ningshuxia
2022-11-22 4efe844d9bcc03435cbbeb1aedbda5bf6ebf5912
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327
328
329
330
331
332
333
334
335
336
337
338
339
340
341
342
343
344
345
346
347
348
349
350
// <copyright file="UserQR.cs" company="Math.NET">
// Math.NET Numerics, part of the Math.NET Project
// http://numerics.mathdotnet.com
// http://github.com/mathnet/mathnet-numerics
//
// Copyright (c) 2009-2013 Math.NET
//
// Permission is hereby granted, free of charge, to any person
// obtaining a copy of this software and associated documentation
// files (the "Software"), to deal in the Software without
// restriction, including without limitation the rights to use,
// copy, modify, merge, publish, distribute, sublicense, and/or sell
// copies of the Software, and to permit persons to whom the
// Software is furnished to do so, subject to the following
// conditions:
//
// The above copyright notice and this permission notice shall be
// included in all copies or substantial portions of the Software.
//
// THE SOFTWARE IS PROVIDED "AS IS", WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND,
// EXPRESS OR IMPLIED, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO THE WARRANTIES
// OF MERCHANTABILITY, FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE AND
// NONINFRINGEMENT. IN NO EVENT SHALL THE AUTHORS OR COPYRIGHT
// HOLDERS BE LIABLE FOR ANY CLAIM, DAMAGES OR OTHER LIABILITY,
// WHETHER IN AN ACTION OF CONTRACT, TORT OR OTHERWISE, ARISING
// FROM, OUT OF OR IN CONNECTION WITH THE SOFTWARE OR THE USE OR
// OTHER DEALINGS IN THE SOFTWARE.
// </copyright>
 
using System;
using System.Linq;
using IStation.Numerics.LinearAlgebra.Factorization;
using IStation.Numerics.Threading;
 
namespace IStation.Numerics.LinearAlgebra.Complex.Factorization
{
    using Complex = System.Numerics.Complex;
 
    /// <summary>
    /// <para>A class which encapsulates the functionality of the QR decomposition.</para>
    /// <para>Any real square matrix A may be decomposed as A = QR where Q is an orthogonal matrix
    /// (its columns are orthogonal unit vectors meaning QTQ = I) and R is an upper triangular matrix
    /// (also called right triangular matrix).</para>
    /// </summary>
    /// <remarks>
    /// The computation of the QR decomposition is done at construction time by Householder transformation.
    /// </remarks>
    internal sealed class UserQR : QR
    {
        /// <summary>
        /// Initializes a new instance of the <see cref="UserQR"/> class. This object will compute the
        /// QR factorization when the constructor is called and cache it's factorization.
        /// </summary>
        /// <param name="matrix">The matrix to factor.</param>
        /// <param name="method">The QR factorization method to use.</param>
        /// <exception cref="ArgumentNullException">If <paramref name="matrix"/> is <c>null</c>.</exception>
        public static UserQR Create(Matrix<Complex> matrix, QRMethod method = QRMethod.Full)
        {
            if (matrix.RowCount < matrix.ColumnCount)
            {
                throw Matrix.DimensionsDontMatch<ArgumentException>(matrix);
            }
 
            Matrix<Complex> q;
            Matrix<Complex> r;
 
            var minmn = Math.Min(matrix.RowCount, matrix.ColumnCount);
            var u = new Complex[minmn][];
 
            if (method == QRMethod.Full)
            {
                r = matrix.Clone();
                q = Matrix<Complex>.Build.SameAs(matrix, matrix.RowCount, matrix.RowCount, fullyMutable: true);
 
                for (var i = 0; i < matrix.RowCount; i++)
                {
                    q.At(i, i, 1.0f);
                }
 
                for (var i = 0; i < minmn; i++)
                {
                    u[i] = GenerateColumn(r, i, i);
                    ComputeQR(u[i], r, i, matrix.RowCount, i + 1, matrix.ColumnCount, Control.MaxDegreeOfParallelism);
                }
 
                for (var i = minmn - 1; i >= 0; i--)
                {
                    ComputeQR(u[i], q, i, matrix.RowCount, i, matrix.RowCount, Control.MaxDegreeOfParallelism);
                }
            }
            else
            {
                q = matrix.Clone();
 
