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src/Cardinal.hs: use explicit Prelude imports to silence a dumb warning.
[spline3.git] / src / Cardinal.hs
index c6f7e8f72a9bc112f81d052339971f4b027eaf01..6017fa1f78721597ddd3cffffb5a939f0438cd19 100644 (file)
-module Cardinal
+{-# LANGUAGE NoMonomorphismRestriction #-}
+
+--
+-- Disable the MR so that let tp = testProperty does what it should!
+--
+
+-- | The Cardinal module contains the Cardinal data type, representing
+--   a cardinal direction (one of the 26 directions surrounding the
+--   center of a cube. In addition to those 26 directions, we also
+--   include the interior point and a number of composite types that
+--   allow us to perform arithmetic on directions.
+--
+module Cardinal (
+  Cardinal(..),
+  cardinal_properties,
+  cardinal_tests,
+  ccwx,
+  ccwy,
+  ccwz,
+  cwx,
+  cwy,
+  cwz )
 where
 
-import Prelude hiding (LT)
-
-data Cardinal = F
-              | B
-              | L
-              | R
-              | D
-              | T
-              | FL
-              | FR
-              | FD
-              | FT
-              | BL
-              | BR
-              | BD
-              | BT
-              | LD
-              | LT
-              | RD
-              | RT
-              | FLD
-              | FLT
-              | FRD
-              | FRT
-              | BLD
-              | BLT
-              | BRD
-              | BRT
-              | I
-              | Scalar Double
-              | Sum Cardinal Cardinal
+import Control.Monad (liftM, liftM2)
+import Prelude (
+  (.),
+  Bool,
+  Double,
+  Eq( (==), (/=) ),
+  Fractional( (/), fromRational, recip ),
+  Num( (+), (-), (*), abs, negate, signum, fromInteger ),
+  Show,
+  elem,
+  fromIntegral,
+  length,
+  return )
+import Test.Tasty ( TestTree, testGroup )
+import Test.Tasty.HUnit ( Assertion, assertEqual, testCase )
+import Test.Tasty.QuickCheck (
+  Arbitrary( arbitrary ),
+  Gen,
+  Property, (==>),
+  oneof,
+  testProperty )
+
+
+data Cardinal = F   -- ^ Front
+              | B   -- ^ Back
+              | L   -- ^ Left
+              | R   -- ^ Right
+              | D   -- ^ Down
+              | T   -- ^ Top
+              | FL  -- ^ Front Left
+              | FR  -- ^ Front Right
+              | FD  -- ^ Front Down
+              | FT  -- ^ Front Top
+              | BL  -- ^ Back Left
+              | BR  -- ^ Back Right
+              | BD  -- ^ Back Down
+              | BT  -- ^ Back Top
+              | LD  -- ^ Left Down
+              | LT  -- ^ Left Top
+              | RD  -- ^ Right Down
+              | RT  -- ^ Right Top
+              | FLD -- ^ Front Left Down
+              | FLT -- ^ Front Left Top
+              | FRD -- ^ Front Right Down
+              | FRT -- ^ Front Right Top
+              | BLD -- ^ Back Left Down
+              | BLT -- ^ Back Left Top
+              | BRD -- ^ Back Right Down
+              | BRT -- ^ Back Right Top
+              | I   -- ^ Interior
+              | Scalar Double -- ^ A wrapper around a scalar value.
+              | Sum Cardinal Cardinal -- ^ The sum of two directions.
               | Difference Cardinal Cardinal
-              | Product Cardinal Cardinal
+              -- ^ The difference of two directions, the first minus the second.
