Metodi generati per la valutazione polinomiale
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06-07-2019 - |
Domanda
Sto cercando di trovare un modo elegante per gestire alcuni polinomi generati. Ecco la situazione su cui ci concentreremo (esclusivamente) per questa domanda:
- ordine è un parametro nella generazione di un polinomio di n ordine, dove n: = ordine + 1.
- i è un parametro intero nell'intervallo 0..n
- Il polinomio ha zeri in x_j, dove j = 1..n e j & # 8800; i (dovrebbe essere chiaro a questo punto che StackOverflow ha bisogno di una nuova funzionalità o è presente e non lo so)
- Il polinomio viene valutato a 1 in x_i.
Poiché questo particolare esempio di codice genera x_1 .. x_n, spiegherò come si trovano nel codice. I punti sono equamente distanziati x_j = j * elementSize / order
, dove n = order + 1
.
Genero un Func<double, double>
per valutare questo polinomio & # 185 ;.
private static Func<double, double> GeneratePsi(double elementSize, int order, int i)
{
if (order < 1)
throw new ArgumentOutOfRangeException("order", "order must be greater than 0.");
if (i < 0)
throw new ArgumentOutOfRangeException("i", "i cannot be less than zero.");
if (i > order)
throw new ArgumentException("i", "i cannot be greater than order");
ParameterExpression xp = Expression.Parameter(typeof(double), "x");
// generate the terms of the factored polynomial in form (x_j - x)
List<Expression> factors = new List<Expression>();
for (int j = 0; j <= order; j++)
{
if (j == i)
continue;
double p = j * elementSize / order;
factors.Add(Expression.Subtract(Expression.Constant(p), xp));
}
// evaluate the result at the point x_i to get scaleInv=1.0/scale.
double xi = i * elementSize / order;
double scaleInv = Enumerable.Range(0, order + 1).Aggregate(0.0, (product, j) => product * (j == i ? 1.0 : (j * elementSize / order - xi)));
/* generate an expression to evaluate
* (x_0 - x) * (x_1 - x) .. (x_n - x) / (x_i - x)
* obviously the term (x_i - x) is cancelled in this result, but included here to make the result clear
*/
Expression expr = factors.Skip(1).Aggregate(factors[0], Expression.Multiply);
// multiplying by scale forces the condition f(x_i)=1
expr = Expression.Multiply(Expression.Constant(1.0 / scaleInv), expr);
Expression<Func<double, double>> lambdaMethod = Expression.Lambda<Func<double, double>>(expr, xp);
return lambdaMethod.Compile();
}
Il problema: ho anche bisogno di valutare & # 968; & # 8242; = d & # 968; / dx. Per fare questo, posso riscrivere & # 968; = scale & # 215; (x_0 - x) (x_1 - x) & # 215; .. & # 215; (x_n - x) / (x_i - x) nella forma & # 968; = & # 945; _n & # 215; x ^ n + & # 945; _n & # 215; x ^ (n -1) + .. + & # 945; _1 & # 215; x + & # 945; _0. Questo dà & # 968; & # 8242; = n & # 215; & # 945; _n & # 215; x ^ (n-1) + (n-1) # 215; & # 945; _n & # 215; x ^ (n-2) + .. + 1 & # 215; & # 945; _1.
Per motivi computazionali, possiamo riscrivere la risposta finale senza chiamate a Math.Pow
scrivendo & # 968; & # 8242; = x & # 215; (x & # 215; ( x & # 215; (..) - & # 946; _2) - & # 946; _1) - & # 946; _0.
