* io.c (rb_open_file): encoding in mode string was ignored if perm is
[ruby-svn.git] / lib / matrix.rb
blobd31fcc5464293b427e910f10f21ed8ef10372bc7
1 #!/usr/local/bin/ruby
2 #--
3 #   matrix.rb - 
4 #       $Release Version: 1.0$
5 #       $Revision: 1.13 $
6 #       Original Version from Smalltalk-80 version
7 #          on July 23, 1985 at 8:37:17 am
8 #       by Keiju ISHITSUKA
9 #++
11 # = matrix.rb
13 # An implementation of Matrix and Vector classes.
15 # Author:: Keiju ISHITSUKA
16 # Documentation:: Gavin Sinclair (sourced from <i>Ruby in a Nutshell</i> (Matsumoto, O'Reilly)) 
18 # See classes Matrix and Vector for documentation. 
22 require "e2mmap.rb"
24 module ExceptionForMatrix # :nodoc:
25   extend Exception2MessageMapper
26   def_e2message(TypeError, "wrong argument type %s (expected %s)")
27   def_e2message(ArgumentError, "Wrong # of arguments(%d for %d)")
28   
29   def_exception("ErrDimensionMismatch", "\#{self.name} dimension mismatch")
30   def_exception("ErrNotRegular", "Not Regular Matrix")
31   def_exception("ErrOperationNotDefined", "This operation(%s) can\\'t defined")
32 end
35 # The +Matrix+ class represents a mathematical matrix, and provides methods for creating
36 # special-case matrices (zero, identity, diagonal, singular, vector), operating on them
37 # arithmetically and algebraically, and determining their mathematical properties (trace, rank,
38 # inverse, determinant).
40 # Note that although matrices should theoretically be rectangular, this is not
41 # enforced by the class.
43 # Also note that the determinant of integer matrices may be incorrectly calculated unless you
44 # also <tt>require 'mathn'</tt>.  This may be fixed in the future.
46 # == Method Catalogue
48 # To create a matrix:
49 # * <tt> Matrix[*rows]                  </tt>
50 # * <tt> Matrix.[](*rows)               </tt>
51 # * <tt> Matrix.rows(rows, copy = true) </tt>
52 # * <tt> Matrix.columns(columns)        </tt>
53 # * <tt> Matrix.diagonal(*values)       </tt>
54 # * <tt> Matrix.scalar(n, value)        </tt>
55 # * <tt> Matrix.scalar(n, value)        </tt>
56 # * <tt> Matrix.identity(n)             </tt>
57 # * <tt> Matrix.unit(n)                 </tt>
58 # * <tt> Matrix.I(n)                    </tt>
59 # * <tt> Matrix.zero(n)                 </tt>
60 # * <tt> Matrix.row_vector(row)         </tt>
61 # * <tt> Matrix.column_vector(column)   </tt>
63 # To access Matrix elements/columns/rows/submatrices/properties: 
64 # * <tt>  [](i, j)                      </tt>
65 # * <tt> #row_size                      </tt>
66 # * <tt> #column_size                   </tt>
67 # * <tt> #row(i)                        </tt>
68 # * <tt> #column(j)                     </tt>
69 # * <tt> #collect                       </tt>
70 # * <tt> #map                           </tt>
71 # * <tt> #minor(*param)                 </tt>
73 # Properties of a matrix:
74 # * <tt> #regular?                      </tt>
75 # * <tt> #singular?                     </tt>
76 # * <tt> #square?                       </tt>
78 # Matrix arithmetic:
79 # * <tt>  *(m)                          </tt>
80 # * <tt>  +(m)                          </tt>
81 # * <tt>  -(m)                          </tt>
82 # * <tt> #/(m)                          </tt>
83 # * <tt> #inverse                       </tt>
84 # * <tt> #inv                           </tt>
85 # * <tt>  **                            </tt>
87 # Matrix functions:
88 # * <tt> #determinant                   </tt>
89 # * <tt> #det                           </tt>
90 # * <tt> #rank                          </tt>
91 # * <tt> #trace                         </tt>
92 # * <tt> #tr                            </tt>
93 # * <tt> #transpose                     </tt>
94 # * <tt> #t                             </tt>
96 # Conversion to other data types:
97 # * <tt> #coerce(other)                 </tt>
98 # * <tt> #row_vectors                   </tt>
99 # * <tt> #column_vectors                </tt>
100 # * <tt> #to_a                          </tt>
102 # String representations:
103 # * <tt> #to_s                          </tt>
104 # * <tt> #inspect                       </tt>
106 class Matrix
107   @RCS_ID='-$Id: matrix.rb,v 1.13 2001/12/09 14:22:23 keiju Exp keiju $-'
108   
109 #  extend Exception2MessageMapper
110   include ExceptionForMatrix
111   
112   # instance creations
113   private_class_method :new
114   
115   #
116   # Creates a matrix where each argument is a row.
