source: git/Singular/LIB/linalg.lib @ 6fe9a5

fieker-DuValspielwiese
Last change on this file since 6fe9a5 was 62dc18e, checked in by Hans Schoenemann <hannes@…>, 13 years ago
some format fixes git-svn-id: file:///usr/local/Singular/svn/trunk@13733 2c84dea3-7e68-4137-9b89-c4e89433aadc
  • Property mode set to 100644
File size: 45.6 KB
Line 
1//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
2version="$Id$";
3category="Linear Algebra";
4info="
5LIBRARY:  linalg.lib  Algorithmic Linear Algebra
6AUTHORS:  Ivor Saynisch (ivs@math.tu-cottbus.de)
7@*        Mathias Schulze (mschulze@mathematik.uni-kl.de)
8
9PROCEDURES:
10 inverse(A);          matrix, the inverse of A
11 inverse_B(A);        list(matrix Inv,poly p),Inv*A=p*En ( using busadj(A) )
12 inverse_L(A);        list(matrix Inv,poly p),Inv*A=p*En ( using lift )
13 sym_gauss(A);        symmetric gaussian algorithm
14 orthogonalize(A);    Gram-Schmidt orthogonalization
15 diag_test(A);        test whether A can be diagnolized
16 busadj(A);           coefficients of Adj(E*t-A) and coefficients of det(E*t-A)
17 charpoly(A,v);       characteristic polynomial of A ( using busadj(A) )
18 adjoint(A);          adjoint of A ( using busadj(A) )
19 det_B(A);            determinant of A ( using busadj(A) )
20 gaussred(A);         gaussian reduction: P*A=U*S, S a row reduced form of A
21 gaussred_pivot(A);   gaussian reduction: P*A=U*S, uses row pivoting
22 gauss_nf(A);         gaussian normal form of A
23 mat_rk(A);           rank of constant matrix A
24 U_D_O(A);            P*A=U*D*O, P,D,U,O=permutaion,diag,lower-,upper-triang
25 pos_def(A,i);        test symmetric matrix for positive definiteness
26 hessenberg(M);       Hessenberg form of M
27 eigenvals(M);        eigenvalues with multiplicities of M
28 minipoly(M);         minimal polynomial of M
29 spnf(sp);            normal form of spectrum sp
30 spprint(sp);         print spectrum sp
31 jordan(M);           Jordan data of M
32 jordanbasis(M);      Jordan basis and weight filtration of M
33 jordanmatrix(jd);    Jordan matrix with Jordan data jd
34 jordannf(M);         Jordan normal form of M
35";
36
37LIB "matrix.lib";
38LIB "ring.lib";
39LIB "elim.lib";
40LIB "general.lib";
41//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
42// help functions
43//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
44static proc const_mat(matrix A)
45"RETURN:   1 (0) if A is (is not) a constant matrix"
46{
47  int i;
48  int n=ncols(A);
49  def BR=basering;
50  def @R=changeord("dp,c",BR);
51  setring @R;
52  matrix A=fetch(BR,A);
53  for(i=1;i<=n;i=i+1){
54    if(deg(lead(A)[i])>=1){
55      //"input is not a constant matrix";
56      kill @R;
57      setring BR;
58      return(0);
59    }
60  }
61  kill @R;
62  setring BR;
63  return(1);
64}
65//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
66static proc red(matrix A,int i,int j)
67"USAGE:    red(A,i,j);  A = constant matrix
68          reduces column j with respect to A[i,i] and column i
69          reduces row j with respect to A[i,i] and row i
70RETURN:   matrix
71"
72{
73  module m=module(A);
74
75  if(A[i,i]==0){
76    m[i]=m[i]+m[j];
77    m=module(transpose(matrix(m)));
78    m[i]=m[i]+m[j];
79    m=module(transpose(matrix(m)));
80  }
81
82  A=matrix(m);
83  m[j]=m[j]-(A[i,j]/A[i,i])*m[i];
84  m=module(transpose(matrix(m)));
85  m[j]=m[j]-(A[i,j]/A[i,i])*m[i];
86  m=module(transpose(matrix(m)));
87
88  return(matrix(m));
89}
90
91//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
92proc inner_product(vector v1,vector v2)
93"RETURN:   inner product <v1,v2> "
94{
95  int k;
96  if (nrows(v2)>nrows(v1)) { k=nrows(v2); } else { k=nrows(v1); }
97  return ((transpose(matrix(v1,k,1))*matrix(v2,k,1))[1,1]);
98}
99
100/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
101// user functions
102/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
103
104proc inverse(matrix A, list #)
105"USAGE:    inverse(A [,opt]);  A a square matrix, opt integer
106RETURN:
107@format
108          a matrix:
109          - the inverse matrix of A, if A is invertible;
110          - the 1x1 0-matrix if A is not invertible (in the polynomial ring!).
111          There are the following options:
112          - opt=0 or not given: heuristically best option from below
113          - opt=1 : apply std to (transpose(E,A)), ordering (C,dp).
114          - opt=2 : apply interred (transpose(E,A)), ordering (C,dp).
115          - opt=3 : apply lift(A,E), ordering (C,dp).
116@end format
117NOTE:     parameters and minpoly are allowed; opt=2 is only correct for
118          matrices with entries in a field
119SEE ALSO: inverse_B, inverse_L
120EXAMPLE:  example inverse; shows an example
121"
122{
123//--------------------------- initialization and check ------------------------
124   int ii,u,notInvertible,opt;
125   matrix invA;
126   int db = printlevel-voice+3;      //used for comments
127   def R=basering;
128   string mp = string(minpoly);
129   int n = nrows(A);
130   module M = A;
131   intvec v = option(get);           //get options to reset it later
132   if ( ncols(A)!=n )
133   {
134     ERROR("// ** no square matrix");
135   }
136//----------------------- choose heurisitically best option ------------------
137// This may change later, depending on improvements of the implemantation
138// at the monent we use if opt=0 or opt not given:
139// opt = 1 (std) for everything
140// opt = 2 (interred) for nothing, NOTE: interred is ok for constant matricea
141// opt = 3 (lift) for nothing
142// NOTE: interred is ok for constant matrices only (Beispiele am Ende der lib)
143   if(size(#) != 0) {opt = #[1];}
144   if(opt == 0)
145   {
146      if(npars(R) == 0)                       //no parameters
147      {
148         if( size(ideal(A-jet(A,0))) == 0 )   //constant matrix
149         {opt = 1;}
150         else
151         {opt = 1;}
152      }
153      else {opt = 1;}
154   }
155//------------------------- change ring if necessary -------------------------
156   if( ordstr(R) != "C,dp(nvars(R))" )
157   {
158     u=1;
159     def @R=changeord("C,dp",R);
160     setring @R;
161     module M = fetch(R,M);
162     execute("minpoly="+mp+";");
163   }
164//----------------------------- opt=3: use lift ------------------------------
165   if( opt==3 )
166   {
167      module D2;
168      D2 = lift(M,freemodule(n));
169      if (size(ideal(D2))==0)
170      {                                               //catch error in lift
171         dbprint(db,"// ** matrix is not invertible");
172         setring R;
173         if (u==1) { kill @R;}
174         return(invA);
175      }
176   }
177//-------------- opt = 1 resp. opt = 2: use std resp. interred --------------
178   if( opt==1 or opt==2 )
179   {
180      option(redSB);
181      module B = freemodule(n),M;
182      if(opt == 2)
183      {
184         module D = interred(transpose(B));
185         D = transpose(simplify(D,1));
186      }
187      if(opt == 1)
188      {
189         module D = std(transpose(B));
190         D = transpose(simplify(D,1));
191      }
192      module D2 = D[1..n];
193      module D1 = D[n+1..2*n];
194//----------------------- check if matrix is invertible ----------------------
195      for (ii=1; ii<=n; ii++)
196      {
197         if ( D1[ii] != gen(ii) )
198         {
199            notInvertible = 1;
200            break;
201         }
202      }
203   }
204   option(set,v);
205//------------------ return to basering and return result ---------------------
206   if ( u==1 )
207   {
208      setring R;
209      module D2 = fetch(@R,D2);
210      if( opt==1 or opt==2 )
211      { module D1 = fetch(@R,D1);}
212      kill @R;
213   }
214   if( notInvertible == 1 )
215   {
216     // The matrix A seems to be non-invertible.
