source: git/kernel/rmodulo2m.cc @ 76e501

spielwiese
Last change on this file since 76e501 was 76e501, checked in by Frank Seelisch <seelisch@…>, 14 years ago
extends Z/2^m to m =32 resp. 64 (depending on platform) git-svn-id: file:///usr/local/Singular/svn/trunk@13036 2c84dea3-7e68-4137-9b89-c4e89433aadc
  • Property mode set to 100644
File size: 13.2 KB
Line 
1/****************************************
2*  Computer Algebra System SINGULAR     *
3****************************************/
4/* $Id$ */
5/*
6* ABSTRACT: numbers modulo 2^m
7*/
8
9#include <string.h>
10#include <kernel/mod2.h>
11
12#ifdef HAVE_RINGS
13#include <mylimits.h>
14#include <kernel/structs.h>
15#include <kernel/febase.h>
16#include <omalloc.h>
17#include <kernel/numbers.h>
18#include <kernel/longrat.h>
19#include <kernel/mpr_complex.h>
20#include <kernel/ring.h>
21#include <kernel/rmodulo2m.h>
22#include <kernel/si_gmp.h>
23
24int nr2mExp;
25
26/*
27 * Multiply two numbers
28 */
29number nr2mMult (number a, number b)
30{
31  if (((NATNUMBER)a == 0) || ((NATNUMBER)b == 0))
32    return (number)0;
33  else
34    return nr2mMultM(a,b);
35}
36
37/*
38 * Give the smallest non unit k, such that a * x = k = b * y has a solution
39 */
40number nr2mLcm (number a,number b,ring r)
41{
42  NATNUMBER res = 0;
43  if ((NATNUMBER) a == 0) a = (number) 1;
44  if ((NATNUMBER) b == 0) b = (number) 1;
45  while ((NATNUMBER) a % 2 == 0)
46  {
47    a = (number) ((NATNUMBER) a / 2);
48    if ((NATNUMBER) b % 2 == 0) b = (number) ((NATNUMBER) b / 2);
49    res++;
50  }
51  while ((NATNUMBER) b % 2 == 0)
52  {
53    b = (number) ((NATNUMBER) b / 2);
54    res++;
55  }
56  return (number) (1L << res);  // (2**res)
57}
58
59/*
60 * Give the largest non unit k, such that a = x * k, b = y * k has
61 * a solution.
62 */
63number nr2mGcd (number a,number b,ring r)
64{
65  NATNUMBER res = 0;
66  if ((NATNUMBER) a == 0 && (NATNUMBER) b == 0) return (number) 1;
67  while ((NATNUMBER) a % 2 == 0 && (NATNUMBER) b % 2 == 0)
68  {
69    a = (number) ((NATNUMBER) a / 2);
70    b = (number) ((NATNUMBER) b / 2);
71    res++;
72  }
73//  if ((NATNUMBER) b % 2 == 0)
74//  {
75//    return (number) ((1L << res));// * (NATNUMBER) a);  // (2**res)*a    a ist Einheit
76//  }
77//  else
78//  {
79    return (number) ((1L << res));// * (NATNUMBER) b);  // (2**res)*b    b ist Einheit
80//  }
81}
82
83/*
84 * Give the largest non unit k, such that a = x * k, b = y * k has
85 * a solution.
