Quellcodebibliothek Statistik Leitseite products/sources/formale Sprachen/C/MySQL/unsupported/Eigen/src/MatrixFunctions/   (MySQL Server Version 8.1-8.4©)  Datei vom 12.11.2025 mit Größe 16 kB image not shown  

Quelle  MatrixExponential.h   Sprache: C

 
// This file is part of Eigen, a lightweight C++ template library
// for linear algebra.
//
// Copyright (C) 2009, 2010, 2013 Jitse Niesen <jitse@maths.leeds.ac.uk>
// Copyright (C) 2011, 2013 Chen-Pang He <jdh8@ms63.hinet.net>
//
// This Source Code Form is subject to the terms of the Mozilla
// Public License v. 2.0. If a copy of the MPL was not distributed
// with this file, You can obtain one at http://mozilla.org/MPL/2.0/.

#ifndef EIGEN_MATRIX_EXPONENTIAL
#define EIGEN_MATRIX_EXPONENTIAL

#include "StemFunction.h"

namespace Eigen {
namespace internal {

/** \brief Scaling operator.
 *
 * This struct is used by CwiseUnaryOp to scale a matrix by \f$ 2^{-s} \f$.
 */

template <typename RealScalar>
struct MatrixExponentialScalingOp
{
  /** \brief Constructor.
   *
   * \param[in] squarings  The integer \f$ s \f$ in this document.
   */

  MatrixExponentialScalingOp(int squarings) : m_squarings(squarings) { }


  /** \brief Scale a matrix coefficient.
   *
   * \param[in,out] x  The scalar to be scaled, becoming \f$ 2^{-s} x \f$.
   */

  inline const RealScalar operator() (const RealScalar& x) const
  {
    using std::ldexp;
    return ldexp(x, -m_squarings);
  }

  typedef std::complex<RealScalar> ComplexScalar;

  /** \brief Scale a matrix coefficient.
   *
   * \param[in,out] x  The scalar to be scaled, becoming \f$ 2^{-s} x \f$.
   */

  inline const ComplexScalar operator() (const ComplexScalar& x) const
  {
    using std::ldexp;
    return ComplexScalar(ldexp(x.real(), -m_squarings), ldexp(x.imag(), -m_squarings));
  }

  private:
    int m_squarings;
};

/** \brief Compute the (3,3)-Padé approximant to the exponential.
 *
 *  After exit, \f$ (V+U)(V-U)^{-1} \f$ is the Padé
 *  approximant of \f$ \exp(A) \f$ around \f$ A = 0 \f$.
 */

template <typename MatA, typename MatU, typename MatV>
void matrix_exp_pade3(const MatA& A, MatU& U, MatV& V)
{
  typedef typename MatA::PlainObject MatrixType;
  typedef typename NumTraits<typename traits<MatA>::Scalar>::Real RealScalar;
  const RealScalar b[] = {120.L, 60.L, 12.L, 1.L};
  const MatrixType A2 = A * A;
  const MatrixType tmp = b[3] * A2 + b[1] * MatrixType::Identity(A.rows(), A.cols());
  U.noalias() = A * tmp;
  V = b[2] * A2 + b[0] * MatrixType::Identity(A.rows(), A.cols());
}

/** \brief Compute the (5,5)-Padé approximant to the exponential.
 *
 *  After exit, \f$ (V+U)(V-U)^{-1} \f$ is the Padé
 *  approximant of \f$ \exp(A) \f$ around \f$ A = 0 \f$.
 */

template <typename MatA, typename MatU, typename MatV>
void matrix_exp_pade5(const MatA& A, MatU& U, MatV& V)
{
  typedef typename MatA::PlainObject MatrixType;
  typedef typename NumTraits<typename traits<MatrixType>::Scalar>::Real RealScalar;
  const RealScalar b[] = {30240.L, 15120.L, 3360.L, 420.L, 30.L, 1.L};
  const MatrixType A2 = A * A;
  const MatrixType A4 = A2 * A2;
  const MatrixType tmp = b[5] * A4 + b[3] * A2 + b[1] * MatrixType::Identity(A.rows(), A.cols());
  U.noalias() = A * tmp;
  V = b[4] * A4 + b[2] * A2 + b[0] * MatrixType::Identity(A.rows(), A.cols());
}

