]> www.ginac.de Git - ginac.git/blobdiff - check/exam_matrices.cpp
Handle un-normal zeros properly in the division-free elimination.
[ginac.git] / check / exam_matrices.cpp
index ed01568d13d326ec8eb899f057ca2954d49a8a91..1f402ba9bc8c7a8b0c7a1a8b94f1338874bc27e3 100644 (file)
@@ -1,9 +1,10 @@
+
 /** @file exam_matrices.cpp
  *
  *  Here we examine manipulations on GiNaC's symbolic matrices. */
 
 /*
- *  GiNaC Copyright (C) 1999-2011 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
+ *  GiNaC Copyright (C) 1999-2018 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
  *
  *  This program is free software; you can redistribute it and/or modify
  *  it under the terms of the GNU General Public License as published by
@@ -37,7 +38,7 @@ static unsigned matrix_determinants()
        symbol g("g"), h("h"), i("i");
        
        // check symbolic trivial matrix determinant
-       m1.set(0,0,a);
+       m1 = matrix{{a}};
        det = m1.determinant();
        if (det != a) {
                clog << "determinant of 1x1 matrix " << m1
@@ -46,8 +47,8 @@ static unsigned matrix_determinants()
        }
        
        // check generic dense symbolic 2x2 matrix determinant
-       m2.set(0,0,a).set(0,1,b);
-       m2.set(1,0,c).set(1,1,d);
+       m2 = matrix{{a, b},
+                   {c, d}};
        det = m2.determinant();
        if (det != (a*d-b*c)) {
                clog << "determinant of 2x2 matrix " << m2
@@ -56,9 +57,9 @@ static unsigned matrix_determinants()
        }
        
        // check generic dense symbolic 3x3 matrix determinant
-       m3.set(0,0,a).set(0,1,b).set(0,2,c);
-       m3.set(1,0,d).set(1,1,e).set(1,2,f);
-       m3.set(2,0,g).set(2,1,h).set(2,2,i);
+       m3 = matrix{{a, b, c},
+                   {d, e, f},
+                   {g, h, i}};
        det = m3.determinant();
        if (det != (a*e*i - a*f*h - d*b*i + d*c*h + g*b*f - g*c*e)) {
                clog << "determinant of 3x3 matrix " << m3
@@ -67,9 +68,9 @@ static unsigned matrix_determinants()
        }
        
        // check dense numeric 3x3 matrix determinant
-       m3.set(0,0,numeric(0)).set(0,1,numeric(-1)).set(0,2,numeric(3));
-       m3.set(1,0,numeric(3)).set(1,1,numeric(-2)).set(1,2,numeric(2));
-       m3.set(2,0,numeric(3)).set(2,1,numeric(4)).set(2,2,numeric(-2));
+       m3 = matrix{{0, -1,  3},
+                   {3, -2,  2},
+                   {3,  4, -2}};
        det = m3.determinant();
        if (det != 42) {
                clog << "determinant of 3x3 matrix " << m3
@@ -78,8 +79,8 @@ static unsigned matrix_determinants()
        }
        
        // check dense symbolic 2x2 matrix determinant
-       m2.set(0,0,a/(a-b)).set(0,1,1);
-       m2.set(1,0,b/(a-b)).set(1,1,1);
+       m2 = matrix{{a/(a-b), 1},
+                   {b/(a-b), 1}};
        det = m2.determinant();
        if (det != 1) {
                if (det.normal() == 1)  // only half wrong
@@ -101,9 +102,9 @@ static unsigned matrix_determinants()
        }
        
        // check characteristic polynomial
-       m3.set(0,0,a).set(0,1,-2).set(0,2,2);
-       m3.set(1,0,3).set(1,1,a-1).set(1,2,2);
-       m3.set(2,0,3).set(2,1,4).set(2,2,a-3);
+       m3 = matrix{{a, -2,   2},
+                   {3, a-1,  2},
+                   {3,  4,  a-3}};
        ex p = m3.charpoly(a);
        if (p != 0) {
                clog << "charpoly of 3x3 matrix " << m3
@@ -135,17 +136,16 @@ static unsigned matrix_invert1()
 static unsigned matrix_invert2()
 {
        unsigned result = 0;
-       matrix m(2,2);
        symbol a("a"), b("b"), c("c"), d("d");
-       m.set(0,0,a).set(0,1,b);
-       m.set(1,0,c).set(1,1,d);
+       matrix m = {{a, b},
+                   {c, d}};
        matrix m_i = m.inverse();
        ex det = m.determinant();
        
