Anforderungen  |   Konzepte  |   Entwurf  |   Entwicklung  |   Qualitätssicherung  |   Lebenszyklus  |   Steuerung
 
 
 
 


Quelle  lib.rs   Sprache: unbekannt

 
//! This crate implements various functions that help speed up dynamic
//! programming, most importantly the SMAWK algorithm for finding row
//! or column minima in a totally monotone matrix with *m* rows and
//! *n* columns in time O(*m* + *n*). This is much better than the
//! brute force solution which would take O(*mn*). When *m* and *n*
//! are of the same order, this turns a quadratic function into a
//! linear function.
//!
//! # Examples
//!
//! Computing the column minima of an *m* ✕ *n* Monge matrix can be
//! done efficiently with `smawk::column_minima`:
//!
//! ```
//! use smawk::Matrix;
//!
//! let matrix = vec![
//!     vec![3, 2, 4, 5, 6],
//!     vec![2, 1, 3, 3, 4],
//!     vec![2, 1, 3, 3, 4],
//!     vec![3, 2, 4, 3, 4],
//!     vec![4, 3, 2, 1, 1],
//! ];
//! let minima = vec![1, 1, 4, 4, 4];
//! assert_eq!(smawk::column_minima(&matrix), minima);
//! ```
//!
//! The `minima` vector gives the index of the minimum value per
//! column, so `minima[0] == 1` since the minimum value in the first
//! column is 2 (row 1). Note that the smallest row index is returned.
//!
//! # Definitions
//!
//! Some of the functions in this crate only work on matrices that are
//! *totally monotone*, which we will define below.
//!
//! ## Monotone Matrices
//!
//! We start with a helper definition. Given an *m* ✕ *n* matrix `M`,
//! we say that `M` is *monotone* when the minimum value of row `i` is
//! found to the left of the minimum value in row `i'` where `i < i'`.
//!
//! More formally, if we let `rm(i)` denote the column index of the
//! left-most minimum value in row `i`, then we have
//!
//! ```text
//! rm(0) ≤ rm(1) ≤ ... ≤ rm(m - 1)
//! ```
//!
//! This means that as you go down the rows from top to bottom, the
//! row-minima proceed from left to right.
//!
//! The algorithms in this crate deal with finding such row- and
//! column-minima.
//!
//! ## Totally Monotone Matrices
//!
//! We say that a matrix `M` is *totally monotone* when every
//! sub-matrix is monotone. A sub-matrix is formed by the intersection
//! of any two rows `i < i'` and any two columns `j < j'`.
//!
//! This is often expressed as via this equivalent condition:
//!
//! ```text
//! M[i, j] > M[i, j']  =>  M[i', j] > M[i', j']
//! ```
//!
//! for all `i < i'` and `j < j'`.
//!
//! ## Monge Property for Matrices
//!
//! A matrix `M` is said to fulfill the *Monge property* if
//!
//! ```text
//! M[i, j] + M[i', j'] ≤ M[i, j'] + M[i', j]
//! ```
//!
//! for all `i < i'` and `j < j'`. This says that given any rectangle
//! in the matrix, the sum of the top-left and bottom-right corners is
//! less than or equal to the sum of the bottom-left and upper-right
//! corners.
//!
//! All Monge matrices are totally monotone, so it is enough to
//! establish that the Monge property holds in order to use a matrix
//! with the functions in this crate. If your program is dealing with
//! unknown inputs, it can use [`monge::is_monge`] to verify that a
//! matrix is a Monge matrix.

