xref: /petsc/src/ts/tutorials/advection-diffusion-reaction/ex5adj_mf.c (revision 9566063d113dddea24716c546802770db7481bc0)
160f0b76eSHong Zhang static char help[] = "Demonstrates adjoint sensitivity analysis for Reaction-Diffusion Equations.\n";
260f0b76eSHong Zhang 
360f0b76eSHong Zhang /*
460f0b76eSHong Zhang   See ex5.c for details on the equation.
560f0b76eSHong Zhang   This code demonestrates the TSAdjoint interface to a system of time-dependent partial differential equations.
660f0b76eSHong Zhang   It computes the sensitivity of a component in the final solution, which locates in the center of the 2D domain, w.r.t. the initial conditions.
760f0b76eSHong Zhang   The user does not need to provide any additional functions. The required functions in the original simulation are reused in the adjoint run.
860f0b76eSHong Zhang 
960f0b76eSHong Zhang   Runtime options:
1060f0b76eSHong Zhang     -forwardonly  - run the forward simulation without adjoint
1160f0b76eSHong Zhang     -implicitform - provide IFunction and IJacobian to TS, if not set, RHSFunction and RHSJacobian will be used
1260f0b76eSHong Zhang     -aijpc        - set the preconditioner matrix to be aij (the Jacobian matrix can be of a different type such as ELL)
1360f0b76eSHong Zhang */
1460f0b76eSHong Zhang 
1560f0b76eSHong Zhang #include "reaction_diffusion.h"
1660f0b76eSHong Zhang #include <petscdm.h>
1760f0b76eSHong Zhang #include <petscdmda.h>
1860f0b76eSHong Zhang 
1960f0b76eSHong Zhang /* Matrix free support */
2060f0b76eSHong Zhang typedef struct {
2160f0b76eSHong Zhang   PetscReal time;
2260f0b76eSHong Zhang   Vec       U;
2360f0b76eSHong Zhang   Vec       Udot;
2460f0b76eSHong Zhang   PetscReal shift;
2560f0b76eSHong Zhang   AppCtx*   appctx;
2660f0b76eSHong Zhang   TS        ts;
2760f0b76eSHong Zhang } MCtx;
2860f0b76eSHong Zhang 
2960f0b76eSHong Zhang /*
3060f0b76eSHong Zhang    User-defined routines
3160f0b76eSHong Zhang */
3260f0b76eSHong Zhang PetscErrorCode InitialConditions(DM,Vec);
3360f0b76eSHong Zhang PetscErrorCode RHSJacobianShell(TS,PetscReal,Vec,Mat,Mat,void*);
3460f0b76eSHong Zhang PetscErrorCode IJacobianShell(TS,PetscReal,Vec,Vec,PetscReal,Mat,Mat,void*);
3560f0b76eSHong Zhang 
3660f0b76eSHong Zhang PetscErrorCode InitializeLambda(DM da,Vec lambda,PetscReal x,PetscReal y)
3760f0b76eSHong Zhang {
3860f0b76eSHong Zhang    PetscInt i,j,Mx,My,xs,ys,xm,ym;
3960f0b76eSHong Zhang    Field **l;
4060f0b76eSHong Zhang    PetscFunctionBegin;
4160f0b76eSHong Zhang 
42*9566063dSJacob Faibussowitsch    PetscCall(DMDAGetInfo(da,PETSC_IGNORE,&Mx,&My,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE));
4360f0b76eSHong Zhang    /* locate the global i index for x and j index for y */
4460f0b76eSHong Zhang    i = (PetscInt)(x*(Mx-1));
4560f0b76eSHong Zhang    j = (PetscInt)(y*(My-1));
46*9566063dSJacob Faibussowitsch    PetscCall(DMDAGetCorners(da,&xs,&ys,NULL,&xm,&ym,NULL));
4760f0b76eSHong Zhang 
4860f0b76eSHong Zhang    if (xs <= i && i < xs+xm && ys <= j && j < ys+ym) {
4960f0b76eSHong Zhang      /* the i,j vertex is on this process */
50*9566063dSJacob Faibussowitsch      PetscCall(DMDAVecGetArray(da,lambda,&l));
5160f0b76eSHong Zhang      l[j][i].u = 1.0;
5260f0b76eSHong Zhang      l[j][i].v = 1.0;
53*9566063dSJacob Faibussowitsch      PetscCall(DMDAVecRestoreArray(da,lambda,&l));
5460f0b76eSHong Zhang    }
5560f0b76eSHong Zhang    PetscFunctionReturn(0);
5660f0b76eSHong Zhang }
5760f0b76eSHong Zhang 
5860f0b76eSHong Zhang static PetscErrorCode MyRHSMatMultTranspose(Mat A_shell,Vec X,Vec Y)
5960f0b76eSHong Zhang {
6060f0b76eSHong Zhang   MCtx           *mctx;
6160f0b76eSHong Zhang   AppCtx         *appctx;
6260f0b76eSHong Zhang   DM             da;
6360f0b76eSHong Zhang   PetscInt       i,j,Mx,My,xs,ys,xm,ym;