+              | Product Cardinal Cardinal -- ^ The product of two directions.
               | Quotient Cardinal Cardinal
+              -- ^ The quotient of two directions, the first divided by the
+              --   second.
                 deriving (Show, Eq)
 
+
+-- | By making Cardinal an instance of 'Num', we gain the ability to
+--   add, subtract, and multiply directions. The results of these
+--   operations are never actually calculated; the types just keep
+--   track of which operations were performed in which order.
 instance Num Cardinal where
     x + y = Sum x y
     x - y = Difference x y
     x * y = Product x y
-    negate x = Product (Scalar (-1)) x
+    negate = Product (Scalar (-1))
     abs x = x
     signum x = x
     fromInteger x = Scalar (fromIntegral x)
 
+
+-- | Like the Num instance, the 'Fractional' instance allows us to
+--   take quotients of directions.
 instance Fractional Cardinal where
     x / y   = Quotient x y
-    recip x = Quotient (Scalar 1) x
+    recip = Quotient (Scalar 1)
     fromRational x = Scalar (fromRational x)
 
+
+
+instance Arbitrary Cardinal where
+    arbitrary = oneof [f,b,l,r,d,t,fl,fr,fd,ft,bl,br,bd,bt,ld,lt,
+                       rd,rt,fld,flt,frd,frt,bld,blt,brd,brt,i,
+                       scalar,csum,cdiff,cprod,cquot]
+        where
+          f = return F :: Gen Cardinal
+          b = return B :: Gen Cardinal
+          l = return L :: Gen Cardinal
+          r = return R :: Gen Cardinal
+          d = return D :: Gen Cardinal
+          t = return T :: Gen Cardinal
+          fl = return FL :: Gen Cardinal
+          fr = return FR :: Gen Cardinal
+          fd = return FD :: Gen Cardinal
+          ft = return FT :: Gen Cardinal
+          bl = return BL :: Gen Cardinal
+          br = return BR :: Gen Cardinal
+          bd = return BD :: Gen Cardinal
+          bt = return BT :: Gen Cardinal
+          ld = return LD :: Gen Cardinal
+          lt = return LT :: Gen Cardinal
+          rd = return RD :: Gen Cardinal
+          rt = return RT :: Gen Cardinal
+          fld = return FLD :: Gen Cardinal
+          flt = return FLT :: Gen Cardinal
+          frd = return FRD :: Gen Cardinal
+          frt = return FRT :: Gen Cardinal
+          bld = return BLD :: Gen Cardinal
+          blt = return BLT :: Gen Cardinal
+          brd = return BRD :: Gen Cardinal
+          brt = return BRT :: Gen Cardinal
+          i = return I :: Gen Cardinal
+          scalar = liftM Scalar arbitrary
+          csum = liftM2 Sum arbitrary arbitrary
+          cdiff = liftM2 Difference arbitrary arbitrary
+          cprod = liftM2 Product arbitrary arbitrary
+          cquot = liftM2 Quotient arbitrary arbitrary
+
+
 -- | Rotate a cardinal direction counter-clockwise about the x-axis.
 ccwx :: Cardinal -> Cardinal
 ccwx F = F
@@ -89,3 +183,335 @@ ccwx (Quotient c0 c1) = Quotient (ccwx c0) (ccwx c1)
 -- | Rotate a cardinal direction clockwise about the x-axis.
 cwx :: Cardinal -> Cardinal
 cwx = ccwx . ccwx . ccwx
+
+
+-- | Rotate a cardinal direction counter-clockwise about the y-axis.
+ccwy :: Cardinal -> Cardinal
+ccwy F = D
+ccwy B = T
+ccwy L = L
+ccwy R = R
+ccwy D = B
+ccwy T = F
+ccwy FL = LD
+ccwy FR = RD
+ccwy FD = BD
+ccwy FT = FD
+ccwy BL = LT
+ccwy BR = RT
+ccwy BD = BT
+ccwy BT = FT
+ccwy LD = BL
+ccwy LT = FL
+ccwy RD = BR
+ccwy RT = FR
+ccwy FLD = BLD
+ccwy FLT = FLD
+ccwy FRD = BRD
+ccwy FRT = FRD
+ccwy BLD = BLT
+ccwy BLT = FLT
+ccwy BRD = BRT
+ccwy BRT = FRT
+ccwy I = I
+ccwy (Scalar s) = (Scalar s)
+ccwy (Sum c0 c1) = Sum (ccwy c0) (ccwy c1)
+ccwy (Difference c0 c1) = Difference (ccwy c0) (ccwy c1)
+ccwy (Product c0 c1) = Product (ccwy c0) (ccwy c1)
+ccwy (Quotient c0 c1) = Quotient (ccwy c0) (ccwy c1)
+
+-- | Rotate a cardinal direction clockwise about the y-axis.
