bool generalizedsymmetricdefiniteevdreduce(ap::real_2d_array& a,
int n,
bool isuppera,
const ap::real_2d_array& b,
bool isupperb,
int problemtype,
ap::real_2d_array& r,
bool& isupperr)
{
bool result;
ap::real_2d_array t;
ap::real_1d_array w1;
ap::real_1d_array w2;
ap::real_1d_array w3;
int i;
int j;
double v;
ap::ap_error::make_assertion(n>0, "GeneralizedSymmetricDefiniteEVDReduce: N<=0!");
ap::ap_error::make_assertion(problemtype==1||problemtype==2||problemtype==3, "GeneralizedSymmetricDefiniteEVDReduce: incorrect ProblemType!");
result = true;
//
// Problem 1: A*x = lambda*B*x
//
// Reducing to:
// C*y = lambda*y
// C = L^(-1) * A * L^(-T)
// x = L^(-T) * y
//
if( problemtype==1 )
{
//
// Factorize B in T: B = LL'
//
t.setbounds(1, n, 1, n);
if( isupperb )
{
for(i = 1; i <= n; i++)
{
ap::vmove(t.getcolumn(i, i, n), b.getrow(i, i, n));
}
}
else
{
for(i = 1; i <= n; i++)
{
ap::vmove(&t(i, 1), &b(i, 1), ap::vlen(1,i));
}
}
if( !choleskydecomposition(t, n, false) )
{
result = false;
return result;
}
//
// Invert L in T
//
if( !invtriangular(t, n, false, false) )
{
result = false;
return result;
}
//
// Build L^(-1) * A * L^(-T) in R
//
w1.setbounds(1, n);
w2.setbounds(1, n);
r.setbounds(1, n, 1, n);
for(j = 1; j <= n; j++)
{
//
// Form w2 = A * l'(j) (here l'(j) is j-th column of L^(-T))
//
ap::vmove(&w1(1), &t(j, 1), ap::vlen(1,j));
symmetricmatrixvectormultiply(a, isuppera, 1, j, w1, 1.0, w2);
if( isuppera )
{
matrixvectormultiply(a, 1, j, j+1, n, true, w1, 1, j, 1.0, w2, j+1, n, 0.0);
}
else
{
matrixvectormultiply(a, j+1, n, 1, j, false, w1, 1, j, 1.0, w2, j+1, n, 0.0);
}
//
// Form l(i)*w2 (here l(i) is i-th row of L^(-1))
//
for(i = 1; i <= n; i++)
{
v = ap::vdotproduct(&t(i, 1), &w2(1), ap::vlen(1,i));
r(i,j) = v;
}
}
//
// Copy R to A
//
for(i = 1; i <= n; i++)
{
ap::vmove(&a(i, 1), &r(i, 1), ap::vlen(1,n));
}
//
// Copy L^(-1) from T to R and transpose
//
isupperr = true;
for(i = 1; i <= n; i++)
{
for(j = 1; j <= i-1; j++)
{
r(i,j) = 0;
}
}
for(i = 1; i <= n; i++)
{
ap::vmove(r.getrow(i, i, n), t.getcolumn(i, i, n));
}
return result;
}
//
// Problem 2: A*B*x = lambda*x
// or
// problem 3: B*A*x = lambda*x
//
// Reducing to:
// C*y = lambda*y
// C = U * A * U'
// B = U'* U
//
if( problemtype==2||problemtype==3 )
{
//
// Factorize B in T: B = U'*U
//
t.setbounds(1, n, 1, n);
if( isupperb )
{
for(i = 1; i <= n; i++)
{
ap::vmove(&t(i, i), &b(i, i), ap::vlen(i,n));
}
}
else
{
for(i = 1; i <= n; i++)
{
ap::vmove(t.getrow(i, i, n), b.getcolumn(i, i, n));
}
}
if( !choleskydecomposition(t, n, true) )
{
result = false;
return result;
}
//
// Build U * A * U' in R
//
w1.setbounds(1, n);
w2.setbounds(1, n);
w3.setbounds(1, n);
r.setbounds(1, n, 1, n);
for(j = 1; j <= n; j++)
{
//
// Form w2 = A * u'(j) (here u'(j) is j-th column of U')
//
ap::vmove(&w1(1), &t(j, j), ap::vlen(1,n-j+1));
symmetricmatrixvectormultiply(a, isuppera, j, n, w1, 1.0, w3);
ap::vmove(&w2(j), &w3(1), ap::vlen(j,n));
ap::vmove(&w1(j), &t(j, j), ap::vlen(j,n));
if( isuppera )
{
matrixvectormultiply(a, 1, j-1, j, n, false, w1, j, n, 1.0, w2, 1, j-1, 0.0);
}
else
{
matrixvectormultiply(a, j, n, 1, j-1, true, w1, j, n, 1.0, w2, 1, j-1, 0.0);
}
//
// Form u(i)*w2 (here u(i) is i-th row of U)
//
for(i = 1; i <= n; i++)
{
