Preparing 1-L2

exercise/Makefile

@@ -1,21 +1,25 @@
-PDF = exercise-0.pdf exercise-1.pdf exercise-2.pdf exercise-3.pdf exercise-4.pdf \
-	exercise-2-1.pdf exercise-2-2.pdf exercise-2-3.pdf exercise-2-4.pdf
-ZIP = example-2-L1.zip example-2-L2.zip example-2-L3.zip example-2-EX3.zip example-2-L4.zip example-2-EX4.zip
+ZIP = example-1-L2.zip \
+	example-2-L1.zip example-2-L2.zip example-2-L3.zip example-2-EX3.zip example-2-L4.zip example-2-EX4.zip
 
-EXAMPLE2L1 = basics/bisection.c eigenvalue_problem/double_well.c linear_system/determinant.c linear_system/lu_decomp.c linear_system/matrix_util.h linear_system/input1.dat linear_system/input2.dat
+EXAMPLE1L2 = matrix/cmatrix.h matrix/matrix_example.c matrix/vector.dat matrix/matrix.dat \
+	matrix/pointer.c \
+	matrix/dgemm.h matrix/multiply.c matrix/multiply_dgemm.c \
+	linear_system/lu_decomp.c linear_system/input1.dat \
+	monte_carlo/mersenne_twister.h
+
+EXAMPLE2L1 = basics/bisection.c eigenvalue_problem/double_well.c linear_system/determinant.c linear_system/lu_decomp.c matrix/cmatrix.h linear_system/input1.dat linear_system/input2.dat
 
 EXAMPLE2L2 = monte_carlo/random.c monte_carlo/histogram.c \
 	monte_carlo/harmonic.c monte_carlo/square_lattice.c \
-	linear_system/matrix_util.h monte_carlo/mersenne_twister.h
+	matrix/cmatrix.h monte_carlo/mersenne_twister.h
 
-EXAMPLE2L3 = monte_carlo/bond_table.c monte_carlo/exact_counting.c linear_system/matrix_util.h linear_system/mersenne_twister.h linear_system/multiply.c linear_system/multiply_dgemm.c
+EXAMPLE2L3 = monte_carlo/bond_table.c monte_carlo/exact_counting.c matrix/cmatrix.h monte_carlo/mersenne_twister.h matrix/multiply.c matrix/multiply_dgemm.c
 
-EXAMPLE2EX3 = monte_carlo/random.c monte_carlo/histogram.c monte_carlo/bond_table.c monte_carlo/exact_counting.c linear_system/matrix_util.h linear_system/mersenne_twister.h linear_system/multiply.c linear_system/multiply_dgemm.c monte_carlo/transfer_matrix.c
+EXAMPLE2EX3 = monte_carlo/random.c monte_carlo/histogram.c monte_carlo/bond_table.c monte_carlo/exact_counting.c matrix/cmatrix.h monte_carlo/mersenne_twister.h matrix/multiply.c matrix/multiply_dgemm.c monte_carlo/transfer_matrix.c
 
 EXAMPLE2L4 = optimization/func_1d.h optimization/func_2d.h optimization/golden_section.c optimization/mc_steepest_descent_1d.c optimization/mc_steepest_descent_2d.c optimization/simulated_annealing_1d.c optimization/simulated_annealing_2d.c monte_carlo/mersenne_twister.h
 
-EXAMPLE2EX4 = optimization/func_1d.h optimization/func_2d.h optimization/golden_section.c optimization/nelder_mead_2d.c linear_system/steepest_descent.c linear_system/matrix_util.h linear_system/input3.dat optimization/measurement-3.dat linear_system/poisson.h linear_system/poisson_dense.c linear_system/poisson_lu.c linear_system/poisson_sparse.c
-
+EXAMPLE2EX4 = optimization/func_1d.h optimization/func_2d.h optimization/golden_section.c optimization/nelder_mead_2d.c linear_system/steepest_descent.c matrix/cmatrix.h linear_system/input3.dat optimization/measurement-3.dat linear_system/poisson.h linear_system/poisson_dense.c linear_system/poisson_lu.c linear_system/poisson_sparse.c
 
 .SUFFIXES: .pdf .dvi .tex
 
@@ -28,6 +32,15 @@ default: $(PDF) $(ZIP)
 .dvi.pdf:
 	TEXINPUTS=.:./style//: dvipdfmx -I 24 $< > /dev/null
 
