A finite-element toolbox for the stationary Gross-Pitaevskii equation with rotation

We present a new numerical system using classical finite elements with mesh adaptivity for computing stationary solutions of the Gross-Pitaevskii equation. The programs are written as a toolbox for FreeFem++ (www.freefem.org), a free finite-element software available for all existing operating systems. This offers the advantage to hide all technical issues related to the implementation of the finite element method, allowing to easily implement various numerical algorithms.Two robust and optimised numerical methods were implemented to minimize the Gross-Pitaevskii energy: a steepest descent method based on Sobolev gradients and a minimization algorithm based on the state-of-the-art optimization library Ipopt. For both methods, mesh adaptivity strategies are implemented to reduce the computational time and increase the local spatial accuracy when vortices are present. Different run cases are made available for 2D and 3D configurations of Bose-Einstein condensates in rotation. An optional graphical user interface is also provided, allowing to easily run predefined cases or with user-defined parameter files. We also provide several post-processing tools (like the identification of quantized vortices) that could help in extracting physical features from the simulations. The toolbox is extremely versatile and can be easily adapted to deal with different physical models

développement d'outils d'optimisation pour freefem++

Cette thèse est consacrée au développement d'outils pour FreeFem++ destinés à faciliter la résolution des problèmes d'optimisation. Ce travail se compose de deux parties principales. La première consiste en la programmation, la validation et l'exploitation d'interfaces permettant l¿utilisation de routines d'optimisation directement dans le logiciel. La seconde comprend le développement de solutions pour le calcul automatisé des dérivées, toujours au sein de FreeFem++, en exploitant les paradigmes de la différentiation automatique. FreeFem++ est un environnement de développement intégré dédié à la résolution numérique d¿équations aux dérivées partielles en dimension 2 et 3. Son langage ergonomique permet à l'utilisateur d'exploiter aisément ses nombreux outils de création de maillages, de résolution de systèmes linéaires, ainsi que ses bibliothèques d'éléments finis, etc... Nous introduisons les nouvelles routines d'optimisation désormais accessibles depuis la bibliothèque de modules du logiciel. En particulier, le logiciel libre d'optimisation sous contraintes IPOPT, qui implémente une méthode de points intérieurs très robuste pour l¿optimisation en grande dimension. Nous appliquons avec succès ces algorithmes à une série de problèmes concrets parmi lesquels la résolution numérique de problèmes de sur- faces minimales, la simulation de condensats de Bose-Einstein, ou encore un problème de positionnement inverse en mécanique des fluides. Une version prototypique de FreeFem++ contenant les outils de différentiation automatique est présentée, après avoir exposé les principes fondamentaux de cette méthode de calcul de dérivées pour le calcul scientifique.The goal of this Ph.D. thesis was the development of tools for the FreeFem++ software in order to make optimization problems easier to deal with. This has been accomplished following two main directions. Firstly, a set of optimization softwares is interfaced and validated before making use of them. Then, we analyse the field of automatic differentiation as a potential mean of simplification for the users. FreeFem++ is an integrated development environment dedicated to numerically solving partial differential equations. Its high level language allows the user for a comfortable experience while using its mesh generation capabilities, linear system solvers, as well as finite elements capabilities. We describe the newly available optimization features, with a certain emphasis on the open source software IPOPT, which implements a state of the art interior points method for large scale optimization. These optimization tools are then used in a set of quite successful applications, among which minimal surfaces, Bose-Einstein condensate simulation, and an inverse positioning problem in the context of computational fluid dynamics. Finally, after an introduction to the techniques of algorithmic differentiation, we also present an unstable prototype version of FreeFem++ including automatic differentiation features.PARIS-JUSSIEU-Bib.électronique (751059901) / SudocSudocFranceF

Développement d'outils d'optimisation pour freefem++

The goal of this Ph.D. thesis was the development of tools for the FreeFem++ software in order to make optimization problems easier to deal with. This has been accomplished following two main directions. Firstly, a set of optimization softwares is interfaced and validated before making use of them. Then, we analyse the field of automatic differentiation as a potential mean of simplification for the users. FreeFem++ is an integrated development environment dedicated to numerically solving partial differential equations. Its high level language allows the user for a comfortable experience while using its mesh generation capabilities, linear system solvers, as well as finite elements capabilities. We describe the newly available optimization features, with a certain emphasis on the open source software IPOPT, which implements a state of the art interior points method for large scale optimization. These optimization tools are then used in a set of quite successful applications, among which minimal surfaces, Bose-Einstein condensate simulation, and an inverse positioning problem in the context of computational fluid dynamics. Finally, after an introduction to the techniques of algorithmic differentiation, we also present an unstable prototype version of FreeFem++ including automatic differentiation features.Cette thèse est consacrée au développement d'outils pour FreeFem++ destinés à faciliter la résolution des problèmes d'optimisation. Ce travail se compose de deux parties principales. La première consiste en la programmation, la validation et l'exploitation d'interfaces permettant l'utilisation de routines d'optimisation directement dans le logiciel. La seconde comprend le développement de solutions pour le calcul automatisé des dérivées, toujours au sein de FreeFem++, en exploitant les paradigmes de la différentiation automatique. FreeFem++ est un environnement de développement intégré dédié à la résolution numérique d'équations aux dérivées partielles en dimension 2 et 3. Son langage ergonomique permet à l'utilisateur d'exploiter aisément ses nombreux outils de création de maillages, de résolution de systèmes linéaires, ainsi que ses bibliothèques d'éléments finis, etc... Nous introduisons les nouvelles routines d'optimisation désormais accessibles depuis la bibliothèque de modules du logiciel. En particulier, le logiciel libre d'optimisation sous contraintes IPOPT, qui implémente une méthode de points intérieurs très robuste pour l'optimisation en grande dimension. Nous appliquons avec succès ces algorithmes à une série de problèmes concrets parmi lesquels la résolution numérique de problèmes de surfaces minimales, la simulation de condensats de Bose-Einstein, ou encore un problème de positionnement inverse en mécanique des fluides. Une version prototypique de FreeFem++ contenant les outils de différentiation automatique est présentée, après avoir exposé les principes fondamentaux de cette méthode de calcul de dérivées pour le calcul scientifique