v = ap::vdotproduct(&t(i, i), &w2(i), ap::vlen(i,n));
r(i,j) = v;
}
}
//
// Copy R to A
//
for(i = 1; i <= n; i++)
{
ap::vmove(&a(i, 1), &r(i, 1), ap::vlen(1,n));
}
if( problemtype==2 )
{
//
// Invert U in T
//
if( !invtriangular(t, n, true, false) )
{
result = false;
return result;
}
//
// Copy U^-1 from T to R
//
isupperr = true;
for(i = 1; i <= n; i++)
{
for(j = 1; j <= i-1; j++)
{
r(i,j) = 0;
}
}
for(i = 1; i <= n; i++)
{
ap::vmove(&r(i, i), &t(i, i), ap::vlen(i,n));
}
}
else
{
//
// Copy U from T to R and transpose
//
isupperr = false;
for(i = 1; i <= n; i++)
{
for(j = i+1; j <= n; j++)
{
r(i,j) = 0;
}
}
for(i = 1; i <= n; i++)
{
ap::vmove(r.getcolumn(i, i, n), t.getrow(i, i, n));
}
}
}
return result;
}
/*************************************************************************
LU-разложение матрицы общего вида размера M x N
Подпрограмма вычисляет LU-разложение прямоугольной матрицы общего вида с
частичным выбором ведущего элемента (с перестановками строк).
Входные параметры:
A - матрица A. Нумерация элементов: [1..M, 1..N]
M - число строк в матрице A
N - число столбцов в матрице A
Выходные параметры:
A - матрицы L и U в компактной форме (см. ниже).
Нумерация элементов: [1..M, 1..N]
Pivots - матрица перестановок в компактной форме (см. ниже).
Нумерация элементов: [1..Min(M,N)]
Матрица A представляется, как A = P * L * U, где P - матрица перестановок,
матрица L - нижнетреугольная (или нижнетрапецоидальная, если M>N) матрица,
U - верхнетреугольная (или верхнетрапецоидальная, если M<N) матрица.
Рассмотрим разложение более подробно на примере при M=4, N=3:
( 1 ) ( U11 U12 U13 )
A = P1 * P2 * P3 * ( L21 1 ) * ( U22 U23 )
( L31 L32 1 ) ( U33 )
( L41 L42 L43 )
Здесь матрица L имеет размер M x Min(M,N), матрица U имеет размер
Min(M,N) x N, матрица P(i) получается путем перестановки в единичной
матрице размером M x M строк с номерами I и Pivots[I]
Результатом работы алгоритма являются массив Pivots и следующая матрица,
замещающая матрицу A, и сохраняющая в компактной форме матрицы L и U
(пример приведен для M=4, N=3):
( U11 U12 U13 )
( L21 U22 U23 )
( L31 L32 U33 )
( L41 L42 L43 )
Как видно, единичная диагональ матрицы L не сохраняется.
Если N>M, то соответственно меняются размеры матриц и расположение
элементов.
-- LAPACK routine (version 3.0) --
Univ. of Tennessee, Univ. of California Berkeley, NAG Ltd.,
Courant Institute, Argonne National Lab, and Rice University
June 30, 1992
*************************************************************************/
void ludecomposition(ap::real_2d_array& a,
int m,
int n,
ap::integer_1d_array& pivots)
{
int i;
int j;
int jp;
ap::real_1d_array t1;
double s;
pivots.setbounds(1, ap::minint(m, n));
t1.setbounds(1, ap::maxint(m, n));
ap::ap_error::make_assertion(m>=0&&n>=0);
//
// Quick return if possible
//
if( m==0||n==0 )
{
return;
}
for(j = 1; j <= ap::minint(m, n); j++)
{
//
// Find pivot and test for singularity.
//
jp = j;
for(i = j+1; i <= m; i++)
{
if( fabs(a(i,j))>fabs(a(jp,j)) )
{
jp = i;
}
}
pivots(j) = jp;
if( a(jp,j)!=0 )
{
//
//Apply the interchange to rows
//
if( jp!=j )
{
ap::vmove(t1.getvector(1, n), a.getrow(j, 1, n));
ap::vmove(a.getrow(j, 1, n), a.getrow(jp, 1, n));
ap::vmove(a.getrow(jp, 1, n), t1.getvector(1, n));
}
//
//Compute elements J+1:M of J-th column.
