| Viewing file:  SingularValueDecomposition.php (12.7 KB)      -rw-r--r-- Select action/file-type:
 
  (+) |  (+) |  (+) | Code (+) | Session (+) |  (+) | SDB (+) |  (+) |  (+) |  (+) |  (+) |  (+) | 
 
<?php/**
 *    @package JAMA
 *
 *    For an m-by-n matrix A with m >= n, the singular value decomposition is
 *    an m-by-n orthogonal matrix U, an n-by-n diagonal matrix S, and
 *    an n-by-n orthogonal matrix V so that A = U*S*V'.
 *
 *    The singular values, sigma[$k] = S[$k][$k], are ordered so that
 *    sigma[0] >= sigma[1] >= ... >= sigma[n-1].
 *
 *    The singular value decompostion always exists, so the constructor will
 *    never fail.  The matrix condition number and the effective numerical
 *    rank can be computed from this decomposition.
 *
 *    @author  Paul Meagher
 *    @license PHP v3.0
 *    @version 1.1
 */
 class SingularValueDecomposition  {
 
 /**
 *    Internal storage of U.
 *    @var array
 */
 private $U = array();
 
 /**
 *    Internal storage of V.
 *    @var array
 */
 private $V = array();
 
 /**
 *    Internal storage of singular values.
 *    @var array
 */
 private $s = array();
 
 /**
 *    Row dimension.
 *    @var int
 */
 private $m;
 
 /**
 *    Column dimension.
 *    @var int
 */
 private $n;
 
 
 /**
 *    Construct the singular value decomposition
 *
 *    Derived from LINPACK code.
 *
 *    @param $A Rectangular matrix
 *    @return Structure to access U, S and V.
 */
 public function __construct($Arg) {
 
 // Initialize.
 $A = $Arg->getArrayCopy();
 $this->m = $Arg->getRowDimension();
 $this->n = $Arg->getColumnDimension();
 $nu      = min($this->m, $this->n);
 $e       = array();
 $work    = array();
 $wantu   = true;
 $wantv   = true;
 $nct = min($this->m - 1, $this->n);
 $nrt = max(0, min($this->n - 2, $this->m));
 
 // Reduce A to bidiagonal form, storing the diagonal elements
 // in s and the super-diagonal elements in e.
 for ($k = 0; $k < max($nct,$nrt); ++$k) {
 
 if ($k < $nct) {
 // Compute the transformation for the k-th column and
 // place the k-th diagonal in s[$k].
 // Compute 2-norm of k-th column without under/overflow.
 $this->s[$k] = 0;
 for ($i = $k; $i < $this->m; ++$i) {
 $this->s[$k] = hypo($this->s[$k], $A[$i][$k]);
 }
 if ($this->s[$k] != 0.0) {
 if ($A[$k][$k] < 0.0) {
 $this->s[$k] = -$this->s[$k];
 }
 for ($i = $k; $i < $this->m; ++$i) {
 $A[$i][$k] /= $this->s[$k];
 }
 $A[$k][$k] += 1.0;
 }
 $this->s[$k] = -$this->s[$k];
 }
 
 for ($j = $k + 1; $j < $this->n; ++$j) {
 if (($k < $nct) & ($this->s[$k] != 0.0)) {
 // Apply the transformation.
 $t = 0;
 for ($i = $k; $i < $this->m; ++$i) {
 $t += $A[$i][$k] * $A[$i][$j];
 }
 $t = -$t / $A[$k][$k];
 for ($i = $k; $i < $this->m; ++$i) {
 $A[$i][$j] += $t * $A[$i][$k];
 }
 // Place the k-th row of A into e for the
 // subsequent calculation of the row transformation.
 $e[$j] = $A[$k][$j];
 }
 }
 
 if ($wantu AND ($k < $nct)) {
 // Place the transformation in U for subsequent back
 // multiplication.
 for ($i = $k; $i < $this->m; ++$i) {
 $this->U[$i][$k] = $A[$i][$k];
 }
 }
 
