]> www.ginac.de Git - ginac.git/blobdiff - ginac/utils.h
Move combinatorial helpers from power.cpp to utils.h.
[ginac.git] / ginac / utils.h
index 0f6082a6a7b4d70fdbc195f6ebe45bf6a09c0f56..816679d7e0338201995ff0e2aca1e7dc9bb84c85 100644 (file)
@@ -4,7 +4,7 @@
  *  of any interest to the user of the library. */
 
 /*
- *  GiNaC Copyright (C) 1999 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
+ *  GiNaC Copyright (C) 1999-2017 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
  *
  *  You should have received a copy of the GNU General Public License
  *  along with this program; if not, write to the Free Software
- *  Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA  02111-1307  USA
+ *  Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA
  */
 
-#ifndef __GINAC_UTILS_H__
-#define __GINAC_UTILS_H__
+#ifndef GINAC_UTILS_H
+#define GINAC_UTILS_H
 
-#include <strstream>
-#include <string>
-#include "config.h"
 #include "assertion.h"
 
-#ifndef NO_GINAC_NAMESPACE
+#include <functional>
+#include <cstdint> // for uintptr_t
+#include <string>
+
 namespace GiNaC {
-#endif // ndef NO_GINAC_NAMESPACE
 
-template<class T>
-string ToString(T const & t)
-{
-    char buf[256];
-    ostrstream(buf,sizeof(buf)) << t << ends;
-    return buf;
-}
+/** Exception class thrown by functions to signal unimplemented functionality
+ *  so the expression may just be .hold() */
+class dunno {};
 
-/** Exception thrown by classes which provide their own series expansion to
- *  signal that ordinary Taylor expansion is safe. */
-class do_taylor {};
+// some compilers (e.g. cygwin) define a macro log2, causing confusion
+#ifdef log2
+#undef log2
+#endif
 
 unsigned log2(unsigned n);
 
-int compare_pointers(void const * a, void const * b);
+/** Rotate bits of unsigned value by one bit to the left.
+  * This can be necessary if the user wants to define its own hashes. */
+inline unsigned rotate_left(unsigned n)
+{
+       return (n & 0x80000000U) ? (n << 1 | 0x00000001U) : (n << 1);
+}
 
-/** Rotate lower 31 bits of unsigned value by one bit to the left
- *  (upper bits get cleared). */
-inline unsigned rotate_left_31(unsigned n)
+/** Compare two pointers (just to establish some sort of canonical order).
+ *  @return -1, 0, or 1 */
+template <class T>
+inline int compare_pointers(const T * a, const T * b)
 {
-    // clear highest bit and shift 1 bit to the left
-    n=(n & 0x7FFFFFFFU) << 1;
+       // '<' is not defined for pointers that don't point to the same array,
+       // but std::less is.
+       if (std::less<const T *>()(a, b))
+               return -1;
+       else if (std::less<const T *>()(b, a))
+               return 1;
+       return 0;
+}
 
-    // overflow? clear highest bit and set lowest bit
-    if (n & 0x80000000U) {
-        n=(n & 0x7FFFFFFFU) | 0x00000001U;
-    }
-    GINAC_ASSERT(n<0x80000000U);
+/** Truncated multiplication with golden ratio, for computing hash values. */
+inline unsigned golden_ratio_hash(uintptr_t n)
+{
+       return n * UINT64_C(0x4f1bbcdd);
+}
 