217     // Note that there are examples, where this is not true but only due to
218     // inexact computations in the field of reals or complex numbers:
219     // ring r = complex, x, dp;
220     // The following matrix has non-zero determinante but seems non-invertible:
221     // matrix A[3][3] = 1,i,i,0,1,2,1,0,1+i;
222     // For this example, inverse_B yields the correct answer.
223     // So, let's use this as a workaround whenever we have this situation:
224     list myList = inverse_B(A);
225     matrix Try = inverse_B(A)[1];
226     if (myList[2] == poly(1)) { return (Try); }
227     else
228     {
229       dbprint(db,"// ** matrix is not invertible");
230       return(invA);
231     }
232   }
233   else { return(matrix(D2)); }     //matrix invertible with inverse D2
234
235}
236example
237{ "EXAMPLE:"; echo = 2;
238  ring r=0,(x,y,z),lp;
239  matrix A[3][3]=
240   1,4,3,
241   1,5,7,
242   0,4,17;
243  print(inverse(A));"";
244  matrix B[3][3]=
245   y+1,  x+y,    y,
246   z,    z+1,    z,
247   y+z+2,x+y+z+2,y+z+1;
248  print(inverse(B));
249  print(B*inverse(B));
250}
251
252//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
253proc sym_gauss(matrix A)
254"USAGE:    sym_gauss(A);  A = symmetric matrix
255RETURN:   matrix, diagonalisation of A with symmetric gauss algorithm
256EXAMPLE:  example sym_gauss; shows an example"
257{
258  int i,j;
259  int n=nrows(A);
260
261  if (ncols(A)!=n){
262    "// ** input is not a square matrix";;
263    return(A);
264  }
265
266  if(!const_mat(A)){
267    "// ** input is not a constant matrix";
268    return(A);
269  }
270
271  if(deg(std(A-transpose(A))[1])!=-1){
272    "// ** input is not a symmetric matrix";
273    return(A);
274  }
275
276  for(i=1; i<n; i++){
277    for(j=i+1; j<=n; j++){
278      if(A[i,j]!=0){ A=red(A,i,j); }
279    }
280  }
281
282  return(A);
283}
284example
285{"EXAMPLE:"; echo = 2;
286  ring r=0,(x),lp;
287  matrix A[2][2]=1,4,4,15;
288  print(A);
289  print(sym_gauss(A));
290}
291
292//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
293proc orthogonalize(matrix A)
294"USAGE:    orthogonalize(A); A = matrix of constants
295RETURN:    matrix, orthogonal basis of the colum space of A
296EXAMPLE:   example orthogonalize; shows an example "
297{
298  int i,j;
299  int n=ncols(A);
300  poly k;
301
302  if(!const_mat(A)){
303    "// ** input is not a constant matrix";
304    matrix B;
305    return(B);
306  }
307
308  module B=module(interred(A));
309
310  for(i=1;i<=n;i=i+1) {
311    for(j=1;j<i;j=j+1) {
312      k=inner_product(B[j],B[j]);
313      if (k==0) { "Error: vector of length zero"; return(matrix(B)); }
314      B[i]=B[i]-(inner_product(B[i],B[j])/k)*B[j];
315    }
316  }
317
318  return(matrix(B));
319}
320example
321{ "EXAMPLE:"; echo = 2;
322  ring r=0,(x),lp;
323  matrix A[4][4]=5,6,12,4,7,3,2,6,12,1,1,2,6,4,2,10;
324  print(A);
325  print(orthogonalize(A));
326}
327
328////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
329proc diag_test(matrix A)
330"USAGE:          diag_test(A); A = const square matrix
331RETURN:   int,  1 if A is diagonalizable,@*
332                0 if not@*
333               -1 if no statement is possible, since A does not split.
334NOTE:     The test works only for split matrices, i.e if eigenvalues of A
335          are in the ground field.
336          Does not work with parameters (uses factorize,gcd).
337EXAMPLE:  example diag_test; shows an example"
338{
339  int i,j;
340  int n     = nrows(A);
341  string mp = string(minpoly);
342  string cs = charstr(basering);
343  int np=0;
344
345  if(ncols(A) != n) {
346    "// input is not a square matrix";
347    return(-1);
348  }
349
350   if(!const_mat(A)){
351    "// input is not a constant matrix";
352    return(-1);
353  }
354
355  //Parameterring wegen factorize nicht erlaubt
356  for(i=1;i<size(cs);i=i+1){
357    if(cs[i]==","){np=np+1;} //Anzahl der Parameter
358  }
359  if(np>0){
360        "// rings with parameters not allowed";
361        return(-1);
362  }
363
364  //speichern des aktuellen Rings
365  def BR=basering;
366  //setze R[t]
367  execute("ring rt=("+charstr(basering)+"),(@t,"+varstr(basering)+"),lp;");
368  execute("minpoly="+mp+";");
369  matrix A=imap(BR,A);
370
371  intvec z;
372  intvec s;
373  poly X;         //characteristisches Polynom
374  poly dXdt;      //Ableitung von X nach t
375  ideal g;              //ggT(X,dXdt)
376  poly b;              //Komponente der Busadjunkten-Matrix
377  matrix E[n][n]; //Einheitsmatrix
378
379  E=E+1;
380  A=E*@t-A;
381  X=det(A);
382
383  matrix Xfactors=matrix(factorize(X,1));        //zerfaellt die Matrtix ?
384  int nf=ncols(Xfactors);
385
386  for(i=1;i<=nf;i++){
387    if(lead(Xfactors[1,i])>=@t^2){
388      //" matrix does not split";
389      setring BR;
390      return(-1);
391    }
392  }
393
394  dXdt=diff(X,@t);
395  g=std(ideal(gcd(X,dXdt)));
396
397  //Busadjunkte
398  z=2..n;
399  for(i=1;i<=n;i++){
400    s=2..n;
401    for(j=1;j<=n;j++){
402      b=det(submat(A,z,s));
403
404      if(0!=reduce(b,g)){
405        //" matrix not diagonalizable";
406        setring BR;
407        return(0);
408      }
409
410      s[j]=j;
411    }
412    z[i]=i;
413  }
414
415  //"Die Matrix ist diagonalisierbar";
416  setring BR;
417  return(1);
418}
419example
420{ "EXAMPLE:"; echo = 2;
421  ring r=0,(x),dp;
422  matrix A[4][4]=6,0,0,0,0,0,6,0,0,6,0,0,0,0,0,6;
423  print(A);
424  diag_test(A);
425}
426
427//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
428proc busadj(matrix A)
429"USAGE:   busadj(A);  A = square matrix (of size nxn)
430RETURN:  list L:
431@format
432         L[1] contains the (n+1) coefficients of the characteristic
433              polynomial X of A, i.e.
434              X = L[1][1]+..+L[1][k]*t^(k-1)+..+(L[1][n+1])*t^n
435         L[2] contains the n (nxn)-matrices Hk which are the coefficients of
436              the busadjoint bA = adjoint(E*t-A) of A, i.e.
437              bA = (Hn-1)*t^(n-1)+...+Hk*t^k+...+H0,  ( Hk=L[2][k+1] )
438@end format
439EXAMPLE: example busadj; shows an example"
440{
441  int k;
442  int n    = nrows(A);
443  matrix E = unitmat(n);
444  matrix H[n][n];
445  matrix B[n][n];
446  list bA, X, L;
447  poly a;
448
449  if(ncols(A) != n) {
450    "input is not a square matrix";
451    return(L);
452  }
453
454  bA   = E;
455  X[1] = 1;
456  for(k=1; k<n; k++){
457    B  = A*bA[1];              //bA[1] is the last H
458    a  = -trace(B)/k;
459    H  = B+a*E;
460    bA = insert(bA,H);
461    X  = insert(X,a);
462  }
463  B = A*bA[1];
464  a = -trace(B)/n;
465  X = insert(X,a);
466
467  L = insert(L,bA);
468  L = insert(L,X);
469  return(L);
470}
471example
472{ "EXAMPLE"; echo = 2;
473  ring r = 0,(t,x),lp;
474  matrix A[2][2] = 1,x2,x,x2+3x;
475  print(A);
476  list L = busadj(A);
477  poly X = L[1][1]+L[1][2]*t+L[1][3]*t2; X;
478  matrix bA[2][2] = L[2][1]+L[2][2]*t;
479  print(bA);               //the busadjoint of A;
480  print(bA*(t*unitmat(2)-A));
481}
482
483//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
484proc charpoly(matrix A, list #)
485"USAGE:   charpoly(A[,v]); A square matrix, v string, name of a variable
486RETURN:  poly, the characteristic polynomial det(E*v-A)
487         (default: v=name of last variable)
488NOTE:    A must be independent of the variable v. The computation uses det.
