 | 592 | }
 | 
|---|
 | 593 | 
 | 
|---|
 | 594 | template<class T>
 | 
|---|
 | 595 | inline TinyVector<_bz_typename T::T_numtype,3> gradSqr3Dn(T& A) {
 | 
|---|
 | 596 |   return gradSqr3D(A);
 | 
|---|
 | 597 | }
 | 
|---|
 | 598 | 
 | 
|---|
 | 599 | template<class T>
 | 
|---|
 | 600 | inline TinyVector<_bz_typename T::T_numtype,3> gradSqr3D4n(T& A) {
 | 
|---|
 | 601 |   return TinyVector<_bz_typename T::T_numtype,3>(
 | 
|---|
 | 602 |     central24(A,firstDim) * recip_12,
 | 
|---|
 | 603 |     central24(A,secondDim) * recip_12,
 | 
|---|
 | 604 |     central24(A,thirdDim) * recip_12);
 | 
|---|
 | 605 | }
 | 
|---|
 | 606 | 
 | 
|---|
 | 607 | /****************************************************************************
 | 
|---|
 | 608 |  * Gradient operators on a vector field
 | 
|---|
 | 609 |  ****************************************************************************/
 | 
|---|
 | 610 | 
 | 
|---|
 | 611 | template<class T>
 | 
|---|
 | 612 | inline TinyMatrix<_bz_typename multicomponent_traits<_bz_typename 
 | 
|---|
 | 613 |     T::T_numtype>::T_element, 3, 3>
 | 
|---|
 | 614 | Jacobian3D(T& A)
 | 
|---|
 | 615 | {
 | 
|---|
 | 616 |     const int x=0, y=1, z=2;
 | 
|---|
 | 617 |     const int u=0, v=1, w=2;
 | 
|---|
 | 618 | 
 | 
|---|
 | 619 |     TinyMatrix<_bz_typename multicomponent_traits<_bz_typename 
 | 
|---|
 | 620 |         T::T_numtype>::T_element, 3, 3> grad;
 | 
|---|
 | 621 | 
 | 
|---|
 | 622 |     grad(u,x) = central12(A,u,x);
 | 
|---|
 | 623 |     grad(u,y) = central12(A,u,y);
 | 
|---|
 | 624 |     grad(u,z) = central12(A,u,z);
 | 
|---|
 | 625 |     grad(v,x) = central12(A,v,x);
 | 
|---|
 | 626 |     grad(v,y) = central12(A,v,y);
 | 
|---|
 | 627 |     grad(v,z) = central12(A,v,z);
 | 
|---|
 | 628 |     grad(w,x) = central12(A,w,x);
 | 
|---|
 | 629 |     grad(w,y) = central12(A,w,y);
 | 
|---|
 | 630 |     grad(w,z) = central12(A,w,z);
 | 
|---|
 | 631 | 
 | 
|---|
 | 632 |     return grad;
 | 
|---|
 | 633 | }
 | 
|---|
 | 634 | 
 | 
|---|
 | 635 | template<class T>
 | 
|---|
 | 636 | inline TinyMatrix<_bz_typename multicomponent_traits<_bz_typename 
 | 
|---|
 | 637 |     T::T_numtype>::T_element, 3, 3>
 | 
|---|
 | 638 | Jacobian3Dn(T& A)
 | 
|---|
 | 639 | {
 | 
|---|
 | 640 |     const int x=0, y=1, z=2;
 | 
|---|
 | 641 |     const int u=0, v=1, w=2;
 | 
|---|
 | 642 | 
 | 
|---|
 | 643 |     TinyMatrix<_bz_typename multicomponent_traits<_bz_typename 
 | 
|---|
 | 644 |         T::T_numtype>::T_element, 3, 3> grad;
 | 
|---|
 | 645 |     
 | 
|---|
 | 646 |     grad(u,x) = central12n(A,u,x);
 | 
|---|
 | 647 |     grad(u,y) = central12n(A,u,y);
 | 
|---|
 | 648 |     grad(u,z) = central12n(A,u,z);
 | 
|---|
 | 649 |     grad(v,x) = central12n(A,v,x);
 | 
|---|
