source: git/libpolys/coeffs/rmodulon.cc @ 0b7bf7

jengelh-datetimespielwiese
Last change on this file since 0b7bf7 was 0b7bf7, checked in by Oleksandr Motsak <motsak@…>, 12 years ago
FIX: fixed a bug (due to the sum test for Zn3), together with Frank Seelisch
  • Property mode set to 100644
File size: 15.9 KB
Line 
1/****************************************
2*  Computer Algebra System SINGULAR     *
3****************************************/
4/* $Id$ */
5/*
6* ABSTRACT: numbers modulo n
7*/
8
9#include "config.h"
10#include <misc/auxiliary.h>
11
12#ifdef HAVE_RINGS
13
14#include <misc/mylimits.h>
15#include <coeffs/coeffs.h>
16#include <reporter/reporter.h>
17#include <omalloc/omalloc.h>
18#include <coeffs/numbers.h>
19#include <coeffs/longrat.h>
20#include <coeffs/mpr_complex.h>
21#include <coeffs/rmodulon.h>
22#include <coeffs/si_gmp.h>
23
24#include <string.h>
25
26extern omBin gmp_nrz_bin;
27
28/* for initializing function pointers */
29BOOLEAN nrnInitChar (coeffs r, void* p)
30{
31 
32  nrnInitExp((int)(long)(p), r);
33
34  r->cfInit        = nrnInit;
35  r->cfDelete      = nrnDelete;
36  r->cfCopy        = nrnCopy;
37  r->cfSize        = nrnSize;
38  r->cfInt         = nrnInt;
39  r->cfAdd         = nrnAdd;
40  r->cfSub         = nrnSub;
41  r->cfMult        = nrnMult;
42  r->cfDiv         = nrnDiv;
43  r->cfIntDiv      = nrnIntDiv;
44  r->cfIntMod      = nrnMod;
45  r->cfExactDiv    = nrnDiv;
46  r->cfNeg         = nrnNeg;
47  r->cfInvers      = nrnInvers;
48  r->cfDivBy       = nrnDivBy;
49  r->cfDivComp     = nrnDivComp;
50  r->cfGreater     = nrnGreater;
51  r->cfEqual       = nrnEqual;
52  r->cfIsZero      = nrnIsZero;
53  r->cfIsOne       = nrnIsOne;
54  r->cfIsMOne      = nrnIsMOne;
55  r->cfGreaterZero = nrnGreaterZero;
56  r->cfWrite       = nrnWrite;
57  r->cfRead        = nrnRead;
58  r->cfPower       = nrnPower;
59  r->cfSetMap      = nrnSetMap;
60  r->cfNormalize   = ndNormalize;
61  r->cfLcm         = nrnLcm;
62  r->cfGcd         = nrnGcd;
63  r->cfIsUnit      = nrnIsUnit;
64  r->cfGetUnit     = nrnGetUnit;
65  r->cfExtGcd      = nrnExtGcd;
66  r->cfName        = ndName;
67#ifdef LDEBUG
68  r->cfDBTest      = nrnDBTest;
69#endif
70  return FALSE;
71}
72
73/*
74 * create a number from int
75 */
76number nrnInit(int i, const coeffs r)
77{
78  int_number erg = (int_number) omAllocBin(gmp_nrz_bin);
79  mpz_init_set_si(erg, i);
80  mpz_mod(erg, erg, r->modNumber);
81  return (number) erg;
82}
83
84void nrnDelete(number *a, const coeffs r)
85{
86  if (*a == NULL) return;
87  mpz_clear((int_number) *a);
88  omFreeBin((void *) *a, gmp_nrz_bin);
89  *a = NULL;
90}
91
92number nrnCopy(number a, const coeffs r)
93{
94  int_number erg = (int_number) omAllocBin(gmp_nrz_bin);
95  mpz_init_set(erg, (int_number) a);
96  return (number) erg;
97}
98
99int nrnSize(number a, const coeffs r)
100{
101  if (a == NULL) return 0;
102  return sizeof(mpz_t);
103}
104
105/*
106 * convert a number to int
107 */
108int nrnInt(number &n, const coeffs r)
109{
110  return (int)mpz_get_si((int_number) n);
111}
112
113/*
114 * Multiply two numbers
115 */
116number nrnMult(number a, number b, const coeffs r)
117{
118  int_number erg = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
119  mpz_init(erg);
120  mpz_mul(erg, (int_number)a, (int_number) b);
121  mpz_mod(erg, erg, r->modNumber);
122  return (number) erg;
123}
124
125void nrnPower(number a, int i, number * result, const coeffs r)
126{
127  int_number erg = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
128  mpz_init(erg);
129  mpz_powm_ui(erg, (int_number)a, i, r->modNumber);
130  *result = (number) erg;
131}
132
133number nrnAdd(number a, number b, const coeffs r)
134{
135  int_number erg = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
136  mpz_init(erg);
137  mpz_add(erg, (int_number)a, (int_number) b);
138  mpz_mod(erg, erg, r->modNumber);
139  return (number) erg;
140}
141
142number nrnSub(number a, number b, const coeffs r)
143{
144  int_number erg = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
145  mpz_init(erg);
146  mpz_sub(erg, (int_number)a, (int_number) b);
147  mpz_mod(erg, erg, r->modNumber);
148  return (number) erg;
149}
150
151number nrnNeg(number c, const coeffs r)
152{
153  if( !nrnIsZero(c, r) )
154    // Attention: This method operates in-place.
