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 1576 by tim, Fri Oct 15 18:18:12 2004 UTC vs.
Revision 1630 by tim, Thu Oct 21 21:31:39 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 <        /** Retunrs  the inversion of this matrix. */
81 <         SquareMatrix<Real, Dim>  inverse() {
83 <             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 <        /** Returns the determinant of this matrix. */
91 <        double determinant() const {
90 <            double det;
91 <            return det;
92 <        }
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 {
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 <        }
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();
121 <        }
126 >                tmp = *this * transpose();
127  
128 <        /** Tests if this matrix is diagonal. */
129 <        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 <        }
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 <        void diagonalize() {
154 <            jacobi(m, eigenValues, ortMat);
155 <        }
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();
153 >            /** @todo need implementation */
154 >            void diagonalize() {
155 >                //jacobi(m, eigenValues, ortMat);
156              }
163            
164            SquareMatrix<Real, Dim> m(*this);
165            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)
184 < #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,
188 <                              SquareMatrix<Real, Dim>& v) {
189 <    const int N = Dim;                                                                      
190 <    int i, j, k, iq, ip;
191 <    double tresh, theta, tau, t, sm, s, h, g, c;
192 <    double tmp;
193 <    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 <    {
198 <        for (iq=0; iq<N; iq++) v(ip, iq) = 0.0;
199 <        v(ip, ip) = 1.0;
200 <    }
201 <    for (ip=0; ip<N; ip++)
202 <    {
203 <        b(ip) = w(ip) = a(ip, ip);
204 <        z(ip) = 0.0;
205 <    }
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 <    {
210 <        sm = 0.0;
211 <        for (ip=0; ip<2; ip++)
212 <        {
213 <            for (iq=ip+1; iq<N; iq++) sm += fabs(a(ip, iq));
214 <        }
215 <        if (sm == 0.0) 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) tresh = 0.2*sm/(9);
218 <        else tresh = 0.0;
188 > =========================================================================*/
189  
190 <        for (ip=0; ip<2; ip++)
191 <        {
222 <            for (iq=ip+1; iq<N; iq++)
223 <            {
224 <                g = 100.0*fabs(a(ip, iq));
225 <                if (i > 4 && (fabs(w(ip))+g) == fabs(w(ip))
226 <                    && (fabs(w(iq))+g) == fabs(w(iq)))
227 <                {
228 <                    a(ip, iq) = 0.0;
229 <                }
230 <                else if (fabs(a(ip, iq)) > tresh)
231 <                {
232 <                    h = w(iq) - w(ip);
233 <                    if ( (fabs(h)+g) == fabs(h)) t = (a(ip, iq)) / h;
234 <                    else
235 <                    {
236 <                        theta = 0.5*h / (a(ip, iq));
237 <                        t = 1.0 / (fabs(theta)+sqrt(1.0+theta*theta));
238 <                        if (theta < 0.0) t = -t;
239 <                    }
240 <                    c = 1.0 / sqrt(1+t*t);
241 <                    s = t*c;
242 <                    tau = s/(1.0+c);
243 <                    h = t*a(ip, iq);
244 <                    z(ip) -= h;
245 <                    z(iq) += h;
246 <                    w(ip) -= h;
247 <                    w(iq) += h;
248 <                    a(ip, iq)=0.0;
249 <                    for (j=0;j<ip-1;j++)
250 <                    {
251 <                        ROT(a,j,ip,j,iq);
252 <                    }