 | 650 |     grad(v,y) = central12n(A,v,y);
 | 
|---|
 | 651 |     grad(v,z) = central12n(A,v,z);
 | 
|---|
 | 652 |     grad(w,x) = central12n(A,w,x);
 | 
|---|
 | 653 |     grad(w,y) = central12n(A,w,y);
 | 
|---|
 | 654 |     grad(w,z) = central12n(A,w,z);
 | 
|---|
 | 655 | 
 | 
|---|
 | 656 |     return grad;
 | 
|---|
 | 657 | }
 | 
|---|
 | 658 | 
 | 
|---|
 | 659 | template<class T>
 | 
|---|
 | 660 | inline TinyMatrix<_bz_typename multicomponent_traits<_bz_typename
 | 
|---|
 | 661 |     T::T_numtype>::T_element, 3, 3>
 | 
|---|
 | 662 | Jacobian3D4(T& A)
 | 
|---|
 | 663 | {
 | 
|---|
 | 664 |     const int x=0, y=1, z=2;
 | 
|---|
 | 665 |     const int u=0, v=1, w=2;
 | 
|---|
 | 666 | 
 | 
|---|
 | 667 |     TinyMatrix<_bz_typename multicomponent_traits<_bz_typename 
 | 
|---|
 | 668 |         T::T_numtype>::T_element, 3, 3> grad;
 | 
|---|
 | 669 |     
 | 
|---|
 | 670 |     grad(u,x) = central14(A,u,x);
 | 
|---|
 | 671 |     grad(u,y) = central14(A,u,y);
 | 
|---|
 | 672 |     grad(u,z) = central14(A,u,z);
 | 
|---|
 | 673 |     grad(v,x) = central14(A,v,x);
 | 
|---|
 | 674 |     grad(v,y) = central14(A,v,y);
 | 
|---|
 | 675 |     grad(v,z) = central14(A,v,z);
 | 
|---|
 | 676 |     grad(w,x) = central14(A,w,x);
 | 
|---|
 | 677 |     grad(w,y) = central14(A,w,y);
 | 
|---|
 | 678 |     grad(w,z) = central14(A,w,z);
 | 
|---|
 | 679 | 
 | 
|---|
 | 680 |     return grad;
 | 
|---|
 | 681 | }
 | 
|---|
 | 682 | 
 | 
|---|
 | 683 | template<class T>
 | 
|---|
 | 684 | inline TinyMatrix<_bz_typename multicomponent_traits<_bz_typename
 | 
|---|
 | 685 |     T::T_numtype>::T_element, 3, 3>
 | 
|---|
 | 686 | Jacobian3D4n(T& A)
 | 
|---|
 | 687 | {
 | 
|---|
 | 688 |     const int x=0, y=1, z=2;
 | 
|---|
 | 689 |     const int u=0, v=1, w=2;
 | 
|---|
 | 690 | 
 | 
|---|
 | 691 |     TinyMatrix<_bz_typename multicomponent_traits<_bz_typename 
 | 
|---|
 | 692 |         T::T_numtype>::T_element, 3, 3> grad;
 | 
|---|
 | 693 |     
 | 
|---|
 | 694 |     grad(u,x) = central14n(A,u,x);
 | 
|---|
 | 695 |     grad(u,y) = central14n(A,u,y);
 | 
|---|
 | 696 |     grad(u,z) = central14n(A,u,z);
 | 
|---|
 | 697 |     grad(v,x) = central14n(A,v,x);
 | 
|---|
 | 698 |     grad(v,y) = central14n(A,v,y);
 | 
|---|
 | 699 |     grad(v,z) = central14n(A,v,z);
 | 
|---|
 | 700 |     grad(w,x) = central14n(A,w,x);
 | 
|---|
 | 701 |     grad(w,y) = central14n(A,w,y);
 | 
|---|
 | 702 |     grad(w,z) = central14n(A,w,z);
 | 
|---|
 | 703 | 
 | 
|---|
 | 704 |     return grad;
 | 
|---|
 | 705 | }
 | 
|---|
 | 706 | 
 | 
|---|
 | 707 | /****************************************************************************
 | 
|---|
 | 708 |  * Curl operators
 | 
|---|
 | 709 |  ****************************************************************************/
