]> www.ginac.de Git - ginac.git/blobdiff - ginac/matrix.cpp
- Made determinant_algo (in flags.h) really work.
[ginac.git] / ginac / matrix.cpp
index 8fbe86283237c907f98eae97a28a677e272fd163..52b4de36555dfbc10953e1fb8a3c882f7abb80b5 100644 (file)
 
 #include "matrix.h"
 #include "archive.h"
+#include "numeric.h"
+#include "lst.h"
 #include "utils.h"
 #include "debugmsg.h"
-#include "numeric.h"
+#include "power.h"
+#include "symbol.h"
+#include "normal.h"
 
 #ifndef NO_NAMESPACE_GINAC
 namespace GiNaC {
@@ -77,9 +81,9 @@ const matrix & matrix::operator=(const matrix & other)
 void matrix::copy(const matrix & other)
 {
     inherited::copy(other);
-    row=other.row;
-    col=other.col;
-    m=other.m;  // use STL's vector copying
+    row = other.row;
+    col = other.col;
+    m = other.m;  // STL's vector copying invoked here
 }
 
 void matrix::destroy(bool call_parent)
@@ -104,7 +108,7 @@ matrix::matrix(unsigned r, unsigned c)
     m.resize(r*c, _ex0());
 }
 
-// protected
+ // protected
 
 /** Ctor from representation, for internal use only. */
 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c, const exvector & m2)
@@ -148,7 +152,7 @@ void matrix::archive(archive_node &n) const
     exvector::const_iterator i = m.begin(), iend = m.end();
     while (i != iend) {
         n.add_ex("m", *i);
-        i++;
+        ++i;
     }
 }
 
@@ -164,39 +168,35 @@ basic * matrix::duplicate() const
     return new matrix(*this);
 }
 
-void matrix::print(ostream & os, unsigned upper_precedence) const
+void matrix::print(std::ostream & os, unsigned upper_precedence) const
 {
     debugmsg("matrix print",LOGLEVEL_PRINT);
     os << "[[ ";
     for (unsigned r=0; r<row-1; ++r) {
         os << "[[";
-        for (unsigned c=0; c<col-1; ++c) {
+        for (unsigned c=0; c<col-1; ++c)
             os << m[r*col+c] << ",";
-        }
         os << m[col*(r+1)-1] << "]], ";
     }
     os << "[[";
-    for (unsigned c=0; c<col-1; ++c) {
+    for (unsigned c=0; c<col-1; ++c)
         os << m[(row-1)*col+c] << ",";
-    }
     os << m[row*col-1] << "]] ]]";
 }
 
-void matrix::printraw(ostream & os) const
+void matrix::printraw(std::ostream & os) const
 {
     debugmsg("matrix printraw",LOGLEVEL_PRINT);
     os << "matrix(" << row << "," << col <<",";
     for (unsigned r=0; r<row-1; ++r) {
         os << "(";
-        for (unsigned c=0; c<col-1; ++c) {
+        for (unsigned c=0; c<col-1; ++c)
             os << m[r*col+c] << ",";
-        }
         os << m[col*(r-1)-1] << "),";
     }
     os << "(";
-    for (unsigned c=0; c<col-1; ++c) {
+    for (unsigned c=0; c<col-1; ++c)
         os << m[(row-1)*col+c] << ",";
-    }
     os << m[row*col-1] << "))";
 }
 
@@ -215,6 +215,9 @@ ex matrix::op(int i) const
 /** returns matrix entry at position (i/col, i%col). */
 ex & matrix::let_op(int i)
 {
+    GINAC_ASSERT(i>=0);
+    GINAC_ASSERT(i<nops());
+    
     return m[i];
 }
 
@@ -222,9 +225,9 @@ ex & matrix::let_op(int i)
 ex matrix::expand(unsigned options) const
 {
     exvector tmp(row*col);
-    for (unsigned i=0; i<row*col; ++i) {
-        tmp[i]=m[i].expand(options);
-    }
+    for (unsigned i=0; i<row*col; ++i)
+        tmp[i] = m[i].expand(options);
+    
     return matrix(row, col, tmp);
 }
 
@@ -238,9 +241,9 @@ bool matrix::has(const ex & other) const
     if (is_equal(*other.bp)) return true;
     
     // search all the elements
-    for (exvector::const_iterator r=m.begin(); r!=m.end(); ++r) {
+    for (exvector::const_iterator r=m.begin(); r!=m.end(); ++r)
         if ((*r).has(other)) return true;
-    }
+    
     return false;
 }
 
@@ -250,23 +253,19 @@ ex matrix::eval(int level) const
     debugmsg("matrix eval",LOGLEVEL_MEMBER_FUNCTION);
     
     // check if we have to do anything at all
-    if ((level==1)&&(flags & status_flags::evaluated)) {
+    if ((level==1)&&(flags & status_flags::evaluated))
         return *this;
-    }
     
     // emergency break
-    if (level == -max_recursion_level) {
+    if (level == -max_recursion_level)
         throw (std::runtime_error("matrix::eval(): recursion limit exceeded"));
-    }
     
     // eval() entry by entry
     exvector m2(row*col);
-    --level;    
-    for (unsigned r=0; r<row; ++r) {
-        for (unsigned c=0; c<col; ++c) {
+    --level;
+    for (unsigned r=0; r<row; ++r)
+        for (unsigned c=0; c<col; ++c)
             m2[r*col+c] = m[r*col+c].eval(level);
-        }
-    }
     
     return (new matrix(row, col, m2))->setflag(status_flags::dynallocated |
                                                status_flags::evaluated );
@@ -278,9 +277,8 @@ ex matrix::evalf(int level) const
     debugmsg("matrix evalf",LOGLEVEL_MEMBER_FUNCTION);
         
     // check if we have to do anything at all
-    if (level==1) {
+    if (level==1)
         return *this;
-    }
     
     // emergency break
     if (level == -max_recursion_level) {
@@ -290,11 +288,10 @@ ex matrix::evalf(int level) const
     // evalf() entry by entry
     exvector m2(row*col);
     --level;
-    for (unsigned r=0; r<row; ++r) {
-        for (unsigned c=0; c<col; ++c) {
+    for (unsigned r=0; r<row; ++r)
+        for (unsigned c=0; c<col; ++c)
             m2[r*col+c] = m[r*col+c].evalf(level);
-        }
-    }
+    
     return matrix(row, col, m2);
 }
 
