ViewVC Help
View File | Revision Log | Show Annotations | View Changeset | Root Listing
root/group/trunk/OOPSE-3.0/src/math/SquareMatrix.hpp
(Generate patch)

Comparing trunk/OOPSE-3.0/src/math/SquareMatrix.hpp (file contents):
Revision 1594 by tim, Mon Oct 18 23:13:23 2004 UTC vs.
Revision 1639 by tim, Fri Oct 22 23:09:57 2004 UTC

# Line 29 | Line 29
29   * @date 10/11/2004
30   * @version 1.0
31   */
32 < #ifndef MATH_SQUAREMATRIX_HPP
32 > #ifndef MATH_SQUAREMATRIX_HPP
33   #define MATH_SQUAREMATRIX_HPP
34  
35   #include "math/RectMatrix.hpp"
# Line 45 | Line 45 | namespace oopse {
45      template<typename Real, int Dim>
46      class SquareMatrix : public RectMatrix<Real, Dim, Dim> {
47          public:
48 +            typedef Real ElemType;
49 +            typedef Real* ElemPoinerType;
50  
51 <        /** default constructor */
52 <        SquareMatrix() {
53 <            for (unsigned int i = 0; i < Dim; i++)
54 <                for (unsigned int j = 0; j < Dim; j++)
55 <                    data_[i][j] = 0.0;
56 <         }
51 >            /** default constructor */
52 >            SquareMatrix() {
53 >                for (unsigned int i = 0; i < Dim; i++)
54 >                    for (unsigned int j = 0; j < Dim; j++)
55 >                        data_[i][j] = 0.0;
56 >             }
57  
58 <        /** copy constructor */
59 <        SquareMatrix(const RectMatrix<Real, Dim, Dim>& m)  : RectMatrix<Real, Dim, Dim>(m) {
60 <        }
59 <        
60 <        /** copy assignment operator */
61 <        SquareMatrix<Real, Dim>& operator =(const RectMatrix<Real, Dim, Dim>& m) {
62 <            RectMatrix<Real, Dim, Dim>::operator=(m);
63 <            return *this;
64 <        }
65 <                              
66 <        /** Retunrs  an identity matrix*/
67 <
68 <       static SquareMatrix<Real, Dim> identity() {
69 <            SquareMatrix<Real, Dim> m;
58 >            /** copy constructor */
59 >            SquareMatrix(const RectMatrix<Real, Dim, Dim>& m) : RectMatrix<Real, Dim, Dim>(m) {
60 >            }
61              
62 <            for (unsigned int i = 0; i < Dim; i++)
63 <                for (unsigned int j = 0; j < Dim; j++)
64 <                    if (i == j)
65 <                        m(i, j) = 1.0;
66 <                    else
67 <                        m(i, j) = 0.0;
62 >            /** copy assignment operator */
63 >            SquareMatrix<Real, Dim>& operator =(const RectMatrix<Real, Dim, Dim>& m) {
64 >                RectMatrix<Real, Dim, Dim>::operator=(m);
65 >                return *this;
66 >            }
67 >                                  
68 >            /** Retunrs  an identity matrix*/
69  
70 <            return m;
71 <        }
70 >           static SquareMatrix<Real, Dim> identity() {
71 >                SquareMatrix<Real, Dim> m;
72 >                
73 >                for (unsigned int i = 0; i < Dim; i++)
74 >                    for (unsigned int j = 0; j < Dim; j++)
75 >                        if (i == j)
76 >                            m(i, j) = 1.0;
77 >                        else
78 >                            m(i, j) = 0.0;
79  
80 <        /**
81 <         * Retunrs  the inversion of this matrix.
83 <         * @todo
84 <         */
85 <         SquareMatrix<Real, Dim>  inverse() {
86 <             SquareMatrix<Real, Dim> result;
80 >                return m;
81 >            }
82  
83 <             return result;
84 <        }        
83 >            /**
84 >             * Retunrs  the inversion of this matrix.