 | 
|---|
 | 710 | 
 | 
|---|
 | 711 | // O(h^2) curl, using central difference
 | 
|---|
 | 712 | 
 | 
|---|
 | 713 | template<class T>
 | 
|---|
 | 714 | inline TinyVector<_bz_typename T::T_numtype,3> 
 | 
|---|
 | 715 | curl(T& vx, T& vy, T& vz) {
 | 
|---|
 | 716 |   const int x = firstDim, y = secondDim, z = thirdDim;
 | 
|---|
 | 717 | 
 | 
|---|
 | 718 |   return TinyVector<_bz_typename T::T_numtype,3>(
 | 
|---|
 | 719 |     central12(vz,y)-central12(vy,z),
 | 
|---|
 | 720 |     central12(vx,z)-central12(vz,x),
 | 
|---|
 | 721 |     central12(vy,x)-central12(vx,y));
 | 
|---|
 | 722 | }
 | 
|---|
 | 723 | 
 | 
|---|
 | 724 | // Normalized O(h^2) curl, using central difference
 | 
|---|
 | 725 | template<class T>
 | 
|---|
 | 726 | inline TinyVector<_bz_typename T::T_numtype,3>
 | 
|---|
 | 727 | curln(T& vx, T& vy, T& vz) {
 | 
|---|
 | 728 |   const int x = firstDim, y = secondDim, z = thirdDim;
 | 
|---|
 | 729 | 
 | 
|---|
 | 730 |   return TinyVector<_bz_typename T::T_numtype,3>(
 | 
|---|
 | 731 |     (central12(vz,y)-central12(vy,z)) * recip_2,
 | 
|---|
 | 732 |     (central12(vx,z)-central12(vz,x)) * recip_2,
 | 
|---|
 | 733 |     (central12(vy,x)-central12(vx,y)) * recip_2);
 | 
|---|
 | 734 | }
 | 
|---|
 | 735 | 
 | 
|---|
 | 736 | // Multicomponent curl
 | 
|---|
 | 737 | template<class T>
 | 
|---|
 | 738 | inline _bz_typename T::T_numtype curl(T& A) {
 | 
|---|
 | 739 |   const int x = firstDim, y = secondDim, z = thirdDim;
 | 
|---|
 | 740 | 
 | 
|---|
 | 741 |   return _bz_typename T::T_numtype(
 | 
|---|
 | 742 |     central12(A,z,y)-central12(A,y,z),
 | 
|---|
 | 743 |     central12(A,x,z)-central12(A,z,x),
 | 
|---|
 | 744 |     central12(A,y,x)-central12(A,x,y));
 | 
|---|
 | 745 | }
 | 
|---|
 | 746 | 
 | 
|---|
 | 747 | // Normalized multicomponent curl
 | 
|---|
 | 748 | template<class T>
 | 
|---|
 | 749 | inline _bz_typename T::T_numtype curln(T& A) {
 | 
|---|
 | 750 |   const int x = firstDim, y = secondDim, z = thirdDim;
 | 
|---|
 | 751 | 
 | 
|---|
 | 752 |   return _bz_typename T::T_numtype(
 | 
|---|
 | 753 |     (central12(A,z,y)-central12(A,y,z)) * recip_2,
 | 
|---|
 | 754 |     (central12(A,x,z)-central12(A,z,x)) * recip_2,
 | 
|---|
 | 755 |     (central12(A,y,x)-central12(A,x,y)) * recip_2);
 | 
|---|
 | 756 | }
 | 
|---|
 | 757 | 
 | 
|---|
 | 758 | // O(h^4) curl, using 4th order central difference
 | 
|---|
 | 759 | template<class T>
 | 
|---|
 | 760 | inline TinyVector<_bz_typename T::T_numtype,3>
 | 
|---|
 | 761 | curl4(T& vx, T& vy, T& vz) {
 | 
|---|
 | 762 |   const int x = firstDim, y = secondDim, z = thirdDim;
 | 
|---|
 | 763 | 
 | 
|---|
 | 764 |   return TinyVector<_bz_typename T::T_numtype,3>(
 | 
|---|
 | 765 |     central14(vz,y)-central14(vy,z),
 | 