86 */
87number nr2mExtGcd (number a, number b, number *s, number *t)
88{
89  NATNUMBER res = 0;
90  if ((NATNUMBER) a == 0 && (NATNUMBER) b == 0) return (number) 1;
91  while ((NATNUMBER) a % 2 == 0 && (NATNUMBER) b % 2 == 0)
92  {
93    a = (number) ((NATNUMBER) a / 2);
94    b = (number) ((NATNUMBER) b / 2);
95    res++;
96  }
97  if ((NATNUMBER) b % 2 == 0)
98  {
99    *t = NULL;
100    *s = nr2mInvers(a);
101    return (number) ((1L << res));// * (NATNUMBER) a);  // (2**res)*a    a ist Einheit
102  }
103  else
104  {
105    *s = NULL;
106    *t = nr2mInvers(b);
107    return (number) ((1L << res));// * (NATNUMBER) b);  // (2**res)*b    b ist Einheit
108  }
109}
110
111void nr2mPower (number a, int i, number * result)
112{
113  if (i==0)
114  {
115    *(NATNUMBER *)result = 1;
116  }
117  else if (i==1)
118  {
119    *result = a;
120  }
121  else
122  {
123    nr2mPower(a,i-1,result);
124    *result = nr2mMultM(a,*result);
125  }
126}
127
128/*
129 * create a number from int
130 */
131number nr2mInit (int i, const ring r)
132{
133  if (i == 0) return (number)(NATNUMBER)i;
134
135  long ii = i;
136  NATNUMBER j = (NATNUMBER)1;
137  if (ii < 0) { j = currRing->nr2mModul; ii = -ii; }
138  NATNUMBER k = (NATNUMBER)ii;
139  k = k & currRing->nr2mModul;
140  /* now we have: from = j * k mod 2^m */
141  return (number)nr2mMult((number)j, (number)k);
142}
143
144/*
145 * convert a number to an int in ]-k/2 .. k/2],
146 * where k = 2^m; i.e., an int in ]-2^(m-1) .. 2^(m-1)];
147 * note that the code computes a long which will then
148 * automatically casted to int
149 */
150int nr2mInt(number &n, const ring r)
151{
152  NATNUMBER nn = (unsigned long)(NATNUMBER)n & r->nr2mModul;
153  unsigned long l = r->nr2mModul >> 1; l++;
154  if (l == 0)
155    return (int)(signed long)(NATNUMBER)nn;
156  else if ((NATNUMBER)nn > l)
157    return (int)((NATNUMBER)nn - r->nr2mModul - 1);
158  else
159    return (int)((NATNUMBER)nn);
160}
161
162number nr2mAdd (number a, number b)
163{
164  return nr2mAddM(a,b);
165}
166
167number nr2mSub (number a, number b)
168{
169  return nr2mSubM(a,b);
170}
171
172BOOLEAN nr2mIsUnit (number a)
173{
174  return ((NATNUMBER) a % 2 == 1);
175}
176
177number  nr2mGetUnit (number k)
178{
179  if (k == NULL)
180    return (number) 1;
181  NATNUMBER tmp = (NATNUMBER) k;
182  while (tmp % 2 == 0)
183    tmp = tmp / 2;
184  return (number) tmp;
185}
186
187BOOLEAN nr2mIsZero (number  a)
188{
189  return 0 == (NATNUMBER)a;
190}
191
192BOOLEAN nr2mIsOne (number a)
193{
194  return 1 == (NATNUMBER)a;
195}
196
197BOOLEAN nr2mIsMOne (number a)
198{
199  return (currRing->nr2mModul == (NATNUMBER)a);
200}
201
202BOOLEAN nr2mEqual (number a, number b)
203{
204  return nr2mEqualM(a,b);
205}
206
207BOOLEAN nr2mGreater (number a, number b)
208{
209  return nr2mDivBy(a, b);
210}
211
212BOOLEAN nr2mDivBy (number a, number b)
213{
214  if ((NATNUMBER)a == 0) return TRUE;
215  if ((NATNUMBER)b == 0) return FALSE;
216  return ((NATNUMBER)a % (NATNUMBER)b) == 0;
217}
218
219int nr2mDivComp(number as, number bs)
220{
221  NATNUMBER a = (NATNUMBER) as;
222  NATNUMBER b = (NATNUMBER) bs;
223  assume(a != 0 && b != 0);
224  while (a % 2 == 0 && b % 2 == 0)
225  {
226    a = a / 2;
227    b = b / 2;
228  }
229  if (a % 2 == 0)
230  {
231    return -1;
232  }
233  else
234  {
235    if (b % 2 == 1)
236    {
237      return 0;
238    }
239    else
240    {
241      return 1;
242    }
243  }
244}
245
246/* TRUE iff 0 < k <= 2^m / 2 */
247BOOLEAN nr2mGreaterZero (number k)
248{
249  if ((NATNUMBER)k == 0) return FALSE;