117   #   Matrix[ [25, 93], [-1, 66] ]
118   #      =>  25 93
119   #          -1 66
120   #
121   def Matrix.[](*rows)
122     new(:init_rows, rows, false)
123   end
124   
125   #
126   # Creates a matrix where +rows+ is an array of arrays, each of which is a row
127   # to the matrix.  If the optional argument +copy+ is false, use the given
128   # arrays as the internal structure of the matrix without copying.
129   #   Matrix.rows([[25, 93], [-1, 66]])
130   #      =>  25 93
131   #          -1 66
132   def Matrix.rows(rows, copy = true)
133     new(:init_rows, rows, copy)
134   end
135   
136   #
137   # Creates a matrix using +columns+ as an array of column vectors.
138   #   Matrix.columns([[25, 93], [-1, 66]])
139   #      =>  25 -1
140   #          93 66
141   #
142   #
143   def Matrix.columns(columns)
144     rows = (0 .. columns[0].size - 1).collect {
145       |i|
146       (0 .. columns.size - 1).collect {
147         |j|
148         columns[j][i]
149       }
150     }
151     Matrix.rows(rows, false)
152   end
153   
154   #
155   # Creates a matrix where the diagonal elements are composed of +values+.
156   #   Matrix.diagonal(9, 5, -3)
157   #     =>  9  0  0
158   #         0  5  0
159   #         0  0 -3
160   #
161   def Matrix.diagonal(*values)
162     size = values.size
163     rows = (0 .. size  - 1).collect {
164       |j|
165       row = Array.new(size).fill(0, 0, size)
166       row[j] = values[j]
167       row
168     }
169     rows(rows, false)
170   end
171   
172   #
173   # Creates an +n+ by +n+ diagonal matrix where each diagonal element is
174   # +value+.
175   #   Matrix.scalar(2, 5)
176   #     => 5 0
177   #        0 5
178   #
179   def Matrix.scalar(n, value)
180     Matrix.diagonal(*Array.new(n).fill(value, 0, n))
181   end
183   #
184   # Creates an +n+ by +n+ identity matrix.
185   #   Matrix.identity(2)
186   #     => 1 0
187   #        0 1
188   #
189   def Matrix.identity(n)
190     Matrix.scalar(n, 1)
191   end
192   class << Matrix 
193     alias unit identity
194     alias I identity
195   end
196   
197   #
198   # Creates an +n+ by +n+ zero matrix.
199   #   Matrix.zero(2)
200   #     => 0 0
201   #        0 0
202   #
203   def Matrix.zero(n)
204     Matrix.scalar(n, 0)
205   end
206   
207   #
208   # Creates a single-row matrix where the values of that row are as given in
209   # +row+.
210   #   Matrix.row_vector([4,5,6])
211   #     => 4 5 6
212   #
213   def Matrix.row_vector(row)
214     case row
215     when Vector
216       Matrix.rows([row.to_a], false)
217     when Array
218       Matrix.rows([row.dup], false)
219     else
220       Matrix.rows([[row]], false)
221     end
222   end
223   
224   #
225   # Creates a single-column matrix where the values of that column are as given
226   # in +column+.
227   #   Matrix.column_vector([4,5,6])
228   #     => 4
229   #        5
230   #        6
231   #
232   def Matrix.column_vector(column)
233     case column
234     when Vector
235       Matrix.columns([column.to_a])
236     when Array
237       Matrix.columns([column])
238     else
239       Matrix.columns([[column]])
240     end
241   end
243   #
244   # This method is used by the other methods that create matrices, and is of no
245   # use to general users.
246   #
247   def initialize(init_method, *argv)
248     self.send(init_method, *argv)
249   end
250   
251   def init_rows(rows, copy)
252     if copy
253       @rows = rows.collect{|row| row.dup}
254     else
255       @rows = rows
256     end
257     self
258   end
259   private :init_rows
260   
261   #
262   # Returns element (+i+,+j+) of the matrix.  That is: row +i+, column +j+.
263   #
264   def [](i, j)
265     @rows[i][j]
266   end
267   alias element []
268   alias component []
270   def []=(i, j, v)
271     @rows[i][j] = v
272   end
273   alias set_element []=
274   alias set_component []=
275   private :[]=, :set_element, :set_component
277   #
278   # Returns the number of rows.
279   #
280   def row_size
281     @rows.size
282   end
283   
284   #
285   # Returns the number of columns.  Note that it is possible to construct a
286   # matrix with uneven columns (e.g. Matrix[ [1,2,3], [4,5] ]), but this is
287   # mathematically unsound.  This method uses the first row to determine the
288   # result.
