API tools faq
paste
Advertisement
balsa0

Mathematical matrix function library

balsa0
Mar 18th, 2013
47
0
Never
Add comment
Not a member of Pastebin yet? Sign Up, it unlocks many cool features!
C++ 11.12 KB | None | 0 0
raw download clone embed print report
  1. /* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * **
  2.  * Mathematical matrix function library     *
  3.  * by Shuffle                   *
  4.  * version 0.7 (2013-03-18)                 *
  5.  * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * */
  6.  
  7. #include <iostream>
  8. #include <cstdlib>
  9. #include <cmath>
  10.  
  11. using namespace std;
  12.  
  13. ///Class definition
  14. class Matrix{
  15.     public:
  16.         Matrix(int,int,bool,bool,int);
  17.         ~Matrix();
  18.         //Basic and diagnostical
  19.         int getHeight() const;
  20.         int getWidth() const;
  21.         float getItem(int,int) const;
  22.         void setItem(float,int,int);
  23.         void setMathematical(bool);
  24.         bool getMathematical() const;
  25.         void applyProcessOnAll(float (*)(float));
  26.         void applyProcessOnItem(float (*)(float), int, int);
  27.         //Mathematical
  28.         float getDeterminant() const;
  29.         Matrix getSubDeterminants() const;
  30.         bool isSquareMatrix() const;
  31.         Matrix getTransposed() const;
  32.         Matrix getInverse() const;
  33.         Matrix flipHorizontal() const;
  34.         Matrix flipVertical() const;
  35.         Matrix flipDiagonal() const;
  36.         //Debug
  37.         void setDebug(bool);
  38.         void fillWithRandomData(int);   //by Gergő
  39.         void fillTestData();
  40.         void drawMatrix() const;
  41.         void debugSpacing() const;
  42.     private:
  43.         int rows;               //number of matrix rows
  44.         int cols;               //number of matrix columns
  45.         float **MatrixData;     //contains matrix data
  46.         int isMathematical;     //if indexing begins with 0 or 1 (only in get/setItem methods)
  47.         bool debug;             //level 1 debug
  48.         bool debugRecurse;      //level 2 debug > set in constructor!
  49.         int debugLevel;
  50. };
  51.  
  52. ///Constructor & destructor
  53.  
  54.     Matrix::Matrix(int height, int width, bool isMath = true, bool dbg = false, int debugLvl = 0){
  55.         if (height < 1 || width < 1 ){
  56.             std::cout << "#(!!!)Zero or 1x1 size matrix! Exiting..." << "\r\n";
  57.             throw 2;
  58.         }
  59.         #define MATRIX_DEBUG if(debug)
  60.         setDebug(dbg);
  61.         debugLevel = debugLvl;
  62.         MATRIX_DEBUG debugSpacing();
  63.         MATRIX_DEBUG std::cout << "#Creating matrix..." << "\r\n";
  64.         rows = height;
  65.         cols = width;
  66.         setMathematical(isMath);
  67.         MatrixData = new float*[rows];
  68.         for (int i = 0;i <= rows-1; i++){
  69.             MatrixData[i] = new float[cols];
  70.         }
  71.         debugRecurse = false;
  72.     }
  73.  
  74.     Matrix::~Matrix(){
  75.  
  76.     }
  77.  
  78. ///Debugging methotds
  79.  
  80.     void Matrix::setDebug(bool dbg){
  81.         debug = dbg;
  82.     }
  83.  
  84.     void Matrix::debugSpacing() const{
  85.         for(int i=0; i < debugLevel;i++)
  86.             cout << "\t";
  87.     }
  88.  
  89.     void Matrix::drawMatrix() const{
  90.         MATRIX_DEBUG debugSpacing();
  91.         cout << "***\t";
  92.         for(int z = 1; z <= cols;z++)
  93.             cout << "[" << z << "]\t";
  94.         cout << "\r\n";
  95.         for(int i = 0; i <= rows-1;i++){
  96.             MATRIX_DEBUG debugSpacing();
  97.             cout << "[" << i+1 << "]\t";
  98.             for(int j = 0; j <= cols-1;j++){
  99.                 cout << MatrixData[i][j] << "\t";
  100.             }
  101.             cout << "\r\n";
  102.         }  
  103.     }
  104.  
  105.     void Matrix::fillWithRandomData(int interval){
  106.         srand(time(NULL));
  107.         for(int i = 0; i <= rows-1;i++)
  108.             for(int j = 0; j <= cols-1;j++)
  109.                 MatrixData[i][j]=floor(((float)rand()/(float)RAND_MAX)*interval);
  110.     }
  111.  