//
if( j<m )
{
//
// CALL DSCAL( M-J, ONE / A( J, J ), A( J+1, J ), 1 )
//
jp = j+1;
s = 1/a(j,j);
ap::vmul(a.getcolumn(j, jp, m), s);
}
}
if( j<ap::minint(m, n) )
{
//
//Update trailing submatrix.
//CALL DGER( M-J, N-J, -ONE, A( J+1, J ), 1, A( J, J+1 ), LDA,A( J+1, J+1 ), LDA )
//
jp = j+1;
for(i = j+1; i <= m; i++)
{
s = a(i,j);
ap::vsub(a.getrow(i, jp, n), a.getrow(j, jp, n), s);
}
}
}
}
/*************************************************************************
Обращение треугольной матрицы
Подпрограмма обращает следующие типы матриц:
* верхнетреугольные
* верхнетреугольные с единичной диагональю
* нижнетреугольные
* нижнетреугольные с единичной диагональю
В случае, если матрица верхне(нижне)треугольная, то матрица, обратная к
ней, тоже верхне(нижне)треугольная, и после завершения работы алгоритма
обратная матрица замещает переданную. При этом элементы расположенные ниже
(выше) диагонали не меняются в ходе работы алгоритма.
Если матрица с единичной диагональю, то обратная к ней матрица тоже с
единичной диагональю. В алгоритм передаются только внедиагональные
элементы. При этом в результате работы алгоритма диагональные элементы не
меняются.
Входные параметры:
A - матрица. Массив с нумерацией элементов [1..N,1..N]
N - размер матрицы
IsUpper - True, если матрица верхнетреугольная
IsUnitTriangular- True, если матрица с единичной диагональю.
Выходные параметры:
A - матрица, обратная к входной, если задача не вырождена.
Результат:
True, если матрица не вырождена
False, если матрица вырождена
-- LAPACK routine (version 3.0) --
Univ. of Tennessee, Univ. of California Berkeley, NAG Ltd.,
Courant Institute, Argonne National Lab, and Rice University
February 29, 1992
*************************************************************************/
bool invtriangular(ap::real_2d_array& a,
int n,
bool isupper,
bool isunittriangular)
{
bool result;
bool nounit;
int i;
int j;
int nmj;
int jm1;
int jp1;
double v;
double ajj;
ap::real_1d_array t;
result = true;
t.setbounds(1, n);
//
// Test the input parameters.
//
nounit = !isunittriangular;
if( isupper )
{
//
// Compute inverse of upper triangular matrix.
//
for(j = 1; j <= n; j++)
{
if( nounit )
{
if( a(j,j)==0 )
{
result = false;
return result;
}
a(j,j) = 1/a(j,j);
ajj = -a(j,j);
}
else
{
ajj = -1;
}
//
// Compute elements 1:j-1 of j-th column.
//
if( j>1 )
{
jm1 = j-1;
ap::vmove(t.getvector(1, jm1), a.getcolumn(j, 1, jm1));
for(i = 1; i <= j-1; i++)
{
if( i<j-1 )
{
v = ap::vdotproduct(a.getrow(i, i+1, jm1), t.getvector(i+1, jm1));
}
else
{
v = 0;
}
if( nounit )
{
a(i,j) = v+a(i,i)*t(i);
}
else
{
a(i,j) = v+t(i);
}
}
ap::vmul(a.getcolumn(j, 1, jm1), ajj);
}
}
}
else
{
//
// Compute inverse of lower triangular matrix.
//
for(j = n; j >= 1; j--)
{
if( nounit )
{
if( a(j,j)==0 )
{
result = false;
return result;
}
a(j,j) = 1/a(j,j);
ajj = -a(j,j);
}
else
{
ajj = -1;
}
if( j<n )
{
//
// Compute elements j+1:n of j-th column.
//
nmj = n-j;
jp1 = j+1;
ap::vmove(t.getvector(jp1, n), a.getcolumn(j, jp1, n));
for(i = j+1; i <= n; i++)
{
if( i>j+1 )
{
v = ap::vdotproduct(a.getrow(i, jp1, i-1), t.getvector(jp1, i-1));
}
else
{
v = 0;
}
if( nounit )
{
a(i,j) = v+a(i,i)*t(i);
}
else
{
a(i,j) = v+t(i);
}
}
ap::vmul(a.getcolumn(j, jp1, n), ajj);
}
}
}
return result;
}
//************************************************************************
//Обращение матрицы, заданной LU-разложением
//
//Входные параметры:
// A - LU-разложение матрицы (результат работы подпрограммы
// LUDecomposition).
