]> www.ginac.de Git - ginac.git/blobdiff - ginac/normal.cpp
- I'm fired. Fixed a really stupid bug in sr_gcd() which called
[ginac.git] / ginac / normal.cpp
index 074759df4db92413e902b5ec6182af426dde48b6..9cc65cad0f30e60330d8470171a824c7b617caea 100644 (file)
@@ -59,7 +59,8 @@ namespace GiNaC {
 #define USE_REMEMBER 0
 
 // Set this if you want divide_in_z() to use trial division followed by
-// polynomial interpolation (usually slower except for very large problems)
+// polynomial interpolation (always slower except for completely dense
+// polynomials)
 #define USE_TRIAL_DIVISION 0
 
 // Set this to enable some statistical output for the GCD routines
@@ -144,7 +145,7 @@ struct sym_desc {
 };
 
 // Vector of sym_desc structures
-typedef vector<sym_desc> sym_desc_vec;
+typedef std::vector<sym_desc> sym_desc_vec;
 
 // Add symbol the sym_desc_vec (used internally by get_symbol_stats())
 static void add_symbol(const symbol *s, sym_desc_vec &v)
@@ -202,11 +203,11 @@ static void get_symbol_stats(const ex &a, const ex &b, sym_desc_vec &v)
     }
     sort(v.begin(), v.end());
 #if 0
-       clog << "Symbols:\n";
+       std::clog << "Symbols:\n";
        it = v.begin(); itend = v.end();
        while (it != itend) {
-               clog << " " << *it->sym << ": deg_a=" << it->deg_a << ", deg_b=" << it->deg_b << ", ldeg_a=" << it->ldeg_a << ", ldeg_b=" << it->ldeg_b << ", max_deg=" << it->max_deg << endl;
-               clog << "  lcoeff_a=" << a.lcoeff(*(it->sym)) << ", lcoeff_b=" << b.lcoeff(*(it->sym)) << endl;
+               std::clog << " " << *it->sym << ": deg_a=" << it->deg_a << ", deg_b=" << it->deg_b << ", ldeg_a=" << it->ldeg_a << ", ldeg_b=" << it->ldeg_b << ", max_deg=" << it->max_deg << endl;
+               std::clog << "  lcoeff_a=" << a.lcoeff(*(it->sym)) << ", lcoeff_b=" << b.lcoeff(*(it->sym)) << endl;
                it++;
        }
 #endif
@@ -607,8 +608,8 @@ bool divide(const ex &a, const ex &b, ex &q, bool check_args)
  *  Remembering
  */
 
-typedef pair<ex, ex> ex2;
-typedef pair<ex, bool> exbool;
+typedef std::pair<ex, ex> ex2;
+typedef std::pair<ex, bool> exbool;
 
 struct ex2_less {
     bool operator() (const ex2 p, const ex2 q) const 
@@ -617,7 +618,7 @@ struct ex2_less {
     }
 };
 
-typedef map<ex2, exbool, ex2_less> ex2_exbool_remember;
+typedef std::map<ex2, exbool, ex2_less> ex2_exbool_remember;
 #endif
 
 
@@ -880,9 +881,9 @@ ex ex::primpart(const symbol &x, const ex &c) const
  *  GCD of multivariate polynomials
  */
 
-/** Compute GCD of multivariate polynomials using the Euclidean PRS algorithm
- *  (not really suited for multivariate GCDs). This function is only provided
- *  for testing purposes.
+/** Compute GCD of polynomials in Q[X] using the Euclidean algorithm (not
+ *  really suited for multivariate GCDs). This function is only provided for
+ *  testing purposes.
  *
  *  @param a  first multivariate polynomial
  *  @param b  second multivariate polynomial
@@ -892,7 +893,7 @@ ex ex::primpart(const symbol &x, const ex &c) const
 
 static ex eu_gcd(const ex &a, const ex &b, const symbol *x)
 {
-//clog << "eu_gcd(" << a << "," << b << ")\n";
+//std::clog << "eu_gcd(" << a << "," << b << ")\n";
 
     // Sort c and d so that c has higher degree
     ex c, d;
@@ -905,13 +906,17 @@ static ex eu_gcd(const ex &a, const ex &b, const symbol *x)
         d = a;
     }
 