+example-1-L2.zip : $(EXAMPLE1L2)
+	rm -rf example-1-L2
+	mkdir example-1-L2
+	cp -p $(EXAMPLE1L2) example-1-L2
+	echo "CFLAGS = -O3" > example-1-L2/Makefile
+	echo "LDLIBS = -llapack -lblas" >> example-1-L2/Makefile
+	zip example-1-L2.zip example-1-L2/*
+	rm -rf example-1-L2
+
 example-2-L1.zip : $(EXAMPLE2L1)
 	rm -rf example-2-L1
 	mkdir example-2-L1

lecture/13_lapack.tex

@@ -35,6 +35,7 @@ \section{C言語における行列・LAPACKの利用}
     \end{itemize}
   \item C言語では配列の添字は0から始まることに注意
   \item \verb^double v[10];^ と宣言した場合、\verb^v[0]^ 〜 \verb^v[9]^ の10個の要素を持つ配列が作られる。\verb^v[10]^ は存在しない。値を代入したり参照しようとするとエラーとなる
+  \item ポインタ確認プログラム: \href{https://github.com/todo-group/computer-experiments/blob/master/exercise/matrix/pointer.c}{pointer.c}
   \end{itemize}
 \end{frame}
 
@@ -52,6 +53,7 @@ \section{C言語における行列・LAPACKの利用}
     \item \verb^*(m+2)[3]^ と \verb^*((m+2)[3])^ と \verb^*(m[5])^ と\verb^m[5][0]^ は等価
     \item \verb^[]^は\verb^*^よりも強い
     \end{itemize}
+  \item ポインタ確認プログラム: \href{https://github.com/todo-group/computer-experiments/blob/master/exercise/matrix/pointer.c}{pointer.c}
   \end{itemize}
 \end{frame}
 
@@ -68,7 +70,7 @@ \section{C言語における行列・LAPACKの利用}
   a[i] = (double*)malloc((size_t)(n * sizeof(double));
 \end{lstlisting}
 \item 各行を保持する配列が、メモリ上で連続に確保される保証はない
-\item LAPACKを使うときに問題となる
+\item 行列用のライブラリ(LAPACK等)を使うときに問題となる
   \end{itemize}
 \end{frame}
 
@@ -93,20 +95,58 @@ \section{C言語における行列・LAPACKの利用}
   \end{itemize}
 \end{frame}
 
+\begin{frame}[t,fragile]{Column-majorとraw-major}
+  \begin{itemize}
+    % \setlength{\itemsep}{1em}
+  \item CとFortranで、二次元配列のメモリ上での並びが違う \\
+    Cはrow-major: {\tt a[0][0], a[0][1], a[0][2], $\cdots$} \\
+    Fortranはcolumn-major: {\tt a(1,1), a(2,1), a(3,1), $\cdots$}
+  \item 多くの線形代数ライブラリはFortranで書かれている
+  \item Cで作成した行列をFortranに渡すと転置されてしまう
+
+    {\tt a[i][j]}はFortranでは行列の(j,i)成分と解釈される
+  \item あらかじめ転置して(i,j)成分を{\tt a[j][i]}にセットすれば良い
+  \item C言語のマクロを使うと(少し?)便利
+\begin{lstlisting}
+#define mat_elem(mat, i, j) (mat)[j][i]
+\end{lstlisting}
+このマクロを使うと(i,j)成分の操作は以下のように書ける
+\begin{lstlisting}
+mat_elem(a, i, j) = ...;
+\end{lstlisting}
+  \end{itemize}
+\end{frame}
+
 \begin{frame}[t,fragile]{動的二次元配列の確保}
   \begin{itemize}
-    \setlength{\itemsep}{1em}
-  \item 二次元配列の確保({\tt alloc\_dmatrix})、開放({\tt free\_dmatrix})、出力({\tt print\_dmatrix})、読み込み({\tt read\_dmatrix})を行うためのユーティリティ関数を準備
-  \item ソースコード: \href{https://github.com/todo-group/computer-experiments/blob/master/exercise/linear_system/matrix_util.h}{exercise/linear\_system/matrix\_util.h}
+    %\setlength{\itemsep}{1em}
+  \item Column-major形式の二次元配列の確保({\tt alloc\_dmatrix})、開放({\tt free\_dmatrix})、出力({\tt print\_dmatrix})、読み込み({\tt read\_dmatrix})を行うためのユーティリティ関数、(i,j)成分にアクセスするためのマクロ({\tt mat\_elem})他を準備
+  \item ソースコード: \href{https://github.com/todo-group/computer-experiments/blob/master/exercise/matrix/cmatrix.h}{cmatrix.h}
   \item 使用例
 \begin{lstlisting}
-#include "matrix_util.h"
+#include "cmatrix.h"
 ...
 double **mat;
 mat = alloc_dmatrix(m, n);
+mat_elem(mat, 1, 3) = 5.0;
 ...
 free_dmatrix(mat);
 \end{lstlisting}
+  \item サンプルコード: \href{https://github.com/todo-group/computer-experiments/blob/master/exercise/matrix/matrix_example.c}{matrix\_example.c}
+  \end{itemize}
+\end{frame}
+
+\begin{frame}[t,fragile]{BLASライブラリ}
+  \begin{itemize}
+    \setlength{\itemsep}{1em}
+  \item 行列・行列積、行列・ベクトル積などを高速に行う最適化された関数群
+  \item 行列・行列積を計算するサブルーチン {\tt dgemm} \\
+    \url{http://www.netlib.org/lapack/explore-html/d7/d2b/dgemm_8f.html}
+    \begin{itemize}
+    \item $C = \alpha A \times B + \beta C$ を計算
+    \item BLASもFortranで書かれている
+    \end{itemize}
+  \item 例: \href{https://github.com/todo-group/computer-experiments/blob/master/exercise/matrix/multiply.c}{multiply.c}, \href{https://github.com/todo-group/computer-experiments/blob/master/exercise/matrix/multiply_dgemm.c}{multiply\_dgemm.c}
   \end{itemize}
 \end{frame}
 