|---|
 | 766 |     central14(vx,z)-central14(vz,x),
 | 
|---|
 | 767 |     central14(vy,x)-central14(vx,y));
 | 
|---|
 | 768 | }
 | 
|---|
 | 769 | 
 | 
|---|
 | 770 | // O(h^4) curl, using 4th order central difference (multicomponent version)
 | 
|---|
 | 771 | template<class T>
 | 
|---|
 | 772 | inline _bz_typename T::T_numtype
 | 
|---|
 | 773 | curl4(T& A) {
 | 
|---|
 | 774 |   const int x = firstDim, y = secondDim, z = thirdDim;
 | 
|---|
 | 775 | 
 | 
|---|
 | 776 |   return _bz_typename T::T_numtype(
 | 
|---|
 | 777 |     central14(A,z,y)-central14(A,y,z),
 | 
|---|
 | 778 |     central14(A,x,z)-central14(A,z,x),
 | 
|---|
 | 779 |     central14(A,y,x)-central14(A,x,y));
 | 
|---|
 | 780 | }
 | 
|---|
 | 781 | 
 | 
|---|
 | 782 | // Normalized O(h^4) curl, using 4th order central difference
 | 
|---|
 | 783 | template<class T>
 | 
|---|
 | 784 | inline TinyVector<_bz_typename T::T_numtype,3>
 | 
|---|
 | 785 | curl4n(T& vx, T& vy, T& vz) {
 | 
|---|
 | 786 |   const int x = firstDim, y = secondDim, z = thirdDim;
 | 
|---|
 | 787 | 
 | 
|---|
 | 788 |   return TinyVector<_bz_typename T::T_numtype,3>(
 | 
|---|
 | 789 |     (central14(vz,y)-central14(vy,z)) * recip_2,
 | 
|---|
 | 790 |     (central14(vx,z)-central14(vz,x)) * recip_2,
 | 
|---|
 | 791 |     (central14(vy,x)-central14(vx,y)) * recip_2);
 | 
|---|
 | 792 | }
 | 
|---|
 | 793 | 
 | 
|---|
 | 794 | // O(h^4) curl, using 4th order central difference (normalized multicomponent)
 | 
|---|
 | 795 | template<class T>
 | 
|---|
 | 796 | inline _bz_typename T::T_numtype
 | 
|---|
 | 797 | curl4n(T& A) {
 | 
|---|
 | 798 |   const int x = firstDim, y = secondDim, z = thirdDim;
 | 
|---|
 | 799 | 
 | 
|---|
 | 800 |   return _bz_typename T::T_numtype(
 | 
|---|
 | 801 |     (central14(A,z,y)-central14(A,y,z)) * recip_2,
 | 
|---|
 | 802 |     (central14(A,x,z)-central14(A,z,x)) * recip_2,
 | 
|---|
 | 803 |     (central14(A,y,x)-central14(A,x,y)) * recip_2);
 | 
|---|
 | 804 | }
 | 
|---|
 | 805 | 
 | 
|---|
 | 806 | /****************************************************************************
 | 
|---|
 | 807 |  * Divergence
 | 
|---|
 | 808 |  ****************************************************************************/
 | 
|---|
 | 809 | 
 | 
|---|
 | 810 | BZ_DECLARE_STENCIL_OPERATOR3(div,vx,vy,vz)
 | 
|---|
 | 811 |   return central12(vx,firstDim) + central12(vy,secondDim) 
 | 
|---|
 | 812 |     + central12(vz,thirdDim);
 | 
|---|
 | 813 | BZ_END_STENCIL_OPERATOR
 | 
|---|
 | 814 | 
 | 
|---|
 | 815 | BZ_DECLARE_STENCIL_OPERATOR3(divn,vx,vy,vz)
 | 
|---|
 | 816 |   return (central12(vx,firstDim) + central12(vy,secondDim) 
 | 
|---|
 | 817 |     + central12(vz,thirdDim)) * recip_2;
 | 
|---|
 | 818 | BZ_END_STENCIL_OPERATOR
 | 
|---|
 | 819 | 
 | 
|---|
