Quelle  glimt.c   Sprache: C

/*****************************************************************************
**
**    glimt.c                         NQ                       Werner Nickel
**                                         nickel@mathematik.tu-darmstadt.de
*/


#include "nq.h"
#include "time.h"
#include "glimt.h"

#undef min

/*
**    This module uses the arbitrary precision GNU integer package gmp.
*/
#include <gmp.h>

/*
**    Define the data type for large integers and vectors of large integers.
*/
typedef MP_INT  *large;
typedef large   *lvec;

#define NOTZERO(l) ((l)->_mp_size != 0)
#define ISZERO(l)  ((l)->_mp_size == 0)
#define ISNEG(l)   ((l)->_mp_size < 0)
#define NEGATE(l)  ((l)->_mp_size = -(l)->_mp_size)
#define SIGN(l)    (expo)(sgn((l)->_mp_size))
#define SIZE(l)    ((l)->_mp_size)
#define LIMB(l,i)  (expo)((l)->_mp_d[i])


/*
**    The variable 'Matrix' contains the pointer to the integer matrix.
**    The variable 'Heads' contains the pointer to an array whose i-th
**    component contains the position of the first non-zero entry in
**    i-th row of Matrix[]. The variable changedMatrix indicates whether
**    the integer matrix changed during the reduction of an integer
**    vector.
*/
lvec     *Matrix = (lvec*)0;
long     *Heads;
large    MaximalEntry;

static   long     changedMatrix = 0;

/*
**    The number of rows and columns in the integer matrix are stored in
**    the following two variables.
*/
long     NrRows = 0;
long     NrCols = 0;

/*
**    Take the time spend in this package.
*/
static  long Time = 0;

/*
**    Set a flag if the integer matrix is the identity.
**    This can be used as an early stopping criterion.
*/
int     EarlyStop;

/*
**    Set this flag if each non-zero vector handed to addRow() is to
**    be printed to a file.
*/
int     RawMatOutput;
FILE    *RawMatFile = NULL;


static large ltom(expo n) {
 MP_INT  *l = (MP_INT*)Allocate(sizeof(MP_INT));

 /*
 ** There does not seem to be a function that converts from long long
 ** to a large integer.  So we have to do it a bit more complicated.
*/
 mpz_init_set_si(l, (int)(n >> 32));
 mpz_mul_2exp(l, l, 32 );
 mpz_add_ui(l, l, (unsigned int)n);

 return l;
}

void freeExpVecs(expvec *M) {
 long    i;

 for (i = 0; i < NrRows; i++) free(M[i]);
 free(M);

 NrRows = NrCols = 0;
}

static void freeVector(lvec v) {
 long    i;

 for (i = 1; i <= NrCols; i++) { mpz_clear(v[i]); Free(v[i]); }
 Free(v);
}

static void freeMatrix(void) {

 long    i;

 if (Matrix == (lvec *)0) return;

 mpz_clear(MaximalEntry);
 Free(MaximalEntry);

 for (i = 0; i < NrRows; i++) freeVector(Matrix[i]);
 Free(Matrix);
 Matrix = (lvec*)0;
}

/*
static void printVector(lvec v) {
 long    i;

 for (i = 1; i <= NrCols; i++) {
  printf(" ");
  mpz_out_str(stdout, 10, v[i]);
 }
 printf("\n");
}
*/

static long survivingCols(expvec *M, long *surviving) {
 long nrSurv = 0, h = 1, i;

 for (i = 0; i < NrRows; i++) {
  for (; h < Heads[i]; h++) surviving[nrSurv++] = h;
  if (M[i][h] != (expo)1)    surviving[nrSurv++] = h;
  h++;
 }
 for (; h <= NrCols; h++) surviving[nrSurv++] = h;
 return nrSurv;
}

static void outputMatrix(expvec *M, const char *suffix) {
 long    i, j, nrSurv, *surviving;
 char    outputName[128];
 FILE    *fp;

 if (strlen(InputFile) > 100)
  sprintf(outputName, "NqOut.%s.%d", suffix, Class + 1);
 else
  sprintf(outputName, "%s.%s.%d", InputFile, suffix, Class + 1);
 if ((fp = fopen(outputName, "w")) == NULL) {
  perror(outputName);
  fprintf(stderr,
          "relation matrix for class %d not written\n", Class + 1);
 }

 if (M == (expvec*)0) {
  fprintf(fp, "0\n");
  fclose(fp);
  return;
 }

 surviving = (long *)Allocate(NrCols * sizeof(long));
 nrSurv = survivingCols(M, surviving);

 fprintf(fp, "%ld    # Number of columns\n", nrSurv);
 for (i = 0; i < NrRows; i++) {
  if (M[i][Heads[i]] != (expo)1) {
   for (j = 0; j < nrSurv; j++)
    fprintf(fp, " "EXP_FORMAT, M[i][surviving[j]]);
   fprintf(fp, "\n");
  }
 }