289   #
290   def column_size
291     @rows[0].size
292   end
294   #
295   # Returns row vector number +i+ of the matrix as a Vector (starting at 0 like
296   # an array).  When a block is given, the elements of that vector are iterated.
297   #
298   def row(i) # :yield: e
299     if block_given?
300       for e in @rows[i]
301         yield e
302       end
303     else
304       Vector.elements(@rows[i])
305     end
306   end
308   #
309   # Returns column vector number +j+ of the matrix as a Vector (starting at 0
310   # like an array).  When a block is given, the elements of that vector are
311   # iterated.
312   #
313   def column(j) # :yield: e
314     if block_given?
315       0.upto(row_size - 1) do
316         |i|
317         yield @rows[i][j]
318       end
319     else
320       col = (0 .. row_size - 1).collect {
321         |i|
322         @rows[i][j]
323       }
324       Vector.elements(col, false)
325     end
326   end
327   
328   #
329   # Returns a matrix that is the result of iteration of the given block over all
330   # elements of the matrix.
331   #   Matrix[ [1,2], [3,4] ].collect { |e| e**2 }
332   #     => 1  4
333   #        9 16
334   #
335   def collect # :yield: e
336     rows = @rows.collect{|row| row.collect{|e| yield e}}
337     Matrix.rows(rows, false)
338   end
339   alias map collect
340   
341   #
342   # Returns a section of the matrix.  The parameters are either:
343   # *  start_row, nrows, start_col, ncols; OR
344   # *  col_range, row_range
345   #
346   #   Matrix.diagonal(9, 5, -3).minor(0..1, 0..2)
347   #     => 9 0 0
348   #        0 5 0
349   #
350   def minor(*param)
351     case param.size
352     when 2
353       from_row = param[0].first
354       size_row = param[0].end - from_row
355       size_row += 1 unless param[0].exclude_end?
356       from_col = param[1].first
357       size_col = param[1].end - from_col
358       size_col += 1 unless param[1].exclude_end?
359     when 4
360       from_row = param[0]
361       size_row = param[1]
362       from_col = param[2]
363       size_col = param[3]
364     else
365       Matrix.Raise ArgumentError, param.inspect
366     end
367     
368     rows = @rows[from_row, size_row].collect{
369       |row|
370       row[from_col, size_col]
371     }
372     Matrix.rows(rows, false)
373   end
375   #--
376   # TESTING -=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-
377   #++
379   #
380   # Returns +true+ if this is a regular matrix.
381   #
382   def regular?
383     square? and rank == column_size
384   end
385   
386   #
387   # Returns +true+ is this is a singular (i.e. non-regular) matrix.
388   #
389   def singular?
390     not regular?
391   end
393   #
394   # Returns +true+ is this is a square matrix.  See note in column_size about this
395   # being unreliable, though.
396   #
397   def square?
398     column_size == row_size
399   end
400   
401   #--
402   # OBJECT METHODS -=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-
403   #++
405   #
406   # Returns +true+ if and only if the two matrices contain equal elements.
407   #
408   def ==(other)
409     return false unless Matrix === other
410     
411     other.compare_by_row_vectors(@rows)
412   end
413   alias eql? ==
414   
415   #
416   # Not really intended for general consumption.
417   #
418   def compare_by_row_vectors(rows)
419     return false unless @rows.size == rows.size
420     
421     0.upto(@rows.size - 1) do
422       |i|
423       return false unless @rows[i] == rows[i]
424     end
425     true
426   end
427   
428   #
429   # Returns a clone of the matrix, so that the contents of each do not reference
430   # identical objects.
431   #
432   def clone
433     Matrix.rows(@rows)
434   end
435   
436   #
437   # Returns a hash-code for the matrix.
438   #
439   def hash
440     value = 0
441     for row in @rows
442       for e in row
443         value ^= e.hash
444       end
445     end
446     return value
447   end
448   
449   #--
450   # ARITHMETIC -=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-
451   #++
452   
453   #
454   # Matrix multiplication.
455   #   Matrix[[2,4], [6,8]] * Matrix.identity(2)
456   #     => 2 4
457   #        6 8
458   #
459   def *(m) # m is matrix or vector or number
460     case(m)
461     when Numeric
462       rows = @rows.collect {
463         |row|
464         row.collect {
465           |e|
466           e * m
467         }
468       }
469       return Matrix.rows(rows, false)
470     when Vector
471       m = Matrix.column_vector(m)
472       r = self * m
473       return r.column(0)
474     when Matrix
475       Matrix.Raise ErrDimensionMismatch if column_size != m.row_size
476     
477       rows = (0 .. row_size - 1).collect {
478         |i|
479         (0 .. m.column_size - 1).collect {
480           |j|
481           vij = 0
482           0.upto(column_size - 1) do
483             |k|
484             vij += self[i, k] * m[k, j]
485           end
486           vij
487         }
488       }
489       return Matrix.rows(rows, false)
490     else
491       x, y = m.coerce(self)
492       return x * y
493     end
494   end
495   
496   #
497   # Matrix addition.