-    return n;
+/* Compute the sign of a permutation of a container, with and without an
+   explicitly supplied comparison function. If the sign returned is 1 or -1,
+   the container is sorted after the operation. */
+template <class It>
+int permutation_sign(It first, It last)
+{
+       using std::swap;
+       if (first == last)
+               return 0;
+       --last;
+       if (first == last)
+               return 0;
+       It flag = first;
+       int sign = 1;
+
+       do {
+               It i = last, other = last;
+               --other;
+               bool swapped = false;
+               while (i != first) {
+                       if (*i < *other) {
+                               swap(*other, *i);
+                               flag = other;
+                               swapped = true;
+                               sign = -sign;
+                       } else if (!(*other < *i))
+                               return 0;
+                       --i;
+                       if (i != first)
+                               --other;
+               }
+               if (!swapped)
+                       return sign;
+               ++flag;
+               if (flag == last)
+                       return sign;
+               first = flag;
+               i = first; other = first;
+               ++other;
+               swapped = false;
+               while (i != last) {
+                       if (*other < *i) {
+                               swap(*i, *other);
+                               flag = other;
+                               swapped = true;
+                               sign = -sign;
+                       } else if (!(*i < *other))
+                               return 0;
+                       ++i;
+                       if (i != last)
+                               ++other;
+               }
+               if (!swapped)
+                       return sign;
+               last = flag;
+               --last;
+       } while (first != last);
+
+       return sign;
 }
 
-/** Golden ratio hash function. */
-inline unsigned golden_ratio_hash(unsigned n)
+template <class It, class Cmp, class Swap>
+int permutation_sign(It first, It last, Cmp comp, Swap swapit)
 {
-       // This function requires arithmetic with at least 64 significant bits
-#if SIZEOF_LONG_DOUBLE > 8
-       // If "long double" is bigger than 64 bits, we assume that the mantissa
-       // has at least 64 bits. This is not guaranteed but it's a good guess.
-    const static long double golden_ratio = .618033988749894848204586834370;
-    long double m = golden_ratio * n;
-    return unsigned((m - int(m)) * 0x80000000);
-#elif SIZEOF_LONG >= 8
-       // "long" has 64 bits, so we prefer it because it might be more efficient
-       // than "long long"
-       unsigned long l = n * 0x4f1bbcddL;
-       return (l & 0x7fffffffU) ^ (l >> 32);
-#elif SIZEOF_LONG_LONG >= 8
-       // This requires ´long long´ (or an equivalent 64 bit type)---which is,
-    // unfortunately, not ANSI-compliant:
-       unsigned long long l = n * 0x4f1bbcddLL;
-       return (l & 0x7fffffffU) ^ (l >> 32);
-#else
-#error "No 64 bit data type. You lose."
-#endif
+       if (first == last)
+               return 0;
+       --last;
+       if (first == last)
+               return 0;
+       It flag = first;
+       int sign = 1;
+
+       do {
+               It i = last, other = last;
+               --other;
+               bool swapped = false;
+               while (i != first) {
+                       if (comp(*i, *other)) {
+                               swapit(*other, *i);
+                               flag = other;
+                               swapped = true;
+                               sign = -sign;
+                       } else if (!comp(*other, *i))
+                               return 0;
+                       --i;
+                       if (i != first)
+                               --other;
+               }
+               if (!swapped)
+                       return sign;
+               ++flag;
+               if (flag == last)
+                       return sign;
+               first = flag;
+               i = first; other = first;
+               ++other;
+               swapped = false;
+               while (i != last) {
+                       if (comp(*other, *i)) {
+                               swapit(*i, *other);
+                               flag = other;
+                               swapped = true;
+                               sign = -sign;
+                       } else if (!comp(*i, *other))
+                               return 0;
+                       ++i; 
+                       if (i != last)
+                               ++other;
+               }
+               if (!swapped)
+                       return sign;
+               last = flag;
+               --last;
+       } while (first != last);
+
+       return sign;
 }
 
