#include <iostream>
#include <math.h>
#include <cmath>
#include <vector>
#include <Windows.h>
#include <stdlib.h>
#include <fstream>
#include <string.h>
#include <time.h>
#include <iomanip>
using namespace std;

/* Рандом даёт ток целое число, поэтому отказались от этого
    int flag = 0;
    double r,h;

    h = (Array[CountSegments + 1].x - Array[0].x) / CountSegments;
    if (CountSegments % 2 == 0)
        flag = 1;

    if (flag == 1) {
        for (int i = 1; i < CountSegments + 1; i=i+2) {
            r = (rand() % h + 1);
            Array[i].x = h + r;
            Array[i].y = (*f)(Array[i].x);
            Array[i + 1].x = h - r;
            Array[i + 1].y = (*f)(Array[i + 1].x);
        }
    }
    else {
        Array[1].x = Array[0].x+h;
        Array[1].y = (*f)(Array[1].x);
        for (int i = 2; i < CountSegments; i=i+2) {
            r = (rand() % 3 + 1);
            Array[i].x = h+r;
            Array[i].y = (*f)(Array[i].x);
            Array[i+1].x = h-r;
            Array[i+1].y = (*f)(Array[i+1].x);
        }

    }

*/

typedef double(*functiontype)(double x);
typedef struct Node
{
    double x, y;
} Node;
typedef double(*method)(double x, Node* Array, int Count, double* DD_massiv);
typedef struct Interval
{
    double InitialNode, EndNode;
} Interval;
const double PI = 3.141592653589793238463;
double Myfunc(double x)
{
    return x*x;
}
functiontype Func = &Myfunc;


double approximate_derivative_2(functiontype* f, double x) {
    double delta = 1e-5;
    return (((*f)(x) - 2 * (*f)(x + delta) + (*f)(x + 2 * delta)) / (delta*delta));
}

double approximate_derivative_1(functiontype* f, double x) {
    double delta = 1e-2;
    return (((*f)(x + delta)- (*f)(x)) / (delta));
}

//Возвращает значение сплайна в точке
double Spline(double x, int i, double *Array_steps, double *x_massiv, Node* Array)
{
    double h1, h2, g1, g2, x1, x2, y1, y2;
    h1 = Array_steps[i];
    h2 = Array_steps[i + 1];
    g1 = x_massiv[i];
    g2 = x_massiv[i + 1];
    x1 = Array[i].x;
    x2 = Array[i + 1].x;
    y1 = Array[i].x;
    y2 = Array[i + 1].x;
    return (x*x*x)*((g2 - g1) / (6 * h2)) + (x*x)*((3 * x2*g1 - 3 * x1*g2) / (6 * h2)) + x * (((y2 - y1) * 6 - 3 * g1*x2*x2 + g1 * h2*h2 + 3 * g2*x1*x1 - g2 * h2*h2) / (6 * h2))
        + (((y1*x2 - y2 * x1) * 6 + g1 * x2*x2*x2 - g1 * h2*h2*x2 + g2 * h2*h2*x1 - g2 * x1*x1*x1) / (6 * h2));
}

//Равномерная сетка
void ValueUniformTable(functiontype* f, Node* Array, double Initial, double End, int CountSegments)
{
    int i;
    double alpha, h;

    Array[0].x = Initial;
    Array[CountSegments].x = End;
    //Array[0].y = (*f)(Array[0].x);
    //Array[CountSegments].y = (*f)(Array[CountSegments].x);

    h = (End-Initial) / CountSegments;

    cout << "(" << Array[0].x << ":" << Array[0].y << ")" << endl;
    for (int i = 1; i <= CountSegments; i++)
    {
        Array[i].x = Array[i - 1].x + h;
        Array[i].y = (*f)(Array[i].x);
        cout << "(" << Array[i].x << ":" << Array[i].y << ")" << endl;
    }
    cout << "(" << Array[CountSegments].x << ":" << Array[CountSegments].y << ")" << endl;
}

//Неравномерная сетка
void ValueIrregularTable(functiontype* f, Node* Array, double Initial, double End, int CountSegments, double *Array_steps) //Инитиал и Енд запихать в Array
{
    int i;
    double alpha, h;