/** \brief Compute the (7,7)-Padé approximant to the exponential.
 *
 *  After exit, \f$ (V+U)(V-U)^{-1} \f$ is the Padé
 *  approximant of \f$ \exp(A) \f$ around \f$ A = 0 \f$.
 */

template <typename MatA, typename MatU, typename MatV>
void matrix_exp_pade7(const MatA& A, MatU& U, MatV& V)
{
  typedef typename MatA::PlainObject MatrixType;
  typedef typename NumTraits<typename traits<MatrixType>::Scalar>::Real RealScalar;
  const RealScalar b[] = {17297280.L, 8648640.L, 1995840.L, 277200.L, 25200.L, 1512.L, 56.L, 1.L};
  const MatrixType A2 = A * A;
  const MatrixType A4 = A2 * A2;
  const MatrixType A6 = A4 * A2;
  const MatrixType tmp = b[7] * A6 + b[5] * A4 + b[3] * A2 
    + b[1] * MatrixType::Identity(A.rows(), A.cols());
  U.noalias() = A * tmp;
  V = b[6] * A6 + b[4] * A4 + b[2] * A2 + b[0] * MatrixType::Identity(A.rows(), A.cols());

}

/** \brief Compute the (9,9)-Padé approximant to the exponential.
 *
 *  After exit, \f$ (V+U)(V-U)^{-1} \f$ is the Padé
 *  approximant of \f$ \exp(A) \f$ around \f$ A = 0 \f$.
 */

template <typename MatA, typename MatU, typename MatV>
void matrix_exp_pade9(const MatA& A, MatU& U, MatV& V)
{
  typedef typename MatA::PlainObject MatrixType;
  typedef typename NumTraits<typename traits<MatrixType>::Scalar>::Real RealScalar;
  const RealScalar b[] = {17643225600.L, 8821612800.L, 2075673600.L, 302702400.L, 30270240.L,
                          2162160.L, 110880.L, 3960.L, 90.L, 1.L};
  const MatrixType A2 = A * A;
  const MatrixType A4 = A2 * A2;
  const MatrixType A6 = A4 * A2;
  const MatrixType A8 = A6 * A2;
  const MatrixType tmp = b[9] * A8 + b[7] * A6 + b[5] * A4 + b[3] * A2 
    + b[1] * MatrixType::Identity(A.rows(), A.cols());
  U.noalias() = A * tmp;
  V = b[8] * A8 + b[6] * A6 + b[4] * A4 + b[2] * A2 + b[0] * MatrixType::Identity(A.rows(), A.cols());
}

/** \brief Compute the (13,13)-Padé approximant to the exponential.
 *
 *  After exit, \f$ (V+U)(V-U)^{-1} \f$ is the Padé
 *  approximant of \f$ \exp(A) \f$ around \f$ A = 0 \f$.
 */

template <typename MatA, typename MatU, typename MatV>
void matrix_exp_pade13(const MatA& A, MatU& U, MatV& V)
{
  typedef typename MatA::PlainObject MatrixType;
  typedef typename NumTraits<typename traits<MatrixType>::Scalar>::Real RealScalar;
  const RealScalar b[] = {64764752532480000.L, 32382376266240000.L, 7771770303897600.L,
                          1187353796428800.L, 129060195264000.L, 10559470521600.L, 670442572800.L,
                          33522128640.L, 1323241920.L, 40840800.L, 960960.L, 16380.L, 182.L, 1.L};
  const MatrixType A2 = A * A;
  const MatrixType A4 = A2 * A2;
  const MatrixType A6 = A4 * A2;
  V = b[13] * A6 + b[11] * A4 + b[9] * A2; // used for temporary storage
  MatrixType tmp = A6 * V;
  tmp += b[7] * A6 + b[5] * A4 + b[3] * A2 + b[1] * MatrixType::Identity(A.rows(), A.cols());
  U.noalias() = A * tmp;
  tmp = b[12] * A6 + b[10] * A4 + b[8] * A2;
  V.noalias() = A6 * tmp;
  V += b[6] * A6 + b[4] * A4 + b[2] * A2 + b[0] * MatrixType::Identity(A.rows(), A.cols());
}