 | 820 | BZ_DECLARE_STENCIL_OPERATOR3(div4,vx,vy,vz)
 | 
|---|
 | 821 |   return central14(vx,firstDim) + central14(vy,secondDim) 
 | 
|---|
 | 822 |     + central14(vz,thirdDim);
 | 
|---|
 | 823 | BZ_END_STENCIL_OPERATOR
 | 
|---|
 | 824 | 
 | 
|---|
 | 825 | BZ_DECLARE_STENCIL_OPERATOR3(div4n,vx,vy,vz)
 | 
|---|
 | 826 |   return (central14(vx,firstDim) + central14(vy,secondDim)
 | 
|---|
 | 827 |     + central14(vz,thirdDim)) * recip_12;
 | 
|---|
 | 828 | BZ_END_STENCIL_OPERATOR
 | 
|---|
 | 829 | 
 | 
|---|
 | 830 | /****************************************************************************
 | 
|---|
 | 831 |  * Mixed Partial derivatives
 | 
|---|
 | 832 |  ****************************************************************************/
 | 
|---|
 | 833 | 
 | 
|---|
 | 834 | template<class T>
 | 
|---|
 | 835 | inline _bz_typename T::T_numtype
 | 
|---|
 | 836 | mixed22(T& A, int x, int y)
 | 
|---|
 | 837 | {
 | 
|---|
 | 838 |     return A.shift(-1,x,-1,y) - A.shift(-1,x,1,y)
 | 
|---|
 | 839 |         -A.shift(1,x,-1,y) + A.shift(1,x,1,y);
 | 
|---|
 | 840 | }
 | 
|---|
 | 841 | 
 | 
|---|
 | 842 | template<class T>
 | 
|---|
 | 843 | inline _bz_typename T::T_numtype
 | 
|---|
 | 844 | mixed22n(T& A, int x, int y)
 | 
|---|
 | 845 | {
 | 
|---|
 | 846 |     return mixed22(A, x, y) * recip_4;
 | 
|---|
 | 847 | }
 | 
|---|
 | 848 | 
 | 
|---|
 | 849 | template<class T>
 | 
|---|
 | 850 | inline _bz_typename T::T_numtype
 | 
|---|
 | 851 | mixed24(T& A, int x, int y)
 | 
|---|
 | 852 | {
 | 
|---|
 | 853 |     return 64*(A.shift(-1,x,-1,y) - A.shift(-1,x,1,y)
 | 
|---|
 | 854 |         -A.shift(1,x,-1,y) + A.shift(1,x,1,y))
 | 
|---|
 | 855 |         + (A.shift(-2,x,+1,y) - A.shift(-1,x,2,y)
 | 
|---|
 | 856 |         - A.shift(1,x,2,y)-A.shift(2,x,1,y)
 | 
|---|
 | 857 |         + A.shift(2,x,-1,y)+A.shift(1,x,-2,y)
 | 
|---|
 | 858 |         - A.shift(-1,x,-2,y)+A.shift(-2,x,-1,y))
 | 
|---|
 | 859 |         + 8*(A.shift(-1,x,1,y)+A.shift(-1,x,2,y)
 | 
|---|
 | 860 |         -A.shift(2,x,-2,y) + A.shift(2,x,2,y));
 | 
|---|
 | 861 | }
 | 
|---|
 | 862 | 
 | 
|---|
 | 863 | template<class T>
 | 
|---|
 | 864 | inline _bz_typename T::T_numtype
 | 
|---|
 | 865 | mixed24n(T& A, int x, int y)
 | 
|---|
 | 866 | {
 | 
|---|
 | 867 |     return mixed24(A,x,y) * recip_144;
 | 
|---|
 | 868 | }
 | 
|---|
 | 869 | 
 | 
|---|
 | 870 | /****************************************************************************
 | 
|---|
 | 871 |  * Smoothers
 | 
|---|
 | 872 |  ****************************************************************************/
 | 
|---|
 | 873 | 
 | 
|---|
 | 874 | // NEEDS_WORK-- put other stencil operators here:
 | 
|---|
 | 875 | //   Average5pt2D
 | 
|---|
 | 876 | //   Average7pt3D
 | 
|---|
 | 877 | // etc.