    Array[0].x = Initial;
    Array[CountSegments].x = End;
    Array[0].y = (*f)(Array[0].x);
    Array[CountSegments].y = (*f)(Array[CountSegments].x);
    h = (Array[CountSegments].x - Array[0].x) / CountSegments;
    Array_steps[0] = 0;
    alpha = 2 * PI / CountSegments;

    cout << "(" << Array[0].x << ":" << Array[0].y << ")" << endl;
    for (i = 1; i < CountSegments; i++) {
        Array_steps[i] = h + (2*h/3)*cos(alpha*i);
        Array[i].x = Array[i - 1].x + Array_steps[i];
        Array[i].y = (*f)(Array[i].x);
        cout << "(" << Array[i].x << ":" << Array[i].y << ")" << endl;
    }
    Array_steps[CountSegments] = Array[CountSegments].x - Array[CountSegments - 1].x;
    cout << "(" << Array[CountSegments].x << ":" << Array[CountSegments].y << ")" << endl;

}

/* Принимает на вход коэффициенты матриц в виде массива. Заполняет массив прогоночных коэффициентов
matrix_coeffs - двумерный массив вида [[a1,b1,c1,d1],[a2,b2,c2,d2],...,[an,bn,cn,dn] */
void tridiagonal_matrix_algorithm(double** matrix_coeffs, int matrix_size, double* x_massiv) {
    int i;
    double denominator;
    double K, E, K_prev = 0, E_prev = 0; //Прогоночные коэффициенты
//  double* x_massiv = new double[matrix_size];

    double** coeffs_massiv; //Двумерный массив, хранящий прогоночные коэффициенты, 0 - Кси, 1 - Эта
    coeffs_massiv = new double*[matrix_size + 1];
    for (i = 0; i <= matrix_size; i++)
        coeffs_massiv[i] = new double[2];

    coeffs_massiv[0][0] = 0; coeffs_massiv[0][1] = 0;
    matrix_coeffs[0][0] = 0; matrix_coeffs[matrix_size - 1][2] = 0; //а1=с1=0

    //Прямой ход
    for (i = 1; i <= matrix_size; i++) { //Ищем K_i+1 и E_i+1 на iом шаге
        denominator = (matrix_coeffs[i - 1][0] * K_prev + matrix_coeffs[i - 1][1]);
        K = -(matrix_coeffs[i - 1][2]) / denominator;
        E = (matrix_coeffs[i - 1][3] - matrix_coeffs[i - 1][0] * E_prev) / denominator;
        K_prev = K;
        E_prev = E;
        coeffs_massiv[i][0] = K; coeffs_massiv[i][1] = E;
    }

    //Обратный ход
    x_massiv[matrix_size - 1] = coeffs_massiv[matrix_size][1];
    for (i = matrix_size - 2; i >= 0; i--) {
        x_massiv[i] = coeffs_massiv[i + 1][0] * x_massiv[i + 1] + coeffs_massiv[i + 1][1];
    }

    cout << endl << "Гаммы:" << endl;
    for (i = 0; i < matrix_size; i++)
        cout << x_massiv[i] << endl;

}

void get_matrix_coeffs(double Initial, double End, int matrix_size, functiontype* f, double** matrix_coeffs, Node* Array, double *Array_steps, double B) {
    int i;
    double h1, h2, h_prev, d2, g2;
    double x1, x2, y1, y2, y3, denominator;
    //double* gamma_massiv = new double[matrix_size]; //Гаммы яв решением ур, т.е. ответом.


    for (i = 1; i <= matrix_size; i++) {
        h1 = Array_steps[i]; //i
        h2 = Array_steps[i + 1];; //i+1
        h_prev = h2;
        matrix_coeffs[i - 1][0] = h1;
        matrix_coeffs[i - 1][1] = 2 * (h1 + h2);
        matrix_coeffs[i - 1][2] = h2;
        matrix_coeffs[i - 1][3] = 6 * ((Array[i + 1].y - Array[i].y) / h2 - (Array[i].y - Array[i - 1].y) / h1);
    }
    //matrix_coeffs[matrix_size][3] = 6 * ((Array[i + 1].y - Array[i].y) / h2 - (Array[i].y - Array[i - 1].y) / h1);
    h1 = Array_steps[matrix_size];
    h2 = Array_steps[matrix_size + 1];
    y1 = Array[matrix_size - 1].y;
    y2 = Array[matrix_size].y;
    y3 = Array[matrix_size + 1].y;
    x1 = Array[matrix_size].x;
    x2 = Array[matrix_size + 1].x;
    denominator = ((x2 - x1)*(x2 - x1)*((x2 - x1) - h2 * h2));
    d2 = 6 * (B*h2 - y2 + y1) / denominator;
    g2 = h2 * h2 / denominator;
    matrix_coeffs[matrix_size - 1][0] = h1;
    matrix_coeffs[matrix_size - 1][1] = 2 * (h1 + h2) - g2 * h2;
    matrix_coeffs[matrix_size - 1][2] = 0;
    matrix_coeffs[matrix_size - 1][3] = 6 * (y2 - y1) / h2 - (y2 - y1) / h1 + h2 * d2;
    matrix_coeffs[0][0] = 0;

    for (i = 0; i <= matrix_size; i++) {
        if (i != matrix_size)
            cout << "(" << matrix_coeffs[i][0] << ")" << "  " << "(" << matrix_coeffs[i][1] << ")" << "  " << "(" << matrix_coeffs[i][2] << ")" << "  " << endl;
    }