155    mpz_sub((int_number)c, r->modNumber, (int_number)c); 
156  return c;
157}
158
159number nrnInvers(number c, const coeffs r)
160{
161  int_number erg = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
162  mpz_init(erg);
163  mpz_invert(erg, (int_number)c, r->modNumber);
164  return (number) erg;
165}
166
167/*
168 * Give the smallest k, such that a * x = k = b * y has a solution
169 * TODO: lcm(gcd,gcd) better than gcd(lcm) ?
170 */
171number nrnLcm(number a, number b, const coeffs r)
172{
173  number erg = nrnGcd(NULL, a, r);
174  number tmp = nrnGcd(NULL, b, r);
175  mpz_lcm((int_number)erg, (int_number)erg, (int_number)tmp);
176  nrnDelete(&tmp, NULL);
177  return (number)erg;
178}
179
180/*
181 * Give the largest k, such that a = x * k, b = y * k has
182 * a solution.
183 */
184number nrnGcd(number a, number b, const coeffs r)
185{
186  if ((a == NULL) && (b == NULL)) return nrnInit(0,r);
187  int_number erg = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
188  mpz_init_set(erg, r->modNumber);
189  if (a != NULL) mpz_gcd(erg, erg, (int_number)a);
190  if (b != NULL) mpz_gcd(erg, erg, (int_number)b);
191  return (number)erg;
192}
193
194/* Not needed any more, but may have room for improvement
195   number nrnGcd3(number a,number b, number c,ring r)
196{
197  int_number erg = (int_number) omAllocBin(gmp_nrz_bin);
198  mpz_init(erg);
199  if (a == NULL) a = (number)r->modNumber;
200  if (b == NULL) b = (number)r->modNumber;
201  if (c == NULL) c = (number)r->modNumber;
202  mpz_gcd(erg, (int_number)a, (int_number)b);
203  mpz_gcd(erg, erg, (int_number)c);
204  mpz_gcd(erg, erg, r->modNumber);
205  return (number)erg;
206}
207*/
208
209/*
210 * Give the largest k, such that a = x * k, b = y * k has
211 * a solution and r, s, s.t. k = s*a + t*b
212 */
213number nrnExtGcd(number a, number b, number *s, number *t, const coeffs r)
214{
215  int_number erg = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
216  int_number bs  = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
217  int_number bt  = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
218  mpz_init(erg);
219  mpz_init(bs);
220  mpz_init(bt);
221  mpz_gcdext(erg, bs, bt, (int_number)a, (int_number)b);
222  mpz_mod(bs, bs, r->modNumber);
223  mpz_mod(bt, bt, r->modNumber);
224  *s = (number)bs;
225  *t = (number)bt;
226  return (number)erg;
227}
228
229BOOLEAN nrnIsZero(number a, const coeffs r)
230{
231#ifdef LDEBUG
232  if (a == NULL) return FALSE;
233#endif
234  return 0 == mpz_cmpabs_ui((int_number)a, 0);
235}
236
237BOOLEAN nrnIsOne(number a, const coeffs r)
238{
239#ifdef LDEBUG
240  if (a == NULL) return FALSE;
241#endif
242  return 0 == mpz_cmp_si((int_number)a, 1);
243}
244
245BOOLEAN nrnIsMOne(number a, const coeffs r)
246{
247#ifdef LDEBUG
248  if (a == NULL) return FALSE;
249#endif
250  mpz_t t; mpz_init_set(t, (int_number)a);
251  mpz_add_ui(t, t, 1);
252  bool erg = (0 == mpz_cmp(t, r->modNumber));
253  mpz_clear(t);
254  return erg;
255}
256
257BOOLEAN nrnEqual(number a, number b, const coeffs r)
258{
259  return 0 == mpz_cmp((int_number)a, (int_number)b);
260}
261
262BOOLEAN nrnGreater(number a, number b, const coeffs r)
263{
264  return 0 < mpz_cmp((int_number)a, (int_number)b);
265}
266
267BOOLEAN nrnGreaterZero(number k, const coeffs r)
268{
269  return 0 < mpz_cmp_si((int_number)k, 0);
270}
271
272BOOLEAN nrnIsUnit(number a, const coeffs r)
273{
274  number tmp = nrnGcd(a, (number)r->modNumber, r);