@@ -336,89 +333,87 @@ int matrix::compare_same_type(const basic & other) const
  *  @exception logic_error (incompatible matrices) */
 matrix matrix::add(const matrix & other) const
 {
-    if (col != other.col || row != other.row) {
+    if (col != other.col || row != other.row)
         throw (std::logic_error("matrix::add(): incompatible matrices"));
-    }
     
     exvector sum(this->m);
     exvector::iterator i;
     exvector::const_iterator ci;
-    for (i=sum.begin(), ci=other.m.begin();
-         i!=sum.end();
-         ++i, ++ci) {
+    for (i=sum.begin(), ci=other.m.begin(); i!=sum.end(); ++i, ++ci)
         (*i) += (*ci);
-    }
+    
     return matrix(row,col,sum);
 }
 
+
 /** Difference of matrices.
  *
  *  @exception logic_error (incompatible matrices) */
 matrix matrix::sub(const matrix & other) const
 {
-    if (col != other.col || row != other.row) {
+    if (col != other.col || row != other.row)
         throw (std::logic_error("matrix::sub(): incompatible matrices"));
-    }
     
     exvector dif(this->m);
     exvector::iterator i;
     exvector::const_iterator ci;
-    for (i=dif.begin(), ci=other.m.begin();
-         i!=dif.end();
-         ++i, ++ci) {
+    for (i=dif.begin(), ci=other.m.begin(); i!=dif.end(); ++i, ++ci)
         (*i) -= (*ci);
-    }
+    
     return matrix(row,col,dif);
 }
 
+
 /** Product of matrices.
  *
  *  @exception logic_error (incompatible matrices) */
 matrix matrix::mul(const matrix & other) const
 {
-    if (col != other.row) {
+    if (col != other.row)
         throw (std::logic_error("matrix::mul(): incompatible matrices"));
-    }
     
     exvector prod(row*other.col);
-    for (unsigned i=0; i<row; ++i) {
-        for (unsigned j=0; j<other.col; ++j) {
-            for (unsigned l=0; l<col; ++l) {
-                prod[i*other.col+j] += m[i*col+l] * other.m[l*other.col+j];
-            }
+    
+    for (unsigned r1=0; r1<rows(); ++r1) {
+        for (unsigned c=0; c<cols(); ++c) {
+            if (m[r1*col+c].is_zero())
+                continue;
+            for (unsigned r2=0; r2<other.col; ++r2)
+                prod[r1*other.col+r2] += m[r1*col+c] * other.m[c*other.col+r2];
         }
     }
     return matrix(row, other.col, prod);
 }
 
+
 /** operator() to access elements.
  *
  *  @param ro row of element
- *  @param co column of element 
+ *  @param co column of element
  *  @exception range_error (index out of range) */
 const ex & matrix::operator() (unsigned ro, unsigned co) const
 {
-    if (ro<0 || ro>=row || co<0 || co>=col) {
+    if (ro<0 || ro>=row || co<0 || co>=col)
         throw (std::range_error("matrix::operator(): index out of range"));
-    }
-    
+
     return m[ro*col+co];
 }
 
+
 /** Set individual elements manually.
  *
  *  @exception range_error (index out of range) */
 matrix & matrix::set(unsigned ro, unsigned co, ex value)
 {
-    if (ro<0 || ro>=row || co<0 || co>=col) {
+    if (ro<0 || ro>=row || co<0 || co>=col)
         throw (std::range_error("matrix::set(): index out of range"));
-    }
     
     ensure_if_modifiable();
     m[ro*col+co] = value;
     return *this;
 }
 
+
 /** Transposed of an m x n matrix, producing a new n x m matrix object that
  *  represents the transposed. */
 matrix matrix::transpose(void) const
@@ -432,101 +427,194 @@ matrix matrix::transpose(void) const
     return matrix(col,row,trans);
 }
 
-/*  Leverrier algorithm for large matrices having at least one symbolic entry.
- *  This routine is only called internally by matrix::determinant(). The
- *  algorithm is very bad for symbolic matrices since it returns expressions
- *  that are quite hard to expand. */
-/*ex matrix::determinant_symbolic_leverrier(const matrix & M)
- *{
- *    GINAC_ASSERT(M.rows()==M.cols());  // cannot happen, just in case...
- *    
- *    matrix B(M);
- *    matrix I(M.row, M.col);
- *    ex c=B.trace();
- *    for (unsigned i=1; i<M.row; ++i) {
- *        for (unsigned j=0; j<M.row; ++j)
- *            I.m[j*M.col+j] = c;
- *        B = M.mul(B.sub(I));
- *        c = B.trace()/ex(i+1);
- *    }
- *    if (M.row%2) {
- *        return c;
- *    } else {
- *        return -c;
- *    }
- *}*/
 
