chiark / gitweb /
simplex wip: use gsl_vector_get for X, for abandonment
[moebius3.git] / symbolic.py
index 2f3f8e6ac05e5d5967d3ce458e4694dbf9218dd3..acc965700688a64c520db8c2287d2b7078e20ebb 100644 (file)
 
+from __future__ import print_function
+
+from sympy.vector.vector import *
 from sympy import *
 import itertools
-
-from moedebug import dbg_enable
-
 from sympy.utilities.lambdify import lambdify, implemented_function
+import numpy as np
 
-r, theta, s, la, mu, kappa = symbols('r theta s lambda mu kappa')
+from moedebug import *
 
-# start      original formulation
-# rightvars  replaces 
+# When cse() is called for something containing BaseVector, it
+# produces infinite recursion.
+#def cse(x, *a, **kw): return ((), (x,))
 
 def dprint(*args):
-  if not dbg_enable: return
+  if not dbg_enabled(): return
   print(*args)
 
 def dbg(*args):
-  if not dbg_enable: return
+  if not dbg_enabled(): return
   for vn in args:
     print('\n    ' + vn + '\n')
     pprint(eval(vn))
     print('\n          =\n')
     pprint(cse(eval(vn)))
 
+def sqnorm(v): return v & v
+
+N = CoordSysCartesian('N')
+
 calculated = False
 
+def vector_symbols(vnames):
+  out = []
+  for vname in vnames.split(' '):
+    v = Vector.zero
+    for cname in 'i j k'.split(' '):
+      v += getattr(N, cname) * symbols(vname + '_' + cname)
+    out.append(v)
+  return out
+
+A, B, C, D = vector_symbols('A B C D')
+p = vector_symbols('p')
+
+E, H = vector_symbols('E H')
+F0, G0 = vector_symbols('F0 G0')
+En, Hn = vector_symbols('En Hn')
+
+EFlq, HGlq = symbols('EFlq HGlq')
+
+def vector_component(v, ix):
+  return v.components[N.base_vectors()[ix]]
+
+# x array in numerical algorithm has:
+#    N x 3    coordinates of points 0..N-3
+#    1        EFlq = sqrt of length parameter |EF| for point 1
+#    1        HGlq = sqrt of length parameter |HG| for point N-2
+
+# fixed array in numerical algorithm has:
+#    4 x 3    E, En, H, Hn
+
+#def subst_vect():
+
+iterations = []
+
+class SomeIteration():
+  def __init__(ar, names, size, expr):
+    ar.names_string = names
+    ar.names = names.split(' ')
+    ar.name = ar.names[0]
+    ar.size = size
+    ar.expr = expr
+    if dbg_enabled():
+      print('\n   ' + ar.name + '\n')
+      print(expr)
+    iterations.append(ar)
+
+  def gen_calculate_cost(ar):
+    ar._gen_array()
+    cprint('for (P=0; P<(%s); P++) {' % ar.size)
+    ar._cassign()
+    cprint('}')
+
+class ScalarArray(SomeIteration):
+  def _gen_array(ar):
+    cprint('double A_%s[%s];' % (ar.name, ar.size))
+  def gen_references(ar):
+    for ai in range(0, len(ar.names)):
+      ar._gen_reference(ai, ar.names[ai])
+  def _gen_reference(ar, ai, an):
+    cprintraw('#define %s A_%s[P%+d]' % (an, ar.name, ai))
+  def _cassign(ar):
+    cassign(ar.expr, ar.name, 'tmp_'+ar.name)
+  def s(ar):
+    return symbols(ar.names_string)
+
+class CoordArray(ScalarArray):
+  def _gen_array(ar):
+    cprint('double A_%s[%s][3];' % (ar.name, ar.size))
+  def _gen_reference(ar, ai, an):
+    ScalarArray._gen_reference(ar, ai, an)
+    gen_point_coords_macro(an)
+  def _cassign(ar):
+    cassign_vector(ar.expr, ar.name, 'tmp_'+ar.name)
+  def s(ar):
+    return vector_symbols(ar.names_string)
+
+class CostComponent(SomeIteration):
+  def __init__(cc, size, expr):
+    cc.size = size
+    cc.expr = expr
+    iterations.append(cc)
+  def gen_references(cc): pass
+  def _gen_array(cc): pass
+  def _cassign(cc):
+    cassign(cc.expr, 'P_cost', 'tmp_cost')
+    cprint('cost += P_cost;')
+
 def calculate():
   global calculated
   if calculated: return
 