250  if ((NATNUMBER)k > ((currRing->nr2mModul >> 1) + 1)) return FALSE;
251  return TRUE;
252}
253
254/* assumes that 'a' is odd, i.e., a unit in Z/2^m, and computes
255   the extended gcd of 'a' and 2^m, in order to find some 's'
256   and 't' such that a * s + 2^m * t = gcd(a, 2^m) = 1;
257   this code will always find a positive 's' */
258void specialXGCD(unsigned long& s, unsigned long a)
259{
260  int_number u = (int_number)omAlloc(sizeof(mpz_t));
261  mpz_init_set_ui(u, a);
262  int_number u0 = (int_number)omAlloc(sizeof(mpz_t));
263  mpz_init(u0);
264  int_number u1 = (int_number)omAlloc(sizeof(mpz_t));
265  mpz_init_set_ui(u1, 1);
266  int_number u2 = (int_number)omAlloc(sizeof(mpz_t));
267  mpz_init(u2);
268  int_number v = (int_number)omAlloc(sizeof(mpz_t));
269  mpz_init_set_ui(v, currRing->nr2mModul);
270  mpz_add_ui(v, v, 1); /* now: v = 2^m */
271  int_number v0 = (int_number)omAlloc(sizeof(mpz_t));
272  mpz_init(v0);
273  int_number v1 = (int_number)omAlloc(sizeof(mpz_t));
274  mpz_init(v1);
275  int_number v2 = (int_number)omAlloc(sizeof(mpz_t));
276  mpz_init_set_ui(v2, 1);
277  int_number q = (int_number)omAlloc(sizeof(mpz_t));
278  mpz_init(q);
279  int_number r = (int_number)omAlloc(sizeof(mpz_t));
280  mpz_init(r);
281
282  while (mpz_cmp_ui(v, 0) != 0) /* i.e., while v != 0 */
283  {
284    mpz_div(q, u, v);
285    mpz_mod(r, u, v);
286    mpz_set(u, v);
287    mpz_set(v, r);
288    mpz_set(u0, u2);
289    mpz_set(v0, v2);
290    mpz_mul(u2, u2, q); mpz_sub(u2, u1, u2); /* u2 = u1 - q * u2 */
291    mpz_mul(v2, v2, q); mpz_sub(v2, v1, v2); /* v2 = v1 - q * v2 */
292    mpz_set(u1, u0);
293    mpz_set(v1, v0);
294  }
295
296  while (mpz_cmp_ui(u1, 0) < 0) /* i.e., while u1 < 0 */
297  {
298    /* we add 2^m = (2^m - 1) + 1 to u1: */
299    mpz_add_ui(u1, u1, currRing->nr2mModul);
300    mpz_add_ui(u1, u1, 1);
301  }
302  s = mpz_get_ui(u1); /* now: 0 <= s <= 2^m - 1 */
303
304  mpz_clear(u);  omFree((ADDRESS)u);
305  mpz_clear(u0); omFree((ADDRESS)u0);
306  mpz_clear(u1); omFree((ADDRESS)u1);
307  mpz_clear(u2); omFree((ADDRESS)u2);
308  mpz_clear(v);  omFree((ADDRESS)v);
309  mpz_clear(v0); omFree((ADDRESS)v0);
310  mpz_clear(v1); omFree((ADDRESS)v1);
311  mpz_clear(v2); omFree((ADDRESS)v2);
312  mpz_clear(q); omFree((ADDRESS)q);
313  mpz_clear(r); omFree((ADDRESS)r);
314}
315
316NATNUMBER InvMod(NATNUMBER a)
317{
318  assume((NATNUMBER)a % 2 != 0);
319  unsigned long s;
320  specialXGCD(s, a);
321  return s;
322}
323//#endif
324
325inline number nr2mInversM (number c)
326{
327  assume((NATNUMBER)c % 2 != 0);
328  return (number)InvMod((NATNUMBER)c);
329}
330
331number nr2mDiv (number a,number b)
332{
333  if ((NATNUMBER)a==0)
334    return (number)0;
335  else if ((NATNUMBER)b%2==0)
336  {
337    if ((NATNUMBER)b != 0)
338    {
339      while ((NATNUMBER) b%2 == 0 && (NATNUMBER) a%2 == 0)
340      {
341        a = (number) ((NATNUMBER) a / 2);
342        b = (number) ((NATNUMBER) b / 2);
343      }
344    }
345    if ((NATNUMBER) b%2 == 0)
346    {
347      WerrorS("Division not possible, even by cancelling zero divisors.");
348      WerrorS("Result is integer division without remainder.");
349      return (number) ((NATNUMBER) a / (NATNUMBER) b);
350    }
351  }
352  return (number) nr2mMult(a, nr2mInversM(b));
353}
354
355number nr2mMod (number a, number b)
356{
357  /*
358    We need to return the number r which is uniquely determined by the
359    following two properties:
360      (1) 0 <= r < |b| (with respect to '<' and '<=' performed in Z x Z)
361      (2) There exists some k in the integers Z such that a = k * b + r.