 /** Determinant of square matrix.  This routine doesn't actually calculate the
  *  determinant, it only implements some heuristics about which algorithm to
- *  call.  When the parameter for normalization is explicitly turned off this
- *  method does not normalize its result at the end, which might imply that
- *  the symbolic 2x2 matrix [[a/(a-b),1],[b/(a-b),1]] is not immediatly
- *  recognized to be unity.  (This is Mathematica's default behaviour, it
- *  should be used with care.)
+ *  run.  If all the elements of the matrix are elements of an integral domain
+ *  the determinant is also in that integral domain and the result is expanded
+ *  only.  If one or more elements are from a quotient field the determinant is
+ *  usually also in that quotient field and the result is normalized before it
+ *  is returned.  This implies that the determinant of the symbolic 2x2 matrix
+ *  [[a/(a-b),1],[b/(a-b),1]] is returned as unity.  (In this respect, it
+ *  behaves like MapleV and unlike Mathematica.)
  *
- *  @param     normalized may be set to false if no normalization of the
- *             result is desired (i.e. to force Mathematica behavior, Maple
- *             does normalize the result).
+ *  @param     algo allows to chose an algorithm
  *  @return    the determinant as a new expression
- *  @exception logic_error (matrix not square) */
-ex matrix::determinant(bool normalized) const
+ *  @exception logic_error (matrix not square)
+ *  @see       determinant_algo */
+ex matrix::determinant(unsigned algo) const
 {
-    if (row != col) {
+    if (row!=col)
         throw (std::logic_error("matrix::determinant(): matrix not square"));
-    }
-
-    // check, if there are non-numeric entries in the matrix:
+    GINAC_ASSERT(row*col==m.capacity());
+    if (this->row==1)  // continuation would be pointless
+        return m[0];
+        
+    // Gather some statistical information about this matrix:
+    bool numeric_flag = true;
+    bool normal_flag = false;
+    unsigned sparse_count = 0;  // counts non-zero elements
     for (exvector::const_iterator r=m.begin(); r!=m.end(); ++r) {
-        if (!(*r).info(info_flags::numeric)) {
-            if (normalized)
-                // return determinant_symbolic_minor().normal();
-                return determinant_symbolic_minor().normal();
+        lst srl;  // symbol replacement list
+        ex rtest = (*r).to_rational(srl);
+        if (!rtest.is_zero())
+            ++sparse_count;
+        if (!rtest.info(info_flags::numeric))
+            numeric_flag = false;
+        if (!rtest.info(info_flags::crational_polynomial) &&
+             rtest.info(info_flags::rational_function))
+            normal_flag = true;
+    }
+    
+    // Here is the heuristics in case this routine has to decide:
+    if (algo == determinant_algo::automatic) {
+        // Minor expansion is generally a good starting point:
+        algo = determinant_algo::laplace;
+        // Does anybody know when a matrix is really sparse?
+        // Maybe <~row/2.236 nonzero elements average in a row?
+        if (5*sparse_count<=row*col)
+            algo = determinant_algo::bareiss;
+        // Purely numeric matrix can be handled by Gauss elimination.
+        // This overrides any prior decisions.
+        if (numeric_flag)
+            algo = determinant_algo::gauss;
+    }
+    
+    switch(algo) {
+        case determinant_algo::gauss: {
+            ex det = 1;
+            matrix tmp(*this);
+            int sign = tmp.gauss_elimination();
+            for (unsigned d=0; d<row; ++d)
+                det *= tmp.m[d*col+d];
+            if (normal_flag)
+                return (sign*det).normal();
+            else
+                return (sign*det).expand();
+        }
+        case determinant_algo::bareiss: {
+            matrix tmp(*this);
+            int sign;
+            sign = tmp.fraction_free_elimination(true);
+            if (normal_flag)
+                return (sign*tmp.m[row*col-1]).normal();
             else
-                return determinant_symbolic_perm();
+                return (sign*tmp.m[row*col-1]).expand();
+        }
+        case determinant_algo::laplace:
+        default: {
+            // This is the minor expansion scheme.  We always develop such
+            // that the smallest minors (i.e, the trivial 1x1 ones) are on the
+            // rightmost column.  For this to be efficient it turns out that
+            // the emptiest columns (i.e. the ones with most zeros) should be
+            // the ones on the right hand side.  Therefore we presort the
+            // columns of the matrix:
+            typedef std::pair<unsigned,unsigned> uintpair;
+            std::vector<uintpair> c_zeros;  // number of zeros in column
+            for (unsigned c=0; c<col; ++c) {
+                unsigned acc = 0;
+                for (unsigned r=0; r<row; ++r)
+                    if (m[r*col+c].is_zero())
+                        ++acc;
+                c_zeros.push_back(uintpair(acc,c));
+            }
+            sort(c_zeros.begin(),c_zeros.end());
+            std::vector<unsigned> pre_sort;
+            for (std::vector<uintpair>::iterator i=c_zeros.begin(); i!=c_zeros.end(); ++i)
+                pre_sort.push_back(i->second);
+            int sign = permutation_sign(pre_sort);
+            exvector result(row*col);  // represents sorted matrix
+            unsigned c = 0;
+            for (std::vector<unsigned>::iterator i=pre_sort.begin();
+                 i!=pre_sort.end();
+                 ++i,++c) {
+                for (unsigned r=0; r<row; ++r)
+                    result[r*col+c] = m[r*col+(*i)];
+            }
+            
+            if (normal_flag)
+                return sign*matrix(row,col,result).determinant_minor().normal();
+            return sign*matrix(row,col,result).determinant_minor();
         }
     }
-    // if it turns out that all elements are numeric
-    return determinant_numeric();
 }
 
-/** Trace of a matrix.
+
+/** Trace of a matrix.  The result is normalized if it is in some quotient
+ *  field and expanded only otherwise.  This implies that the trace of the
+ *  symbolic 2x2 matrix [[a/(a-b),x],[y,b/(b-a)]] is recognized to be unity.
  *
  *  @return    the sum of diagonal elements
  *  @exception logic_error (matrix not square) */
 ex matrix::trace(void) const
 {
-    if (row != col) {
+    if (row != col)
         throw (std::logic_error("matrix::trace(): matrix not square"));
-    }
+    GINAC_ASSERT(row*col==m.capacity());
     
     ex tr;
     for (unsigned r=0; r<col; ++r)
         tr += m[r*col+r];
-
-    return tr;
+    
+    if (tr.info(info_flags::rational_function) &&
+        !tr.info(info_flags::crational_polynomial))
+        return tr.normal();
+    else
+        return tr.expand();
 }
 