        if ((normal(m_i(0,0)*det) != d) ||
-               (normal(m_i(0,1)*det) != -b) ||
-               (normal(m_i(1,0)*det) != -c) ||
-               (normal(m_i(1,1)*det) != a)) {
+           (normal(m_i(0,1)*det) != -b) ||
+           (normal(m_i(1,0)*det) != -c) ||
+           (normal(m_i(1,1)*det) != a)) {
                clog << "inversion of 2x2 matrix " << m
                     << " erroneously returned " << m_i << endl;
                ++result;
@@ -157,13 +157,12 @@ static unsigned matrix_invert2()
 static unsigned matrix_invert3()
 {
        unsigned result = 0;
-       matrix m(3,3);
        symbol a("a"), b("b"), c("c");
        symbol d("d"), e("e"), f("f");
        symbol g("g"), h("h"), i("i");
-       m.set(0,0,a).set(0,1,b).set(0,2,c);
-       m.set(1,0,d).set(1,1,e).set(1,2,f);
-       m.set(2,0,g).set(2,1,h).set(2,2,i);
+       matrix m = {{a, b, c},
+                   {d, e, f},
+                   {g, h, i}};
        matrix m_i = m.inverse();
        ex det = m.determinant();
        
@@ -187,36 +186,57 @@ static unsigned matrix_invert3()
 static unsigned matrix_solve2()
 {
        // check the solution of the multiple system A*X = B:
-       //       [ 1  2 -1 ] [ x0 y0 ]   [ 4 0 ]
-       //       [ 1  4 -2 ]*[ x1 y1 ] = [ 7 0 ]
-       //       [ a -2  2 ] [ x2 y2 ]   [ a 4 ]
+       //       [ 1  2 -1 ] [ x0 y0 ]   [ 4 0 ]
+       //       [ 1  4 -2 ]*[ x1 y1 ] = [ 7 0 ]
+       //       [ a -2  2 ] [ x2 y2 ]   [ a 4 ]
        unsigned result = 0;
        symbol a("a");
        symbol x0("x0"), x1("x1"), x2("x2");
        symbol y0("y0"), y1("y1"), y2("y2");
-       matrix A(3,3);
-       A.set(0,0,1).set(0,1,2).set(0,2,-1);
-       A.set(1,0,1).set(1,1,4).set(1,2,-2);
-       A.set(2,0,a).set(2,1,-2).set(2,2,2);
-       matrix B(3,2);
-       B.set(0,0,4).set(1,0,7).set(2,0,a);
-       B.set(0,1,0).set(1,1,0).set(2,1,4);
-       matrix X(3,2);
-       X.set(0,0,x0).set(1,0,x1).set(2,0,x2);
-       X.set(0,1,y0).set(1,1,y1).set(2,1,y2);
-       matrix cmp(3,2);
-       cmp.set(0,0,1).set(1,0,3).set(2,0,3);
-       cmp.set(0,1,0).set(1,1,2).set(2,1,4);
+       matrix A = {{1,  2, -1},
+                   {1,  4, -2},
+                   {a, -2,  2}};
+       matrix B = {{4, 0},
+                   {7, 0},
+                   {a, 4}};
+       matrix X = {{x0 ,y0},
+                   {x1, y1},
+                   {x2, y2}};
+       matrix cmp = {{1, 0},
+                     {3, 2},
+                     {3, 4}};
        matrix sol(A.solve(X, B));
-       for (unsigned ro=0; ro<3; ++ro)
-               for (unsigned co=0; co<2; ++co)
-                       if (cmp(ro,co) != sol(ro,co))
-                               result = 1;
-       if (result) {
+       if (cmp != sol) {
                clog << "Solving " << A << " * " << X << " == " << B << endl
                     << "erroneously returned " << sol << endl;
+               result = 1;
+       }
+
+       return result;
+}
+
+static unsigned matrix_solve3()
+{
+       unsigned result = 0;
+       symbol x("x");
+       symbol t1("t1"), t2("t2"), t3("t3");
+       matrix A = {
+               {3+6*x, 6*(x+x*x)/(2+3*x), 0},
+               {-(2+7*x+6*x*x)/x, -2-2*x, 0},
+               {-2*(2+3*x)/(1+2*x), -6*x/(1+2*x), 1+4*x}
+       };
+       matrix B = {{0}, {0}, {0}};
+       matrix X = {{t1}, {t2}, {t3}};
+       for (auto algo : vector<int>({
+               solve_algo::gauss, solve_algo::divfree, solve_algo::bareiss, solve_algo::markowitz
+       })) {
+               matrix sol(A.solve(X, B, algo));
+               if (!normal((A*sol - B).evalm()).is_zero_matrix()) {
+                       clog << "Solving " << A << " * " << X << " == " << B << " with algo=" << algo << endl
+                            << "erroneously returned " << sol << endl;
+                       result += 1;
+               }
        }
-       
        return result;
 }
 