 Free(surviving);
 fclose(fp);
}

void OutputMatrix(const char *suffix) {
 long    i, j;
 char    outputName[128];
 FILE    *fp;

 if (strlen(InputFile) > 100)
  sprintf(outputName, "NqOut.%s.%d", suffix, Class + 1);
 else
  sprintf(outputName, "%s.%s.%d", InputFile, suffix, Class + 1);
 if ((fp = fopen(outputName, "w")) == NULL) {
  perror(outputName);
  fprintf(stderr,
          "relation matrix for class %d not written\n", Class + 1);
 }

 if (Matrix == (lvec*)0) {
  fprintf(fp, "0\n");
  fclose(fp);
  return;
 }

 fprintf(fp, "%ld\n", NrCols);
 for (i = 0; i < NrRows; i++) {
  for (j = 1; j <= NrCols; j++) {
   fputc(' ', fp);
   mpz_out_str(fp, 10, Matrix[i][j]);
  }
  fprintf(fp, "\n");
 }

 fclose(fp);
}

static void printGapMatrix(expvec *M) {
 long    i, j, first, nrSurv, *surviving;

 if (M == (expvec*)0) {
  printf("[\n[");
  for (j = 1; j <= NrCenGens; j++) {
   printf(" 0");
   if (j < NrCenGens) putchar(',');
  }
  printf(" ]\n],\n");
  return;
 }

 surviving = (long *)Allocate(NrCols * sizeof(long));
 nrSurv = survivingCols(M, surviving);

 if (nrSurv == 0) { Free(surviving); return; }

 printf("[\n");
 for (i = 0, first = 1; i < NrRows; i++) {
  if (M[i][Heads[i]] != (expo)1) {
   if (!first) printf(",\n");
   else         first = 0;
   printf("[");
   for (j = 0; j < nrSurv; j++) {
    printf(" "EXP_FORMAT, M[i][surviving[j]]);
    if (j < nrSurv) putchar(',');
   }
   printf("]");
  }
 }
 if (first) {
  printf("[");
  for (j = 0; j < nrSurv - 1; j++) printf(" 0,");
  printf(" 0]\n");
 }
 printf("],");
 putchar('\n');

 Free(surviving);
}

/*
**    Print the contents of Matrix[].
*/
static void printMatrix(void) {

 long    i, j;

 printf(" heads   vectors\n");
 for (i = 0; i < NrRows; i++) {
  printf("    %ld   ", Heads[i]);
  for (j = 1; j <= NrCols; j++) {
   putchar(' ');
   mpz_out_str(stdout, 10, Matrix[i][j]);
  }
  putchar('\n');
 }
}

/*
**    MatrixToExpVec() converts the contents of Matrix[] to a list of
**    exponent vectors which can be used easily by the elimination
**    routines. It also checks that the integers are not bigger than 2^15.
**    If this is the case it prints a warning and aborts.
*/
expvec *MatrixToExpVecs(void) {

 long    i, j, k;
 large   m;

 expo    c;
 expvec  *M;

 if (NrRows == 0) {
  freeMatrix();
  TimeOutOff();
  if (Gap) printGapMatrix((expvec*)0);
  if (AbelianInv) outputMatrix((expvec*)0, "abinv");
  if (RawMatOutput && RawMatFile != NULL) fclose(RawMatFile);
  TimeOutOn();
  return (expvec*)0;
 }

 M = (expvec*)malloc(NrRows * sizeof(expvec));
 if (M == (expvec*)0) { perror("MatrixToExpVecs(), M"); exit(2); }