-/** Characteristic Polynomial.  The characteristic polynomial of a matrix M is
- *  defined as the determiant of (M - lambda * 1) where 1 stands for the unit
- *  matrix of the same dimension as M.  This method returns the characteristic
- *  polynomial as a new expression.
+
+/** Characteristic Polynomial.  Following mathematica notation the
+ *  characteristic polynomial of a matrix M is defined as the determiant of
+ *  (M - lambda * 1) where 1 stands for the unit matrix of the same dimension
+ *  as M.  Note that some CASs define it with a sign inside the determinant
+ *  which gives rise to an overall sign if the dimension is odd.  This method
+ *  returns the characteristic polynomial collected in powers of lambda as a
+ *  new expression.
  *
  *  @return    characteristic polynomial as new expression
  *  @exception logic_error (matrix not square)
  *  @see       matrix::determinant() */
-ex matrix::charpoly(const ex & lambda) const
+ex matrix::charpoly(const symbol & lambda) const
 {
-    if (row != col) {
+    if (row != col)
         throw (std::logic_error("matrix::charpoly(): matrix not square"));
+    
+    bool numeric_flag = true;
+    for (exvector::const_iterator r=m.begin(); r!=m.end(); ++r) {
+        if (!(*r).info(info_flags::numeric)) {
+            numeric_flag = false;
+        }
+    }
+    
+    // The pure numeric case is traditionally rather common.  Hence, it is
+    // trapped and we use Leverrier's algorithm which goes as row^3 for
+    // every coefficient.  The expensive part is the matrix multiplication.
+    if (numeric_flag) {
+        matrix B(*this);
+        ex c = B.trace();
+        ex poly = power(lambda,row)-c*power(lambda,row-1);
+        for (unsigned i=1; i<row; ++i) {
+            for (unsigned j=0; j<row; ++j)
+                B.m[j*col+j] -= c;
+            B = this->mul(B);
+            c = B.trace()/ex(i+1);
+            poly -= c*power(lambda,row-i-1);
+        }
+        if (row%2)
+            return -poly;
+        else
+            return poly;
     }
     
     matrix M(*this);
     for (unsigned r=0; r<col; ++r)
         M.m[r*col+r] -= lambda;
     
-    return (M.determinant());
+    return M.determinant().collect(lambda);
 }
 
+
 /** Inverse of this matrix.
  *
  *  @return    the inverted matrix
@@ -534,9 +622,8 @@ ex matrix::charpoly(const ex & lambda) const
  *  @exception runtime_error (singular matrix) */
 matrix matrix::inverse(void) const
 {
-    if (row != col) {
+    if (row != col)
         throw (std::logic_error("matrix::inverse(): matrix not square"));
-    }
     
     matrix tmp(row,col);
     // set tmp to the unit matrix
@@ -551,9 +638,8 @@ matrix matrix::inverse(void) const
             throw (std::runtime_error("matrix::inverse(): singular matrix"));
         }
         if (indx != 0) {  // swap rows r and indx of matrix tmp
-            for (unsigned i=0; i<col; ++i) {
+            for (unsigned i=0; i<col; ++i)
                 tmp.m[r1*col+i].swap(tmp.m[indx*col+i]);
-            }
         }
         ex a1 = cpy.m[r1*col+r1];
         for (unsigned c=0; c<col; ++c) {
@@ -573,27 +659,6 @@ matrix matrix::inverse(void) const
     return tmp;
 }
 
-// superfluous helper function
-void matrix::ffe_swap(unsigned r1, unsigned c1, unsigned r2 ,unsigned c2)
-{
-    ensure_if_modifiable();
-    
-    ex tmp = ffe_get(r1,c1);
-    ffe_set(r1,c1,ffe_get(r2,c2));
-    ffe_set(r2,c2,tmp);
-}
-
-// superfluous helper function
-void matrix::ffe_set(unsigned r, unsigned c, ex e)
-{
-    set(r-1,c-1,e);
-}
-
-// superfluous helper function
-ex matrix::ffe_get(unsigned r, unsigned c) const
-{
-    return operator()(r-1,c-1);
-}
 
 /** Solve a set of equations for an m x n matrix by fraction-free Gaussian
  *  elimination.  Based on algorithm 9.1 from 'Algorithms for Computer Algebra'
@@ -606,7 +671,7 @@ ex matrix::ffe_get(unsigned r, unsigned c) const
 matrix matrix::fraction_free_elim(const matrix & vars,
                                   const matrix & rhs) const
 {
-    // FIXME: implement a Sasaki-Murao scheme which avoids division at all!
+    // FIXME: use implementation of matrix::fraction_free_elimination instead!
     if ((row != rhs.row) || (col != vars.row) || (rhs.col != vars.col))
         throw (std::logic_error("matrix::fraction_free_elim(): incompatible matrices"));
     
@@ -618,58 +683,47 @@ matrix matrix::fraction_free_elim(const matrix & vars,
     unsigned n = a.col;
     int sign = 1;
     ex divisor = 1;
-    unsigned r = 1;
+    unsigned r = 0;
     
     // eliminate below row r, with pivot in column k
-    for (unsigned k=1; (k<=n)&&(r<=m); ++k) {
+    for (unsigned k=0; (k<n)&&(r<m); ++k) {
         // find a nonzero pivot
         unsigned p;
-        for (p=r; (p<=m)&&(a.ffe_get(p,k).is_equal(_ex0())); ++p) {}
+        for (p=r; (p<m)&&(a.m[p*a.cols()+k].is_zero()); ++p) {}
         // pivot is in row p
-        if (p<=m) {
+        if (p<m) {
             if (p!=r) {
-                // switch rows p and r
-                for (unsigned j=k; j<=n; ++j)
-                    a.ffe_swap(p,j,r,j);
-                b.ffe_swap(p,1,r,1);
+                // swap rows p and r
+                for (unsigned j=k; j<n; ++j)
+                    a.m[p*a.cols()+j].swap(a.m[r*a.cols()+j]);
+                b.m[p*b.cols()].swap(b.m[r*b.cols()]);
                 // keep track of sign changes due to row exchange
-                sign = -sign;
+                sign *= -1;
             }
-            for (unsigned i=r+1; i<=m; ++i) {
-                for (unsigned j=k+1; j<=n; ++j) {
-                    a.ffe_set(i,j,(a.ffe_get(r,k)*a.ffe_get(i,j)
-                                  -a.ffe_get(r,j)*a.ffe_get(i,k))/divisor);
-                    a.ffe_set(i,j,a.ffe_get(i,j).normal() /*.normal() */ );
+            for (unsigned i=r+1; i<m; ++i) {
+                for (unsigned j=k+1; j<n; ++j) {
+                    a.set(i,j,(a.m[r*a.cols()+k]*a.m[i*a.cols()+j]
+                              -a.m[r*a.cols()+j]*a.m[i*a.cols()+k])/divisor);
+                    a.set(i,j,a.m[i*a.cols()+j].normal());
                 }
-                b.ffe_set(i,1,(a.ffe_get(r,k)*b.ffe_get(i,1)
-                              -b.ffe_get(r,1)*a.ffe_get(i,k))/divisor);
-                b.ffe_set(i,1,b.ffe_get(i,1).normal() /*.normal() */ );
-                a.ffe_set(i,k,0);
+                b.set(i,0,(a.m[r*a.cols()+k]*b.m[i*b.cols()]
+                          -b.m[r*b.cols()]*a.m[i*a.cols()+k])/divisor);
+                b.set(i,0,b.m[i*b.cols()].normal());
+                a.set(i,k,_ex0());
             }
-            divisor = a.ffe_get(r,k);
-            r++;
-        }
-    }
-    // optionally compute the determinant for square or augmented matrices
-    // if (r==m+1) { det = sign*divisor; } else { det = 0; }
-    
-    /*
-    for (unsigned r=1; r<=m; ++r) {
-        for (unsigned c=1; c<=n; ++c) {
-            cout << a.ffe_get(r,c) << "\t";
+            divisor = a.m[r*a.cols()+k];
+            ++r;
         }
-        cout << " | " <<  b.ffe_get(r,1) << endl;
     }
-    */
     
