]> www.ginac.de Git - ginac.git/blobdiff - ginac/normal.cpp
- added ex::to_rational() to convert general expression to rational expression
[ginac.git] / ginac / normal.cpp
index ad49f9ac0cab4ca03292111d115063cbddba9748..a4681122a662a0b03cb0e333f024aa360bc9d7b2 100644 (file)
@@ -3,8 +3,7 @@
  *  This file implements several functions that work on univariate and
  *  multivariate polynomials and rational functions.
  *  These functions include polynomial quotient and remainder, GCD and LCM
- *  computation, square-free factorization and rational function normalization.
- */
+ *  computation, square-free factorization and rational function normalization. */
 
 /*
  *  GiNaC Copyright (C) 1999-2000 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
@@ -57,7 +56,34 @@ namespace GiNaC {
 #define FAST_COMPARE 1
 
 // Set this if you want divide_in_z() to use remembering
-#define USE_REMEMBER 1
+#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)
+#define USE_TRIAL_DIVISION 0
+
+// Set this to enable some statistical output for the GCD routines
+#define STATISTICS 0
+
+
+#if STATISTICS
+// Statistics variables
+static int gcd_called = 0;
+static int sr_gcd_called = 0;
+static int heur_gcd_called = 0;
+static int heur_gcd_failed = 0;
+
+// Print statistics at end of program
+static struct _stat_print {
+       _stat_print() {}
+       ~_stat_print() {
+               cout << "gcd() called " << gcd_called << " times\n";
+               cout << "sr_gcd() called " << sr_gcd_called << " times\n";
+               cout << "heur_gcd() called " << heur_gcd_called << " times\n";
+               cout << "heur_gcd() failed " << heur_gcd_failed << " times\n";
+       }
+} stat_print;
+#endif
 
 
 /** Return pointer to first symbol found in expression.  Due to GiNaCĀ“s
@@ -598,38 +624,9 @@ static bool divide_in_z(const ex &a, const ex &b, ex &q, sym_desc_vec::const_ite
     if (bdeg > adeg)
         return false;
 
-#if 1
-
-    // Polynomial long division (recursive)
-    ex r = a.expand();
-    if (r.is_zero())
-        return true;
-    int rdeg = adeg;
-    ex eb = b.expand();
-    ex blcoeff = eb.coeff(*x, bdeg);
-    while (rdeg >= bdeg) {
-        ex term, rcoeff = r.coeff(*x, rdeg);
-        if (!divide_in_z(rcoeff, blcoeff, term, var+1))
-            break;
-        term = (term * power(*x, rdeg - bdeg)).expand();
-        q += term;
-        r -= (term * eb).expand();
-        if (r.is_zero()) {
-#if USE_REMEMBER
-            dr_remember[ex2(a, b)] = exbool(q, true);
-#endif
-            return true;
-        }
-        rdeg = r.degree(*x);
-    }
-#if USE_REMEMBER
-    dr_remember[ex2(a, b)] = exbool(q, false);
-#endif
-    return false;
-
-#else
+#if USE_TRIAL_DIVISION
 
-    // Trial division using polynomial interpolation
+    // Trial division with polynomial interpolation
     int i, k;
 
     // Compute values at evaluation points 0..adeg
@@ -652,7 +649,7 @@ static bool divide_in_z(const ex &a, const ex &b, ex &q, sym_desc_vec::const_ite
 
     // Compute inverses
     vector<numeric> rcp; rcp.reserve(adeg + 1);
-    rcp.push_back(0);
+    rcp.push_back(_num0());
     for (k=1; k<=adeg; k++) {
         numeric product = alpha[k] - alpha[0];
         for (i=1; i<k; i++)
@@ -680,6 +677,36 @@ static bool divide_in_z(const ex &a, const ex &b, ex &q, sym_desc_vec::const_ite
         return true;
     } else
         return false;
+
+#else
+
+    // Polynomial long division (recursive)
+    ex r = a.expand();
+    if (r.is_zero())
+        return true;
+    int rdeg = adeg;
+    ex eb = b.expand();
+    ex blcoeff = eb.coeff(*x, bdeg);
+    while (rdeg >= bdeg) {
+        ex term, rcoeff = r.coeff(*x, rdeg);
+        if (!divide_in_z(rcoeff, blcoeff, term, var+1))
+            break;
+        term = (term * power(*x, rdeg - bdeg)).expand();
+        q += term;
+        r -= (term * eb).expand();
+        if (r.is_zero()) {
+#if USE_REMEMBER
+            dr_remember[ex2(a, b)] = exbool(q, true);
+#endif
+            return true;
+        }
+        rdeg = r.degree(*x);
+    }
+#if USE_REMEMBER
+    dr_remember[ex2(a, b)] = exbool(q, false);
+#endif
+    return false;
+
 #endif
 }
 