85 >             * @todo need implementation
86 >             */
87 >             SquareMatrix<Real, Dim>  inverse() {
88 >                 SquareMatrix<Real, Dim> result;
89  
90 <        /**
91 <         * Returns the determinant of this matrix.
93 <         * @todo
94 <         */
95 <        double determinant() const {
96 <            double det;
97 <            return det;
98 <        }
90 >                 return result;
91 >            }        
92  
93 <        /** Returns the trace of this matrix. */
94 <        double trace() const {
95 <           double tmp = 0;
96 <          
97 <            for (unsigned int i = 0; i < Dim ; i++)
98 <                tmp += data_[i][i];
93 >            /**
94 >             * Returns the determinant of this matrix.
95 >             * @todo need implementation
96 >             */
97 >            Real determinant() const {
98 >                Real det;
99 >                return det;
100 >            }
101  
102 <            return tmp;
103 <        }
102 >            /** Returns the trace of this matrix. */
103 >            Real trace() const {
104 >               Real tmp = 0;
105 >              
106 >                for (unsigned int i = 0; i < Dim ; i++)
107 >                    tmp += data_[i][i];
108  
109 <        /** Tests if this matrix is symmetrix. */            
110 <        bool isSymmetric() const {
112 <            for (unsigned int i = 0; i < Dim - 1; i++)
113 <                for (unsigned int j = i; j < Dim; j++)
114 <                    if (fabs(data_[i][j] - data_[j][i]) > oopse::epsilon)
115 <                        return false;
116 <                    
117 <            return true;
118 <        }
109 >                return tmp;
110 >            }
111  
112 <        /** Tests if this matrix is orthogonal. */            
113 <        bool isOrthogonal() {
114 <            SquareMatrix<Real, Dim> tmp;
112 >            /** Tests if this matrix is symmetrix. */            
113 >            bool isSymmetric() const {
114 >                for (unsigned int i = 0; i < Dim - 1; i++)
115 >                    for (unsigned int j = i; j < Dim; j++)
116 >                        if (fabs(data_[i][j] - data_[j][i]) > oopse::epsilon)
117 >                            return false;
118 >                        
119 >                return true;
120 >            }
121  
122 <            tmp = *this * transpose();
122 >            /** Tests if this matrix is orthogonal. */            
123 >            bool isOrthogonal() {
124 >                SquareMatrix<Real, Dim> tmp;
125  
126 <            return tmp.isDiagonal();
127 <        }
126 >                tmp = *this * transpose();
127  
128 <        /** Tests if this matrix is diagonal. */
129 <        bool isDiagonal() const {
131 <            for (unsigned int i = 0; i < Dim ; i++)
132 <                for (unsigned int j = 0; j < Dim; j++)
133 <                    if (i !=j && fabs(data_[i][j]) > oopse::epsilon)
134 <                        return false;
135 <                    
136 <            return true;
137 <        }
128 >                return tmp.isDiagonal();
129 >            }
130  
131 <        /** Tests if this matrix is the unit matrix. */
132 <        bool isUnitMatrix() const {
133 <            if (!isDiagonal())
134 <                return false;
135 <            
136 <            for (unsigned int i = 0; i < Dim ; i++)
137 <                if (fabs(data_[i][i] - 1) > oopse::epsilon)
131 >            /** Tests if this matrix is diagonal. */
132 >            bool isDiagonal() const {
133 >                for (unsigned int i = 0; i < Dim ; i++)
134 >                    for (unsigned int j = 0; j < Dim; j++)
135 >                        if (i !=j && fabs(data_[i][j]) > oopse::epsilon)
136 >                            return false;
137 >                        
138 >                return true;
139 >            }
140 >
141 >            /** Tests if this matrix is the unit matrix. */
142 >            bool isUnitMatrix() const {
143 >                if (!isDiagonal())
144                      return false;
145                  
146 <            return true;
147 <        }        
146 >                for (unsigned int i = 0; i < Dim ; i++)
147 >                    if (fabs(data_[i][i] - 1) > oopse::epsilon)
148 >                        return false;
149 >                    
150 >                return true;
151 >            }        
152  
153 <        /** @todo need implement */
154 <        void diagonalize() {
155 <            //jacobi(m, eigenValues, ortMat);
154 <        }
155 <
156 <        /**
157 <         * Finds the eigenvalues and eigenvectors of a symmetric matrix
158 <         * @param eigenvals a reference to a vector3 where the
159 <         * eigenvalues will be stored. The eigenvalues are ordered so
160 <         * that eigenvals[0] <= eigenvals[1] <= eigenvals[2].