489         If printlevel>0, det(E*v-A) is diplayed recursively.
490EXAMPLE: example charpoly; shows an example"
491{
492  int n = nrows(A);
493  int z = nvars(basering);
494  int i,j;
495  string v;
496  poly X;
497  if(ncols(A) != n)
498  {
499    "// input is not a square matrix";
500    return(X);
501  }
502  //---------------------- test for correct variable -------------------------
503  if( size(#)==0 ){
504    #[1] = varstr(z);
505  }
506  if( typeof(#[1]) == "string") { v = #[1]; }
507  else
508  {
509    "// 2nd argument must be a name of a variable not contained in the matrix";
510    return(X);
511  }
512  j=-1;
513  for(i=1; i<=z; i++)
514  {
515    if(varstr(i)==v){j=i;}
516  }
517  if(j==-1)
518  {
519    "// "+v+" is not a variable in the basering";
520    return(X);
521  }
522  if ( size(select1(module(A),j)) != 0 )
523  {
524    "// matrix must not contain the variable "+v;
525    "// change to a ring with an extra variable, if necessary."
526    return(X);
527  }
528  //-------------------------- compute charpoly ------------------------------
529  X = det(var(j)*unitmat(n)-A);
530  if( printlevel-voice+2 >0) { showrecursive(X,var(j));}
531  return(X);
532}
533example
534{ "EXAMPLE"; echo=2;
535  ring r=0,(x,t),dp;
536  matrix A[3][3]=1,x2,x,x2,6,4,x,4,1;
537  print(A);
538  charpoly(A,"t");
539}
540
541//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
542proc charpoly_B(matrix A, list #)
543"USAGE:   charpoly_B(A[,v]); A square matrix, v string, name of a variable
544RETURN:  poly, the characteristic polynomial det(E*v-A)
545         (default: v=name of last variable)
546NOTE:    A must be constant in the variable v. The computation uses busadj(A).
547EXAMPLE: example charpoly_B; shows an example"
548{
549  int i,j;
550  string s,v;
551  list L;
552  int n     = nrows(A);
553  poly X    = 0;
554  def BR    = basering;
555  string mp = string(minpoly);
556
557  if(ncols(A) != n){
558    "// input is not a square matrix";
559    return(X);
560  }
561
562  //test for correct variable
563  if( size(#)==0 ){
564    #[1] = varstr(nvars(BR));
565  }
566  if( typeof(#[1]) == "string"){
567     v = #[1];
568  }
569  else{
570    "// 2nd argument must be a name of a variable not contained in the matrix";
571    return(X);
572  }
573
574  j=-1;
575  for(i=1; i<=nvars(BR); i++){
576    if(varstr(i)==v){j=i;}
577  }
578  if(j==-1){
579    "// "+v+" is not a variable in the basering";
580    return(X);
581  }
582
583  //var cannot be in A
584  s="Wp(";
585  for( i=1; i<=nvars(BR); i++ ){
586    if(i!=j){ s=s+"0";}
587    else{ s=s+"1";}
588    if( i<nvars(BR)) {s=s+",";}
589  }
590  s=s+")";
591
592  def @R=changeord(s);
593  setring @R;
594  execute("minpoly="+mp+";");
595  matrix A = imap(BR,A);
596  for(i=1; i<=n; i++){
597    if(deg(lead(A)[i])>=1){
598      "// matrix must not contain the variable "+v;
599      kill @R;
600      setring BR;
601      return(X);
602    }
603  }
604
605  //get coefficients and build the char. poly
606  kill @R;
607  setring BR;
608  L = busadj(A);
609  for(i=1; i<=n+1; i++){
610    execute("X=X+L[1][i]*"+v+"^"+string(i-1)+";");
611  }
612
613  return(X);
614}
615example
616{ "EXAMPLE"; echo=2;
617  ring r=0,(x,t),dp;
618  matrix A[3][3]=1,x2,x,x2,6,4,x,4,1;
619  print(A);
620  charpoly_B(A,"t");
621}
622
623//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
624proc adjoint(matrix A)
625"USAGE:    adjoint(A);  A = square matrix
626RETURN:   adjoint matrix of A, i.e. Adj*A=det(A)*E
627NOTE:     computation uses busadj(A)
628EXAMPLE:  example adjoint; shows an example"
629{
630  int n=nrows(A);
631  matrix Adj[n][n];
632  list L;
633
634  if(ncols(A) != n) {
635    "// input is not a square matrix";
636    return(Adj);
637  }
638
639  L  = busadj(A);
640  Adj= (-1)^(n-1)*L[2][1];
641  return(Adj);
642
643}
644example
645{ "EXAMPLE"; echo=2;
646  ring r=0,(t,x),lp;
647  matrix A[2][2]=1,x2,x,x2+3x;
648  print(A);
649  matrix Adj[2][2]=adjoint(A);
650  print(Adj);                    //Adj*A=det(A)*E
651  print(Adj*A);
652}
653
654//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
655proc inverse_B(matrix A)
656"USAGE:    inverse_B(A);  A = square matrix
657RETURN:   list Inv with
658          - Inv[1] = matrix I and
659          - Inv[2] = poly p
660          such that I*A = unitmat(n)*p;
661NOTE:     p=1 if 1/det(A) is computable and  p=det(A) if not;
662          the computation uses busadj.
663SEE ALSO: inverse, inverse_L
664EXAMPLE:  example inverse_B; shows an example"
665{
666  int i;
667  int n=nrows(A);
668  matrix I[n][n];
669  poly factor;
670  list L;
671  list Inv;
672
673  if(ncols(A) != n) {
674    "input is not a square matrix";
675    return(I);
676  }
677
678  L=busadj(A);
679  I=module(-L[2][1]);        //+-Adj(A)
680
681  if(reduce(1,std(L[1][1]))==0){
682    I=I*lift(L[1][1],1)[1][1];
683    factor=1;
684  }
685  else{ factor=L[1][1];}     //=+-det(A) or 1
686  Inv=insert(Inv,factor);
687  Inv=insert(Inv,matrix(I));
688
689  return(Inv);
690}
691example
692{ "EXAMPLE"; echo=2;
693  ring r=0,(x,y),lp;
694  matrix A[3][3]=x,y,1,1,x2,y,x,6,0;
695  print(A);
696  list Inv=inverse_B(A);
697  print(Inv[1]);
698  print(Inv[2]);
699  print(Inv[1]*A);
700}
701
702//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
703proc det_B(matrix A)
704"USAGE:     det_B(A);  A any matrix
705RETURN:    returns the determinant of A
706NOTE:      the computation uses the busadj algorithm
707EXAMPLE:   example det_B; shows an example"
708{
709  int n=nrows(A);
710  list L;
711
712  if(ncols(A) != n){ return(0);}
713
714  L=busadj(A);
715  return((-1)^n*L[1][1]);
716}
717example
718{ "EXAMPLE"; echo=2;
719  ring r=0,(x),dp;
720  matrix A[10][10]=random(2,10,10)+unitmat(10)*x;
721  print(A);
722  det_B(A);
723}
724
725//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
726proc inverse_L(matrix A)
727"USAGE:     inverse_L(A);  A = square matrix
728RETURN:    list Inv representing a left inverse of A, i.e
729           - Inv[1] = matrix I and
730           - Inv[2] = poly p
731           such that I*A = unitmat(n)*p;
732NOTE:      p=1 if 1/det(A) is computable and p=det(A) if not;
733           the computation computes first det(A) and then uses lift
734SEE ALSO:  inverse, inverse_B
735EXAMPLE:   example inverse_L; shows an example"
736{
737  int n=nrows(A);
738  matrix I;
739  matrix E[n][n]=unitmat(n);
740  poly factor;
741  poly d=1;
742  list Inv;
743
744  if (ncols(A)!=n){
745    "// input is not a square matrix";
746    return(I);
747  }
748
749  d=det(A);
750  if(d==0){
751    "// matrix is not invertible";
752    return(Inv);
753  }
754
755  // test if 1/det(A) exists
756  if(reduce(1,std(d))!=0){ E=E*d;}
757
758  I=lift(A,E);
759  if(I==unitmat(n)-unitmat(n)){ //catch error in lift
760    "// matrix is not invertible";
761    return(Inv);
762  }
763
764  factor=d;      //=det(A) or 1
765  Inv=insert(Inv,factor);
766  Inv=insert(Inv,I);
767
768  return(Inv);
769}
770example
771{ "EXAMPLE"; echo=2;
772  ring r=0,(x,y),lp;
773  matrix A[3][3]=x,y,1,1,x2,y,x,6,0;
774  print(A);
775  list Inv=inverse_L(A);
776  print(Inv[1]);
777  print(Inv[2]);
778  print(Inv[1]*A);
779}
780
781//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
782proc gaussred(matrix A)
783"USAGE:   gaussred(A);   A any constant matrix
784RETURN:  list Z:  Z[1]=P , Z[2]=U , Z[3]=S , Z[4]=rank(A)
785         gives a row reduced matrix S, a permutation matrix P and a
786         normalized lower triangular matrix U, with P*A=U*S
787NOTE:    This procedure is designed for teaching purposes mainly.