+       // Normalize in Q[x]
+       c = c / c.lcoeff(*x);
+       d = d / d.lcoeff(*x);
+
        // Euclidean algorithm
     ex r;
     for (;;) {
-//clog << " d = " << d << endl;
+//std::clog << " d = " << d << endl;
         r = rem(c, d, *x, false);
         if (r.is_zero())
-            return d.primpart(*x);
+            return d / d.lcoeff(*x);
         c = d;
                d = r;
     }
@@ -930,7 +935,7 @@ static ex eu_gcd(const ex &a, const ex &b, const symbol *x)
 
 static ex euprem_gcd(const ex &a, const ex &b, const symbol *x)
 {
-//clog << "euprem_gcd(" << a << "," << b << ")\n";
+//std::clog << "euprem_gcd(" << a << "," << b << ")\n";
 
     // Sort c and d so that c has higher degree
     ex c, d;
@@ -943,13 +948,16 @@ static ex euprem_gcd(const ex &a, const ex &b, const symbol *x)
         d = a;
     }
 
+       // Calculate GCD of contents
+       ex gamma = gcd(c.content(*x), d.content(*x), NULL, NULL, false);
+
        // Euclidean algorithm with pseudo-remainders
     ex r;
     for (;;) {
-//clog << " d = " << d << endl;
+//std::clog << " d = " << d << endl;
         r = prem(c, d, *x, false);
         if (r.is_zero())
-            return d.primpart(*x);
+            return d.primpart(*x) * gamma;
         c = d;
                d = r;
     }
@@ -968,7 +976,7 @@ static ex euprem_gcd(const ex &a, const ex &b, const symbol *x)
 
 static ex peu_gcd(const ex &a, const ex &b, const symbol *x)
 {
-//clog << "peu_gcd(" << a << "," << b << ")\n";
+//std::clog << "peu_gcd(" << a << "," << b << ")\n";
 
     // Sort c and d so that c has higher degree
     ex c, d;
@@ -996,7 +1004,7 @@ static ex peu_gcd(const ex &a, const ex &b, const symbol *x)
     // Euclidean algorithm with content removal
        ex r;
     for (;;) {
-//clog << " d = " << d << endl;
+//std::clog << " d = " << d << endl;
         r = prem(c, d, *x, false);
         if (r.is_zero())
             return gamma * d;
@@ -1017,7 +1025,7 @@ static ex peu_gcd(const ex &a, const ex &b, const symbol *x)
 
 static ex red_gcd(const ex &a, const ex &b, const symbol *x)
 {
-//clog << "red_gcd(" << a << "," << b << ")\n";
+//std::clog << "red_gcd(" << a << "," << b << ")\n";
 
     // Sort c and d so that c has higher degree
     ex c, d;
@@ -1044,13 +1052,13 @@ static ex red_gcd(const ex &a, const ex &b, const symbol *x)
     c = c.primpart(*x, cont_c);
     d = d.primpart(*x, cont_d);
 
-    // First element of subresultant sequence
+    // First element of divisor sequence
     ex r, ri = _ex1();
     int delta = cdeg - ddeg;
 
     for (;;) {
         // Calculate polynomial pseudo-remainder
-//clog << " d = " << d << endl;
+//std::clog << " d = " << d << endl;
         r = prem(c, d, *x, false);
         if (r.is_zero())
             return gamma * d.primpart(*x);
@@ -1076,21 +1084,25 @@ static ex red_gcd(const ex &a, const ex &b, const symbol *x)
 /** Compute GCD of multivariate polynomials using the subresultant PRS
  *  algorithm. This function is used internally by gcd().
  *
- *  @param a  first multivariate polynomial
- *  @param b  second multivariate polynomial
- *  @param x  pointer to symbol (main variable) in which to compute the GCD in
+ *  @param a   first multivariate polynomial
+ *  @param b   second multivariate polynomial
+ *  @param var iterator to first element of vector of sym_desc structs
  *  @return the GCD as a new expression
  *  @see gcd */
-static ex sr_gcd(const ex &a, const ex &b, const symbol *x)
+
+static ex sr_gcd(const ex &a, const ex &b, sym_desc_vec::const_iterator var)
 {
-//clog << "sr_gcd(" << a << "," << b << ")\n";
+//std::clog << "sr_gcd(" << a << "," << b << ")\n";
 #if STATISTICS
        sr_gcd_called++;
 #endif
 