@@ -811,6 +838,11 @@ ex ex::primpart(const symbol &x, const ex &c) const
 
 static ex sr_gcd(const ex &a, const ex &b, const symbol *x)
 {
+//clog << "sr_gcd(" << a << "," << b << ")\n";
+#if STATISTICS
+       sr_gcd_called++;
+#endif
+
     // Sort c and d so that c has higher degree
     ex c, d;
     int adeg = a.degree(*x), bdeg = b.degree(*x);
@@ -835,6 +867,7 @@ static ex sr_gcd(const ex &a, const ex &b, const symbol *x)
         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";
 
     // First element of subresultant sequence
     ex r = _ex0(), ri = _ex1(), psi = _ex1();
@@ -842,11 +875,13 @@ 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";
         r = prem(c, d, *x, false);
         if (r.is_zero())
             return gamma * d.primpart(*x);
         c = d;
         cdeg = ddeg;
+//clog << " dividing...\n";
         if (!divide(r, ri * power(psi, delta), d, false))
             throw(std::runtime_error("invalid expression in sr_gcd(), division failed"));
         ddeg = d.degree(*x);
@@ -858,6 +893,7 @@ static ex sr_gcd(const ex &a, const ex &b, const symbol *x)
         }
 
         // Next element of subresultant sequence
+//clog << " calculating next subresultant...\n";
         ri = c.expand().lcoeff(*x);
         if (delta == 1)
             psi = ri;
@@ -1021,6 +1057,12 @@ class 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";
+#if STATISTICS
+       heur_gcd_called++;
+#endif
+
+       // GCD of two numeric values -> CLN
     if (is_ex_exactly_of_type(a, numeric) && is_ex_exactly_of_type(b, numeric)) {
         numeric g = gcd(ex_to_numeric(a), ex_to_numeric(b));
         numeric rg;
@@ -1053,8 +1095,10 @@ 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 > 50000)
+        if (xi.int_length() * maxdeg > 100000) {
+//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();
@@ -1076,7 +1120,7 @@ static ex heur_gcd(const ex &a, const ex &b, ex *ca, ex *cb, sym_desc_vec::const
             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);
-                if (is_ex_exactly_of_type(lc, numeric) && lc.compare(_ex0()) < 0)
+                if (is_ex_exactly_of_type(lc, numeric) && ex_to_numeric(lc).is_negative())
                     return -g;
                 else
                     return g;
@@ -1101,6 +1145,26 @@ static ex heur_gcd(const ex &a, const ex &b, ex *ca, ex *cb, sym_desc_vec::const
 
 ex gcd(const ex &a, const ex &b, ex *ca, ex *cb, bool check_args)
 {
+//clog << "gcd(" << a << "," << b << ")\n";
+#if STATISTICS
+       gcd_called++;
+#endif
+
+       // GCD of numerics -> CLN
+    if (is_ex_exactly_of_type(a, numeric) && is_ex_exactly_of_type(b, numeric)) {
+        numeric g = gcd(ex_to_numeric(a), ex_to_numeric(b));
+        if (ca)
+            *ca = ex_to_numeric(a) / g;
+        if (cb)
+            *cb = ex_to_numeric(b) / g;
+        return g;
+    }
+
+       // Check arguments
+    if (check_args && !a.info(info_flags::rational_polynomial) || !b.info(info_flags::rational_polynomial)) {
+        throw(std::invalid_argument("gcd: arguments must be polynomials over the rationals"));
+    }
+
        // Partially factored cases (to avoid expanding large expressions)
        if (is_ex_exactly_of_type(a, mul)) {
                if (is_ex_exactly_of_type(b, mul) && b.nops() > a.nops())
@@ -1140,6 +1204,51 @@ factored_b:
                return g;
        }
 
