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> &m)
  58 {
  59         std::copy(m.data, m.data+M*N, data);
  60 }
  61
  62 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
  63 inline Matrix<T, M, N> Matrix<T, M, N>::from_columns(const Vector<T, M> *v)
  64 {
  65         Matrix<T, M, N> m;
  66         for(unsigned i=0; i<M; ++i)
  67                 for(unsigned j=0; j<N; ++j)
  68                         m(i, j) = v[j][i];
  69 }
  70
  71 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
  72 inline Matrix<T, M, N> Matrix<T, M, N>::from_rows(const Vector<T, N> *v)
  73 {
  74         Matrix<T, M, N> m;
  75         for(unsigned i=0; i<M; ++i)
  76                 for(unsigned j=0; j<N; ++j)
  77                         m(i, j) = v[i][j];
  78 }
  79
  80 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
  81 inline Matrix<T, M, N> &Matrix<T, M, N>::operator*=(T s)
  82 {
  83         for(unsigned i=0; i<M*N; ++i)
  84                 data[i] *= s;
  85         return *this;
  86 }
  87
  88 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
  89 inline Matrix<T, M, N> operator*(const Matrix<T, M, N> &m, T s)
  90 {
  91         Matrix<T, M, N> r(m);
  92         return r *= s;
  93 }
  94
  95 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
  96 inline Matrix<T, M, N> operator*(T s, const Matrix<T, M, N> &m)
  97 {
  98         return m*s;
  99 }
 100
 101 template<typename T, unsigned M, unsigned P, unsigned N>
 102 inline Matrix<T, M, N> operator*(const Matrix<T, M, P> &m1, const Matrix<T, P, N> &m2)
 103 {
 104         Matrix<T, M, N> r;
 105         for(unsigned i=0; i<M; ++i)
 106                 for(unsigned j=0; j<N; ++j)
 107                         for(unsigned k=0; k<P; ++k)
 108                                 r(i, j) += m1(i, k)*m2(k, j);
 109         return r;
 110 }
 111
 112 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
 113 inline Vector<T, M> operator*(const Matrix<T, M, N> &m, const Vector<T, N> &v)
 114 {
 115         Vector<T, M> r;
 116         for(unsigned i=0; i<M; ++i)
 117                 for(unsigned j=0; j<N; ++j)
 118                         r[i] += m(i, j)*v[j];
 119         return r;
 120 }
 121
 122 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
 123 inline Vector<T, N> operator*(const Vector<T, M> &v, const Matrix<T, M, N> &m)
 124 {
 125         Vector<T, N> r;
 126         for(unsigned j=0; j<N; ++j)
 127                 for(unsigned i=0; i<M; ++i)
 128                         r[j] += v[i]*m(i, j);
 129         return r;
 130 }
 131
 132 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
 133 inline Matrix<T, M, N> &Matrix<T, M, N>::operator/=(T s)
 134 {
 135         for(unsigned i=0; i<M*N; ++i)
 136                 data[i] /= s;
 137         return *this;
 138 }
 139
 140 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
 141 inline Matrix<T, M, N> operator/(const Matrix<T, M, N> &m, T s)
 142 {
 143         Matrix<T, M, N> r(m);
 144         return r /= s;
 145 }
 146
 147 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
 148 inline Matrix<T, M, N> &Matrix<T, M, N>::operator+=(const Matrix<T, M, N> &m)
 149 {
 150         for(unsigned i=0; i<M*N; ++i)
 151                 data[i] += m.data[i];
 152         return *this;
 153 }
 154
 155 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
 156 inline Matrix<T, M, N> operator+(const Matrix<T, M, N> &m1, const Matrix<T, M, N> &m2)
 157 {
 158         Matrix<T, M, N> r(m1);
 159         return r += m2;
 160 }
 161
 162 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
 163 inline Matrix<T, M, N> &Matrix<T, M, N>::operator-=(const Matrix<T, M, N> &m)
 164 {
 165         for(unsigned i=0; i<M*N; ++i)
 166                 data[i] -= m.data[i];
 167         return *this;
 168 }
 169
 170 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
 171 inline Matrix<T, M, N> operator-(const Matrix<T, M, N> &m1, const Matrix<T, M, N> &m2)
 172 {
 173         Matrix<T, M, N> r(m1);
 174         return r -= m2;
 175 }
 176
 177 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
 178 inline bool operator==(const Matrix<T, M, N> &a, const Matrix<T, M, N> &b)
 179 {
 180         for(unsigned j=0; j<N; ++j)
 181                 for(unsigned i=0; i<M; ++i)
 182                         if(a(i, j)!=b(i, j))
 183                                 return false;
 184         return true;
 185 }
 186
 187 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
 188 inline Matrix<T, M, N> &Matrix<T, M, N>::exchange_rows(unsigned i, unsigned j)
 189 {
 190         for(unsigned k=0; k<N; ++k)
 191                 std::swap(element(i, k), element(j, k));
 192         return *this;
 193 }
 194
 195 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
 196 inline Matrix<T, M, N> &Matrix<T, M, N>::multiply_row(unsigned i, T s)
 197 {
 198         for(unsigned k=0; k<N; ++k)
 199                 element(i, k) *= s;
 200         return *this;
 201 }
 202
 203 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
 204 inline Matrix<T, M, N> &Matrix<T, M, N>::add_row(unsigned i, unsigned j, T s)
 205 {
 206         for(unsigned k=0; k<N; ++k)
 207                 element(j, k) += element(i, k)*s;
 208         return *this;
 209 }
 210
 211 template<typename T, unsigned M, unsigned N>
 212 inline Matrix<T, N, M> transpose(const Matrix<T, M, N> &m)
 213 {
 214         Matrix<T, N, M> r;
 215         for(unsigned j=0; j<N; ++j)
 216                 for(unsigned i=0; i<M; ++i)
 217                         r(j, i) = m(i, j);
 218         return r;
 219 }
 220
 221 } // namespace LinAl
 222 } // namespace Msp
 223
 224 #endif