ningshuxia
2022-12-12 4f1314cb69a47c22e52f1efdc4b4be6c1d55143d
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
// <copyright file="UserGramSchmidt.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 the QR decomposition Modified Gram-Schmidt Orthogonalization.</para>
    /// <para>Any real square matrix A may be decomposed as A = QR where Q is an orthogonal mxn matrix and R is an nxn upper triangular matrix.</para>
    /// </summary>
    /// <remarks>
    /// The computation of the QR decomposition is done at construction time by modified Gram-Schmidt Orthogonalization.
    /// </remarks>
    internal sealed class UserGramSchmidt : GramSchmidt
    {
        /// <summary>
        /// Initializes a new instance of the <see cref="UserGramSchmidt"/> class. This object creates an orthogonal matrix
        /// using the modified Gram-Schmidt method.
        /// </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"/> row count is less then column count</exception>
        /// <exception cref="ArgumentException">If <paramref name="matrix"/> is rank deficient</exception>
        public static UserGramSchmidt Create(Matrix<double> matrix)
        {
            if (matrix.RowCount < matrix.ColumnCount)
            {
                throw Matrix.DimensionsDontMatch<ArgumentException>(matrix);
            }
 
            var q = matrix.Clone();
            var r = Matrix<double>.Build.SameAs(matrix, matrix.ColumnCount, matrix.ColumnCount, fullyMutable: true);
 
            for (var k = 0; k < q.ColumnCount; k++)
            {
                var norm = q.Column(k).L2Norm();
                if (norm == 0.0)
                {
                    throw new ArgumentException("Matrix must not be rank deficient.");
                }
 
                r.At(k, k, norm);
                for (var i = 0; i < q.RowCount; i++)
                {
                    q.At(i, k, q.At(i, k) / norm);
                }
 
                for (var j = k + 1; j < q.ColumnCount; j++)
                {
                    var dot = q.Column(k).DotProduct(q.Column(j));
                    r.At(k, j, dot);
                    for (var i = 0; i < q.RowCount; i++)
                    {
                        var value = q.At(i, j) - (q.At(i, k) * dot);
                        q.At(i, j, value);
                    }
                }
            }
 
            return new UserGramSchmidt(q, r);
        }
 
        UserGramSchmidt(Matrix<double> q, Matrix<double> rFull)
            : base(q, rFull)
        {
        }
 
        /// <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<double> input, Matrix<double> 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 (Q.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 (Q.ColumnCount != result.RowCount)
            {
                throw new ArgumentException("Matrix column dimensions must agree.");
            }
 
            var inputCopy = input.Clone();
 
            // Compute Y = transpose(Q)*B
            var column = new double[Q.RowCount];
            for (var j = 0; j < input.ColumnCount; j++)
            {
                for (var k = 0; k < Q.RowCount; k++)
                {
                    column[k] = inputCopy.At(k, j);
                }
 
                for (var i = 0; i < Q.ColumnCount; i++)
                {
                    double s = 0;
                    for (var k = 0; k < Q.RowCount; k++)
                    {
                        s += Q.At(k, i) * column[k];
                    }
 
                    inputCopy.At(i, j, s);
                }
            }
 
            // Solve R*X = Y;
            for (var k = Q.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 < input.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<double> input, Vector<double> result)
        {
            // Ax=b where A is an m x n matrix
            // Check that b is a column vector with m entries
            if (Q.RowCount != input.Count)
            {
                throw new ArgumentException("All vectors must have the same dimensionality.");
            }
 
            // Check that x is a column vector with n entries
            if (Q.ColumnCount != result.Count)
            {
                throw Matrix.DimensionsDontMatch<ArgumentException>(Q, result);
            }
 
            var inputCopy = input.Clone();
 
            // Compute Y = transpose(Q)*B
            var column = new double[Q.RowCount];
            for (var k = 0; k < Q.RowCount; k++)
            {
                column[k] = inputCopy[k];
            }
 
            for (var i = 0; i < Q.ColumnCount; i++)
            {
                double s = 0;
                for (var k = 0; k < Q.RowCount; k++)
                {
                    s += Q.At(k, i) * column[k];
                }
 
                inputCopy[i] = s;
            }
 
            // Solve R*X = Y;
            for (var k = Q.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];
            }
        }
    }
}