ViewVC Help
View File | Revision Log | Show Annotations | View Changeset | Root Listing
root/group/trunk/OOPSE-4/src/math/SquareMatrix.hpp
(Generate patch)

Comparing trunk/OOPSE-4/src/math/SquareMatrix.hpp (file contents):
Revision 1569 by tim, Thu Oct 14 23:28:09 2004 UTC vs.
Revision 1644 by tim, Mon Oct 25 22:46:19 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*/
58 >            /** Constructs and initializes every element of this matrix to a scalar */
59 >            SquareMatrix(Real s) : RectMatrix<Real, Dim, Dim>(s){
60 >            }
61  
62 <       static SquareMatrix<Real, Dim> identity() {
63 <            SquareMatrix<Real, Dim> m;
62 >            /** Constructs and initializes from an array */
63 >            SquareMatrix(Real* array) : RectMatrix<Real, Dim, Dim>(array){
64 >            }
65 >
66 >
67 >            /** copy constructor */
68 >            SquareMatrix(const RectMatrix<Real, Dim, Dim>& m) : RectMatrix<Real, Dim, Dim>(m) {
69 >            }
70              
71 <            for (unsigned int i = 0; i < Dim; i++)
72 <                for (unsigned int j = 0; j < Dim; j++)
73 <                    if (i == j)
74 <                        m(i, j) = 1.0;
75 <                    else
76 <                        m(i, j) = 0.0;
71 >            /** copy assignment operator */
72 >            SquareMatrix<Real, Dim>& operator =(const RectMatrix<Real, Dim, Dim>& m) {
73 >                RectMatrix<Real, Dim, Dim>::operator=(m);
74 >                return *this;
75 >            }
76 >                                  
77 >            /** Retunrs  an identity matrix*/
78  
79 <            return m;
80 <        }
79 >           static SquareMatrix<Real, Dim> identity() {
80 >                SquareMatrix<Real, Dim> m;
81 >                
82 >                for (unsigned int i = 0; i < Dim; i++)
83 >                    for (unsigned int j = 0; j < Dim; j++)
84 >                        if (i == j)
85 >                            m(i, j) = 1.0;
86 >                        else
87 >                            m(i, j) = 0.0;
88  
89 <        /** Retunrs  the inversion of this matrix. */
90 <         SquareMatrix<Real, Dim>  inverse() {
83 <             SquareMatrix<Real, Dim> result;
89 >                return m;
90 >            }
91  
92 <             return result;
93 <        }        
92 >            /**
93 >             * Retunrs  the inversion of this matrix.
94 >             * @todo need implementation
95 >             */
96 >             SquareMatrix<Real, Dim>  inverse() {
97 >                 SquareMatrix<Real, Dim> result;
98  
99 <        /** Returns the determinant of this matrix. */
100 <        double determinant() const {
90 <            double det;
91 <            return det;
92 <        }
99 >                 return result;
100 >            }        
101  
102 <        /** Returns the trace of this matrix. */
103 <        double trace() const {
104 <           double tmp = 0;
105 <          
106 <            for (unsigned int i = 0; i < Dim ; i++)
107 <                tmp += data_[i][i];
102 >            /**
103 >             * Returns the determinant of this matrix.
