]> gitweb.michael.orlitzky.com - sage.d.git/blobdiff - mjo/ldlt.py
mjo/ldlt.py: rule #1 is never compute the inverse of a matrix.
[sage.d.git] / mjo / ldlt.py
index 8e5f6930da7630d11704458ca14613d9aab64718..9a6070d1fadf7e66663336cd35af96b8adf2d30e 100644 (file)
@@ -25,6 +25,7 @@ def is_positive_semidefinite_naive(A):
         return True # vacuously
     return A.is_hermitian() and all( v >= 0 for v in A.eigenvalues() )
 
+
 def ldlt_naive(A):
     r"""
     Perform a pivoted `LDL^{T}` factorization of the Hermitian
@@ -97,6 +98,7 @@ def ldlt_naive(A):
     diags = A1.diagonal()
     s = diags.index(max(diags))
     P1 = copy(A1.matrix_space().identity_matrix())
+    P1.swap_rows(0,s)
     A1 = P1.T * A1 * P1
     alpha1 = A1[0,0]
 
@@ -123,3 +125,468 @@ def ldlt_naive(A):
                             [0*v1,   D2]])
 
     return (P1,L1,D1)
+
+
+
+def ldlt_fast(A):
+    r"""
+    Perform a fast, pivoted `LDL^{T}` factorization of the Hermitian
+    positive-semidefinite matrix `A`.
+
+    This function is much faster than ``ldlt_naive`` because the
+    tail-recursion has been unrolled into a loop.
+    """
+    ring = A.base_ring().fraction_field()
+    A = A.change_ring(ring)
+
+    # Keep track of the permutations in a vector rather than in a
+    # matrix, for efficiency.
+    n = A.nrows()
+    p = list(range(n))
+
+    for k in range(n):
+        # We need to loop once for every diagonal entry in the
+        # matrix. So, as many times as it has rows/columns. At each
+        # step, we obtain the permutation needed to put things in the
+        # right place, then the "next" entry (alpha) of D, and finally
+        # another column of L.
+        diags = A.diagonal()[k:n]
+        alpha = max(diags)
+
+        # We're working *within* the matrix ``A``, so every index is
+        # offset by k. For example: after the second step, we should
+        # only be looking at the lower 3-by-3 block of a 5-by-5 matrix.
+        s = k + diags.index(alpha)
+
+        # Move the largest diagonal element up into the top-left corner
+        # of the block we're working on (the one starting from index k,k).
+        # Presumably this is faster than hitting the thing with a
+        # permutation matrix.
+        #
+        # Since "L" is stored in the lower-left "half" of "A", it's a
+        # good thing that we need to permute "L," too. This is due to
+        # how P2.T appears in the recursive algorithm applied to the
+        # "current" column of L There, P2.T is computed recusively, as
+        # 1 x P3.T, and P3.T = 1 x P4.T, etc, from the bottom up. All
+        # are eventually applied to "v" in order.  Here we're working
+        # from the top down, and rather than keep track of what
+        # permutations we need to perform, we just perform them as we
+        # go along. No recursion needed.
+        A.swap_columns(k,s)
+        A.swap_rows(k,s)
+
+        # Update the permutation "matrix" with the swap we just did.
+        p_k = p[k]
+        p[k] = p[s]
+        p[s] = p_k
+
+        # Now the largest diagonal is in the top-left corner of the
+        # block below and to the right of index k,k. When alpha is
+        # zero, we can just leave the rest of the D/L entries
+        # zero... which is exactly how they start out.
+        if alpha != 0:
+            # Update the "next" block of A that we'll work on during
+            # the following iteration. I think it's faster to get the
+            # entries of a row than a column here?
+            for i in range(n-k-1):
+                for j in range(i+1):
+                    A[k+1+j,k+1+i] = A[k+1+j,k+1+i] - A[k,k+1+j]*A[k,k+1+i]/alpha
+                    A[k+1+i,k+1+j] = A[k+1+j,k+1+i] # keep it symmetric!