+cwy :: Cardinal -> Cardinal
+cwy = ccwy . ccwy . ccwy
+
+
+-- | Rotate a cardinal direction counter-clockwise about the z-axis.
+ccwz :: Cardinal -> Cardinal
+ccwz F = R
+ccwz B = L
+ccwz L = F
+ccwz R = B
+ccwz D = D
+ccwz T = T
+ccwz FL = FR
+ccwz FR = BR
+ccwz FD = RD
+ccwz FT = RT
+ccwz BL = FL
+ccwz BR = BL
+ccwz BD = LD
+ccwz BT = LT
+ccwz LD = FD
+ccwz LT = FT
+ccwz RD = BD
+ccwz RT = BT
+ccwz FLD = FRD
+ccwz FLT = FRT
+ccwz FRD = BRD
+ccwz FRT = BRT
+ccwz BLD = FLD
+ccwz BLT = FLT
+ccwz BRD = BLD
+ccwz BRT = BLT
+ccwz I = I
+ccwz (Scalar s) = (Scalar s)
+ccwz (Sum c0 c1) = Sum (ccwz c0) (ccwz c1)
+ccwz (Difference c0 c1) = Difference (ccwz c0) (ccwz c1)
+ccwz (Product c0 c1) = Product (ccwz c0) (ccwz c1)
+ccwz (Quotient c0 c1) = Quotient (ccwz c0) (ccwz c1)
+
+-- | Rotate a cardinal direction clockwise about the z-axis.
+cwz :: Cardinal -> Cardinal
+cwz = ccwz . ccwz . ccwz
+
+
+
+
+-- | We know what (c t6 2 1 0 0) should be from Sorokina and
+--   Zeilfelder, p. 87.  This test checks that the directions are
+--   rotated properly.  The order of the letters has to be just right
+--   since I haven't defined a proper Eq instance for Cardinals.
+test_c_tilde_2100_rotation_correct :: Assertion
+test_c_tilde_2100_rotation_correct =
+    assertEqual "auto-rotate equals manual rotate" ((ccwz . ccwz . cwy) expr1) expr2
+    where
+      expr1 =
+          (3/8)*I +
+          (1/12)*(T + R + L + D) +
+          (1/64)*(FT + FR + FL + FD) +
+          (7/48)*F +
+          (1/48)*B +
+          (1/96)*(RT + LD + LT + RD) +
+          (1/192)*(BT + BR + BL + BD)
+
+      expr2 =
+          (3/8)*I +
+          (1/12)*(F + L + R + B) +
+          (1/64)*(FT + LT + RT + BT) +
+          (7/48)*T +
+          (1/48)*D +
+          (1/96)*(FL + BR + FR + BL) +
+          (1/192)*(FD + LD + RD + BD)
+
+-- | A list of all directions, sans the interior and composite types.
+all_directions :: [Cardinal]
+all_directions = [L, R, F, B, D, T, FL, FR, FD, FT,
+                  BL, BR, BD, BT, LD, LT, RD, RT, FLD,
+                  FLT, FRD, FRT, BLD, BLT, BRD, BRT]
+
+
+-- | If we rotate a direction (other than front or back)
+--   counter-clockwise with respect to the x-axis, we should get a new
+--   direction.
+prop_ccwx_rotation_changes_direction :: Cardinal -> Property
+prop_ccwx_rotation_changes_direction c =
+    c `elem` [L, R, D, T, FL, FR, FD, FT, BL, BR, BD, BT, LD, LT,
+               RD, RT, FLD, FLT, FRD, FRT, BLD, BLT, BRD, BRT]
+          ==> ccwx c /= c
+
+-- | If we rotate a direction (other than front or back) clockwise
+--   with respect to the x-axis, we should get a new direction.
+prop_cwx_rotation_changes_direction :: Cardinal -> Property
+prop_cwx_rotation_changes_direction c =
+    -- The front and back faces are unchanged by x-rotation.
+    c `elem` [L, R, D, T, FL, FR, FD, FT, BL, BR, BD, BT, LD, LT,
+               RD, RT, FLD, FLT, FRD, FRT, BLD, BLT, BRD, BRT]
+          ==> cwx c /= c
+
+-- | If we rotate a direction (other than left or right)
+--   counter-clockwise with respect to the y-axis, we should get a new
+--   direction.
