| 1 | //$$evalue.cpp                           eigen-value decomposition | 
|---|
| 2 |  | 
|---|
| 3 | // Copyright (C) 1991,2,3,4: R B Davies | 
|---|
| 4 |  | 
|---|
| 5 | #define WANT_MATH | 
|---|
| 6 |  | 
|---|
| 7 | #include "include.h" | 
|---|
| 8 | #include "newmatap.h" | 
|---|
| 9 | #include "newmatrm.h" | 
|---|
| 10 | #include "precisio.h" | 
|---|
| 11 |  | 
|---|
| 12 | #ifdef use_namespace | 
|---|
| 13 | namespace NEWMAT { | 
|---|
| 14 | #endif | 
|---|
| 15 |  | 
|---|
| 16 | #ifdef DO_REPORT | 
|---|
| 17 | #define REPORT { static ExeCounter ExeCount(__LINE__,17); ++ExeCount; } | 
|---|
| 18 | #else | 
|---|
| 19 | #define REPORT {} | 
|---|
| 20 | #endif | 
|---|
| 21 |  | 
|---|
| 22 |  | 
|---|
| 23 |  | 
|---|
| 24 | static void tred2(const SymmetricMatrix& A, DiagonalMatrix& D, | 
|---|
| 25 |    DiagonalMatrix& E, Matrix& Z) | 
|---|
| 26 | { | 
|---|
| 27 |    Tracer et("Evalue(tred2)"); | 
|---|
| 28 |    REPORT | 
|---|
| 29 |    Real tol = | 
|---|
| 30 |       FloatingPointPrecision::Minimum()/FloatingPointPrecision::Epsilon(); | 
|---|
| 31 |    int n = A.Nrows(); Z.ReSize(n,n); Z.Inject(A); | 
|---|
| 32 |    D.ReSize(n); E.ReSize(n); | 
|---|
| 33 |    Real* z = Z.Store(); int i; | 
|---|
| 34 |  | 
|---|
| 35 |    for (i=n-1; i > 0; i--)                   // i=0 is excluded | 
|---|
| 36 |    { | 
|---|
| 37 |       Real f = Z.element(i,i-1); Real g = 0.0; | 
|---|
| 38 |       int k = i-1; Real* zik = z + i*n; | 
|---|
| 39 |       while (k--) g += square(*zik++); | 
|---|
| 40 |       Real h = g + square(f); | 
|---|
| 41 |       if (g <= tol) { REPORT E.element(i) = f; h = 0.0; } | 
|---|
| 42 |       else | 
|---|
| 43 |       { | 
|---|
| 44 |          REPORT | 
|---|
| 45 |          g = sign(-sqrt(h), f); E.element(i) = g; h -= f*g; | 
|---|
| 46 |          Z.element(i,i-1) = f-g; f = 0.0; | 
|---|
| 47 |          Real* zji = z + i; Real* zij = z + i*n; Real* ej = E.Store(); | 
|---|
| 48 |          int j; | 
|---|
| 49 |          for (j=0; j<i; j++) | 
|---|
| 50 |          { | 
|---|
| 51 |             *zji = (*zij++)/h; g = 0.0; | 
|---|
| 52 |             Real* zjk = z + j*n; zik = z + i*n; | 
|---|
| 53 |             k = j; while (k--) g += *zjk++ * (*zik++); | 
|---|
| 54 |             k = i-j; | 
|---|
| 55 |             if (k) for(;;) | 
|---|
| 56 |                { g += *zjk * (*zik++); if (!(--k)) break; zjk += n; } | 
|---|
| 57 |             *ej++ = g/h; f += g * (*zji); zji += n; | 
|---|
| 58 |          } | 
|---|
| 59 |          Real hh = f / (h + h); zij = z + i*n; ej = E.Store(); | 
|---|
| 60 |          for (j=0; j<i; j++) | 
|---|
| 61 |          { | 
|---|
| 62 |             f = *zij++; g = *ej - hh * f; *ej++ = g; | 
|---|
| 63 |             Real* zjk = z + j*n; Real* zik = z + i*n; | 
|---|