/** \brief Compute the (17,17)-Padé approximant to the exponential.
 *
 *  After exit, \f$ (V+U)(V-U)^{-1} \f$ is the Padé
 *  approximant of \f$ \exp(A) \f$ around \f$ A = 0 \f$.
 *
 *  This function activates only if your long double is double-double or quadruple.
 */

#if LDBL_MANT_DIG > 64
template <typename MatA, typename MatU, typename MatV>
void matrix_exp_pade17(const MatA& A, MatU& U, MatV& V)
{
  typedef typename MatA::PlainObject MatrixType;
  typedef typename NumTraits<typename traits<MatrixType>::Scalar>::Real RealScalar;
  const RealScalar b[] = {830034394580628357120000.L, 415017197290314178560000.L,
                          100610229646136770560000.L, 15720348382208870400000.L,
                          1774878043152614400000.L, 153822763739893248000.L, 10608466464820224000.L,
                          595373117923584000.L, 27563570274240000.L, 1060137318240000.L,
                          33924394183680.L, 899510451840.L, 19554575040.L, 341863200.L, 4651200.L,
                          46512.L, 306.L, 1.L};
  const MatrixType A2 = A * A;
  const MatrixType A4 = A2 * A2;
  const MatrixType A6 = A4 * A2;
  const MatrixType A8 = A4 * A4;
  V = b[17] * A8 + b[15] * A6 + b[13] * A4 + b[11] * A2; // used for temporary storage
  MatrixType tmp = A8 * V;
  tmp += b[9] * A8 + b[7] * A6 + b[5] * A4 + b[3] * A2 
    + b[1] * MatrixType::Identity(A.rows(), A.cols());
  U.noalias() = A * tmp;
  tmp = b[16] * A8 + b[14] * A6 + b[12] * A4 + b[10] * A2;
  V.noalias() = tmp * A8;
  V += b[8] * A8 + b[6] * A6 + b[4] * A4 + b[2] * A2 
    + b[0] * MatrixType::Identity(A.rows(), A.cols());
}
#endif

template <typename MatrixType, typename RealScalar = typename NumTraits<typename traits<MatrixType>::Scalar>::Real>
struct matrix_exp_computeUV
{
  /** \brief Compute Padé approximant to the exponential.
    *
    * Computes \c U, \c V and \c squarings such that \f$ (V+U)(V-U)^{-1} \f$ is a Padé
    * approximant of \f$ \exp(2^{-\mbox{squarings}}M) \f$ around \f$ M = 0 \f$, where \f$ M \f$
    * denotes the matrix \c arg. The degree of the Padé approximant and the value of squarings
    * are chosen such that the approximation error is no more than the round-off error.
    */

  static void run(const MatrixType& arg, MatrixType& U, MatrixType& V, intsquarings);
};

template <typename MatrixType>
struct matrix_exp_computeUV<MatrixType, float>
{
  template <typename ArgType>
  static void run(const ArgType& arg, MatrixType& U, MatrixType& V, int& squarings)
  {
    using std::frexp;
    using std::pow;
    const float l1norm = arg.cwiseAbs().colwise().sum().maxCoeff();
    squarings = 0;
    if (l1norm < 4.258730016922831e-001f) {
      matrix_exp_pade3(arg, U, V);
    } else if (l1norm < 1.880152677804762e+000f) {
      matrix_exp_pade5(arg, U, V);
    } else {
      const float maxnorm = 3.925724783138660f;
      frexp(l1norm / maxnorm, &squarings);
      if (squarings < 0) squarings = 0;
      MatrixType A = arg.unaryExpr(MatrixExponentialScalingOp<float>(squarings));
      matrix_exp_pade7(A, U, V);
    }
  }
};