 if ($k < $nrt) {
 // Compute the k-th row transformation and place the
 // k-th super-diagonal in e[$k].
 // Compute 2-norm without under/overflow.
 $e[$k] = 0;
 for ($i = $k + 1; $i < $this->n; ++$i) {
 $e[$k] = hypo($e[$k], $e[$i]);
 }
 if ($e[$k] != 0.0) {
 if ($e[$k+1] < 0.0) {
 $e[$k] = -$e[$k];
 }
 for ($i = $k + 1; $i < $this->n; ++$i) {
 $e[$i] /= $e[$k];
 }
 $e[$k+1] += 1.0;
 }
 $e[$k] = -$e[$k];
 if (($k+1 < $this->m) AND ($e[$k] != 0.0)) {
 // Apply the transformation.
 for ($i = $k+1; $i < $this->m; ++$i) {
 $work[$i] = 0.0;
 }
 for ($j = $k+1; $j < $this->n; ++$j) {
 for ($i = $k+1; $i < $this->m; ++$i) {
 $work[$i] += $e[$j] * $A[$i][$j];
 }
 }
 for ($j = $k + 1; $j < $this->n; ++$j) {
 $t = -$e[$j] / $e[$k+1];
 for ($i = $k + 1; $i < $this->m; ++$i) {
 $A[$i][$j] += $t * $work[$i];
 }
 }
 }
 if ($wantv) {
 // Place the transformation in V for subsequent
 // back multiplication.
 for ($i = $k + 1; $i < $this->n; ++$i) {
 $this->V[$i][$k] = $e[$i];
 }
 }
 }
 }
 
 // Set up the final bidiagonal matrix or order p.
 $p = min($this->n, $this->m + 1);
 if ($nct < $this->n) {
 $this->s[$nct] = $A[$nct][$nct];
 }
 if ($this->m < $p) {
 $this->s[$p-1] = 0.0;
 }
 if ($nrt + 1 < $p) {
 $e[$nrt] = $A[$nrt][$p-1];
 }
 $e[$p-1] = 0.0;
 // If required, generate U.
 if ($wantu) {
 for ($j = $nct; $j < $nu; ++$j) {
 for ($i = 0; $i < $this->m; ++$i) {
 $this->U[$i][$j] = 0.0;
 }
 $this->U[$j][$j] = 1.0;
 }
 for ($k = $nct - 1; $k >= 0; --$k) {
 if ($this->s[$k] != 0.0) {
 for ($j = $k + 1; $j < $nu; ++$j) {
 $t = 0;
 for ($i = $k; $i < $this->m; ++$i) {
 $t += $this->U[$i][$k] * $this->U[$i][$j];
 }
 $t = -$t / $this->U[$k][$k];
 for ($i = $k; $i < $this->m; ++$i) {
 $this->U[$i][$j] += $t * $this->U[$i][$k];
 }
 }
 for ($i = $k; $i < $this->m; ++$i ) {
 $this->U[$i][$k] = -$this->U[$i][$k];
 }
 $this->U[$k][$k] = 1.0 + $this->U[$k][$k];
 for ($i = 0; $i < $k - 1; ++$i) {
 $this->U[$i][$k] = 0.0;
 }
 } else {
 for ($i = 0; $i < $this->m; ++$i) {
 $this->U[$i][$k] = 0.0;
 }
 $this->U[$k][$k] = 1.0;
 }
 }
 }
 
 // If required, generate V.
 if ($wantv) {
 for ($k = $this->n - 1; $k >= 0; --$k) {
 if (($k < $nrt) AND ($e[$k] != 0.0)) {
 for ($j = $k + 1; $j < $nu; ++$j) {
 $t = 0;
 for ($i = $k + 1; $i < $this->n; ++$i) {
 $t += $this->V[$i][$k]* $this->V[$i][$j];
 }
 $t = -$t / $this->V[$k+1][$k];
 for ($i = $k + 1; $i < $this->n; ++$i) {
 $this->V[$i][$j] += $t * $this->V[$i][$k];
 }
 }
 }
 for ($i = 0; $i < $this->n; ++$i) {
 $this->V[$i][$k] = 0.0;
 }
 $this->V[$k][$k] = 1.0;
 }
 }
 