                for (var i = 0; i < minmn; i++)
                {
                    u[i] = GenerateColumn(q, i, i);
                    ComputeQR(u[i], q, i, matrix.RowCount, i + 1, matrix.ColumnCount, Control.MaxDegreeOfParallelism);
                }
 
                r = q.SubMatrix(0, matrix.ColumnCount, 0, matrix.ColumnCount);
                q.Clear();
 
                for (var i = 0; i < matrix.ColumnCount; i++)
                {
                    q.At(i, i, 1.0f);
                }
 
                for (var i = minmn - 1; i >= 0; i--)
                {
                    ComputeQR(u[i], q, i, matrix.RowCount, i, matrix.ColumnCount, Control.MaxDegreeOfParallelism);
                }
            }
 
            return new UserQR(q, r, method);
        }
 
        UserQR(Matrix<Complex> q, Matrix<Complex> rFull, QRMethod method)
            : base(q, rFull, method)
        {
        }
 
        /// <summary>
        /// Generate column from initial matrix to work array
        /// </summary>
        /// <param name="a">Initial matrix</param>
        /// <param name="row">The first row</param>
        /// <param name="column">Column index</param>
        /// <returns>Generated vector</returns>
        static Complex[] GenerateColumn(Matrix<Complex> a, int row, int column)
        {
            var ru = a.RowCount - row;
            var u = new Complex[ru];
 
            for (var i = row; i < a.RowCount; i++)
            {
                u[i - row] = a.At(i, column);
                a.At(i, column, 0.0);
            }
 
            var norm = u.Aggregate(Complex.Zero, (current, t) => current + (t.Magnitude*t.Magnitude));
            norm = norm.SquareRoot();
 
            if (row == a.RowCount - 1 || norm.Magnitude == 0)
            {
                a.At(row, column, -u[0]);
                u[0] = Constants.Sqrt2;
                return u;
            }
 
            if (u[0].Magnitude != 0.0)
            {
                norm = norm.Magnitude*(u[0]/u[0].Magnitude);
            }
 
            a.At(row, column, -norm);
 
            for (var i = 0; i < ru; i++)
            {
                u[i] /= norm;
            }
 
            u[0] += 1.0;
 
            var s = (1.0/u[0]).SquareRoot();
            for (var i = 0; i < ru; i++)
            {
                u[i] = u[i].Conjugate()*s;
            }
 
            return u;
        }
 
        /// <summary>
        /// Perform calculation of Q or R
        /// </summary>
        /// <param name="u">Work array</param>
        /// <param name="a">Q or R matrices</param>
        /// <param name="rowStart">The first row</param>
        /// <param name="rowDim">The last row</param>
        /// <param name="columnStart">The first column</param>
        /// <param name="columnDim">The last column</param>
        /// <param name="availableCores">Number of available CPUs</param>
        static void ComputeQR(Complex[] u, Matrix<Complex> a, int rowStart, int rowDim, int columnStart, int columnDim, int availableCores)
        {
            if (rowDim < rowStart || columnDim < columnStart)
            {
                return;
            }
 
            var tmpColCount = columnDim - columnStart;
 
            if ((availableCores > 1) && (tmpColCount > 200))
            {
                var tmpSplit = columnStart + (tmpColCount/2);
                var tmpCores = availableCores/2;
 
                CommonParallel.Invoke(
                    () => ComputeQR(u, a, rowStart, rowDim, columnStart, tmpSplit, tmpCores),
                    () => ComputeQR(u, a, rowStart, rowDim, tmpSplit, columnDim, tmpCores));
            }
            else
            {
                for (var j = columnStart; j < columnDim; j++)
                {
                    var scale = Complex.Zero;
                    for (var i = rowStart; i < rowDim; i++)
                    {
                        scale += u[i - rowStart]*a.At(i, j);
                    }
 
                    for (var i = rowStart; i < rowDim; i++)
                    {
                        a.At(i, j, a.At(i, j) - (u[i - rowStart].Conjugate()*scale));
                    }
                }
            }
        }
 