104 >             * @todo need implementation
105 >             */
106 >            Real determinant() const {
107 >                Real det;
108 >                return det;
109 >            }
110  
111 <            return tmp;
112 <        }
111 >            /** Returns the trace of this matrix. */
112 >            Real trace() const {
113 >               Real tmp = 0;
114 >              
115 >                for (unsigned int i = 0; i < Dim ; i++)
116 >                    tmp += data_[i][i];
117  
118 <        /** Tests if this matrix is symmetrix. */            
119 <        bool isSymmetric() const {
106 <            for (unsigned int i = 0; i < Dim - 1; i++)
107 <                for (unsigned int j = i; j < Dim; j++)
108 <                    if (fabs(data_[i][j] - data_[j][i]) > oopse::epsilon)
109 <                        return false;
110 <                    
111 <            return true;
112 <        }
118 >                return tmp;
119 >            }
120  
121 <        /** Tests if this matrix is orthogonal. */            
122 <        bool isOrthogonal() {
123 <            SquareMatrix<Real, Dim> tmp;
121 >            /** Tests if this matrix is symmetrix. */            
122 >            bool isSymmetric() const {
123 >                for (unsigned int i = 0; i < Dim - 1; i++)
124 >                    for (unsigned int j = i; j < Dim; j++)
125 >                        if (fabs(data_[i][j] - data_[j][i]) > oopse::epsilon)
126 >                            return false;
127 >                        
128 >                return true;
129 >            }
130  
131 <            tmp = *this * transpose();
131 >            /** Tests if this matrix is orthogonal. */            
132 >            bool isOrthogonal() {
133 >                SquareMatrix<Real, Dim> tmp;
134  
135 <            return tmp.isDiagonal();
121 <        }
135 >                tmp = *this * transpose();
136  
137 <        /** Tests if this matrix is diagonal. */
138 <        bool isDiagonal() const {
125 <            for (unsigned int i = 0; i < Dim ; i++)
126 <                for (unsigned int j = 0; j < Dim; j++)
127 <                    if (i !=j && fabs(data_[i][j]) > oopse::epsilon)
128 <                        return false;
129 <                    
130 <            return true;
131 <        }
137 >                return tmp.isDiagonal();
138 >            }
139  
140 <        /** Tests if this matrix is the unit matrix. */
141 <        bool isUnitMatrix() const {
142 <            if (!isDiagonal())
143 <                return false;
144 <            
145 <            for (unsigned int i = 0; i < Dim ; i++)
146 <                if (fabs(data_[i][i] - 1) > oopse::epsilon)
140 >            /** Tests if this matrix is diagonal. */
141 >            bool isDiagonal() const {
142 >                for (unsigned int i = 0; i < Dim ; i++)
143 >                    for (unsigned int j = 0; j < Dim; j++)
144 >                        if (i !=j && fabs(data_[i][j]) > oopse::epsilon)
145 >                            return false;
146 >                        
147 >                return true;
148 >            }
149 >
150 >            /** Tests if this matrix is the unit matrix. */
151 >            bool isUnitMatrix() const {
152 >                if (!isDiagonal())
153                      return false;
154                  
155 <            return true;
156 <        }        
155 >                for (unsigned int i = 0; i < Dim ; i++)
156 >                    if (fabs(data_[i][i] - 1) > oopse::epsilon)
157 >                        return false;
158 >                    
159 >                return true;
160 >            }        
161  
162 <        void diagonalize() {
163 <            jacobi(m, eigenValues, ortMat);
164 <        }
148 <
149 <        /**
150 <         * Finds the eigenvalues and eigenvectors of a symmetric matrix
151 <         * @param eigenvals a reference to a vector3 where the
152 <         * eigenvalues will be stored. The eigenvalues are ordered so
153 <         * that eigenvals[0] <= eigenvals[1] <= eigenvals[2].
154 <         * @return an orthogonal matrix whose ith column is an
155 <         * eigenvector for the eigenvalue eigenvals[i]
156 <         */
157 <        SquareMatrix<Real, Dim>  findEigenvectors(Vector<Real, Dim>& eigenValues) {
158 <            SquareMatrix<Real, Dim> ortMat;
159 <            
160 <            if ( !isSymmetric()){
161 <                throw();
162 >            /** @todo need implementation */
163 >            void diagonalize() {
164 >                //jacobi(m, eigenValues, ortMat);
165              }
163            
164            SquareMatrix<Real, Dim> m(*this);
165            jacobi(m, eigenValues, ortMat);
166  
167 <            return ortMat;
168 <        }
169 <        /**
170 <         * Jacobi iteration routines for computing eigenvalues/eigenvectors of
171 <         * real symmetric matrix
172 <         *
173 <         * @return true if success, otherwise return false
174 <         * @param a source matrix
175 <         * @param w output eigenvalues
176 <         * @param v output eigenvectors
177 <         */
178 <        void jacobi(const SquareMatrix<Real, Dim>& a,
179 <                              Vector<Real, Dim>& w,
180 <                              SquareMatrix<Real, Dim>& v);
167 >            /**
168 >             * Jacobi iteration routines for computing eigenvalues/eigenvectors of
169 >             * real symmetric matrix
170 >             *
171 >             * @return true if success, otherwise return false
172 >             * @param a symmetric matrix whose eigenvectors are to be computed. On return, the matrix is
173 >             *     overwritten
174 >             * @param w will contain the eigenvalues of the matrix On return of this function
175 >             * @param v the columns of this matrix will contain the eigenvectors. The eigenvectors are
176 >             *    normalized and mutually orthogonal.
