check/exam_factor.cpp

   1 /** @file exam_factor.cpp
   2  *
   3  *  Factorization test suite. */
   4
   5 /*
   6  *  GiNaC Copyright (C) 1999-2019 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
   7  *
   8  *  This program is free software; you can redistribute it and/or modify
   9  *  it under the terms of the GNU General Public License as published by
  10  *  the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
  11  *  (at your option) any later version.
  12  *
  13  *  This program is distributed in the hope that it will be useful,
  14  *  but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  15  *  MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  16  *  GNU General Public License for more details.
  17  *
  18  *  You should have received a copy of the GNU General Public License
  19  *  along with this program; if not, write to the Free Software
  20  *  Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA
  21  */
  22
  23 #include "ginac.h"
  24 using namespace GiNaC;
  25
  26 #include <iostream>
  27 using namespace std;
  28
  29 static symbol w("w"), x("x"), y("y"), z("z");
  30
  31 static unsigned check_factor(const ex& e)
  32 {
  33         ex ee = e.expand();
  34         ex answer = factor(ee);
  35         if ( answer.expand() != ee || answer != e ) {
  36                 clog << "factorization of " << e << " == " << ee << " gave wrong result: " << answer << endl;
  37                 return 1;
  38         }
  39         return 0;
  40 }
  41
  42 static unsigned exam_factor1()
  43 {
  44         unsigned result = 0;
  45         ex e;
  46         symbol x("x");
  47         lst syms;
  48         syms.append(x);
  49
  50         e = ex("1+x-x^3", syms);
  51         result += check_factor(e);
  52
  53         e = ex("1+x^6+x", syms);
  54         result += check_factor(e);
  55
  56         e = ex("1-x^6+x", syms);
  57         result += check_factor(e);
  58
  59         e = ex("(1+x)^3", syms);
  60         result += check_factor(e);
  61
  62         e = ex("(x+1)*(x+4)", syms);
  63         result += check_factor(e);
  64
  65         e = ex("x^6-3*x^5+x^4-3*x^3-x^2-3*x+1", syms);
  66         result += check_factor(e);
  67
  68         e = ex("(-1+x)^3*(1+x)^3*(1+x^2)", syms);
  69         result += check_factor(e);
  70
  71         e = ex("-(-168+20*x-x^2)*(30+x)", syms);
  72         result += check_factor(e);
  73
  74         e = ex("x^2*(x-3)^2*(x^3-5*x+7)", syms);
  75         result += check_factor(e);
  76
  77         e = ex("-6*x^2*(x-3)", syms);
  78         result += check_factor(e);
  79
  80         e = ex("x^16+11*x^4+121", syms);
  81         result += check_factor(e);
  82
  83         e = ex("x^8-40*x^6+352*x^4-960*x^2+576", syms);
  84         result += check_factor(e);
  85
  86         e = ex("x*(2+x^2)*(1+x+x^3+x^2+x^6+x^5+x^4)*(1+x)^2*(1-x+x^2)^2*(-1+x)", syms);
  87         result += check_factor(e);
  88
  89         e = ex("(x+4+x^2-x^3+43*x^4)*(x+1-x^2-3*x^3+4*x^4)", syms);
  90         result += check_factor(e);
  91
  92         e = ex("-x^2*(x-1)*(1+x^2)", syms);
  93         result += check_factor(e);
  94
  95         e = x;
  96         result += check_factor(e);
  97
  98         // x^37 + 1
  99         e = ex("(1+x)*(1+x^2-x^29-x^11-x^25-x^9-x^35+x^20-x^3+x^16-x^15-x-x^13+x^28+x^24-x^33+x^8-x^19+x^36+x^12-x^27+x^10-x^23+x^18+x^14+x^34-x^31+x^32+x^30-x^5+x^26+x^4+x^22-x^21-x^7-x^17+x^6)", syms);
 100         result += check_factor(e);
 101
 102         e = ex("(1+4*x)*x^2*(1-4*x+16*x^2)*(3+5*x+92*x^3)", syms);
 103         result += check_factor(e);
 104
 105         e = ex("(77+11*x^3+25*x^2+27*x+102*x^4)*(85+57*x^3+92*x^2+29*x+66*x^4)", syms);
 106         result += check_factor(e);
 107
 108         return result;
 109 }
 110
 111 static unsigned exam_factor2()
 112 {
 113         unsigned result = 0;
 114         ex e;
 115         symbol x("x"), y("y"), z("z");
 116         lst syms = {x, y, z};