#![doc(html_root_url = "https://docs.rs/smawk/0.3.2")]
// The s! macro from ndarray uses unsafe internally, so we can only
// forbid unsafe code when building with the default features.
#![cfg_attr(not(feature = "ndarray"), forbid(unsafe_code))]

#[cfg(feature = "ndarray")]
pub mod brute_force;
pub mod monge;
#[cfg(feature = "ndarray")]
pub mod recursive;

/// Minimal matrix trait for two-dimensional arrays.
///
/// This provides the functionality needed to represent a read-only
/// numeric matrix. You can query the size of the matrix and access
/// elements. Modeled after [`ndarray::Array2`] from the [ndarray
/// crate](https://crates.io/crates/ndarray).
///
/// Enable the `ndarray` Cargo feature if you want to use it with
/// `ndarray::Array2`.
pub trait Matrix<T: Copy> {
    /// Return the number of rows.
    fn nrows(&self) -> usize;
    /// Return the number of columns.
    fn ncols(&self) -> usize;
    /// Return a matrix element.
    fn index(&self, row: usize, column: usize) -> T;
}

/// Simple and inefficient matrix representation used for doctest
/// examples and simple unit tests.
///
/// You should prefer implementing it yourself, or you can enable the
/// `ndarray` Cargo feature and use the provided implementation for
/// [`ndarray::Array2`].
impl<T: Copy> Matrix<T> for Vec<Vec<T>> {
    fn nrows(&self) -> usize {
        self.len()
    }
    fn ncols(&self) -> usize {
        self[0].len()
    }
    fn index(&self, row: usize, column: usize) -> T {
        self[row][column]
    }
}

/// Adapting [`ndarray::Array2`] to the `Matrix` trait.
///
/// **Note: this implementation is only available if you enable the
/// `ndarray` Cargo feature.**
#[cfg(feature = "ndarray")]
impl<T: Copy> Matrix<T> for ndarray::Array2<T> {
    #[inline]
    fn nrows(&self) -> usize {
        self.nrows()
    }
    #[inline]
    fn ncols(&self) -> usize {
        self.ncols()
    }
    #[inline]
    fn index(&self, row: usize, column: usize) -> T {
        self[[row, column]]
    }
}

/// Compute row minima in O(*m* + *n*) time.
///
/// This implements the [SMAWK algorithm] for efficiently finding row
/// minima in a totally monotone matrix.
///
/// The SMAWK algorithm is from Agarwal, Klawe, Moran, Shor, and
/// Wilbur, *Geometric applications of a matrix searching algorithm*,
/// Algorithmica 2, pp. 195-208 (1987) and the code here is a
/// translation [David Eppstein's Python code][pads].
///
/// Running time on an *m* ✕ *n* matrix: O(*m* + *n*).
///
/// # Examples
///
/// ```
/// use smawk::Matrix;
/// let matrix = vec![vec![4, 2, 4, 3],
///                   vec![5, 3, 5, 3],
///                   vec![5, 3, 3, 1]];
/// assert_eq!(smawk::row_minima(&matrix),
///            vec![1, 1, 3]);
/// ```
///
/// # Panics
///
/// It is an error to call this on a matrix with zero columns.
///
/// [pads]: https://github.com/jfinkels/PADS/blob/master/pads/smawk.py
/// [SMAWK algorithm]: https://en.wikipedia.org/wiki/SMAWK_algorithm
pub fn row_minima<T: PartialOrd + Copy, M: Matrix<T>>(matrix: &M) -> Vec<usize> {
    // Benchmarking shows that SMAWK performs roughly the same on row-
    // and column-major matrices.
    let mut minima = vec![0; matrix.nrows()];
    smawk_inner(
        &|j, i| matrix.index(i, j),
        &(0..matrix.ncols()).collect::<Vec<_>>(),
        &(0..matrix.nrows()).collect::<Vec<_>>(),
        &mut minima,
    );
    minima
}

#[deprecated(since = "0.3.2", note = "Please use `row_minima` instead.")]
pub fn smawk_row_minima<T: PartialOrd + Copy, M: Matrix<T>>(matrix: &M) -> Vec<usize> {
    row_minima(matrix)
}