+
+            for i in range(n-k-1):
+                # Store the "new" (kth) column of L, being sure to set
+                # the lower-left "half" from the upper-right "half"
+                A[k+i+1,k] = A[k,k+1+i]/alpha
+
+    MS = A.matrix_space()
+    P = MS.matrix(lambda i,j: p[j] == i)
+    D = MS.diagonal_matrix(A.diagonal())
+
+    for i in range(n):
+        A[i,i] = 1
+        for j in range(i+1,n):
+            A[i,j] = 0
+
+    return P,A,D
+
+
+def block_ldlt_naive(A, check_hermitian=False):
+    r"""
+    Perform a block-`LDL^{T}` factorization of the Hermitian
+    matrix `A`.
+
+    This is a naive, recursive implementation akin to
+    ``ldlt_naive()``, where the pivots (and resulting diagonals) are
+    either `1 \times 1` or `2 \times 2` blocks. The pivots are chosen
+    using the Bunch-Kaufmann scheme that is both fast and numerically
+    stable.
+
+    OUTPUT:
+
+    A triple `(P,L,D)` such that `A = PLDL^{T}P^{T}` and where,
+
+      * `P` is a permutation matrix
+      * `L` is unit lower-triangular
+      * `D` is a block-diagonal matrix whose blocks are of size
+        one or two.
+
+    """
+    n = A.nrows()
+
+    # Use the fraction field of the given matrix so that division will work
+    # when (for example) our matrix consists of integer entries.
+    ring = A.base_ring().fraction_field()
+
+    if n == 0 or n == 1:
+        # We can get n == 0 if someone feeds us a trivial matrix.
+        # For block-LDLT, n=2 is a base case.
+        P = matrix.identity(ring, n)
+        L = matrix.identity(ring, n)
+        D = A
+        return (P,L,D)
+
+    alpha = (1 + ZZ(17).sqrt()) * ~ZZ(8)
+    A1 = A.change_ring(ring)
+
+    # Bunch-Kaufmann step 1, Higham step "zero." We use Higham's
+    # "omega" notation instead of Bunch-Kaufman's "lamda" because
+    # lambda means other things in the same context.
+    column_1_subdiag = [ a_i1.abs() for a_i1 in A1[1:,0].list() ]
+    omega_1 = max([ a_i1 for a_i1 in column_1_subdiag ])
+
+    if omega_1 == 0:
+        # "There's nothing to do at this step of the algorithm,"
+        # which means that our matrix looks like,
+        #
+        #   [ 1 0 ]
+        #   [ 0 B ]
+        #
+        # We could still do a pivot_one_by_one() here, but it would
+        # pointlessly subract a bunch of zeros and multiply by one.
+        B = A1[1:,1:]
+        one = matrix(ring, 1, 1, [1])
+        P2, L2, D2 = block_ldlt_naive(B)
+        P1 = block_diagonal_matrix(one, P2)
+        L1 = block_diagonal_matrix(one, L2)
+        D1 = block_diagonal_matrix(one, D2)
+        return (P1,L1,D1)
+
+    def pivot_one_by_one(M, c=None):
+        # Perform a one-by-one pivot on "M," swapping row/columns "c".
+        # If "c" is None, no swap is performed.
+        if c is not None:
+            P1 = copy(M.matrix_space().identity_matrix())
+            P1.swap_rows(0,c)
+            M = P1.T * M * P1
+
+        # The top-left entry is now our 1x1 pivot.
+        C = M[1:n,0]
+        B = M[1:,1:]
+
+        P2, L2, D2 = block_ldlt_naive(B - (C*C.transpose())/M[0,0])
+
+        if c is None:
+            P1 = block_matrix(2,2, [[ZZ(1), ZZ(0)],
+                                    [0*C,   P2]])
+        else:
+            P1 = P1*block_matrix(2,2, [[ZZ(1), ZZ(0)],
+                                       [0*C,   P2]])
+
+        L1 = block_matrix(2,2, [[ZZ(1),                    ZZ(0)],
+                                [P2.transpose()*C/M[0,0], L2]])
+        D1 = block_matrix(2,2, [[M[0,0], ZZ(0)],
+                                [0*C,     D2]])
+
+        return (P1,L1,D1)
+
+
+    if A1[0,0].abs() > alpha*omega_1:
+        return pivot_one_by_one(A1)
+
+    r = 1 + column_1_subdiag.index(omega_1)
+
+    # If the matrix is Hermitian, we need only look at the above-
+    # diagonal entries to find the off-diagonal of maximal magnitude.