 #ifdef DO_GINAC_ASSERT
     // test if we really have an upper echelon matrix
     int zero_in_last_row = -1;
-    for (unsigned r=1; r<=m; ++r) {
+    for (unsigned r=0; r<m; ++r) {
         int zero_in_this_row=0;
-        for (unsigned c=1; c<=n; ++c) {
-            if (a.ffe_get(r,c).is_equal(_ex0()))
-               zero_in_this_row++;
+        for (unsigned c=0; c<n; ++c) {
+            if (a.m[r*a.cols()+c].is_zero())
+               ++zero_in_this_row;
             else
                 break;
         }
@@ -678,78 +732,70 @@ matrix matrix::fraction_free_elim(const matrix & vars,
     }
 #endif // def DO_GINAC_ASSERT
     
-    /*
-    cout << "after" << endl;
-    cout << "a=" << a << endl;
-    cout << "b=" << b << endl;
-    */
-    
     // assemble solution
     matrix sol(n,1);
     unsigned last_assigned_sol = n+1;
-    for (unsigned r=m; r>0; --r) {
+    for (int r=m-1; r>=0; --r) {
         unsigned first_non_zero = 1;
-        while ((first_non_zero<=n)&&(a.ffe_get(r,first_non_zero).is_zero()))
+        while ((first_non_zero<=n)&&(a(r,first_non_zero-1).is_zero()))
             first_non_zero++;
         if (first_non_zero>n) {
             // row consists only of zeroes, corresponding rhs must be 0 as well
-            if (!b.ffe_get(r,1).is_zero()) {
+            if (!b.m[r*b.cols()].is_zero()) {
                 throw (std::runtime_error("matrix::fraction_free_elim(): singular matrix"));
             }
         } else {
             // assign solutions for vars between first_non_zero+1 and
             // last_assigned_sol-1: free parameters
-            for (unsigned c=first_non_zero+1; c<=last_assigned_sol-1; ++c) {
-                sol.ffe_set(c,1,vars.ffe_get(c,1));
-            }
-            ex e = b.ffe_get(r,1);
-            for (unsigned c=first_non_zero+1; c<=n; ++c) {
-                e=e-a.ffe_get(r,c)*sol.ffe_get(c,1);
-            }
-            sol.ffe_set(first_non_zero,1,
-                        (e/a.ffe_get(r,first_non_zero)).normal());
+            for (unsigned c=first_non_zero; c<last_assigned_sol-1; ++c)
+                sol.set(c,0,vars.m[c*vars.cols()]);
+            ex e = b.m[r*b.cols()];
+            for (unsigned c=first_non_zero; c<n; ++c)
+                e -= a.m[r*a.cols()+c]*sol.m[c*sol.cols()];
+            sol.set(first_non_zero-1,0,
+                    (e/(a.m[r*a.cols()+(first_non_zero-1)])).normal());
             last_assigned_sol = first_non_zero;
         }
     }
     // assign solutions for vars between 1 and
     // last_assigned_sol-1: free parameters
-    for (unsigned c=1; c<=last_assigned_sol-1; ++c)
-        sol.ffe_set(c,1,vars.ffe_get(c,1));
+    for (unsigned c=0; c<last_assigned_sol-1; ++c)
+        sol.set(c,0,vars.m[c*vars.cols()]);
     
 #ifdef DO_GINAC_ASSERT
     // test solution with echelon matrix
-    for (unsigned r=1; r<=m; ++r) {
+    for (unsigned r=0; r<m; ++r) {
         ex e = 0;
-        for (unsigned c=1; c<=n; ++c)
-            e = e+a.ffe_get(r,c)*sol.ffe_get(c,1);
-        if (!(e-b.ffe_get(r,1)).normal().is_zero()) {
+        for (unsigned c=0; c<n; ++c)
+            e += a(r,c)*sol(c,0);
+        if (!(e-b(r,0)).normal().is_zero()) {
             cout << "e=" << e;
-            cout << "b.ffe_get(" << r<<",1)=" << b.ffe_get(r,1) << endl;
-            cout << "diff=" << (e-b.ffe_get(r,1)).normal() << endl;
+            cout << "b(" << r <<",0)=" << b(r,0) << endl;
+            cout << "diff=" << (e-b(r,0)).normal() << endl;
         }
-        GINAC_ASSERT((e-b.ffe_get(r,1)).normal().is_zero());
+        GINAC_ASSERT((e-b(r,0)).normal().is_zero());
     }
     