  112.     void Matrix::fillTestData(){
  113.         #define M MatrixData
  114.         M[0][0] = 1;M[0][1] = 4;M[0][2] = -0;
  115.         M[1][0] = 2;M[1][1] = 5;M[1][2] = 1;
  116.         M[2][0] = 3;M[2][1] = 6;M[2][2] = 0;
  117.         #undef M
  118.     }
  119.  
  120. ///Basic and diagnostical methods
  121.  
  122.     int Matrix::getWidth() const{
  123.         return rows;
  124.     }
  125.  
  126.     int Matrix::getHeight() const{
  127.         return cols;
  128.     }
  129.  
  130.     float Matrix::getItem(int row, int col) const{
  131.         return MatrixData[row-isMathematical][col-isMathematical];
  132.     }
  133.  
  134.     void Matrix::setItem(float ertek, int row, int col){
  135.         MatrixData[row-isMathematical][col-isMathematical] = ertek;
  136.     }
  137.  
  138.     void Matrix::setMathematical(bool isMath){
  139.         if (isMath){
  140.             MATRIX_DEBUG debugSpacing();
  141.             MATRIX_DEBUG std::cout << "#Indexing matrix set to mathematical!" << "\r\n";
  142.             isMathematical = 1;
  143.         }else{
  144.             MATRIX_DEBUG debugSpacing();
  145.             MATRIX_DEBUG std::cout << "#Indexing matrix set to C style!" << "\r\n";
  146.             isMathematical = 0;
  147.         }
  148.     }
  149.  
  150.     bool Matrix::getMathematical() const{
  151.         return isMathematical ? true : false;
  152.     }
  153.  
  154.     void Matrix::applyProcessOnAll(float (*proc)(float)){
  155.     //use: object.applyProcessOnAll(*function);
  156.         MATRIX_DEBUG debugSpacing();
  157.         MATRIX_DEBUG std::cout << " #Processing matrix...";
  158.         for(int i = 0; i <= rows-1;i++)
  159.             for(int j = 0; j <= cols-1;j++)
  160.                 MatrixData[i][j]=proc(MatrixData[i][j]);
  161.         MATRIX_DEBUG std::cout << "done!" << "\r\n";
  162.     }
  163.  
  164.     void Matrix::applyProcessOnItem(float (*proc)(float), int row, int col){
  165.     //use: object.applyProcessOnAll(*function,row,column);
  166.         MATRIX_DEBUG debugSpacing();
  167.         MATRIX_DEBUG std::cout << "#Processing item [" << row << "][" << col << "]";
  168.         MatrixData[row-1][col-1]=proc(MatrixData[row-1][col-1]);
  169.         MATRIX_DEBUG std::cout << "done!" << "\r\n";
  170.     }
  171.  
  172. ///Mathematical methods
  173.  
  174.     bool Matrix::isSquareMatrix() const{
  175.         if (rows == cols)
  176.             return true;
  177.         else
  178.             return false;
  179.     }
  180.  
  181.     Matrix Matrix::getTransposed() const {
  182.         Matrix I = Matrix(cols,rows,false,debug,debugLevel+1);
  183.         for(int i = 0; i <= rows-1;i++)
  184.             for(int j = 0; j <= cols-1;j++)
  185.                 I.setItem(MatrixData[i][j],j,i);
  186.         return I;
  187.     }
  188.  
  189.     Matrix Matrix::flipHorizontal() const{ //!ezt használjuk determináns számításhoz
  190.         Matrix I = Matrix(rows,cols,false,debug,debugLevel+1);
  191.         for(int i = 0; i <= rows-1;i++)
  192.             for(int j = 0; j <= cols-1;j++)
  193.                 I.setItem(MatrixData[i][j],rows-1-i,j);
  194.         return I;
  195.     }
  196.  
  197.     Matrix Matrix::flipVertical() const{
  198.         Matrix I = Matrix(rows,cols,false,debug,debugLevel+1);
  199.         for(int i = 0; i <= rows-1;i++)
  200.             for(int j = 0; j <= cols-1;j++)
  201.                 I.setItem(MatrixData[i][j],i,cols-1-j);
  202.         return I;
  203.     }
  204.  
  205.     Matrix Matrix::flipDiagonal() const{
  206.         Matrix I = Matrix(rows,cols,false,debug,debugLevel+1);
  207.         for(int i = 0; i <= rows-1;i++)
  208.             for(int j = 0; j <= cols-1;j++)
  209.                 I.setItem(MatrixData[i][j],rows-1-i,cols-1-j);
  210.         return I;
  211.     }
  212.  
