source: git/libpolys/coeffs/rmodulon.cc @ 488808e

spielwiese
Last change on this file since 488808e was 73a9ffb, checked in by Frank Seelisch <seelisch@…>, 13 years ago
made sure that ch is properly set everywhere, and ch >= 0; more ASSUMEs
  • Property mode set to 100644
File size: 16.7 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 "si_gmp.h"
23
24#include <string.h>
25
26/// Our Type!
27static const n_coeffType ID = n_Zn;
28
29extern omBin gmp_nrz_bin;
30
31void    nrnCoeffWrite  (const coeffs r)
32{
33  long l = (long)mpz_sizeinbase(r->modBase, 10) + 2;
34  char* s = (char*) omAlloc(l);
35  if (nCoeff_is_Ring_ModN(r)) Print("//  Z/%s\n", s);
36  else if (nCoeff_is_Ring_PtoM(r)) Print("//  Z/%s^%lu\n", s, r->modExponent);
37  omFreeSize((ADDRESS)s, l);
38}
39
40static BOOLEAN nrnCoeffsEqual(const coeffs r, n_coeffType n, void * parameter)
41{
42  /* test, if r is an instance of nInitCoeffs(n,parameter) */
43  return (n==n_Zn) && (mpz_cmp(r->modNumber,(mpz_ptr)parameter)==0);
44}
45
46
47/* for initializing function pointers */
48BOOLEAN nrnInitChar (coeffs r, void* p)
49{
50  assume( getCoeffType(r) == ID );
51  nrnInitExp((int)(long)(p), r);
52  r->ringtype = 2;
53 
54  /* next computation may yield wrong characteristic as r->modNumber
55     is a GMP number */
56  r->ch = mpz_get_ui(r->modNumber);
57
58  r->cfInit        = nrnInit;
59  r->cfDelete      = nrnDelete;
60  r->cfCopy        = nrnCopy;
61  r->cfSize        = nrnSize;
62  r->cfInt         = nrnInt;
63  r->cfAdd         = nrnAdd;
64  r->cfSub         = nrnSub;
65  r->cfMult        = nrnMult;
66  r->cfDiv         = nrnDiv;
67  r->cfIntDiv      = nrnIntDiv;
68  r->cfIntMod      = nrnMod;
69  r->cfExactDiv    = nrnDiv;
70  r->cfNeg         = nrnNeg;
71  r->cfInvers      = nrnInvers;
72  r->cfDivBy       = nrnDivBy;
73  r->cfDivComp     = nrnDivComp;
74  r->cfGreater     = nrnGreater;
75  r->cfEqual       = nrnEqual;
76  r->cfIsZero      = nrnIsZero;
77  r->cfIsOne       = nrnIsOne;
78  r->cfIsMOne      = nrnIsMOne;
79  r->cfGreaterZero = nrnGreaterZero;
80  r->cfWrite       = nrnWrite;
81  r->cfRead        = nrnRead;
82  r->cfPower       = nrnPower;
83  r->cfSetMap      = nrnSetMap;
84  r->cfNormalize   = ndNormalize;
85  r->cfLcm         = nrnLcm;
86  r->cfGcd         = nrnGcd;
87  r->cfIsUnit      = nrnIsUnit;
88  r->cfGetUnit     = nrnGetUnit;
89  r->cfExtGcd      = nrnExtGcd;
90  r->cfName        = ndName;
91  r->cfCoeffWrite  = nrnCoeffWrite;
92  r->nCoeffIsEqual = nrnCoeffsEqual;
93#ifdef LDEBUG
94  r->cfDBTest      = nrnDBTest;
95#endif
96  return FALSE;
97}
98
99/*
100 * create a number from int
101 */
102number nrnInit(int i, const coeffs r)
103{
104  int_number erg = (int_number) omAllocBin(gmp_nrz_bin);
105  mpz_init_set_si(erg, i);