     // test solution with original matrix
-    for (unsigned r=1; r<=m; ++r) {
+    for (unsigned r=0; r<m; ++r) {
         ex e = 0;
-        for (unsigned c=1; c<=n; ++c)
-            e = e+ffe_get(r,c)*sol.ffe_get(c,1);
+        for (unsigned c=0; c<n; ++c)
+            e += this->m[r*cols()+c]*sol(c,0);
         try {
-            if (!(e-rhs.ffe_get(r,1)).normal().is_zero()) {
-                cout << "e=" << e << endl;
+            if (!(e-rhs(r,0)).normal().is_zero()) {
+                cout << "e==" << e << endl;
                 e.printtree(cout);
                 ex en = e.normal();
                 cout << "e.normal()=" << en << endl;
                 en.printtree(cout);
-                cout << "rhs.ffe_get(" << r<<",1)=" << rhs.ffe_get(r,1) << endl;
-                cout << "diff=" << (e-rhs.ffe_get(r,1)).normal() << endl;
+                cout << "rhs(" << r <<",0)=" << rhs(r,0) << endl;
+                cout << "diff=" << (e-rhs(r,0)).normal() << endl;
             }
         } catch (...) {
-            ex xxx = e - rhs.ffe_get(r,1);
+            ex xxx = e - rhs(r,0);
             cerr << "xxx=" << xxx << endl << endl;
         }
-        GINAC_ASSERT((e-rhs.ffe_get(r,1)).normal().is_zero());
+        GINAC_ASSERT((e-rhs(r,0)).normal().is_zero());
     }
 #endif // def DO_GINAC_ASSERT
     
@@ -801,54 +847,30 @@ matrix matrix::old_solve(const matrix & v) const
     return matrix(v.row, v.col, sol);
 }
 
-// protected
 
-/** Determinant of purely numeric matrix, using pivoting.
- *
- *  @see       matrix::determinant() */
-ex matrix::determinant_numeric(void) const
-{
-    matrix tmp(*this);
-    ex det = _ex1();
-    ex piv;
-    
-    for (unsigned r1=0; r1<row; ++r1) {
-        int indx = tmp.pivot(r1);
-        if (indx == -1)
-            return _ex0();
-        if (indx != 0)
-            det *= _ex_1();
-        det = det * tmp.m[r1*col+r1];
-        for (unsigned r2=r1+1; r2<row; ++r2) {
-            piv = tmp.m[r2*col+r1] / tmp.m[r1*col+r1];
-            for (unsigned c=r1+1; c<col; c++) {
-                tmp.m[r2*col+c] -= piv * tmp.m[r1*col+c];
-            }
-        }
-    }
-    return det;
-}
+// protected
 
 /** Recursive determinant for small matrices having at least one symbolic
  *  entry.  The basic algorithm, known as Laplace-expansion, is enhanced by
  *  some bookkeeping to avoid calculation of the same submatrices ("minors")
  *  more than once.  According to W.M.Gentleman and S.C.Johnson this algorithm
- *  is better than elimination schemes for sparse multivariate polynomials and
- *  also for dense univariate polynomials once the dimesion becomes larger
- *  than 7.
+ *  is better than elimination schemes for matrices of sparse multivariate
+ *  polynomials and also for matrices of dense univariate polynomials if the
+ *  matrix' dimesion is larger than 7.
  *
+ *  @return the determinant as a new expression (in expanded form)
  *  @see matrix::determinant() */
-ex matrix::determinant_symbolic_minor(void) const
+ex matrix::determinant_minor(void) const
 {
-    // for small matrices the algorithm does not make sense:
+    // for small matrices the algorithm does not make any sense:
     if (this->row==1)
         return m[0];
     if (this->row==2)
-        return (m[0]*m[3]-m[2]*m[1]);
+        return (m[0]*m[3]-m[2]*m[1]).expand();
     if (this->row==3)
-        return ((m[4]*m[8]-m[5]*m[7])*m[0]-
-                (m[1]*m[8]-m[2]*m[7])*m[3]+
-                (m[1]*m[5]-m[4]*m[2])*m[6]);
+        return (m[0]*m[4]*m[8]-m[0]*m[5]*m[7]-
+                m[1]*m[3]*m[8]+m[2]*m[3]*m[7]+
+                m[1]*m[5]*m[6]-m[2]*m[4]*m[6]).expand();
     
     // This algorithm can best be understood by looking at a naive
     // implementation of Laplace-expansion, like this one:
@@ -869,11 +891,11 @@ ex matrix::determinant_symbolic_minor(void) const
     //     }
     //     // recurse down and care for sign:
     //     if (r1%2)
-    //         det -= m[r1*col] * minorM.determinant_symbolic_minor();
+    //         det -= m[r1*col] * minorM.determinant_minor();
     //     else
-    //         det += m[r1*col] * minorM.determinant_symbolic_minor();
+    //         det += m[r1*col] * minorM.determinant_minor();
     // }
-    // return det;
+    // return det.expand();
     // What happens is that while proceeding down many of the minors are
     // computed more than once.  In particular, there are binomial(n,k)
     // kxk minors and each one is computed factorial(n-k) times.  Therefore
@@ -882,15 +904,18 @@ ex matrix::determinant_symbolic_minor(void) const
     // calculated in step c-1.  We therefore only have to store at most 
     // 2*binomial(n,n/2) minors.
     