@@ -224,16 +244,12 @@ static unsigned matrix_evalm()
 {
        unsigned result = 0;
 
-       matrix S(2, 2, lst(
-               1, 2,
-               3, 4
-       )), T(2, 2, lst(
-               1, 1,
-               2, -1
-       )), R(2, 2, lst(
-               27, 14,
-               36, 26
-       ));
+       matrix S {{1, 2},
+                 {3, 4}};
+       matrix T {{1, 1},
+                 {2, -1}};
+       matrix R {{27, 14},
+                 {36, 26}};
 
        ex e = ((S + T) * (S + 2*T));
        ex f = e.evalm();
@@ -258,18 +274,18 @@ static unsigned matrix_rank()
        }
 
        // a trivial rank one example
-       m = 1, 0, 0,
-           2, 0, 0,
-           3, 0, 0;
+       m = {{1, 0, 0},
+            {2, 0, 0},
+            {3, 0, 0}};
        if (m.rank() != 1) {
                clog << "The rank of " << m << " was not computed correctly." << endl;
                ++result;
        }
 
        // an example from Maple's help with rank two
-       m = x,  1,  0,
-           0,  0,  1,
-          x*y, y,  1;
+       m = {{x,   1,  0},
+            {0,   0,  1},
+            {x*y, y,  1}};
        if (m.rank() != 2) {
                clog << "The rank of " << m << " was not computed correctly." << endl;
                ++result;
@@ -285,13 +301,41 @@ static unsigned matrix_rank()
        return result;  
 }
 
+unsigned matrix_solve_nonnormal()
+{
+       symbol a("a"), b("b"), c("c"), x("x");
+       // This matrix has a non-normal zero element!
+       matrix mx {{1,0,0},
+                  {0,1/(x+1)-(x-1)/(x*x-1),1},
+                  {0,0,0}};
+       matrix zero {{0}, {0}, {0}};
+       matrix vars {{a}, {b}, {c}};
+       try {
+               matrix sol_gauss   = mx.solve(vars, zero, solve_algo::gauss);
+               matrix sol_divfree = mx.solve(vars, zero, solve_algo::divfree);
+               matrix sol_bareiss = mx.solve(vars, zero, solve_algo::bareiss);
+               if (sol_gauss != sol_divfree  ||  sol_gauss != sol_bareiss) {
+                       clog << "different solutions while solving "
+                            << mx << " * " << vars << " == " << zero << endl
+                            << "gauss:   " << sol_gauss << endl
+                            << "divfree: " << sol_divfree << endl
+                            << "bareiss: " << sol_bareiss << endl;
+                       return 1;
+               }
+       } catch (const exception & e) {
+               clog << "exception thrown while solving "
+                    << mx << " * " << vars << " == " << zero << endl;
+               return 1;
+       }
+       return 0;
+}
+
 static unsigned matrix_misc()
 {
        unsigned result = 0;
-       matrix m1(2,2);
        symbol a("a"), b("b"), c("c"), d("d"), e("e"), f("f");
-       m1.set(0,0,a).set(0,1,b);
-       m1.set(1,0,c).set(1,1,d);
+       matrix m1 = {{a, b},
+                    {c, d}};
        ex tr = trace(m1);
        
        // check a simple trace
@@ -308,10 +352,9 @@ static unsigned matrix_misc()
                         << " erroneously returned " << m2 << endl;
                ++result;
        }
-       matrix m3(3,2);
-       m3.set(0,0,a).set(0,1,b);
-       m3.set(1,0,c).set(1,1,d);
-       m3.set(2,0,e).set(2,1,f);
+       matrix m3 = {{a, b},
+                    {c, d},
+                    {e, f}};
        if (transpose(transpose(m3)) != m3) {
                clog << "transposing 3x2 matrix " << m3 << " twice"
                     << " erroneously returned " << transpose(transpose(m3)) << endl;
@@ -347,8 +390,10 @@ unsigned exam_matrices()
        result += matrix_invert2();  cout << '.' << flush;
        result += matrix_invert3();  cout << '.' << flush;
        result += matrix_solve2();  cout << '.' << flush;
+       result += matrix_solve3();  cout << '.' << flush;
        result += matrix_evalm();  cout << "." << flush;
        result += matrix_rank();  cout << "." << flush;
+       result += matrix_solve_nonnormal();  cout << "." << flush;
        result += matrix_misc();  cout << '.' << flush;
        
        return result;