+    omega_r = max( a_rj.abs() for a_rj in A1[:r,r].list() )
+
+    if A1[0,0].abs()*omega_r >= alpha*(omega_1**2):
+        return pivot_one_by_one(A1)
+
+    if A1[r,r].abs() > alpha*omega_r:
+        # Higham step (3)
+        # Another 1x1 pivot, but this time swapping indices 0,r.
+        return pivot_one_by_one(A1,r)
+
+    # Higham step (4)
+    # If we made it here, we have to do a 2x2 pivot.
+    P1 = copy(A1.matrix_space().identity_matrix())
+    P1.swap_rows(1,r)
+    A1 = P1.T * A1 * P1
+
+    # The top-left 2x2 submatrix is now our pivot.
+    E = A1[:2,:2]
+    C = A1[2:n,0:2]
+    B = A1[2:,2:]
+
+    if B.nrows() == 0:
+        # We have a two-by-two matrix that we can do nothing
+        # useful with.
+        P = matrix.identity(ring, n)
+        L = matrix.identity(ring, n)
+        D = A1
+        return (P,L,D)
+
+    P2, L2, D2 = block_ldlt_naive(B - (C*E.inverse()*C.transpose()))
+
+    P1 = P1*block_matrix(2,2, [[ZZ(1), ZZ(0)],
+                               [0*C,   P2]])
+
+    L1 = block_matrix(2,2, [[ZZ(1),                    ZZ(0)],
+                            [P2.transpose()*C*E.inverse(), L2]])
+    D1 = block_diagonal_matrix(E,D2)
+
+    return (P1,L1,D1)
+
+
+def block_ldlt(A):
+    r"""
+    Perform a block-`LDL^{T}` factorization of the Hermitian
+    matrix `A`.
+
+    OUTPUT:
+
+    A triple `(P,L,D)` such that `A = PLDL^{T}P^{T}` and where,
+
+      * `P` is a permutation matrix
+      * `L` is unit lower-triangular
+      * `D` is a block-diagonal matrix whose blocks are of size
+        one or two.
+    """
+
+    # We have to make at least one copy of the input matrix so that we
+    # can change the base ring to its fraction field. Both "L" and the
+    # intermediate Schur complements will potentially have entries in
+    # the fraction field. However, we don't need to make *two* copies.
+    # We can't store the entries of "D" and "L" in the same matrix if
+    # "D" will contain any 2x2 blocks; but we can still store the
+    # entries of "L" in the copy of "A" that we're going to make.
+    # Contrast this with the non-block LDL^T factorization where the
+    # entries of both "L" and "D" overwrite the lower-left half of "A".
+    #
+    # This grants us an additional speedup, since we don't have to
+    # permute the rows/columns of "L" *and* "A" at each iteration.
+    ring = A.base_ring().fraction_field()
+    A = A.change_ring(ring)
+    MS = A.matrix_space()
+
+    # The magic constant used by Bunch-Kaufman
+    alpha = (1 + ZZ(17).sqrt()) * ~ZZ(8)
+
+    # Keep track of the permutations and diagonal blocks in a vector
+    # rather than in a matrix, for efficiency.
+    n = A.nrows()
+    p = list(range(n))
+    d = []
+
+    def swap_rows_columns(M, k, s):
+        r"""
+        Swap rows/columns ``k`` and ``s`` of the matrix ``M``, and update
+        the list ``p`` accordingly.
