c++包装器的GSL根查找算法与导数

C++ wrapper for GSL root finding algorithm with derivative

本文关键字：算法 查找 包装 GSL c++      更新时间：2023-10-16

所以，当我很高兴在Stack Overflow上找到很多答案时，我决定是时候问自己一个问题了。
我在尝试用一个求导数的寻根算法。根据GSL，我必须提前定义函数及其导数。但是我想知道这是否可以用包装器做得更优雅。

前一段时间我发现了一个非常方便的模板(GSL c++包装器)，它可以很好地用于一个函数，例如集成，我大量使用它。

现在我想知道这种方法是否可以扩展为GSL提供两个函数，即函数本身及其导数。

编辑:解决方案

template <typename F, typename G>
class gsl_root_deriv : public gsl_function_fdf
{
private:
    const F&    _f;
    const G&    _df;
    static double invoke_f(double x, void* params){
        return static_cast<gsl_root_deriv*>(params) -> _f(x);
    }
    static double invoke_df(double x, void* params){
        return static_cast<gsl_root_deriv*>(params) -> _df(x);
    }
    static void     invoke_fdf(double x, void* params, double* f, double* df){
        (*f)    = static_cast<gsl_root_deriv*>(params)  ->  _f(x);
        (*df)   = static_cast<gsl_root_deriv*>(params)  ->  _df(x);
    }
public:
    gsl_root_deriv(const F& f_init, const G& df_init)
    : _f(f_init), _df(df_init)
    {
        f               = &gsl_root_deriv::invoke_f;
        df          = &gsl_root_deriv::invoke_df;
        fdf         = &gsl_root_deriv::invoke_fdf;
        params  = this;
    }
};

和一个类似于GSL的最小示例:

#include <iostream>
#include <gsl/gsl_errno.h>
#include <gsl/gsl_roots.h>
#include <memory>
#include "gsl_root_deriv.h"
int main()
{
auto f = [](double x) -> double { return 0.25 * x*x - 1.0; };
auto df = [](double x) -> double { return 0.5 * x; };
gsl_root_deriv<decltype(f),decltype(df)> Fp(f,df);
int status(0), iter(0), max_iter(100);
const gsl_root_fdfsolver_type* T( gsl_root_fdfsolver_newton);
std::unique_ptr<gsl_root_fdfsolver,void(*)(gsl_root_fdfsolver*)>
    s(gsl_root_fdfsolver_alloc(T),gsl_root_fdfsolver_free);
double x_0(0.0), x(5.0);
gsl_root_fdfsolver_set( s.get(), &Fp, x );
do
{
    iter++;
    std::cout << "Iteration " << iter << std::endl;
    status = gsl_root_fdfsolver_iterate( s.get() );
    x_0 = x;
    x = gsl_root_fdfsolver_root( s.get() );
    status = gsl_root_test_delta( x, x_0, 0.0, 1.0e-3 );
} while( status == GSL_CONTINUE && iter < max_iter );
std::cout << "Converged to root " << x << std::endl;
return 0;
}

亲切的问候,
——克劳斯

你需要做一些修改

Gsl fdf结构如下

struct gsl_function_fdf_struct 
{
  double (* f) (double x, void * params);
  double (* df) (double x, void * params);
  void (* fdf) (double x, void * params, double * f, double * df);
  void * params;
};
typedef struct gsl_function_fdf_struct gsl_function_fdf ;

如果您了解包装器的实际作用，那么您将看到泛化是非常简单的

class gsl_function_fdf_pp : public gsl_function_fdf
{
   public:
   gsl_function_fdf_pp
   (
     std::function<double(double)> const& kf, 
     std::function<double(double)> const& kdf
   ) : _f(kf), _df(kdf)
   {
      f   = &gsl_function_fdf_pp::invoke;
      df  = &gsl_function_fdf_pp::invoke2;
      fdf = &gsl_function_fdf_pp::invoke3;
      params=this;
   }     
   private:
   std::function<double(double)> _f;
   std::function<double(double)> _df;
   static double invoke(double x, void *params) 
   {
     return static_cast<gsl_function_fdf_pp*>(params)->_f(x);
   }
   static double invoke2(double x, void *params) 
   {
     return static_cast<gsl_function_fdf_pp*>(params)->_df(x);
   }
   static void invoke3(double x, void * params, double* f, double* df)
   {
     (*f)  = static_cast<gsl_function_fdf_pp*>(params)->_f(x);
     (*df) = static_cast<gsl_function_fdf_pp*>(params)->_df(x);
   }
};

模板版本。

template< typename F, typename U >  class gsl_function_fdf_pp : public gsl_function_fdf 
{
  public:
  gsl_function_fdf_pp(const F& kf, const U& kdf) : _f(kf), _df(kdf)
  {
    f   = &gsl_function_fdf_pp::invoke;
    df  = &gsl_function_fdf_pp::invoke2;
    fdf = &gsl_function_fdf_pp::invoke3;
    params=this;
  }
  private:
  const F& _f;
  const U& _df;
  static double invoke(double x, void *params) 
  {
    return static_cast<gsl_function_fdf_pp*>(params)->_f(x);
  }
  static double invoke2(double x, void *params) 
  {
    return static_cast<gsl_function_fdf_pp*>(params)->_df(x);
  }
  static void invoke3(double x, void * params, double* f, double* df)
  {
    (*f)  = static_cast<gsl_function_fdf_pp*>(params)->_f(x);
    (*df) = static_cast<gsl_function_fdf_pp*>(params)->_df(x);
  }
};

EDIT2:在修复了两个小问题之后，这个例子可以运行了

int main()
{
  auto f  = [](double x)->double{ return x*x; };
  auto df = [](double x)->double{ return 2.0 * x; };
  gsl_function_fdf_pp<decltype(f),decltype(df)> Fp(f,df);
  return 0;
}
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