498   #   Matrix.scalar(2,5) + Matrix[[1,0], [-4,7]]
499   #     =>  6  0
500   #        -4 12
501   #
502   def +(m)
503     case m
504     when Numeric
505       Matrix.Raise ErrOperationNotDefined, "+"
506     when Vector
507       m = Matrix.column_vector(m)
508     when Matrix
509     else
510       x, y = m.coerce(self)
511       return x + y
512     end
513     
514     Matrix.Raise ErrDimensionMismatch unless row_size == m.row_size and column_size == m.column_size
515     
516     rows = (0 .. row_size - 1).collect {
517       |i|
518       (0 .. column_size - 1).collect {
519         |j|
520         self[i, j] + m[i, j]
521       }
522     }
523     Matrix.rows(rows, false)
524   end
526   #
527   # Matrix subtraction.
528   #   Matrix[[1,5], [4,2]] - Matrix[[9,3], [-4,1]]
529   #     => -8  2
530   #         8  1
531   #
532   def -(m)
533     case m
534     when Numeric
535       Matrix.Raise ErrOperationNotDefined, "-"
536     when Vector
537       m = Matrix.column_vector(m)
538     when Matrix
539     else
540       x, y = m.coerce(self)
541       return x - y
542     end
543     
544     Matrix.Raise ErrDimensionMismatch unless row_size == m.row_size and column_size == m.column_size
545     
546     rows = (0 .. row_size - 1).collect {
547       |i|
548       (0 .. column_size - 1).collect {
549         |j|
550         self[i, j] - m[i, j]
551       }
552     }
553     Matrix.rows(rows, false)
554   end
555   
556   #
557   # Matrix division (multiplication by the inverse).
558   #   Matrix[[7,6], [3,9]] / Matrix[[2,9], [3,1]]
559   #     => -7  1
560   #        -3 -6
561   #
562   def /(other)
563     case other
564     when Numeric
565       rows = @rows.collect {
566         |row|
567         row.collect {
568           |e|
569           e / other
570         }
571       }
572       return Matrix.rows(rows, false)
573     when Matrix
574       return self * other.inverse
575     else
576       x, y = other.coerce(self)
577       rerurn x / y
578     end
579   end
581   #
582   # Returns the inverse of the matrix.
583   #   Matrix[[1, 2], [2, 1]].inverse
584   #     => -1  1
585   #         0 -1
586   #
587   def inverse
588     Matrix.Raise ErrDimensionMismatch unless square?
589     Matrix.I(row_size).inverse_from(self)
590   end
591   alias inv inverse
593   #
594   # Not for public consumption?
595   #
596   def inverse_from(src)
597     size = row_size - 1
598     a = src.to_a
599     
600     for k in 0..size
601       i = k
602       akk = a[k][k].abs
603       for j in (k+1)..size
604         v = a[j][k].abs
605         if v > akk
606           i = j
607           akk = v
608         end
609       end
610       Matrix.Raise ErrNotRegular if akk == 0
611       if i != k
612         a[i], a[k] = a[k], a[i]
613         @rows[i], @rows[k] = @rows[k], @rows[i]
614       end
615       akk = a[k][k]
616       
617       for i in 0 .. size
618         next if i == k
619         q = a[i][k].quo(akk)
620         a[i][k] = 0
621         
622         (k + 1).upto(size) do   
623           |j|
624           a[i][j] -= a[k][j] * q
625         end
626         0.upto(size) do
627           |j|
628           @rows[i][j] -= @rows[k][j] * q
629         end
630       end
631       
632       (k + 1).upto(size) do
633         |j|
634         a[k][j] = a[k][j].quo(akk)
635       end
636       0.upto(size) do
637         |j|
638         @rows[k][j] = @rows[k][j].quo(akk)
639       end
640     end
641     self
642   end
643   #alias reciprocal inverse
644   
645   #
646   # Matrix exponentiation.  Defined for integer powers only.  Equivalent to
647   # multiplying the matrix by itself N times.