+        """
+        if s > k:
+            # s == k would swap row/column k with itself, and we don't
+            # actually want to perform the identity permutation. If
+            # you work out the recursive factorization by hand, you'll
+            # notice that the rows/columns of "L" need to be permuted
+            # as well. A nice side effect of storing "L" within "A"
+            # itself is that we can skip that step. The first column
+            # of "L" is hit by all of the transpositions in
+            # succession, and the second column is hit by all but the
+            # first transposition, and so on.
+            M.swap_columns(k,s)
+            M.swap_rows(k,s)
+
+            p_k = p[k]
+            p[k] = p[s]
+            p[s] = p_k
+
+        # No return value, we're only interested in the "side effects"
+        # of modifing the matrix M (by reference) and the permutation
+        # list p (which is in scope when this function is defined).
+        return
+
+
+    def pivot1x1(M, k, s):
+        r"""
+        Perform a 1x1 pivot swapping rows/columns `k` and `s >= k`.
+        Relies on the fact that matrices are passed by reference,
+        since for performance reasons this routine should overwrite
+        its argument. Updates the local variables ``p`` and ``d`` as
+        well.
+        """
+        swap_rows_columns(M,k,s)
+
+        # Now the pivot is in the (k,k)th position.
+        d.append( matrix(ring, 1, [[A[k,k]]]) )
+
+        # Compute the Schur complement that we'll work on during
+        # the following iteration, and store it back in the lower-
+        # right-hand corner of "A".
+        for i in range(n-k-1):
+            for j in range(i+1):
+                A[k+1+j,k+1+i] = ( A[k+1+j,k+1+i] -
+                                   A[k,k+1+j]*A[k,k+1+i]/A[k,k] )
+                A[k+1+i,k+1+j] = A[k+1+j,k+1+i] # keep it symmetric!
+
+        for i in range(n-k-1):
+            # Store the new (kth) column of "L" within the lower-
+            # left-hand corner of "A", being sure to set the lower-
+            # left entries from the upper-right ones to avoid
+            # collisions.
+            A[k+i+1,k] = A[k,k+1+i]/A[k,k]
+
+        # No return value, only the desired side effects of updating
+        # p, d, and A.
+        return
+
+    k = 0
+    while k < n:
+        # At each step, we're considering the k-by-k submatrix
+        # contained in the lower-right half of "A", because that's
+        # where we're storing the next iterate. So our indices are
+        # always "k" greater than those of Higham or B&K. Note that
+        # ``n == 0`` is handled by skipping this loop entirely.
+
+        if k == (n-1):
+            # Handle this trivial case manually, since otherwise the
+            # algorithm's references to the e.g. "subdiagonal" are
+            # meaningless.
+            d.append( matrix(ring, 1, [[A[k,k]]]) )
+            k += 1
+            continue
+
+        # Find the largest subdiagonal entry (in magnitude) in the
+        # kth column. This occurs prior to Step (1) in Higham,
+        # but is part of Step (1) in Bunch and Kaufman. We adopt
+        # Higham's "omega" notation instead of B&K's "lambda"
+        # because "lambda" can lead to some confusion. Beware:
+        # the subdiagonals of our matrix are being overwritten!
+        # So we actually use the corresponding row entries instead.
+        column_1_subdiag = [ a_ki.abs() for a_ki in A[k,k+1:].list() ]
+        omega_1 = max([ a_ki for a_ki in column_1_subdiag ])
+
+        if omega_1 == 0:
+            # In this case, our matrix looks like
+            #
+            #   [ a 0 ]
+            #   [ 0 B ]
+            #
+            # and we can simply skip to the next step after recording
+            # the 1x1 pivot "1" in the top-left position.
+            d.append( matrix(ring, 1, [[A[k,k]]]) )
+            k += 1
+            continue
+
+        if A[k,k].abs() > alpha*omega_1:
+            # This is the first case in Higham's Step (1), and B&K's
+            # Step (2). Note that we have skipped the part of B&K's
+            # Step (1) where we determine "r", since "r" is not yet
+            # needed and we may waste some time computing it
+            # otherwise. We are performing a 1x1 pivot, but the
+            # rows/columns are already where we want them, so nothing
+            # needs to be permuted.
