К основному содержанию
скилл CX Codex

convergence-study — скилл для Claude Code: анализ сеточной сходимости

Считает наблюдаемый порядок сходимости по сгущению сетки или шага по времени, оценивает погрешность дискретизации и GCI по ASME V&V 20.

Установить в Claude Code · Через Skills CLI (Vercel) Все способы и платформы ↓
npx skills add HeshamFS/materials-simulation-skills --skill convergence-study -a claude-code
Открыть на GitHub

Что делает convergence-study

Скилл проверяет, что численное решение сходится с ожидаемой скоростью при измельчении сетки или шага по времени. Внутри четыре скрипта: h_refinement.py и dt_refinement.py считают наблюдаемые порядки, richardson_extrapolation.py оценивает погрешность дискретизации, gci_calculator.py выдаёт Grid Convergence Index. Все считают только на стандартной библиотеке Python, сторонних пакетов не нужно. Достаточно Python 3.10+.

Скрипты запускаются из командной строки и отдают JSON. Например, для пространственной сходимости на четырёх уровнях: python3 scripts/h_refinement.py --spacings 0.4,0.2,0.1,0.05 --values 1.16,1.04,1.01,1.0025 --expected-order 2.0 --json. Для GCI нужно ровно три уровня — мелкий, средний и крупный; на двух скрипт остановится с ошибкой «Exactly 3 refinement levels required».

Есть подвох с асимптотическим отношением. При равных коэффициентах сгущения формула AR = GCI_coarse / (r^p * GCI_fine) алгебраически сводится к f1/f2 и меряет только разрыв между двумя самыми мелкими значениями QoI, а не следование степенному закону. Поэтому AR около 1.0 ничего не гарантирует, если наблюдаемый порядок далёк от ожидаемого. Скрипт помечает это в поле notes. Для настоящей проверки нужны 4+ систематически сгущённых сетки и совпадение порядка на соседних тройках.

Какие задачи решает

  • посчитать наблюдаемый порядок сходимости по сгущению сетки
  • оценить погрешность дискретизации методом Ричардсона
  • выдать GCI для формального отчёта о верификации
  • проверить, попали ли сетки в асимптотический диапазон
  • сравнить наблюдаемый порядок с теоретическим порядком схемы

Примеры запросов агенту

  • Посчитай порядок сходимости по сеткам 0.4, 0.2, 0.1, 0.05 со значениями 1.16, 1.04, 1.01, 1.0025 при ожидаемом порядке 2.0
  • Сделай GCI по трём сеткам 0.04, 0.02, 0.01 со значениями 1.0128, 1.0032, 1.0008
  • Оцени погрешность дискретизации через Ричардсона для шагов 0.02 и 0.01 со значениями 1.0032 и 1.0008

Как установить convergence-study

1Через Skills CLI (Vercel)

npx skills add HeshamFS/materials-simulation-skills --skill convergence-study -a claude-code

2Вручную: положить файлы

~/.claude/skills/convergence-study/SKILL.md

Папка скилла целиком; для одного проекта — .claude/skills/convergence-study/

По шагам, с командами для каждой платформы: Как установить скилл в Claude Code: пять способов

Вопросы о convergence-study

Как установить convergence-study в Claude Code?

Выполните npx skills add HeshamFS/materials-simulation-skills --skill convergence-study -a claude-code. Скилл встанет в ~/.claude/skills/convergence-study/SKILL.md.

Что делает convergence-study?

Считает наблюдаемый порядок сходимости по сгущению сетки или шага по времени, оценивает погрешность дискретизации методом Ричардсона и вычисляет Grid Convergence Index по ASME V&V 20.

Почему асимптотическое отношение GCI около 1.0 не доказывает сходимость?

При равных коэффициентах сгущения оно сводится к отношению двух самых мелких значений QoI и не проверяет степенной закон. Наблюдаемый порядок всё равно нужно сравнить с ожидаемым.

Исходный текст

SKILL.md · Apache-2.0
---
name: convergence-study
description: >
  Perform spatial and temporal convergence analysis for solution verification —
  compute observed convergence orders from grid or timestep refinement studies,
  apply Richardson extrapolation to estimate discretization error, and calculate
  the Grid Convergence Index (GCI) per ASME V&V 20 standards. Use when verifying
  that a numerical solution converges at the expected rate, estimating the
  error on the finest mesh, checking whether grids are in the asymptotic range,
  or preparing formal verification reports, even if the user only asks "is my
  mesh fine enough" or "how accurate is my solution."
allowed-tools:
  - Bash
  - Read
metadata:
  last_deterministic_eval: "2026-10-20"
  agent_evaluation_status: "not_revalidated"
  author: HeshamFS
  version: "1.2.3"
  standards:
    - "ASME V&V 20 (Standard for Verification and Validation in Computational Fluid Dynamics and Heat Transfer)"
    - "Roache, Grid Convergence Index (GCI) method with safety factors Fs in {1.25, 3.0}"
    - "Richardson extrapolation for discretization error estimation"
    - "Method of Manufactured Solutions (MMS) for code verification"
    - "AIAA verification and validation guidelines"
  security_tier: high
  security_reviewed: true
  tested_with:
    - claude-code
  last_evaluated: "2026-06-24"
  eval_cases: 8
  last_reviewed: "2026-10-19"
---

# Convergence Study

## Goal

Provide script-driven convergence analysis for verifying that numerical solutions converge at the expected rate as the mesh or timestep is refined.