161 <         * @return an orthogonal matrix whose ith column is an
162 <         * eigenvector for the eigenvalue eigenvals[i]
163 <         */
164 <        SquareMatrix<Real, Dim>  findEigenvectors(Vector<Real, Dim>& eigenValues) {
165 <            SquareMatrix<Real, Dim> ortMat;
166 <            
167 <            if ( !isSymmetric()){
168 <                throw();
153 >            /** @todo need implementation */
154 >            void diagonalize() {
155 >                //jacobi(m, eigenValues, ortMat);
156              }
170            
171            SquareMatrix<Real, Dim> m(*this);
172            jacobi(m, eigenValues, ortMat);
157  
158 <            return ortMat;
159 <        }
160 <        /**
161 <         * Jacobi iteration routines for computing eigenvalues/eigenvectors of
162 <         * real symmetric matrix
163 <         *
164 <         * @return true if success, otherwise return false
165 <         * @param a source matrix
166 <         * @param w output eigenvalues
167 <         * @param v output eigenvectors
168 <         */
169 <        bool jacobi(const SquareMatrix<Real, Dim>& a, Vector<Real, Dim>& w,
170 <                              SquareMatrix<Real, Dim>& v);
158 >            /**
159 >             * Jacobi iteration routines for computing eigenvalues/eigenvectors of
160 >             * real symmetric matrix
161 >             *
162 >             * @return true if success, otherwise return false
163 >             * @param a symmetric matrix whose eigenvectors are to be computed. On return, the matrix is
164 >             *     overwritten
165 >             * @param w will contain the eigenvalues of the matrix On return of this function
166 >             * @param v the columns of this matrix will contain the eigenvectors. The eigenvectors are
167 >             *    normalized and mutually orthogonal.
168 >             */
169 >          
170 >            static int jacobi(SquareMatrix<Real, Dim>& a, Vector<Real, Dim>& d,
171 >                                  SquareMatrix<Real, Dim>& v);
172      };//end SquareMatrix
173  
174  
175 < #define ROT(a,i,j,k,l) g=a(i, j);h=a(k, l);a(i, j)=g-s*(h+g*tau);a(k, l)=h+s*(g-h*tau)
191 < #define MAX_ROTATIONS 60
175 > /*=========================================================================
176  
177 < template<typename Real, int Dim>
178 < bool SquareMatrix<Real, Dim>::jacobi(const SquareMatrix<Real, Dim>& a, Vector<Real, Dim>& w,
195 <                              SquareMatrix<Real, Dim>& v) {
196 <    const int N = Dim;                                                                      
197 <    int i, j, k, iq, ip;
198 <    double tresh, theta, tau, t, sm, s, h, g, c;
199 <    double tmp;
200 <    Vector<Real, Dim> b, z;
177 >  Program:   Visualization Toolkit
178 >  Module:    $RCSfile: SquareMatrix.hpp,v $
179  
180 <    // initialize
181 <    for (ip=0; ip<N; ip++) {
182 <        for (iq=0; iq<N; iq++)
205 <            v(ip, iq) = 0.0;
206 <        v(ip, ip) = 1.0;
207 <    }
208 <    
209 <    for (ip=0; ip<N; ip++) {
210 <        b(ip) = w(ip) = a(ip, ip);
211 <        z(ip) = 0.0;
212 <    }
180 >  Copyright (c) Ken Martin, Will Schroeder, Bill Lorensen
181 >  All rights reserved.