| 64 |             Real* ek = E.Store(); k = j+1; | 
|---|
| 65 |             while (k--)  *zjk++ -= ( f*(*ek++) + g*(*zik++) );  | 
|---|
| 66 |          } | 
|---|
| 67 |       } | 
|---|
| 68 |       D.element(i) = h; | 
|---|
| 69 |    } | 
|---|
| 70 |  | 
|---|
| 71 |    D.element(0) = 0.0; E.element(0) = 0.0; | 
|---|
| 72 |    for (i=0; i<n; i++) | 
|---|
| 73 |    { | 
|---|
| 74 |       if (D.element(i) != 0.0) | 
|---|
| 75 |       { | 
|---|
| 76 |          REPORT | 
|---|
| 77 |          for (int j=0; j<i; j++) | 
|---|
| 78 |          { | 
|---|
| 79 |             Real g = 0.0; | 
|---|
| 80 |             Real* zik = z + i*n; Real* zkj = z + j; | 
|---|
| 81 |             int k = i; | 
|---|
| 82 |             if (k) for (;;) | 
|---|
| 83 |                { g += *zik++ * (*zkj); if (!(--k)) break; zkj += n; } | 
|---|
| 84 |             Real* zki = z + i; zkj = z + j; | 
|---|
| 85 |             k = i; | 
|---|
| 86 |             if (k) for (;;) | 
|---|
| 87 |                { *zkj -= g * (*zki); if (!(--k)) break; zkj += n; zki += n; } | 
|---|
| 88 |          } | 
|---|
| 89 |       } | 
|---|
| 90 |       Real* zij = z + i*n; Real* zji = z + i; | 
|---|
| 91 |       int j = i; | 
|---|
| 92 |       if (j) for (;;) | 
|---|
| 93 |          { *zij++ = 0.0; *zji = 0.0; if (!(--j)) break; zji += n; } | 
|---|
| 94 |       D.element(i) = *zij; *zij = 1.0; | 
|---|
| 95 |    } | 
|---|
| 96 | } | 
|---|
| 97 |  | 
|---|
| 98 | static void tql2(DiagonalMatrix& D, DiagonalMatrix& E, Matrix& Z) | 
|---|
| 99 | { | 
|---|
| 100 |    Tracer et("Evalue(tql2)"); | 
|---|
| 101 |    REPORT | 
|---|
| 102 |    Real eps = FloatingPointPrecision::Epsilon(); | 
|---|
| 103 |    int n = D.Nrows(); Real* z = Z.Store(); int l; | 
|---|
| 104 |    for (l=1; l<n; l++) E.element(l-1) = E.element(l); | 
|---|
| 105 |    Real b = 0.0; Real f = 0.0; E.element(n-1) = 0.0; | 
|---|
| 106 |    for (l=0; l<n; l++) | 
|---|
| 107 |    { | 
|---|
| 108 |       int i,j; | 
|---|
| 109 |       Real& dl = D.element(l); Real& el = E.element(l); | 
|---|
| 110 |       Real h = eps * ( fabs(dl) + fabs(el) ); | 
|---|
| 111 |       if (b < h) { REPORT b = h; } | 
|---|
| 112 |       int m; | 
|---|
| 113 |       for (m=l; m<n; m++) if (fabs(E.element(m)) <= b) break; | 
|---|
| 114 |       bool test = false; | 
|---|
| 115 |       for (j=0; j<30; j++) | 
|---|
| 116 |       { | 
|---|
| 117 |          if (m==l) { REPORT test = true; break; } | 
|---|
| 118 |          Real& dl1 = D.element(l+1); | 
|---|
| 119 |          Real g = dl; Real p = (dl1-g) / (2.0*el); Real r = sqrt(p*p + 1.0); | 
|---|
| 120 |          dl = el / (p < 0.0 ? p-r : p+r); Real h = g - dl; f += h; | 
|---|
| 121 |          Real* dlx = &dl1; i = n-l-1; while (i--) *dlx++ -= h; | 
|---|
| 122 |  | 
|---|
| 123 |          p = D.element(m); Real c = 1.0; Real s = 0.0; | 