6460f0b76eSHong Zhang   PetscReal      hx,hy,sx,sy;
6560f0b76eSHong Zhang   PetscScalar    uc,uxx,uyy,vc,vxx,vyy,ucb,vcb;
6660f0b76eSHong Zhang   Field          **u,**x,**y;
6760f0b76eSHong Zhang   Vec            localX;
6860f0b76eSHong Zhang 
6960f0b76eSHong Zhang   PetscFunctionBeginUser;
70*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(MatShellGetContext(A_shell,&mctx));
7160f0b76eSHong Zhang   appctx = mctx->appctx;
72*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSGetDM(mctx->ts,&da));
73*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMGetLocalVector(da,&localX));
74*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMDAGetInfo(da,PETSC_IGNORE,&Mx,&My,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE));
7560f0b76eSHong Zhang   hx = 2.50/(PetscReal)Mx; sx = 1.0/(hx*hx);
7660f0b76eSHong Zhang   hy = 2.50/(PetscReal)My; sy = 1.0/(hy*hy);
7760f0b76eSHong Zhang 
7860f0b76eSHong Zhang   /* Scatter ghost points to local vector,using the 2-step process
7960f0b76eSHong Zhang      DMGlobalToLocalBegin(),DMGlobalToLocalEnd().
8060f0b76eSHong Zhang      By placing code between these two statements, computations can be
8160f0b76eSHong Zhang      done while messages are in transition. */
82*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMGlobalToLocalBegin(da,X,INSERT_VALUES,localX));
83*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMGlobalToLocalEnd(da,X,INSERT_VALUES,localX));
8460f0b76eSHong Zhang 
8560f0b76eSHong Zhang   /* Get pointers to vector data */
86*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMDAVecGetArrayRead(da,localX,&x));
87*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMDAVecGetArrayRead(da,mctx->U,&u));
88*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMDAVecGetArray(da,Y,&y));
8960f0b76eSHong Zhang 
9060f0b76eSHong Zhang   /* Get local grid boundaries */
91*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMDAGetCorners(da,&xs,&ys,NULL,&xm,&ym,NULL));
9260f0b76eSHong Zhang 
9360f0b76eSHong Zhang   /* Compute function over the locally owned part of the grid */
9460f0b76eSHong Zhang   for (j=ys; j<ys+ym; j++) {
9560f0b76eSHong Zhang     for (i=xs; i<xs+xm; i++) {
9660f0b76eSHong Zhang       uc        = u[j][i].u;
9760f0b76eSHong Zhang       ucb       = x[j][i].u;
9860f0b76eSHong Zhang       uxx       = (-2.0*ucb + x[j][i-1].u + x[j][i+1].u)*sx;
9960f0b76eSHong Zhang       uyy       = (-2.0*ucb + x[j-1][i].u + x[j+1][i].u)*sy;
10060f0b76eSHong Zhang       vc        = u[j][i].v;
10160f0b76eSHong Zhang       vcb       = x[j][i].v;
10260f0b76eSHong Zhang       vxx       = (-2.0*vcb + x[j][i-1].v + x[j][i+1].v)*sx;
10360f0b76eSHong Zhang       vyy       = (-2.0*vcb + x[j-1][i].v + x[j+1][i].v)*sy;
10460f0b76eSHong Zhang       y[j][i].u = appctx->D1*(uxx + uyy) - ucb*(vc*vc+appctx->gamma) + vc*vc*vcb;
10560f0b76eSHong Zhang       y[j][i].v = appctx->D2*(vxx + vyy) - 2.0*uc*vc*ucb + (2.0*uc*vc-appctx->gamma - appctx->kappa)*vcb;
10660f0b76eSHong Zhang     }
10760f0b76eSHong Zhang   }
108*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMDAVecRestoreArrayRead(da,localX,&x));
109*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMDAVecRestoreArrayRead(da,mctx->U,&u));
110*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMDAVecRestoreArray(da,Y,&y));
111*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMRestoreLocalVector(da,&localX));
11260f0b76eSHong Zhang   PetscFunctionReturn(0);
11360f0b76eSHong Zhang }
11460f0b76eSHong Zhang 
11560f0b76eSHong Zhang static PetscErrorCode MyIMatMultTranspose(Mat A_shell,Vec X,Vec Y)
11660f0b76eSHong Zhang {
11760f0b76eSHong Zhang   MCtx           *mctx;
11860f0b76eSHong Zhang   AppCtx         *appctx;
11960f0b76eSHong Zhang   DM             da;