182 >  See Copyright.txt or http://www.kitware.com/Copyright.htm for details.
183  
184 <    // begin rotation sequence
185 <    for (i=0; i<MAX_ROTATIONS; i++) {
186 <        sm = 0.0;
217 <        for (ip=0; ip<2; ip++) {
218 <            for (iq=ip+1; iq<N; iq++)
219 <                sm += fabs(a(ip, iq));
220 <        }
221 <        
222 <        if (sm == 0.0)
223 <            break;
184 >     This software is distributed WITHOUT ANY WARRANTY; without even
185 >     the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR
186 >     PURPOSE.  See the above copyright notice for more information.
187  
188 <        if (i < 4)
226 <            tresh = 0.2*sm/(9);
227 <        else
228 <            tresh = 0.0;
188 > =========================================================================*/
189  
190 <        for (ip=0; ip<2; ip++) {
191 <            for (iq=ip+1; iq<N; iq++) {
232 <                g = 100.0*fabs(a(ip, iq));
233 <                if (i > 4 && (fabs(w(ip))+g) == fabs(w(ip))
234 <                    && (fabs(w(iq))+g) == fabs(w(iq))) {
235 <                    a(ip, iq) = 0.0;
236 <                } else if (fabs(a(ip, iq)) > tresh) {
237 <                    h = w(iq) - w(ip);
238 <                    if ( (fabs(h)+g) == fabs(h)) {
239 <                        t = (a(ip, iq)) / h;
240 <                    } else {
241 <                        theta = 0.5*h / (a(ip, iq));
242 <                        t = 1.0 / (fabs(theta)+sqrt(1.0+theta*theta));
190 > #define VTK_ROTATE(a,i,j,k,l) g=a(i, j);h=a(k, l);a(i, j)=g-s*(h+g*tau);\
191 >        a(k, l)=h+s*(g-h*tau)
192  
193 <                        if (theta < 0.0)
245 <                            t = -t;
246 <                    }
193 > #define VTK_MAX_ROTATIONS 20
194  
195 <                    c = 1.0 / sqrt(1+t*t);
196 <                    s = t*c;
197 <                    tau = s/(1.0+c);
198 <                    h = t*a(ip, iq);
199 <                    z(ip) -= h;
200 <                    z(iq) += h;
201 <                    w(ip) -= h;
202 <                    w(iq) += h;
203 <                    a(ip, iq)=0.0;
204 <                    
205 <                    for (j=0;j<ip-1;j++)
206 <                        ROT(a,j,ip,j,iq);
195 >    // Jacobi iteration for the solution of eigenvectors/eigenvalues of a nxn
196 >    // real symmetric matrix. Square nxn matrix a; size of matrix in n;
197 >    // output eigenvalues in w; and output eigenvectors in v. Resulting
198 >    // eigenvalues/vectors are sorted in decreasing order; eigenvectors are
199 >    // normalized.