362    Consider g := gcd(2^m, |b|). Note that then |b|/g is a unit in Z/2^m.
363    Now, there are three cases:
364      (a) g = 1
365          Then |b| is a unit in Z/2^m, i.e. |b| (and also b) divides a.
366          Thus r = 0.
367      (b) g <> 1 and g divides a
368          Then a = (a/g) * (|b|/g)^(-1) * b (up to sign), i.e. again r = 0.
369      (c) g <> 1 and g does not divide a
370          Let's denote the division with remainder of a by g as follows:
371          a = s * g + t. Then t = a - s * g = a - s * (|b|/g)^(-1) * |b|
372          fulfills (1) and (2), i.e. r := t is the correct result. Hence
373          in this third case, r is the remainder of division of a by g in Z.
374    This algorithm is the same as for the case Z/n, except that we may
375    compute the gcd of |b| and 2^m "by hand": We just extract the highest
376    power of 2 (<= 2^m) that is contained in b.
377  */
378  assume((NATNUMBER)b != 0);
379  NATNUMBER g = 1;
380  NATNUMBER b_div = (NATNUMBER)b;
381  if (b_div < 0) b_div = -b_div; // b_div now represents |b|
382  NATNUMBER r = 0;
383  while ((g < currRing->nr2mModul) && (b_div > 0) && (b_div % 2 == 0))
384  {
385    b_div = b_div >> 1;
386    g = g << 1;
387  } // g is now the gcd of 2^m and |b|
388
389  if (g != 1) r = (NATNUMBER)a % g;
390  return (number)r;
391}
392
393number nr2mIntDiv (number a,number b)
394{
395  assume((NATNUMBER)b != 0);
396  return (number) ((NATNUMBER) a / (NATNUMBER) b);
397}
398
399number  nr2mInvers (number c)
400{
401  if ((NATNUMBER)c%2==0)
402  {
403    WerrorS("division by zero divisor");
404    return (number)0;
405  }
406  return nr2mInversM(c);
407}
408
409number nr2mNeg (number c)
410{
411  if ((NATNUMBER)c==0) return c;
412  return nr2mNegM(c);
413}
414
415number nr2mMapMachineInt(number from)
416{
417  NATNUMBER i = ((NATNUMBER) from) & currRing->nr2mModul;
418  return (number) i;
419}
420
421number nr2mMapZp(number from)
422{
423  long ii = (long)from;
424  NATNUMBER j = (NATNUMBER)1;
425  if (ii < 0) { j = currRing->nr2mModul; ii = -ii; }
426  NATNUMBER i = (NATNUMBER)ii;
427  i = i & currRing->nr2mModul;
428  /* now we have: from = j * i mod 2^m */
429  return (number)nr2mMult((number)i, (number)j);
430}
431
432number nr2mMapQ(number from)
433{
434  int_number erg = (int_number) omAlloc(sizeof(mpz_t));
435  mpz_init(erg);
436  int_number k = (int_number) omAlloc(sizeof(mpz_t));
437  mpz_init_set_ui(k, currRing->nr2mModul);
438
439  nlGMP(from, (number)erg);
440  mpz_and(erg, erg, k);
441  number r = (number)mpz_get_ui(erg);
442
443  mpz_clear(erg); omFree((ADDRESS)erg);
444  mpz_clear(k);   omFree((ADDRESS)k);
445
446  return (number) r;
447}
448
449number nr2mMapGMP(number from)
450{
451  int_number erg = (int_number) omAlloc(sizeof(mpz_t));
452  mpz_init(erg);
453  int_number k = (int_number) omAlloc(sizeof(mpz_t));
454  mpz_init_set_ui(k, currRing->nr2mModul);
455
456  mpz_and(erg, (int_number)from, k);