@@ -138,7 +178,7 @@ \section{C言語における行列・LAPACKの利用}
          integer LDA, integer, dimension(*) IPIV,
          integer INFO)
 \end{lstlisting}
-\item {\tt A}: 左辺の行列、{\tt N,M}: 次元、{\tt IPIV}: 選択されたピボット行のリスト、{\tt lda}: {\tt M}と同じで良い
+\item {\tt A}: 左辺の行列、{\tt N,M}: 次元、{\tt IPIV}: 選択されたピボット行のリスト、{\tt lda}: 通常{\tt M} (行数)と同じで良い
   \end{itemize}
 \end{frame}
 
@@ -153,24 +193,25 @@ \section{C言語における行列・LAPACKの利用}
 関数名は全て小文字。関数名の最後に {\tt \_} (下線)を付ける
 \item LU分解の例
 \begin{lstlisting}
-M = 10;
-N = 10;
-LDA = 10;
-dgetrf_(&M, &N, &A[0][0], &LDA, &IPIV[0], &INFO);
+m = 10;
+m = 10;
+lda = 10;
+dgetrf_(&M, &N, mat_ptr(A), &M, mat_ptr(IPIV), &INFO);
 \end{lstlisting}
-完全なソースコード: \href{https://github.com/todo-group/computer-experiments/blob/master/exercise/linear_system/lu_decomp.c}{exercise/linear\_system/lu\_decomp.c}
+完全なソースコード: \href{https://github.com/todo-group/computer-experiments/blob/master/exercise/linear_system/lu_decomp.c}{lu\_decomp.c}
   \end{itemize}
 \end{frame}
 
 \begin{frame}[t,fragile]{CからFortranのライブラリを呼び出す際の注意事項}
   \begin{itemize}
     \setlength{\itemsep}{1em}
   \item スカラーも配列も全てポインタ渡しとする
-  \item C言語は添字が0から始まる。Fortranは1から始まる
-  \item CとFortranで、二次元配列のメモリ上での並びが違う \\
-    Cはrow-major: {\tt a[0][0], a[0][1], a[0][2], $\cdots$} \\
-    Fortranはcolumn-major: {\tt a(1,1), a(2,1), a(3,1), $\cdots$} \\
-  \item Cで作成した行列をFortranに渡すと転置されてしまう
-  \item コンパイル時には{\tt -llapack}オプションを指定し、LAPACKライブラリをリンクする(ハンドブック3.1.6節)
+  \item 行列やベクトルは最初の要素へのポインタを渡す
+    \begin{itemize}
+      \item 行列の最初の要素(0,0)へのポインタ: \verb+&a[0][0]+
+      \item ベクトルの最初の要素(0)へのポインタ: \verb+&v[0]+
+      \item \href{https://github.com/todo-group/computer-experiments/blob/master/exercise/matrix/cmatrix.h}{cmatrix.h}にマクロ({\tt mat\_ptr}、{\tt vec\_ptr})が準備されているのでそれぞれ、{\tt mat\_ptr(a)}、{\tt vec\_ptr(v)}と書ける
+    \end{itemize}
+  \item コンパイル時には{\tt -llapack -lblas}オプションを指定し、LAPACKライブラリとBLASライブラリをリンクする(ハンドブック3.1.6節)
   \end{itemize}
 \end{frame}