 /* Convert. */
 for (i = 0; i < NrRows; i++) {
  M[i] = (expvec)calloc(NrCols + 1, sizeof(expo));
  if (M[i] == (expvec)0) {
   perror("MatrixToExpVecs(), M[]");
   exit(2);
  }
  for (j = Heads[i]; j <= NrCols; j++) {
   m = Matrix[i][j];
   if (mpz_sizeinbase(m, 2) > 8 * sizeof(signed int) - 2) {
    printf("Warning, Exponent too large.\n");
    printMatrix();
    exit(4);
   }
   M[i][j] = mpz_get_si(m);
  }
 }
 for (i = 0; i < NrRows; i++) freeVector(Matrix[i]);

 /* Make all entries except the head entries negative. */
 for (i = 0; i < NrRows; i++)
  for (j = i - 1; j >= 0; j--)
   if (abs(M[j][ Heads[i] ]) >= M[i][ Heads[i] ] ||
           M[j][ Heads[i] ] > (expo)0) {
    c = M[j][ Heads[i] ] / M[i][ Heads[i] ];
    if (M[j][ Heads[i] ] > (expo)0 &&
            M[j][ Heads[i] ] % M[i][ Heads[i] ] != (expo)0) c++;
    for (k = Heads[i]; k <= NrCols; k++)
     M[j][k] -= c * M[i][k];
   }

 free(Matrix);
 Matrix = (lvec *)0;

 printf("#    Time spent on the integer matrix: %ld msec.\n", Time);
 printf("#    Maximal entry: ");
 mpz_out_str(stdout, 10, MaximalEntry);
 printf("\n");


 TimeOutOff();
 if (Gap) printGapMatrix(M);
 if (AbelianInv) outputMatrix(M, "abinv");
 TimeOutOn();

 if (RawMatOutput) fclose(RawMatFile);

 return M;
}

/*
**    The following routines perform operations with vectors :
**
**    vNeg()  negates each entry of the vector v starting at v[a].
**    vSub()  subtracts a multiple of the vector w from the vector v.
**            The scalar w is multiplied with is v[a]/w[a], so that
**            the entry v[a] after the subtraction is smaller than
**            w[a].
**    vSubOnce()  subtracts the vector w from the vector v.
*/
static void vNeg(lvec v, long a) {
 while (a <= NrCols) {
  NEGATE(v[a]);
  a++;
 }
}

/*
static void vSubOnce(lvec v, lvec w, long a) {
 while (a <= NrCols) {
  mpz_sub(v[a], w[a], v[a]);
  a++;
 }
}
*/

static void vSub(lvec v, lvec w, long a) {
 mpz_t    q, t;

 if (NOTZERO(v[a])) {
  mpz_init(q);

  mpz_tdiv_q(q, v[a], w[a]);
  if (NOTZERO(q)) {
   mpz_init(t);

   while (a <= NrCols) {
    mpz_mul(t,    q,    w[a]);
    mpz_sub(v[a], v[a], t);

    mpz_abs(t, v[a]);
    if (mpz_cmp(t, MaximalEntry) > 0)
     mpz_set(MaximalEntry, v[a]);

    a++;
   }

   mpz_clear(t);
  }

  mpz_clear(q);
 }
}

static void lastReduce(void) {

 long    i, j;

 /* Reduce all the head columns. */
 for (i = 0; i < NrRows; i++)
  for (j = i - 1; j >= 0; j--)
   vSub(Matrix[j], Matrix[i], Heads[i]);
}

/*
**    vReduce() reduces the vector v against the vectors in Matrix[].
*/
static lvec vReduce(lvec v, long h) {
 long    i;
 lvec    w;

 for (i = 0; i < NrRows && Heads[i] <= h; i++) {
  if (Heads[i] == h) {
   while (NOTZERO(v[h]) && NOTZERO(Matrix[i][h])) {
    vSub(v, Matrix[i], h);
    if (NOTZERO(v[h])) {
     changedMatrix = 1;
     vSub(Matrix[i], v, h);
    }
   }
   if (NOTZERO(v[h])) {  /* v replaces th i-th row. */
    if (ISNEG(v[h])) vNeg(v, h);
    w = Matrix[i];
    Matrix[i] = v;
    v = w;
   }

   while (h <= NrCols && ISZERO(v[h])) h++;
   if (h > NrCols) { freeVector(v); v = (lvec)0; }
  }
 }

 return v;
}

int addRow(expvec ev) {
 long    h, i, t;
 lvec    v;