// Pivots - таблица перестановок, произведенных в ходе LU-разложения.
// (результат работы подпрограммы LUDecomposition).
// N - размерность матрицы
//
//Выходные параметры:
// A - матрица, обратная к исходной. Массив с нумерацией
// элементов [1..N, 1..N]
//
//Результат:
// True, если исходная матрица невырожденная.
// False, если исходная матрица вырожденная.
//
// -- LAPACK routine (version 3.0) --
// Univ. of Tennessee, Univ. of California Berkeley, NAG Ltd.,
// Courant Institute, Argonne National Lab, and Rice University
// February 29, 1992
//************************************************************************
bool inverselu(ap::real_2d_array& a,
const ap::integer_1d_array& pivots,
int n)
{
bool result;
ap::real_1d_array work;
int i;
int iws;
int j;
int jb;
int jj;
int jp;
int jp1;
double v;
result = true;
//
// Quick return if possible
//
if( n==0 )
{
return result;
}
work.setbounds(1, n);
//
// Form inv(U)
//
if( !invtriangular(a, n, true, false) )
{
result = false;
return result;
}
//
// Solve the equation inv(A)*L = inv(U) for inv(A).
//
for(j = n; j >= 1; j--)
{
//
// Copy current column of L to WORK and replace with zeros.
//
for(i = j+1; i <= n; i++)
{
work(i) = a(i,j);
a(i,j) = 0;
}
//
// Compute current column of inv(A).
//
if( j<n )
{
jp1 = j+1;
for(i = 1; i <= n; i++)
{
v = ap::vdotproduct(a.getrow(i, jp1, n), work.getvector(jp1, n));
a(i,j) = a(i,j)-v;
}
}
}
//
// Apply column interchanges.
//
for(j = n-1; j >= 1; j--)
{
jp = pivots(j);
if( jp!=j )
{
ap::vmove(work.getvector(1, n), a.getcolumn(j, 1, n));
ap::vmove(a.getcolumn(j, 1, n), a.getcolumn(jp, 1, n));
ap::vmove(a.getcolumn(jp, 1, n), work.getvector(1, n));
}
}
return result;
}
static void naivematrixmatrixmultiply(const ap::real_2d_array& a,
int ai1,
int ai2,
int aj1,
int aj2,
bool transa,
const ap::real_2d_array& b,
int bi1,
int bi2,
int bj1,
int bj2,
bool transb,
double alpha,
ap::real_2d_array& c,
int ci1,
int ci2,
int cj1,
int cj2,
double beta)
{
int arows;
int acols;
int brows;
int bcols;
int i;
int j;
int k;
int l;
int r;
double v;
ap::real_1d_array x1;
ap::real_1d_array x2;
//
// Setup
//
if( !transa )
{
arows = ai2-ai1+1;
acols = aj2-aj1+1;
}
else
{
arows = aj2-aj1+1;
acols = ai2-ai1+1;
}
if( !transb )
{
brows = bi2-bi1+1;
bcols = bj2-bj1+1;
}
else
{
brows = bj2-bj1+1;
bcols = bi2-bi1+1;
}
ap::ap_error::make_assertion(acols==brows, "NaiveMatrixMatrixMultiply: incorrect matrix sizes!");
if( arows<=0||acols<=0||brows<=0||bcols<=0 )
{
return;
}
l = arows;
r = bcols;
k = acols;
x1.setbounds(1, k);
x2.setbounds(1, k);
for(i = 1; i <= l; i++)
{
for(j = 1; j <= r; j++)
{
if( !transa )
{
if( !transb )
{
v = ap::vdotproduct(b.getcolumn(bj1+j-1, bi1, bi2), a.getrow(ai1+i-1, aj1, aj2));
}
else
{
v = ap::vdotproduct(&b(bi1+j-1, bj1), &a(ai1+i-1, aj1), ap::vlen(bj1,bj2));
}
}
else
{
if( !transb )
{
v = ap::vdotproduct(b.getcolumn(bj1+j-1, bi1, bi2), a.getcolumn(aj1+i-1, ai1, ai2));
}
else
{
v = ap::vdotproduct(b.getrow(bi1+j-1, bj1, bj2), a.getcolumn(aj1+i-1, ai1, ai2));
}
}
if( ap::fp_eq(beta,0) )
{
c(ci1+i-1,cj1+j-1) = alpha*v;
}
else
{
c(ci1+i-1,cj1+j-1) = beta*c(ci1+i-1,cj1+j-1)+alpha*v;
}
}
}
}