 // Main iteration loop for the singular values.
 $pp   = $p - 1;
 $iter = 0;
 $eps  = pow(2.0, -52.0);
 
 while ($p > 0) {
 // Here is where a test for too many iterations would go.
 // This section of the program inspects for negligible
 // elements in the s and e arrays.  On completion the
 // variables kase and k are set as follows:
 // kase = 1  if s(p) and e[k-1] are negligible and k<p
 // kase = 2  if s(k) is negligible and k<p
 // kase = 3  if e[k-1] is negligible, k<p, and
 //           s(k), ..., s(p) are not negligible (qr step).
 // kase = 4  if e(p-1) is negligible (convergence).
 for ($k = $p - 2; $k >= -1; --$k) {
 if ($k == -1) {
 break;
 }
 if (abs($e[$k]) <= $eps * (abs($this->s[$k]) + abs($this->s[$k+1]))) {
 $e[$k] = 0.0;
 break;
 }
 }
 if ($k == $p - 2) {
 $kase = 4;
 } else {
 for ($ks = $p - 1; $ks >= $k; --$ks) {
 if ($ks == $k) {
 break;
 }
 $t = ($ks != $p ? abs($e[$ks]) : 0.) + ($ks != $k + 1 ? abs($e[$ks-1]) : 0.);
 if (abs($this->s[$ks]) <= $eps * $t)  {
 $this->s[$ks] = 0.0;
 break;
 }
 }
 if ($ks == $k) {
 $kase = 3;
 } else if ($ks == $p-1) {
 $kase = 1;
 } else {
 $kase = 2;
 $k = $ks;
 }
 }
 ++$k;
 
 // Perform the task indicated by kase.
 switch ($kase) {
 // Deflate negligible s(p).
 case 1:
 $f = $e[$p-2];
 $e[$p-2] = 0.0;
 for ($j = $p - 2; $j >= $k; --$j) {
 $t  = hypo($this->s[$j],$f);
 $cs = $this->s[$j] / $t;
 $sn = $f / $t;
 $this->s[$j] = $t;
 if ($j != $k) {
 $f = -$sn * $e[$j-1];
 $e[$j-1] = $cs * $e[$j-1];
 }
 if ($wantv) {
 for ($i = 0; $i < $this->n; ++$i) {
 $t = $cs * $this->V[$i][$j] + $sn * $this->V[$i][$p-1];
 $this->V[$i][$p-1] = -$sn * $this->V[$i][$j] + $cs * $this->V[$i][$p-1];
 $this->V[$i][$j] = $t;
 }
 }
 }
 break;
 // Split at negligible s(k).
 case 2:
 $f = $e[$k-1];
 $e[$k-1] = 0.0;
 for ($j = $k; $j < $p; ++$j) {
 $t = hypo($this->s[$j], $f);
 $cs = $this->s[$j] / $t;
 $sn = $f / $t;
 $this->s[$j] = $t;
 $f = -$sn * $e[$j];
 $e[$j] = $cs * $e[$j];
 if ($wantu) {
 for ($i = 0; $i < $this->m; ++$i) {
 $t = $cs * $this->U[$i][$j] + $sn * $this->U[$i][$k-1];
 $this->U[$i][$k-1] = -$sn * $this->U[$i][$j] + $cs * $this->U[$i][$k-1];
 $this->U[$i][$j] = $t;
 }
 }
 }
 break;
 // Perform one qr step.
 case 3:
 // Calculate the shift.
 $scale = max(max(max(max(
 abs($this->s[$p-1]),abs($this->s[$p-2])),abs($e[$p-2])),
 abs($this->s[$k])), abs($e[$k]));
 $sp   = $this->s[$p-1] / $scale;
 $spm1 = $this->s[$p-2] / $scale;
 $epm1 = $e[$p-2] / $scale;
 $sk   = $this->s[$k] / $scale;
 $ek   = $e[$k] / $scale;
 $b    = (($spm1 + $sp) * ($spm1 - $sp) + $epm1 * $epm1) / 2.0;
 $c    = ($sp * $epm1) * ($sp * $epm1);
 $shift = 0.0;
 if (($b != 0.0) || ($c != 0.0)) {
 $shift = sqrt($b * $b + $c);
 if ($b < 0.0) {
 $shift = -$shift;
 }
 $shift = $c / ($b + $shift);
 }
 $f = ($sk + $sp) * ($sk - $sp) + $shift;
 $g = $sk * $ek;
 // Chase zeros.
 for ($j = $k; $j < $p-1; ++$j) {
 $t  = hypo($f,$g);
 $cs = $f/$t;
 $sn = $g/$t;
 if ($j != $k) {
 $e[$j-1] = $t;
 }
 $f = $cs * $this->s[$j] + $sn * $e[$j];
 $e[$j] = $cs * $e[$j] - $sn * $this->s[$j];
 $g = $sn * $this->s[$j+1];
 $this->s[$j+1] = $cs * $this->s[$j+1];
 if ($wantv) {
 for ($i = 0; $i < $this->n; ++$i) {
 $t = $cs * $this->V[$i][$j] + $sn * $this->V[$i][$j+1];
 $this->V[$i][$j+1] = -$sn * $this->V[$i][$j] + $cs * $this->V[$i][$j+1];
 $this->V[$i][$j] = $t;
 }
 }
 $t = hypo($f,$g);
 $cs = $f/$t;
 $sn = $g/$t;
 $this->s[$j] = $t;
 $f = $cs * $e[$j] + $sn * $this->s[$j+1];
 $this->s[$j+1] = -$sn * $e[$j] + $cs * $this->s[$j+1];
 $g = $sn * $e[$j+1];
 $e[$j+1] = $cs * $e[$j+1];
 if ($wantu && ($j < $this->m - 1)) {
 for ($i = 0; $i < $this->m; ++$i) {
 $t = $cs * $this->U[$i][$j] + $sn * $this->U[$i][$j+1];
 $this->U[$i][$j+1] = -$sn * $this->U[$i][$j] + $cs * $this->U[$i][$j+1];
 $this->U[$i][$j] = $t;
 }
 }
 }
 $e[$p-2] = $f;
 $iter = $iter + 1;
 break;
 // Convergence.
 case 4:
 // Make the singular values positive.
 if ($this->s[$k] <= 0.0) {
 $this->s[$k] = ($this->s[$k] < 0.0 ? -$this->s[$k] : 0.0);
 if ($wantv) {
 for ($i = 0; $i <= $pp; ++$i) {
 $this->V[$i][$k] = -$this->V[$i][$k];
 }
 }
 }
 // Order the singular values.
 while ($k < $pp) {
 if ($this->s[$k] >= $this->s[$k+1]) {
 break;
 }
 $t = $this->s[$k];
 $this->s[$k] = $this->s[$k+1];
 $this->s[$k+1] = $t;
 if ($wantv AND ($k < $this->n - 1)) {
 for ($i = 0; $i < $this->n; ++$i) {
 $t = $this->V[$i][$k+1];
 $this->V[$i][$k+1] = $this->V[$i][$k];
 $this->V[$i][$k] = $t;
 }
 }
 if ($wantu AND ($k < $this->m-1)) {
 for ($i = 0; $i < $this->m; ++$i) {
 $t = $this->U[$i][$k+1];
 $this->U[$i][$k+1] = $this->U[$i][$k];
 $this->U[$i][$k] = $t;
 }
 }
 ++$k;
 }
 $iter = 0;
 --$p;
 break;
 } // end switch
 } // end while
 