|---|
| 124 |          for (i=m-1; i>=l; i--) | 
|---|
| 125 |          { | 
|---|
| 126 |             Real ei = E.element(i); Real di = D.element(i); | 
|---|
| 127 |             Real& ei1 = E.element(i+1); | 
|---|
| 128 |             g = c * ei; h = c * p; | 
|---|
| 129 |             if ( fabs(p) >= fabs(ei)) | 
|---|
| 130 |             { | 
|---|
| 131 |                REPORT | 
|---|
| 132 |                c = ei / p; r = sqrt(c*c + 1.0); | 
|---|
| 133 |                ei1 = s*p*r; s = c/r; c = 1.0/r; | 
|---|
| 134 |             } | 
|---|
| 135 |             else | 
|---|
| 136 |             { | 
|---|
| 137 |                REPORT | 
|---|
| 138 |                c = p / ei; r = sqrt(c*c + 1.0); | 
|---|
| 139 |                ei1 = s * ei * r; s = 1.0/r; c /= r; | 
|---|
| 140 |             } | 
|---|
| 141 |             p = c * di - s*g; D.element(i+1) = h + s * (c*g + s*di); | 
|---|
| 142 |  | 
|---|
| 143 |             Real* zki = z + i; Real* zki1 = zki + 1; int k = n; | 
|---|
| 144 |             if (k) for (;;) | 
|---|
| 145 |             { | 
|---|
| 146 |                REPORT | 
|---|
| 147 |                h = *zki1; *zki1 = s*(*zki) + c*h; *zki = c*(*zki) - s*h; | 
|---|
| 148 |                if (!(--k)) break; | 
|---|
| 149 |                zki += n; zki1 += n; | 
|---|
| 150 |             } | 
|---|
| 151 |          } | 
|---|
| 152 |          el = s*p; dl = c*p; | 
|---|
| 153 |          if (fabs(el) <= b) { REPORT; test = true; break; } | 
|---|
| 154 |       } | 
|---|
| 155 |       if (!test) Throw ( ConvergenceException(D) ); | 
|---|
| 156 |       dl += f; | 
|---|
| 157 |    } | 
|---|
| 158 | /* | 
|---|
| 159 |    for (int i=0; i<n; i++) | 
|---|
| 160 |    { | 
|---|
| 161 |       int k = i; Real p = D.element(i); | 
|---|
| 162 |       for (int j=i+1; j<n; j++) | 
|---|
| 163 |          { if (D.element(j) < p) { k = j; p = D.element(j); } } | 
|---|
| 164 |       if (k != i) | 
|---|
| 165 |       { | 
|---|
| 166 |          D.element(k) = D.element(i); D.element(i) = p; int j = n; | 
|---|
| 167 |          Real* zji = z + i; Real* zjk = z + k; | 
|---|
| 168 |          if (j) for(;;) | 
|---|
| 169 |          { | 
|---|
| 170 |             p = *zji; *zji = *zjk; *zjk = p; | 
|---|
| 171 |             if (!(--j)) break; | 
|---|
| 172 |             zji += n; zjk += n; | 
|---|
| 173 |          } | 
|---|
| 174 |       } | 
|---|
| 175 |    } | 
|---|
| 176 | */ | 
|---|
| 177 | } | 
|---|
| 178 |  | 
|---|
| 179 | static void tred3(const SymmetricMatrix& X, DiagonalMatrix& D, | 
|---|
| 180 |    DiagonalMatrix& E, SymmetricMatrix& A) | 
|---|
| 181 | { | 
|---|
| 182 |    Tracer et("Evalue(tred3)"); | 
|---|
| 183 |    REPORT | 
|---|
| 184 |    Real tol = | 
|---|
| 185 |       FloatingPointPrecision::Minimum()/FloatingPointPrecision::Epsilon(); | 