788         The straight forward implementation in the interpreted library
789         is not very efficient (no standard basis computation).
790EXAMPLE: example gaussred; shows an example"
791{
792  int i,j,l,k,jp,rang;
793  poly c,pivo;
794  list Z;
795  int n = nrows(A);
796  int m = ncols(A);
797  int mr= n; //max. rang
798  matrix P[n][n] = unitmat(n);
799  matrix U[n][n] = P;
800
801  if(!const_mat(A)){
802    "// input is not a constant matrix";
803    return(Z);
804  }
805
806  if(n>m){mr=m;} //max. rang
807
808  for(i=1;i<=mr;i=i+1){
809    if((i+k)>m){break;}
810
811    //Test: Diagonalelement=0
812    if(A[i,i+k]==0){
813      jp=i;pivo=0;
814      for(j=i+1;j<=n;j=j+1){
815        c=absValue(A[j,i+k]);
816        if(pivo<c){ pivo=c;jp=j;}
817      }
818      if(jp != i){       //Zeilentausch
819        for(j=1;j<=m;j=j+1){ //Zeilentausch in A (und U) (i-te mit jp-ter)
820          c=A[i,j];
821          A[i,j]=A[jp,j];
822          A[jp,j]=c;
823        }
824        for(j=1;j<=n;j=j+1){ //Zeilentausch in P
825          c=P[i,j];
826          P[i,j]=P[jp,j];
827          P[jp,j]=c;
828        }
829      }
830      if(pivo==0){k++;continue;} //eine von selbst auftauchende Stufe !
831    }                          //i sollte im naechsten Lauf nicht erhoeht sein
832
833    //Eliminationsschritt
834    for(j=i+1;j<=n;j=j+1){
835      c=A[j,i+k]/A[i,i+k];
836      for(l=i+k+1;l<=m;l=l+1){
837        A[j,l]=A[j,l]-A[i,l]*c;
838      }
839      A[j,i+k]=0;  // nur wichtig falls k>0 ist
840      A[j,i]=c;    // bildet U
841    }
842  rang=i;
843  }
844
845  for(i=1;i<=mr;i=i+1){
846    for(j=i+1;j<=n;j=j+1){
847      U[j,i]=A[j,i];
848      A[j,i]=0;
849    }
850  }
851
852  Z=insert(Z,rang);
853  Z=insert(Z,A);
854  Z=insert(Z,U);
855  Z=insert(Z,P);
856
857  return(Z);
858}
859example
860{ "EXAMPLE";echo=2;
861  ring r=0,(x),dp;
862  matrix A[5][4]=1,3,-1,4,2,5,-1,3,1,3,-1,4,0,4,-3,1,-3,1,-5,-2;
863  print(A);
864  list Z=gaussred(A);   //construct P,U,S s.t. P*A=U*S
865  print(Z[1]);          //P
866  print(Z[2]);          //U
867  print(Z[3]);          //S
868  print(Z[4]);          //rank
869  print(Z[1]*A);        //P*A
870  print(Z[2]*Z[3]);     //U*S
871}
872
873//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
874proc gaussred_pivot(matrix A)
875"USAGE:     gaussred_pivot(A);   A any constant matrix
876RETURN:    list Z:  Z[1]=P , Z[2]=U , Z[3]=S , Z[4]=rank(A)
877           gives a row reduced matrix S, a permutation matrix P and a
878           normalized lower triangular matrix U, with P*A=U*S
879NOTE:      with row pivoting
880EXAMPLE:   example gaussred_pivot; shows an example"
881{
882  int i,j,l,k,jp,rang;
883  poly c,pivo;
884  list Z;
885  int n=nrows(A);
886  int m=ncols(A);
887  int mr=n; //max. rang
888  matrix P[n][n]=unitmat(n);
889  matrix U[n][n]=P;
890
891  if(!const_mat(A)){
892    "// input is not a constant matrix";
893    return(Z);
894  }
895
896  if(n>m){mr=m;} //max. rang
897
898  for(i=1;i<=mr;i=i+1){
899    if((i+k)>m){break;}
900
901    //Pivotisierung
902    pivo=absValue(A[i,i+k]);jp=i;
903    for(j=i+1;j<=n;j=j+1){
904      c=absValue(A[j,i+k]);
905      if(pivo<c){ pivo=c;jp=j;}
906    }
907    if(jp != i){ //Zeilentausch
908      for(j=1;j<=m;j=j+1){ //Zeilentausch in A (und U) (i-te mit jp-ter)
909        c=A[i,j];
910        A[i,j]=A[jp,j];
911        A[jp,j]=c;
912      }
913      for(j=1;j<=n;j=j+1){ //Zeilentausch in P
914        c=P[i,j];
915        P[i,j]=P[jp,j];
916        P[jp,j]=c;
917      }
918    }
919    if(pivo==0){k++;continue;} //eine von selbst auftauchende Stufe !