648   #   Matrix[[7,6], [3,9]] ** 2
649   #     => 67 96
650   #        48 99
651   #
652   def ** (other)
653     if other.kind_of?(Integer)
654       x = self
655       if other <= 0
656         x = self.inverse
657         return Matrix.identity(self.column_size) if other == 0
658         other = -other
659       end
660       z = x
661       n = other  - 1
662       while n != 0
663         while (div, mod = n.divmod(2)
664                mod == 0)
665           x = x * x
666           n = div
667         end
668         z *= x
669         n -= 1
670       end
671       z
672     elsif other.kind_of?(Float) || defined?(Rational) && other.kind_of?(Rational)
673       Matrix.Raise ErrOperationNotDefined, "**"
674     else
675       Matrix.Raise ErrOperationNotDefined, "**"
676     end
677   end
678   
679   #--
680   # MATRIX FUNCTIONS -=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-
681   #++
682   
683   #
684   # Returns the determinant of the matrix.  If the matrix is not square, the
685   # result is 0. This method's algorism is Gaussian elimination method
686   # and using Numeric#quo(). Beware that using Float values, with their
687   # usual lack of precision, can affect the value returned by this method.  Use
688   # Rational values or Matrix#det_e instead if this is important to you.
689   #
690   #   Matrix[[7,6], [3,9]].determinant
691   #     => 63.0
692   #
693   def determinant
694     return 0 unless square?
695     
696     size = row_size - 1
697     a = to_a
698     
699     det = 1
700     k = 0
701     begin 
702       if (akk = a[k][k]) == 0
703         i = k
704         begin
705           return 0 if (i += 1) > size
706         end while a[i][k] == 0
707         a[i], a[k] = a[k], a[i]
708         akk = a[k][k]
709         det *= -1
710       end
711       (k + 1).upto(size) do
712         |i|
713         q = a[i][k].quo(akk)
714         (k + 1).upto(size) do
715           |j|
716           a[i][j] -= a[k][j] * q
717         end
718       end
719       det *= akk
720     end while (k += 1) <= size
721     det
722   end
723   alias det determinant
725   #
726   # Returns the determinant of the matrix.  If the matrix is not square, the
727   # result is 0. This method's algorism is Gaussian elimination method. 
728   # This method uses Euclidean algorism. If all elements are integer,
729   # really exact value. But, if an element is a float, can't return
730   # exact value.   
731   #
732   #   Matrix[[7,6], [3,9]].determinant
733   #     => 63
734   #
735   def determinant_e
736     return 0 unless square?
737     
738     size = row_size - 1
739     a = to_a
740     
741     det = 1
742     k = 0
743     begin 
744       if a[k][k].zero?
745         i = k
746         begin
747           return 0 if (i += 1) > size
748         end while a[i][k].zero?
749         a[i], a[k] = a[k], a[i]
750         det *= -1
751       end
752       (k + 1).upto(size) do |i|
753         q = a[i][k].quo(a[k][k])
754         k.upto(size) do |j|
755           a[i][j] -= a[k][j] * q
756         end
757         unless a[i][k].zero?
758           a[i], a[k] = a[k], a[i]
759           det *= -1
760           redo
761         end
762       end
763       det *= a[k][k]
764     end while (k += 1) <= size
765     det
766   end
767   alias det_e determinant_e
769   #
770   # Returns the rank of the matrix. Beware that using Float values,
771   # probably return faild value. Use Rational values or Matrix#rank_e
772   # for getting exact result.
773   #
774   #   Matrix[[7,6], [3,9]].rank
775   #     => 2
776   #
777   def rank
778     if column_size > row_size
779       a = transpose.to_a
780       a_column_size = row_size
781       a_row_size = column_size
782     else
783       a = to_a
784       a_column_size = column_size
785       a_row_size = row_size
786     end
787     rank = 0
788     k = 0
789     begin
790       if (akk = a[k][k]) == 0
791         i = k
792         exists = true
793         begin
794           if (i += 1) > a_column_size - 1
795             exists = false
796             break
797           end
798         end while a[i][k] == 0
799         if exists
800           a[i], a[k] = a[k], a[i]
801           akk = a[k][k]
802         else
803           i = k
804           exists = true
805           begin
806             if (i += 1) > a_row_size - 1
807               exists = false
808               break
809             end
810           end while a[k][i] == 0
811           if exists
812             k.upto(a_column_size - 1) do
813               |j|
814               a[j][k], a[j][i] = a[j][i], a[j][k]
815             end
816             akk = a[k][k]
817           else
818             next
819           end
820         end
821       end
822       (k + 1).upto(a_row_size - 1) do
823         |i|
824         q = a[i][k].quo(akk)
825         (k + 1).upto(a_column_size - 1) do
826           |j|
827           a[i][j] -= a[k][j] * q
828         end
829       end
830       rank += 1
831     end while (k += 1) <= a_column_size - 1
832     return rank
833   end
835   #
836   # Returns the rank of the matrix. This method uses Euclidean
837   # algorism. If all elements are integer, really exact value. But, if
838   # an element is a float, can't return exact value.  