## Requirements

- Python 3.10+
- No third-party packages — scripts use only the Python standard library (`math`).

## Inputs to Gather

| Input | Description | Example |
|-------|-------------|---------|
| Grid spacings | Sequence of mesh sizes (coarse to fine) | `0.4,0.2,0.1,0.05` |
| Timestep sizes | Sequence of dt values | `0.04,0.02,0.01` |
| Solution values | QoI at each refinement level | `1.16,1.04,1.01,1.0025` |
| Expected order | Formal order of the numerical scheme | `2.0` |
| Safety factor | GCI safety factor (1.25 default) | `1.25` |

## Script Outputs (JSON Fields)

| Script | Key Outputs |
|--------|-------------|
| `scripts/h_refinement.py` | `results.observed_orders`, `results.mean_order`, `results.richardson_extrapolated_value`, `results.convergence_assessment` |
| `scripts/dt_refinement.py` | Same as h_refinement but for temporal convergence |
| `scripts/richardson_extrapolation.py` | `results.extrapolated_value`, `results.error_estimate`, `results.observed_order` |
| `scripts/gci_calculator.py` | `results.observed_order`, `results.gci_fine`, `results.gci_coarse`, `results.asymptotic_ratio`, `results.in_asymptotic_range`, `results.extrapolated_value`, `results.notes` |

## Workflow

1. **Run grid/timestep refinement study** with at least 3 levels
2. **Compute observed convergence order** with `h_refinement.py` or `dt_refinement.py`
3. **Compare** observed order to expected order of the scheme
4. **Estimate discretization error** via Richardson extrapolation
5. **Report GCI** for formal solution verification using `gci_calculator.py`
6. **Document** convergence results and any anomalies

## Decision Guidance

```
Do you have 3+ refinement levels?
+-- YES --> Run h_refinement.py or dt_refinement.py
|           +-- Observed order matches expected? --> Order agreement; check persistence and error assumptions
|           +-- Order too low? --> Check: pre-asymptotic, coding error, insufficient resolution
|           +-- Order too high? --> Check: superconvergence or cancellation effects
+-- NO (only 2 levels) --> Use richardson_extrapolation.py with assumed order
                           (less reliable without order verification)
```

## CLI Examples

```bash
# Spatial convergence with 4 grid levels
python3 scripts/h_refinement.py --spacings 0.4,0.2,0.1,0.05 --values 1.16,1.04,1.01,1.0025 --expected-order 2.0 --json

# Temporal convergence with 3 timestep levels
python3 scripts/dt_refinement.py --timesteps 0.04,0.02,0.01 --values 2.12,2.03,2.0075 --expected-order 2.0 --json

# Richardson extrapolation with assumed 2nd-order
python3 scripts/richardson_extrapolation.py --spacings 0.02,0.01 --values 1.0032,1.0008 --order 2.0 --json

# GCI for 3-mesh verification
python3 scripts/gci_calculator.py --spacings 0.04,0.02,0.01 --values 1.0128,1.0032,1.0008 --json
```

## Error Handling

| Error | Cause | Resolution |
|-------|-------|------------|
| `spacings and values must have the same length` | Mismatched input arrays | Provide equal-length lists |
| `At least 2 refinement levels required` | Too few data points | Add more refinement levels |
| `Exactly 3 refinement levels required` | GCI needs 3 levels | Provide fine/medium/coarse |
| `Oscillatory convergence detected` | Non-monotone convergence | Check mesh quality or scheme |

## Interpretation Guidance

| Scenario | Meaning | Action |
|----------|---------|--------|
| Observed order matches expected | Evidence consistent with the expected error law | Check persistence across levels; label estimates conditional |
| Observed order < expected | Pre-asymptotic or coding bug | Refine further or debug |
| Negative observed order | Solution diverging | Check implementation |
| GCI asymptotic ratio near 1.0 | See caveat below | Confirm with order comparison |
| GCI asymptotic ratio far from 1.0 | Not in asymptotic range | Refine further |

