Normand Briere
2017-05-07 314b34423070cf127464da79a53cddf6b1c38587
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
/*
 * This software is a cooperative product of The MathWorks and the National
 * Institute of Standards and Technology (NIST) which has been released to the
 * public domain. Neither The MathWorks nor NIST assumes any responsibility
 * whatsoever for its use by other parties, and makes no guarantees, expressed
 * or implied, about its quality, reliability, or any other characteristic.
 */
 
/*
 * QRDecomposition.java
 * Copyright (C) 1999 The Mathworks and NIST
 *
 */
 
package //weka.core.
        matrix;
 
import weka.core.RevisionHandler;
import weka.core.RevisionUtils;
 
import java.io.Serializable;
 
/** 
 * QR Decomposition.
 * <P>
 * For an m-by-n matrix A with m &gt;= n, the QR decomposition is an m-by-n
 * orthogonal matrix Q and an n-by-n upper triangular matrix R so that A = Q*R.
 * <P>
 * The QR decompostion always exists, even if the matrix does not have full
 * rank, so the constructor will never fail.  The primary use of the QR
 * decomposition is in the least squares solution of nonsquare systems of
 * simultaneous linear equations.  This will fail if isFullRank() returns false.
 * <p/>
 * Adapted from the <a href="http://math.nist.gov/javanumerics/jama/" target="_blank">JAMA</a> package.
 *
 * @author The Mathworks and NIST 
 * @author Fracpete (fracpete at waikato dot ac dot nz)
 * @version $Revision: 1.4 $
 */
public class QRDecomposition 
  implements Serializable, RevisionHandler {
 
  /** for serialization */
  private static final long serialVersionUID = -5013090736132211418L;
 
  /** 
   * Array for internal storage of decomposition.
   *    @serial internal array storage.
   */
  private double[][] QR;
 
  /** 
   * Row and column dimensions.
   *    @serial column dimension.
   *    @serial row dimension.
   */
  private int m, n;
 
  /** 
   * Array for internal storage of diagonal of R.
   *    @serial diagonal of R.
   */
  private double[] Rdiag;
 
  /** 
   * QR Decomposition, computed by Householder reflections.
   * @param A    Rectangular matrix
   */
  public QRDecomposition(Matrix A) {
    // Initialize.
    QR = A.getArrayCopy();
    m = A.getRowDimension();
    n = A.getColumnDimension();
    Rdiag = new double[n];
 
    // Main loop.
    for (int k = 0; k < n; k++) {
      // Compute 2-norm of k-th column without under/overflow.
      double nrm = 0;
      for (int i = k; i < m; i++) {
        nrm = Maths.hypot(nrm,QR[i][k]);
      }
 
      if (nrm != 0.0) {
        // Form k-th Householder vector.
        if (QR[k][k] < 0) {
          nrm = -nrm;
        }
        for (int i = k; i < m; i++) {
          QR[i][k] /= nrm;
        }
        QR[k][k] += 1.0;
 
        // Apply transformation to remaining columns.
        for (int j = k+1; j < n; j++) {
          double s = 0.0; 
          for (int i = k; i < m; i++) {
            s += QR[i][k]*QR[i][j];
          }
          s = -s/QR[k][k];
          for (int i = k; i < m; i++) {
            QR[i][j] += s*QR[i][k];
          }
        }
      }
      Rdiag[k] = -nrm;
    }
  }
 
  /** 
   * Is the matrix full rank?
   * @return     true if R, and hence A, has full rank.
   */
  public boolean isFullRank() {
    for (int j = 0; j < n; j++) {
      if (Rdiag[j] == 0)
        return false;
    }
    return true;
  }
 
  /** 
   * Return the Householder vectors
   * @return     Lower trapezoidal matrix whose columns define the reflections
   */
  public Matrix getH() {
    Matrix X = new Matrix(m,n);
    double[][] H = X.getArray();
    for (int i = 0; i < m; i++) {
      for (int j = 0; j < n; j++) {
        if (i >= j) {
          H[i][j] = QR[i][j];
        } else {
          H[i][j] = 0.0;
        }
      }
    }
    return X;
  }
 
  /** 
   * Return the upper triangular factor
   * @return     R
   */
  public Matrix getR() {
    Matrix X = new Matrix(n,n);
    double[][] R = X.getArray();
    for (int i = 0; i < n; i++) {
      for (int j = 0; j < n; j++) {
        if (i < j) {
          R[i][j] = QR[i][j];
        } else if (i == j) {
          R[i][j] = Rdiag[i];
        } else {
          R[i][j] = 0.0;
        }
      }
    }
    return X;
  }
 
  /** 
   * Generate and return the (economy-sized) orthogonal factor
   * @return     Q
   */
  public Matrix getQ() {
    Matrix X = new Matrix(m,n);
    double[][] Q = X.getArray();
    for (int k = n-1; k >= 0; k--) {
      for (int i = 0; i < m; i++) {
        Q[i][k] = 0.0;
      }
      Q[k][k] = 1.0;
      for (int j = k; j < n; j++) {
        if (QR[k][k] != 0) {
          double s = 0.0;
          for (int i = k; i < m; i++) {
            s += QR[i][k]*Q[i][j];
          }
          s = -s/QR[k][k];
          for (int i = k; i < m; i++) {
            Q[i][j] += s*QR[i][k];
          }
        }
      }
    }
    return X;
  }
 
  /** 
   * Least squares solution of A*X = B
   * @param B    A Matrix with as many rows as A and any number of columns.
   * @return     X that minimizes the two norm of Q*R*X-B.
   * @exception  IllegalArgumentException  Matrix row dimensions must agree.
   * @exception  RuntimeException  Matrix is rank deficient.
   */
  public Matrix solve(Matrix B) {
    if (B.getRowDimension() != m) {
      throw new IllegalArgumentException("Matrix row dimensions must agree.");
    }
    if (!this.isFullRank()) {
      throw new RuntimeException("Matrix is rank deficient.");
    }
 
    // Copy right hand side
    int nx = B.getColumnDimension();
    double[][] X = B.getArrayCopy();
 
    // Compute Y = transpose(Q)*B
    for (int k = 0; k < n; k++) {
      for (int j = 0; j < nx; j++) {
        double s = 0.0; 
        for (int i = k; i < m; i++) {
          s += QR[i][k]*X[i][j];
        }
        s = -s/QR[k][k];
        for (int i = k; i < m; i++) {
          X[i][j] += s*QR[i][k];
        }
      }
    }
    // Solve R*X = Y;
    for (int k = n-1; k >= 0; k--) {
      for (int j = 0; j < nx; j++) {
        X[k][j] /= Rdiag[k];
      }
      for (int i = 0; i < k; i++) {
        for (int j = 0; j < nx; j++) {
          X[i][j] -= X[k][j]*QR[i][k];
        }
      }
    }
    return (new Matrix(X,n,nx).getMatrix(0,n-1,0,nx-1));
  }
  
  /**
   * Returns the revision string.
   * 
   * @return        the revision
   */
  public String getRevision() {
    return RevisionUtils.extract("$Revision: 1.4 $");
  }
}