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
// <copyright file="UserLU.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;
 
namespace IStation.Numerics.LinearAlgebra.Double.Factorization
{
    /// <summary>
    /// <para>A class which encapsulates the functionality of an LU factorization.</para>
    /// <para>For a matrix A, the LU factorization is a pair of lower triangular matrix L and
    /// upper triangular matrix U so that A = L*U.</para>
    /// </summary>
    /// <remarks>
    /// The computation of the LU factorization is done at construction time.
    /// </remarks>
    internal sealed class UserLU : LU
    {
        /// <summary>
        /// Initializes a new instance of the <see cref="UserLU"/> class. This object will compute the
        /// LU factorization when the constructor is called and cache it's factorization.
        /// </summary>
        /// <param name="matrix">The matrix to factor.</param>
        /// <exception cref="ArgumentNullException">If <paramref name="matrix"/> is <c>null</c>.</exception>
        /// <exception cref="ArgumentException">If <paramref name="matrix"/> is not a square matrix.</exception>
        public static UserLU Create(Matrix<double> matrix)
        {
            if (matrix == null)
            {
                throw new ArgumentNullException(nameof(matrix));
            }
 
            if (matrix.RowCount != matrix.ColumnCount)
            {
                throw new ArgumentException("Matrix must be square.");
            }
 
            // Create an array for the pivot indices.
            var order = matrix.RowCount;
            var factors = matrix.Clone();
            var pivots = new int[order];
 
            // Initialize the pivot matrix to the identity permutation.
            for (var i = 0; i < order; i++)
            {
                pivots[i] = i;
            }
 
            var vectorLUcolj = new double[order];
            for (var j = 0; j < order; j++)
            {
                // Make a copy of the j-th column to localize references.
                for (var i = 0; i < order; i++)
                {
                    vectorLUcolj[i] = factors.At(i, j);
                }
 
                // Apply previous transformations.
                for (var i = 0; i < order; i++)
                {
                    var kmax = Math.Min(i, j);
                    var s = 0.0;
                    for (var k = 0; k < kmax; k++)
                    {
                        s += factors.At(i, k)*vectorLUcolj[k];
                    }
 
                    vectorLUcolj[i] -= s;
                    factors.At(i, j, vectorLUcolj[i]);
                }
 
                // Find pivot and exchange if necessary.
                var p = j;
                for (var i = j + 1; i < order; i++)
                {
                    if (Math.Abs(vectorLUcolj[i]) > Math.Abs(vectorLUcolj[p]))
                    {
                        p = i;
                    }
                }
 
                if (p != j)
                {
                    for (var k = 0; k < order; k++)
                    {
                        var temp = factors.At(p, k);
                        factors.At(p, k, factors.At(j, k));
                        factors.At(j, k, temp);
                    }
 
                    pivots[j] = p;
                }
 
                // Compute multipliers.
                if (j < order & factors.At(j, j) != 0.0)
                {
                    for (var i = j + 1; i < order; i++)
                    {
                        factors.At(i, j, (factors.At(i, j)/factors.At(j, j)));
                    }
                }
            }
 
            return new UserLU(factors, pivots);
        }
 
        UserLU(Matrix<double> factors, int[] pivots)
            : base(factors, pivots)
        {
        }
 
        /// <summary>
        /// Solves a system of linear equations, <c>AX = B</c>, with A LU factorized.
        /// </summary>
        /// <param name="input">The right hand side <see cref="Matrix{T}"/>, <c>B</c>.</param>
        /// <param name="result">The left hand side <see cref="Matrix{T}"/>, <c>X</c>.</param>
        public override void Solve(Matrix<double> input, Matrix<double> result)
        {
            // Check for proper arguments.
            if (input == null)
            {
                throw new ArgumentNullException(nameof(input));
            }
 
            if (result == null)
            {
                throw new ArgumentNullException(nameof(result));
            }
 