lecture/lecture-1-2.tex

@@ -1,8 +1,10 @@
+% -*- coding: utf-8 -*-
+
 \documentclass[dvipdfmx]{beamer}
 \usepackage{tutorial}
 
 \title{計算機実験I (L2) --- 常微分方程式の解法}
-\date{2017/05/10}
+\date{2018/05/09}
 
 \begin{document}
 
@@ -14,7 +16,6 @@
 \input{20_ode.tex}
 \input{22_numerov.tex}
 \input{21_symplectic.tex}
-\input{30_intro.tex}
-\input{31_direct.tex}
+\input{13_lapack.tex}
 
 \end{document}

lecture/lecture-2-3.tex

@@ -254,23 +254,6 @@ \section{転送行列法}
   \end{itemize}
 \end{frame}
 
-\begin{frame}[t,fragile]{BLASライブラリ}
-  \begin{itemize}
-    %\setlength{\itemsep}{1em}
-  \item 行列・行列積、行列・ベクトル積などを高速に行う最適化された関数群
-  \item コンパイル時に {\tt -lblas} オプションを指定してBLASライブラリをリンクする
-  \item 行列・行列積を計算するサブルーチン {\tt dgemm} \\
-    \url{http://www.netlib.org/lapack/explore-html/d7/d2b/dgemm_8f.html}
-    \begin{itemize}
-    \item $C = \alpha A \times B + \beta C$ を計算
-    \item BLASもFortranで書かれているので行列が転置される
-    \item 行列$A$と$B$については、引数{\tt TRANSA}、{\tt TRANSB}で転置するかどうか指定可能だが、行列$C$については不可
-    \item $C = A \times B$のかわりに$C^t = B^t \times A^t$を計算すればよい
-    \end{itemize}
-  \item 例: \href{https://github.com/todo-group/computer-experiments/blob/master/exercise/linear_system/multiply.c}{example-2-L3/multiply.c}, \href{https://github.com/todo-group/computer-experiments/blob/master/exercise/linear_system/multiply_dgemm.c}{example-2-L3/multiply\_dgemm.c}
-  \end{itemize}
-\end{frame}
-
 \input{13_lapack.tex}
 
 \section{分子動力学法}

lecture/style/tutorial.sty

@@ -33,17 +33,24 @@
 %\logo{\pgfuseimage{university-logo}\hspace*{2em}}
 
 % ソースコード表示用
-\usepackage{listings,jlisting}
+%\usepackage{listings,jlisting}
+\usepackage{listings}
 \input{python_listing.tex}
 % 実行コマンド記述用のスタイル(bashシェル用で、生成されたPDFからコピー＆ペーストできるように空白を保つ)
 \lstdefinestyle{shstyle}{
     language=bash,
     basicstyle=\ttfamily\tiny,
+    keywordstyle={\color{RGB}{139,175,219}},
     frame=single,
     keepspaces=true,
     rulecolor=\color[cmyk]{0, 0.29,0.84,0}
 }
-\lstset{language={C},basicstyle=\ttfamily\scriptsize,showspaces=false,rulecolor=\color[cmyk]{0, 0.29,0.84,0}}
+\lstset{language={C},
+  basicstyle=\ttfamily\scriptsize,
+  showspaces=false,
+  keywordstyle=\color[cmyk]{1, 0.6, 0, 0},
+  rulecolor=\color[cmyk]{0, 0.29,0.84,0}
+}
 
 % 箇条書きの２階層目のマーカを三角にする
 \setbeamertemplate{itemize subitem}[triangle]