+#if FAST_COMPARE
+       // Input polynomials of the form poly^n are sometimes also trivial
+       if (is_ex_exactly_of_type(a, power)) {
+               ex p = a.op(0);
+               if (is_ex_exactly_of_type(b, power)) {
+                       if (p.is_equal(b.op(0))) {
+                               // a = p^n, b = p^m, gcd = p^min(n, m)
+                               ex exp_a = a.op(1), exp_b = b.op(1);
+                               if (exp_a < exp_b) {
+                                       if (ca)
+                                               *ca = _ex1();
+                                       if (cb)
+                                               *cb = power(p, exp_b - exp_a);
+                                       return power(p, exp_a);
+                               } else {
+                                       if (ca)
+                                               *ca = power(p, exp_a - exp_b);
+                                       if (cb)
+                                               *cb = _ex1();
+                                       return power(p, exp_b);
+                               }
+                       }
+               } else {
+                       if (p.is_equal(b)) {
+                               // a = p^n, b = p, gcd = p
+                               if (ca)
+                                       *ca = power(p, a.op(1) - 1);
+                               if (cb)
+                                       *cb = _ex1();
+                               return p;
+                       }
+               }
+       } else if (is_ex_exactly_of_type(b, power)) {
+               ex p = b.op(0);
+               if (p.is_equal(a)) {
+                       // a = p, b = p^n, gcd = p
+                       if (ca)
+                               *ca = _ex1();
+                       if (cb)
+                               *cb = power(p, b.op(1) - 1);
+                       return p;
+               }
+       }
+#endif
+
     // Some trivial cases
        ex aex = a.expand(), bex = b.expand();
     if (aex.is_zero()) {
@@ -1172,17 +1281,6 @@ factored_b:
         return a;
     }
 #endif
-    if (is_ex_exactly_of_type(aex, numeric) && is_ex_exactly_of_type(bex, numeric)) {
-        numeric g = gcd(ex_to_numeric(aex), ex_to_numeric(bex));
-        if (ca)
-            *ca = ex_to_numeric(aex) / g;
-        if (cb)
-            *cb = ex_to_numeric(bex) / g;
-        return g;
-    }
-    if (check_args && !a.info(info_flags::rational_polynomial) || !b.info(info_flags::rational_polynomial)) {
-        throw(std::invalid_argument("gcd: arguments must be polynomials over the rationals"));
-    }
 
     // Gather symbol statistics
     sym_desc_vec sym_stats;
@@ -1228,13 +1326,32 @@ factored_b:
     }
     if (is_ex_exactly_of_type(g, fail)) {
 //clog << "heuristics failed" << endl;
+#if STATISTICS
+               heur_gcd_failed++;
+#endif
         g = sr_gcd(aex, bex, x);
-        if (ca)
-            divide(aex, g, *ca, false);
-        if (cb)
-            divide(bex, g, *cb, false);
-    }
-    return g;
+               if (g.is_equal(_ex1())) {
+                       // Keep cofactors factored if possible
+                       if (ca)
+                               *ca = a;
+                       if (cb)
+                               *cb = b;
+               } else {
+               if (ca)
+                   divide(aex, g, *ca, false);
+               if (cb)
+                   divide(bex, g, *cb, false);
+               }
+    } else {
+               if (g.is_equal(_ex1())) {
+                       // Keep cofactors factored if possible
+                       if (ca)
+                               *ca = a;
+                       if (cb)
+                               *cb = b;
+               }
+           return g;
+       }
 }
 
 
@@ -1342,8 +1459,8 @@ ex sqrfree(const ex &a, const symbol &x)
  */
 
 /** Create a symbol for replacing the expression "e" (or return a previously
- *  assigned symbol). The symbol is appended to sym_list and returned, the
- *  expression is appended to repl_list.
+ *  assigned symbol). The symbol is appended to sym_lst and returned, the
+ *  expression is appended to repl_lst.
  *  @see ex::normal */
 static ex replace_with_symbol(const ex &e, lst &sym_lst, lst &repl_lst)
 {
@@ -1363,6 +1480,26 @@ static ex replace_with_symbol(const ex &e, lst &sym_lst, lst &repl_lst)
     return es;
 }
 