106  mpz_mod(erg, erg, r->modNumber);
107  return (number) erg;
108}
109
110void nrnDelete(number *a, const coeffs r)
111{
112  if (*a == NULL) return;
113  mpz_clear((int_number) *a);
114  omFreeBin((void *) *a, gmp_nrz_bin);
115  *a = NULL;
116}
117
118number nrnCopy(number a, const coeffs r)
119{
120  int_number erg = (int_number) omAllocBin(gmp_nrz_bin);
121  mpz_init_set(erg, (int_number) a);
122  return (number) erg;
123}
124
125int nrnSize(number a, const coeffs r)
126{
127  if (a == NULL) return 0;
128  return sizeof(mpz_t);
129}
130
131/*
132 * convert a number to int
133 */
134int nrnInt(number &n, const coeffs r)
135{
136  return (int)mpz_get_si((int_number) n);
137}
138
139/*
140 * Multiply two numbers
141 */
142number nrnMult(number a, number b, const coeffs r)
143{
144  int_number erg = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
145  mpz_init(erg);
146  mpz_mul(erg, (int_number)a, (int_number) b);
147  mpz_mod(erg, erg, r->modNumber);
148  return (number) erg;
149}
150
151void nrnPower(number a, int i, number * result, const coeffs r)
152{
153  int_number erg = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
154  mpz_init(erg);
155  mpz_powm_ui(erg, (int_number)a, i, r->modNumber);
156  *result = (number) erg;
157}
158
159number nrnAdd(number a, number b, const coeffs r)
160{
161  int_number erg = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
162  mpz_init(erg);
163  mpz_add(erg, (int_number)a, (int_number) b);
164  mpz_mod(erg, erg, r->modNumber);
165  return (number) erg;
166}
167
168number nrnSub(number a, number b, const coeffs r)
169{
170  int_number erg = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
171  mpz_init(erg);
172  mpz_sub(erg, (int_number)a, (int_number) b);
173  mpz_mod(erg, erg, r->modNumber);
174  return (number) erg;
175}
176
177number nrnNeg(number c, const coeffs r)
178{
179  if( !nrnIsZero(c, r) )
180    // Attention: This method operates in-place.
181    mpz_sub((int_number)c, r->modNumber, (int_number)c); 
182  return c;
183}
184
185number nrnInvers(number c, const coeffs r)
186{
187  int_number erg = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
188  mpz_init(erg);
189  mpz_invert(erg, (int_number)c, r->modNumber);
190  return (number) erg;
191}
192
193/*
194 * Give the smallest k, such that a * x = k = b * y has a solution
195 * TODO: lcm(gcd,gcd) better than gcd(lcm) ?
196 */
197number nrnLcm(number a, number b, const coeffs r)
198{
199  number erg = nrnGcd(NULL, a, r);
200  number tmp = nrnGcd(NULL, b, r);
201  mpz_lcm((int_number)erg, (int_number)erg, (int_number)tmp);
202  nrnDelete(&tmp, NULL);
203  return (number)erg;
204}
205
206/*
207 * Give the largest k, such that a = x * k, b = y * k has
208 * a solution.