12060f0b76eSHong Zhang   PetscInt       i,j,Mx,My,xs,ys,xm,ym;
12160f0b76eSHong Zhang   PetscReal      hx,hy,sx,sy;
12260f0b76eSHong Zhang   PetscScalar    uc,uxx,uyy,vc,vxx,vyy,ucb,vcb;
12360f0b76eSHong Zhang   Field          **u,**x,**y;
12460f0b76eSHong Zhang   Vec            localX;
12560f0b76eSHong Zhang 
12660f0b76eSHong Zhang   PetscFunctionBeginUser;
127*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(MatShellGetContext(A_shell,&mctx));
12860f0b76eSHong Zhang   appctx = mctx->appctx;
129*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSGetDM(mctx->ts,&da));
130*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMGetLocalVector(da,&localX));
131*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMDAGetInfo(da,PETSC_IGNORE,&Mx,&My,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE));
13260f0b76eSHong Zhang   hx = 2.50/(PetscReal)Mx; sx = 1.0/(hx*hx);
13360f0b76eSHong Zhang   hy = 2.50/(PetscReal)My; sy = 1.0/(hy*hy);
13460f0b76eSHong Zhang 
13560f0b76eSHong Zhang   /* Scatter ghost points to local vector,using the 2-step process
13660f0b76eSHong Zhang      DMGlobalToLocalBegin(),DMGlobalToLocalEnd().
13760f0b76eSHong Zhang      By placing code between these two statements, computations can be
13860f0b76eSHong Zhang      done while messages are in transition. */
139*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMGlobalToLocalBegin(da,X,INSERT_VALUES,localX));
140*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMGlobalToLocalEnd(da,X,INSERT_VALUES,localX));
14160f0b76eSHong Zhang 
14260f0b76eSHong Zhang   /* Get pointers to vector data */
143*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMDAVecGetArrayRead(da,localX,&x));
144*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMDAVecGetArrayRead(da,mctx->U,&u));
145*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMDAVecGetArray(da,Y,&y));
14660f0b76eSHong Zhang 
14760f0b76eSHong Zhang   /* Get local grid boundaries */
148*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMDAGetCorners(da,&xs,&ys,NULL,&xm,&ym,NULL));
14960f0b76eSHong Zhang 
15060f0b76eSHong Zhang   /* Compute function over the locally owned part of the grid */
15160f0b76eSHong Zhang   for (j=ys; j<ys+ym; j++) {
15260f0b76eSHong Zhang     for (i=xs; i<xs+xm; i++) {
15360f0b76eSHong Zhang       uc        = u[j][i].u;
15460f0b76eSHong Zhang       ucb       = x[j][i].u;
15560f0b76eSHong Zhang       uxx       = (-2.0*ucb + x[j][i-1].u + x[j][i+1].u)*sx;
15660f0b76eSHong Zhang       uyy       = (-2.0*ucb + x[j-1][i].u + x[j+1][i].u)*sy;
15760f0b76eSHong Zhang       vc        = u[j][i].v;
15860f0b76eSHong Zhang       vcb       = x[j][i].v;
15960f0b76eSHong Zhang       vxx       = (-2.0*vcb + x[j][i-1].v + x[j][i+1].v)*sx;
16060f0b76eSHong Zhang       vyy       = (-2.0*vcb + x[j-1][i].v + x[j+1][i].v)*sy;
16160f0b76eSHong Zhang       y[j][i].u = appctx->D1*(uxx + uyy) - ucb*(vc*vc+appctx->gamma) + vc*vc*vcb;
16260f0b76eSHong Zhang       y[j][i].v = appctx->D2*(vxx + vyy) - 2.0*uc*vc*ucb + (2.0*uc*vc-appctx->gamma - appctx->kappa)*vcb;
16360f0b76eSHong Zhang       y[j][i].u = mctx->shift*ucb - y[j][i].u;
16460f0b76eSHong Zhang       y[j][i].v = mctx->shift*vcb - y[j][i].v;
16560f0b76eSHong Zhang     }
16660f0b76eSHong Zhang   }
167*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMDAVecRestoreArrayRead(da,localX,&x));
168*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMDAVecRestoreArrayRead(da,mctx->U,&u));
169*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMDAVecRestoreArray(da,Y,&y));
170*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMRestoreLocalVector(da,&localX));
17160f0b76eSHong Zhang   PetscFunctionReturn(0);
17260f0b76eSHong Zhang }
17360f0b76eSHong Zhang 
