source/linal/matrix.h

   1 #ifndef MSP_LINAL_MATRIX_H_
   2 #define MSP_LINAL_MATRIX_H_
   3
   4 #include <algorithm>
   5 #include "vector.h"
   6
   7 namespace Msp {
   8 namespace LinAl {
   9
  10 /**
  11 A general mathematical matrix.
  12 */
  13 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
  14 class Matrix
  15 {
  16 private:
  17         T data[M*N];
  18
  19 public:
  20         Matrix();
  21         Matrix(const T *);
  22         template<typename U>
  23         Matrix(const Matrix<U, M, N> &);
  24
  25         static Matrix from_columns(const Vector<T, M> *);
  26         static Matrix from_rows(const Vector<T, N> *);
  27
  28         T &element(unsigned i, unsigned j) { return data[i+M*j]; }
  29         const T &element(unsigned i, unsigned j) const { return data[i+M*j]; }
  30         T &operator()(unsigned i, unsigned j) { return element(i, j); }
  31         const T &operator()(unsigned i, unsigned j) const { return element(i, j); }
  32
  33         Matrix &operator*=(T);
  34         Matrix &operator/=(T);
  35         Matrix &operator+=(const Matrix &);
  36         Matrix &operator-=(const Matrix &);
  37
  38         Matrix &exchange_rows(unsigned, unsigned);
  39         Matrix &multiply_row(unsigned, T);
  40         Matrix &add_row(unsigned, unsigned, T);
  41 };
  42
  43 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
  44 inline Matrix<T, M, N>::Matrix()
  45 {
  46         std::fill(data, data+M*N, T());
  47 }
  48
  49 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
  50 inline Matrix<T, M, N>::Matrix(const T *d)
  51 {
  52         std::copy(d, d+M*N, data);
  53 }
  54
  55 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
  56 template<typename U>
  57 inline Matrix<T, M, N>::Matrix(const Matrix<U, M, N> &other)
  58 {
  59         for(unsigned i=0; i<M; ++i)
  60                 for(unsigned j=0; j<N; ++j)
  61                         element(i, j) = other(i, j);
  62 }
  63
  64 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
  65 inline Matrix<T, M, N> Matrix<T, M, N>::from_columns(const Vector<T, M> *v)
  66 {
  67         Matrix<T, M, N> m;
  68         for(unsigned i=0; i<M; ++i)
  69                 for(unsigned j=0; j<N; ++j)
  70                         m(i, j) = v[j][i];
  71 }
  72
  73 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
  74 inline Matrix<T, M, N> Matrix<T, M, N>::from_rows(const Vector<T, N> *v)
  75 {
  76         Matrix<T, M, N> m;
  77         for(unsigned i=0; i<M; ++i)
  78                 for(unsigned j=0; j<N; ++j)
  79                         m(i, j) = v[i][j];
  80 }
  81
  82 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
  83 inline Matrix<T, M, N> &Matrix<T, M, N>::operator*=(T s)
  84 {
  85         for(unsigned i=0; i<M*N; ++i)
  86                 data[i] *= s;
  87         return *this;
  88 }
  89
  90 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
  91 inline Matrix<T, M, N> operator*(const Matrix<T, M, N> &m, T s)
  92 {
  93         Matrix<T, M, N> r(m);
  94         return r *= s;
  95 }
  96
  97 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
  98 inline Matrix<T, M, N> operator*(T s, const Matrix<T, M, N> &m)
  99 {
 100         return m*s;
 101 }
 102
 103 template<typename T, unsigned M, unsigned P, unsigned N>
 104 inline Matrix<T, M, N> operator*(const Matrix<T, M, P> &m1, const Matrix<T, P, N> &m2)
 105 {
 106         Matrix<T, M, N> r;
 107         for(unsigned i=0; i<M; ++i)
 108                 for(unsigned j=0; j<N; ++j)
 109                         for(unsigned k=0; k<P; ++k)
 110                                 r(i, j) += m1(i, k)*m2(k, j);
 111         return r;
 112 }
 113
 114 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
