Langage Julia

Cours ENPC - Pratique du calcul scientifique

  • Langage de programmation créé en 2009 au MIT

  • Par Jeff Bezanson, Stefan Karpinski, Viral B. Shah, Alan Edelman

  • Version 1.10.2 depuis le 01/03/2024

  • Documentation générale de Julia : https://docs.julialang.org/en/v1/

Installation de Julia → deux options

  1. Gestionnaire de versions juliaup
  1. Versions individuelles depuis https://julialang.org/

Editeur de développement (IDE)

Le REPL et quelques commandes importantes à connaître

  • REPL = read–eval–print loop → console de Julia

  • Le REPL est accessible

    • de manière autonome en tant qu’exécutable ou en tapant julia dans une console (si PATH à jour)

    • intégré dans VSCode en tapant Maj+Ctrl+P puis en cherchant Julia: Start REPL

      Dans VSCode, on peut taper ses lignes de code dans un fichier *.jl et les lancer une par une dans la console intégrée par Maj+Entrée.

  • Depuis le REPL, taper

    • ] donne accès au gestionnaire de bibliothèques

    • ; donne accès au shell mode

    • ? donne accès à l’aide en ligne

    • ⟵ retourne au mode normal

    • Tab pour la complétion automatique

    • les flèches haut et bas pour naviguer dans l’historique (éventuellement filtré par le début de ligne tapé)

Pourquoi Julia ?

  • Julia est facile à apprendre, à lire et à maintenir

  • Julia est rapide

  • Julia est efficace

  • Julia est bien adapté au calcul scientifique

Julia est facile à apprendre, à lire et à maintenir

  • Typage dynamique
x = 1 ; y = π ; z = 1//2 ; t = x + y + z
4.641592653589793
for v ∈ (x,y,z,t) println("$v is a $(typeof(v))") end
1 is a Int64
π is a Irrational{:π}
1//2 is a Rational{Int64}
4.641592653589793 is a Float64
  • Mais possibilité de typage statique
f(x) = 2x
f(x::Float64) = 3x
@show f(1)
@show f(1.) ;
f(1) = 2
f(1.0) = 3.0
  • Définition simplifiée de fonctions courtes (équivalent du lambda de python)

  • Bibliothèque de base contient les tableaux et leurs opérations courantes (+, -, *, \) puis LinearAlgebra pour det, eigen…

  • Compréhension de tableau (for dans le tableau)

A = [63/(i+2j) for i ∈ 1:3, j ∈ 1:3]
3×3 Matrix{Float64}:
 21.0   12.6  9.0
 15.75  10.5  7.875
 12.6    9.0  7.0
x = [1.2, 3.4, 5.6]
b = A*x
A\b
3-element Vector{Float64}:
 1.2000000000000342
 3.3999999999998263
 5.600000000000162
@show A\b == x
@show A\b ≈ x ;
A \ b == x = false
A \ b ≈ x = true
  • Numérotation commence à 1 et remplissage par colonne
  • Caractères unicode
𝒢(x,μ=0.,σ=1.) = 1/σ√(2π) * exp(-(x-μ)^2/2σ^2)
𝒢 (generic function with 3 methods)
@show Σaᵢⱼ² = sum(A.^2)
@show √Σaᵢⱼ² ;
Σaᵢⱼ² = sum(A .^ 2) = 1389.848125
√Σaᵢⱼ² = 37.28066690658846
  • Nouveaux opérateurs binaires
⊕(α,β) = α + β
5 ⊕ 7
12
⊕(α::Array{T,2}, β::Array{T,2}) where {T} = α + β'
⊕ (generic function with 2 methods)
display(A + A)
display(A ⊕ A)
3×3 Matrix{Float64}:
 42.0  25.2  18.0
 31.5  21.0  15.75
 25.2  18.0  14.0
3×3 Matrix{Float64}:
 42.0   28.35   21.6
 28.35  21.0    16.875
 21.6   16.875  14.0

Julia est rapide

CJuliaLuaJITRustGoFortranJavaJavaScriptMatlabMathematicaPythonROctaveiteration_pi_summatrix_multiplymatrix_statisticsparse_integersprint_to_filerecursion_fibonaccirecursion_quicksortuserfunc_mandelbrotbenchmark100101102103104

⚠ Ces résultats ne tiennent pas compte du temps de compilation.

The vertical axis shows each benchmark time normalized against the C implementation. The benchmark data shown above were computed with Julia v1.0.0, SciLua v1.0.0-b12, Rust 1.27.0, Go 1.9, Java 1.8.0_17, Javascript V8 6.2.414.54, Matlab R2018a, Anaconda Python 3.6.3, R 3.5.0, and Octave 4.2.2. C and Fortran are compiled with gcc 7.3.1, taking the best timing from all optimization levels (-O0 through -O3). C, Fortran, Go, Julia, Lua, Python, and Octave use OpenBLAS v0.2.20 for matrix operations; Mathematica uses Intel MKL. The Python implementations of matrix_statistics and matrix_multiply use NumPy v1.14.0 and OpenBLAS v0.2.20 functions; the rest are pure Python implementations. Raw benchmark numbers in CSV format are available under https://github.com/JuliaLang/Microbenchmarks.

These micro-benchmark results were obtained on a single core (serial execution) on an Intel Core i7-3960X 3.30GHz CPU with 64GB of 1600MHz DDR3 RAM, running openSUSE LEAP 15.0 Linux.