17460f0b76eSHong Zhang static PetscErrorCode MyIMatMult(Mat A_shell,Vec X,Vec Y)
17560f0b76eSHong Zhang {
17660f0b76eSHong Zhang   MCtx           *mctx;
17760f0b76eSHong Zhang   AppCtx         *appctx;
17860f0b76eSHong Zhang   DM             da;
17960f0b76eSHong Zhang   PetscInt       i,j,Mx,My,xs,ys,xm,ym;
18060f0b76eSHong Zhang   PetscReal      hx,hy,sx,sy;
18160f0b76eSHong Zhang   PetscScalar    uc,uxx,uyy,vc,vxx,vyy,ucb,vcb;
18260f0b76eSHong Zhang   Field          **u,**x,**y;
18360f0b76eSHong Zhang   Vec            localX;
18460f0b76eSHong Zhang 
18560f0b76eSHong Zhang   PetscFunctionBeginUser;
186*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(MatShellGetContext(A_shell,&mctx));
18760f0b76eSHong Zhang   appctx = mctx->appctx;
188*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSGetDM(mctx->ts,&da));
189*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMGetLocalVector(da,&localX));
190*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMDAGetInfo(da,PETSC_IGNORE,&Mx,&My,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE));
19160f0b76eSHong Zhang   hx = 2.50/(PetscReal)Mx; sx = 1.0/(hx*hx);
19260f0b76eSHong Zhang   hy = 2.50/(PetscReal)My; sy = 1.0/(hy*hy);
19360f0b76eSHong Zhang 
19460f0b76eSHong Zhang   /* Scatter ghost points to local vector,using the 2-step process
19560f0b76eSHong Zhang      DMGlobalToLocalBegin(),DMGlobalToLocalEnd().
19660f0b76eSHong Zhang      By placing code between these two statements, computations can be
19760f0b76eSHong Zhang      done while messages are in transition. */
198*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMGlobalToLocalBegin(da,X,INSERT_VALUES,localX));
199*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMGlobalToLocalEnd(da,X,INSERT_VALUES,localX));
20060f0b76eSHong Zhang 
20160f0b76eSHong Zhang   /* Get pointers to vector data */
202*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMDAVecGetArrayRead(da,localX,&x));
203*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMDAVecGetArrayRead(da,mctx->U,&u));
204*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMDAVecGetArray(da,Y,&y));
20560f0b76eSHong Zhang 
20660f0b76eSHong Zhang   /* Get local grid boundaries */
207*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMDAGetCorners(da,&xs,&ys,NULL,&xm,&ym,NULL));
20860f0b76eSHong Zhang 
20960f0b76eSHong Zhang   /* Compute function over the locally owned part of the grid */
21060f0b76eSHong Zhang   for (j=ys; j<ys+ym; j++) {
21160f0b76eSHong Zhang     for (i=xs; i<xs+xm; i++) {
21260f0b76eSHong Zhang       uc        = u[j][i].u;
21360f0b76eSHong Zhang       ucb       = x[j][i].u;
21460f0b76eSHong Zhang       uxx       = (-2.0*ucb + x[j][i-1].u + x[j][i+1].u)*sx;
21560f0b76eSHong Zhang       uyy       = (-2.0*ucb + x[j-1][i].u + x[j+1][i].u)*sy;
21660f0b76eSHong Zhang       vc        = u[j][i].v;
21760f0b76eSHong Zhang       vcb       = x[j][i].v;
21860f0b76eSHong Zhang       vxx       = (-2.0*vcb + x[j][i-1].v + x[j][i+1].v)*sx;
21960f0b76eSHong Zhang       vyy       = (-2.0*vcb + x[j-1][i].v + x[j+1][i].v)*sy;
22060f0b76eSHong Zhang       y[j][i].u = appctx->D1*(uxx + uyy) - (vc*vc+appctx->gamma)*ucb - 2.0*uc*vc*vcb;
22160f0b76eSHong Zhang       y[j][i].v = appctx->D2*(vxx + vyy) + vc*vc*ucb + (2.0*uc*vc-appctx->gamma-appctx->kappa)*vcb;
22260f0b76eSHong Zhang       y[j][i].u = mctx->shift*ucb - y[j][i].u;
22360f0b76eSHong Zhang       y[j][i].v = mctx->shift*vcb - y[j][i].v;
22460f0b76eSHong Zhang     }
22560f0b76eSHong Zhang   }
226*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMDAVecRestoreArrayRead(da,localX,&x));
227*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMDAVecRestoreArrayRead(da,mctx->U,&u));
228*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMDAVecRestoreArray(da,Y,&y));