177 >             */
178 >          
179 >            static int jacobi(SquareMatrix<Real, Dim>& a, Vector<Real, Dim>& d,
180 >                                  SquareMatrix<Real, Dim>& v);
181      };//end SquareMatrix
182  
183  
184 < #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)
185 < #define MAX_ROTATIONS 60
184 > /*=========================================================================
185  
186 < template<Real, int Dim>
187 < void SquareMatrix<Real, int Dim>::jacobi(SquareMatrix<Real, Dim>& a,
189 <                                                                       Vector<Real, Dim>& w,
190 <                                                                       SquareMatrix<Real, Dim>& v) {
191 <    const int N = Dim;                                                                      
192 <    int i, j, k, iq, ip;
193 <    double tresh, theta, tau, t, sm, s, h, g, c;
194 <    double tmp;
195 <    Vector<Real, Dim> b, z;
186 >  Program:   Visualization Toolkit
187 >  Module:    $RCSfile: SquareMatrix.hpp,v $
188  
189 <    // initialize
190 <    for (ip=0; ip<N; ip++)
191 <    {
200 <        for (iq=0; iq<N; iq++) v(ip, iq) = 0.0;
201 <        v(ip, ip) = 1.0;
202 <    }
203 <    for (ip=0; ip<N; ip++)
204 <    {
205 <        b(ip) = w(ip) = a(ip, ip);
206 <        z(ip) = 0.0;
207 <    }
189 >  Copyright (c) Ken Martin, Will Schroeder, Bill Lorensen
190 >  All rights reserved.
191 >  See Copyright.txt or http://www.kitware.com/Copyright.htm for details.
192  
193 <    // begin rotation sequence
194 <    for (i=0; i<MAX_ROTATIONS; i++)
195 <    {
212 <        sm = 0.0;
213 <        for (ip=0; ip<2; ip++)
214 <        {
215 <            for (iq=ip+1; iq<N; iq++) sm += fabs(a(ip, iq));
216 <        }
217 <        if (sm == 0.0) break;
193 >     This software is distributed WITHOUT ANY WARRANTY; without even
194 >     the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR
195 >     PURPOSE.  See the above copyright notice for more information.
196  
197 <        if (i < 4) tresh = 0.2*sm/(9);
220 <        else tresh = 0.0;
197 > =========================================================================*/
198  
199 <        for (ip=0; ip<2; ip++)
200 <        {
224 <            for (iq=ip+1; iq<N; iq++)
225 <            {
226 <                g = 100.0*fabs(a(ip, iq));
227 <                if (i > 4 && (fabs(w(ip))+g) == fabs(w(ip))
228 <                    && (fabs(w(iq))+g) == fabs(w(iq)))
229 <                {
230 <                    a(ip, iq) = 0.0;
231 <                }
232 <                else if (fabs(a(ip, iq)) > tresh)
233 <                {
234 <                    h = w(iq) - w(ip);
235 <                    if ( (fabs(h)+g) == fabs(h)) t = (a(ip, iq)) / h;
236 <                    else
237 <                    {
238 <                        theta = 0.5*h / (a(ip, iq));
239 <                        t = 1.0 / (fabs(theta)+sqrt(1.0+theta*theta));
240 <                        if (theta < 0.0) t = -t;
241 <                    }
242 <                    c = 1.0 / sqrt(1+t*t);
243 <                    s = t*c;
244 <                    tau = s/(1.0+c);
245 <                    h = t*a(ip, iq);
246 <                    z(ip) -= h;
247 <                    z(iq) += h;
248 <                    w(ip) -= h;
249 <                    w(iq) += h;
250 <                    a(ip, iq)=0.0;
251 <                    for (j=0;j<ip-1;j++)
252 <                    {
253 <                        ROT(a,j,ip,j,iq);
254 <                    }
255 <                    for (j=ip+1;j<iq-1;j++)
256 <                    {
257 <                        ROT(a,ip,j,j,iq);
258 <                    }
259 <                    for (j=iq+1; j<N; j++)
260 <                    {
261 <                        ROT(a,ip,j,iq,j);
262 <                    }
263 <                    for (j=0; j<N; j++)
264 <                    {
265 <                        ROT(v,j,ip,j,iq);
266 <                    }
267 <                }
268 <            }
269 <        }
199 > #define VTK_ROTATE(a,i,j,k,l) g=a(i, j);h=a(k, l);a(i, j)=g-s*(h+g*tau);\
200 >        a(k, l)=h+s*(g-h*tau)
201  
202 <        for (ip=0; ip<N; ip++)
272 <        {
273 <            b(ip) += z(ip);
274 <            w(ip) = b(ip);
275 <            z(ip) = 0.0;
276 <        }
277 <    }
202 > #define VTK_MAX_ROTATIONS 20
203  
204 <    if ( i >= MAX_ROTATIONS )
205 <        return false;
204 >    // Jacobi iteration for the solution of eigenvectors/eigenvalues of a nxn
205 >    // real symmetric matrix. Square nxn matrix a; size of matrix in n;
206 >    // output eigenvalues in w; and output eigenvectors in v. Resulting
207 >    // eigenvalues/vectors are sorted in decreasing order; eigenvectors are
208 >    // normalized.