Per fare tutto questo " trucco " (tutta algebra di base), ho bisogno di un modo pulito per:
- Espandi un factoring
Expression
contenenteConstantExpression
eParameterExpression
foglie e operazioni matematiche di base (alla fineBinaryExpression
conNodeType
impostato sull'operazione) - il risultato qui può includereInvocationExpression
elementi in ilMethodInfo
perConstantExpression(2)
che tratteremo in modo speciale in tutto. - Quindi prendo la derivata rispetto ad alcuni specificati
Math.Pow(x,1)
. I termini nel risultato in cui il parametro del lato destro di un'invocazione di1
era la costante 2 sono sostituiti dal <=> moltiplicato per quello che era il lato di sinistra (viene rimossa l'invocazione di <=>). I termini nel risultato che diventano zero perché erano costanti rispetto a x vengono rimossi. - Quindi fattorizza le istanze di alcuni <=> specifici in cui si presentano come parametro sul lato sinistro in una chiamata di <=>. Quando il lato destro dell'invocazione diventa un <=> con il valore <=>, sostituiamo l'invocazione solo con il <=> stesso.
# 185; In futuro, vorrei che il metodo prendesse un <=> e restituisse un <=> che valuta in base a quel parametro. In questo modo posso aggregare le funzioni generate. Non ci sono ancora. & # 178; In futuro, spero di rilasciare una libreria generale per lavorare con LINQ Expressions come matematica simbolica.
Soluzione
Ho scritto le basi di diverse funzionalità matematiche simboliche usando ExpressionVisitor in .NET 4. Non è perfetto, ma sembra la base di una soluzione praticabile.
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Symbolic
è una classe statica pubblica che espone metodi comeExpand
,Simplify
ePartialDerivative
-
ExpandVisitor
è un tipo di supporto interno che espande le espressioni -
SimplifyVisitor
è un tipo di supporto interno che semplifica le espressioni -
DerivativeVisitor
è un tipo di supporto interno che prende la derivata di un'espressione -
ListPrintVisitor
è un tipo di supporto interno che converte unaExpression
in una notazione con prefisso con una sintassi Lisp
<=>
public static class Symbolic
{
public static Expression Expand(Expression expression)
{
return new ExpandVisitor().Visit(expression);
}
public static Expression Simplify(Expression expression)
{
return new SimplifyVisitor().Visit(expression);
}
public static Expression PartialDerivative(Expression expression, ParameterExpression parameter)
{
bool totalDerivative = false;
return new DerivativeVisitor(parameter, totalDerivative).Visit(expression);
}
public static string ToString(Expression expression)
{
ConstantExpression result = (ConstantExpression)new ListPrintVisitor().Visit(expression);
return result.Value.ToString();
}
}
Espressioni in espansione con <=>
internal class ExpandVisitor : ExpressionVisitor
{
protected override Expression VisitBinary(BinaryExpression node)
{
var left = Visit(node.Left);
var right = Visit(node.Right);
if (node.NodeType == ExpressionType.Multiply)
{
Expression[] leftNodes = GetAddedNodes(left).ToArray();
Expression[] rightNodes = GetAddedNodes(right).ToArray();
var result =
leftNodes
.SelectMany(x => rightNodes.Select(y => Expression.Multiply(x, y)))
.Aggregate((sum, term) => Expression.Add(sum, term));
return result;
}
if (node.Left == left && node.Right == right)
return node;
return Expression.MakeBinary(node.NodeType, left, right, node.IsLiftedToNull, node.Method, node.Conversion);
}
/// <summary>
/// Treats the <paramref name="node"/> as the sum (or difference) of one or more child nodes and returns the
/// the individual addends in the sum.