/// Compute column minima in O(*m* + *n*) time.
///
/// This implements the [SMAWK algorithm] for efficiently finding
/// column minima in a totally monotone matrix.
///
/// The SMAWK algorithm is from Agarwal, Klawe, Moran, Shor, and
/// Wilbur, *Geometric applications of a matrix searching algorithm*,
/// Algorithmica 2, pp. 195-208 (1987) and the code here is a
/// translation [David Eppstein's Python code][pads].
///
/// Running time on an *m* ✕ *n* matrix: O(*m* + *n*).
///
/// # Examples
///
/// ```
/// use smawk::Matrix;
/// let matrix = vec![vec![4, 2, 4, 3],
///                   vec![5, 3, 5, 3],
///                   vec![5, 3, 3, 1]];
/// assert_eq!(smawk::column_minima(&matrix),
///            vec![0, 0, 2, 2]);
/// ```
///
/// # Panics
///
/// It is an error to call this on a matrix with zero rows.
///
/// [SMAWK algorithm]: https://en.wikipedia.org/wiki/SMAWK_algorithm
/// [pads]: https://github.com/jfinkels/PADS/blob/master/pads/smawk.py
pub fn column_minima<T: PartialOrd + Copy, M: Matrix<T>>(matrix: &M) -> Vec<usize> {
    let mut minima = vec![0; matrix.ncols()];
    smawk_inner(
        &|i, j| matrix.index(i, j),
        &(0..matrix.nrows()).collect::<Vec<_>>(),
        &(0..matrix.ncols()).collect::<Vec<_>>(),
        &mut minima,
    );
    minima
}

#[deprecated(since = "0.3.2", note = "Please use `column_minima` instead.")]
pub fn smawk_column_minima<T: PartialOrd + Copy, M: Matrix<T>>(matrix: &M) -> Vec<usize> {
    column_minima(matrix)
}

/// Compute column minima in the given area of the matrix. The
/// `minima` slice is updated inplace.
fn smawk_inner<T: PartialOrd + Copy, M: Fn(usize, usize) -> T>(
    matrix: &M,
    rows: &[usize],
    cols: &[usize],
    minima: &mut [usize],
) {
    if cols.is_empty() {
        return;
    }

    let mut stack = Vec::with_capacity(cols.len());
    for r in rows {
        // TODO: use stack.last() instead of stack.is_empty() etc
        while !stack.is_empty()
            && matrix(stack[stack.len() - 1], cols[stack.len() - 1])
                > matrix(*r, cols[stack.len() - 1])
        {
            stack.pop();
        }
        if stack.len() != cols.len() {
            stack.push(*r);
        }
    }
    let rows = &stack;

    let mut odd_cols = Vec::with_capacity(1 + cols.len() / 2);
    for (idx, c) in cols.iter().enumerate() {
        if idx % 2 == 1 {
            odd_cols.push(*c);
        }
    }

    smawk_inner(matrix, rows, &odd_cols, minima);

    let mut r = 0;
    for (c, &col) in cols.iter().enumerate().filter(|(c, _)| c % 2 == 0) {
        let mut row = rows[r];
        let last_row = if c == cols.len() - 1 {
            rows[rows.len() - 1]
        } else {
            minima[cols[c + 1]]
        };
        let mut pair = (matrix(row, col), row);
        while row != last_row {
            r += 1;
            row = rows[r];
            if (matrix(row, col), row) < pair {
                pair = (matrix(row, col), row);
            }
        }
        minima[col] = pair.1;
    }
}

/// Compute upper-right column minima in O(*m* + *n*) time.
///
/// The input matrix must be totally monotone.
///
/// The function returns a vector of `(usize, T)`. The `usize` in the
/// tuple at index `j` tells you the row of the minimum value in
/// column `j` and the `T` value is minimum value itself.
///
/// The algorithm only considers values above the main diagonal, which
/// means that it computes values `v(j)` where:
///
/// ```text
/// v(0) = initial
/// v(j) = min { M[i, j] | i < j } for j > 0
/// ```
///
/// If we let `r(j)` denote the row index of the minimum value in
/// column `j`, the tuples in the result vector become `(r(j), M[r(j),
/// j])`.
///
/// The algorithm is an *online* algorithm, in the sense that `matrix`
/// function can refer back to previously computed column minima when
/// determining an entry in the matrix. The guarantee is that we only
/// call `matrix(i, j)` after having computed `v(i)`. This is
/// reflected in the `&[(usize, T)]` argument to `matrix`, which grows
/// as more and more values are computed.
pub fn online_column_minima<T: Copy + PartialOrd, M: Fn(&[(usize, T)], usize, usize) -> T>(
    initial: T,
    size: usize,
    matrix: M,
) -> Vec<(usize, T)> {
    let mut result = vec![(0, initial)];