-    // we store our subminors in maps, keys being the rows they arise from
-    typedef map<vector<unsigned>,class ex> Rmap;
-    typedef map<vector<unsigned>,class ex>::value_type Rmap_value;
-    Rmap A, B;
-    ex det;
-    vector<unsigned> Pkey;    // Unique flipper counter for partitioning into minors
+    // Unique flipper counter for partitioning into minors
+    std::vector<unsigned> Pkey;
     Pkey.reserve(this->col);
-    vector<unsigned> Mkey;    // key for minor determinant (a subpartition of Pkey)
+    // key for minor determinant (a subpartition of Pkey)
+    std::vector<unsigned> Mkey;
     Mkey.reserve(this->col-1);
+    // we store our subminors in maps, keys being the rows they arise from
+    typedef std::map<std::vector<unsigned>,class ex> Rmap;
+    typedef std::map<std::vector<unsigned>,class ex>::value_type Rmap_value;
+    Rmap A;
+    Rmap B;
+    ex det;
     // initialize A with last column:
     for (unsigned r=0; r<this->col; ++r) {
         Pkey.erase(Pkey.begin(),Pkey.end());
@@ -905,7 +930,6 @@ ex matrix::determinant_symbolic_minor(void) const
             Pkey.push_back(i);
         unsigned fc = 0;  // controls logic for our strange flipper counter
         do {
-            A.insert(Rmap_value(Pkey,_ex0()));
             det = _ex0();
             for (unsigned r=0; r<this->col-c; ++r) {
                 // maybe there is nothing to do?
@@ -922,8 +946,11 @@ ex matrix::determinant_symbolic_minor(void) const
                 else
                     det += m[Pkey[r]*this->col+c]*A[Mkey];
             }
-            // Store the new determinant at its place in B:
-            B.insert(Rmap_value(Pkey,det));
+            // prevent build-up of deep nesting of expressions saves time:
+            det = det.expand();
+            // store the new determinant at its place in B:
+            if (!det.is_zero())
+                B.insert(Rmap_value(Pkey,det));
             // increment our strange flipper counter
             for (fc=this->col-c; fc>0; --fc) {
                 ++Pkey[fc-1];
@@ -934,7 +961,7 @@ ex matrix::determinant_symbolic_minor(void) const
                 for (unsigned j=fc; j<this->col-c; ++j)
                     Pkey[j] = Pkey[j-1]+1;
         } while(fc);
-        // change the role of A and B:
+        // next column, so change the role of A and B:
         A = B;
         B.clear();
     }
@@ -942,28 +969,6 @@ ex matrix::determinant_symbolic_minor(void) const
     return det;
 }
 
-/** Determinant built by application of the full permutation group.  This
- *  routine is only called internally by matrix::determinant(). */
-ex matrix::determinant_symbolic_perm(void) const
-{
-    if (rows()==1)  // speed things up
-        return m[0];
-    
-    ex det;
-    ex term;
-    vector<unsigned> sigma(col);
-    for (unsigned i=0; i<col; ++i)
-        sigma[i]=i;
-    
-    do {
-        term = (*this)(sigma[0],0);
-        for (unsigned i=1; i<col; ++i)
-            term *= (*this)(sigma[i],i);
-        det += permutation_sign(sigma)*term;
-    } while (next_permutation(sigma.begin(), sigma.end()));
-    
-    return det;
-}
 
 /** Perform the steps of an ordinary Gaussian elimination to bring the matrix
  *  into an upper echelon form.
@@ -972,25 +977,173 @@ ex matrix::determinant_symbolic_perm(void) const
  *  number of rows was swapped and 0 if the matrix is singular. */
 int matrix::gauss_elimination(void)
 {
-    int sign = 1;
     ensure_if_modifiable();
+    int sign = 1;
+    ex piv;
     for (unsigned r1=0; r1<row-1; ++r1) {
         int indx = pivot(r1);
         if (indx == -1)
             return 0;  // Note: leaves *this in a messy state.
         if (indx > 0)
             sign = -sign;
+        for (unsigned r2=r1+1; r2<row; ++r2) {
+            piv = this->m[r2*col+r1] / this->m[r1*col+r1];
+            for (unsigned c=r1+1; c<col; ++c)
+                this->m[r2*col+c] -= piv * this->m[r1*col+c];
+            for (unsigned c=0; c<=r1; ++c)
+                this->m[r2*col+c] = _ex0();
+        }
+    }
+    
+    return sign;
+}
+
+
+/** Perform the steps of division free elimination to bring the matrix
+ *  into an upper echelon form.
+ *
+ *  @return sign is 1 if an even number of rows was swapped, -1 if an odd
+ *  number of rows was swapped and 0 if the matrix is singular. */
+int matrix::division_free_elimination(void)
+{
+    int sign = 1;
+    ensure_if_modifiable();
+    for (unsigned r1=0; r1<row-1; ++r1) {
+        int indx = pivot(r1);
+        if (indx==-1)
+            return 0;  // Note: leaves *this in a messy state.
+        if (indx>0)
+            sign = -sign;
         for (unsigned r2=r1+1; r2<row; ++r2) {
             for (unsigned c=r1+1; c<col; ++c)
-                this->m[r2*col+c] -= this->m[r2*col+r1]*this->m[r1*col+c]/this->m[r1*col+r1];
+                this->m[r2*col+c] = this->m[r1*col+r1]*this->m[r2*col+c] - this->m[r2*col+r1]*this->m[r1*col+c];
             for (unsigned c=0; c<=r1; ++c)
                 this->m[r2*col+c] = _ex0();
         }
     }
+    
     return sign;
 }
 