209 */
210number nrnGcd(number a, number b, const coeffs r)
211{
212  if ((a == NULL) && (b == NULL)) return nrnInit(0,r);
213  int_number erg = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
214  mpz_init_set(erg, r->modNumber);
215  if (a != NULL) mpz_gcd(erg, erg, (int_number)a);
216  if (b != NULL) mpz_gcd(erg, erg, (int_number)b);
217  return (number)erg;
218}
219
220/* Not needed any more, but may have room for improvement
221   number nrnGcd3(number a,number b, number c,ring r)
222{
223  int_number erg = (int_number) omAllocBin(gmp_nrz_bin);
224  mpz_init(erg);
225  if (a == NULL) a = (number)r->modNumber;
226  if (b == NULL) b = (number)r->modNumber;
227  if (c == NULL) c = (number)r->modNumber;
228  mpz_gcd(erg, (int_number)a, (int_number)b);
229  mpz_gcd(erg, erg, (int_number)c);
230  mpz_gcd(erg, erg, r->modNumber);
231  return (number)erg;
232}
233*/
234
235/*
236 * Give the largest k, such that a = x * k, b = y * k has
237 * a solution and r, s, s.t. k = s*a + t*b
238 */
239number nrnExtGcd(number a, number b, number *s, number *t, const coeffs r)
240{
241  int_number erg = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
242  int_number bs  = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
243  int_number bt  = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
244  mpz_init(erg);
245  mpz_init(bs);
246  mpz_init(bt);
247  mpz_gcdext(erg, bs, bt, (int_number)a, (int_number)b);
248  mpz_mod(bs, bs, r->modNumber);
249  mpz_mod(bt, bt, r->modNumber);
250  *s = (number)bs;
251  *t = (number)bt;
252  return (number)erg;
253}
254
255BOOLEAN nrnIsZero(number a, const coeffs r)
256{
257#ifdef LDEBUG
258  if (a == NULL) return FALSE;
259#endif
260  return 0 == mpz_cmpabs_ui((int_number)a, 0);
261}
262
263BOOLEAN nrnIsOne(number a, const coeffs r)
264{
265#ifdef LDEBUG
266  if (a == NULL) return FALSE;
267#endif
268  return 0 == mpz_cmp_si((int_number)a, 1);
269}
270
271BOOLEAN nrnIsMOne(number a, const coeffs r)
272{
273#ifdef LDEBUG
274  if (a == NULL) return FALSE;
275#endif
276  mpz_t t; mpz_init_set(t, (int_number)a);
277  mpz_add_ui(t, t, 1);
278  bool erg = (0 == mpz_cmp(t, r->modNumber));
279  mpz_clear(t);
280  return erg;
281}
282
283BOOLEAN nrnEqual(number a, number b, const coeffs r)
284{
285  return 0 == mpz_cmp((int_number)a, (int_number)b);
286}
287
288BOOLEAN nrnGreater(number a, number b, const coeffs r)
289{
290  return 0 < mpz_cmp((int_number)a, (int_number)b);
291}
292
293BOOLEAN nrnGreaterZero(number k, const coeffs r)
294{
295  return 0 < mpz_cmp_si((int_number)k, 0);
296}
297
298BOOLEAN nrnIsUnit(number a, const coeffs r)
299{
300  number tmp = nrnGcd(a, (number)r->modNumber, r);
301  bool res = nrnIsOne(tmp, r);
302  nrnDelete(&tmp, NULL);
303  return res;
304}
305
306number nrnGetUnit(number k, const coeffs r)
307{
308  if (mpz_divisible_p(r->modNumber, (int_number)k)) return nrnInit(1,r);
309
310  int_number unit = (int_number)nrnGcd(k, 0, r);
311  mpz_tdiv_q(unit, (int_number)k, unit);
312  int_number gcd = (int_number)nrnGcd((number)unit, 0, r);
313  if (!nrnIsOne((number)gcd,r))
314  {
315    int_number ctmp;
316    // tmp := unit^2
317    int_number tmp = (int_number) nrnMult((number) unit,(number) unit,r);
318    // gcd_new := gcd(tmp, 0)
319    int_number gcd_new = (int_number) nrnGcd((number) tmp, 0, r);
320    while (!nrnEqual((number) gcd_new,(number) gcd,r))
321    {
322      // gcd := gcd_new
323      ctmp = gcd;