253 <                    for (j=ip+1;j<iq-1;j++)
254 <                    {
255 <                        ROT(a,ip,j,j,iq);
256 <                    }
257 <                    for (j=iq+1; j<N; j++)
258 <                    {
259 <                        ROT(a,ip,j,iq,j);
260 <                    }
261 <                    for (j=0; j<N; j++)
262 <                    {
263 <                        ROT(v,j,ip,j,iq);
264 <                    }
265 <                }
266 <            }
267 <        }
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 <        for (ip=0; ip<N; ip++)
270 <        {
271 <            b(ip) += z(ip);
272 <            w(ip) = b(ip);
273 <            z(ip) = 0.0;
274 <        }
275 <    }
193 > #define VTK_MAX_ROTATIONS 20
194  
195 <    if ( i >= MAX_ROTATIONS )
196 <        return false;
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 <    // sort eigenfunctions
211 <    for (j=0; j<N; j++)
212 <    {
213 <        k = j;
214 <        tmp = w(k);
215 <        for (i=j; i<N; i++)
286 <        {
287 <            if (w(i) >= tmp)
288 <            {
289 <                k = i;
290 <                tmp = w(k);
291 <            }
292 <        }
293 <        if (k != j)
294 <        {
295 <            w(k) = w(j);
296 <            w(j) = tmp;
297 <            for (i=0; i<N; i++)
298 <            {
299 <                tmp = v(i, j);
300 <                v(i, j) = v(i, k);
301 <                v(i, k) = tmp;
302 <            }
303 <        }
304 <    }
210 >      // only allocate memory if the matrix is large
211 >      if (n > 4)
212 >        {
213 >        b = new Real[n];
214 >        z = new Real[n];
215 >        }
216  
217 <    //    insure eigenvector consistency (i.e., Jacobi can compute
218 <    //    vectors that are negative of one another (.707,.707,0) and
219 <    //    (-.707,-.707,0). This can reek havoc in
220 <    //    hyperstreamline/other stuff. We will select the most
221 <    //    positive eigenvector.
222 <    int numPos;
223 <    for (j=0; j<N; j++)
224 <    {
225 <        for (numPos=0, i=0; i<N; i++) if ( v(i, j) >= 0.0 ) numPos++;
226 <        if ( numPos < 2 ) for(i=0; i<N; i++) v(i, j) *= -1.0;
227 <    }
217 >      // initialize
218 >      for (ip=0; ip<n; ip++)
219 >        {
220 >        for (iq=0; iq<n; iq++)
221 >          {
222 >          v(ip, iq) = 0.0;
223 >          }
224 >        v(ip, ip) = 1.0;
225 >        }
226 >      for (ip=0; ip<n; ip++)
227 >        {
228 >        b[ip] = w[ip] = a(ip, ip);
229 >        z[ip] = 0.0;
230 >        }
231  
232 <    return true;
233 < }
232 >      // begin rotation sequence
233 >      for (i=0; i<VTK_MAX_ROTATIONS; i++)
234 >        {
235 >        sm = 0.0;
236 >        for (ip=0; ip<n-1; ip++)
237 >          {
238 >          for (iq=ip+1; iq<n; iq++)
239 >            {
240 >            sm += fabs(a(ip, iq));
241 >            }
242 >          }
243 >        if (sm == 0.0)
244 >          {
245 >          break;
246 >          }
247  
248 < #undef ROT
249 < #undef MAX_ROTATIONS
248 >        if (i < 3)                                // first 3 sweeps
249 >          {
250 >          tresh = 0.2*sm/(n*n);
251 >          }
252 >        else
253 >          {
254 >          tresh = 0.0;
255 >          }
256  
257 < }
257 >        for (ip=0; ip<n-1; ip++)
258 >          {
259 >          for (iq=ip+1; iq<n; iq++)
260 >            {
261 >            g = 100.0*fabs(a(ip, iq));
262  
263 +            // after 4 sweeps
264 +            if (i > 3 && (fabs(w[ip])+g) == fabs(w[ip])
265 +            && (fabs(w[iq])+g) == fabs(w[iq]))
266 +              {
267 +              a(ip, iq) = 0.0;
268 +              }
269 +            else if (fabs(a(ip, iq)) > tresh)
270 +              {
271 +              h = w[iq] - w[ip];
272 +              if ( (fabs(h)+g) == fabs(h))
