Branch data Line data Source code
1 : : // *****************************************************************************
2 : : /*!
3 : : \file src/DiffEq/Beta/Beta.hpp
4 : : \copyright 2012-2015 J. Bakosi,
5 : : 2016-2018 Los Alamos National Security, LLC.,
6 : : 2019-2021 Triad National Security, LLC.
7 : : All rights reserved. See the LICENSE file for details.
8 : : \brief System of beta SDEs
9 : : \details This file implements the time integration of a system of stochastic
10 : : differential equations (SDEs) with linear drift and quadratic diagonal
11 : : diffusion, whose invariant is the joint [beta
12 : : distribution](http://en.wikipedia.org/wiki/Beta_distribution).
13 : :
14 : : In a nutshell, the equation integrated governs a set of scalars,
15 : : \f$0\!\le\!Y_\alpha\f$, \f$\alpha\!=\!1,\dots,N\f$, as
16 : :
17 : : @m_class{m-show-m}
18 : :
19 : : \f[
20 : : \mathrm{d}Y_\alpha(t) = \frac{b_\alpha}{2}\left(S_\alpha - Y_\alpha\right)
21 : : \mathrm{d}t + \sqrt{\kappa_\alpha Y_\alpha(1-Y_\alpha)}
22 : : \mathrm{d}W_\alpha(t), \qquad \alpha=1,\dots,N
23 : : \f]
24 : :
25 : : @m_class{m-hide-m}
26 : :
27 : : \f[ \begin{split}
28 : : \mathrm{d}Y_\alpha(t) = \frac{b_\alpha}{2}\left(S_\alpha - Y_\alpha\right)
29 : : \mathrm{d}t + \sqrt{\kappa_\alpha Y_\alpha(1-Y_\alpha)}
30 : : \mathrm{d}W_\alpha(t), \\ \alpha=1,\dots,N
31 : : \end{split} \f]
32 : :
33 : : with parameter vectors \f$b_\alpha > 0\f$, \f$\kappa_\alpha > 0\f$, and \f$0
34 : : < S_\alpha < 1\f$. Here
35 : : \f$\mathrm{d}W_\alpha(t)\f$ is an isotropic vector-valued [Wiener
36 : : process](http://en.wikipedia.org/wiki/Wiener_process) with independent
37 : : increments. The invariant distribution is the joint beta distribution. This
38 : : system of SDEs consists of N independent equations. For
39 : : more on the beta SDE, see https://doi.org/10.1080/14685248.2010.510843.
40 : : */
41 : : // *****************************************************************************
42 : : #ifndef Beta_h
43 : : #define Beta_h
44 : :
45 : : #include <vector>
46 : : #include <cmath>
47 : :
48 : : #include "InitPolicy.hpp"
49 : : #include "BetaCoeffPolicy.hpp"
50 : : #include "RNG.hpp"
51 : : #include "Particles.hpp"
52 : :
53 : : namespace walker {
54 : :
55 : : extern ctr::InputDeck g_inputdeck;
56 : : extern std::map< tk::ctr::RawRNGType, tk::RNG > g_rng;
57 : :
58 : : //! \brief Beta SDE used polymorphically with DiffEq
59 : : //! \details The template arguments specify policies and are used to configure
60 : : //! the behavior of the class. The policies are:
61 : : //! - Init - initialization policy, see DiffEq/InitPolicy.h
62 : : //! - Coefficients - coefficients policy, see DiffEq/BetaCoeffPolicy.h
63 : : template< class Init, class Coefficients >
64 : : class Beta {
65 : :
66 : : private:
67 : : using ncomp_t = tk::ctr::ncomp_t;
68 : :
69 : : public:
70 : : //! \brief Constructor
71 : : //! \param[in] c Index specifying which system of beta SDEs to construct.
72 : : //! There can be multiple beta ... end blocks in a control file. This
73 : : //! index specifies which beta SDE system to instantiate. The index
74 : : //! corresponds to the order in which the beta ... end blocks are given
75 : : //! the control file.