229*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMRestoreLocalVector(da,&localX));
23060f0b76eSHong Zhang   PetscFunctionReturn(0);
23160f0b76eSHong Zhang }
23260f0b76eSHong Zhang 
23360f0b76eSHong Zhang int main(int argc,char **argv)
23460f0b76eSHong Zhang {
23560f0b76eSHong Zhang   TS             ts;                  /* ODE integrator */
23660f0b76eSHong Zhang   Vec            x;                   /* solution */
23760f0b76eSHong Zhang   DM             da;
23860f0b76eSHong Zhang   AppCtx         appctx;
23960f0b76eSHong Zhang   MCtx           mctx;
24060f0b76eSHong Zhang   Vec            lambda[1];
24160f0b76eSHong Zhang   PetscBool      forwardonly=PETSC_FALSE,implicitform=PETSC_TRUE,mf = PETSC_FALSE;
24260f0b76eSHong Zhang   PetscLogDouble v1,v2;
24360f0b76eSHong Zhang #if defined(PETSC_USE_LOG)
24460f0b76eSHong Zhang   PetscLogStage  stage;
24560f0b76eSHong Zhang #endif
24660f0b76eSHong Zhang 
247*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscInitialize(&argc,&argv,(char*)0,help));
248*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscOptionsGetBool(NULL,NULL,"-forwardonly",&forwardonly,NULL));
249*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscOptionsGetBool(NULL,NULL,"-implicitform",&implicitform,NULL));
25060f0b76eSHong Zhang   appctx.aijpc = PETSC_FALSE;
251*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscOptionsGetBool(NULL,NULL,"-aijpc",&appctx.aijpc,NULL));
252*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscOptionsGetBool(NULL,NULL,"-mf",&mf,NULL));
25360f0b76eSHong Zhang 
25460f0b76eSHong Zhang   appctx.D1    = 8.0e-5;
25560f0b76eSHong Zhang   appctx.D2    = 4.0e-5;
25660f0b76eSHong Zhang   appctx.gamma = .024;
25760f0b76eSHong Zhang   appctx.kappa = .06;
25860f0b76eSHong Zhang 
25960f0b76eSHong Zhang   PetscLogStageRegister("MyAdjoint", &stage);
26060f0b76eSHong Zhang   /* - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
26160f0b76eSHong Zhang      Create distributed array (DMDA) to manage parallel grid and vectors
26260f0b76eSHong Zhang   - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - */
263*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMDACreate2d(PETSC_COMM_WORLD,DM_BOUNDARY_PERIODIC,DM_BOUNDARY_PERIODIC,DMDA_STENCIL_STAR,64,64,PETSC_DECIDE,PETSC_DECIDE,2,1,NULL,NULL,&da));
264*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSetFromOptions(da));
265*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSetUp(da));
266*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMDASetFieldName(da,0,"u"));
267*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMDASetFieldName(da,1,"v"));
26860f0b76eSHong Zhang 
26960f0b76eSHong Zhang   /*  - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
27060f0b76eSHong Zhang      Extract global vectors from DMDA; then duplicate for remaining
27160f0b76eSHong Zhang      vectors that are the same types
27260f0b76eSHong Zhang    - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - */
273*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMCreateGlobalVector(da,&x));
27460f0b76eSHong Zhang 
27560f0b76eSHong Zhang   /* - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
27660f0b76eSHong Zhang      Create timestepping solver context
27760f0b76eSHong Zhang      - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - */
278*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSCreate(PETSC_COMM_WORLD,&ts));
279*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSSetDM(ts,da));
280*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSSetProblemType(ts,TS_NONLINEAR));
281*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSSetEquationType(ts,TS_EQ_ODE_EXPLICIT)); /* less Jacobian evaluations when adjoint BEuler is used, otherwise no effect */