+    // The first symbol is our main variable
+    const symbol &x = *(var->sym);
+
     // Sort c and d so that c has higher degree
     ex c, d;
-    int adeg = a.degree(*x), bdeg = b.degree(*x);
+    int adeg = a.degree(x), bdeg = b.degree(x);
     int cdeg, ddeg;
     if (adeg >= bdeg) {
         c = a;
@@ -1105,14 +1117,14 @@ static ex sr_gcd(const ex &a, const ex &b, const symbol *x)
     }
 
     // Remove content from c and d, to be attached to GCD later
-    ex cont_c = c.content(*x);
-    ex cont_d = d.content(*x);
+    ex cont_c = c.content(x);
+    ex cont_d = d.content(x);
     ex gamma = gcd(cont_c, cont_d, NULL, NULL, false);
     if (ddeg == 0)
         return gamma;
-    c = c.primpart(*x, cont_c);
-    d = d.primpart(*x, cont_d);
-//clog << " content " << gamma << " removed, continuing with sr_gcd(" << c << "," << d << ")\n";
+    c = c.primpart(x, cont_c);
+    d = d.primpart(x, cont_d);
+//std::clog << " content " << gamma << " removed, continuing with sr_gcd(" << c << "," << d << ")\n";
 
     // First element of subresultant sequence
     ex r = _ex0(), ri = _ex1(), psi = _ex1();
@@ -1120,31 +1132,31 @@ static ex sr_gcd(const ex &a, const ex &b, const symbol *x)
 
     for (;;) {
         // Calculate polynomial pseudo-remainder
-//clog << " start of loop, psi = " << psi << ", calculating pseudo-remainder...\n";
-//clog << " d = " << d << endl;
-        r = prem(c, d, *x, false);
+//std::clog << " start of loop, psi = " << psi << ", calculating pseudo-remainder...\n";
+//std::clog << " d = " << d << endl;
+        r = prem(c, d, x, false);
         if (r.is_zero())
-            return gamma * d.primpart(*x);
+            return gamma * d.primpart(x);
         c = d;
         cdeg = ddeg;
-//clog << " dividing...\n";
-        if (!divide(r, ri * pow(psi, delta), d, false))
+//std::clog << " dividing...\n";
+        if (!divide_in_z(r, ri * pow(psi, delta), d, var))
             throw(std::runtime_error("invalid expression in sr_gcd(), division failed"));
-        ddeg = d.degree(*x);
+        ddeg = d.degree(x);
         if (ddeg == 0) {
             if (is_ex_exactly_of_type(r, numeric))
                 return gamma;
             else
-                return gamma * r.primpart(*x);
+                return gamma * r.primpart(x);
         }
 
         // Next element of subresultant sequence
-//clog << " calculating next subresultant...\n";
-        ri = c.expand().lcoeff(*x);
+//std::clog << " calculating next subresultant...\n";
+        ri = c.expand().lcoeff(x);
         if (delta == 1)
             psi = ri;
         else if (delta)
-            divide(pow(ri, delta), pow(psi, delta-1), psi, false);
+            divide_in_z(pow(ri, delta), pow(psi, delta-1), psi, var+1);
         delta = cdeg - ddeg;
     }
 }
@@ -1280,6 +1292,20 @@ ex mul::smod(const numeric &xi) const
 }
 
 
+/** xi-adic polynomial interpolation */
+static ex interpolate(const ex &gamma, const numeric &xi, const symbol &x)
+{
+       ex g = _ex0();
+       ex e = gamma;
+       numeric rxi = xi.inverse();
+       for (int i=0; !e.is_zero(); i++) {
+               ex gi = e.smod(xi);
+               g += gi * power(x, i);
+               e = (e - gi) * rxi;
+       }
+       return g;
+}
+
 /** Exception thrown by heur_gcd() to signal failure. */
 class gcdheu_failed {};
 
@@ -1300,7 +1326,7 @@ class gcdheu_failed {};
  *  @exception gcdheu_failed() */
 static ex heur_gcd(const ex &a, const ex &b, ex *ca, ex *cb, sym_desc_vec::const_iterator var)
 {
-//clog << "heur_gcd(" << a << "," << b << ")\n";
+//std::clog << "heur_gcd(" << a << "," << b << ")\n";
 #if STATISTICS
        heur_gcd_called++;
 #endif
@@ -1319,14 +1345,14 @@ static ex heur_gcd(const ex &a, const ex &b, ex *ca, ex *cb, sym_desc_vec::const
     }
 