 117
 118         e = ex("x+y", syms);
 119         result += check_factor(e);
 120
 121         e = ex("(x^2-y+1)*(x+y)", syms);
 122         result += check_factor(e);
 123
 124         e = ex("-2*(x+y)*(x-y)", syms);
 125         result += check_factor(e);
 126
 127         e = ex("(16+x^2*z^3)*(-17+3*x-5*z)*(2*x+3*z)*(x-y^2-z^3)", syms);
 128         result += check_factor(e);
 129
 130         e = ex("(x-y*z)*(x-y^2-z^3)*(x+y+z)", syms);
 131         result += check_factor(e);
 132
 133         e = ex("-(y^2-x+z^3)*x*(x+y+z)", syms);
 134         result += check_factor(e);
 135
 136         e = ex("-316*(3*x-4*z)*(2*x+3*z)*(x+y)*(-1+x)", syms);
 137         result += check_factor(e);
 138
 139         e = ex("(x+x^3+z^2)*(3*x-4*z)", syms);
 140         result += check_factor(e);
 141
 142         e = ex("250*(-3+x)*(4*z-3*x)*(x^3+z^2+x)*x", syms);
 143         result += check_factor(e);
 144
 145         e = ex("327*(x+z^2+x^3)*(3*x-4*z)*(-7+5*x-x^3)*(1+x+x^2)", syms);
 146         result += check_factor(e);
 147
 148         e = ex("x-y^2-z^3", syms);
 149         result += check_factor(e);
 150
 151         e = ex("-390*(7+3*x^4)*(2+x^2)*(x-z^3-y^2)", syms);
 152         result += check_factor(e);
 153
 154         e = ex("55*(1+x)^2*(3*x-4*z)*(1+x+x^2)*(x+x^3+z^2)", syms);
 155         result += check_factor(e);
 156
 157         e = ex("x+y*x-1", syms);
 158         result += check_factor(e);
 159
 160         e = ex("390*(-1+x^6-x)*(7+3*x^4)*(2+x^2)*(y+x)*(-1+y-x^2)*(1+x^2+x)^2", syms);
 161         result += check_factor(e);
 162
 163         e = ex("310*(y+x)*(-1+y-x^2)", syms);
 164         result += check_factor(e);
 165
 166         return result;
 167 }
 168
 169 static unsigned exam_factor3()
 170 {
 171         unsigned result = 0;
 172         ex e;
 173         symbol k("k"), n("n");
 174         lst syms = {k, n};
 175
 176         e = ex("1/2*(-3+3*k-n)*(-2+3*k-n)*(-1+3*k-n)", syms);
 177         result += check_factor(e);
 178
 179         e = ex("1/4*(2*k-n)*(-1+2*k-n)", syms);
 180         result += check_factor(e);
 181
 182         return result;
 183 }
 184
 185 static unsigned check_factor_expanded(const ex& e)
 186 {
 187         ex ee = e.expand();
 188         ex answer = factor(ee);
 189         if ( answer.expand() != ee || (!is_a<mul>(answer) && !is_a<power>(answer)) ) {
 190                 clog << "factorization of " << e << " == " << ee << " gave wrong result: " << answer << endl;
 191                 return 1;
 192         }
 193         return 0;
 194 }
 195
 196 static unsigned exam_factor_wang()
 197 {
 198         // these 15 polynomials are from the appendix of P.S.Wang,
 199         // "An Improved Multivariate Polynomial Factoring Algorithm"
 200         unsigned result = 0;
 201         ex e;
 202         symbol x("x"), y("y"), z("z"), u("u");
 203
 204         e = ex("(z+x*y+10)*(x*z+y+30)*(y*z+x+20)", lst{x, y, z});
 205         result += check_factor_expanded(e);
 206
 207         e = ex("(x^3*(z+y)+y-11)*(x^2*(z^2+y^2)+y+90)", lst{x, y, z});
 208         result += check_factor_expanded(e);
 209
 210         e = ex("(y*z^3+x*y*z+y^2+x^3)*(x*(z^4+1)+z+x^3*y^2)", lst{x, y, z});
 211         result += check_factor_expanded(e);
 212
 213         e = ex("(z^2-x^3*y+3)*(z^2+x*y^3)*(z^2+x^3*y^4)*(y^4*z^2+x^2*z+5)", lst{x, y, z});
 214         result += check_factor_expanded(e);
 215
 216         e = ex("(z^2+x^3*y^4+u^2)*((y^2+x)*z^2+3*u^2*x^3*y^4*z+19*y^2)*(u^2*y^4*z^2+x^2*z+5)", lst{u, x, y, z});
 217         result += check_factor_expanded(e);
 218
 219         e = ex("(w^4*z^3-x*y^2*z^2-w^4*x^5*y^6-w^2*x^3*y)*(-x^5*z^3+y*z+x^2*y^3)"
 220                "*(w^4*z^6+y^2*z^3-w^2*x^2*y^2*z^2+x^5*z-x^4*y^2-w^3*x^3*y)", lst{w, x, y, z});
 221         result += check_factor_expanded(e);
 222
 223         e = ex("(z+y+x-3)^3*(z+y+x-2)^2", lst{x, y, z});
 224         result += check_factor_expanded(e);
 225
