]> gitweb.michael.orlitzky.com - dunshire.git/blobdiff - dunshire/matrices.py
Add setup.py and reorganize everything to make its "test" command happy.
[dunshire.git] / dunshire / matrices.py
diff --git a/dunshire/matrices.py b/dunshire/matrices.py
new file mode 100644 (file)
index 0000000..6ed4f85
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,386 @@
+"""
+Utility functions for working with CVXOPT matrices (instances of the
+class:`cvxopt.base.matrix` class).
+"""
+
+from math import sqrt
+from cvxopt import matrix
+from cvxopt.lapack import gees, syevr
+
+from . import options
+
+
+def append_col(left, right):
+    """
+    Append two matrices side-by-side.
+
+    Parameters
+    ----------
+
+    left, right : matrix
+        The two matrices to append to one another.
+
+    Returns
+    -------
+
+    matrix
+        A new matrix consisting of ``right`` appended to the right
+        of ``left``.
+
+    Examples
+    --------
+
+        >>> A = matrix([1,2,3,4], (2,2))
+        >>> B = matrix([5,6,7,8,9,10], (2,3))
+        >>> print(A)
+        [ 1  3]
+        [ 2  4]
+        <BLANKLINE>
+        >>> print(B)
+        [  5   7   9]
+        [  6   8  10]
+        <BLANKLINE>
+        >>> print(append_col(A,B))
+        [  1   3   5   7   9]
+        [  2   4   6   8  10]
+        <BLANKLINE>
+
+    """
+    return matrix([left.trans(), right.trans()]).trans()
+
+
+def append_row(top, bottom):
+    """
+    Append two matrices top-to-bottom.
+
+    Parameters
+    ----------
+
+    top, bottom : matrix
+        The two matrices to append to one another.
+
+    Returns
+    -------
+
+    matrix
+        A new matrix consisting of ``bottom`` appended below ``top``.
+
+    Examples
+    --------
+
+        >>> A = matrix([1,2,3,4], (2,2))
+        >>> B = matrix([5,6,7,8,9,10], (3,2))
+        >>> print(A)
+        [ 1  3]
+        [ 2  4]
+        <BLANKLINE>
+        >>> print(B)
+        [  5   8]
+        [  6   9]
+        [  7  10]
+        <BLANKLINE>
+        >>> print(append_row(A,B))
+        [  1   3]
+        [  2   4]
+        [  5   8]
+        [  6   9]
+        [  7  10]
+        <BLANKLINE>
+
+    """
+    return matrix([top, bottom])
+
+
+def eigenvalues(symmat):
+    """
+    Return the eigenvalues of the given symmetric real matrix.
+
+    On the surface, this appears redundant to the :func:`eigenvalues_re`
+    function. However, if we know in advance that our input is
+    symmetric, a better algorithm can be used.
+
+    Parameters
+    ----------
+
+    symmat : matrix
+        The real symmetric matrix whose eigenvalues you want.
+
+    Returns
+    -------
+
+    list of float
+       A list of the eigenvalues (in no particular order) of ``symmat``.
+
+    Raises
+    ------
+
+    TypeError
+        If the input matrix is not symmetric.
+
+    Examples
+    --------
+
+        >>> A = matrix([[2,1],[1,2]], tc='d')
+        >>> eigenvalues(A)
+        [1.0, 3.0]
+
+    If the input matrix is not symmetric, it may not have real
+    eigenvalues, and we don't know what to do::
+
+        >>> A = matrix([[1,2],[3,4]])
+        >>> eigenvalues(A)
+        Traceback (most recent call last):
+        ...
+        TypeError: input must be a symmetric real matrix
+
+    """
+    if not norm(symmat.trans() - symmat) < options.ABS_TOL:
+        # Ensure that ``symmat`` is symmetric (and thus square).
+        raise TypeError('input must be a symmetric real matrix')
+
+    domain_dim = symmat.size[0]
+    eigs = matrix(0, (domain_dim, 1), tc='d')
+    syevr(symmat, eigs)
+    return list(eigs)
+
+
+def eigenvalues_re(anymat):
+    """
+    Return the real parts of the eigenvalues of the given square matrix.
+
+    Parameters
+    ----------
+
+    anymat : matrix
+        The square matrix whose eigenvalues you want.
+
+    Returns
+    -------
+
+    list of float
+       A list of the real parts (in no particular order) of the
+       eigenvalues of ``anymat``.
+
+    Raises
+    ------
+
+    TypeError
+        If the input matrix is not square.
+
+    Examples
+    --------
+
+    This is symmetric and has two real eigenvalues:
+
+        >>> A = matrix([[2,1],[1,2]], tc='d')
+        >>> sorted(eigenvalues_re(A))
+        [1.0, 3.0]
+
+    But this rotation matrix has eigenvalues `i` and `-i`, both of whose
+    real parts are zero:
+
+        >>> A = matrix([[0,-1],[1,0]])
+        >>> eigenvalues_re(A)
+        [0.0, 0.0]
+
+    If the input matrix is not square, it doesn't have eigenvalues::
+
+        >>> A = matrix([[1,2],[3,4],[5,6]])
+        >>> eigenvalues_re(A)
+        Traceback (most recent call last):
+        ...