-  p_start = Matrix([
-    r * (1 - cos(theta)),
-    r * sin(theta),
-    mu * s,
-  ])
-
-  p_rightvars = p_start.subs( theta, s/r ).subs( r, 1/la )
-
-  dbg('p_rightvars')
-
-  p_dirn_rightvars = diff(p_rightvars, s)
-
-  dbg('p_dirn_rightvars')
-
-  zeta = Wild('zeta')
-
-  p_nosing = (p_rightvars
-              .replace( 1-cos(zeta)  ,   2*sin(zeta/2)**2          )
-              .replace( sin(zeta)**2 ,   zeta*sinc(zeta)*sin(zeta) )
-              )
-  p_nosing[1] = (p_nosing[1]
-              .replace( sin(zeta) , zeta * sinc(zeta)                )
-                 )
-
-  dbg('p_nosing')
-
-  t = symbols('t')
-
-  q_owncoords = p_nosing.replace(s,t).replace(la,-la)
-  q_dirn_owncoords = p_dirn_rightvars.replace(s,t).replace(la,-la)
-
-  dbg('q_owncoords','q_dirn_owncoords')
-  dbg('q_owncoords.replace(t,0)','q_dirn_owncoords.replace(t,0)')
-
-  p2q_translate = p_nosing
-  #p2q_rotate_2d = Matrix([ p_dirn_rightvars[0:2],
-
-  #p2q_rotate = eye(3)
-  #p2q_rotate[0:2, 0] = Matrix([ p_dirn_rightvars[1], -p_dirn_rightvars[0] ])
-  #p2q_rotate[0:2, 1] = p_dirn_rightvars[0:2]
-
-  p2q_rotate = Matrix([[  cos(theta), sin(theta), 0 ],
-                       [ -sin(theta), cos(theta), 0 ],
-                       [  0         , 0,          1 ]]).subs(theta,la*s)
-  #p2q_rotate.add_col([0,0])
-  #p2q_rotate.add_row([0,0,1])
-
-  dbg('p2q_rotate')
-
-  q_dirn_maincoords = p2q_rotate * q_dirn_owncoords;
-  q_maincoords = p2q_rotate * q_owncoords + p2q_translate
-
-  dbg('diff(p_dirn_rightvars,s)')
-  dbg('diff(q_dirn_maincoords,t)')
-  dbg('diff(q_dirn_maincoords,t).replace(t,0)')
+  # ---------- actual cost computation formulae ----------
 
-  assert(Eq(p2q_rotate * Matrix([0,1,mu]), p_dirn_rightvars))
+  global F, G
+  F = E + En * pow(EFlq, 2)
+  G = H + Hn * pow(HGlq, 2)
 
-  #for v in 's','t','la','mu':
-  #  dbg('diff(q_maincoords,%s)' % v)
+  global a,b, al,bl, au,bu
+  a,  b  = CoordArray ('a_ b_',   'NP-1', B-A           ).s() # [mm]
+  al, bl = ScalarArray('al bl',   'NP-1', a.magnitude() ).s() # [mm]
+  au, bu = CoordArray ('au bu',   'NP-1', a / al        ).s() # [1]
 
-  #print('\n eye3 subs etc.\n')
-  #dbg('''Eq(eye(3) * Matrix([1,0,mu]),
-  #     p_dirn_rightvars .cross(Matrix([0,0,1]) .subs(s,0)))''')
+  tan_theta = (au ^ bu) / (au & bu)     # [1]     bending
 
-  #dbg('''Eq(p2q_rotate * Matrix([1,0,mu]),
-  #          p_dirn_rightvars .cross(Matrix([0,0,1])))''')
+  global mu, nu
+  mu, nu = CoordArray ('mu nu', 'NP-2', tan_theta ).s() # [1]
 