 226         e = ex("(-15*y^2*z^16+29*w^4*x^12*y^12*z^3+21*x^3*z^2+3*w^15*y^20)"
 227                "*(-z^31-w^12*z^20+y^18-y^14+x^2*y^2+x^21+w^2)", lst{w, x, y, z});
 228         result += check_factor_expanded(e);
 229
 230         e = ex("u^4*x*z^2*(6*w^2*y^3*z^2+18*u^2*w^3*x*z^2+15*u*z^2+10*u^2*w*x*y^3)"
 231                "*(-44*u*w*x*y^4*z^4-25*u^2*w^3*y*z^4+8*u*w*x^3*z^4-32*u^2*w^4*y^4*z^3"
 232                "+48*u^2*x^2*y^3*z^3-12*y^3*z^2+2*u^2*w*x^2*y^2-11*u*w^2*x^3*y-4*w^2*x)", lst{u, w, x, y, z});
 233         result += check_factor_expanded(e);
 234
 235         e = ex("(31*u^2*x*z+35*w^2*y^2+6*x*y+40*w*x^2)*(u^2*w^2*x*y^2*z^2+24*u^2*w*x*y^2*z^2"
 236                "+12*u^2*x*y^2*z^2+24*u^2*x^2*y*z^2+43*w*x*y*z^2+31*w^2*y*z^2+8*u^2*w^2*z^2"
 237                "+44*u*w^2*z^2+37*u^2*y^2*z+41*y^2*z+12*w*x^2*y*z+21*u^2*w*x*y*z+23*x*y*z"
 238                "+47*u^2*w^2*z+13*u*w^2*x^2*y^2+22*x*y^2+42*u^2*w^2*y^2+29*w^2*y^2+27*u*w^2*x^2*y"
 239                "+37*w^2*x*z+39*u*w*x*z+43*u*x^2*y+24*x*y+9*u^2*w*x^2+22*u^2*w^2)", lst{u, w, x, y, z});
 240         result += check_factor_expanded(e);
 241
 242         e = ex("x*y*(-13*u^3*w^2*x*y*z^3+w^3*z^3+4*u*x*y^2+47*x*y)"
 243                "*(43*u*x^3*y^3*z^3+36*u^2*w^3*x*y*z^3+14*w^3*x^3*y^3*z^2-29*w^3*x*y^3*z^2"
 244                "-20*u^2*w^2*x^2*y^2*z^2+36*u^2*w*x*y^3*z-48*u*x^3*y^2*z+5*u*w*x^2*y^3"
 245                "+36*u*w^2*y^3-9*u*w*y^3-23*u*w*x^3*y^2+46*u*x^3*y^2+8*x*y^2+31*u^2*w^3*y^2"
 246                "-9*u^2*y^2+45*x^3-46*u^2*w*x)", lst{u, w, x, y, z});
 247         result += check_factor_expanded(e);
 248
 249         e = ex("(z+y+x-3)^3", lst{x, y, z});
 250         result += check_factor_expanded(e);
 251
 252         e = ex("(3*z^3+2*w*z-9*y^3-y^2+45*x^3)*(w^2*z^3+47*x*y-w^2)", lst{w, x, y, z});
 253         result += check_factor_expanded(e);
 254
 255         e = ex("(-18*x^4*y^5+22*y^5-26*x^3*y^4-38*x^2*y^4+29*x^2*y^3-41*x^4*y^2+37*x^4)"
 256                "*(33*x^5*y^6+11*y^2+35*x^3*y-22*x^4)", lst{x, y, z});
 257         result += check_factor_expanded(e);
 258
 259         e = ex("x^6*y^3*z^2*(3*z^3+2*w*z-8*x*y^2+14*w^2*y^2-y^2+18*x^3*y)"
 260                "*(-12*w^2*x*y*z^3+w^2*z^3+3*x*y^2+29*x-w^2)", lst{w, x, y, z});
 261         result += check_factor_expanded(e);
 262
 263         return result;
 264 }
 265
 266 static unsigned check_factorization(const exvector& factors)
 267 {
 268         ex e = dynallocate<mul>(factors);
 269         ex ef = factor(e.expand());
 270         if (ef.nops() != factors.size()) {
 271                 clog << "wrong number of factors, expected " << factors.size() <<
 272                         ", got " << ef.nops();
 273                 return 1;
 274         }
 275         for (size_t i = 0; i < ef.nops(); ++i) {
 276                 if (find(factors.begin(), factors.end(), ef.op(i)) == factors.end()) {
 277                         clog << "wrong factorization: term not found: " << ef.op(i);
 278                         return 1;
 279                 }
 280         }
 281         return 0;
 282 }
 283
 284 static unsigned factor_integer_content_bug()
 285 {
 286         parser reader;
 287         exvector factors;
 288         factors.push_back(reader("x+y+x*y"));
 289         factors.push_back(reader("3*x+2*y"));
 290         return check_factorization(factors);
 291 }
 292
 293 unsigned exam_factor()
 294 {
 295         unsigned result = 0;
 296
 297         cout << "examining polynomial factorization" << flush;
 298
 299         result += exam_factor1(); cout << '.' << flush;
 300         result += exam_factor2(); cout << '.' << flush;
 301         result += exam_factor3(); cout << '.' << flush;
 302         result += exam_factor_wang(); cout << '.' << flush;
 303         result += factor_integer_content_bug();
 304         cout << '.' << flush;
 305
 306         return result;
 307 }
 308
 309 int main(int argc, char** argv)
 310 {
 311         return exam_factor();
 312 }