28260f0b76eSHong Zhang   if (!implicitform) {
283*9566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(TSSetType(ts,TSRK));
284*9566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(TSSetRHSFunction(ts,NULL,RHSFunction,&appctx));
285*9566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(TSSetRHSJacobian(ts,NULL,NULL,RHSJacobian,&appctx));
28660f0b76eSHong Zhang   } else {
287*9566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(TSSetType(ts,TSCN));
288*9566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(TSSetIFunction(ts,NULL,IFunction,&appctx));
28960f0b76eSHong Zhang     if (appctx.aijpc) {
29060f0b76eSHong Zhang       Mat                    A,B;
29160f0b76eSHong Zhang 
292*9566063dSJacob Faibussowitsch       PetscCall(DMSetMatType(da,MATSELL));
293*9566063dSJacob Faibussowitsch       PetscCall(DMCreateMatrix(da,&A));
294*9566063dSJacob Faibussowitsch       PetscCall(MatConvert(A,MATAIJ,MAT_INITIAL_MATRIX,&B));
29560f0b76eSHong Zhang       /* FIXME do we need to change viewer to display matrix in natural ordering as DMCreateMatrix_DA does? */
296*9566063dSJacob Faibussowitsch       PetscCall(TSSetIJacobian(ts,A,B,IJacobian,&appctx));
297*9566063dSJacob Faibussowitsch       PetscCall(MatDestroy(&A));
298*9566063dSJacob Faibussowitsch       PetscCall(MatDestroy(&B));
29960f0b76eSHong Zhang     } else {
300*9566063dSJacob Faibussowitsch       PetscCall(TSSetIJacobian(ts,NULL,NULL,IJacobian,&appctx));
30160f0b76eSHong Zhang     }
30260f0b76eSHong Zhang   }
30360f0b76eSHong Zhang 
30460f0b76eSHong Zhang   if (mf) {
30560f0b76eSHong Zhang     PetscInt xm,ym,Mx,My,dof;
30660f0b76eSHong Zhang     mctx.ts = ts;
30760f0b76eSHong Zhang     mctx.appctx = &appctx;
308*9566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(VecDuplicate(x,&mctx.U));
30960f0b76eSHong Zhang     /* - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
31060f0b76eSHong Zhang       Create matrix free context
31160f0b76eSHong Zhang       - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - */
312*9566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(DMDAGetInfo(da,PETSC_IGNORE,&Mx,&My,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,&dof,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE));
313*9566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(DMDAGetCorners(da,NULL,NULL,NULL,&xm,&ym,NULL));
314*9566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(MatCreateShell(PETSC_COMM_WORLD,dof*xm*ym,PETSC_DETERMINE,dof*Mx*My,dof*Mx*My,&mctx,&appctx.A));
315*9566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(MatShellSetOperation(appctx.A,MATOP_MULT_TRANSPOSE,(void (*)(void))MyRHSMatMultTranspose));
31660f0b76eSHong Zhang     if (!implicitform) { /* for explicit methods only */
317*9566063dSJacob Faibussowitsch       PetscCall(TSSetRHSJacobian(ts,appctx.A,appctx.A,RHSJacobianShell,&appctx));
31860f0b76eSHong Zhang     } else {
319*9566063dSJacob Faibussowitsch       /* PetscCall(VecDuplicate(appctx.U,&mctx.Udot)); */
320*9566063dSJacob Faibussowitsch       PetscCall(MatShellSetOperation(appctx.A,MATOP_MULT,(void (*)(void))MyIMatMult));
321*9566063dSJacob Faibussowitsch       PetscCall(MatShellSetOperation(appctx.A,MATOP_MULT_TRANSPOSE,(void (*)(void))MyIMatMultTranspose));
322*9566063dSJacob Faibussowitsch       PetscCall(TSSetIJacobian(ts,appctx.A,appctx.A,IJacobianShell,&appctx));
32360f0b76eSHong Zhang     }
32460f0b76eSHong Zhang   }
32560f0b76eSHong Zhang 
32660f0b76eSHong Zhang   /* - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
32760f0b76eSHong Zhang      Set initial conditions
32860f0b76eSHong Zhang    - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - */
329*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(InitialConditions(da,x));