    // State used by the algorithm.
    let mut finished = 0;
    let mut base = 0;
    let mut tentative = 0;

    // Shorthand for evaluating the matrix. We need a macro here since
    // we don't want to borrow the result vector.
    macro_rules! m {
        ($i:expr, $j:expr) => {{
            assert!($i < $j, "(i, j) not above diagonal: ({}, {})", $i, $j);
            assert!(
                $i < size && $j < size,
                "(i, j) out of bounds: ({}, {}), size: {}",
                $i,
                $j,
                size
            );
            matrix(&result[..finished + 1], $i, $j)
        }};
    }

    // Keep going until we have finished all size columns. Since the
    // columns are zero-indexed, we're done when finished == size - 1.
    while finished < size - 1 {
        // First case: we have already advanced past the previous
        // tentative value. We make a new tentative value by applying
        // smawk_inner to the largest square submatrix that fits under
        // the base.
        let i = finished + 1;
        if i > tentative {
            let rows = (base..finished + 1).collect::<Vec<_>>();
            tentative = std::cmp::min(finished + rows.len(), size - 1);
            let cols = (finished + 1..tentative + 1).collect::<Vec<_>>();
            let mut minima = vec![0; tentative + 1];
            smawk_inner(&|i, j| m![i, j], &rows, &cols, &mut minima);
            for col in cols {
                let row = minima[col];
                let v = m![row, col];
                if col >= result.len() {
                    result.push((row, v));
                } else if v < result[col].1 {
                    result[col] = (row, v);
                }
            }
            finished = i;
            continue;
        }

        // Second case: the new column minimum is on the diagonal. All
        // subsequent ones will be at least as low, so we can clear
        // out all our work from higher rows. As in the fourth case,
        // the loss of tentative is amortized against the increase in
        // base.
        let diag = m![i - 1, i];
        if diag < result[i].1 {
            result[i] = (i - 1, diag);
            base = i - 1;
            tentative = i;
            finished = i;
            continue;
        }

        // Third case: row i-1 does not supply a column minimum in any
        // column up to tentative. We simply advance finished while
        // maintaining the invariant.
        if m![i - 1, tentative] >= result[tentative].1 {
            finished = i;
            continue;
        }

        // Fourth and final case: a new column minimum at tentative.
        // This allows us to make progress by incorporating rows prior
        // to finished into the base. The base invariant holds because
        // these rows cannot supply any later column minima. The work
        // done when we last advanced tentative (and undone by this
        // step) can be amortized against the increase in base.
        base = i - 1;
        tentative = i;
        finished = i;
    }

    result
}

#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::*;

    #[test]
    fn smawk_1x1() {
        let matrix = vec![vec![2]];
        assert_eq!(row_minima(&matrix), vec![0]);
        assert_eq!(column_minima(&matrix), vec![0]);
    }

    #[test]
    fn smawk_2x1() {
        let matrix = vec![
            vec![3], //
            vec![2],
        ];
        assert_eq!(row_minima(&matrix), vec![0, 0]);
        assert_eq!(column_minima(&matrix), vec![1]);
    }

    #[test]
    fn smawk_1x2() {
        let matrix = vec![vec![2, 1]];
        assert_eq!(row_minima(&matrix), vec![1]);
        assert_eq!(column_minima(&matrix), vec![0, 0]);
    }

    #[test]
    fn smawk_2x2() {
        let matrix = vec![
            vec![3, 2], //
            vec![2, 1],
        ];
        assert_eq!(row_minima(&matrix), vec![1, 1]);
        assert_eq!(column_minima(&matrix), vec![1, 1]);
    }

    #[test]
    fn smawk_3x3() {
        let matrix = vec![
            vec![3, 4, 4], //
            vec![3, 4, 4],
            vec![2, 3, 3],
        ];
        assert_eq!(row_minima(&matrix), vec![0, 0, 0]);
        assert_eq!(column_minima(&matrix), vec![2, 2, 2]);
    }