-  #eq = Eq(qmat * q_dirn_owncoords_0, p_dirn_rightvars)
-  #print
-  #pprint(eq)
-  #solve(eq, Q)
+  CostComponent('NP-3', sqnorm(mu - nu)) # [1]
 
-  dbg('q_maincoords.replace(t,0)','q_dirn_maincoords.replace(t,0)')
+  dl2 = pow(al - bl, 2) # [mm^2]
+  CostComponent('NP-2', dl2 / (al*bl)) # [1]
 
-  dbg('q_maincoords','q_dirn_maincoords')
-
-  sinof_mu = sin(atan(mu))
-  cosof_mu = cos(atan(mu))
-
-  dbg('cosof_mu','sinof_mu')
-
-  o2p_rotate1 = Matrix([[ 1,  0,         0        ],
-                        [ 0,  cosof_mu, +sinof_mu ],
-                        [ 0, -sinof_mu,  cosof_mu ]])
-
-  check_dirn_p_s0 = o2p_rotate1 * p_dirn_rightvars.replace(s,0)
-  check_dirn_p_s0.simplify()
-  dbg('check_dirn_p_s0')
-
-  o2p_rotate2 = Matrix([[  cos(kappa), 0, -sin(kappa) ],
-                        [  0,          1,  0          ],
-                        [ +sin(kappa), 0,  cos(kappa) ]])
-
-  p_dirn_orgcoords = o2p_rotate2 * o2p_rotate1 * p_dirn_rightvars
-
-  check_dirn_p_s0 = p_dirn_orgcoords.replace(s,0)
-  check_dirn_p_s0.simplify()
-  dbg('check_dirn_p_s0')
-
-  check_accel_p_s0 = diff(p_dirn_orgcoords,s).replace(s,0)
-  check_accel_p_s0.simplify()
-  dbg('check_accel_p_s0')
-
-  q_dirn_orgcoords = o2p_rotate2 * o2p_rotate1 * q_dirn_maincoords;
-  q_orgcoords = o2p_rotate2 * o2p_rotate1 * q_maincoords;
-  dbg('q_orgcoords','q_dirn_orgcoords')
-
-  global sh, th
-  sh, th = symbols('alpha beta')
-
-  global q_sqparm
-  q_dirn_sqparm = q_dirn_orgcoords.replace(s, sh**2).replace(t, th**2)
-  q_sqparm      = q_orgcoords     .replace(s, sh**2).replace(t, th**2)
-
-  dprint('----------------------------------------')
-  dbg('q_sqparm', 'q_dirn_sqparm')
-  dprint('----------------------------------------')
-  for v in 'sh','th','la','mu':
-    dbg('diff(q_sqparm,%s)' % v)
-    dbg('diff(q_dirn_sqparm,%s)' % v)
-  dprint('----------------------------------------')
-
-  gamma = symbols('gamma')
-
-  q_dirn_dirnscaled = q_dirn_sqparm * gamma
-
-  global result_dirnscaled
-  result_dirnscaled = q_sqparm.col_join(q_dirn_dirnscaled)
-  dbg('result_dirnscaled')
+  # ---------- end of cost computation formulae ----------
 
   calculated = True
 
-params = ('sh','th','la','mu','gamma','kappa')
-
 def ourccode(*a, **kw):
   return ccode(*a, user_functions={'sinc':'sinc'}, **kw)
 
@@ -187,6 +169,12 @@ def cassign(v, assign_to, tmp_prefix):
   v = cse_prep_cprint(v, tmp_prefix)
   cprint(ourccode(v, assign_to=assign_to))
 
+def cassign_vector(v, assign_to, tmp_prefix):
+  ijk = 'i j k'.split(' ')
+  for ii in range(0, len(ijk)):
+    x = v & getattr(N, ijk[ii])
+    cassign(x, '%s[%d]' % (assign_to, ii), '%s_%s' % (tmp_prefix, ijk[ii]))
+
 def gen_diff(current, smalls):
   global j
   if not smalls:
@@ -218,29 +206,85 @@ def gen_diff(current, smalls):
 
 def gen_misc():
   cprintraw('// AUTOGENERATED - DO NOT EDIT\n')
-  cprintraw('#define N %d\n' % len(params))
 