200 >    template<typename Real, int Dim>
201 >    int SquareMatrix<Real, Dim>::jacobi(SquareMatrix<Real, Dim>& a, Vector<Real, Dim>& w,
202 >                                        SquareMatrix<Real, Dim>& v) {
203 >        const int n = Dim;  
204 >        int i, j, k, iq, ip, numPos;
205 >        Real tresh, theta, tau, t, sm, s, h, g, c, tmp;
206 >        Real bspace[4], zspace[4];
207 >        Real *b = bspace;
208 >        Real *z = zspace;
209  
210 <                    for (j=ip+1;j<iq-1;j++)
211 <                        ROT(a,ip,j,j,iq);
210 >        // only allocate memory if the matrix is large
211 >        if (n > 4) {
212 >            b = new Real[n];
213 >            z = new Real[n];
214 >        }
215  
216 <                    for (j=iq+1; j<N; j++)
217 <                        ROT(a,ip,j,iq,j);
218 <                    
219 <                    for (j=0; j<N; j++)
220 <                        ROT(v,j,ip,j,iq);
216 >        // initialize
217 >        for (ip=0; ip<n; ip++) {
218 >            for (iq=0; iq<n; iq++) {
219 >                v(ip, iq) = 0.0;
220 >            }
221 >            v(ip, ip) = 1.0;
222 >        }
223 >        for (ip=0; ip<n; ip++) {
224 >            b[ip] = w[ip] = a(ip, ip);
225 >            z[ip] = 0.0;
226 >        }
227 >
228 >        // begin rotation sequence
229 >        for (i=0; i<VTK_MAX_ROTATIONS; i++) {
230 >            sm = 0.0;
231 >            for (ip=0; ip<n-1; ip++) {
232 >                for (iq=ip+1; iq<n; iq++) {
233 >                    sm += fabs(a(ip, iq));
234                  }
235              }
236 <        }//for (ip=0; ip<2; ip++)
236 >            if (sm == 0.0) {
237 >                break;
238 >            }
239  
240 <        for (ip=0; ip<N; ip++) {
241 <            b(ip) += z(ip);
242 <            w(ip) = b(ip);
243 <            z(ip) = 0.0;
240 >            if (i < 3) {                                // first 3 sweeps
241 >                tresh = 0.2*sm/(n*n);
242 >            } else {
243 >                tresh = 0.0;
244 >            }
245 >
246 >            for (ip=0; ip<n-1; ip++) {
247 >                for (iq=ip+1; iq<n; iq++) {
248 >                    g = 100.0*fabs(a(ip, iq));
249 >
250 >                    // after 4 sweeps
251 >                    if (i > 3 && (fabs(w[ip])+g) == fabs(w[ip])
252 >                        && (fabs(w[iq])+g) == fabs(w[iq])) {
253 >                        a(ip, iq) = 0.0;
254 >                    } else if (fabs(a(ip, iq)) > tresh) {
255 >                        h = w[iq] - w[ip];
256 >                        if ( (fabs(h)+g) == fabs(h)) {
257 >                            t = (a(ip, iq)) / h;
258 >                        } else {
259 >                            theta = 0.5*h / (a(ip, iq));
260 >                            t = 1.0 / (fabs(theta)+sqrt(1.0+theta*theta));
261 >                            if (theta < 0.0) {
262 >                                t = -t;
263 >                            }
264 >                        }
265 >                        c = 1.0 / sqrt(1+t*t);
266 >                        s = t*c;
267 >                        tau = s/(1.0+c);
268 >                        h = t*a(ip, iq);
269 >                        z[ip] -= h;
270 >                        z[iq] += h;
271 >                        w[ip] -= h;
272 >                        w[iq] += h;
273 >                        a(ip, iq)=0.0;
274 >
275 >                        // ip already shifted left by 1 unit
276 >                        for (j = 0;j <= ip-1;j++) {
277 >                            VTK_ROTATE(a,j,ip,j,iq);
278 >                        }
279 >                        // ip and iq already shifted left by 1 unit
280 >                        for (j = ip+1;j <= iq-1;j++) {
281 >                            VTK_ROTATE(a,ip,j,j,iq);
282 >                        }
283 >                        // iq already shifted left by 1 unit