273 +                {
274 +                t = (a(ip, iq)) / h;
275 +                }
276 +              else
277 +                {
278 +                theta = 0.5*h / (a(ip, iq));
279 +                t = 1.0 / (fabs(theta)+sqrt(1.0+theta*theta));
280 +                if (theta < 0.0)
281 +                  {
282 +                  t = -t;
283 +                  }
284 +                }
285 +              c = 1.0 / sqrt(1+t*t);
286 +              s = t*c;
287 +              tau = s/(1.0+c);
288 +              h = t*a(ip, iq);
289 +              z[ip] -= h;
290 +              z[iq] += h;
291 +              w[ip] -= h;
292 +              w[iq] += h;
293 +              a(ip, iq)=0.0;
294 +
295 +              // ip already shifted left by 1 unit
296 +              for (j = 0;j <= ip-1;j++)
297 +                {
298 +                VTK_ROTATE(a,j,ip,j,iq);
299 +                }
300 +              // ip and iq already shifted left by 1 unit
301 +              for (j = ip+1;j <= iq-1;j++)
302 +                {
303 +                VTK_ROTATE(a,ip,j,j,iq);
304 +                }
305 +              // iq already shifted left by 1 unit
306 +              for (j=iq+1; j<n; j++)
307 +                {
308 +                VTK_ROTATE(a,ip,j,iq,j);
309 +                }
310 +              for (j=0; j<n; j++)
311 +                {
312 +                VTK_ROTATE(v,j,ip,j,iq);
313 +                }
314 +              }
315 +            }
316 +          }
317 +
318 +        for (ip=0; ip<n; ip++)
319 +          {
320 +          b[ip] += z[ip];
321 +          w[ip] = b[ip];
322 +          z[ip] = 0.0;
323 +          }
324 +        }
325 +
326 +      //// this is NEVER called
327 +      if ( i >= VTK_MAX_ROTATIONS )
328 +        {
329 +           std::cout << "vtkMath::Jacobi: Error extracting eigenfunctions" << std::endl;
330 +           return 0;
331 +        }
332 +
333 +      // sort eigenfunctions                 these changes do not affect accuracy
334 +      for (j=0; j<n-1; j++)                  // boundary incorrect
335 +        {
336 +        k = j;
337 +        tmp = w[k];
338 +        for (i=j+1; i<n; i++)                // boundary incorrect, shifted already
339 +          {
340 +          if (w[i] >= tmp)                   // why exchage if same?
341 +            {
342 +            k = i;
343 +            tmp = w[k];
344 +            }
345 +          }
346 +        if (k != j)
347 +          {
348 +          w[k] = w[j];
349 +          w[j] = tmp;
350 +          for (i=0; i<n; i++)
351 +            {
352 +            tmp = v(i, j);
353 +            v(i, j) = v(i, k);
354 +            v(i, k) = tmp;
355 +            }
356 +          }
357 +        }
358 +      // insure eigenvector consistency (i.e., Jacobi can compute vectors that
359 +      // are negative of one another (.707,.707,0) and (-.707,-.707,0). This can
360 +      // reek havoc in hyperstreamline/other stuff. We will select the most
361 +      // positive eigenvector.
362 +      int ceil_half_n = (n >> 1) + (n & 1);
363 +      for (j=0; j<n; j++)
364 +        {
365 +        for (numPos=0, i=0; i<n; i++)
366 +          {
367 +          if ( v(i, j) >= 0.0 )
368 +            {
369 +            numPos++;
370 +            }
371 +          }
372 +    //    if ( numPos < ceil(double(n)/double(2.0)) )
373 +        if ( numPos < ceil_half_n)
374 +          {
375 +          for(i=0; i<n; i++)
376 +            {
377 +            v(i, j) *= -1.0;
378 +            }
379 +          }
380 +        }
381 +
382 +      if (n > 4)
383 +        {
384 +        delete [] b;
385 +        delete [] z;
386 +        }
387 +      return 1;
388 +    }
389 +
390 +
391 + }
392   #endif //MATH_SQUAREMATRIX_HPP
393 +

Diff Legend

Removed lines
+ Added lines
< Changed lines
> Changed lines