920                               //i sollte im naechsten Lauf nicht erhoeht sein
921    //Eliminationsschritt
922    for(j=i+1;j<=n;j=j+1){
923      c=A[j,i+k]/A[i,i+k];
924      for(l=i+k+1;l<=m;l=l+1){
925        A[j,l]=A[j,l]-A[i,l]*c;
926      }
927      A[j,i+k]=0;  // nur wichtig falls k>0 ist
928      A[j,i]=c;    // bildet U
929    }
930  rang=i;
931  }
932
933  for(i=1;i<=mr;i=i+1){
934    for(j=i+1;j<=n;j=j+1){
935      U[j,i]=A[j,i];
936      A[j,i]=0;
937    }
938  }
939
940  Z=insert(Z,rang);
941  Z=insert(Z,A);
942  Z=insert(Z,U);
943  Z=insert(Z,P);
944
945  return(Z);
946}
947example
948{ "EXAMPLE";echo=2;
949  ring r=0,(x),dp;
950  matrix A[5][4] = 1, 3,-1,4,
951                   2, 5,-1,3,
952                   1, 3,-1,4,
953                   0, 4,-3,1,
954                  -3,1,-5,-2;
955  list Z=gaussred_pivot(A);  //construct P,U,S s.t. P*A=U*S
956  print(Z[1]);               //P
957  print(Z[2]);               //U
958  print(Z[3]);               //S
959  print(Z[4]);               //rank
960  print(Z[1]*A);             //P*A
961  print(Z[2]*Z[3]);          //U*S
962}
963
964//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
965proc gauss_nf(matrix A)
966"USAGE:    gauss_nf(A); A any constant matrix
967RETURN:   matrix; gauss normal form of A (uses gaussred)
968EXAMPLE:  example gauss_nf; shows an example"
969{
970  list Z;
971  if(!const_mat(A)){
972    "// input is not a constant matrix";
973    return(A);
974  }
975  Z = gaussred(A);
976  return(Z[3]);
977}
978example
979{ "EXAMPLE";echo=2;
980  ring r = 0,(x),dp;
981  matrix A[4][4] = 1,4,4,7,2,5,5,4,4,1,1,3,0,2,2,7;
982  print(gauss_nf(A));
983}
984
985//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
986proc mat_rk(matrix A)
987"USAGE:    mat_rk(A); A any constant matrix
988RETURN:   int, rank of A
989EXAMPLE:  example mat_rk; shows an example"
990{
991  list Z;
992  if(!const_mat(A)){
993    "// input is not a constant matrix";
994    return(-1);
995  }
996  Z = gaussred(A);
997  return(Z[4]);
998}
999example
1000{ "EXAMPLE";echo=2;
1001  ring r = 0,(x),dp;
1002  matrix A[4][4] = 1,4,4,7,2,5,5,4,4,1,1,3,0,2,2,7;
1003  mat_rk(A);
1004}
1005
1006//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
1007proc U_D_O(matrix A)
1008"USAGE:     U_D_O(A);   constant invertible matrix A
1009RETURN:    list Z:  Z[1]=P , Z[2]=U , Z[3]=D , Z[4]=O
1010           gives a permutation matrix P,
1011           a normalized lower triangular matrix U ,
1012           a diagonal matrix D, and
1013           a normalized upper triangular matrix O
1014           with P*A=U*D*O
1015NOTE:      Z[1]=-1 means that A is not regular (proc uses gaussred)
1016EXAMPLE:   example U_D_O; shows an example"
1017{
1018  int i,j;
1019  list Z,L;
1020  int n=nrows(A);
1021  matrix O[n][n]=unitmat(n);
1022  matrix D[n][n];
1023
1024  if (ncols(A)!=n){
1025    "// input is not a square matrix";
1026    return(Z);
1027  }
1028  if(!const_mat(A)){
1029    "// input is not a constant matrix";
1030    return(Z);
1031  }
1032
1033  L=gaussred(A);
1034
1035  if(L[4]!=n){
1036    "// input is not an invertible matrix";
1037    Z=insert(Z,-1);  //hint for calling procedures
1038    return(Z);
1039  }
1040
1041  D=L[3];
1042
1043  for(i=1; i<=n; i++){
1044    for(j=i+1; j<=n; j++){
1045      O[i,j] = D[i,j]/D[i,i];
1046      D[i,j] = 0;
1047    }
1048  }
1049
1050  Z=insert(Z,O);
1051  Z=insert(Z,D);
1052  Z=insert(Z,L[2]);
1053  Z=insert(Z,L[1]);
1054  return(Z);
1055}
1056example
1057{ "EXAMPLE";echo=2;
1058  ring r = 0,(x),dp;
1059  matrix A[5][5] = 10, 4,  0, -9,  8,
1060                   -3, 6, -6, -4,  9,
1061                    0, 3, -1, -9, -8,
1062                   -4,-2, -6, -10,10,
1063                   -9, 5, -1, -6,  5;
1064  list Z = U_D_O(A);              //construct P,U,D,O s.t. P*A=U*D*O
1065  print(Z[1]);                    //P
1066  print(Z[2]);                    //U
1067  print(Z[3]);                    //D
1068  print(Z[4]);                    //O
1069  print(Z[1]*A);                  //P*A
1070  print(Z[2]*Z[3]*Z[4]);          //U*D*O
1071}
1072
1073//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
1074proc pos_def(matrix A)
1075"USAGE:     pos_def(A); A = constant, symmetric square matrix
1076RETURN:    int:
1077           1  if A is positive definit ,
1078           0  if not,
1079           -1 if unknown
1080EXAMPLE:   example pos_def; shows an example"
1081{
1082  int j;
1083  list Z;
1084  int n = nrows(A);
1085  matrix H[n][n];
1086
1087  if (ncols(A)!=n){
1088    "// input is not a square matrix";
1089    return(0);
1090  }
1091  if(!const_mat(A)){
1092    "// input is not a constant matrix";
1093    return(-1);
1094  }
1095  if(deg(std(A-transpose(A))[1])!=-1){
1096    "// input is not a hermitian (symmetric) matrix";
1097    return(-1);
1098  }
1099
1100  Z=U_D_O(A);
1101
1102  if(Z[1]==-1){
1103    return(0);
1104  }  //A not regular, therefore not pos. definit
1105
1106  H=Z[1];
1107  //es fand Zeilentausch statt: also nicht positiv definit
1108  if(deg(std(H-unitmat(n))[1])!=-1){
1109    return(0);
1110  }
1111
1112  H=Z[3];
1113
1114  for(j=1;j<=n;j=j+1){
1115    if(H[j,j]<=0){
1116      return(0);
1117    } //eigenvalue<=0, not pos.definit
1118  }
1119
1120  return(1); //positiv definit;
1121}
1122example
1123{ "EXAMPLE"; echo=2;
1124  ring r = 0,(x),dp;
1125  matrix A[5][5] = 20,  4,  0, -9,   8,
1126                    4, 12, -6, -4,   9,
1127                    0, -6, -2, -9,  -8,
1128                   -9, -4, -9, -20, 10,
1129                    8,  9, -8,  10, 10;
1130  pos_def(A);
1131  matrix B[3][3] =  3,  2,  0,
1132                    2, 12,  4,
1133                    0,  4,  2;
1134  pos_def(B);
1135}
1136
1137//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
1138proc linsolve(matrix A, matrix b)
1139"USAGE:     linsolve(A,b); A a constant nxm-matrix, b a constant nx1-matrix
1140RETURN:    a 1xm matrix X, solution of inhomogeneous linear system A*X = b
1141           return the 0-matrix if system is not solvable
1142NOTE:      uses gaussred
1143EXAMPLE:   example linsolve; shows an example"
1144{
1145  int i,j,k,rc,r;
1146  poly c;
1147  list Z;
1148  int n  = nrows(A);
1149  int m  = ncols(A);
1150  int n_b= nrows(b);
1151  matrix Ab[n][m+1];
1152  matrix X[m][1];
1153
1154  if(ncols(b)!=1){
1155    "// right hand side b is not a nx1 matrix";
1156    return(X);
1157  }
1158
1159  if(!const_mat(A)){
1160    "// input hand is not a constant matrix";
1161    return(X);
1162  }
1163
1164  if(n_b>n){
1165    for(i=n; i<=n_b; i++){
1166      if(b[i,1]!=0){
1167        "// right hand side b not in Image(A)";
1168        return X;
1169      }
1170    }
1171  }
1172
1173  if(n_b<n){