 | 
|---|
 | 878 | 
 | 
|---|
 | 879 | /****************************************************************************
 | 
|---|
 | 880 |  * Stencil operators with geometry (experimental)
 | 
|---|
 | 881 |  ****************************************************************************/
 | 
|---|
 | 882 | 
 | 
|---|
 | 883 | template<class T>
 | 
|---|
 | 884 | inline _bz_typename multicomponent_traits<_bz_typename
 | 
|---|
 | 885 |     T::T_numtype>::T_element div3DVec4(T& A, 
 | 
|---|
 | 886 |     const UniformCubicGeometry<3>& geom)
 | 
|---|
 | 887 | {
 | 
|---|
 | 888 |     const int x = 0, y = 1, z = 2;
 | 
|---|
 | 889 | 
 | 
|---|
 | 890 |     return (central14(A, x, firstDim) + central14(A, y, secondDim)
 | 
|---|
 | 891 |         + central14(A, z, thirdDim)) * recip_12 * geom.recipSpatialStep();
 | 
|---|
 | 892 | }
 | 
|---|
 | 893 | 
 | 
|---|
 | 894 | template<class T>
 | 
|---|
 | 895 | inline _bz_typename T::T_numtype Laplacian3D4(T& A, 
 | 
|---|
 | 896 |     const UniformCubicGeometry<3>& geom)
 | 
|---|
 | 897 | {
 | 
|---|
 | 898 |     return Laplacian3D4n(A) * geom.recipSpatialStepPow2();
 | 
|---|
 | 899 | }
 | 
|---|
 | 900 | 
 | 
|---|
 | 901 | template<class T>
 | 
|---|
 | 902 | inline _bz_typename T::T_numtype Laplacian3DVec4(T& A,
 | 
|---|
 | 903 |     const UniformCubicGeometry<3>& geom)
 | 
|---|
 | 904 | {
 | 
|---|
 | 905 |     typedef _bz_typename T::T_numtype vector3d;
 | 
|---|
 | 906 |     typedef multicomponent_traits<vector3d>::T_element 
 | 
|---|
 | 907 |         T_element;
 | 
|---|
 | 908 |     const int u = 0, v = 1, w = 2;
 | 
|---|
 | 909 |     const int x = 0, y = 1, z = 2;
 | 
|---|
 | 910 | 
 | 
|---|
 | 911 |     // central24 is a 5-point stencil
 | 
|---|
 | 912 |     // This is a 9*5 = 45 point stencil
 | 
|---|
 | 913 | 
 | 
|---|
 | 914 |     T_element t1 = (central24(A,u,x) + central24(A,u,y) + central24(A,u,z))
 | 
|---|
 | 915 |         * recip_12 * geom.recipSpatialStepPow2();
 | 
|---|
 | 916 | 
 | 
|---|
 | 917 |     T_element t2 = (central24(A,v,x) + central24(A,v,y) + central24(A,v,z))
 | 
|---|
 | 918 |         * recip_12 * geom.recipSpatialStepPow2();
 | 
|---|
 | 919 | 
 | 
|---|
 | 920 |     T_element t3 = (central24(A,w,x) + central24(A,w,y) + central24(A,w,z))
 | 
|---|