76 : 11 : explicit Beta( ncomp_t c ) :
77 : : m_c( c ),
78 : : m_depvar( g_inputdeck.get< tag::param, tag::beta, tag::depvar >().at(c) ),
79 : : m_ncomp( g_inputdeck.get< tag::component >().get< tag::beta >().at(c) ),
80 : 11 : m_offset( g_inputdeck.get< tag::component >().offset< tag::beta >(c) ),
81 : 11 : m_rng( g_rng.at( tk::ctr::raw(
82 : : g_inputdeck.get< tag::param, tag::beta, tag::rng >().at(c) ) ) ),
83 : : m_b(),
84 : : m_S(),
85 : : m_k(),
86 : 11 : coeff( m_ncomp,
87 : : g_inputdeck.get< tag::param, tag::beta, tag::b >().at(c),
88 : : g_inputdeck.get< tag::param, tag::beta, tag::S >().at(c),
89 : : g_inputdeck.get< tag::param, tag::beta, tag::kappa >().at(c),
90 [ - + ][ - + ]: 33 : m_b, m_S, m_k ) {}
[ - + ][ - + ]
[ + - ]
91 : :
92 : : //! Initalize SDE, prepare for time integration
93 : : //! \param[in] stream Thread (or more precisely stream) ID
94 : : //! \param[in,out] particles Array of particle properties
95 : : void initialize( int stream, tk::Particles& particles ) {
96 : : //! Set initial conditions using initialization policy
97 : : Init::template
98 : : init< tag::beta >
99 : 47 : ( g_inputdeck, m_rng, stream, particles, m_c, m_ncomp, m_offset );
100 : : }
101 : :
102 : : //! \brief Advance particles according to the system of beta SDEs
103 : : //! \param[in,out] particles Array of particle properties
104 : : //! \param[in] stream Thread (or more precisely stream) ID
105 : : //! \param[in] dt Time step size
106 : 469953 : void advance( tk::Particles& particles,
107 : : int stream,
108 : : tk::real dt,
109 : : tk::real,
110 : : const std::map< tk::ctr::Product, tk::real >& )
111 : : {
112 : 469953 : const auto npar = particles.nunk();
113 [ + + ]: 40465953 : for (auto p=decltype(npar){0}; p<npar; ++p) {
114 : : // Generate Gaussian random numbers with zero mean and unit variance
115 : 39996000 : std::vector< tk::real > dW( m_ncomp );
116 [ + - ]: 39996000 : m_rng.gaussian( stream, m_ncomp, dW.data() );
117 : :
118 : : // Advance all m_ncomp scalars
119 [ + + ]: 239976000 : for (ncomp_t i=0; i<m_ncomp; ++i) {
120 [ + + ]: 199980000 : tk::real& par = particles( p, i, m_offset );
121 [ + + ]: 199980000 : tk::real d = m_k[i] * par * (1.0 - par) * dt;
122 [ + + ]: 199980000 : d = (d > 0.0 ? std::sqrt(d) : 0.0);
123 : 199980000 : par += 0.5*m_b[i]*(m_S[i] - par)*dt + d*dW[i];
124 : : }
125 : : }
126 : 469953 : }
127 : :
128 : : private:
129 : : const ncomp_t m_c; //!< Equation system index
130 : : const char m_depvar; //!< Dependent variable
131 : : const ncomp_t m_ncomp; //!< Number of components
132 : : const ncomp_t m_offset; //!< Offset SDE operates from
133 : : const tk::RNG& m_rng; //!< Random number generator
134 : :
135 : : //! Coefficients
136 : : std::vector< kw::sde_b::info::expect::type > m_b;
137 : : std::vector< kw::sde_S::info::expect::type > m_S;
138 : : std::vector< kw::sde_kappa::info::expect::type > m_k;
139 : :
140 : : //! Coefficients policy
141 : : Coefficients coeff;
142 : : };
143 : :
144 : : } // walker::
145 : :
146 : : #endif // Beta_h
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