Optimization tools development for FreeFemm++

Cette thèse est consacrée au développement d'outils pour FreeFem++ destinés à faciliter la résolution des problèmes d'optimisation. Ce travail se compose de deux parties principales. La première consiste en la programmation, la validation et l'exploitation d'interfaces permettant l'utilisation de routines d'optimisation directement dans le logiciel. La seconde comprend le développement de solutions pour le calcul automatisé des dérivées, toujours au sein de FreeFem++, en exploitant les paradigmes de la différentiation automatique. FreeFem++ est un environnement de développement intégré dédié à la résolution numérique d'équations aux dérivées partielles en dimension 2 et 3. Son langage ergonomique permet à l'utilisateur d'exploiter aisément ses nombreux outils de création de maillages, de résolution de systèmes linéaires, ainsi que ses bibliothèques d'éléments finis, etc... Nous introduisons les nouvelles routines d'optimisation désormais accessibles depuis la bibliothèque de modules du logiciel. En particulier, le logiciel libre d'optimisation sous contraintes IPOPT, qui implémente une méthode de points intérieurs très robuste pour l'optimisation en grande dimension. Nous appliquons avec succès ces algorithmes à une série de problèmes concrets parmi lesquels la résolution numérique de problèmes de surfaces minimales, la simulation de condensats de Bose-Einstein, ou encore un problème de positionnement inverse en mécanique des fluides. Une version prototypique de FreeFem++ contenant les outils de différentiation automatique est présentée, après avoir exposé les principes fondamentaux de cette méthode de calcul de dérivées pour le calcul scientifique.The goal of this Ph.D. thesis was the development of tools for the FreeFem++ software in order to make optimization problems easier to deal with. This has been accomplished following two main directions. Firstly, a set of optimization softwares is interfaced and validated before making use of them. Then, we analyse the field of automatic differentiation as a potential mean of simplification for the users. FreeFem++ is an integrated development environment dedicated to numerically solving partial differential equations. Its high level language allows the user for a comfortable experience while using its mesh generation capabilities, linear system solvers, as well as finite elements capabilities. We describe the newly available optimization features, with a certain emphasis on the open source software IPOPT, which implements a state of the art interior points method for large scale optimization. These optimization tools are then used in a set of quite successful applications, among which minimal surfaces, Bose-Einstein condensate simulation, and an inverse positioning problem in the context of computational fluid dynamics. Finally, after an introduction to the techniques of algorithmic differentiation, we also present an unstable prototype version of FreeFem++ including automatic differentiation features

A finite-element toolbox for the stationary Gross-Pitaevskii equation with rotation

We present a new numerical system using classical finite elements with mesh adaptivity for computing stationary solutions of the Gross-Pitaevskii equation. The programs are written as a toolbox for FreeFem++ (www.freefem.org), a free finite-element software available for all existing operating systems. This offers the advantage to hide all technical issues related to the implementation of the finite element method, allowing to easily implement various numerical algorithms.Two robust and optimised numerical methods were implemented to minimize the Gross-Pitaevskii energy: a steepest descent method based on Sobolev gradients and a minimization algorithm based on the state-of-the-art optimization library Ipopt. For both methods, mesh adaptivity strategies are implemented to reduce the computational time and increase the local spatial accuracy when vortices are present. Different run cases are made available for 2D and 3D configurations of Bose-Einstein condensates in rotation. An optional graphical user interface is also provided, allowing to easily run predefined cases or with user-defined parameter files. We also provide several post-processing tools (like the identification of quantized vortices) that could help in extracting physical features from the simulations. The toolbox is extremely versatile and can be easily adapted to deal with different physical models

A finite-element toolbox for the stationary Gross–Pitaevskii equation with rotation

International audienc

A finite-element toolbox for the stationary Gross-Pitaevskii equation with rotation

We present a new numerical system using classical finite elements with mesh adaptivity for computing stationary solutions of the Gross-Pitaevskii equation. The programs are written as a toolbox for FreeFem++ (www.freefem.org), a free finite-element software available for all existing operating systems. This offers the advantage to hide all technical issues related to the implementation of the finite element method, allowing to easily implement various numerical algorithms.Two robust and optimised numerical methods were implemented to minimize the Gross-Pitaevskii energy: a steepest descent method based on Sobolev gradients and a minimization algorithm based on the state-of-the-art optimization library Ipopt. For both methods, mesh adaptivity strategies are implemented to reduce the computational time and increase the local spatial accuracy when vortices are present. Different run cases are made available for 2D and 3D configurations of Bose-Einstein condensates in rotation. An optional graphical user interface is also provided, allowing to easily run predefined cases or with user-defined parameter files. We also provide several post-processing tools (like the identification of quantized vortices) that could help in extracting physical features from the simulations. The toolbox is extremely versatile and can be easily adapted to deal with different physical models

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