     // The first symbol is our main variable
-    const symbol *x = var->sym;
+    const symbol &x = *(var->sym);
 
     // Remove integer content
     numeric gc = gcd(a.integer_content(), b.integer_content());
     numeric rgc = gc.inverse();
     ex p = a * rgc;
     ex q = b * rgc;
-    int maxdeg = max(p.degree(*x), q.degree(*x));
+    int maxdeg = max(p.degree(x), q.degree(x));
 
     // Find evaluation point
     numeric mp = p.max_coefficient(), mq = q.max_coefficient();
@@ -1339,35 +1365,59 @@ static ex heur_gcd(const ex &a, const ex &b, ex *ca, ex *cb, sym_desc_vec::const
     // 6 tries maximum
     for (int t=0; t<6; t++) {
         if (xi.int_length() * maxdeg > 100000) {
-//clog << "giving up heur_gcd, xi.int_length = " << xi.int_length() << ", maxdeg = " << maxdeg << endl;
+//std::clog << "giving up heur_gcd, xi.int_length = " << xi.int_length() << ", maxdeg = " << maxdeg << endl;
             throw gcdheu_failed();
                }
 
         // Apply evaluation homomorphism and calculate GCD
-        ex gamma = heur_gcd(p.subs(*x == xi), q.subs(*x == xi), NULL, NULL, var+1).expand();
+               ex cp, cq;
+        ex gamma = heur_gcd(p.subs(x == xi), q.subs(x == xi), &cp, &cq, var+1).expand();
         if (!is_ex_exactly_of_type(gamma, fail)) {
 
             // Reconstruct polynomial from GCD of mapped polynomials
-            ex g = _ex0();
-            numeric rxi = xi.inverse();
-            for (int i=0; !gamma.is_zero(); i++) {
-                ex gi = gamma.smod(xi);
-                g += gi * power(*x, i);
-                gamma = (gamma - gi) * rxi;
-            }
+                       ex g = interpolate(gamma, xi, x);
+
             // Remove integer content
             g /= g.integer_content();
 
-            // If the calculated polynomial divides both a and b, this is the GCD
+            // If the calculated polynomial divides both p and q, this is the GCD
             ex dummy;
             if (divide_in_z(p, g, ca ? *ca : dummy, var) && divide_in_z(q, g, cb ? *cb : dummy, var)) {
                 g *= gc;
-                ex lc = g.lcoeff(*x);
+                ex lc = g.lcoeff(x);
                 if (is_ex_exactly_of_type(lc, numeric) && ex_to_numeric(lc).is_negative())
                     return -g;
                 else
                     return g;
             }
+#if 0
+                       cp = interpolate(cp, xi, x);
+                       if (divide_in_z(cp, p, g, var)) {
+                               if (divide_in_z(g, q, cb ? *cb : dummy, var)) {
+                                       g *= gc;
+                                       if (ca)
+                                               *ca = cp;
+                       ex lc = g.lcoeff(x);
+                       if (is_ex_exactly_of_type(lc, numeric) && ex_to_numeric(lc).is_negative())
+                           return -g;
+                       else
+                           return g;
+                               }
+                       }
+                       cq = interpolate(cq, xi, x);
+                       if (divide_in_z(cq, q, g, var)) {
+                               if (divide_in_z(g, p, ca ? *ca : dummy, var)) {
+                                       g *= gc;
+                                       if (cb)
+                                               *cb = cq;
+                       ex lc = g.lcoeff(x);
+                       if (is_ex_exactly_of_type(lc, numeric) && ex_to_numeric(lc).is_negative())
+                           return -g;
+                       else
+                           return g;
+                               }
+                       }
+#endif
         }
 
         // Next evaluation point
@@ -1387,7 +1437,7 @@ static ex heur_gcd(const ex &a, const ex &b, ex *ca, ex *cb, sym_desc_vec::const
  *  @return the GCD as a new expression */
 ex gcd(const ex &a, const ex &b, ex *ca, ex *cb, bool check_args)
 {
-//clog << "gcd(" << a << "," << b << ")\n";
+//std::clog << "gcd(" << a << "," << b << ")\n";
 #if STATISTICS
        gcd_called++;
 #endif
@@ -1530,32 +1580,32 @@ factored_b:
 
     // The symbol with least degree is our main variable
     sym_desc_vec::const_iterator var = sym_stats.begin();
-    const symbol *x = var->sym;
+    const symbol &x = *(var->sym);
 