324      gcd = gcd_new;
325      gcd_new = ctmp;
326      // tmp := tmp * unit
327      mpz_mul(tmp, tmp, unit);
328      mpz_mod(tmp, tmp, r->modNumber);
329      // gcd_new := gcd(tmp, 0)
330      mpz_gcd(gcd_new, tmp, r->modNumber);
331    }
332    // unit := unit + modNumber / gcd_new
333    mpz_tdiv_q(tmp, r->modNumber, gcd_new);
334    mpz_add(unit, unit, tmp);
335    mpz_mod(unit, unit, r->modNumber);
336    nrnDelete((number*) &gcd_new, NULL);
337    nrnDelete((number*) &tmp, NULL);
338  }
339  nrnDelete((number*) &gcd, NULL);
340  return (number)unit;
341}
342
343BOOLEAN nrnDivBy(number a, number b, const coeffs r)
344{
345  if (a == NULL)
346    return mpz_divisible_p(r->modNumber, (int_number)b);
347  else
348  { /* b divides a iff b/gcd(a, b) is a unit in the given ring: */
349    number n = nrnGcd(a, b, r);
350    mpz_tdiv_q((int_number)n, (int_number)b, (int_number)n);
351    bool result = nrnIsUnit(n, r);
352    nrnDelete(&n, NULL);
353    return result;
354  }
355}
356
357int nrnDivComp(number a, number b, const coeffs r)
358{
359  if (nrnEqual(a, b,r)) return 2;
360  if (mpz_divisible_p((int_number) a, (int_number) b)) return -1;
361  if (mpz_divisible_p((int_number) b, (int_number) a)) return 1;
362  return 0;
363}
364
365number nrnDiv(number a, number b, const coeffs r)
366{
367  if (a == NULL) a = (number)r->modNumber;
368  int_number erg = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
369  mpz_init(erg);
370  if (mpz_divisible_p((int_number)a, (int_number)b))
371  {
372    mpz_divexact(erg, (int_number)a, (int_number)b);
373    return (number)erg;
374  }
375  else
376  {
377    int_number gcd = (int_number)nrnGcd(a, b, r);
378    mpz_divexact(erg, (int_number)b, gcd);
379    if (!nrnIsUnit((number)erg, r))
380    {
381      WerrorS("Division not possible, even by cancelling zero divisors.");
382      WerrorS("Result is integer division without remainder.");
383      mpz_tdiv_q(erg, (int_number) a, (int_number) b);
384      nrnDelete((number*) &gcd, NULL);
385      return (number)erg;
386    }
387    // a / gcd(a,b) * [b / gcd (a,b)]^(-1)
388    int_number tmp = (int_number)nrnInvers((number) erg,r);
389    mpz_divexact(erg, (int_number)a, gcd);
390    mpz_mul(erg, erg, tmp);
391    nrnDelete((number*) &gcd, NULL);
392    nrnDelete((number*) &tmp, NULL);
393    mpz_mod(erg, erg, r->modNumber);
394    return (number)erg;
395  }
396}
397
398number nrnMod(number a, number b, const coeffs r)
399{
400  /*
401    We need to return the number rr which is uniquely determined by the
402    following two properties:
403      (1) 0 <= rr < |b| (with respect to '<' and '<=' performed in Z x Z)
404      (2) There exists some k in the integers Z such that a = k * b + rr.
405    Consider g := gcd(n, |b|). Note that then |b|/g is a unit in Z/n.
406    Now, there are three cases:
407      (a) g = 1
408          Then |b| is a unit in Z/n, i.e. |b| (and also b) divides a.
409          Thus rr = 0.
410      (b) g <> 1 and g divides a
411          Then a = (a/g) * (|b|/g)^(-1) * b (up to sign), i.e. again rr = 0.
412      (c) g <> 1 and g does not divide a
413          Then denote the division with remainder of a by g as this:
414          a = s * g + t. Then t = a - s * g = a - s * (|b|/g)^(-1) * |b|
415          fulfills (1) and (2), i.e. rr := t is the correct result. Hence
416          in this third case, rr is the remainder of division of a by g in Z.