+prop_ccwy_rotation_changes_direction :: Cardinal -> Property
+prop_ccwy_rotation_changes_direction c =
+    c `elem` [F, B, D, T, FL, FR, FD, FT, BL, BR, BD, BT, LD, LT,
+               RD, RT, FLD, FLT, FRD, FRT, BLD, BLT, BRD, BRT]
+          ==> ccwy c /= c
+
+
+-- | If we rotate a direction (other than left or right) clockwise
+--   with respect to the y-axis, we should get a new direction.
+prop_cwy_rotation_changes_direction :: Cardinal -> Property
+prop_cwy_rotation_changes_direction c =
+    c `elem` [F, B, D, T, FL, FR, FD, FT, BL, BR, BD, BT, LD, LT,
+               RD, RT, FLD, FLT, FRD, FRT, BLD, BLT, BRD, BRT]
+          ==> cwy c /= c
+
+
+-- | If we rotate a direction (other than top or down)
+--   counter-clockwise with respect to the z-axis, we should get a new
+--   direction.
+prop_ccwz_rotation_changes_direction :: Cardinal -> Property
+prop_ccwz_rotation_changes_direction c =
+    c `elem` [L, R, F, B, FL, FR, FD, FT, BL, BR, BD, BT, LD, LT,
+               RD, RT, FLD, FLT, FRD, FRT, BLD, BLT, BRD, BRT]
+          ==> ccwz c /= c
+
+
+-- | If we rotate a direction (other than top or down) clockwise with
+--   respect to the z-axis, we should get a new direction.
+prop_cwz_rotation_changes_direction :: Cardinal -> Property
+prop_cwz_rotation_changes_direction c =
+    c `elem` [L, R, F, B, FL, FR, FD, FT, BL, BR, BD, BT, LD, LT,
+               RD, RT, FLD, FLT, FRD, FRT, BLD, BLT, BRD, BRT]
+          ==> cwz c /= c
+
+
+-- | If we are given a direction c, there should only be one direction
+--   d which, when rotated counter-clockwise with respect to the
+--   x-axis, produces c.
+prop_ccwx_rotation_result_unique :: Cardinal -> Property
+prop_ccwx_rotation_result_unique c =
+    c `elem` all_directions ==>
+          (length [ d | d <- all_directions, ccwx d == c ]) == 1
+
+-- | If we are given a direction c, there should only be one direction
+--   d which, when rotated clockwise with respect to the x-axis,
+--   produces c.
+prop_cwx_rotation_result_unique :: Cardinal -> Property
+prop_cwx_rotation_result_unique c =
+    c `elem` all_directions ==>
+          (length [ d | d <- all_directions, cwx d == c ]) == 1
+
+
+-- | If we are given a direction c, there should only be one direction
+--   d which, when rotated counter-clockwise with respect to the
+--   y-axis, produces c.
+prop_ccwy_rotation_result_unique :: Cardinal -> Property
+prop_ccwy_rotation_result_unique c =
+    c `elem` all_directions ==>
+          (length [ d | d <- all_directions, ccwy d == c ]) == 1
+
+
+-- | If we are given a direction c, there should only be one direction
+--   d which, when rotated clockwise with respect to the y-axis,
+--   produces c.
+prop_cwy_rotation_result_unique :: Cardinal -> Property
+prop_cwy_rotation_result_unique c =
+    c `elem` all_directions ==>
+          (length [ d | d <- all_directions, cwy d == c ]) == 1
+
+
+-- | If we are given a direction c, there should only be one direction
+--   d which, when rotated counter-clockwise with respect to the
+--   z-axis, produces c.
+prop_ccwz_rotation_result_unique :: Cardinal -> Property
+prop_ccwz_rotation_result_unique c =
+    c `elem` all_directions ==>
+          (length [ d | d <- all_directions, ccwz d == c ]) == 1
+
+
+-- | If we are given a direction c, there should only be one direction
+--   d which, when rotated clockwise with respect to the z-axis,
+--   produces c.