839   #
840   #   Matrix[[7,6], [3,9]].rank
841   #     => 2
842   #
843   def rank_e
844     a = to_a
845     a_column_size = column_size
846     a_row_size = row_size
847     pi = 0
848     (0 ... a_column_size).each do |j|
849       if i = (pi ... a_row_size).find{|i0| !a[i0][j].zero?}
850         if i != pi
851           a[pi], a[i] = a[i], a[pi]
852         end
853         (pi + 1 ... a_row_size).each do |k|
854           q = a[k][j].quo(a[pi][j])
855           (pi ... a_column_size).each do |j0|
856             a[k][j0] -= q * a[pi][j0]
857           end
858           if k > pi && !a[k][j].zero?
859             a[k], a[pi] = a[pi], a[k]
860             redo
861           end
862         end
863         pi += 1
864       end
865     end
866     pi
867   end
870   #
871   # Returns the trace (sum of diagonal elements) of the matrix.
872   #   Matrix[[7,6], [3,9]].trace
873   #     => 16
874   #
875   def trace
876     tr = 0
877     0.upto(column_size - 1) do
878       |i|
879       tr += @rows[i][i]
880     end
881     tr
882   end
883   alias tr trace
884   
885   #
886   # Returns the transpose of the matrix.
887   #   Matrix[[1,2], [3,4], [5,6]]
888   #     => 1 2
889   #        3 4
890   #        5 6
891   #   Matrix[[1,2], [3,4], [5,6]].transpose
892   #     => 1 3 5
893   #        2 4 6
894   #
895   def transpose
896     Matrix.columns(@rows)
897   end
898   alias t transpose
899   
900   #--
901   # CONVERTING -=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-
902   #++
903   
904   #
905   # FIXME: describe #coerce.
906   #
907   def coerce(other)
908     case other
909     when Numeric
910       return Scalar.new(other), self
911     else
912       raise TypeError, "#{self.class} can't be coerced into #{other.class}"
913     end
914   end
916   #
917   # Returns an array of the row vectors of the matrix.  See Vector.
918   #
919   def row_vectors
920     rows = (0 .. row_size - 1).collect {
921       |i|
922       row(i)
923     }
924     rows
925   end
926   
927   #
928   # Returns an array of the column vectors of the matrix.  See Vector.
929   #
930   def column_vectors
931     columns = (0 .. column_size - 1).collect {
932       |i|
933       column(i)
934     }
935     columns
936   end
937   
938   #
939   # Returns an array of arrays that describe the rows of the matrix.
940   #
941   def to_a
942     @rows.collect{|row| row.collect{|e| e}}
943   end
944   
945   def elements_to_f
946     collect{|e| e.to_f}
947   end
948   
949   def elements_to_i
950     collect{|e| e.to_i}
951   end
952   
953   def elements_to_r
954     collect{|e| e.to_r}
955   end
956   
957   #--
958   # PRINTING -=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-
959   #++
960   
961   #
962   # Overrides Object#to_s
963   #
964   def to_s
965     "Matrix[" + @rows.collect{
966       |row|
967       "[" + row.collect{|e| e.to_s}.join(", ") + "]"
968     }.join(", ")+"]"
969   end
970   
971   #
972   # Overrides Object#inspect
973   #
974   def inspect
975     "Matrix"+@rows.inspect
976   end
977   
978   # Private CLASS
979   
980   class Scalar < Numeric # :nodoc:
981     include ExceptionForMatrix
982     
983     def initialize(value)
984       @value = value
985     end
986     
987     # ARITHMETIC
988     def +(other)
989       case other
990       when Numeric
991         Scalar.new(@value + other)
992       when Vector, Matrix
993         Scalar.Raise WrongArgType, other.class, "Numeric or Scalar"
994       when Scalar
995         Scalar.new(@value + other.value)
996       else
997         x, y = other.coerce(self)
998         x + y
999       end
1000     end
1001     
1002     def -(other)
1003       case other
1004       when Numeric
1005         Scalar.new(@value - other)
1006       when Vector, Matrix
1007         Scalar.Raise WrongArgType, other.class, "Numeric or Scalar"
1008       when Scalar
1009         Scalar.new(@value - other.value)
1010       else
1011         x, y = other.coerce(self)
1012         x - y
1013       end
1014     end
1015     
1016     def *(other)
1017       case other
1018       when Numeric
1019         Scalar.new(@value * other)
1020       when Vector, Matrix
1021         other.collect{|e| @value * e}
1022       else
1023         x, y = other.coerce(self)
1024         x * y
1025       end
1026     end
1027     
1028     def / (other)
1029       case other
1030       when Numeric
1031         Scalar.new(@value / other)
1032       when Vector
1033         Scalar.Raise WrongArgType, other.class, "Numeric or Scalar or Matrix"
1034       when Matrix
1035         self * other.inverse
1036       else
1037         x, y = other.coerce(self)
1038         x.quo(y)
1039       end
1040     end
1041     
1042     def ** (other)
1043       case other
1044       when Numeric
1045         Scalar.new(@value ** other)
1046       when Vector
1047         Scalar.Raise WrongArgType, other.class, "Numeric or Scalar or Matrix"
1048       when Matrix
1049         other.powered_by(self)
1050       else
1051         x, y = other.coerce(self)
1052         x ** y
1053       end
1054     end
1055   end
1060 # The +Vector+ class represents a mathematical vector, which is useful in its own right, and
1061 # also constitutes a row or column of a Matrix.