}

void orig_table_in_file(Node* Array, functiontype* f, int Count_dots, double Initial, double End) { // Функция берет таблицу иксов и игриков, количество точек в которых считаем знач полинома (мб убрать) и коэфф полинома,
                                                  // По итоге имеем файл с 2 столбацами: х и у, по которому гну пло
    int k;
    double y_value, x_value, step;

    step = (End - Initial) / (Count_dots - 1);
    x_value = Initial - step;
    ofstream fout("D:/original_graphic.txt");

    while (x_value < End) {
        x_value += step;
        fout << x_value << " ";
        y_value = (*f)(x_value);
        fout << y_value << endl;
    }
    fout.close();
}

void spline_table_in_file(Node* Array, int Count_dots, int Count_Segments, double Initial, double End, double *Array_steps, double *x_massiv) { // Функция берет таблицу иксов и игриков, количество точек в которых считаем знач полинома (мб убрать) и коэфф полинома,
                                                  // По итоге имеем файл с 2 столбацами: х и у, по которому гну пло
    int k, i = 0;
    double step = (End - Initial) / (Count_dots - 1), y_value, x_value;

    ofstream fout("D:/spline_graphic.txt");
    x_value = Initial;
    for (i = 0; i <= Count_Segments; i++) {
        while (x_value < Array[i + 1].x) {
            fout << x_value << " ";
            y_value = Spline(x_value, i, Array_steps, x_massiv, Array);
            fout << y_value << endl;
            x_value += step;
        }
    }
    fout << End << " ";
    fout << Spline(End, Count_Segments, Array_steps, x_massiv, Array) << endl;

    fout.close();
}

int main()
{
    setlocale(LC_ALL, "RUS");
    functiontype Func = &Myfunc;
    double Initial = 0, End =9, B = 5;
    int CountSegments, i, Countdots = 5000;
    cout << "Введите N: ";
    //cin >> CountSegments;
    CountSegments = 10;
    cout << "Точек: " << CountSegments + 1 << endl << endl;
    double *Array_steps = new double[CountSegments + 1];

    //Построение сетки
    cout << "Равномерная Сетка: " << endl;
    Node* ArrayUniformNodes = new Node[CountSegments + 1];
    ValueUniformTable(&Func, ArrayUniformNodes, Initial, End, CountSegments);

    cout << endl << "Неравномерная Сетка: " << endl;
    Node* ArrayIrregularNodes = new Node[CountSegments + 1];
    ValueIrregularTable(&Func, ArrayIrregularNodes, Initial, End, CountSegments, Array_steps);
    cout << endl;

    //Заполнение массива коэффициентами матрицы
    double** matrix_coeffs;
    matrix_coeffs = new double*[CountSegments - 1];
    for (i = 0; i < CountSegments - 1; i++)
        matrix_coeffs[i] = new double[3];

    cout << "Полученная матрица: " << endl;
    get_matrix_coeffs(Initial, End, CountSegments - 1, &Func, matrix_coeffs, ArrayIrregularNodes, Array_steps, B);


    //Получение ответа в x_massiv
    double* x_massiv = new double[CountSegments + 1];
    tridiagonal_matrix_algorithm(matrix_coeffs, CountSegments - 1, x_massiv);

    //Вывод интерполируемой функции
    orig_table_in_file(ArrayIrregularNodes, &Func, Countdots, Initial, End);

    //Вывод сплайна на экран
    spline_table_in_file(ArrayIrregularNodes, Countdots, CountSegments, Initial, End, Array_steps, x_massiv);

    //Приближение производных на кроях
    cout << endl;
    cout << "1 производная на левом конце: " << approximate_derivative_1(&Func, Initial) << endl;
    cout << "2 производная на левом конце: " << approximate_derivative_1(&Func, Initial) << endl;
    cout << "1 производная на правом конце: " << approximate_derivative_2(&Func, End) << endl;
    cout << "2 производная на правом конце: " << approximate_derivative_2(&Func, End) << endl;


    cout << endl;
    system("pause");
    return 0;
}