> **Asymptotic-ratio caveat (constant refinement ratios).** When the refinement
> ratios are equal (`r21 == r32`, the common case), the asymptotic ratio
> `AR = GCI_coarse / (r^p * GCI_fine)` reduces algebraically to `f1/f2`. It then
> only measures the relative gap between the two finest QoI values — **not** whether
> the data follow the assumed power law — so an `AR` near 1.0 can give false
> reassurance even when the observed order is far from expected. The
> `gci_calculator.py` JSON emits a `notes` entry flagging this. For a real
> asymptotic-range determination:
> 1. Compare the observed order `p` to the scheme's theoretical/expected order — a
>    match supports the expected error law but does not establish an asymptotic range.
> 2. For stronger verification, use 4+ systematically refined grids and check that
>    the observed order is consistent across successive grid triplets
>    (`h_refinement.py` reports one order per triplet plus `mean_order`).

## Verification checklist

When explaining a refinement result, compare only the dimensionless
`results.mean_order` with the expected order. The
`results.richardson_extrapolated_value` estimates the observable at zero spacing
and has the same units as the input observable; it is never the convergence
order. Use `order_comparison`, `extrapolation_evidence`, and
`scientific_interpretation` from `h_refinement.py` to keep these roles explicit.
For h=(0.2,0.1,0.05) and values=(1.04,1.01,1.0025), p=2 and the extrapolated
observable=1. Compare 2 with the expected order, not 1. Keep this guidance in
the final synthesis context. A single grid triplet cannot establish stable
order across triplets: `in_asymptotic_range` is null for a positive single
estimate. More grids, residual convergence and model validation remain needed.

Use the [deterministic explanation renderer](../../GROUNDED_EXPLANATIONS.md)
for final scientific text from trusted, input-verified `h_refinement` JSON.
An order agreement decision is true when the measured order is within the
stated tolerance, even though physical accuracy and asymptotic behavior remain
unproven. The relative tolerance 0.1 means 10%, not 0.1%.

- [ ] Used >= 3 systematically refined grids/timesteps so `h_refinement.py` / `dt_refinement.py` can report a `results.mean_order`; recorded the per-triplet `results.observed_orders` (a single-pair Richardson run does not verify order).
- [ ] Recorded `results.mean_order` and confirmed `results.convergence_assessment` reads `PASS` (observed order within 10% of the scheme's expected order); a `FAIL` or `unknown` means the result is not yet verified.
- [ ] Checked `results.in_asymptotic_range` and all notes. Null means insufficient evidence; true is only a successive-order heuristic, not proof. Label any quoted extrapolation conditional on the power-law error assumption, and suppress it for invalid or diverging sequences.
- [ ] Checked refinement ratios `r21`/`r32` from `gci_calculator.py` are >= 1.3 (round-off noise floor) and that no `Oscillatory convergence detected` error was raised.
- [ ] Recorded `results.gci_fine` (with the safety factor used: 1.25 for >= 3 grids with verified order, 3.0 for 2 grids with assumed order) as the reported discretization uncertainty, plus `results.extrapolated_value` as the best estimate.
- [ ] For constant refinement ratios, did NOT treat `asymptotic_ratio` near 1.0 as proof of asymptotic range (it degenerates to `f1/f2`); confirmed the asymptotic range via observed-order-vs-expected and read the `gci_calculator.py` `notes` caveat.

## Common pitfalls & rationalizations

| Tempting shortcut | Why it's wrong / what to do |
|-------------------|------------------------------|
| "Two grids agree closely, so it's converged" | Two levels cannot estimate observed order. Run `h_refinement.py`/`dt_refinement.py` with >= 3 levels; a 2-grid Richardson run uses an *assumed* order and needs safety factor 3.0, not 1.25. |
| "The asymptotic ratio is ~1.0, so we're in the asymptotic range" | With constant refinement ratios `AR = GCI_coarse/(r^p*GCI_fine)` reduces to `f1/f2` and only measures the gap between the two finest QoI values. Verify the asymptotic range by comparing observed order to the expected order (and 4+ grid consistency). |
| "GCI_fine is tiny, so the solution is grid-independent" | A near-zero GCI can also mean the QoI is insensitive to refinement or the differences are in round-off noise (ratios < 1.3). Confirm `in_asymptotic_range` is true and refinement ratios are >= 1.3 first. |
| "Observed order is higher than expected, even better" | Order well above the formal order usually signals superconvergence or error cancellation, not extra accuracy. Treat it as a flag (`convergence_assessment` is FAIL when >10% off) and verify with more grid levels. |
| "The script printed an extrapolated value, so use it" | When the observed order is non-positive the solution is diverging and `h_refinement.py` returns `richardson_extrapolated_value = null` with a diverging note. Do not quote an extrapolated value or GCI in that case. |
| "Implicit/stable solver, so any timestep is fine for the study" | Temporal *stability* is not temporal *accuracy*. `dt_refinement.py` still needs >= 3 systematically reduced timesteps to recover the scheme's order; a too-coarse dt sequence stays pre-asymptotic. |