|---|
| 186 |    int n = X.Nrows(); A = X; D.ReSize(n); E.ReSize(n); | 
|---|
| 187 |    Real* ei = E.Store() + n; | 
|---|
| 188 |    for (int i = n-1; i >= 0; i--) | 
|---|
| 189 |    { | 
|---|
| 190 |       Real h = 0.0; Real f = - FloatingPointPrecision::Maximum(); | 
|---|
| 191 |       Real* d = D.Store(); Real* a = A.Store() + (i*(i+1))/2; int k = i; | 
|---|
| 192 |       while (k--) { f = *a++; *d++ = f; h += square(f); } | 
|---|
| 193 |       if (h <= tol) { REPORT *(--ei) = 0.0; h = 0.0; } | 
|---|
| 194 |       else | 
|---|
| 195 |       { | 
|---|
| 196 |          REPORT | 
|---|
| 197 |          Real g = sign(-sqrt(h), f); *(--ei) = g; h -= f*g; | 
|---|
| 198 |          f -= g; *(d-1) = f; *(a-1) = f; f = 0.0; | 
|---|
| 199 |          Real* dj = D.Store(); Real* ej = E.Store(); int j; | 
|---|
| 200 |          for (j = 0; j < i; j++) | 
|---|
| 201 |          { | 
|---|
| 202 |             Real* dk = D.Store(); Real* ak = A.Store()+(j*(j+1))/2; | 
|---|
| 203 |             Real g = 0.0; k = j; | 
|---|
| 204 |             while (k--)  g += *ak++ * *dk++; | 
|---|
| 205 |             k = i-j; int l = j;  | 
|---|
| 206 |             if (k) for (;;) { g += *ak * *dk++; if (!(--k)) break; ak += ++l; } | 
|---|
| 207 |             g /= h; *ej++ = g; f += g * *dj++; | 
|---|
| 208 |          }   | 
|---|
| 209 |          Real hh = f / (2 * h); Real* ak = A.Store(); | 
|---|
| 210 |          dj = D.Store(); ej = E.Store(); | 
|---|
| 211 |          for (j = 0; j < i; j++) | 
|---|
| 212 |          { | 
|---|
| 213 |             f = *dj++; g = *ej - hh * f; *ej++ = g; | 
|---|
| 214 |             Real* dk = D.Store(); Real* ek = E.Store(); k = j+1; | 
|---|
| 215 |             while (k--) { *ak++ -= (f * *ek++ + g * *dk++); } | 
|---|
| 216 |          } | 
|---|
| 217 |       } | 
|---|
| 218 |       *d = *a; *a = h; | 
|---|
| 219 |    } | 
|---|
| 220 | } | 
|---|
| 221 |  | 
|---|
| 222 | static void tql1(DiagonalMatrix& D, DiagonalMatrix& E) | 
|---|
| 223 | { | 
|---|
| 224 |    Tracer et("Evalue(tql1)"); | 
|---|
| 225 |    REPORT | 
|---|
| 226 |    Real eps = FloatingPointPrecision::Epsilon(); | 
|---|
| 227 |    int n = D.Nrows(); int l; | 
|---|
| 228 |    for (l=1; l<n; l++) E.element(l-1) = E.element(l); | 
|---|
| 229 |    Real b = 0.0; Real f = 0.0; E.element(n-1) = 0.0; | 
|---|
| 230 |    for (l=0; l<n; l++) | 
|---|
| 231 |    { | 
|---|
| 232 |       int i,j; | 
|---|
| 233 |       Real& dl = D.element(l); Real& el = E.element(l); | 
|---|
| 234 |       Real h = eps * ( fabs(dl) + fabs(el) ); | 
|---|
| 235 |       if (b < h) b = h; | 
|---|
| 236 |       int m; | 
|---|
| 237 |       for (m=l; m<n; m++) if (fabs(E.element(m)) <= b) break; | 
|---|
| 238 |       bool test = false; | 
|---|
| 239 |       for (j=0; j<30; j++) | 