template <typename MatrixType>
struct matrix_exp_computeUV<MatrixType, double>
{
  typedef typename NumTraits<typename traits<MatrixType>::Scalar>::Real RealScalar;
  template <typename ArgType>
  static void run(const ArgType& arg, MatrixType& U, MatrixType& V, int& squarings)
  {
    using std::frexp;
    using std::pow;
    const RealScalar l1norm = arg.cwiseAbs().colwise().sum().maxCoeff();
    squarings = 0;
    if (l1norm < 1.495585217958292e-002) {
      matrix_exp_pade3(arg, U, V);
    } else if (l1norm < 2.539398330063230e-001) {
      matrix_exp_pade5(arg, U, V);
    } else if (l1norm < 9.504178996162932e-001) {
      matrix_exp_pade7(arg, U, V);
    } else if (l1norm < 2.097847961257068e+000) {
      matrix_exp_pade9(arg, U, V);
    } else {
      const RealScalar maxnorm = 5.371920351148152;
      frexp(l1norm / maxnorm, &squarings);
      if (squarings < 0) squarings = 0;
      MatrixType A = arg.unaryExpr(MatrixExponentialScalingOp<RealScalar>(squarings));
      matrix_exp_pade13(A, U, V);
    }
  }
};
  
template <typename MatrixType>
struct matrix_exp_computeUV<MatrixType, long double>
{
  template <typename ArgType>
  static void run(const ArgType& arg, MatrixType& U, MatrixType& V, int& squarings)
  {
#if   LDBL_MANT_DIG == 53   // double precision
    matrix_exp_computeUV<MatrixType, double>::run(arg, U, V, squarings);
  
#else
  
    using std::frexp;
    using std::pow;
    const long double l1norm = arg.cwiseAbs().colwise().sum().maxCoeff();
    squarings = 0;
  
#if LDBL_MANT_DIG <= 64   // extended precision
  
    if (l1norm < 4.1968497232266989671e-003L) {
      matrix_exp_pade3(arg, U, V);
    } else if (l1norm < 1.1848116734693823091e-001L) {
      matrix_exp_pade5(arg, U, V);
    } else if (l1norm < 5.5170388480686700274e-001L) {
      matrix_exp_pade7(arg, U, V);
    } else if (l1norm < 1.3759868875587845383e+000L) {
      matrix_exp_pade9(arg, U, V);
    } else {
      const long double maxnorm = 4.0246098906697353063L;
      frexp(l1norm / maxnorm, &squarings);
      if (squarings < 0) squarings = 0;
      MatrixType A = arg.unaryExpr(MatrixExponentialScalingOp<long double>(squarings));
      matrix_exp_pade13(A, U, V);
    }
  
#elif LDBL_MANT_DIG <= 106  // double-double
  
    if (l1norm < 3.2787892205607026992947488108213e-005L) {
      matrix_exp_pade3(arg, U, V);
    } else if (l1norm < 6.4467025060072760084130906076332e-003L) {
      matrix_exp_pade5(arg, U, V);
    } else if (l1norm < 6.8988028496595374751374122881143e-002L) {
      matrix_exp_pade7(arg, U, V);
    } else if (l1norm < 2.7339737518502231741495857201670e-001L) {
      matrix_exp_pade9(arg, U, V);
    } else if (l1norm < 1.3203382096514474905666448850278e+000L) {
      matrix_exp_pade13(arg, U, V);
    } else {
      const long double maxnorm = 3.2579440895405400856599663723517L;
      frexp(l1norm / maxnorm, &squarings);
      if (squarings < 0) squarings = 0;
      MatrixType A = arg.unaryExpr(MatrixExponentialScalingOp<long double>(squarings));
      matrix_exp_pade17(A, U, V);
    }
  
#elif LDBL_MANT_DIG <= 113  // quadruple precision
  
    if (l1norm < 1.639394610288918690547467954466970e-005L) {
      matrix_exp_pade3(arg, U, V);
    } else if (l1norm < 4.253237712165275566025884344433009e-003L) {
      matrix_exp_pade5(arg, U, V);
    } else if (l1norm < 5.125804063165764409885122032933142e-002L) {
      matrix_exp_pade7(arg, U, V);
    } else if (l1norm < 2.170000765161155195453205651889853e-001L) {
      matrix_exp_pade9(arg, U, V);
    } else if (l1norm < 1.125358383453143065081397882891878e+000L) {
      matrix_exp_pade13(arg, U, V);
    } else {
      const long double maxnorm = 2.884233277829519311757165057717815L;
      frexp(l1norm / maxnorm, &squarings);
      if (squarings < 0) squarings = 0;
      MatrixType A = arg.unaryExpr(MatrixExponentialScalingOp<long double>(squarings));
      matrix_exp_pade17(A, U, V);
    }
  