  213.     float Matrix::getDeterminant() const{
  214.  
  215.         if (isSquareMatrix()){
  216.             MATRIX_DEBUG debugSpacing();
  217.             MATRIX_DEBUG cout << "#Counting determinant...\r\n";
  218.             //!csúnya, át kell írni - önmagáról másolat
  219.             Matrix tempMatrix = Matrix(rows,cols,false,debugRecurse,debugLevel+1);
  220.             for(int v = 0; v <= rows-1;v++)
  221.                 for(int z = 0; z <= cols-1;z++)
  222.                     tempMatrix.setItem(MatrixData[v][z],v,z);
  223.             //!
  224.             float tDeterminant = 0,subResult;
  225.             int overHead, item, phaseFlip = 1;
  226.             if (cols > 2){
  227.                 for(int phase=0;phase<=1;phase++){      //!átlók megfordítása (2X fut le)
  228.                     for(int i=0;i<=cols-1;i++){
  229.                         subResult = 1;                  //!szorzat 0-zása
  230.                         for(int j=0;j<=cols-1;j++){
  231.                             item = i + j;               //!oldalra léptetést valósítja meg
  232.                             if (item > cols -1)
  233.                                 overHead = cols;        //!overhead: ha esetleg túlfolynánk a mátrixon, akkor visszaugrasztja a mutatót bal oldalra (mintha maga mellé lenne másolva)
  234.                             else
  235.                                 overHead = 0;
  236.                             subResult *= tempMatrix.getItem(j,item-overHead); //!részedmény szorzása az átlóban lévő elemek részeredményével
  237.                         }
  238.                         tDeterminant += phaseFlip * subResult;
  239.                     }
  240.                     //!fázis megfordítása
  241.                     phaseFlip = -1;
  242.                     tempMatrix = tempMatrix.flipHorizontal();
  243.                 }
  244.                 MATRIX_DEBUG debugSpacing();
  245.                 MATRIX_DEBUG cout << "#Done! Determinant: " << tDeterminant << "\r\n";
  246.                 return tDeterminant;
  247.             }else if(cols == 2){
  248.                 //!2x2-es mátrix számítása fixen
  249.                 subResult = tempMatrix.getItem(0,0);
  250.                 subResult *= tempMatrix.getItem(1,1);
  251.                 tDeterminant = subResult;
  252.                 subResult = tempMatrix.getItem(0,1);
  253.                 subResult *= tempMatrix.getItem(1,0);
  254.                 tDeterminant -= subResult;
  255.                 MATRIX_DEBUG debugSpacing();
  256.                 MATRIX_DEBUG cout << "#Done! Determinant: " << tDeterminant << "\r\n";
  257.                 return tDeterminant;
  258.             }else if(cols == 1){
  259.                 tDeterminant  = tempMatrix.getItem(0,0);
  260.                 MATRIX_DEBUG debugSpacing();
  261.                 MATRIX_DEBUG cout << "#Done! Determinant: " << tDeterminant << "\r\n";
  262.                 return tDeterminant;
  263.             }
  264.         }else{
  265.             MATRIX_DEBUG debugSpacing();
  266.             MATRIX_DEBUG cout << "#(!!!)Not a SquareMatrix! ";
  267.             return 0;
  268.         }
  269.     }
  270.  