1174    matrix copy[n_b][1]=b;
1175    matrix b[n][1]=0;
1176    for(i=1;i<=n_b;i=i+1){
1177      b[i,1]=copy[i,1];
1178    }
1179  }
1180
1181  r=mat_rk(A);
1182
1183  //1. b constant vector
1184  if(const_mat(b)){
1185    //extend A with b
1186    for(i=1; i<=n; i++){
1187      for(j=1; j<=m; j++){
1188        Ab[i,j]=A[i,j];
1189      }
1190      Ab[i,m+1]=b[i,1];
1191    }
1192
1193    //Gauss reduction
1194    Z  = gaussred(Ab);
1195    Ab = Z[3];  //normal form
1196    rc = Z[4];  //rank(Ab)
1197    //print(Ab);
1198
1199    if(r<rc){
1200        "// no solution";
1201        return(X);
1202    }
1203    k=m;
1204    for(i=r;i>=1;i=i-1){
1205
1206      j=1;
1207      while(Ab[i,j]==0){j=j+1;}// suche Ecke
1208
1209      for(;k>j;k=k-1){ X[k]=0;}//springe zur Ecke
1210
1211
1212      c=Ab[i,m+1]; //i-te Komponene von b
1213      for(j=m;j>k;j=j-1){
1214        c=c-X[j,1]*Ab[i,j];
1215      }
1216      if(Ab[i,k]==0){
1217        X[k,1]=1; //willkuerlich
1218      }
1219      else{
1220          X[k,1]=c/Ab[i,k];
1221      }
1222      k=k-1;
1223      if(k==0){break;}
1224    }
1225
1226
1227  }//endif (const b)
1228  else{  //b not constant
1229    "// !not implemented!";
1230
1231  }
1232
1233  return(X);
1234}
1235example
1236{ "EXAMPLE";echo=2;
1237  ring r=0,(x),dp;
1238  matrix A[3][2] = -4,-6,
1239                    2, 3,
1240                   -5, 7;
1241  matrix b[3][1] = 10,
1242                   -5,
1243                    2;
1244  matrix X = linsolve(A,b);
1245  print(X);
1246  print(A*X);
1247}
1248//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
1249
1250///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
1251//    PROCEDURES for Jordan normal form
1252//    AUTHOR:  Mathias Schulze, email: mschulze@mathematik.uni-kl.de
1253///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
1254
1255static proc rowcolswap(matrix M,int i,int j)
1256{
1257  if(i==j)
1258  {
1259    return(M);
1260  }
1261  poly p;
1262  for(int k=1;k<=nrows(M);k++)
1263  {
1264    p=M[i,k];
1265    M[i,k]=M[j,k];
1266    M[j,k]=p;
1267  }
1268  for(k=1;k<=ncols(M);k++)
1269  {
1270    p=M[k,i];
1271    M[k,i]=M[k,j];
1272    M[k,j]=p;
1273  }
1274  return(M);
1275}
1276//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
1277
1278static proc rowelim(matrix M,int i,int j,int k)
1279{
1280  if(jet(M[i,k],0)==0||jet(M[j,k],0)==0)
1281  {
1282    return(M);
1283  }
1284  number n=number(jet(M[i,k],0))/number(jet(M[j,k],0));
1285  for(int l=1;l<=ncols(M);l++)
1286  {
1287    M[i,l]=M[i,l]-n*M[j,l];
1288  }
1289  for(l=1;l<=nrows(M);l++)
1290  {
1291    M[l,j]=M[l,j]+n*M[l,i];
1292  }
1293  return(M);
1294}
1295///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
1296
1297static proc colelim(matrix M,int i,int j,int k)
1298{
1299  if(jet(M[k,i],0)==0||jet(M[k,j],0)==0)
1300  {
1301    return(M);
1302  }
1303  number n=number(jet(M[k,i],0))/number(jet(M[k,j],0));
1304  for(int l=1;l<=nrows(M);l++)
1305  {
1306    M[l,i]=M[l,i]-n*M[l,j];
1307  }
1308  for(l=1;l<=ncols(M);l++)
1309  {
1310    M[j,l]=M[j,l]+n*M[i,l];
1311  }
1312  return(M);
1313}
1314///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
1315
1316proc hessenberg(matrix M)
1317"USAGE:   hessenberg(M); matrix M
1318ASSUME:  M constant square matrix
1319RETURN:  matrix H;  Hessenberg form of M
1320EXAMPLE: example hessenberg; shows examples
1321"
1322{
1323  if(system("with","eigenval"))
1324  {
1325    return(system("hessenberg",M));
1326  }
1327
1328  int n=ncols(M);
1329  int i,j;
1330  for(int k=1;k<n-1;k++)
1331  {
1332    j=k+1;
1333    while(j<n&&jet(M[j,k],0)==0)
1334    {
1335      j++;
1336    }
1337    if(jet(M[j,k],0)!=0)
1338    {
1339      M=rowcolswap(M,j,k+1);
1340      for(i=j+1;i<=n;i++)
1341      {
1342        M=rowelim(M,i,k+1,k);
1343      }
1344    }
1345  }
1346  return(M);
1347}
1348example
1349{ "EXAMPLE:"; echo=2;
1350  ring R=0,x,dp;
1351  matrix M[3][3]=3,2,1,0,2,1,0,0,3;
1352  print(M);
1353  print(hessenberg(M));
1354}
1355///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
1356
1357proc eigenvals(matrix M)
1358"USAGE:   eigenvals(M); matrix M
1359ASSUME:  eigenvalues of M in basefield
1360RETURN:
1361@format
1362list l;
1363  ideal l[1];
1364    number l[1][i];  i-th eigenvalue of M
1365  intvec l[2];
1366    int l[2][i];  multiplicity of i-th eigenvalue of M
1367@end format
1368EXAMPLE: example eigenvals; shows examples
1369"
1370{
1371  if(system("with","eigenval"))
1372  {
1373    return(system("eigenvals",jet(M,0)));
1374  }
1375
1376  M=jet(hessenberg(M),0);
1377  int n=ncols(M);
1378  int k;
1379  ideal e;
1380  intvec m;
1381  number e0;
1382  intvec v;
1383  list l;
1384  int i,j;
1385  j=1;
1386  while(j<=n)
1387  {
1388    v=j;
1389    j++;
1390    if(j<=n)
1391    {
1392      while(j<n&&M[j,j-1]!=0)
1393      {
1394        v=v,j;
1395        j++;
1396      }
1397      if(M[j,j-1]!=0)
1398      {
1399        v=v,j;
1400        j++;
1401      }
1402    }
1403    if(size(v)==1)
1404    {
1405      k++;
1406      e[k]=M[v,v];
1407      m[k]=1;
1408    }
1409    else
1410    {
1411      l=factorize(det(submat(M,v,v)-var(1)));
1412      for(i=size(l[1]);i>=1;i--)
1413      {
1414        e0=number(jet(l[1][i]/var(1),0));
1415        if(e0!=0)
1416        {
1417          k++;
1418          e[k]=(e0*var(1)-l[1][i])/e0;
1419          m[k]=l[2][i];
1420        }
1421      }
1422    }
1423  }
1424  return(spnf(list(e,m)));
1425}
1426example
1427{ "EXAMPLE:"; echo=2;
1428  ring R=0,x,dp;
1429  matrix M[3][3]=3,2,1,0,2,1,0,0,3;
1430  print(M);
1431  eigenvals(M);
1432}
1433///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
1434
1435proc minipoly(matrix M,list #)
1436"USAGE:   minipoly(M); matrix M
1437ASSUME:  eigenvalues of M in basefield
1438RETURN:
1439@format
1440list l;  minimal polynomial of M
1441  ideal l[1];
1442    number l[1][i];  i-th root of minimal polynomial of M
1443  intvec l[2];
1444    int l[2][i];  multiplicity of i-th root of minimal polynomial of M
1445@end format
1446EXAMPLE: example minipoly; shows examples
1447"
1448{
1449  if(nrows(M)==0)
1450  {
1451    ERROR("non empty expected");
1452  }
1453  if(ncols(M)!=nrows(M))
1454  {
1455    ERROR("square matrix expected");
1456  }
1457
1458  M=jet(M,0);
1459
1460  if(size(#)==0)
1461  {
1462    #=eigenvals(M);
1463  }
1464  def e0,m0=#[1..2];
1465
1466  intvec m1;
1467  matrix N0,N1;
1468  for(int i=1;i<=ncols(e0);i++)
1469  {
1470    m1[i]=1;
1471    N0=M-e0[i];
1472    N1=N0;
1473    while(size(syz(N1))<m0[i])
1474    {
1475      m1[i]=m1[i]+1;
1476      N1=N1*N0;
1477    }
1478  }
1479
1480  return(list(e0,m1));
1481}
1482example
1483{ "EXAMPLE:"; echo=2;
1484  ring R=0,x,dp;
1485  matrix M[3][3]=3,2,1,0,2,1,0,0,3;