209 >    template<typename Real, int Dim>
210 >    int SquareMatrix<Real, Dim>::jacobi(SquareMatrix<Real, Dim>& a, Vector<Real, Dim>& w,
211 >                                        SquareMatrix<Real, Dim>& v) {
212 >        const int n = Dim;  
213 >        int i, j, k, iq, ip, numPos;
214 >        Real tresh, theta, tau, t, sm, s, h, g, c, tmp;
215 >        Real bspace[4], zspace[4];
216 >        Real *b = bspace;
217 >        Real *z = zspace;
218  
219 <    // sort eigenfunctions
220 <    for (j=0; j<N; j++)
221 <    {
222 <        k = j;
223 <        tmp = w(k);
287 <        for (i=j; i<N; i++)
288 <        {
289 <            if (w(i) >= tmp)
290 <            {
291 <                k = i;
292 <                tmp = w(k);
293 <            }
294 <        }
295 <        if (k != j)
296 <        {
297 <            w(k) = w(j);
298 <            w(j) = tmp;
299 <            for (i=0; i<N; i++)
300 <            {
301 <                tmp = v(i, j);
302 <                v(i, j) = v(i, k);
303 <                v(i, k) = tmp;
304 <            }
305 <        }
306 <    }
219 >        // only allocate memory if the matrix is large
220 >        if (n > 4) {
221 >            b = new Real[n];
222 >            z = new Real[n];
223 >        }
224  
225 <    //    insure eigenvector consistency (i.e., Jacobi can compute
226 <    //    vectors that are negative of one another (.707,.707,0) and
227 <    //    (-.707,-.707,0). This can reek havoc in
228 <    //    hyperstreamline/other stuff. We will select the most
229 <    //    positive eigenvector.
230 <    int numPos;
231 <    for (j=0; j<N; j++)
232 <    {
233 <        for (numPos=0, i=0; i<N; i++) if ( v(i, j) >= 0.0 ) numPos++;
234 <        if ( numPos < 2 ) for(i=0; i<N; i++) v(i, j) *= -1.0;
235 <    }
225 >        // initialize
226 >        for (ip=0; ip<n; ip++) {
227 >            for (iq=0; iq<n; iq++) {
228 >                v(ip, iq) = 0.0;
229 >            }
230 >            v(ip, ip) = 1.0;
231 >        }
232 >        for (ip=0; ip<n; ip++) {
233 >            b[ip] = w[ip] = a(ip, ip);
234 >            z[ip] = 0.0;
235 >        }
236  
237 <    return true;
238 < }
237 >        // begin rotation sequence
238 >        for (i=0; i<VTK_MAX_ROTATIONS; i++) {
239 >            sm = 0.0;
240 >            for (ip=0; ip<n-1; ip++) {
241 >                for (iq=ip+1; iq<n; iq++) {
242 >                    sm += fabs(a(ip, iq));
243 >                }
244 >            }
245 >            if (sm == 0.0) {
246 >                break;
247 >            }
248  
249 < #undef ROT
250 < #undef MAX_ROTATIONS
249 >            if (i < 3) {                                // first 3 sweeps
250 >                tresh = 0.2*sm/(n*n);
251 >            } else {
252 >                tresh = 0.0;
253 >            }
254  
255 < }
255 >            for (ip=0; ip<n-1; ip++) {
256 >                for (iq=ip+1; iq<n; iq++) {
257 >                    g = 100.0*fabs(a(ip, iq));
258  
259 +                    // after 4 sweeps
260 +                    if (i > 3 && (fabs(w[ip])+g) == fabs(w[ip])
261 +                        && (fabs(w[iq])+g) == fabs(w[iq])) {
262 +                        a(ip, iq) = 0.0;
263 +                    } else if (fabs(a(ip, iq)) > tresh) {
264 +                        h = w[iq] - w[ip];
265 +                        if ( (fabs(h)+g) == fabs(h)) {
266 +                            t = (a(ip, iq)) / h;
267 +                        } else {
268 +                            theta = 0.5*h / (a(ip, iq));
269 +                            t = 1.0 / (fabs(theta)+sqrt(1.0+theta*theta));
270 +                            if (theta < 0.0) {
271 +                                t = -t;