284 >                        for (j=iq+1; j<n; j++) {
285 >                            VTK_ROTATE(a,ip,j,iq,j);
286 >                        }
287 >                        for (j=0; j<n; j++) {
288 >                            VTK_ROTATE(v,j,ip,j,iq);
289 >                        }
290 >                    }
291 >                }
292 >            }
293 >
294 >            for (ip=0; ip<n; ip++) {
295 >                b[ip] += z[ip];
296 >                w[ip] = b[ip];
297 >                z[ip] = 0.0;
298 >            }
299          }
278        
279    } // end for (i=0; i<MAX_ROTATIONS; i++)
300  
301 <    if ( i >= MAX_ROTATIONS )
302 <        return false;
301 >        //// this is NEVER called
302 >        if ( i >= VTK_MAX_ROTATIONS ) {
303 >            std::cout << "vtkMath::Jacobi: Error extracting eigenfunctions" << std::endl;
304 >            return 0;
305 >        }
306  
307 <    // sort eigenfunctions
308 <    for (j=0; j<N; j++) {
309 <        k = j;
310 <        tmp = w(k);
311 <        for (i=j; i<N; i++) {
312 <            if (w(i) >= tmp) {
313 <            k = i;
314 <            tmp = w(k);
307 >        // sort eigenfunctions                 these changes do not affect accuracy
308 >        for (j=0; j<n-1; j++) {                  // boundary incorrect
309 >            k = j;
310 >            tmp = w[k];
311 >            for (i=j+1; i<n; i++) {                // boundary incorrect, shifted already
312 >                if (w[i] >= tmp) {                   // why exchage if same?
313 >                    k = i;
314 >                    tmp = w[k];
315 >                }
316              }
317 +            if (k != j) {
318 +                w[k] = w[j];
319 +                w[j] = tmp;
320 +                for (i=0; i<n; i++) {
321 +                    tmp = v(i, j);
322 +                    v(i, j) = v(i, k);
323 +                    v(i, k) = tmp;
324 +                }
325 +            }
326          }
327 <    
328 <        if (k != j) {
329 <            w(k) = w(j);
330 <            w(j) = tmp;
331 <            for (i=0; i<N; i++)  {
332 <                tmp = v(i, j);
333 <                v(i, j) = v(i, k);
334 <                v(i, k) = tmp;
327 >        // insure eigenvector consistency (i.e., Jacobi can compute vectors that
328 >        // are negative of one another (.707,.707,0) and (-.707,-.707,0). This can
329 >        // reek havoc in hyperstreamline/other stuff. We will select the most
330 >        // positive eigenvector.
331 >        int ceil_half_n = (n >> 1) + (n & 1);
332 >        for (j=0; j<n; j++) {
333 >            for (numPos=0, i=0; i<n; i++) {
334 >                if ( v(i, j) >= 0.0 ) {
335 >                    numPos++;
336 >                }
337              }
338 +            //    if ( numPos < ceil(double(n)/double(2.0)) )
339 +            if ( numPos < ceil_half_n) {
340 +                for (i=0; i<n; i++) {
341 +                    v(i, j) *= -1.0;
342 +                }
343 +            }
344          }
304    }
345  
346 <    //    insure eigenvector consistency (i.e., Jacobi can compute
347 <    //    vectors that are negative of one another (.707,.707,0) and
348 <    //    (-.707,-.707,0). This can reek havoc in
349 <    //    hyperstreamline/other stuff. We will select the most
350 <    //    positive eigenvector.
311 <    int numPos;
312 <    for (j=0; j<N; j++) {
313 <        for (numPos=0, i=0; i<N; i++) if ( v(i, j) >= 0.0 ) numPos++;
314 <        if ( numPos < 2 ) for(i=0; i<N; i++) v(i, j) *= -1.0;
346 >        if (n > 4) {
347 >            delete [] b;
348 >            delete [] z;
349 >        }
350 >        return 1;
351      }
352  
317    return true;
318 }
353  
320 #undef ROT
321 #undef MAX_ROTATIONS
322
354   }
324
355   #endif //MATH_SQUAREMATRIX_HPP
356 +

Diff Legend

Removed lines
+ Added lines
< Changed lines
> Changed lines