1486  print(M);
1487  minipoly(M);
1488}
1489///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
1490
1491proc spnf(list #)
1492"USAGE:   spnf(list(a[,m])); ideal a, intvec m
1493ASSUME:  ncols(a)==size(m)
1494RETURN:  list l:
1495            l[1] an ideal, the generators of a; sorted and with multiple entries displayed only once@*
1496            l[2] and intvec, l[2][i] provides the multiplicity of l[1][i]
1497EXAMPLE: example spnf; shows examples
1498"
1499{
1500  list sp=#;
1501  ideal a=sp[1];
1502  int n=ncols(a);
1503  intvec m;
1504  list V;
1505  module v;
1506  int i,j;
1507  for(i=2;i<=size(sp);i++)
1508  {
1509    if(typeof(sp[i])=="intvec")
1510    {
1511      m=sp[i];
1512    }
1513    if(typeof(sp[i])=="module")
1514    {
1515      v=sp[i];
1516      for(j=n;j>=1;j--)
1517      {
1518        V[j]=module(v[j]);
1519      }
1520    }
1521    if(typeof(sp[i])=="list")
1522    {
1523      V=sp[i];
1524    }
1525  }
1526  if(m==0)
1527  {
1528    for(i=n;i>=1;i--)
1529    {
1530      m[i]=1;
1531    }
1532  }
1533
1534  int k;
1535  ideal a0;
1536  intvec m0;
1537  list V0;
1538  number a1;
1539  int m1;
1540  for(i=n;i>=1;i--)
1541  {
1542    if(m[i]!=0)
1543    {
1544      for(j=i-1;j>=1;j--)
1545      {
1546        if(m[j]!=0)
1547        {
1548          if(number(a[i])>number(a[j]))
1549          {
1550            a1=number(a[i]);
1551            a[i]=a[j];
1552            a[j]=a1;
1553            m1=m[i];
1554            m[i]=m[j];
1555            m[j]=m1;
1556            if(size(V)>0)
1557            {
1558              v=V[i];
1559              V[i]=V[j];
1560              V[j]=v;
1561            }
1562          }
1563          if(number(a[i])==number(a[j]))
1564          {
1565            m[i]=m[i]+m[j];
1566            m[j]=0;
1567            if(size(V)>0)
1568            {
1569              V[i]=V[i]+V[j];
1570            }
1571          }
1572        }
1573      }
1574      k++;
1575      a0[k]=a[i];
1576      m0[k]=m[i];
1577      if(size(V)>0)
1578      {
1579        V0[k]=V[i];
1580      }
1581    }
1582  }
1583
1584  if(size(V0)>0)
1585  {
1586    n=size(V0);
1587    module U=std(V0[n]);
1588    for(i=n-1;i>=1;i--)
1589    {
1590      V0[i]=simplify(reduce(V0[i],U),1);
1591      if(i>=2)
1592      {
1593        U=std(U+V0[i]);
1594      }
1595    }
1596  }
1597
1598  if(k>0)
1599  {
1600    sp=a0,m0;
1601    if(size(V0)>0)
1602    {
1603      sp[3]=V0;
1604    }
1605  }
1606  return(sp);
1607}
1608example
1609{ "EXAMPLE:"; echo=2;
1610  ring R=0,(x,y),ds;
1611  list sp=list(ideal(-1/2,-3/10,-3/10,-1/10,-1/10,0,1/10,1/10,3/10,3/10,1/2));
1612  spprint(spnf(sp));
1613}
1614///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
1615
1616proc spprint(list sp)
1617"USAGE:   spprint(sp); list sp (helper routine for spnf)
1618RETURN:  string s;  spectrum sp
1619EXAMPLE: example spprint; shows examples
1620SEE ALSO: gmssing_lib, spnf
1621"
1622{
1623  string s;
1624  for(int i=1;i<size(sp[2]);i++)
1625  {
1626    s=s+"("+string(sp[1][i])+","+string(sp[2][i])+"),";
1627  }
1628  s=s+"("+string(sp[1][i])+","+string(sp[2][i])+")";
1629  return(s);
1630}
1631example
1632{ "EXAMPLE:"; echo=2;
1633  ring R=0,(x,y),ds;
1634  list sp=list(ideal(-1/2,-3/10,-1/10,0,1/10,3/10,1/2),intvec(1,2,2,1,2,2,1));
1635  spprint(sp);
1636}
1637///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
1638
1639proc jordan(matrix M,list #)
1640"USAGE:   jordan(M); matrix M
1641ASSUME:  eigenvalues of M in basefield
1642RETURN:
1643@format
1644list l;  Jordan data of M
1645  ideal l[1];
1646    number l[1][i];  eigenvalue of i-th Jordan block of M
1647  intvec l[2];
1648    int l[2][i];  size of i-th Jordan block of M
1649  intvec l[3];
1650    int l[3][i];  multiplicity of i-th Jordan block of M
1651@end format
1652EXAMPLE: example jordan; shows examples
1653"
1654{
1655  if(nrows(M)==0)
1656  {
1657    ERROR("non empty expected");
1658  }
1659  if(ncols(M)!=nrows(M))
1660  {
1661    ERROR("square matrix expected");
1662  }
1663
1664  M=jet(M,0);
1665
1666  if(size(#)==0)
1667  {
1668    #=eigenvals(M);
1669  }
1670  def e0,m0=#[1..2];
1671
1672  int i;
1673  for(i=1;i<=ncols(e0);i++)
1674  {
1675    if(deg(e0[i])>0)
1676    {
1677
1678      ERROR("eigenvalues in coefficient field expected");
1679      return(list());
1680    }
1681  }
1682
1683  int j,k;
1684  matrix N0,N1;
1685  module K0;
1686  list K;
1687  ideal e;
1688  intvec s,m;
1689
1690  for(i=1;i<=ncols(e0);i++)
1691  {
1692    N0=M-e0[i]*matrix(freemodule(ncols(M)));
1693
1694    N1=N0;
1695    K0=0;
1696    K=module();
1697    while(size(K0)<m0[i])
1698    {
1699      K0=syz(N1);
1700      K=K+list(K0);
1701      N1=N1*N0;
1702    }
1703
1704    for(j=2;j<size(K);j++)
1705    {
1706      if(2*size(K[j])-size(K[j-1])-size(K[j+1])>0)
1707      {
1708        k++;
1709        e[k]=e0[i];
1710        s[k]=j-1;
1711        m[k]=2*size(K[j])-size(K[j-1])-size(K[j+1]);
1712      }
1713    }
1714    if(size(K[j])-size(K[j-1])>0)
1715    {
1716      k++;
1717      e[k]=e0[i];
1718      s[k]=j-1;
1719      m[k]=size(K[j])-size(K[j-1]);
1720    }
1721  }
1722
1723  return(list(e,s,m));
1724}
1725example
1726{ "EXAMPLE:"; echo=2;
1727  ring R=0,x,dp;
1728  matrix M[3][3]=3,2,1,0,2,1,0,0,3;
1729  print(M);
1730  jordan(M);
1731}
1732///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
1733
1734proc jordanbasis(matrix M,list #)
1735"USAGE:   jordanbasis(M); matrix M
1736ASSUME:  eigenvalues of M in basefield
1737RETURN:
1738@format
1739list l:
1740  module l[1];  inverse(l[1])*M*l[1] in Jordan normal form
1741  intvec l[2];
1742    int l[2][i];  weight filtration index of l[1][i]
1743@end format
1744EXAMPLE: example jordanbasis; shows examples
1745"
1746{
1747  if(nrows(M)==0)
1748  {
1749    ERROR("non empty matrix expected");
1750  }
1751  if(ncols(M)!=nrows(M))
1752  {
1753    ERROR("square matrix expected");
1754  }
1755
1756  M=jet(M,0);
1757
1758  if(size(#)==0)
1759  {
1760    #=eigenvals(M);
1761  }
1762  def e,m=#[1..2];
1763
1764  for(int i=1;i<=ncols(e);i++)
1765  {
1766    if(deg(e[i])>0)
1767    {
1768      ERROR("eigenvalues in coefficient field expected");
1769      return(freemodule(ncols(M)));
1770    }
1771  }
1772
1773  int j,k,l,n;
1774  matrix N0,N1;
1775  module K0,K1;
1776  list K;
1777  matrix u[ncols(M)][1];
1778  module U;
1779  intvec w;
1780
1781  for(i=1;i<=ncols(e);i++)
1782  {
1783    N0=M-e[i]*matrix(freemodule(ncols(M)));
1784
1785    N1=N0;
1786    K0=0;
1787    K=list();
1788    while(size(K0)<m[i])
1789    {
1790      K0=syz(N1);
1791      K=K+list(K0);
1792      N1=N1*N0;
1793    }
1794
1795    K1=0;
1796    for(j=1;j<size(K);j++)
1797    {
1798      K0=K[j];
1799      K[j]=interred(reduce(K[j],std(K1+module(N0*K[j+1]))));