 IntMatTime -= RunTime();

 /* Initialize Matrix[] and Heads[] on the first call. */
 if (Matrix == (lvec *)0) {
  EarlyStop = 0;
  Time = 0;
  if ((Matrix = (lvec*)malloc(200 * sizeof(lvec))) == (lvec *)0) {
   perror("addRow, Matrix ");
   exit(2);
  }
  if ((Heads = (long*)malloc(200 * sizeof(long))) == (long*)0) {
   perror("addRow, Heads ");
   exit(2);
  }
  NrCols = NrCenGens;
  MaximalEntry = ltom((expo)0);

  if (RawMatOutput) {
   char *file;
   int  c;

   c = Class + 1;
   file = (char *)calloc(12, sizeof(char));
   strcpy(file, "matrix.XXX");
   file[9] = c % 10 + '0';
   c /= 10;
   file[8] = c % 10 + '0';
   c /= 10;
   file[7] = c % 10 + '0';
   if ((RawMatFile = fopen(file, "w")) == NULL) {
    perror(file);
    exit(1);
   }
   fprintf(RawMatFile, "%ld\n", NrCols);
   fflush(RawMatFile);
   free(file);
  }
 }

 changedMatrix = 0;

 /* Check if the first NrPcGens entries in the exponent vector
** are zero. */
 for (i = 1; i <= NrPcGens; i++)
  if (ev[i] != 0) {
   printf("Warning, exponent vector is not a tail");
   printf(" at position %ld.\n", i);
   printEv(ev);
   printf("\n");
   break;
  }

 /* Find the head, i.e. the first non-zero entry, of ev. */
 for (h = 0, i = 1; i <= NrCols; i++)
  if (ev[NrPcGens + i] != 0) { h = i; break; }

 /* If ev is the null vector, free it and return. */
 if (h == 0) {
  Free(ev);
  IntMatTime += RunTime();
  return 0;
 }

 t = RunTime();

 /* Copy the last NrCenGens entries of ev and free it. */
 v = (lvec)malloc((NrCols + 1) * sizeof(large));
 if (v == (lvec)0) { perror("addRow(), v"); exit(2); }
 for (i = 1; i <= NrCols; i++)
  v[i] = ltom(ev[NrPcGens + i]);

 if (RawMatOutput) {
  for (i = 1; i <= NrCols; i++) {
   fprintf(RawMatFile, " "EXP_FORMAT, ev[NrPcGens + i]);
  }

  fprintf(RawMatFile, "\n");
  fflush(RawMatFile);
 }

 Free(ev);

 if ((v = vReduce(v, h)) != (lvec)0) {
  changedMatrix = 1;
  if (NrRows % 200 == 0) {
   Matrix = (lvec*)realloc(Matrix, (NrRows + 200) * sizeof(lvec));
   if (Matrix == (lvec*)0) {
    perror("addRow(), Matrix");
    exit(2);
   }
   Heads = (long*)realloc(Heads, (NrRows + 200) * sizeof(long));
   if (Heads == (long*)0) {
    perror("addRow(), Heads");
    exit(2);
   }
  }
  /* Insert ev such that Heads[] is in increasing order. */
  while (h <= NrCols && ISZERO(v[h])) h++;
  if (ISNEG(v[h])) vNeg(v, h);
  for (i = NrRows; i > 0; i--)
   if (Heads[i - 1] > h) {
    Matrix[i] = Matrix[i - 1];
    Heads[i] = Heads[i - 1];
   } else        break;
  /* Insert. */
  Matrix[ i ] = v;
  Heads[ i ] = h;
  NrRows++;
 }

 if (changedMatrix) lastReduce();


 /* Check if Matrix[] is the identity matrix. */
 if (NrRows == NrCenGens) {
  for (i = 0; i < NrRows; i++)
   /* Check if each leading entry is 1 */
   if (mpz_sizeinbase(Matrix[i][Heads[i]], 2) != 1) break;
  if (i == NrRows) EarlyStop = 1;
 }

 Time += RunTime() - t;
 if (EarlyStop)
  printf("#    Integer matrix is the identity.\n");

 IntMatTime += RunTime();
 return changedMatrix;
}

/*
void printLarge(large l) {
 mpz_out_str(stdout, 10, l);
 printf("\n");
}
*/