+            pivot1x1(A,k,k)
+            k += 1
+            continue
+
+        # Now back to Step (1) of Higham, where we find the index "r"
+        # that corresponds to omega_1. This is the "else" branch of
+        # Higham's Step (1).
+        r = k + 1 + column_1_subdiag.index(omega_1)
+
+        # Continuing the "else" branch of Higham's Step (1), and onto
+        # B&K's Step (3) where we find the largest off-diagonal entry
+        # (in magniture) in column "r". Since the matrix is Hermitian,
+        # we need only look at the above-diagonal entries to find the
+        # off-diagonal of maximal magnitude. (Beware: the subdiagonal
+        # entries are being overwritten.)
+        omega_r = max( a_rj.abs() for a_rj in A[:r,r].list() )
+
+        if A[k,k].abs()*omega_r >= alpha*(omega_1**2):
+            # Step (2) in Higham or Step (4) in B&K.
+            pivot1x1(A,k,k)
+            k += 1
+            continue
+
+        if A[r,r].abs() > alpha*omega_r:
+            # This is Step (3) in Higham or Step (5) in B&K. Still a 1x1
+            # pivot, but this time we need to swap rows/columns k and r.
+            pivot1x1(A,k,r)
+            k += 1
+            continue
+
+        # If we've made it this far, we're at Step (4) in Higham or
+        # Step (6) in B&K, where we perform a 2x2 pivot.
+        swap_rows_columns(A,k+1,r)
+
+        # The top-left 2x2 submatrix (starting at position k,k) is now
+        # our pivot.
+        E = A[k:k+2,k:k+2]
+        d.append(E)
+
+        C = A[k+2:n,k:k+2]
+        B = A[k+2:,k+2:]
+
+        # We don't actually need the inverse of E, what we really need
+        # is C*E.inverse(), and that can be found by setting
+        #
+        #   C*E.inverse() == X   <====>   XE == C.
+        #
+        # The latter can be found much more easily by solving a system.
+        # Note: I do not actually know that sage solves the system more
+        # intelligently, but this is still The Right Thing To Do.
+        CE_inverse = E.solve_left(C)
+
+        schur_complement = B - (CE_inverse*C.transpose())
+
+        # Compute the Schur complement that we'll work on during
+        # the following iteration, and store it back in the lower-
+        # right-hand corner of "A".
+        for i in range(n-k-2):
+            for j in range(i+1):
+                A[k+2+j,k+2+i] = A[k+2+j,k+2+i] - schur_complement[j,i]
+                A[k+2+i,k+2+j] = A[k+2+j,k+2+i] # keep it symmetric!
+
+        # The on- and above-diagonal entries of "L" will be fixed
+        # later, so we only need to worry about the lower-left entry
+        # of the 2x2 identity matrix that belongs at the top of the
+        # new column of "L".
+        A[k+1,k] = 0
+        for i in range(n-k-2):
+            for j in range(2):
+                # Store the new (k and (k+1)st) columns of "L" within
+                # the lower-left-hand corner of "A", being sure to set
+                # the lower-left entries from the upper-right ones to
+                # avoid collisions.
+                A[k+i+2,k+j] = CE_inverse[i,j]
+
+
+        k += 2
+
+    MS = A.matrix_space()
+    P = MS.matrix(lambda i,j: p[j] == i)
+
+    # Warning: when n == 0, this works, but returns a matrix
+    # whose (nonexistent) entries are in ZZ rather than in
+    # the base ring of P and L.
+    D = block_diagonal_matrix(d)
+
+    # Overwrite the diagonal and upper-right half of "A",
+    # since we're about to return it as the unit-lower-
+    # triangular "L".
+    for i in range(n):
+        A[i,i] = 1
+        for j in range(i+1,n):
+            A[i,j] = 0
+
+    return (P,A,D)