417     Remark: according to mpz_mod: a,b are always non-negative
418  */
419  int_number g = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
420  int_number rr = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
421  mpz_init(g);
422  mpz_init_set_si(rr, 0);
423  mpz_gcd(g, (int_number)r->modNumber, (int_number)b); // g is now as above
424  if (mpz_cmp_si(g, (long)1) != 0) mpz_mod(rr, (int_number)a, g); // the case g <> 1
425  mpz_clear(g);
426  omFreeBin(g, gmp_nrz_bin);
427  return (number)rr;
428}
429
430number nrnIntDiv(number a, number b, const coeffs r)
431{
432  int_number erg = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
433  mpz_init(erg);
434  if (a == NULL) a = (number)r->modNumber;
435  mpz_tdiv_q(erg, (int_number)a, (int_number)b);
436  return (number)erg;
437}
438
439/*
440 * Helper function for computing the module
441 */
442
443int_number nrnMapCoef = NULL;
444
445number nrnMapModN(number from, const coeffs src, const coeffs dst)
446{
447  return nrnMult(from, (number) nrnMapCoef, dst);
448}
449
450number nrnMap2toM(number from, const coeffs src, const coeffs dst)
451{
452  int_number erg = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
453  mpz_init(erg);
454  mpz_mul_ui(erg, nrnMapCoef, (NATNUMBER)from);
455  mpz_mod(erg, erg, dst->modNumber);
456  return (number)erg;
457}
458
459number nrnMapZp(number from, const coeffs src, const coeffs dst)
460{
461  int_number erg = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
462  mpz_init(erg);
463  // TODO: use npInt(...)
464  mpz_mul_si(erg, nrnMapCoef, (NATNUMBER)from);
465  mpz_mod(erg, erg, dst->modNumber);
466  return (number)erg;
467}
468
469number nrnMapGMP(number from, const coeffs src, const coeffs dst)
470{
471  int_number erg = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
472  mpz_init(erg);
473  mpz_mod(erg, (int_number)from, dst->modNumber);
474  return (number)erg;
475}
476
477number nrnMapQ(number from, const coeffs src, const coeffs dst)
478{
479  int_number erg = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
480  mpz_init(erg);
481  nlGMP(from, (number)erg, src);
482  mpz_mod(erg, erg, src->modNumber);
483  return (number)erg;
484}
485
486nMapFunc nrnSetMap(const coeffs src, const coeffs dst)
487{
488  /* dst = currRing->cf */
489  if (nCoeff_is_Ring_Z(src))
490  {
491    return nrnMapGMP;
492  }
493  if (nCoeff_is_Q(src))
494  {
495    return nrnMapQ;
496  }
497  // Some type of Z/n ring / field
498  if (nCoeff_is_Ring_ModN(src) || nCoeff_is_Ring_PtoM(src) ||
499      nCoeff_is_Ring_2toM(src) || nCoeff_is_Zp(src))
500  {
501    if (   (src->ringtype > 0)
502        && (mpz_cmp(src->modBase, dst->modBase) == 0)
503        && (src->modExponent == dst->modExponent)) return nrnMapGMP;
504    else
505    {
506      int_number nrnMapModul = (int_number) omAllocBin(gmp_nrz_bin);
507      // Computing the n of Z/n
508      if (nCoeff_is_Zp(src))
509      {
510        mpz_init_set_si(nrnMapModul, src->ch);
511      }
512      else
513      {
514        mpz_init(nrnMapModul);
515        mpz_set(nrnMapModul, src->modNumber);
516      }
517      // nrnMapCoef = 1 in dst       if dst is a subring of src
518      // nrnMapCoef = 0 in dst / src if src is a subring of dst
519      if (nrnMapCoef == NULL)
520      {
521        nrnMapCoef = (int_number) omAllocBin(gmp_nrz_bin);