-// modified from stl_algo.h: always do com(*first1,*first2) instead of comp(*first2,*first1)
-template <class InputIterator1, class InputIterator2, class OutputIterator,
-          class Compare>
-OutputIterator mymerge(InputIterator1 first1, InputIterator1 last1,
-                       InputIterator2 first2, InputIterator2 last2,
-                       OutputIterator result, Compare comp) {
-    while (first1 != last1 && first2 != last2) {
-        if (comp(*first1, *first2)) {
-            *result = *first1;
-            ++first1;
-        }
-        else {
-            *result = *first2;
-            ++first2;
-        }
-        ++result;
-    }
-    return copy(first2, last2, copy(first1, last1, result));
+/* Implementation of shaker sort, only compares adjacent elements. */
+template <class It, class Cmp, class Swap>
+void shaker_sort(It first, It last, Cmp comp, Swap swapit)
+{
+       if (first == last)
+               return;
+       --last;
+       if (first == last)
+               return;
+       It flag = first;
+
+       do {
+               It i = last, other = last;
+               --other;
+               bool swapped = false;
+               while (i != first) {
+                       if (comp(*i, *other)) {
+                               swapit(*other, *i);
+                               flag = other;
+                               swapped = true;
+                       }
+                       --i;
+                       if (i != first)
+                               --other;
+               }
+               if (!swapped)
+                       return;
+               ++flag;
+               if (flag == last)
+                       return;
+               first = flag;
+               i = first; other = first;
+               ++other;
+               swapped = false;
+               while (i != last) {
+                       if (comp(*other, *i)) {
+                               swapit(*i, *other);
+                               flag = other;
+                               swapped = true;
+                       }
+                       ++i;
+                       if (i != last)
+                               ++other;
+               }
+               if (!swapped)
+                       return;
+               last = flag;
+               --last;
+       } while (first != last);
 }
 
-// like merge(), but three lists with *last2<*first3
-template <class InputIterator1, class InputIterator2, class InputIterator3,
-          class OutputIterator, class Compare>
-OutputIterator mymerge3(InputIterator1 first1, InputIterator1 last1,
-                        InputIterator2 first2, InputIterator2 last2,
-                        InputIterator3 first3, InputIterator3 last3,
-                        OutputIterator result, Compare comp) {
-    while (first1 != last1 && first2 != last2) {
-        if (comp(*first1, *first2)) {
-            *result = *first1;
-            ++first1;
-        }
-        else {
-            *result = *first2;
-            ++first2;
-        }
-        ++result;
-    }
-    
-    if (first1==last1) {
-        // list1 empty, copy rest of list2, then list3
-        return copy(first3, last3, copy(first2, last2, result));
-    } else {
-        // list2 empty, merge rest of list1 with list3
-        return mymerge(first1,last1,first3,last3,result,comp);
-    }
+/* In-place cyclic permutation of a container (no copying, only swapping). */
+template <class It, class Swap>
+void cyclic_permutation(It first, It last, It new_first, Swap swapit)
+{
+       unsigned num = last - first;
+again:
+       if (first == new_first || num < 2)
+               return;
+
+       unsigned num1 = new_first - first, num2 = last - new_first;
+       if (num1 >= num2) {
+               It a = first, b = new_first;
+               while (b != last) {
+                       swapit(*a, *b);
+                       ++a; ++b;
+               }
+               if (num1 > num2) {
+                       first += num2;
+                       num = num1;
+                       goto again;
+               }
+       } else {
+               It a = new_first, b = last;
+               do {
+                       --a; --b;
+                       swapit(*a, *b);
+               } while (a != first);
+               last -= num1;
+               num = num2;
+               goto again;
+       }
 }
 
