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       1           0 : // Distributed under the MIT License.
       2             : // See LICENSE.txt for details.
       3             : 
       4             : #pragma once
       5             : 
       6             : #include <array>
       7             : #include <cstddef>
       8             : #include <limits>
       9             : #include <pup.h>
      10             : 
      11             : #include "DataStructures/CachedTempBuffer.hpp"
      12             : #include "DataStructures/DataBox/Prefixes.hpp"
      13             : #include "DataStructures/Tensor/Tensor.hpp"
      14             : #include "Elliptic/Systems/Poisson/Tags.hpp"
      15             : #include "NumericalAlgorithms/LinearOperators/PartialDerivatives.hpp"
      16             : #include "Options/String.hpp"
      17             : #include "PointwiseFunctions/InitialDataUtilities/AnalyticSolution.hpp"
      18             : #include "Utilities/ContainerHelpers.hpp"
      19             : #include "Utilities/Gsl.hpp"
      20             : #include "Utilities/TMPL.hpp"
      21             : #include "Utilities/TaggedTuple.hpp"
      22             : 
      23             : namespace Poisson::Solutions {
      24             : 
      25             : namespace detail {
      26             : template <typename DataType, size_t Dim>
      27             : struct ProductOfSinusoidsVariables {
      28             :   using Cache = CachedTempBuffer<
      29             :       Tags::Field,
      30             :       ::Tags::deriv<Tags::Field, tmpl::size_t<Dim>, Frame::Inertial>,
      31             :       ::Tags::Flux<Tags::Field, tmpl::size_t<Dim>, Frame::Inertial>,
      32             :       ::Tags::FixedSource<Tags::Field>>;
      33             : 
      34             :   const tnsr::I<DataType, Dim>& x;
      35             :   const std::array<double, Dim>& wave_numbers;
      36             : 
      37             :   void operator()(gsl::not_null<Scalar<DataType>*> field,
      38             :                   gsl::not_null<Cache*> cache, Tags::Field /*meta*/) const;
      39             :   void operator()(gsl::not_null<tnsr::i<DataType, Dim>*> field_gradient,
      40             :                   gsl::not_null<Cache*> cache,
      41             :                   ::Tags::deriv<Tags::Field, tmpl::size_t<Dim>,
      42             :                                 Frame::Inertial> /*meta*/) const;
      43             :   void operator()(gsl::not_null<tnsr::I<DataType, Dim>*> flux_for_field,
      44             :                   gsl::not_null<Cache*> cache,
      45             :                   ::Tags::Flux<Tags::Field, tmpl::size_t<Dim>,
      46             :                                Frame::Inertial> /*meta*/) const;
      47             :   void operator()(gsl::not_null<Scalar<DataType>*> fixed_source_for_field,
      48             :                   gsl::not_null<Cache*> cache,
      49             :                   ::Tags::FixedSource<Tags::Field> /*meta*/) const;
      50             : };
      51             : }  // namespace detail
      52             : 
      53             : /*!
      54             :  * \brief A product of sinusoids \f$u(\boldsymbol{x}) = \prod_i \sin(k_i x_i)\f$
      55             :  *
      56             :  * \details Solves the Poisson equation \f$-\Delta u(x)=f(x)\f$ for a source
      57             :  * \f$f(x)=\boldsymbol{k}^2\prod_i \sin(k_i x_i)\f$.
      58             :  */
      59             : template <size_t Dim>
      60           1 : class ProductOfSinusoids : public elliptic::analytic_data::AnalyticSolution {
      61             :  public:
      62           0 :   struct WaveNumbers {
      63           0 :     using type = std::array<double, Dim>;
      64           0 :     static constexpr Options::String help{"The wave numbers of the sinusoids"};
      65             :   };
      66             : 
      67           0 :   using options = tmpl::list<WaveNumbers>;
      68           0 :   static constexpr Options::String help{
      69             :       "A product of sinusoids that are taken of a wave number times the "
      70             :       "coordinate in each dimension."};
      71             : 
      72           0 :   ProductOfSinusoids() = default;
      73           0 :   ProductOfSinusoids(const ProductOfSinusoids&) = default;
      74           0 :   ProductOfSinusoids& operator=(const ProductOfSinusoids&) = default;
      75           0 :   ProductOfSinusoids(ProductOfSinusoids&&) = default;
      76           0 :   ProductOfSinusoids& operator=(ProductOfSinusoids&&) = default;
      77           0 :   ~ProductOfSinusoids() override = default;
      78           0 :   std::unique_ptr<elliptic::analytic_data::AnalyticSolution> get_clone()
      79             :       const override {
      80             :     return std::make_unique<ProductOfSinusoids>(*this);
      81             :   }
      82             : 
      83             :   /// \cond
      84             :   explicit ProductOfSinusoids(CkMigrateMessage* m)
      85             :       : elliptic::analytic_data::AnalyticSolution(m) {}
      86             :   using PUP::able::register_constructor;
      87             :   WRAPPED_PUPable_decl_template(ProductOfSinusoids);  // NOLINT
      88             :   /// \endcond
      89             : 
      90           0 :   explicit ProductOfSinusoids(const std::array<double, Dim>& wave_numbers)
      91             :       : wave_numbers_(wave_numbers) {}
      92             : 
      93             :   template <typename DataType, typename... RequestedTags>
      94           0 :   tuples::TaggedTuple<RequestedTags...> variables(
      95             :       const tnsr::I<DataType, Dim>& x,
      96             :       tmpl::list<RequestedTags...> /*meta*/) const {
      97             :     using VarsComputer = detail::ProductOfSinusoidsVariables<DataType, Dim>;
      98             :     typename VarsComputer::Cache cache{get_size(*x.begin())};
      99             :     const VarsComputer computer{x, wave_numbers_};
     100             :     return {cache.get_var(computer, RequestedTags{})...};
     101             :   }
     102             : 
     103             :   // NOLINTNEXTLINE(google-runtime-references)
     104           0 :   void pup(PUP::er& p) override {
     105             :     elliptic::analytic_data::AnalyticSolution::pup(p);
     106             :     p | wave_numbers_;
     107             :   }
     108             : 
     109           0 :   const std::array<double, Dim>& wave_numbers() const { return wave_numbers_; }
     110             : 
     111             :  private:
     112           0 :   std::array<double, Dim> wave_numbers_{
     113             :       {std::numeric_limits<double>::signaling_NaN()}};
     114             : };
     115             : 
     116             : /// \cond
     117             : template <size_t Dim>
     118             : PUP::able::PUP_ID ProductOfSinusoids<Dim>::my_PUP_ID = 0;  // NOLINT
     119             : /// \endcond
     120             : 
     121             : template <size_t Dim>
     122           0 : bool operator==(const ProductOfSinusoids<Dim>& lhs,
     123             :                 const ProductOfSinusoids<Dim>& rhs) {
     124             :   return lhs.wave_numbers() == rhs.wave_numbers();
     125             : }
     126             : 
     127             : template <size_t Dim>
     128           0 : bool operator!=(const ProductOfSinusoids<Dim>& lhs,
     129             :                 const ProductOfSinusoids<Dim>& rhs) {
     130             :   return not(lhs == rhs);
     131             : }
     132             : 
     133             : }  // namespace Poisson::Solutions