1063 # == Method Catalogue
1065 # To create a Vector:
1066 # * <tt>  Vector.[](*array)                   </tt>
1067 # * <tt>  Vector.elements(array, copy = true) </tt>
1069 # To access elements:
1070 # * <tt>  [](i)                               </tt>
1072 # To enumerate the elements:
1073 # * <tt> #each2(v)                            </tt>
1074 # * <tt> #collect2(v)                         </tt>
1076 # Vector arithmetic:
1077 # * <tt>  *(x) "is matrix or number"          </tt>
1078 # * <tt>  +(v)                                </tt>
1079 # * <tt>  -(v)                                </tt>
1081 # Vector functions:
1082 # * <tt> #inner_product(v)                    </tt>
1083 # * <tt> #collect                             </tt>
1084 # * <tt> #map                                 </tt>
1085 # * <tt> #map2(v)                             </tt>
1086 # * <tt> #r                                   </tt>
1087 # * <tt> #size                                </tt>
1089 # Conversion to other data types:
1090 # * <tt> #covector                            </tt>
1091 # * <tt> #to_a                                </tt>
1092 # * <tt> #coerce(other)                       </tt>
1094 # String representations:
1095 # * <tt> #to_s                                </tt>
1096 # * <tt> #inspect                             </tt>
1098 class Vector
1099   include ExceptionForMatrix
1100   
1101   #INSTANCE CREATION
1102   
1103   private_class_method :new
1105   #
1106   # Creates a Vector from a list of elements.
1107   #   Vector[7, 4, ...]
1108   #
1109   def Vector.[](*array)
1110     new(:init_elements, array, copy = false)
1111   end
1112   
1113   #
1114   # Creates a vector from an Array.  The optional second argument specifies
1115   # whether the array itself or a copy is used internally.
1116   #
1117   def Vector.elements(array, copy = true)
1118     new(:init_elements, array, copy)
1119   end
1120   
1121   #
1122   # For internal use.
1123   #
1124   def initialize(method, array, copy)
1125     self.send(method, array, copy)
1126   end
1127   
1128   #
1129   # For internal use.
1130   #
1131   def init_elements(array, copy)
1132     if copy
1133       @elements = array.dup
1134     else
1135       @elements = array
1136     end
1137   end
1138   
1139   # ACCESSING
1140          
1141   #
1142   # Returns element number +i+ (starting at zero) of the vector.
1143   #
1144   def [](i)
1145     @elements[i]
1146   end
1147   alias element []
1148   alias component []
1150   def []=(i, v)
1151     @elements[i]= v
1152   end
1153   alias set_element []=
1154   alias set_component []=
1155   private :[]=, :set_element, :set_component
1156   
1157   #
1158   # Returns the number of elements in the vector.
1159   #
1160   def size
1161     @elements.size
1162   end
1163   
1164   #--
1165   # ENUMERATIONS -=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-
1166   #++
1168   #
1169   # Iterate over the elements of this vector and +v+ in conjunction.
1170   #
1171   def each2(v) # :yield: e1, e2
1172     Vector.Raise ErrDimensionMismatch if size != v.size
1173     0.upto(size - 1) do
1174       |i|
1175       yield @elements[i], v[i]
1176     end
1177   end
1178   
1179   #
1180   # Collects (as in Enumerable#collect) over the elements of this vector and +v+
1181   # in conjunction.
1182   #
1183   def collect2(v) # :yield: e1, e2
1184     Vector.Raise ErrDimensionMismatch if size != v.size
1185     (0 .. size - 1).collect do
1186       |i|
1187       yield @elements[i], v[i]
1188     end
1189   end
1191   #--
1192   # COMPARING -=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-
1193   #++
1195   #
1196   # Returns +true+ iff the two vectors have the same elements in the same order.
1197   #
1198   def ==(other)
1199     return false unless Vector === other
1200     
1201     other.compare_by(@elements)
1202   end
1203   alias eqn? ==
1204   
1205   #
1206   # For internal use.