/// </summary>
private static IEnumerable<Expression> GetAddedNodes(Expression node)
{
BinaryExpression binary = node as BinaryExpression;
if (binary != null)
{
switch (binary.NodeType)
{
case ExpressionType.Add:
foreach (var n in GetAddedNodes(binary.Left))
yield return n;
foreach (var n in GetAddedNodes(binary.Right))
yield return n;
yield break;
case ExpressionType.Subtract:
foreach (var n in GetAddedNodes(binary.Left))
yield return n;
foreach (var n in GetAddedNodes(binary.Right))
yield return Expression.Negate(n);
yield break;
default:
break;
}
}
yield return node;
}
}
Presa di un derivato con <=>
internal class DerivativeVisitor : ExpressionVisitor
{
private ParameterExpression _parameter;
private bool _totalDerivative;
public DerivativeVisitor(ParameterExpression parameter, bool totalDerivative)
{
if (_totalDerivative)
throw new NotImplementedException();
_parameter = parameter;
_totalDerivative = totalDerivative;
}
protected override Expression VisitBinary(BinaryExpression node)
{
switch (node.NodeType)
{
case ExpressionType.Add:
case ExpressionType.Subtract:
return Expression.MakeBinary(node.NodeType, Visit(node.Left), Visit(node.Right));
case ExpressionType.Multiply:
return Expression.Add(Expression.Multiply(node.Left, Visit(node.Right)), Expression.Multiply(Visit(node.Left), node.Right));
case ExpressionType.Divide:
return Expression.Divide(Expression.Subtract(Expression.Multiply(Visit(node.Left), node.Right), Expression.Multiply(node.Left, Visit(node.Right))), Expression.Power(node.Right, Expression.Constant(2)));
case ExpressionType.Power:
if (node.Right is ConstantExpression)
{
return Expression.Multiply(node.Right, Expression.Multiply(Visit(node.Left), Expression.Subtract(node.Right, Expression.Constant(1))));
}
else if (node.Left is ConstantExpression)
{
return Expression.Multiply(node, MathExpressions.Log(node.Left));
}
else
{
return Expression.Multiply(node, Expression.Add(
Expression.Multiply(Visit(node.Left), Expression.Divide(node.Right, node.Left)),
Expression.Multiply(Visit(node.Right), MathExpressions.Log(node.Left))
));
}
default:
throw new NotImplementedException();
}
}
protected override Expression VisitConstant(ConstantExpression node)
{
return MathExpressions.Zero;
}
protected override Expression VisitInvocation(InvocationExpression node)
{
MemberExpression memberExpression = node.Expression as MemberExpression;
if (memberExpression != null)
{
var member = memberExpression.Member;
if (member.DeclaringType != typeof(Math))
throw new NotImplementedException();
switch (member.Name)
{
case "Log":
return Expression.Divide(Visit(node.Expression), node.Expression);
case "Log10":
return Expression.Divide(Visit(node.Expression), Expression.Multiply(Expression.Constant(Math.Log(10)), node.Expression));
case "Exp":
case "Sin":
case "Cos":
default:
throw new NotImplementedException();
}
}
throw new NotImplementedException();
}
protected override Expression VisitParameter(ParameterExpression node)
{
if (node == _parameter)
return MathExpressions.One;
return MathExpressions.Zero;
}
}
Semplificazione delle espressioni con <=>
internal class SimplifyVisitor : ExpressionVisitor
{
protected override Expression VisitBinary(BinaryExpression node)
{
var left = Visit(node.Left);
var right = Visit(node.Right);
ConstantExpression leftConstant = left as ConstantExpression;
ConstantExpression rightConstant = right as ConstantExpression;
if (leftConstant != null && rightConstant != null
&& (leftConstant.Value is double) && (rightConstant.Value is double))
{
double leftValue = (double)leftConstant.Value;
double rightValue = (double)rightConstant.Value;
switch (node.NodeType)
{
case ExpressionType.Add:
return Expression.Constant(leftValue + rightValue);
case ExpressionType.Subtract:
return Expression.Constant(leftValue - rightValue);
case ExpressionType.Multiply:
return Expression.Constant(leftValue * rightValue);
case ExpressionType.Divide:
return Expression.Constant(leftValue / rightValue);
default:
throw new NotImplementedException();
}
}
switch (node.NodeType)
{
case ExpressionType.Add:
if (IsZero(left))
return right;
if (IsZero(right))
return left;
break;
case ExpressionType.Subtract:
if (IsZero(left))
return Expression.Negate(right);
if (IsZero(right))
return left;
break;
case ExpressionType.Multiply:
if (IsZero(left) || IsZero(right))
return MathExpressions.Zero;
if (IsOne(left))
return right;
if (IsOne(right))
return left;
break;
case ExpressionType.Divide:
if (IsZero(right))
throw new DivideByZeroException();
if (IsZero(left))
return MathExpressions.Zero;
if (IsOne(right))
return left;
break;
default:
throw new NotImplementedException();
}
return Expression.MakeBinary(node.NodeType, left, right);
}
protected override Expression VisitUnary(UnaryExpression node)
{
var operand = Visit(node.Operand);
ConstantExpression operandConstant = operand as ConstantExpression;
if (operandConstant != null && (operandConstant.Value is double))
{
double operandValue = (double)operandConstant.Value;
switch (node.NodeType)
{
case ExpressionType.Negate:
if (operandValue == 0.0)
return MathExpressions.Zero;
return Expression.Constant(-operandValue);
default:
throw new NotImplementedException();
}
}
switch (node.NodeType)
{
case ExpressionType.Negate:
if (operand.NodeType == ExpressionType.Negate)
{
return ((UnaryExpression)operand).Operand;
}
break;
default:
throw new NotImplementedException();
}
return Expression.MakeUnary(node.NodeType, operand, node.Type);
}
private static bool IsZero(Expression expression)
{
ConstantExpression constant = expression as ConstantExpression;
if (constant != null)
{
if (constant.Value.Equals(0.0))
return true;
}
return false;
}
private static bool IsOne(Expression expression)
{
ConstantExpression constant = expression as ConstantExpression;
if (constant != null)
{
if (constant.Value.Equals(1.0))
return true;
}
return false;
}
}
Formattazione delle espressioni per la visualizzazione con <=>
internal class ListPrintVisitor : ExpressionVisitor
{
protected override Expression VisitBinary(BinaryExpression node)
{
string op = null;
switch (node.NodeType)
{
case ExpressionType.Add:
op = "+";
break;
case ExpressionType.Subtract:
op = "-";
break;
case ExpressionType.Multiply:
op = "*";
break;
case ExpressionType.Divide:
op = "/";
break;
default:
throw new NotImplementedException();
}
var left = Visit(node.Left);
var right = Visit(node.Right);
string result = string.Format("({0} {1} {2})", op, ((ConstantExpression)left).Value, ((ConstantExpression)right).Value);
return Expression.Constant(result);
}
protected override Expression VisitConstant(ConstantExpression node)
{
if (node.Value is string)
return node;
return Expression.Constant(node.Value.ToString());
}
protected override Expression VisitParameter(ParameterExpression node)
{
return Expression.Constant(node.Name);
}
}
Test dei risultati
[TestMethod]
public void BasicSymbolicTest()
{
ParameterExpression x = Expression.Parameter(typeof(double), "x");
Expression linear = Expression.Add(Expression.Constant(3.0), x);
Assert.AreEqual("(+ 3 x)", Symbolic.ToString(linear));
Expression quadratic = Expression.Multiply(linear, Expression.Add(Expression.Constant(2.0), x));
Assert.AreEqual("(* (+ 3 x) (+ 2 x))", Symbolic.ToString(quadratic));
Expression expanded = Symbolic.Expand(quadratic);
Assert.AreEqual("(+ (+ (+ (* 3 2) (* 3 x)) (* x 2)) (* x x))", Symbolic.ToString(expanded));
Assert.AreEqual("(+ (+ (+ 6 (* 3 x)) (* x 2)) (* x x))", Symbolic.ToString(Symbolic.Simplify(expanded)));
Expression derivative = Symbolic.PartialDerivative(expanded, x);
Assert.AreEqual("(+ (+ (+ (+ (* 3 0) (* 0 2)) (+ (* 3 1) (* 0 x))) (+ (* x 0) (* 1 2))) (+ (* x 1) (* 1 x)))", Symbolic.ToString(derivative));
Expression simplified = Symbolic.Simplify(derivative);
Assert.AreEqual("(+ 5 (+ x x))", Symbolic.ToString(simplified));
}