            // Check for proper dimensions.
            if (result.RowCount != input.RowCount)
            {
                throw new ArgumentException("Matrix row dimensions must agree.");
            }
 
            if (result.ColumnCount != input.ColumnCount)
            {
                throw new ArgumentException("Matrix column dimensions must agree.");
            }
 
            if (input.RowCount != Factors.RowCount)
            {
                throw Matrix.DimensionsDontMatch<ArgumentException>(input, Factors);
            }
 
            // Copy the contents of input to result.
            input.CopyTo(result);
            for (var i = 0; i < Pivots.Length; i++)
            {
                if (Pivots[i] == i)
                {
                    continue;
                }
 
                var p = Pivots[i];
                for (var j = 0; j < result.ColumnCount; j++)
                {
                    var temp = result.At(p, j);
                    result.At(p, j, result.At(i, j));
                    result.At(i, j, temp);
                }
            }
 
            var order = Factors.RowCount;
 
            // Solve L*Y = P*B
            for (var k = 0; k < order; k++)
            {
                for (var i = k + 1; i < order; i++)
                {
                    for (var j = 0; j < result.ColumnCount; j++)
                    {
                        var temp = result.At(k, j)*Factors.At(i, k);
                        result.At(i, j, result.At(i, j) - temp);
                    }
                }
            }
 
            // Solve U*X = Y;
            for (var k = order - 1; k >= 0; k--)
            {
                for (var j = 0; j < result.ColumnCount; j++)
                {
                    result.At(k, j, (result.At(k, j)/Factors.At(k, k)));
                }
 
                for (var i = 0; i < k; i++)
                {
                    for (var j = 0; j < result.ColumnCount; j++)
                    {
                        var temp = result.At(k, j)*Factors.At(i, k);
                        result.At(i, j, result.At(i, j) - temp);
                    }
                }
            }
        }
 
        /// <summary>
        /// Solves a system of linear equations, <c>Ax = b</c>, with A LU factorized.
        /// </summary>
        /// <param name="input">The right hand side vector, <c>b</c>.</param>
        /// <param name="result">The left hand side <see cref="Matrix{T}"/>, <c>x</c>.</param>
        public override void Solve(Vector<double> input, Vector<double> result)
        {
            // Check for proper arguments.
            if (input == null)
            {
                throw new ArgumentNullException(nameof(input));
            }
 
            if (result == null)
            {
                throw new ArgumentNullException(nameof(result));
            }
 
            // Check for proper dimensions.
            if (input.Count != result.Count)
            {
                throw new ArgumentException("All vectors must have the same dimensionality.");
            }
 
            if (input.Count != Factors.RowCount)
            {
                throw Matrix.DimensionsDontMatch<ArgumentException>(input, Factors);
            }
 
            // Copy the contents of input to result.
            input.CopyTo(result);
            for (var i = 0; i < Pivots.Length; i++)
            {
                if (Pivots[i] == i)
                {
                    continue;
                }
 
                var p = Pivots[i];
                var temp = result[p];
                result[p] = result[i];
                result[i] = temp;
            }
 
            var order = Factors.RowCount;
 
            // Solve L*Y = P*B
            for (var k = 0; k < order; k++)
            {
                for (var i = k + 1; i < order; i++)
                {
                    result[i] -= result[k]*Factors.At(i, k);
                }
            }
 
            // Solve U*X = Y;
            for (var k = order - 1; k >= 0; k--)
            {
                result[k] /= Factors.At(k, k);
                for (var i = 0; i < k; i++)
                {
                    result[i] -= result[k]*Factors.At(i, k);
                }
            }
        }
 
        /// <summary>
        /// Returns the inverse of this matrix. The inverse is calculated using LU decomposition.
        /// </summary>
        /// <returns>The inverse of this matrix.</returns>
        public override Matrix<double> Inverse()
        {
            var order = Factors.RowCount;
            var inverse = Matrix<double>.Build.SameAs(Factors, order, order);
            for (var i = 0; i < order; i++)
            {
                inverse.At(i, i, 1.0);
            }
 
            return Solve(inverse);
        }
    }
}