275  bool res = nrnIsOne(tmp, r);
276  nrnDelete(&tmp, NULL);
277  return res;
278}
279
280number nrnGetUnit(number k, const coeffs r)
281{
282  if (mpz_divisible_p(r->modNumber, (int_number)k)) return nrnInit(1,r);
283
284  int_number unit = (int_number)nrnGcd(k, 0, r);
285  mpz_tdiv_q(unit, (int_number)k, unit);
286  int_number gcd = (int_number)nrnGcd((number)unit, 0, r);
287  if (!nrnIsOne((number)gcd,r))
288  {
289    int_number ctmp;
290    // tmp := unit^2
291    int_number tmp = (int_number) nrnMult((number) unit,(number) unit,r);
292    // gcd_new := gcd(tmp, 0)
293    int_number gcd_new = (int_number) nrnGcd((number) tmp, 0, r);
294    while (!nrnEqual((number) gcd_new,(number) gcd,r))
295    {
296      // gcd := gcd_new
297      ctmp = gcd;
298      gcd = gcd_new;
299      gcd_new = ctmp;
300      // tmp := tmp * unit
301      mpz_mul(tmp, tmp, unit);
302      mpz_mod(tmp, tmp, r->modNumber);
303      // gcd_new := gcd(tmp, 0)
304      mpz_gcd(gcd_new, tmp, r->modNumber);
305    }
306    // unit := unit + modNumber / gcd_new
307    mpz_tdiv_q(tmp, r->modNumber, gcd_new);
308    mpz_add(unit, unit, tmp);
309    mpz_mod(unit, unit, r->modNumber);
310    nrnDelete((number*) &gcd_new, NULL);
311    nrnDelete((number*) &tmp, NULL);
312  }
313  nrnDelete((number*) &gcd, NULL);
314  return (number)unit;
315}
316
317BOOLEAN nrnDivBy(number a, number b, const coeffs r)
318{
319  if (a == NULL)
320    return mpz_divisible_p(r->modNumber, (int_number)b);
321  else
322  { /* b divides a iff b/gcd(a, b) is a unit in the given ring: */
323    number n = nrnGcd(a, b, r);
324    mpz_tdiv_q((int_number)n, (int_number)b, (int_number)n);
325    bool result = nrnIsUnit(n, r);
326    nrnDelete(&n, NULL);
327    return result;
328  }
329}
330
331int nrnDivComp(number a, number b, const coeffs r)
332{
333  if (nrnEqual(a, b,r)) return 2;
334  if (mpz_divisible_p((int_number) a, (int_number) b)) return -1;
335  if (mpz_divisible_p((int_number) b, (int_number) a)) return 1;
336  return 0;
337}
338
339number nrnDiv(number a, number b, const coeffs r)
340{
341  if (a == NULL) a = (number)r->modNumber;
342  int_number erg = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
343  mpz_init(erg);
344  if (mpz_divisible_p((int_number)a, (int_number)b))
345  {
346    mpz_divexact(erg, (int_number)a, (int_number)b);
347    return (number)erg;
348  }
349  else
350  {
351    int_number gcd = (int_number)nrnGcd(a, b, r);
352    mpz_divexact(erg, (int_number)b, gcd);
353    if (!nrnIsUnit((number)erg, r))
354    {
355      WerrorS("Division not possible, even by cancelling zero divisors.");
356      WerrorS("Result is integer division without remainder.");
357      mpz_tdiv_q(erg, (int_number) a, (int_number) b);
358      nrnDelete((number*) &gcd, NULL);
359      return (number)erg;
360    }
361    // a / gcd(a,b) * [b / gcd (a,b)]^(-1)
362    int_number tmp = (int_number)nrnInvers((number) erg,r);
363    mpz_divexact(erg, (int_number)a, gcd);
364    mpz_mul(erg, erg, tmp);
365    nrnDelete((number*) &gcd, NULL);
366    nrnDelete((number*) &tmp, NULL);
367    mpz_mod(erg, erg, r->modNumber);
368    return (number)erg;
369  }
370}
371
372number nrnMod(number a, number b, const coeffs r)
373{
374  /*
375    We need to return the number rr which is uniquely determined by the
376    following two properties:
377      (1) 0 <= rr < |b| (with respect to '<' and '<=' performed in Z x Z)
378      (2) There exists some k in the integers Z such that a = k * b + rr.