272 +                            }
273 +                        }
274 +                        c = 1.0 / sqrt(1+t*t);
275 +                        s = t*c;
276 +                        tau = s/(1.0+c);
277 +                        h = t*a(ip, iq);
278 +                        z[ip] -= h;
279 +                        z[iq] += h;
280 +                        w[ip] -= h;
281 +                        w[iq] += h;
282 +                        a(ip, iq)=0.0;
283  
284 +                        // ip already shifted left by 1 unit
285 +                        for (j = 0;j <= ip-1;j++) {
286 +                            VTK_ROTATE(a,j,ip,j,iq);
287 +                        }
288 +                        // ip and iq already shifted left by 1 unit
289 +                        for (j = ip+1;j <= iq-1;j++) {
290 +                            VTK_ROTATE(a,ip,j,j,iq);
291 +                        }
292 +                        // iq already shifted left by 1 unit
293 +                        for (j=iq+1; j<n; j++) {
294 +                            VTK_ROTATE(a,ip,j,iq,j);
295 +                        }
296 +                        for (j=0; j<n; j++) {
297 +                            VTK_ROTATE(v,j,ip,j,iq);
298 +                        }
299 +                    }
300 +                }
301 +            }
302 +
303 +            for (ip=0; ip<n; ip++) {
304 +                b[ip] += z[ip];
305 +                w[ip] = b[ip];
306 +                z[ip] = 0.0;
307 +            }
308 +        }
309 +
310 +        //// this is NEVER called
311 +        if ( i >= VTK_MAX_ROTATIONS ) {
312 +            std::cout << "vtkMath::Jacobi: Error extracting eigenfunctions" << std::endl;
313 +            return 0;
314 +        }
315 +
316 +        // sort eigenfunctions                 these changes do not affect accuracy
317 +        for (j=0; j<n-1; j++) {                  // boundary incorrect
318 +            k = j;
319 +            tmp = w[k];
320 +            for (i=j+1; i<n; i++) {                // boundary incorrect, shifted already
321 +                if (w[i] >= tmp) {                   // why exchage if same?
322 +                    k = i;
323 +                    tmp = w[k];
324 +                }
325 +            }
326 +            if (k != j) {
327 +                w[k] = w[j];
328 +                w[j] = tmp;
329 +                for (i=0; i<n; i++) {
330 +                    tmp = v(i, j);
331 +                    v(i, j) = v(i, k);
332 +                    v(i, k) = tmp;
333 +                }
334 +            }
335 +        }
336 +        // insure eigenvector consistency (i.e., Jacobi can compute vectors that
337 +        // are negative of one another (.707,.707,0) and (-.707,-.707,0). This can
338 +        // reek havoc in hyperstreamline/other stuff. We will select the most
339 +        // positive eigenvector.
340 +        int ceil_half_n = (n >> 1) + (n & 1);
341 +        for (j=0; j<n; j++) {
342 +            for (numPos=0, i=0; i<n; i++) {
343 +                if ( v(i, j) >= 0.0 ) {
344 +                    numPos++;
345 +                }
346 +            }
347 +            //    if ( numPos < ceil(double(n)/double(2.0)) )
348 +            if ( numPos < ceil_half_n) {
349 +                for (i=0; i<n; i++) {
350 +                    v(i, j) *= -1.0;
351 +                }
352 +            }
353 +        }
354 +
355 +        if (n > 4) {
356 +            delete [] b;
357 +            delete [] z;
358 +        }
359 +        return 1;
360 +    }
361 +
362 +
363   }
364   #endif //MATH_SQUAREMATRIX_HPP
365 +

Diff Legend

Removed lines
+ Added lines
< Changed lines
> Changed lines