+/** Generate all bounded combinatorial partitions of an integer n with exactly
+ *  m parts (including zero parts) in non-decreasing order.
+ */
+class partition_generator {
+private:
+       // Partitions n into m parts, not including zero parts.
+       // (Cf. OEIS sequence A008284; implementation adapted from Jörg Arndt's
+       // FXT library)
+       struct mpartition2
+       {
+               // partition: x[1] + x[2] + ... + x[m] = n and sentinel x[0] == 0
+               std::vector<int> x;
+               int n;   // n>0
+               int m;   // 0<m<=n
+               mpartition2(unsigned n_, unsigned m_)
+                 : x(m_+1), n(n_), m(m_)
+               {
+                       for (int k=1; k<m; ++k)
+                               x[k] = 1;
+                       x[m] = n - m + 1;
+               }
+               bool next_partition()
+               {
+                       int u = x[m];  // last element
+                       int k = m;
+                       int s = u;
+                       while (--k) {
+                               s += x[k];
+                               if (x[k] + 2 <= u)
+                                       break;
+                       }
+                       if (k==0)
+                               return false;  // current is last
+                       int f = x[k] + 1;
+                       while (k < m) {
+                               x[k] = f;
+                               s -= f;
+                               ++k;
+                       }
+                       x[m] = s;
+                       return true;
+               }
+       } mpgen;
+       int m;  // number of parts 0<m<=n
+       mutable std::vector<int> partition;  // current partition
+public:
+       partition_generator(unsigned n_, unsigned m_)
+         : mpgen(n_, 1), m(m_), partition(m_)
+       { }
+       // returns current partition in non-decreasing order, padded with zeros
+       const std::vector<int>& current() const
+       {
+               for (int i = 0; i < m - mpgen.m; ++i)
+                       partition[i] = 0;  // pad with zeros
+
+               for (int i = m - mpgen.m; i < m; ++i)
+                       partition[i] = mpgen.x[i - m + mpgen.m + 1];
+
+               return partition;
+       }
+       bool next()
+       {
+               if (!mpgen.next_partition()) {
+                       if (mpgen.m == m || mpgen.m == mpgen.n)
+                               return false;  // current is last
+                       // increment number of parts
+                       mpgen = mpartition2(mpgen.n, mpgen.m + 1);
+               }
+               return true;
+       }
+};
+
+/** Generate all compositions of a partition of an integer n, starting with the
+ *  compositions which has non-decreasing order.
+ */
+class composition_generator {
+private:
+       // Generates all distinct permutations of a multiset.
+       // (Based on Aaron Williams' algorithm 1 from "Loopless Generation of
+       // Multiset Permutations using a Constant Number of Variables by Prefix
+       // Shifts." <http://webhome.csc.uvic.ca/~haron/CoolMulti.pdf>)
+       struct coolmulti {
+               // element of singly linked list
+               struct element {
+                       int value;
+                       element* next;
+                       element(int val, element* n)
+                         : value(val), next(n) {}
+                       ~element()
+                       {   // recurses down to the end of the singly linked list
+                               delete next;
+                       }
+               };
+               element *head, *i, *after_i;
+               // NB: Partition must be sorted in non-decreasing order.
+               explicit coolmulti(const std::vector<int>& partition)
+                 : head(nullptr), i(nullptr), after_i(nullptr)
+               {
+                       for (unsigned n = 0; n < partition.size(); ++n) {
+                               head = new element(partition[n], head);
+                               if (n <= 1)
+                                       i = head;
+                       }
+                       after_i = i->next;
+               }
+               ~coolmulti()
+               {   // deletes singly linked list
+                       delete head;
+               }
+               void next_permutation()
+               {
+                       element *before_k;
+                       if (after_i->next != nullptr && i->value >= after_i->next->value)
+                               before_k = after_i;
+                       else
+                               before_k = i;
+                       element *k = before_k->next;
+                       before_k->next = k->next;
+                       k->next = head;
+                       if (k->value < head->value)
+                               i = k;
+                       after_i = i->next;
+                       head = k;
+               }
+               bool finished() const
+               {
+                       return after_i->next == nullptr && after_i->value >= head->value;
+               }
+       } cmgen;
+       bool atend;  // needed for simplifying iteration over permutations
+       bool trivial;  // likewise, true if all elements are equal
+       mutable std::vector<int> composition;  // current compositions
+public:
+       explicit composition_generator(const std::vector<int>& partition)
+         : cmgen(partition), atend(false), trivial(true), composition(partition.size())
+       {
+               for (unsigned i=1; i<partition.size(); ++i)
+                       trivial = trivial && (partition[0] == partition[i]);
+       }
+       const std::vector<int>& current() const
+       {
+               coolmulti::element* it = cmgen.head;
+               size_t i = 0;
+               while (it != nullptr) {
+                       composition[i] = it->value;
+                       it = it->next;
+                       ++i;
+               }
+               return composition;
+       }
+       bool next()
+       {
+               // This ugly contortion is needed because the original coolmulti
+               // algorithm requires code duplication of the payload procedure,
+               // one before the loop and one inside it.
+               if (trivial || atend)
+                       return false;
+               cmgen.next_permutation();
+               atend = cmgen.finished();
+               return true;
+       }
+};
+
+/** Compute the multinomial coefficient n!/(p1!*p2!*...*pk!) where
+ *  n = p1+p2+...+pk, i.e. p is a partition of n.
+ */
+const numeric
+multinomial_coefficient(const std::vector<int> & p);
+
+
 // Collection of `construct on first use' wrappers for safely avoiding
 // internal object replication without running into the `static
 // initialization order fiasco'.  This chest of numbers helps speed up
 // the library but should not be used outside it since it is
 // potentially confusing.
 