+        TypeError: input matrix must be square
+
+    """
+    if not anymat.size[0] == anymat.size[1]:
+        raise TypeError('input matrix must be square')
+
+    domain_dim = anymat.size[0]
+    eigs = matrix(0, (domain_dim, 1), tc='z')
+
+    # Create a copy of ``anymat`` here for two reasons:
+    #
+    #   1. ``gees`` clobbers its input.
+    #   2. We need to ensure that the type code of ``dummy`` is 'd' or 'z'.
+    #
+    dummy = matrix(anymat, anymat.size, tc='d')
+
+    gees(dummy, eigs)
+    return [eig.real for eig in eigs]
+
+
+def identity(domain_dim):
+    """
+    Create an identity matrix of the given dimensions.
+
+    Parameters
+    ----------
+
+    domain_dim : int
+        The dimension of the vector space on which the identity will act.
+
+    Returns
+    -------
+
+    matrix
+        A ``domain_dim``-by-``domain_dim`` dense integer identity matrix.
+
+    Raises
+    ------
+
+    ValueError
+        If you ask for the identity on zero or fewer dimensions.
+
+    Examples
+    --------
+
+       >>> print(identity(3))
+       [ 1  0  0]
+       [ 0  1  0]
+       [ 0  0  1]
+       <BLANKLINE>
+
+    """
+    if domain_dim <= 0:
+        raise ValueError('domain dimension must be positive')
+
+    entries = [int(i == j)
+               for i in range(domain_dim)
+               for j in range(domain_dim)]
+    return matrix(entries, (domain_dim, domain_dim))
+
+
+def inner_product(vec1, vec2):
+    """
+    Compute the Euclidean inner product of two vectors.
+
+    Parameters
+    ----------
+
+    vec1, vec2 : matrix
+        The two vectors whose inner product you want.
+
+    Returns
+    -------
+
+    float
+        The inner product of ``vec1`` and ``vec2``.
+
+    Raises
+    ------
+
+    TypeError
+        If the lengths of ``vec1`` and ``vec2`` differ.
+
+    Examples
+    --------
+
+        >>> x = [1,2,3]
+        >>> y = [3,4,1]
+        >>> inner_product(x,y)
+        14
+
+        >>> x = matrix([1,1,1])
+        >>> y = matrix([2,3,4], (1,3))
+        >>> inner_product(x,y)
+        9
+
+        >>> x = [1,2,3]
+        >>> y = [1,1]
+        >>> inner_product(x,y)
+        Traceback (most recent call last):
+        ...
+        TypeError: the lengths of vec1 and vec2 must match
+
+    """
+    if not len(vec1) == len(vec2):
+        raise TypeError('the lengths of vec1 and vec2 must match')
+
+    return sum([x*y for (x, y) in zip(vec1, vec2)])
+
+
+def norm(matrix_or_vector):
+    """
+    Return the Frobenius norm of a matrix or vector.
+
+    When the input is a vector, its matrix-Frobenius norm is the same
+    thing as its vector-Euclidean norm.
+
+    Parameters
+    ----------
+
+    matrix_or_vector : matrix
+        The matrix or vector whose norm you want.
+
+    Returns
+    -------
+
+    float
+        The norm of ``matrix_or_vector``.
+
+    Examples
+    --------
+
+        >>> v = matrix([1,1])
+        >>> print('{:.5f}'.format(norm(v)))
+        1.41421
+
+        >>> A = matrix([1,1,1,1], (2,2))
+        >>> norm(A)
+        2.0
+
+    """
+    return sqrt(inner_product(matrix_or_vector, matrix_or_vector))
+
+
+def vec(mat):
+    """
+    Create a long vector in column-major order from ``mat``.
+
+    Parameters
+    ----------
+
+    mat : matrix
+        Any sort of real matrix that you want written as a long vector.
+
+    Returns
+    -------
+
+    matrix
+        An ``len(mat)``-by-``1`` long column vector containign the
+        entries of ``mat`` in column major order.
+
+    Examples
+    --------
+
+        >>> A = matrix([[1,2],[3,4]])
+        >>> print(A)
+        [ 1  3]
+        [ 2  4]
+        <BLANKLINE>
+
+        >>> print(vec(A))
+        [ 1]
+        [ 2]
+        [ 3]
+        [ 4]
+        <BLANKLINE>
+
+    Note that if ``mat`` is a vector, this function is a no-op:
+
+        >>> v = matrix([1,2,3,4], (4,1))
+        >>> print(v)
+        [ 1]
+        [ 2]
+        [ 3]
+        [ 4]
+        <BLANKLINE>
+        >>> print(vec(v))
+        [ 1]
+        [ 2]
+        [ 3]
+        [ 4]
+        <BLANKLINE>
+
+    """
+    return matrix(mat, (len(mat), 1))