1207   #
1208   def compare_by(elements)
1209     @elements == elements
1210   end
1211   
1212   #
1213   # Return a copy of the vector.
1214   #
1215   def clone
1216     Vector.elements(@elements)
1217   end
1218   
1219   #
1220   # Return a hash-code for the vector.
1221   #
1222   def hash
1223     @elements.hash
1224   end
1225   
1226   #--
1227   # ARITHMETIC -=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-
1228   #++
1229   
1230   #
1231   # Multiplies the vector by +x+, where +x+ is a number or another vector.
1232   #
1233   def *(x)
1234     case x
1235     when Numeric
1236       els = @elements.collect{|e| e * x}
1237       Vector.elements(els, false)
1238     when Matrix
1239       Matrix.column_vector(self) * x
1240     else
1241       s, x = x.coerce(self)
1242       s * x
1243     end
1244   end
1246   #
1247   # Vector addition.
1248   #
1249   def +(v)
1250     case v
1251     when Vector
1252       Vector.Raise ErrDimensionMismatch if size != v.size
1253       els = collect2(v) {
1254         |v1, v2|
1255         v1 + v2
1256       }
1257       Vector.elements(els, false)
1258     when Matrix
1259       Matrix.column_vector(self) + v
1260     else
1261       s, x = v.coerce(self)
1262       s + x
1263     end
1264   end
1266   #
1267   # Vector subtraction.
1268   #
1269   def -(v)
1270     case v
1271     when Vector
1272       Vector.Raise ErrDimensionMismatch if size != v.size
1273       els = collect2(v) {
1274         |v1, v2|
1275         v1 - v2
1276       }
1277       Vector.elements(els, false)
1278     when Matrix
1279       Matrix.column_vector(self) - v
1280     else
1281       s, x = v.coerce(self)
1282       s - x
1283     end
1284   end
1285   
1286   #--
1287   # VECTOR FUNCTIONS -=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-
1288   #++
1289   
1290   #
1291   # Returns the inner product of this vector with the other.
1292   #   Vector[4,7].inner_product Vector[10,1]  => 47
1293   #
1294   def inner_product(v)
1295     Vector.Raise ErrDimensionMismatch if size != v.size
1296     
1297     p = 0
1298     each2(v) {
1299       |v1, v2|
1300       p += v1 * v2
1301     }
1302     p
1303   end
1304   
1305   #
1306   # Like Array#collect.
1307   #
1308   def collect # :yield: e
1309     els = @elements.collect {
1310       |v|
1311       yield v
1312     }
1313     Vector.elements(els, false)
1314   end
1315   alias map collect
1316   
1317   #
1318   # Like Vector#collect2, but returns a Vector instead of an Array.
1319   #
1320   def map2(v) # :yield: e1, e2
1321     els = collect2(v) {
1322       |v1, v2|
1323       yield v1, v2
1324     }
1325     Vector.elements(els, false)
1326   end
1327   
1328   #
1329   # Returns the modulus (Pythagorean distance) of the vector.
1330   #   Vector[5,8,2].r => 9.643650761
1331   #
1332   def r
1333     v = 0
1334     for e in @elements
1335       v += e*e
1336     end
1337     return Math.sqrt(v)
1338   end
1339   
1340   #--
1341   # CONVERTING
1342   #++
1344   #
1345   # Creates a single-row matrix from this vector.
1346   #
1347   def covector
1348     Matrix.row_vector(self)
1349   end
1350   
1351   #
1352   # Returns the elements of the vector in an array.
1353   #
1354   def to_a
1355     @elements.dup
1356   end
1357   
1358   def elements_to_f
1359     collect{|e| e.to_f}
1360   end
1361   
1362   def elements_to_i
1363     collect{|e| e.to_i}
1364   end
1365   
1366   def elements_to_r
1367     collect{|e| e.to_r}
1368   end
1369   
1370   #
1371   # FIXME: describe Vector#coerce.
1372   #
1373   def coerce(other)
1374     case other
1375     when Numeric
1376       return Matrix::Scalar.new(other), self
1377     else
1378       raise TypeError, "#{self.class} can't be coerced into #{other.class}"
1379     end
1380   end
1381   
1382   #--
1383   # PRINTING -=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-
1384   #++
1385   
1386   #
1387   # Overrides Object#to_s
1388   #
1389   def to_s
1390     "Vector[" + @elements.join(", ") + "]"
1391   end
1392   
1393   #
1394   # Overrides Object#inspect
1395   #
1396   def inspect
1397     str = "Vector"+@elements.inspect
1398   end
1402 # Documentation comments:
1403 #  - Matrix#coerce and Vector#coerce need to be documented