-class numeric;
 class ex;
-                       
-numeric const & _num_12(void);    // -12
-numeric const & _num_11(void);    // -11
-numeric const & _num_10(void);    // -10
-numeric const & _num_9(void);     // -9
-numeric const & _num_8(void);     // -8
-numeric const & _num_7(void);     // -7
-numeric const & _num_6(void);     // -6
-numeric const & _num_5(void);     // -5
-numeric const & _num_4(void);     // -4
-numeric const & _num_3(void);     // -3
-numeric const & _num_2(void);     // -2
-numeric const & _num_1(void);     // -1
-numeric const & _num_1_2(void);   // -1/2
-numeric const & _num_1_3(void);   // -1/3
-numeric const & _num0(void);      //  0
-numeric const & _num1_3(void);    //  1/3
-numeric const & _num1_2(void);    //  1/2
-numeric const & _num1(void);      //  1
-numeric const & _num2(void);      //  2
-numeric const & _num3(void);      //  3
-numeric const & _num4(void);      //  4
-numeric const & _num5(void);      //  5
-numeric const & _num6(void);      //  6
-numeric const & _num7(void);      //  7
-numeric const & _num8(void);      //  8
-numeric const & _num9(void);      //  9
-numeric const & _num10(void);     //  10
-numeric const & _num11(void);     //  11
-numeric const & _num12(void);     //  12
-ex const & _ex_12(void);          // -12
-ex const & _ex_11(void);          // -11
-ex const & _ex_10(void);          // -10
-ex const & _ex_9(void);           // -9
-ex const & _ex_8(void);           // -8
-ex const & _ex_7(void);           // -7
-ex const & _ex_6(void);           // -6
-ex const & _ex_5(void);           // -5
-ex const & _ex_4(void);           // -4
-ex const & _ex_3(void);           // -3
-ex const & _ex_2(void);           // -2
-ex const & _ex_1(void);           // -1
-ex const & _ex_1_2(void);         // -1/2
-ex const & _ex_1_3(void);         // -1/3
-ex const & _ex0(void);            //  0
-ex const & _ex1_3(void);          //  1/3
-ex const & _ex1_2(void);          //  1/2
-ex const & _ex1(void);            //  1
-ex const & _ex2(void);            //  2
-ex const & _ex3(void);            //  3
-ex const & _ex4(void);            //  4
-ex const & _ex5(void);            //  5
-ex const & _ex6(void);            //  6
-ex const & _ex7(void);            //  7
-ex const & _ex8(void);            //  8
-ex const & _ex9(void);            //  9
-ex const & _ex10(void);           //  10
-ex const & _ex11(void);           //  11
-ex const & _ex12(void);           //  12
-
-#ifndef NO_GINAC_NAMESPACE
+
+extern const numeric *_num_120_p;
+extern const ex _ex_120;
+extern const numeric *_num_60_p;
+extern const ex _ex_60;
+extern const numeric *_num_48_p;
+extern const ex _ex_48;
+extern const numeric *_num_30_p;
+extern const ex _ex_30;
+extern const numeric *_num_25_p;
+extern const ex _ex_25;
+extern const numeric *_num_24_p;
+extern const ex _ex_24;
+extern const numeric *_num_20_p;
+extern const ex _ex_20;
+extern const numeric *_num_18_p;
+extern const ex _ex_18;
+extern const numeric *_num_15_p;
+extern const ex _ex_15;
+extern const numeric *_num_12_p;
+extern const ex _ex_12;
+extern const numeric *_num_11_p;