457  number r = (number) mpz_get_ui(erg);
458
459  mpz_clear(erg); omFree((ADDRESS)erg);
460  mpz_clear(k);   omFree((ADDRESS)k);
461
462  return (number) r;
463}
464
465nMapFunc nr2mSetMap(const ring src, const ring dst)
466{
467  if (rField_is_Ring_2toM(src)
468     && (src->ringflagb >= dst->ringflagb))
469  {
470    return nr2mMapMachineInt;
471  }
472  if (rField_is_Ring_Z(src))
473  {
474    return nr2mMapGMP;
475  }
476  if (rField_is_Q(src))
477  {
478    return nr2mMapQ;
479  }
480  if (rField_is_Zp(src)
481     && (src->ch == 2)
482     && (dst->ringflagb == 1))
483  {
484    return nr2mMapZp;
485  }
486  if (rField_is_Ring_PtoM(src) || rField_is_Ring_ModN(src))
487  {
488    // Computing the n of Z/n
489    int_number modul = (int_number) omAlloc(sizeof(mpz_t)); // evtl. spaeter mit bin
490    mpz_init(modul);
491    mpz_set(modul, src->ringflaga);
492    mpz_pow_ui(modul, modul, src->ringflagb);
493    if (mpz_divisible_2exp_p(modul, dst->ringflagb))
494    {
495      mpz_clear(modul);
496      omFree((ADDRESS) modul);
497      return nr2mMapGMP;
498    }
499    mpz_clear(modul);
500    omFree((ADDRESS) modul);
501  }
502  return NULL;      // default
503}
504
505/*
506 * set the exponent (allocate and init tables) (TODO)
507 */
508
509void nr2mSetExp(int m, const ring r)
510{
511  if (m > 1)
512  {
513    nr2mExp = m;
514    /* we want nr2mModul to be the bit pattern '11..1' consisting
515       of m one's: */
516    r->nr2mModul = 1;
517    for (int i = 1; i < m; i++) r->nr2mModul = (r->nr2mModul * 2) + 1;
518  }
519  else
520  {
521    nr2mExp = 2;
522    r->nr2mModul = 3; /* i.e., '11' in binary representation */
523  }
524}
525
526void nr2mInitExp(int m, const ring r)
527{
528  nr2mSetExp(m, r);
529  if (m < 2) WarnS("nr2mInitExp failed: we go on with Z/2^2");
530}
531
532#ifdef LDEBUG
533BOOLEAN nr2mDBTest (number a, const char *f, const int l)
534{
535  if ((NATNUMBER)a < 0) return FALSE;
536  if (((NATNUMBER)a & currRing->nr2mModul) != (NATNUMBER)a) return FALSE;
537  return TRUE;
538}
539#endif
540
541void nr2mWrite (number &a, const ring r)
542{
543  int i = nr2mInt(a, r);
544  StringAppend("%d", i);
545}
546
547static const char* nr2mEati(const char *s, int *i)
548{
549
550  if (((*s) >= '0') && ((*s) <= '9'))
551  {
552    (*i) = 0;
553    do
554    {
555      (*i) *= 10;
556      (*i) += *s++ - '0';
557      if ((*i) >= (MAX_INT_VAL / 10)) (*i) = (*i) & currRing->nr2mModul;
558    }
559    while (((*s) >= '0') && ((*s) <= '9'));
560    (*i) = (*i) & currRing->nr2mModul;
561  }
562  else (*i) = 1;
563  return s;
564}
565
566const char * nr2mRead (const char *s, number *a)
567{
568  int z;
569  int n=1;
570
571  s = nr2mEati(s, &z);
572  if ((*s) == '/')
573  {
574    s++;
575    s = nr2mEati(s, &n);
576  }
577  if (n == 1)
578    *a = (number)z;
579  else
580      *a = nr2mDiv((number)z,(number)n);
581  return s;
582}
583#endif
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.