330*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSSetSolution(ts,x));
33160f0b76eSHong Zhang 
33260f0b76eSHong Zhang   /*
33360f0b76eSHong Zhang     Have the TS save its trajectory so that TSAdjointSolve() may be used
33460f0b76eSHong Zhang   */
335*9566063dSJacob Faibussowitsch   if (!forwardonly) PetscCall(TSSetSaveTrajectory(ts));
33660f0b76eSHong Zhang 
33760f0b76eSHong Zhang   /* - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
33860f0b76eSHong Zhang      Set solver options
33960f0b76eSHong Zhang    - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - */
340*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSSetMaxTime(ts,200.0));
341*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSSetTimeStep(ts,0.5));
342*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSSetExactFinalTime(ts,TS_EXACTFINALTIME_MATCHSTEP));
343*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSSetFromOptions(ts));
34460f0b76eSHong Zhang 
345*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscTime(&v1));
34660f0b76eSHong Zhang   /* - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
34760f0b76eSHong Zhang      Solve ODE system
34860f0b76eSHong Zhang      - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - */
349*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSSolve(ts,x));
35060f0b76eSHong Zhang   if (!forwardonly) {
35160f0b76eSHong Zhang     /* - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
35260f0b76eSHong Zhang        Start the Adjoint model
35360f0b76eSHong Zhang        - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - */
354*9566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(VecDuplicate(x,&lambda[0]));
35560f0b76eSHong Zhang     /*   Reset initial conditions for the adjoint integration */
356*9566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(InitializeLambda(da,lambda[0],0.5,0.5));
357*9566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(TSSetCostGradients(ts,1,lambda,NULL));
35860f0b76eSHong Zhang     PetscLogStagePush(stage);
359*9566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(TSAdjointSolve(ts));
36060f0b76eSHong Zhang     PetscLogStagePop();
361*9566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(VecDestroy(&lambda[0]));
36260f0b76eSHong Zhang   }
363*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscTime(&v2));
364*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscPrintf(PETSC_COMM_WORLD," %.3lf ",v2-v1));
36560f0b76eSHong Zhang 
36660f0b76eSHong Zhang   /* - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
36760f0b76eSHong Zhang      Free work space.  All PETSc objects should be destroyed when they
36860f0b76eSHong Zhang      are no longer needed.
36960f0b76eSHong Zhang    - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - */
370*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(VecDestroy(&x));
371*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSDestroy(&ts));
372*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMDestroy(&da));
37360f0b76eSHong Zhang   if (mf) {
374*9566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(VecDestroy(&mctx.U));
375*9566063dSJacob Faibussowitsch     /* PetscCall(VecDestroy(&mctx.Udot));*/
376*9566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(MatDestroy(&appctx.A));
37760f0b76eSHong Zhang   }
378*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscFinalize());
379b122ec5aSJacob Faibussowitsch   return 0;
38060f0b76eSHong Zhang }
38160f0b76eSHong Zhang 
38260f0b76eSHong Zhang /* ------------------------------------------------------------------- */
38360f0b76eSHong Zhang PetscErrorCode RHSJacobianShell(TS ts,PetscReal t,Vec U,Mat A,Mat BB,void *ctx)
38460f0b76eSHong Zhang {
38560f0b76eSHong Zhang   MCtx           *mctx;