+extern const ex _ex_11;
+extern const numeric *_num_10_p;
+extern const ex _ex_10;
+extern const numeric *_num_9_p;
+extern const ex _ex_9;
+extern const numeric *_num_8_p;
+extern const ex _ex_8;
+extern const numeric *_num_7_p;
+extern const ex _ex_7;
+extern const numeric *_num_6_p;
+extern const ex _ex_6;
+extern const numeric *_num_5_p;
+extern const ex _ex_5;
+extern const numeric *_num_4_p;
+extern const ex _ex_4;
+extern const numeric *_num_3_p;
+extern const ex _ex_3;
+extern const numeric *_num_2_p;
+extern const ex _ex_2;
+extern const numeric *_num_1_p;
+extern const ex _ex_1;
+extern const numeric *_num_1_2_p;
+extern const ex _ex_1_2;
+extern const numeric *_num_1_3_p;
+extern const ex _ex_1_3;
+extern const numeric *_num_1_4_p;
+extern const ex _ex_1_4;
+extern const numeric *_num0_p;
+extern const basic *_num0_bp;
+extern const ex _ex0;
+extern const numeric *_num1_4_p;
+extern const ex _ex1_4;
+extern const numeric *_num1_3_p;
+extern const ex _ex1_3;
+extern const numeric *_num1_2_p;
+extern const ex _ex1_2;
+extern const numeric *_num1_p;
+extern const ex _ex1;
+extern const numeric *_num2_p;
+extern const ex _ex2;
+extern const numeric *_num3_p;
+extern const ex _ex3;
+extern const numeric *_num4_p;
+extern const ex _ex4;
+extern const numeric *_num5_p;
+extern const ex _ex5;
+extern const numeric *_num6_p;
+extern const ex _ex6;
+extern const numeric *_num7_p;
+extern const ex _ex7;
+extern const numeric *_num8_p;
+extern const ex _ex8;
+extern const numeric *_num9_p;
+extern const ex _ex9;
+extern const numeric *_num10_p;
+extern const ex _ex10;
+extern const numeric *_num11_p;
+extern const ex _ex11;
+extern const numeric *_num12_p;
+extern const ex _ex12;
+extern const numeric *_num15_p;
+extern const ex _ex15;
+extern const numeric *_num18_p;
+extern const ex _ex18;
+extern const numeric *_num20_p;
+extern const ex _ex20;
+extern const numeric *_num24_p;
+extern const ex _ex24;
+extern const numeric *_num25_p;
+extern const ex _ex25;
+extern const numeric *_num30_p;
+extern const ex _ex30;
+extern const numeric *_num48_p;
+extern const ex _ex48;
+extern const numeric *_num60_p;
+extern const ex _ex60;
+extern const numeric *_num120_p;
+extern const ex _ex120;
+
+
+// Helper macros for class implementations (mostly useful for trivial classes)
+
+#define DEFAULT_CTOR(classname) \
+classname::classname() { setflag(status_flags::evaluated | status_flags::expanded); }
+
+#define DEFAULT_COMPARE(classname) \
+int classname::compare_same_type(const basic & other) const \
+{ \
+       /* by default, the objects are always identical */ \
+       return 0; \
+}
+
+#define DEFAULT_PRINT(classname, text) \
+void classname::do_print(const print_context & c, unsigned level) const \
+{ \
+       c.s << text; \
+}
+
+#define DEFAULT_PRINT_LATEX(classname, text, latex) \
+DEFAULT_PRINT(classname, text) \
+void classname::do_print_latex(const print_latex & c, unsigned level) const \
+{ \
+       c.s << latex; \
+}
+
 } // namespace GiNaC
-#endif // ndef NO_GINAC_NAMESPACE
 
-#endif // ndef __GINAC_UTILS_H__
+#endif // ndef GINAC_UTILS_H