  271.     Matrix Matrix::getSubDeterminants() const{
  272.         MATRIX_DEBUG debugSpacing();
  273.         MATRIX_DEBUG cout << "#Counting subdeterminants...\r\n";
  274.         Matrix sDeterminants(rows, cols, false, debugRecurse,debugLevel+1);
  275.         for(int i = 0; i <= rows-1;i++){
  276.             for(int j = 0; j <= cols-1;j++){ //!minden egyes elemre al-determináns számolása
  277.                 //!új mátrix létrehozása egyel kevesebb oszloppal és sorral
  278.                 Matrix subMatrix(rows-1, cols-1, false, debugRecurse,debugLevel+1);
  279.                 //!részmátrix elemeinek bemásolása
  280.                 MATRIX_DEBUG cout << "\r\n#Number: " << MatrixData[i][j] <<"\r\n";
  281.                 int backStep1 = 0;
  282.                 int backStep2 = 0;
  283.                 for(int k = 0; k <= rows-1;k++){
  284.                     if (i==k){
  285.                         backStep1 = 1;
  286.                         MATRIX_DEBUG cout << "#>>Skipping k: " << k << "\r\n";
  287.                         continue;
  288.                     }
  289.                     for(int l = 0; l <= cols-1;l++){
  290.                         if (j==l){
  291.                             backStep2 = 1;
  292.                             MATRIX_DEBUG cout << "#>>Skipping l: " << k << "\r\n";
  293.                             continue;
  294.                         }
  295.                         MATRIX_DEBUG cout << "#>>Reading item index: (" << k << "," << l << ") value: " << MatrixData[k][l] <<"\r\n";
  296.                         subMatrix.setItem(MatrixData[k][l],k-backStep1,l-backStep2);
  297.                         MATRIX_DEBUG cout << "# >>Setting to position: (" << k-backStep1 << "," << l-backStep2 << ")\r\n";
  298.                     }
  299.                     backStep2 = 0;
  300.                 }
  301.                 MATRIX_DEBUG subMatrix.drawMatrix();
  302.                 MATRIX_DEBUG cout << "#Subdeterminant: " << subMatrix.getDeterminant() <<"\r\n";
  303.                 sDeterminants.setItem(subMatrix.getDeterminant(),i,j);
  304.             }
  305.             MATRIX_DEBUG debugSpacing();
  306.             MATRIX_DEBUG cout << "#Done!\r\n";
  307.         }
  308.         sDeterminants.drawMatrix();
  309.         return sDeterminants;
  310.     }
  311.  
  312.     Matrix Matrix::getInverse() const{
  313.         MATRIX_DEBUG debugSpacing();
  314.         MATRIX_DEBUG cout << "#Counting inverse...\r\n";
  315.         //!csúnya, át kell írni - önmagáról másolat
  316.         Matrix tempMatrix = Matrix(rows,cols,false,debugRecurse,debugLevel+1);
  317.         for(int v = 0; v <= rows-1;v++)
  318.             for(int z = 0; z <= cols-1;z++)
  319.                 tempMatrix.setItem(MatrixData[v][z],v,z);
  320.         //!
  321.         float mDeterm = tempMatrix.getDeterminant();            //!1.lépés: determinánsok számítása
  322.         if (mDeterm != 0){                                      //!(nem 0 a determináns?)
  323.             Matrix sDeterm = tempMatrix.getSubDeterminants();   //!2.lépés: al-determinánsok számítása
  324.             sDeterm = sDeterm.getTransposed();                  //!3.lépés: al-determinánsok transzponálása
  325.             int sign = 1;                                       //!4.lépés: előjelek fordítása sakktábla szerűen és leosztás a determinánssal
  326.             for(int i = 0; i <= rows-1;i++){
  327.                 for(int j = 0; j <= cols-1;j++){               
  328.                     sDeterm.setItem((sDeterm.getItem(i,j)*sign)/mDeterm,i,j);
  329.                     sign = sign * (-1);
  330.                 }
  331.             }
  332.             MATRIX_DEBUG debugSpacing();
  333.             MATRIX_DEBUG cout << "#Done!\r\n";
  334.             return sDeterm;
  335.         }else{
  336.             MATRIX_DEBUG debugSpacing();
  337.             MATRIX_DEBUG cout << "#ERROR! Determinant is zero (0)! \r\n";
  338.             throw 1;
  339.         }
  340.     }
  341.  
  342. ///Processor sample
  343.     float addOne(float num){    //test
  344.         return num+1;
  345.     }
  346.  
  347. ///Debug function
  348.     void boolCout(bool x){
  349.         if (x)
  350.             std::cout << "true";
  351.         else
  352.             std::cout << "false";
  353.     }
  354.  
  355. ///Entrance
  356.     int main(void){
  357.         Matrix A = Matrix(3,3,true,true);  
  358.         A.fillWithRandomData(4);
  359.         A.fillTestData();
  360.         //A.drawMatrix();
  361.         A.getDeterminant();
  362.         //Matrix B = A.getSubDeterminants();
  363.         //A.applyProcessOnAll(*addOne);
  364.         A = A.getInverse();
  365.         cout << "\r\n";
  366.         A.drawMatrix();
  367.         return 0;
  368.     }
Advertisement
Add Comment
Please, Sign In to add comment
Advertisement
Public Pastes
Advertisement
We use cookies for various purposes including analytics. By continuing to use Pastebin, you agree to our use of cookies as described in the Cookies Policy.  OK, I Understand
Not a member of Pastebin yet?
Sign Up, it unlocks many cool features!