     // Cancel trivial common factor
     int ldeg_a = var->ldeg_a;
     int ldeg_b = var->ldeg_b;
     int min_ldeg = min(ldeg_a, ldeg_b);
     if (min_ldeg > 0) {
-        ex common = power(*x, min_ldeg);
-//clog << "trivial common factor " << common << endl;
+        ex common = power(x, min_ldeg);
+//std::clog << "trivial common factor " << common << endl;
         return gcd((aex / common).expand(), (bex / common).expand(), ca, cb, false) * common;
     }
 
     // Try to eliminate variables
     if (var->deg_a == 0) {
-//clog << "eliminating variable " << *x << " from b" << endl;
-        ex c = bex.content(*x);
+//std::clog << "eliminating variable " << x << " from b" << endl;
+        ex c = bex.content(x);
         ex g = gcd(aex, c, ca, cb, false);
         if (cb)
-            *cb *= bex.unit(*x) * bex.primpart(*x, c);
+            *cb *= bex.unit(x) * bex.primpart(x, c);
         return g;
     } else if (var->deg_b == 0) {
-//clog << "eliminating variable " << *x << " from a" << endl;
-        ex c = aex.content(*x);
+//std::clog << "eliminating variable " << x << " from a" << endl;
+        ex c = aex.content(x);
         ex g = gcd(c, bex, ca, cb, false);
         if (ca)
-            *ca *= aex.unit(*x) * aex.primpart(*x, c);
+            *ca *= aex.unit(x) * aex.primpart(x, c);
         return g;
     }
 
@@ -1568,17 +1618,17 @@ factored_b:
         g = *new ex(fail());
     }
     if (is_ex_exactly_of_type(g, fail)) {
-//clog << "heuristics failed" << endl;
+//std::clog << "heuristics failed" << endl;
 #if STATISTICS
                heur_gcd_failed++;
 #endif
 #endif
 //             g = heur_gcd(aex, bex, ca, cb, var);
-//             g = eu_gcd(aex, bex, x);
-//             g = euprem_gcd(aex, bex, x);
-//             g = peu_gcd(aex, bex, x);
-//             g = red_gcd(aex, bex, x);
-               g = sr_gcd(aex, bex, x);
+//             g = eu_gcd(aex, bex, &x);
+//             g = euprem_gcd(aex, bex, &x);
+//             g = peu_gcd(aex, bex, &x);
+//             g = red_gcd(aex, bex, &x);
+               g = sr_gcd(aex, bex, var);
                if (g.is_equal(_ex1())) {
                        // Keep cofactors factored if possible
                        if (ca)
@@ -1803,7 +1853,7 @@ static ex frac_cancel(const ex &n, const ex &d)
     ex den = d;
     numeric pre_factor = _num1();
 
-//clog << "frac_cancel num = " << num << ", den = " << den << endl;
+//std::clog << "frac_cancel num = " << num << ", den = " << den << endl;
 
     // Handle special cases where numerator or denominator is 0
     if (num.is_zero())
@@ -1838,7 +1888,7 @@ static ex frac_cancel(const ex &n, const ex &d)
        }
 
        // Return result as list
-//clog << " returns num = " << num << ", den = " << den << ", pre_factor = " << pre_factor << endl;
+//std::clog << " returns num = " << num << ", den = " << den << ", pre_factor = " << pre_factor << endl;
     return (new lst(num * pre_factor.numer(), den * pre_factor.denom()))->setflag(status_flags::dynallocated);
 }
 
@@ -1886,13 +1936,13 @@ ex add::normal(lst &sym_lst, lst &repl_lst, int level) const
     // Determine common denominator
     ex den = _ex1();
     exvector::const_iterator ait = o.begin(), aitend = o.end();
-//clog << "add::normal uses the following summands:\n";
+//std::clog << "add::normal uses the following summands:\n";
     while (ait != aitend) {
-//clog << " num = " << ait->op(0) << ", den = " << ait->op(1) << endl;
+//std::clog << " num = " << ait->op(0) << ", den = " << ait->op(1) << endl;
         den = lcm(ait->op(1), den, false);
         ait++;
     }
-//clog << " common denominator = " << den << endl;
+//std::clog << " common denominator = " << den << endl;
 
     // Add fractions
     if (den.is_equal(_ex1())) {