-/** Partial pivoting method.
+
+/** Perform the steps of Bareiss' one-step fraction free elimination to bring
+ *  the matrix into an upper echelon form.  Fraction free elimination means
+ *  that divide is used straightforwardly, without computing GCDs first.  This
+ *  is possible, since we know the divisor at each step.
+ *  
+ *  @param det may be set to true to save a lot of space if one is only
+ *  interested in the last element (i.e. for calculating determinants), the
+ *  others are set to zero in this case.
+ *  @return sign is 1 if an even number of rows was swapped, -1 if an odd
+ *  number of rows was swapped and 0 if the matrix is singular. */
+int matrix::fraction_free_elimination(bool det)
+{
+    // Method:
+    // (single-step fraction free elimination scheme, already known to Jordan)
+    //
+    // Usual division-free elimination sets m[0](r,c) = m(r,c) and then sets
+    //     m[k+1](r,c) = m[k](k,k) * m[k](r,c) - m[k](r,k) * m[k](k,c).
+    //
+    // Bareiss (fraction-free) elimination in addition divides that element
+    // by m[k-1](k-1,k-1) for k>1, where it can be shown by means of the
+    // Sylvester determinant that this really divides m[k+1](r,c).
+    //
+    // We also allow rational functions where the original prove still holds.
+    // However, we must care for numerator and denominator separately and
+    // "manually" work in the integral domains because of subtle cancellations
+    // (see below).  This blows up the bookkeeping a bit and the formula has
+    // to be modified to expand like this (N{x} stands for numerator of x,
+    // D{x} for denominator of x):
+    //     N{m[k+1](r,c)} = N{m[k](k,k)}*N{m[k](r,c)}*D{m[k](r,k)}*D{m[k](k,c)}
+    //                     -N{m[k](r,k)}*N{m[k](k,c)}*D{m[k](k,k)}*D{m[k](r,c)}
+    //     D{m[k+1](r,c)} = D{m[k](k,k)}*D{m[k](r,c)}*D{m[k](r,k)}*D{m[k](k,c)}
+    // where for k>1 we now divide N{m[k+1](r,c)} by
+    //     N{m[k-1](k-1,k-1)}
+    // and D{m[k+1](r,c)} by
+    //     D{m[k-1](k-1,k-1)}.
+    
+    GINAC_ASSERT(det || row==col);
+    ensure_if_modifiable();
+    if (rows()==1)
+        return 1;
+    
+    int sign = 1;
+    ex divisor_n = 1;
+    ex divisor_d = 1;
+    ex dividend_n;
+    ex dividend_d;
+    
+    // We populate temporary matrices to subsequently operate on.  There is
+    // one holding numerators and another holding denominators of entries.
+    // This is a must since the evaluator (or even earlier mul's constructor)
+    // might cancel some trivial element which causes divide() to fail.  The
+    // elements are normalized first (yes, even though this algorithm doesn't
+    // need GCDs) since the elements of *this might be unnormalized, which
+    // makes things more complicated than they need to be.
+    matrix tmp_n(*this);
+    matrix tmp_d(row,col);  // for denominators, if needed
+    lst srl;  // symbol replacement list
+    exvector::iterator it = m.begin();
+    exvector::iterator tmp_n_it = tmp_n.m.begin();
+    exvector::iterator tmp_d_it = tmp_d.m.begin();
+    for (; it!= m.end(); ++it, ++tmp_n_it, ++tmp_d_it) {
+        (*tmp_n_it) = (*it).normal().to_rational(srl);
+        (*tmp_d_it) = (*tmp_n_it).denom();
+        (*tmp_n_it) = (*tmp_n_it).numer();
+    }
+    
+    for (unsigned r1=0; r1<row-1; ++r1) {
+        int indx = tmp_n.pivot(r1);
+        if (det && indx==-1)
+            return 0;  // FIXME: what to do if det is false, some day?
+        if (indx>0) {
+            sign = -sign;
+            // rows r1 and indx were swapped, so pivot matrix tmp_d:
+            for (unsigned c=0; c<col; ++c)
+                tmp_d.m[row*indx+c].swap(tmp_d.m[row*r1+c]);
+        }
+        if (r1>0) {
+            divisor_n = tmp_n.m[(r1-1)*col+(r1-1)].expand();
+            divisor_d = tmp_d.m[(r1-1)*col+(r1-1)].expand();
+            // save space by deleting no longer needed elements:
+            if (det) {
+                for (unsigned c=0; c<col; ++c) {
+                    tmp_n.m[(r1-1)*col+c] = 0;
+                    tmp_d.m[(r1-1)*col+c] = 1;
+                }
+            }
+        }
+        for (unsigned r2=r1+1; r2<row; ++r2) {
+            for (unsigned c=r1+1; c<col; ++c) {
+                dividend_n = (tmp_n.m[r1*col+r1]*tmp_n.m[r2*col+c]*
+                              tmp_d.m[r2*col+r1]*tmp_d.m[r1*col+c]
+                             -tmp_n.m[r2*col+r1]*tmp_n.m[r1*col+c]*
+                              tmp_d.m[r1*col+r1]*tmp_d.m[r2*col+c]).expand();
+                dividend_d = (tmp_d.m[r2*col+r1]*tmp_d.m[r1*col+c]*
+                              tmp_d.m[r1*col+r1]*tmp_d.m[r2*col+c]).expand();
+                bool check = divide(dividend_n, divisor_n,
+                                    tmp_n.m[r2*col+c],true);
+                check &= divide(dividend_d, divisor_d,
+                                tmp_d.m[r2*col+c],true);
+                GINAC_ASSERT(check);
+            }
+            // fill up left hand side.
+            for (unsigned c=0; c<=r1; ++c)
+                tmp_n.m[r2*col+c] = _ex0();
+        }
+    }
+    // repopulate *this matrix:
+    it = m.begin();
+    tmp_n_it = tmp_n.m.begin();
+    tmp_d_it = tmp_d.m.begin();
+    for (; it!= m.end(); ++it, ++tmp_n_it, ++tmp_d_it)
+        (*it) = ((*tmp_n_it)/(*tmp_d_it)).subs(srl);
+    
+    return sign;
+}
+
+
+/** Partial pivoting method for matrix elimination schemes.
  *  Usual pivoting (symbolic==false) returns the index to the element with the
  *  largest absolute value in column ro and swaps the current row with the one
  *  where the element was found.  With (symbolic==true) it does the same thing
@@ -1008,7 +1161,7 @@ int matrix::pivot(unsigned ro, bool symbolic)
     
     if (symbolic) {  // search first non-zero
         for (unsigned r=ro; r<row; ++r) {
-            if (!m[r*col+ro].is_zero()) {
+            if (!m[r*col+ro].expand().is_zero()) {
                 k = r;
                 break;
             }
@@ -1037,6 +1190,29 @@ int matrix::pivot(unsigned ro, bool symbolic)
     return 0;
 }
 
+/** Convert list of lists to matrix. */
+ex lst_to_matrix(const ex &l)
+{
+       if (!is_ex_of_type(l, lst))
+               throw(std::invalid_argument("argument to lst_to_matrix() must be a lst"));
+
+       // Find number of rows and columns
+       unsigned rows = l.nops(), cols = 0, i, j;
+       for (i=0; i<rows; i++)
+               if (l.op(i).nops() > cols)
+                       cols = l.op(i).nops();
+
+       // Allocate and fill matrix
+       matrix &m = *new matrix(rows, cols);
+       for (i=0; i<rows; i++)
+               for (j=0; j<cols; j++)
+                       if (l.op(i).nops() > j)
+                               m.set(i, j, l.op(i).op(j));
+                       else
+                               m.set(i, j, ex(0));
+       return m;
+}
+
 //////////
 // global constants
 //////////