+prop_cwz_rotation_result_unique :: Cardinal -> Property
+prop_cwz_rotation_result_unique c =
+    c `elem` all_directions ==>
+          (length [ d | d <- all_directions, cwz d == c ]) == 1
+
+
+-- | If you rotate a cardinal direction four times in the clockwise
+--   (with respect to x) direction, you should wind up with the same
+--   direction.
+prop_four_cwx_is_identity :: Cardinal -> Bool
+prop_four_cwx_is_identity c =
+    (cwx . cwx . cwx . cwx) c == c
+
+-- | If you rotate a cardinal direction four times in the
+--   counter-clockwise (with respect to x) direction, you should wind up
+--   with the same direction.
+prop_four_ccwx_is_identity :: Cardinal -> Bool
+prop_four_ccwx_is_identity c =
+    (ccwx . ccwx . ccwx . ccwx) c == c
+
+-- | If you rotate a cardinal direction four times in the clockwise
+--   (with respect to y) direction, you should wind up with the same
+--   direction.
+prop_four_cwy_is_identity :: Cardinal -> Bool
+prop_four_cwy_is_identity c =
+    (cwy . cwy . cwy . cwy) c == c
+
+-- | If you rotate a cardinal direction four times in the counter-clockwise
+--   (with respect to y) direction, you should wind up with the same
+--   direction.
+prop_four_ccwy_is_identity :: Cardinal -> Bool
+prop_four_ccwy_is_identity c =
+    (ccwy . ccwy . ccwy . ccwy) c == c
+
+-- | If you rotate a cardinal direction four times in the clockwise
+--   (with respect to z) direction, you should wind up with the same
+--   direction.
+prop_four_cwz_is_identity :: Cardinal -> Bool
+prop_four_cwz_is_identity c =
+    (cwz . cwz . cwz . cwz) c == c
+
+-- | If you rotate a cardinal direction four times in the
+--   counter-clockwise (with respect to z) direction, you should wind up
+--   with the same direction.
+prop_four_ccwz_is_identity :: Cardinal -> Bool
+prop_four_ccwz_is_identity c =
+    (ccwz . ccwz . ccwz . ccwz) c == c
+
+
+cardinal_tests :: TestTree
+cardinal_tests =
+  testGroup "Cardinal tests" [
+    testCase "c-tilde_2100 rotation correct"test_c_tilde_2100_rotation_correct ]
+
+
+cardinal_properties :: TestTree
+cardinal_properties =
+  testGroup "Cardinal properties" [
+    testProperty
+      "ccwx rotation changes direction"
+      prop_ccwx_rotation_changes_direction,
+    testProperty
+      "cwx rotation changes direction"
+      prop_cwx_rotation_changes_direction,
+    testProperty
+      "ccwy rotation changes direction"
+      prop_ccwy_rotation_changes_direction,
+    testProperty
+      "cwy rotation changes direction"
+      prop_cwy_rotation_changes_direction,
+    testProperty
+      "ccwz rotation changes direction"
+      prop_ccwz_rotation_changes_direction,
+    testProperty
+      "cwz rotation changes direction"
+      prop_cwz_rotation_changes_direction,
+    testProperty
+      "ccwx rotation result unique"
+      prop_ccwx_rotation_result_unique,
+    testProperty
+      "cwx rotation result unique"
+      prop_cwx_rotation_result_unique,
+    testProperty
+      "ccwy rotation result unique"
+      prop_ccwy_rotation_result_unique,
+    testProperty
+      "cwy rotation result unique"
+      prop_cwy_rotation_result_unique,
+    testProperty
+      "ccwz rotation result unique"
+      prop_ccwz_rotation_result_unique,
+    testProperty
+      "cwz rotation result unique"
+      prop_cwz_rotation_result_unique,
+    testProperty
+      "four cwx is identity"
+      prop_four_cwx_is_identity,
+    testProperty
+      "four ccwx is identity"
+      prop_four_ccwx_is_identity,
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+      "four cwy is identity"
+      prop_four_cwy_is_identity,
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+      "four ccwy is identity"
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+      "four cwz is identity"
+      prop_four_cwz_is_identity,
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+      "four ccwz is identity"
+      prop_four_ccwz_is_identity ]