|---|
| 240 |       { | 
|---|
| 241 |          if (m==l) { REPORT test = true; break; } | 
|---|
| 242 |          Real& dl1 = D.element(l+1); | 
|---|
| 243 |          Real g = dl; Real p = (dl1-g) / (2.0*el); Real r = sqrt(p*p + 1.0); | 
|---|
| 244 |          dl = el / (p < 0.0 ? p-r : p+r); Real h = g - dl; f += h; | 
|---|
| 245 |          Real* dlx = &dl1; i = n-l-1; while (i--) *dlx++ -= h; | 
|---|
| 246 |  | 
|---|
| 247 |          p = D.element(m); Real c = 1.0; Real s = 0.0; | 
|---|
| 248 |          for (i=m-1; i>=l; i--) | 
|---|
| 249 |          { | 
|---|
| 250 |             Real ei = E.element(i); Real di = D.element(i); | 
|---|
| 251 |             Real& ei1 = E.element(i+1); | 
|---|
| 252 |             g = c * ei; h = c * p; | 
|---|
| 253 |             if ( fabs(p) >= fabs(ei)) | 
|---|
| 254 |             { | 
|---|
| 255 |                REPORT | 
|---|
| 256 |                c = ei / p; r = sqrt(c*c + 1.0); | 
|---|
| 257 |                ei1 = s*p*r; s = c/r; c = 1.0/r; | 
|---|
| 258 |             } | 
|---|
| 259 |             else | 
|---|
| 260 |             { | 
|---|
| 261 |                REPORT | 
|---|
| 262 |                c = p / ei; r = sqrt(c*c + 1.0); | 
|---|
| 263 |                ei1 = s * ei * r; s = 1.0/r; c /= r; | 
|---|
| 264 |             } | 
|---|
| 265 |             p = c * di - s*g; D.element(i+1) = h + s * (c*g + s*di); | 
|---|
| 266 |          } | 
|---|
| 267 |          el = s*p; dl = c*p; | 
|---|
| 268 |          if (fabs(el) <= b) { REPORT test = true; break; } | 
|---|
| 269 |       } | 
|---|
| 270 |       if (!test) Throw ( ConvergenceException(D) ); | 
|---|
| 271 |       Real p = dl + f; | 
|---|
| 272 |       test = false; | 
|---|
| 273 |       for (i=l; i>0; i--) | 
|---|
| 274 |       { | 
|---|
| 275 |          if (p < D.element(i-1)) { REPORT D.element(i) = D.element(i-1); } | 
|---|
| 276 |          else { REPORT test = true; break; } | 
|---|
| 277 |       } | 
|---|
| 278 |       if (!test) i=0; | 
|---|
| 279 |       D.element(i) = p; | 
|---|
| 280 |    } | 
|---|
| 281 | } | 
|---|
| 282 |  | 
|---|
| 283 | void EigenValues(const SymmetricMatrix& A, DiagonalMatrix& D, Matrix& Z) | 
|---|
| 284 | { REPORT DiagonalMatrix E; tred2(A, D, E, Z); tql2(D, E, Z); SortSV(D,Z,true); } | 
|---|
| 285 |  | 
|---|
| 286 | void EigenValues(const SymmetricMatrix& X, DiagonalMatrix& D) | 
|---|
| 287 | { REPORT DiagonalMatrix E; SymmetricMatrix A; tred3(X,D,E,A); tql1(D,E); } | 
|---|
| 288 |  | 
|---|
| 289 | void EigenValues(const SymmetricMatrix& X, DiagonalMatrix& D, | 
|---|
| 290 |    SymmetricMatrix& A) | 
|---|
| 291 | { REPORT DiagonalMatrix E; tred3(X,D,E,A); tql1(D,E); } | 
|---|
| 292 |  | 
|---|
| 293 |  | 
|---|
| 294 | #ifdef use_namespace | 
|---|
| 295 | } | 
|---|
| 296 | #endif | 
|---|
| 297 |  | 
|---|