1800      K1=K0;
1801    }
1802    K[j]=interred(reduce(K[j],std(K1)));
1803
1804    for(l=size(K);l>=1;l--)
1805    {
1806      for(k=size(K[l]);k>0;k--)
1807      {
1808        u=K[l][k];
1809        for(j=l;j>=1;j--)
1810        {
1811          U=U+module(u);
1812          n++;
1813          w[n]=2*j-l-1;
1814          u=N0*u;
1815        }
1816      }
1817    }
1818  }
1819
1820  return(list(U,w));
1821}
1822example
1823{ "EXAMPLE:"; echo=2;
1824  ring R=0,x,dp;
1825  matrix M[3][3]=3,2,1,0,2,1,0,0,3;
1826  print(M);
1827  list l=jordanbasis(M);
1828  print(l[1]);
1829  print(l[2]);
1830  print(inverse(l[1])*M*l[1]);
1831}
1832///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
1833
1834proc jordanmatrix(list jd)
1835"USAGE:   jordanmatrix(list(e,s,m)); ideal e, intvec s, intvec m
1836ASSUME:  ncols(e)==size(s)==size(m)
1837RETURN:
1838@format
1839matrix J;  Jordan matrix with list(e,s,m)==jordan(J)
1840@end format
1841EXAMPLE: example jordanmatrix; shows examples
1842"
1843{
1844  ideal e=jd[1];
1845  intvec s=jd[2];
1846  intvec m=jd[3];
1847  if(ncols(e)!=size(s)||ncols(e)!=size(m))
1848  {
1849    ERROR("arguments of equal size expected");
1850  }
1851
1852  int i,j,k,l;
1853  int n=int((transpose(matrix(s))*matrix(m))[1,1]);
1854  matrix J[n][n];
1855  for(k=1;k<=ncols(e);k++)
1856  {
1857    for(l=1;l<=m[k];l++)
1858    {
1859      j++;
1860      J[j,j]=e[k];
1861      for(i=s[k];i>=2;i--)
1862      {
1863        J[j+1,j]=1;
1864        j++;
1865        J[j,j]=e[k];
1866      }
1867    }
1868  }
1869
1870  return(J);
1871}
1872example
1873{ "EXAMPLE:"; echo=2;
1874  ring R=0,x,dp;
1875  ideal e=ideal(2,3);
1876  intvec s=1,2;
1877  intvec m=1,1;
1878  print(jordanmatrix(list(e,s,m)));
1879}
1880///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
1881
1882proc jordannf(matrix M,list #)
1883"USAGE:   jordannf(M); matrix M
1884ASSUME:  eigenvalues of M in basefield
1885RETURN:  matrix J; Jordan normal form of M
1886EXAMPLE: example jordannf; shows examples
1887"
1888{
1889  return(jordanmatrix(jordan(M,#)));
1890}
1891example
1892{ "EXAMPLE:"; echo=2;
1893  ring R=0,x,dp;
1894  matrix M[3][3]=3,2,1,0,2,1,0,0,3;
1895  print(M);
1896  print(jordannf(M));
1897}
1898
1899///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
1900
1901/*
1902///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
1903//          Auskommentierte zusaetzliche Beispiele
1904//
1905///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
1906// Singular for ix86-Linux version 1-3-10  (2000121517)  Dec 15 2000 17:55:12
1907// Rechnungen auf AMD700 mit 632 MB
1908
1909 LIB "linalg.lib";
1910
19111. Sparse integer Matrizen
1912--------------------------
1913ring r1=0,(x),dp;
1914system("--random", 12345678);
1915int n = 70;
1916matrix m = sparsemat(n,n,50,100);
1917option(prot,mem);
1918
1919int t=timer;
1920matrix im = inverse(m,1)[1];
1921timer-t;
1922print(im*m);
1923//list l0 = watchdog(100,"inverse("+"m"+",3)");
1924//bricht bei 100 sec ab und gibt l0[1]: string Killed zurueck
1925
1926//inverse(m,1): std       5sec 5,5 MB
1927//inverse(m,2): interred  12sec
1928//inverse(m,2): lift      nach 180 sec 13MB abgebrochen
1929//n=60: linalgorig: 3  linalg: 5
1930//n=70: linalgorig: 6,7 linalg: 11,12
1931// aber linalgorig rechnet falsch!
1932
19332. Sparse poly Matrizen
1934-----------------------
1935ring r=(0),(a,b,c),dp;
1936system("--random", 12345678);
1937int n=6;
1938matrix m = sparsematrix(n,n,2,0,50,50,9); //matrix of polys of deg <=2
1939option(prot,mem);
1940
1941int t=timer;
1942matrix im = inverse(m);
1943timer-t;
1944print(im*m);
1945//inverse(m,1): std       0sec 1MB
1946//inverse(m,2): interred  0sec 1MB
1947//inverse(m,2): lift      nach 2000 sec 33MB abgebrochen
1948
19493. Sparse Matrizen mit Parametern
1950---------------------------------
1951//liborig rechnet hier falsch!
1952ring r=(0),(a,b),dp;
1953system("--random", 12345678);
1954int n=7;
1955matrix m = sparsematrix(n,n,1,0,40,50,9);
1956ring r1 = (0,a,b),(x),dp;
1957matrix m = imap(r,m);
1958option(prot,mem);
1959
1960int t=timer;
1961matrix im = inverse(m);
1962timer-t;
1963print(im*m);
1964//inverse(m)=inverse(m,3):15 sec inverse(m,1)=1sec inverse(m,2):>120sec
1965//Bei Parametern vergeht die Zeit beim Normieren!
1966
19673. Sparse Matrizen mit Variablen und Parametern
1968-----------------------------------------------
1969ring r=(0),(a,b),dp;
1970system("--random", 12345678);
1971int n=6;
1972matrix m = sparsematrix(n,n,1,0,35,50,9);
1973ring r1 = (0,a),(b),dp;
1974matrix m = imap(r,m);
1975option(prot,mem);
1976
1977int t=timer;
1978matrix im = inverse(m,3);
1979timer-t;
1980print(im*m);
1981//n=7: inverse(m,3):lange sec inverse(m,1)=1sec inverse(m,2):1sec
1982
19834. Ueber Polynomring invertierbare Matrizen
1984-------------------------------------------
1985LIB"random.lib"; LIB"linalg.lib";
1986system("--random", 12345678);
1987int n =3;
1988ring r= 0,(x,y,z),(C,dp);
1989matrix A=triagmatrix(n,n,1,0,0,50,2);
1990intmat B=sparsetriag(n,n,20,1);
1991matrix M = A*transpose(B);
1992M=M*transpose(M);
1993M[1,1..ncols(M)]=M[1,1..n]+xyz*M[n,1..ncols(M)];
1994print(M);
1995//M hat det=1 nach Konstruktion
1996
1997int t=timer;
1998matrix iM=inverse(M);
1999timer-t;
2000print(iM*M);                      //test
2001
2002//ACHTUNG: Interred liefert i.A. keine Inverse, Gegenbeispiel z.B.
2003//mit n=3
2004//eifacheres Gegenbeispiel:
2005matrix M =
20069yz+3y+3z+2,             9y2+6y+1,
20079xyz+3xy+3xz-9z2+2x-6z-1,9xy2+6xy-9yz+x-3y-3z
2008//det M=1, inverse(M,2); ->// ** matrix is not invertible
2009//lead(M); 9xyz*gen(2) 9xy2*gen(2) nicht teilbar!
2010
20115. charpoly:
2012-----------
2013//ring rp=(0,A,B,C),(x),dp;
2014ring r=0,(A,B,C,x),dp;
2015matrix m[12][12]=
2016AC,BC,-3BC,0,-A2+B2,-3AC+1,B2,   B2,  1,   0, -C2+1,0,
20171, 1, 2C,  0,0,     B,     -A,   -4C, 2A+1,0, 0,    0,
20180, 0, 0,   1,0,     2C+1,  -4C+1,-A,  B+1, 0, B+1,  3B,
2019AB,B2,0,   1,0,     1,     0,    1,   A,   0, 1,    B+1,
20201, 0, 1,   0,0,     1,     0,    -C2, 0,   1, 0,    1,
20210, 0, 2,   1,2A,    1,     0,    0,   0,   0, 1,    1,
20220, 1, 0,   1,1,     2,     A,    3B+1,1,   B2,1,    1,
20230, 1, 0,   1,1,     1,     1,    1,   2,   0, 0,    0,
20241, 0, 1,   0,0,     0,     1,    0,   1,   1, 0,    3,
20251, 3B,B2+1,0,0,     1,     0,    1,   0,   0, 1,    0,
20260, 0, 1,   0,0,     0,     0,    1,   0,   0, 0,    0,
20270, 1, 0,   1,1,     3,     3B+1, 0,   1,   1, 1,    0;
2028option(prot,mem);
2029
2030int t=timer;
2031poly q=charpoly(m,"x");         //1sec, charpoly_B 1sec, 16MB
2032timer-t;
2033//1sec, charpoly_B 1sec, 16MB  (gleich in r und rp)
2034
2035*/
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.