522        mpz_init(nrnMapCoef);
523      }
524      if (mpz_divisible_p(nrnMapModul, dst->modNumber))
525      {
526        mpz_set_si(nrnMapCoef, 1);
527      }
528      else
529      if (nrnDivBy(NULL, (number) nrnMapModul,dst))
530      {
531        mpz_divexact(nrnMapCoef, dst->modNumber, nrnMapModul);
532        int_number tmp = dst->modNumber;
533        dst->modNumber = nrnMapModul;
534        if (!nrnIsUnit((number) nrnMapCoef,dst))
535        {
536          dst->modNumber = tmp;
537          nrnDelete((number*) &nrnMapModul, dst);
538          return NULL;
539        }
540        int_number inv = (int_number) nrnInvers((number) nrnMapCoef,dst);
541        dst->modNumber = tmp;
542        mpz_mul(nrnMapCoef, nrnMapCoef, inv);
543        mpz_mod(nrnMapCoef, nrnMapCoef, dst->modNumber);
544        nrnDelete((number*) &inv, dst);
545      }
546      else
547      {
548        nrnDelete((number*) &nrnMapModul, dst);
549        return NULL;
550      }
551      nrnDelete((number*) &nrnMapModul, dst);
552      if (nCoeff_is_Ring_2toM(src))
553        return nrnMap2toM;
554      else if (nCoeff_is_Zp(src))
555        return nrnMapZp;
556      else
557        return nrnMapModN;
558    }
559  }
560  return NULL;      // default
561}
562
563/*
564 * set the exponent (allocate and init tables) (TODO)
565 */
566
567void nrnSetExp(int m, coeffs r)
568{
569  /* clean up former stuff */
570  if (r->modBase   != NULL) mpz_clear(r->modBase);
571  if (r->modNumber != NULL) mpz_clear(r->modNumber);
572
573  /* this is Z/m = Z/(m^1), hence set modBase = m, modExponent = 1: */
574  r->modBase = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
575  mpz_init(r->modBase);
576  mpz_set_ui(r->modBase, (unsigned long)m);
577  r->modExponent = 1;
578  r->modNumber = (int_number)omAllocBin(gmp_nrz_bin);
579  mpz_init(r->modNumber);
580  mpz_set(r->modNumber, r->modBase);
581  /* mpz_pow_ui(r->modNumber, r->modNumber, r->modExponent); */
582}
583
584/* We expect this ring to be Z/m for some m > 2 which is not a prime. */
585void nrnInitExp(int m, coeffs r)
586{
587  if (m <= 2) WarnS("nrnInitExp failed (m in Z/m too small)");
588  nrnSetExp(m, r);
589}
590
591#ifdef LDEBUG
592BOOLEAN nrnDBTest (number a, const char *f, const int l, const coeffs r)
593{
594  if (a==NULL) return TRUE;
595  if ( (mpz_cmp_si((int_number) a, 0) < 0) || (mpz_cmp((int_number) a, r->modNumber) > 0) )
596  {
597    return FALSE;
598  }
599  return TRUE;
600}
601#endif
602
603/*2
604* extracts a long integer from s, returns the rest    (COPY FROM longrat0.cc)
605*/
606static const char * nlCPEatLongC(char *s, mpz_ptr i)
607{
608  const char * start=s;
609  if (!(*s >= '0' && *s <= '9'))
610  {
611    mpz_init_set_si(i, 1);
612    return s;
613  }
614  mpz_init(i);
615  while (*s >= '0' && *s <= '9') s++;
616  if (*s=='\0')
617  {
618    mpz_set_str(i,start,10);
619  }
620  else
621  {
622    char c=*s;
623    *s='\0';
624    mpz_set_str(i,start,10);
625    *s=c;
626  }
627  return s;
628}
629
630const char * nrnRead (const char *s, number *a, const coeffs r)
631{
632  int_number z = (int_number) omAllocBin(gmp_nrz_bin);
633  {
634    s = nlCPEatLongC((char *)s, z);
635  }
636  mpz_mod(z, z, r->modNumber);
637  *a = (number) z;
638  return s;
639}
640#endif
641/* #ifdef HAVE_RINGS */
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.