        /// <summary>
        /// Solves a system of linear equations, <b>AX = B</b>, with A QR factorized.
        /// </summary>
        /// <param name="input">The right hand side <see cref="Matrix{T}"/>, <b>B</b>.</param>
        /// <param name="result">The left hand side <see cref="Matrix{T}"/>, <b>X</b>.</param>
        public override void Solve(Matrix<Complex> input, Matrix<Complex> result)
        {
            // The solution X should have the same number of columns as B
            if (input.ColumnCount != result.ColumnCount)
            {
                throw new ArgumentException("Matrix column dimensions must agree.");
            }
 
            // The dimension compatibility conditions for X = A\B require the two matrices A and B to have the same number of rows
            if (FullR.RowCount != input.RowCount)
            {
                throw new ArgumentException("Matrix row dimensions must agree.");
            }
 
            // The solution X row dimension is equal to the column dimension of A
            if (FullR.ColumnCount != result.RowCount)
            {
                throw new ArgumentException("Matrix column dimensions must agree.");
            }
 
            var inputCopy = input.Clone();
 
            // Compute Y = transpose(Q)*B
            var column = new Complex[FullR.RowCount];
            for (var j = 0; j < input.ColumnCount; j++)
            {
                for (var k = 0; k < FullR.RowCount; k++)
                {
                    column[k] = inputCopy.At(k, j);
                }
 
                for (var i = 0; i < FullR.RowCount; i++)
                {
                    var s = Complex.Zero;
                    for (var k = 0; k < FullR.RowCount; k++)
                    {
                        s += Q.At(k, i).Conjugate()*column[k];
                    }
 
                    inputCopy.At(i, j, s);
                }
            }
 
            // Solve R*X = Y;
            for (var k = FullR.ColumnCount - 1; k >= 0; k--)
            {
                for (var j = 0; j < input.ColumnCount; j++)
                {
                    inputCopy.At(k, j, inputCopy.At(k, j)/FullR.At(k, k));
                }
 
                for (var i = 0; i < k; i++)
                {
                    for (var j = 0; j < input.ColumnCount; j++)
                    {
                        inputCopy.At(i, j, inputCopy.At(i, j) - (inputCopy.At(k, j)*FullR.At(i, k)));
                    }
                }
            }
 
            for (var i = 0; i < FullR.ColumnCount; i++)
            {
                for (var j = 0; j < inputCopy.ColumnCount; j++)
                {
                    result.At(i, j, inputCopy.At(i, j));
                }
            }
        }
 
        /// <summary>
        /// Solves a system of linear equations, <b>Ax = b</b>, with A QR factorized.
        /// </summary>
        /// <param name="input">The right hand side vector, <b>b</b>.</param>
        /// <param name="result">The left hand side <see cref="Matrix{T}"/>, <b>x</b>.</param>
        public override void Solve(Vector<Complex> input, Vector<Complex> result)
        {
            // Ax=b where A is an m x n matrix
            // Check that b is a column vector with m entries
            if (FullR.RowCount != input.Count)
            {
                throw new ArgumentException("All vectors must have the same dimensionality.");
            }
 
            // Check that x is a column vector with n entries
            if (FullR.ColumnCount != result.Count)
            {
                throw Matrix.DimensionsDontMatch<ArgumentException>(FullR, result);
            }
 
            var inputCopy = input.Clone();
 
            // Compute Y = transpose(Q)*B
            var column = new Complex[FullR.RowCount];
            for (var k = 0; k < FullR.RowCount; k++)
            {
                column[k] = inputCopy[k];
            }
 
            for (var i = 0; i < FullR.RowCount; i++)
            {
                var s = Complex.Zero;
                for (var k = 0; k < FullR.RowCount; k++)
                {
                    s += Q.At(k, i).Conjugate()*column[k];
                }
 
                inputCopy[i] = s;
            }
 
            // Solve R*X = Y;
            for (var k = FullR.ColumnCount - 1; k >= 0; k--)
            {
                inputCopy[k] /= FullR.At(k, k);
                for (var i = 0; i < k; i++)
                {
                    inputCopy[i] -= inputCopy[k]*FullR.At(i, k);
                }
            }
 
            for (var i = 0; i < FullR.ColumnCount; i++)
            {
                result[i] = inputCopy[i];
            }
        }
    }
}