 115 inline Vector<T, M> operator*(const Matrix<T, M, N> &m, const Vector<T, N> &v)
 116 {
 117         Vector<T, M> r;
 118         for(unsigned i=0; i<M; ++i)
 119                 for(unsigned j=0; j<N; ++j)
 120                         r[i] += m(i, j)*v[j];
 121         return r;
 122 }
 123
 124 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
 125 inline Vector<T, N> operator*(const Vector<T, M> &v, const Matrix<T, M, N> &m)
 126 {
 127         Vector<T, N> r;
 128         for(unsigned j=0; j<N; ++j)
 129                 for(unsigned i=0; i<M; ++i)
 130                         r[j] += v[i]*m(i, j);
 131         return r;
 132 }
 133
 134 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
 135 inline Matrix<T, M, N> &Matrix<T, M, N>::operator/=(T s)
 136 {
 137         for(unsigned i=0; i<M*N; ++i)
 138                 data[i] /= s;
 139         return *this;
 140 }
 141
 142 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
 143 inline Matrix<T, M, N> operator/(const Matrix<T, M, N> &m, T s)
 144 {
 145         Matrix<T, M, N> r(m);
 146         return r /= s;
 147 }
 148
 149 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
 150 inline Matrix<T, M, N> &Matrix<T, M, N>::operator+=(const Matrix<T, M, N> &m)
 151 {
 152         for(unsigned i=0; i<M*N; ++i)
 153                 data[i] += m.data[i];
 154         return *this;
 155 }
 156
 157 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
 158 inline Matrix<T, M, N> operator+(const Matrix<T, M, N> &m1, const Matrix<T, M, N> &m2)
 159 {
 160         Matrix<T, M, N> r(m1);
 161         return r += m2;
 162 }
 163
 164 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
 165 inline Matrix<T, M, N> &Matrix<T, M, N>::operator-=(const Matrix<T, M, N> &m)
 166 {
 167         for(unsigned i=0; i<M*N; ++i)
 168                 data[i] -= m.data[i];
 169         return *this;
 170 }
 171
 172 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
 173 inline Matrix<T, M, N> operator-(const Matrix<T, M, N> &m1, const Matrix<T, M, N> &m2)
 174 {
 175         Matrix<T, M, N> r(m1);
 176         return r -= m2;
 177 }
 178
 179 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
 180 inline bool operator==(const Matrix<T, M, N> &a, const Matrix<T, M, N> &b)
 181 {
 182         for(unsigned j=0; j<N; ++j)
 183                 for(unsigned i=0; i<M; ++i)
 184                         if(a(i, j)!=b(i, j))
 185                                 return false;
 186         return true;
 187 }
 188
 189 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
 190 inline Matrix<T, M, N> &Matrix<T, M, N>::exchange_rows(unsigned i, unsigned j)
 191 {
 192         for(unsigned k=0; k<N; ++k)
 193                 std::swap(element(i, k), element(j, k));
 194         return *this;
 195 }
 196
 197 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
 198 inline Matrix<T, M, N> &Matrix<T, M, N>::multiply_row(unsigned i, T s)
 199 {
 200         for(unsigned k=0; k<N; ++k)
 201                 element(i, k) *= s;
 202         return *this;
 203 }
 204
 205 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
 206 inline Matrix<T, M, N> &Matrix<T, M, N>::add_row(unsigned i, unsigned j, T s)
 207 {
 208         for(unsigned k=0; k<N; ++k)
 209                 element(j, k) += element(i, k)*s;
 210         return *this;
 211 }
 212
 213 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
 214 inline Matrix<T, N, M> transpose(const Matrix<T, M, N> &m)
 215 {
 216         Matrix<T, N, M> r;
 217         for(unsigned j=0; j<N; ++j)
 218                 for(unsigned i=0; i<M; ++i)
 219                         r(j, i) = m(i, j);
 220         return r;
 221 }
 222
 223 } // namespace LinAl
 224 } // namespace Msp
 225
 226 #endif