Julia est efficace

Un atout majeur est le multiple dispatch

Exemple tiré de la conférence The Unreasonable Effectiveness of Multiple Dispatch de Stefan Karpinski

abstract type Animal end
struct Chien <: Animal; nom::String end
struct Chat <: Animal; nom::String end

function rencontre(a::Animal,b::Animal)
    verb = agit(a,b)
    println("$(a.nom) rencontre $(b.nom) et $verb")
end

agit(a::Chien,b::Chien) = "le renifle" ; agit(a::Chien,b::Chat) = "le chasse"
agit(a::Chat,b::Chien) = "s'enfuit" ; agit(a::Chat,b::Chat) = "miaule"

medor = Chien("Médor") ; 🐶 = Chien("🐶")
felix = Chat("Félix") ; 🐱 = Chat("🐱")

rencontre(medor,🐶)
rencontre(🐶,felix)
rencontre(felix,🐶)
rencontre(🐱,felix)
Médor rencontre 🐶 et le renifle
🐶 rencontre Félix et le chasse
Félix rencontre 🐶 et s'enfuit
🐱 rencontre Félix et miaule

Exemple adapté du blog de Mosè Giordano

abstract type HandShape end
struct Rock     <: HandShape end
struct Paper    <: HandShape end
struct Scissors <: HandShape end
play(::Type{Paper}, ::Type{Rock}) = println("Paper VS Rock ⇒ Paper wins")
play(::Type{Scissors}, ::Type{Paper}) = println("Scissors VS Paper ⇒ Scissors wins")
play(::Type{Rock}, ::Type{Scissors}) = println("Rock VS Scissors ⇒ Rock wins")
play(::Type{T}, ::Type{T}) where {T<: HandShape} = println("Tie between $(T), try again")
play(a::Type{<:HandShape}, b::Type{<:HandShape}) = play(b, a) # Commutativity
play(Paper, Rock)
play(Scissors, Scissors)
play(Paper, Scissors)
Paper VS Rock ⇒ Paper wins
Tie between Scissors, try again
Scissors VS Paper ⇒ Scissors wins

Il est aisé d’ajouter de nouveaux types a posteriori

struct Well <: HandShape end
play(::Type{Well}, ::Type{Rock})     = "Well VS Rock ⇒ Well wins"
play(::Type{Well}, ::Type{Scissors}) = "Well VS Scissors ⇒ Well wins"
play(::Type{Paper}, ::Type{Well})    = "Paper VS Well ⇒ Paper wins"
play(Scissors, Well)
"Well VS Scissors ⇒ Well wins"

Julia est bien adapté au calcul scientifique

  • Différentiation automatique
using Zygote
f(x) = log(x)
f'(2), f''(2)
(0.5, -0.25)
  • Calculs dimensionnels
using Unitful
m = u"m" ; cm = u"cm" ;
@show 1.0m + 1.0cm
println()
@show 1.0u"MPa" + 2.0u"bar" + 3.0u"daN/cm^2"
println()
@show uconvert(u"MPa",1u"bar")
;
1.0m + 1.0cm = 1.01 m

1.0 * u"MPa" + 2.0 * u"bar" + 3.0 * u"daN/cm^2" = 1.5e6 kg m^-1 s^-2

uconvert(u"MPa", 1 * u"bar") = 1//10 MPa
  • Equations différentielles
using ModelingToolkit, DifferentialEquations, Plots
@parameters t
∂_∂(x) = y -> expand_derivatives(Differential(x)(y))
d_dt = ∂_∂(t)
q = @variables θ(t) ϕ(t) ψ(t)
θ̇, ϕ̇, ψ̇ = q̇ = d_dt.(q)
q̈ = d_dt.(q̇)
@parameters g R M m₁ m₂ ℓ₁ ℓ₂ L ;

… éq. d’Euler-Lagrange \(\frac{{\mathrm{d}}}{{\mathrm{d}}t}\left(\frac{∂ℒ}{∂\dot{q_i}}\right) -\frac{∂ℒ}{∂q_i}=0\)

K = Jᴵ * θ̇^2 / 2 + m₁ * (ẋ₁^2 + ẏ₁^2) / 2 + m₂ * (ẋ₂^2 + ẏ₂^2) / 2 
V = -M * g * yᴳ * cos(θ) + m₁ * g * y₁ + m₂ * g * y₂                 
ℒ = K - V
EL = [d_dt(∂_∂(v̇)(ℒ)) - ∂_∂(v)(ℒ) for (v̇, v) ∈ zip(q̇, q)] ;

…

  • Calcul tensoriel
using SymPy, LinearAlgebra, TensND
Spherical = coorsys_spherical()
θ, ϕ, r = getcoords(Spherical)
𝐞ᶿ, 𝐞ᵠ, 𝐞ʳ = unitvec(Spherical)
@set_coorsys Spherical
𝕀, 𝕁, 𝕂 = ISO() ; 𝟏 = tensId2()
k, μ = symbols("k μ", positive = true)
λ = k -2μ/3
u = SymFunction("u", real = true)
𝛆 = SYMGRAD(u(r) * 𝐞ʳ)
𝛆 |> intrinsic
(u(r)/r)𝐞ᶿ⊗𝐞ᶿ + (u(r)/r)𝐞ᵠ⊗𝐞ᵠ + (Derivative(u(r), r))𝐞ʳ⊗𝐞ʳ
𝛔 = λ * tr(𝛆) * 𝟏 + 2μ * 𝛆
eq = DIV(𝛔) ⋅ 𝐞ʳ
sol = dsolve(eq, u(r))

\(u{\left(r \right)} = \frac{C_{1}}{r^{2}} + C_{2} r\)

T̂ = tfactor(tsimplify(tsubs(𝐞ʳ ⋅ 𝛔 ⋅ 𝐞ʳ, u(r) => sol.rhs())))

\(\frac{- 4 C_{1} μ + 3 C_{2} k r^{3}}{r^{3}}\)

Références pour auto-formation