#else
  
    // this case should be handled in compute()
    eigen_assert(false && "Bug in MatrixExponential"); 
  
#endif
#endif  // LDBL_MANT_DIG
  }
};

template<typename T> struct is_exp_known_type : false_type {};
template<> struct is_exp_known_type<float> : true_type {};
template<> struct is_exp_known_type<double> : true_type {};
#if LDBL_MANT_DIG <= 113
template<> struct is_exp_known_type<long double> : true_type {};
#endif

template <typename ArgType, typename ResultType>
void matrix_exp_compute(const ArgType& arg, ResultType &result, true_type) // natively supported scalar type
{
  typedef typename ArgType::PlainObject MatrixType;
  MatrixType U, V;
  int squarings;
  matrix_exp_computeUV<MatrixType>::run(arg, U, V, squarings); // Pade approximant is (U+V) / (-U+V)
  MatrixType numer = U + V;
  MatrixType denom = -U + V;
  result = denom.partialPivLu().solve(numer);
  for (int i=0; i<squarings; i++)
    result *= result;   // undo scaling by repeated squaring
}


/* Computes the matrix exponential
 *
 * \param arg    argument of matrix exponential (should be plain object)
 * \param result variable in which result will be stored
 */

template <typename ArgType, typename ResultType>
void matrix_exp_compute(const ArgType& arg, ResultType &result, false_type) // default
{
  typedef typename ArgType::PlainObject MatrixType;
  typedef typename traits<MatrixType>::Scalar Scalar;
  typedef typename NumTraits<Scalar>::Real RealScalar;
  typedef typename std::complex<RealScalar> ComplexScalar;
  result = arg.matrixFunction(internal::stem_function_exp<ComplexScalar>);
}

// end namespace Eigen::internal

/** \ingroup MatrixFunctions_Module
  *
  * \brief Proxy for the matrix exponential of some matrix (expression).
  *
  * \tparam Derived  Type of the argument to the matrix exponential.
  *
  * This class holds the argument to the matrix exponential until it is assigned or evaluated for
  * some other reason (so the argument should not be changed in the meantime). It is the return type
  * of MatrixBase::exp() and most of the time this is the only way it is used.
  */

template<typename Derived> struct MatrixExponentialReturnValue
public ReturnByValue<MatrixExponentialReturnValue<Derived> >
{
  public:
    /** \brief Constructor.
      *
      * \param src %Matrix (expression) forming the argument of the matrix exponential.
      */

    MatrixExponentialReturnValue(const Derived& src) : m_src(src) { }

    /** \brief Compute the matrix exponential.
      *
      * \param result the matrix exponential of \p src in the constructor.
      */

    template <typename ResultType>
    inline void evalTo(ResultType& result) const
    {
      const typename internal::nested_eval<Derived, 10>::type tmp(m_src);
      internal::matrix_exp_compute(tmp, result, internal::is_exp_known_type<typename Derived::RealScalar>());
    }

    Index rows() const { return m_src.rows(); }
    Index cols() const { return m_src.cols(); }

  protected:
    const typename internal::ref_selector<Derived>::type m_src;
};

namespace internal {
template<typename Derived>
struct traits<MatrixExponentialReturnValue<Derived> >
{
  typedef typename Derived::PlainObject ReturnType;
};
}

template <typename Derived>
const MatrixExponentialReturnValue<Derived> MatrixBase<Derived>::exp() const
{
  eigen_assert(rows() == cols());
  return MatrixExponentialReturnValue<Derived>(derived());
}

// end namespace Eigen

#endif // EIGEN_MATRIX_EXPONENTIAL

100%


¤ Dauer der Verarbeitung: 0.15 Sekunden  (vorverarbeitet)  ¤

*© Formatika GbR, Deutschland






Wurzel

Suchen

Beweissystem der NASA

Beweissystem Isabelle

NIST Cobol Testsuite

Cephes Mathematical Library

Wiener Entwicklungsmethode

Haftungshinweis

Die Informationen auf dieser Webseite wurden nach bestem Wissen sorgfältig zusammengestellt. Es wird jedoch weder Vollständigkeit, noch Richtigkeit, noch Qualität der bereit gestellten Informationen zugesichert.

Bemerkung:

Die farbliche Syntaxdarstellung ist noch experimentell.