## Security

### Input Validation
- All numeric parameters (`spacings`, `timesteps`, `values`, `expected-order`, `order`) are validated as finite positive numbers
- Comma-separated value lists are length-matched (spacings and values must have equal length) and capped at 10,000 entries
- GCI calculator enforces exactly 3 refinement levels; Richardson extrapolation requires at least 2
- Safety factor is validated as a finite number not less than 1.0 (Roache uses Fs in {1.25, 3.0})

### File Access
- Scripts read no external files; all inputs are provided via CLI arguments
- Scripts write only to stdout (JSON output); no files are created unless the agent explicitly uses the Write tool

### Tool Restrictions
- **Bash**: Used to execute the four Python analysis scripts (`h_refinement.py`, `dt_refinement.py`, `richardson_extrapolation.py`, `gci_calculator.py`) with explicit argument lists
- **Read**: Used to inspect script source and reference documentation

### Safety Measures
- No `eval()`, `exec()`, or dynamic code generation
- All subprocess calls use explicit argument lists (no `shell=True`)
- Scripts use only Python standard library (`math` module); no pickle loading or deserialization of untrusted data
- Minimal tool surface (Bash and Read only) limits the agent's ability to modify the filesystem

## References

- `references/convergence_theory.md` - Formal convergence order, log-log analysis, asymptotic range
- `references/gci_guidelines.md` - Roache's GCI method, ASME V&V 20, safety factors

© HeshamFS · Apache-2.0 · HeshamFS/materials-simulation-skills

Похожие скиллы

Все скиллы по теме «Наука и исследования» →
anysearch anysearch-ai Скилл подключает поиск в интернете, тематические запросы, параллельный поиск и извлечение содержимого страниц. Пригодится, когда агенту нужны свежие сведения или нужно проверить утверждение. CX Codex +1 38 500установок academic-paper Imbad0202 Скилл разворачивает конвейер из 12 агентов для подготовки научных статей в 11 режимах. Помогает пройти путь от поиска литературы и плана до проверки цитат и ответа рецензентам. CX Codex +1 10 900установок nature-figure Yuan1z0825 Скилл собирает, правит и проверяет рисунки для научных статей на Python или R. Пригодится, когда графики идут в submission, а не в отчёт. CX Codex +1 18 800установок academic-paper-reviewer Imbad0202 Скилл имитирует коллегиальную проверку научной статьи через пять ролей. Пригодится для рецензии, повторной проверки правок и оценки методологии. CX Codex +1 9 900установок nature-polishing Yuan1z0825 Скилл для правки, перевода и сокращения готового академического текста. Держит факты, термины и границы доказательств на месте. CX Codex +1 17 500установок nature-citation Yuan1z skill, refactored into static/dynamic layers Ищет статьи из Nature и семейства CNS для подтверждения тезисов рукописи, связывает утверждения с источниками и готовит экспорт для менеджера ссылок. Пригодится, когда нужны ссылки именно из этих журналов. CX Codex +1 15 600установок

Из того же набора8

simulation-validator Три стадии проверки численных симуляций: предполётная проверка конфига, мониторинг лога и валидация результатов. Плюс разбор упавших запусков. CX Codex +1 ★ 83звёзд репо performance-profiling Находит узкие места в материаловедческих симуляциях: парсит логи времени выполнения, считает эффективность MPI-масштабирования и оценивает требования к памяти. CX Codex +1 ★ 83звёзд репо simulation-failure-triage Классифицирует сбой симуляции LAMMPS, VASP, QE или MOOSE и предлагает план повторных запусков по одному изменению за раз. CX Codex +1 ★ 83звёзд репо ontology-explorer Разбирает OWL/XML-файлы онтологий CMSO и ASMO, показывает дерево классов, свойства и связи domain/range. Пригодится, когда нужно подобрать термин для описания структуры или симуляции. CX Codex +1 ★ 83звёзд репо hpc-runtime-doctor Разбирает, почему уже отправленная задача на кластере упала, зависла или идёт медленно: раскладка MPI/OpenMP/GPU, модули, walltime, restart. CX Codex +1 ★ 83звёзд репо numerical-stability Проверяет условия CFL и Фурье, запускает анализ устойчивости фон Неймана и вычисляет обусловленность матриц для нестационарных задач с частными производными. CX Codex +1 ★ 83звёзд репо mesh-generation Считает шаг сетки по физическим масштабам и проверяет качество ячеек перед запуском решателя. Пригодится, когда солвер не сходится или непонятно, сколько точек класть на интерфейс. CX Codex +1 ★ 83звёзд репо

Спонсоры проекта

Компании, которые помогают держать аналитику открытой