379    Consider g := gcd(n, |b|). Note that then |b|/g is a unit in Z/n.
380    Now, there are three cases:
381      (a) g = 1
382          Then |b| is a unit in Z/n, i.e. |b| (and also b) divides a.
383          Thus rr = 0.
384      (b) g <> 1 and g divides a
385          Then a = (a/g) * (|b|/g)^(-1) * b (up to sign), i.e. again rr = 0.
386      (c) g <> 1 and g does not divide a
387          Then denote the division with remainder of a by g as this:
388          a = s * g + t. Then t = a - s * g = a - s * (|b|/g)^(-1) * |b|
389          fulfills (1) and (2), i.e. rr := t is the correct result. Hence
390          in this third case, rr is the remainder of division of a by g in Z.
391     Remark: according to mpz_mod: a,b are always non-negative
392  */
393  int_number g = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
394  int_number rr = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
395  mpz_init(g);
396  mpz_init_set_si(rr, 0);
397  mpz_gcd(g, (int_number)r->modNumber, (int_number)b); // g is now as above
398  if (mpz_cmp_si(g, (long)1) != 0) mpz_mod(rr, (int_number)a, g); // the case g <> 1
399  mpz_clear(g);
400  omFreeBin(g, gmp_nrz_bin);
401  return (number)rr;
402}
403
404number nrnIntDiv(number a, number b, const coeffs r)
405{
406  int_number erg = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
407  mpz_init(erg);
408  if (a == NULL) a = (number)r->modNumber;
409  mpz_tdiv_q(erg, (int_number)a, (int_number)b);
410  return (number)erg;
411}
412
413/*
414 * Helper function for computing the module
415 */
416
417int_number nrnMapCoef = NULL;
418
419number nrnMapModN(number from, const coeffs src, const coeffs dst)
420{
421  return nrnMult(from, (number) nrnMapCoef, dst);
422}
423
424number nrnMap2toM(number from, const coeffs src, const coeffs dst)
425{
426  int_number erg = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
427  mpz_init(erg);
428  mpz_mul_ui(erg, nrnMapCoef, (NATNUMBER)from);
429  mpz_mod(erg, erg, dst->modNumber);
430  return (number)erg;
431}
432
433number nrnMapZp(number from, const coeffs src, const coeffs dst)
434{
435  int_number erg = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
436  mpz_init(erg);
437  // TODO: use npInt(...)
438  mpz_mul_si(erg, nrnMapCoef, (NATNUMBER)from);
439  mpz_mod(erg, erg, dst->modNumber);
440  return (number)erg;
441}
442
443number nrnMapGMP(number from, const coeffs src, const coeffs dst)
444{
445  int_number erg = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
446  mpz_init(erg);
447  mpz_mod(erg, (int_number)from, dst->modNumber);
448  return (number)erg;
449}
450
451number nrnMapQ(number from, const coeffs src, const coeffs dst)
452{
453  int_number erg = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
454  mpz_init(erg);
455  nlGMP(from, (number)erg, src);
456  mpz_mod(erg, erg, src->modNumber);
457  return (number)erg;
458}
459
460nMapFunc nrnSetMap(const coeffs src, const coeffs dst)
461{
462  /* dst = currRing->cf */
463  if (nCoeff_is_Ring_Z(src))
464  {
465    return nrnMapGMP;
466  }
467  if (nCoeff_is_Q(src))
468  {
469    return nrnMapQ;
470  }
471  // Some type of Z/n ring / field
472  if (nCoeff_is_Ring_ModN(src) || nCoeff_is_Ring_PtoM(src) || nCoeff_is_Ring_2toM(src) || nCoeff_is_Zp(src))
473  {
474    if (   (src->ringtype > 0)
475        && (mpz_cmp(src->modBase, dst->modBase) == 0)
476        && (src->modExponent == dst->modExponent)) return nrnMapGMP;
477    else
478    {
479      int_number nrnMapModul = (int_number) omAllocBin(gmp_nrz_bin);
480      // Computing the n of Z/n
481      if (nCoeff_is_Zp(src))
482      {
483        mpz_init_set_si(nrnMapModul, src->ch);
484      }
485      else
486      {