    #[test]
    fn smawk_4x4() {
        let matrix = vec![
            vec![4, 5, 5, 5], //
            vec![2, 3, 3, 3],
            vec![2, 3, 3, 3],
            vec![2, 2, 2, 2],
        ];
        assert_eq!(row_minima(&matrix), vec![0, 0, 0, 0]);
        assert_eq!(column_minima(&matrix), vec![1, 3, 3, 3]);
    }

    #[test]
    fn smawk_5x5() {
        let matrix = vec![
            vec![3, 2, 4, 5, 6],
            vec![2, 1, 3, 3, 4],
            vec![2, 1, 3, 3, 4],
            vec![3, 2, 4, 3, 4],
            vec![4, 3, 2, 1, 1],
        ];
        assert_eq!(row_minima(&matrix), vec![1, 1, 1, 1, 3]);
        assert_eq!(column_minima(&matrix), vec![1, 1, 4, 4, 4]);
    }

    #[test]
    fn online_1x1() {
        let matrix = vec![vec![0]];
        let minima = vec![(0, 0)];
        assert_eq!(online_column_minima(0, 1, |_, i, j| matrix[i][j]), minima);
    }

    #[test]
    fn online_2x2() {
        let matrix = vec![
            vec![0, 2], //
            vec![0, 0],
        ];
        let minima = vec![(0, 0), (0, 2)];
        assert_eq!(online_column_minima(0, 2, |_, i, j| matrix[i][j]), minima);
    }

    #[test]
    fn online_3x3() {
        let matrix = vec![
            vec![0, 4, 4], //
            vec![0, 0, 4],
            vec![0, 0, 0],
        ];
        let minima = vec![(0, 0), (0, 4), (0, 4)];
        assert_eq!(online_column_minima(0, 3, |_, i, j| matrix[i][j]), minima);
    }

    #[test]
    fn online_4x4() {
        let matrix = vec![
            vec![0, 5, 5, 5], //
            vec![0, 0, 3, 3],
            vec![0, 0, 0, 3],
            vec![0, 0, 0, 0],
        ];
        let minima = vec![(0, 0), (0, 5), (1, 3), (1, 3)];
        assert_eq!(online_column_minima(0, 4, |_, i, j| matrix[i][j]), minima);
    }

    #[test]
    fn online_5x5() {
        let matrix = vec![
            vec![0, 2, 4, 6, 7],
            vec![0, 0, 3, 4, 5],
            vec![0, 0, 0, 3, 4],
            vec![0, 0, 0, 0, 4],
            vec![0, 0, 0, 0, 0],
        ];
        let minima = vec![(0, 0), (0, 2), (1, 3), (2, 3), (2, 4)];
        assert_eq!(online_column_minima(0, 5, |_, i, j| matrix[i][j]), minima);
    }

    #[test]
    fn smawk_works_with_partial_ord() {
        let matrix = vec![
            vec![3.0, 2.0], //
            vec![2.0, 1.0],
        ];
        assert_eq!(row_minima(&matrix), vec![1, 1]);
        assert_eq!(column_minima(&matrix), vec![1, 1]);
    }

    #[test]
    fn online_works_with_partial_ord() {
        let matrix = vec![
            vec![0.0, 2.0], //
            vec![0.0, 0.0],
        ];
        let minima = vec![(0, 0.0), (0, 2.0)];
        assert_eq!(
            online_column_minima(0.0, 2, |_, i: usize, j: usize| matrix[i][j]),
            minima
        );
    }
}

[ Dauer der Verarbeitung: 0.24 Sekunden  (vorverarbeitet)  ]

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     


Neuigkeiten

     Aktuelles
     Motto des Tages

Software

     Produkte
     Quellcodebibliothek

Aktivitäten

     Artikel über Sicherheit
     Anleitung zur Aktivierung von SSL

Muße

     Gedichte
     Musik
     Bilder

Jenseits des Üblichen ....
    

Besucherstatistik

Besucherstatistik

Monitoring

Montastic status badge