38660f0b76eSHong Zhang 
38760f0b76eSHong Zhang   PetscFunctionBegin;
388*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(MatShellGetContext(A,&mctx));
389*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(VecCopy(U,mctx->U));
39060f0b76eSHong Zhang   PetscFunctionReturn(0);
39160f0b76eSHong Zhang }
39260f0b76eSHong Zhang 
39360f0b76eSHong Zhang PetscErrorCode IJacobianShell(TS ts,PetscReal t,Vec U,Vec Udot,PetscReal a,Mat A,Mat BB,void *ctx)
39460f0b76eSHong Zhang {
39560f0b76eSHong Zhang   MCtx           *mctx;
39660f0b76eSHong Zhang 
39760f0b76eSHong Zhang   PetscFunctionBegin;
398*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(MatShellGetContext(A,&mctx));
399*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(VecCopy(U,mctx->U));
400*9566063dSJacob Faibussowitsch   /* PetscCall(VecCopy(Udot,mctx->Udot)); */
40160f0b76eSHong Zhang   mctx->shift = a;
40260f0b76eSHong Zhang   PetscFunctionReturn(0);
40360f0b76eSHong Zhang }
40460f0b76eSHong Zhang 
40560f0b76eSHong Zhang /* ------------------------------------------------------------------- */
40660f0b76eSHong Zhang PetscErrorCode InitialConditions(DM da,Vec U)
40760f0b76eSHong Zhang {
40860f0b76eSHong Zhang   PetscInt       i,j,xs,ys,xm,ym,Mx,My;
40960f0b76eSHong Zhang   Field          **u;
41060f0b76eSHong Zhang   PetscReal      hx,hy,x,y;
41160f0b76eSHong Zhang 
41260f0b76eSHong Zhang   PetscFunctionBegin;
413*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMDAGetInfo(da,PETSC_IGNORE,&Mx,&My,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE,PETSC_IGNORE));
41460f0b76eSHong Zhang 
41560f0b76eSHong Zhang   hx = 2.5/(PetscReal)Mx;
41660f0b76eSHong Zhang   hy = 2.5/(PetscReal)My;
41760f0b76eSHong Zhang 
41860f0b76eSHong Zhang   /*
41960f0b76eSHong Zhang      Get pointers to vector data
42060f0b76eSHong Zhang   */
421*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMDAVecGetArray(da,U,&u));
42260f0b76eSHong Zhang 
42360f0b76eSHong Zhang   /*
42460f0b76eSHong Zhang      Get local grid boundaries
42560f0b76eSHong Zhang   */
426*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMDAGetCorners(da,&xs,&ys,NULL,&xm,&ym,NULL));
42760f0b76eSHong Zhang 
42860f0b76eSHong Zhang   /*
42960f0b76eSHong Zhang      Compute function over the locally owned part of the grid
43060f0b76eSHong Zhang   */
43160f0b76eSHong Zhang   for (j=ys; j<ys+ym; j++) {
43260f0b76eSHong Zhang     y = j*hy;
43360f0b76eSHong Zhang     for (i=xs; i<xs+xm; i++) {
43460f0b76eSHong Zhang       x = i*hx;
43560f0b76eSHong Zhang       if ((1.0 <= x) && (x <= 1.5) && (1.0 <= y) && (y <= 1.5)) u[j][i].v = .25*PetscPowReal(PetscSinReal(4.0*PETSC_PI*x),2.0)*PetscPowReal(PetscSinReal(4.0*PETSC_PI*y),2.0);
43660f0b76eSHong Zhang       else u[j][i].v = 0.0;
43760f0b76eSHong Zhang 
43860f0b76eSHong Zhang       u[j][i].u = 1.0 - 2.0*u[j][i].v;
43960f0b76eSHong Zhang     }
44060f0b76eSHong Zhang   }
44160f0b76eSHong Zhang 
44260f0b76eSHong Zhang   /*
44360f0b76eSHong Zhang      Restore vectors
44460f0b76eSHong Zhang   */
445*9566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMDAVecRestoreArray(da,U,&u));
44660f0b76eSHong Zhang   PetscFunctionReturn(0);
44760f0b76eSHong Zhang }
44860f0b76eSHong Zhang 
44960f0b76eSHong Zhang /*TEST
45060f0b76eSHong Zhang 
45160f0b76eSHong Zhang    build:
45260f0b76eSHong Zhang       depends: reaction_diffusion.c
45360f0b76eSHong Zhang       requires: !complex !single
45460f0b76eSHong Zhang 
45560f0b76eSHong Zhang    test:
45660f0b76eSHong Zhang       requires: cams
457533251d3SHong Zhang       args: -mf -ts_max_steps 10 -ts_monitor -ts_adjoint_monitor -ts_trajectory_type memory -ts_trajectory_solution_only 0 -ts_trajectory_max_units_ram 6 -ts_trajectory_memory_type cams
45860f0b76eSHong Zhang TEST*/
459