 } // end constructor
 
 
 /**
 *    Return the left singular vectors
 *
 *    @access public
 *    @return U
 */
 public function getU() {
 return new Matrix($this->U, $this->m, min($this->m + 1, $this->n));
 }
 
 
 /**
 *    Return the right singular vectors
 *
 *    @access public
 *    @return V
 */
 public function getV() {
 return new Matrix($this->V);
 }
 
 
 /**
 *    Return the one-dimensional array of singular values
 *
 *    @access public
 *    @return diagonal of S.
 */
 public function getSingularValues() {
 return $this->s;
 }
 
 
 /**
 *    Return the diagonal matrix of singular values
 *
 *    @access public
 *    @return S
 */
 public function getS() {
 for ($i = 0; $i < $this->n; ++$i) {
 for ($j = 0; $j < $this->n; ++$j) {
 $S[$i][$j] = 0.0;
 }
 $S[$i][$i] = $this->s[$i];
 }
 return new Matrix($S);
 }
 
 
 /**
 *    Two norm
 *
 *    @access public
 *    @return max(S)
 */
 public function norm2() {
 return $this->s[0];
 }
 
 
 /**
 *    Two norm condition number
 *
 *    @access public
 *    @return max(S)/min(S)
 */
 public function cond() {
 return $this->s[0] / $this->s[min($this->m, $this->n) - 1];
 }
 
 
 /**
 *    Effective numerical matrix rank
 *
 *    @access public
 *    @return Number of nonnegligible singular values.
 */
 public function rank() {
 $eps = pow(2.0, -52.0);
 $tol = max($this->m, $this->n) * $this->s[0] * $eps;
 $r = 0;
 for ($i = 0; $i < count($this->s); ++$i) {
 if ($this->s[$i] > $tol) {
 ++$r;
 }
 }
 return $r;
 }
 
 }    //    class SingularValueDecomposition
 
 |