487        mpz_init(nrnMapModul);
488        mpz_set(nrnMapModul, src->modNumber);
489      }
490      // nrnMapCoef = 1 in dst       if dst is a subring of src
491      // nrnMapCoef = 0 in dst / src if src is a subring of dst
492      if (nrnMapCoef == NULL)
493      {
494        nrnMapCoef = (int_number) omAllocBin(gmp_nrz_bin);
495        mpz_init(nrnMapCoef);
496      }
497      if (mpz_divisible_p(nrnMapModul, dst->modNumber))
498      {
499        mpz_set_si(nrnMapCoef, 1);
500      }
501      else
502      if (nrnDivBy(NULL, (number) nrnMapModul,dst))
503      {
504        mpz_divexact(nrnMapCoef, dst->modNumber, nrnMapModul);
505        int_number tmp = dst->modNumber;
506        dst->modNumber = nrnMapModul;
507        if (!nrnIsUnit((number) nrnMapCoef,dst))
508        {
509          dst->modNumber = tmp;
510          nrnDelete((number*) &nrnMapModul, dst);
511          return NULL;
512        }
513        int_number inv = (int_number) nrnInvers((number) nrnMapCoef,dst);
514        dst->modNumber = tmp;
515        mpz_mul(nrnMapCoef, nrnMapCoef, inv);
516        mpz_mod(nrnMapCoef, nrnMapCoef, dst->modNumber);
517        nrnDelete((number*) &inv, dst);
518      }
519      else
520      {
521        nrnDelete((number*) &nrnMapModul, dst);
522        return NULL;
523      }
524      nrnDelete((number*) &nrnMapModul, dst);
525      if (nCoeff_is_Ring_2toM(src))
526        return nrnMap2toM;
527      else if (nCoeff_is_Zp(src))
528        return nrnMapZp;
529      else
530        return nrnMapModN;
531    }
532  }
533  return NULL;      // default
534}
535
536/*
537 * set the exponent (allocate and init tables) (TODO)
538 */
539
540void nrnSetExp(int m, coeffs r)
541{
542  /* clean up former stuff */
543  if (r->modBase   != NULL) mpz_clear(r->modBase);
544  if (r->modNumber != NULL) mpz_clear(r->modNumber);
545
546  /* this is Z/m = Z/(m^1), hence set modBase = m, modExponent = 1: */
547  r->modBase = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
548  mpz_init(r->modBase);
549  mpz_set_ui(r->modBase, (unsigned long)m);
550  r->modExponent = 1;
551  r->modNumber = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
552  mpz_init(r->modNumber);
553  mpz_set(r->modNumber, r->modBase);
554  /* mpz_pow_ui(r->modNumber, r->modNumber, r->modExponent); */
555}
556
557/* We expect this ring to be Z/m for some m > 2 which is not a prime. */
558void nrnInitExp(int m, coeffs r)
559{
560  if (m <= 2) WarnS("nrnInitExp failed (m in Z/m too small)");
561  nrnSetExp(m, r);
562}
563
564#ifdef LDEBUG
565BOOLEAN nrnDBTest (number a, const char *f, const int l, const coeffs r)
566{
567  if (a==NULL) return TRUE;
568  if ( (mpz_cmp_si((int_number) a, 0) < 0) || (mpz_cmp((int_number) a, r->modNumber) > 0) )
569  {
570    return FALSE;
571  }
572  return TRUE;
573}
574#endif
575
576/*2
577* extracts a long integer from s, returns the rest    (COPY FROM longrat0.cc)
578*/
579static const char * nlCPEatLongC(char *s, mpz_ptr i)
580{
581  const char * start=s;
582  if (!(*s >= '0' && *s <= '9'))
583  {
584    mpz_init_set_si(i, 1);
585    return s;
586  }
587  mpz_init(i);
588  while (*s >= '0' && *s <= '9') s++;
589  if (*s=='\0')
590  {
591    mpz_set_str(i,start,10);
592  }
593  else
594  {
595    char c=*s;
596    *s='\0';
597    mpz_set_str(i,start,10);
598    *s=c;
599  }
600  return s;
601}
602
603const char * nrnRead (const char *s, number *a, const coeffs r)
604{
605  int_number z = (int_number) omAllocBin(gmp_nrz_bin);
606  {
607    s = nlCPEatLongC((char *)s, z);
608  }
609  mpz_mod(z, z, r->modNumber);
610  *a = (number) z;
611  return s;
612}
613#endif
614/* #ifdef HAVE_RINGS */
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.