-def gen_x_extract():
-  cprint('#define X_EXTRACT')
-  for ix in range(0, len(params)):
-    cprint('double %s = X(%d);' % (eval(params[ix]), ix))
-  cprintraw()
+def gen_point_coords_macro(macro_basename):
+  ijk = 'i j k'.split(' ')
+  for ii in range(0, len(ijk)):
+    cprintraw('#define %s_%s (%s[%d])'
+              % (macro_basename, ijk[ii], macro_basename, ii))
+
+def gen_point_index_macro(macro_basename, c_array_name, base_index):
+  cprintraw('#define %s (&%s[%s])'
+            % (macro_basename, c_array_name, base_index))
+  gen_point_coords_macro(macro_basename)
+
+def gen_point_references():
+  abcd = 'A B C D'.split(' ')
+
+  gen_point_index_macro('E',  'INPUT', '3*0')
+  gen_point_index_macro('F0', 'INPUT', '3*1')
+  gen_point_index_macro('G0', 'INPUT', '3*(NP-2)')
+  gen_point_index_macro('H',  'INPUT', '3*(NP-1)')
+  cprintraw(         '#define NINPUT  ( 3*(NP-0) )')
+
+  gen_point_index_macro('En', 'PREP', '3*0')
+  gen_point_index_macro('Hn', 'PREP', '3*1')
+  cprintraw(         '#define NPREP   (3*2)')
+
+  cprintraw('#define NX_DIRECT 3*(NP-4)')
+  cprint('#define POINT(PP) (')
+  cprint(' (PP) == 0    ? E :')
+  cprint(' (PP) == 1    ? F :')
+  cprint(' (PP) == NP-2 ? G :')
+  cprint(' (PP) == NP-1 ? H :')
+  cprint(' &X(3*((PP)-2))')
+  cprintraw(')')
+
+  cprintraw('#define EFlq X( NX_DIRECT + 0 )')
+  cprintraw('#define HGlq X( NX_DIRECT + 1 )')
+  cprintraw('#define NX    ( NX_DIRECT + 2 )')
+
+  for ai in range(0, len(abcd)):
+    cprintraw('#define %s POINT(P%+d)' % (abcd[ai], ai))
+    gen_point_coords_macro(abcd[ai])
+
+  for si in iterations:
+    si.gen_references()
+
+  cprintraw('')
+
+def gen_prepare():
+  cprint('#define PREPARE')
+  cprint('memcpy(X, &INPUT[3*2], sizeof(double) * NX_DIRECT);')
+  for EH,EHs,FG0,FGs in ((E,'E', F0,'F'),
+                         (H,'H', G0,'G')):
+    EFHGv = FG0 - EH
+    EFHGl = EFHGv.magnitude()
+    EFHGlq = sqrt(EFHGl)
+    cassign_vector(EFHGv/EFHGl, EHs+'n', 'tmp_'+EHs)
+    cassign(EFHGlq, EHs+FGs+'lq', 'tmp_l'+EHs)
+  cprintraw('')
 
-def gen_f_populate():
-  cprint('#define F_POPULATE')
-  cassign(result_dirnscaled,'F','ftmp')
+def gen_calculate_FG():
+  cprintraw('#define DECLARE_F_G double F[3], G[3];')
+  cprint('#define CALCULATE_F_G')
+  cassign_vector(F,'F','tmp_F')
+  cassign_vector(G,'G','tmp_G')
   cprintraw('')
 
-def gen_j_populate():
-  cprint('#define J_POPULATE')
-  gen_diff(result_dirnscaled, (sh*sh*la, th*th*la))
+def gen_calculate_cost():
+  cprint('#define CALCULATE_COST')
+  cprint('double cost=0, P_cost;')
+  for si in iterations:
+    si.gen_calculate_cost()
   cprintraw('')
 
 def gen_C():
   gen_misc()
-  gen_x_extract()
-  gen_f_populate()
-  gen_j_populate()
+  gen_point_references()
+  gen_prepare()
+  gen_calculate_FG()
+  gen_calculate_cost()
 
 def get_python():
   # https://github.com/sympy/sympy/issues/13642