+/** Create a symbol for replacing the expression "e" (or return a previously
+ *  assigned symbol). An expression of the form "symbol == expression" is added
+ *  to repl_lst and the symbol is returned.
+ *  @see ex::to_rational */
+static ex replace_with_symbol(const ex &e, lst &repl_lst)
+{
+    // Expression already in repl_lst? Then return the assigned symbol
+    for (unsigned i=0; i<repl_lst.nops(); i++)
+        if (repl_lst.op(i).op(1).is_equal(e))
+            return repl_lst.op(i).op(0);
+
+    // Otherwise create new symbol and add to list, taking care that the
+       // replacement expression doesn't contain symbols from the sym_lst
+       // because subs() is not recursive
+       symbol s;
+       ex es(s);
+       ex e_replaced = e.subs(repl_lst);
+    repl_lst.append(es == e_replaced);
+    return es;
+}
 
 /** Default implementation of ex::normal(). It replaces the object with a
  *  temporary symbol.
@@ -1442,13 +1579,15 @@ static ex frac_cancel(const ex &n, const ex &d)
        // as defined by get_first_symbol() is made positive)
        const symbol *x;
        if (get_first_symbol(den, x)) {
-               if (den.unit(*x).compare(_ex0()) < 0) {
+                GINAC_ASSERT(is_ex_exactly_of_type(den.unit(*x),numeric));
+               if (ex_to_numeric(den.unit(*x)).is_negative()) {
                        num *= _ex_1();
                        den *= _ex_1();
                }
        }
 
        // Return result as list
+//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);
 }
 
@@ -1479,7 +1618,7 @@ ex add::normal(lst &sym_lst, lst &repl_lst, int level) const
                        // split it into numerator and denominator
                        GINAC_ASSERT(ex_to_numeric(ex_to_add(n.op(0)).overall_coeff).is_rational());
                        numeric overall = ex_to_numeric(ex_to_add(n.op(0)).overall_coeff);
-            o.push_back((new lst(overall.numer(), overall.denom()))->setflag(status_flags::dynallocated));
+            o.push_back((new lst(overall.numer(), overall.denom() * n.op(1)))->setflag(status_flags::dynallocated));
         } else
             o.push_back(n);
         it++;
@@ -1491,10 +1630,13 @@ 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";
     while (ait != aitend) {
+//clog << " num = " << ait->op(0) << ", den = " << ait->op(1) << endl;
         den = lcm(ait->op(1), den, false);
         ait++;
     }
+//clog << " common denominator = " << den << endl;
 
     // Add fractions
     if (den.is_equal(_ex1())) {
@@ -1516,7 +1658,7 @@ ex add::normal(lst &sym_lst, lst &repl_lst, int level) const
                 // should not happen
                 throw(std::runtime_error("invalid expression in add::normal, division failed"));
             }
-            num_seq.push_back(ait->op(0) * q);
+            num_seq.push_back((ait->op(0) * q).expand());
         }
         ex num = (new add(num_seq))->setflag(status_flags::dynallocated);
 
@@ -1567,19 +1709,20 @@ ex power::normal(lst &sym_lst, lst &repl_lst, int level) const
                        // (a/b)^n -> {a^n, b^n}
                        return (new lst(power(n.op(0), exponent), power(n.op(1), exponent)))->setflag(status_flags::dynallocated);
 
-               } else if (exponent.info(info_flags::negint)) {
+               } else if (exponent.info(info_flags::negative)) {
 
                        // (a/b)^-n -> {b^n, a^n}
                        return (new lst(power(n.op(1), -exponent), power(n.op(0), -exponent)))->setflag(status_flags::dynallocated);
                }
 
        } else {
+
                if (exponent.info(info_flags::positive)) {
 
-                       // (a/b)^z -> {sym((a/b)^z), 1}
+                       // (a/b)^x -> {sym((a/b)^x), 1}
                        return (new lst(replace_with_symbol(power(n.op(0) / n.op(1), exponent), sym_lst, repl_lst), _ex1()))->setflag(status_flags::dynallocated);
 
-               } else {
+               } else if (exponent.info(info_flags::negative)) {
 
                        if (n.op(1).is_equal(_ex1())) {
 
@@ -1588,9 +1731,14 @@ ex power::normal(lst &sym_lst, lst &repl_lst, int level) const
 