 | 921 |         * recip_12 * geom.recipSpatialStepPow2();
 | 
|---|
 | 922 | 
 | 
|---|
 | 923 |     return vector3d(t1,t2,t3);
 | 
|---|
 | 924 | }
 | 
|---|
 | 925 | 
 | 
|---|
 | 926 | template<class T>
 | 
|---|
 | 927 | inline TinyMatrix<_bz_typename multicomponent_traits<_bz_typename
 | 
|---|
 | 928 |     T::T_numtype>::T_element, 3, 3>
 | 
|---|
 | 929 | grad3DVec4(T& A, const UniformCubicGeometry<3>& geom)
 | 
|---|
 | 930 | {
 | 
|---|
 | 931 |     const int x=0, y=1, z=2;
 | 
|---|
 | 932 |     const int u=0, v=1, w=2;
 | 
|---|
 | 933 | 
 | 
|---|
 | 934 |     TinyMatrix<_bz_typename multicomponent_traits<_bz_typename
 | 
|---|
 | 935 |         T::T_numtype>::T_element, 3, 3> grad;
 | 
|---|
 | 936 | 
 | 
|---|
 | 937 |     // This is a 9*4 = 36 point stencil
 | 
|---|
 | 938 |     grad(u,x) = central14n(A,u,x) * geom.recipSpatialStep();
 | 
|---|
 | 939 |     grad(u,y) = central14n(A,u,y) * geom.recipSpatialStep();
 | 
|---|
 | 940 |     grad(u,z) = central14n(A,u,z) * geom.recipSpatialStep();
 | 
|---|
 | 941 |     grad(v,x) = central14n(A,v,x) * geom.recipSpatialStep();
 | 
|---|
 | 942 |     grad(v,y) = central14n(A,v,y) * geom.recipSpatialStep();
 | 
|---|
 | 943 |     grad(v,z) = central14n(A,v,z) * geom.recipSpatialStep();
 | 
|---|
 | 944 |     grad(w,x) = central14n(A,w,x) * geom.recipSpatialStep();
 | 
|---|
 | 945 |     grad(w,y) = central14n(A,w,y) * geom.recipSpatialStep();
 | 
|---|
 | 946 |     grad(w,z) = central14n(A,w,z) * geom.recipSpatialStep();
 | 
|---|
 | 947 | 
 | 
|---|
 | 948 |     return grad;
 | 
|---|
 | 949 | }
 | 
|---|
 | 950 | 
 | 
|---|
 | 951 | template<class T>
 | 
|---|
 | 952 | inline TinyVector<_bz_typename T::T_numtype,3> grad3D4(T& A,
 | 
|---|
 | 953 |     const UniformCubicGeometry<3>& geom) {
 | 
|---|
 | 954 |   return TinyVector<_bz_typename T::T_numtype,3>(
 | 
|---|
 | 955 |     central14(A,firstDim) * recip_12 * geom.recipSpatialStep(),
 | 
|---|
 | 956 |     central14(A,secondDim) * recip_12 * geom.recipSpatialStep(),
 | 
|---|
 | 957 |     central14(A,thirdDim) * recip_12 * geom.recipSpatialStep());
 | 
|---|
 | 958 | }
 | 
|---|
 | 959 | 
 | 
|---|
 | 960 | BZ_NAMESPACE_END
 | 
|---|
 | 961 | 
 | 
|---|
 | 962 | #endif // BZ_ARRAYSTENCILOPS_H
 | 
|---|
 | 963 | 
 | 
|---|