                        } else {
 
-                               // (a/b)^-x -> {(b/a)^x, 1}
+                               // (a/b)^-x -> {sym((b/a)^x), 1}
                                return (new lst(replace_with_symbol(power(n.op(1) / n.op(0), -exponent), sym_lst, repl_lst), _ex1()))->setflag(status_flags::dynallocated);
                        }
+
+               } else {        // exponent not numeric
+
+                       // (a/b)^x -> {sym((a/b)^x, 1}
+                       return (new lst(replace_with_symbol(power(n.op(0) / n.op(1), exponent), sym_lst, repl_lst), _ex1()))->setflag(status_flags::dynallocated);
                }
     }
 }
@@ -1609,7 +1757,7 @@ ex pseries::normal(lst &sym_lst, lst &repl_lst, int level) const
         new_seq.push_back(expair(it->rest.normal(), it->coeff));
         it++;
     }
-    ex n = pseries(var, point, new_seq);
+    ex n = pseries(relational(var,point), new_seq);
        return (new lst(replace_with_symbol(n, sym_lst, repl_lst), _ex1()))->setflag(status_flags::dynallocated);
 }
 
@@ -1618,8 +1766,8 @@ ex pseries::normal(lst &sym_lst, lst &repl_lst, int level) const
  *  This function converts an expression to its normal form
  *  "numerator/denominator", where numerator and denominator are (relatively
  *  prime) polynomials. Any subexpressions which are not rational functions
- *  (like non-rational numbers, non-integer powers or functions like Sin(),
- *  Cos() etc.) are replaced by temporary symbols which are re-substituted by
+ *  (like non-rational numbers, non-integer powers or functions like sin(),
+ *  cos() etc.) are replaced by temporary symbols which are re-substituted by
  *  the (normalized) subexpressions before normal() returns (this way, any
  *  expression can be treated as a rational function). normal() is applied
  *  recursively to arguments of functions etc.
@@ -1681,6 +1829,78 @@ ex ex::denom(void) const
                return e.op(1);
 }
 
+
+/** Default implementation of ex::to_rational(). It replaces the object with a
+ *  temporary symbol.
+ *  @see ex::to_rational */
+ex basic::to_rational(lst &repl_lst) const
+{
+       return replace_with_symbol(*this, repl_lst);
+}
+
+
+/** Implementation of ex::to_rational() for symbols. This returns the unmodified symbol.
+ *  @see ex::to_rational */
+ex symbol::to_rational(lst &repl_lst) const
+{
+    return *this;
+}
+
+
+/** Implementation of ex::to_rational() for a numeric. It splits complex numbers
+ *  into re+I*im and replaces I and non-rational real numbers with a temporary
+ *  symbol.
+ *  @see ex::to_rational */
+ex numeric::to_rational(lst &repl_lst) const
+{
+       numeric num = numer();
+       ex numex = num;
+
+    if (num.is_real()) {
+        if (!num.is_integer())
+            numex = replace_with_symbol(numex, repl_lst);
+    } else { // complex
+        numeric re = num.real(), im = num.imag();
+        ex re_ex = re.is_rational() ? re : replace_with_symbol(re, repl_lst);
+        ex im_ex = im.is_rational() ? im : replace_with_symbol(im, repl_lst);
+        numex = re_ex + im_ex * replace_with_symbol(I, repl_lst);
+    }
+       return numex;
+}
+
+
+/** Implementation of ex::to_rational() for powers. It replaces non-integer
+ *  powers by temporary symbols.
+ *  @see ex::to_rational */
+ex power::to_rational(lst &repl_lst) const
+{
+       if (exponent.info(info_flags::integer))
+               return power(basis.to_rational(repl_lst), exponent);
+       else
+               return replace_with_symbol(*this, repl_lst);
+}
+
+
+/** Rationalization of non-rational functions.
+ *  This function converts a general expression to a rational polynomial
+ *  by replacing all non-rational subexpressions (like non-rational numbers,
+ *  non-integer powers or functions like sin(), cos() etc.) to temporary
+ *  symbols. This makes it possible to use functions like gcd() and divide()
+ *  on non-rational functions by applying to_rational() on the arguments,
+ *  calling the desired function and re-substituting the temporary symbols
+ *  in the result. To make the last step possible, all temporary symbols and
+ *  their associated expressions are collected in the list specified by the
+ *  repl_lst parameter in the form {symbol == expression}, ready to be passed
+ *  as an argument to ex::subs().
+ *
+ *  @param repl_lst collects a list of all temporary symbols and their replacements
+ *  @return rationalized expression */
+ex ex::to_rational(lst &repl_lst) const
+{
+       return bp->to_rational(repl_lst);
+}
+
+
 #ifndef NO_NAMESPACE_GINAC
 } // namespace GiNaC
 #endif // ndef NO_NAMESPACE_GINAC