Diese Herausforderung besteht darin, schnellen Code zu schreiben, der eine rechnerisch schwierige unendliche Summe ausführen kann.

Eingang

Eine nBy- nMatrix Pmit ganzzahligen Einträgen, die kleiner als der 100absolute Wert sind. Beim Testen gebe ich gerne Eingaben für Ihren Code in jedem sinnvollen Format ein, das Ihr Code benötigt. Die Standardeinstellung ist eine Zeile pro Zeile der Matrix, die durch Leerzeichen getrennt und in der Standardeingabe angegeben ist.

Pwird positiv bestimmt sein, was impliziert, dass es immer symmetrisch sein wird. Ansonsten muss man nicht wirklich wissen, was positives Bestimmtes bedeutet, um die Herausforderung zu beantworten. Dies bedeutet jedoch, dass tatsächlich eine Antwort auf die unten definierte Summe erfolgt.

Sie müssen jedoch wissen, was ein Matrixvektorprodukt ist.

Ausgabe

Ihr Code sollte die unendliche Summe berechnen:

innerhalb von plus oder minus 0,0001 der richtigen Antwort. Hier Zist die Menge der ganzen Zahlen und damit Z^nalle möglichen Vektoren mit nganzzahligen Elementen und eist die berühmte mathematische Konstante , die ungefähr 2,71828 entspricht. Beachten Sie, dass der Wert im Exponenten einfach eine Zahl ist. Unten finden Sie ein explizites Beispiel.

In welcher Beziehung steht dies zur Riemann-Theta-Funktion?

In der Notation dieser Arbeit zur Approximation der Riemannschen Theta-Funktion versuchen wir zu berechnen . Unser Problem ist aus mindestens zwei Gründen ein Sonderfall.

• Wir setzen den zim verlinkten Paper aufgerufenen Initialparameter auf 0.
• Wir erstellen die Matrix Pso, dass die minimale Größe eines Eigenwertes ist 1. (Siehe unten, wie die Matrix erstellt wird.)

Beispiele

P = [[ 5.,  2.,  0.,  0.],
     [ 2.,  5.,  2., -2.],
     [ 0.,  2.,  5.,  0.],
     [ 0., -2.,  0.,  5.]]

Output: 1.07551411208

Lassen Sie uns im Detail nur einen Begriff in der Summe für dieses P sehen. Nehmen Sie zum Beispiel nur einen Begriff in der Summe:

und x^T P x = 30. Beachten Sie, dass dies wichtig e^(-30)ist 10^(-14)und daher unwahrscheinlich ist, um die richtige Antwort auf die angegebene Toleranz zu erhalten. Denken Sie daran, dass die unendliche Summe tatsächlich jeden möglichen Vektor der Länge 4 verwendet, bei dem die Elemente ganze Zahlen sind. Ich habe nur eines ausgewählt, um ein explizites Beispiel zu nennen.

P = [[ 5.,  2.,  2.,  2.],
     [ 2.,  5.,  4.,  4.],
     [ 2.,  4.,  5.,  4.],
     [ 2.,  4.,  4.,  5.]]

Output = 1.91841190706

P = [[ 6., -3.,  3., -3.,  3.],
     [-3.,  6., -5.,  5., -5.],
     [ 3., -5.,  6., -5.,  5.],
     [-3.,  5., -5.,  6., -5.],
     [ 3., -5.,  5., -5.,  6.]]

Output = 2.87091065342

P = [[6., -1., -3., 1., 3., -1., -3., 1., 3.],
     [-1., 6., -1., -5., 1., 5., -1., -5., 1.],
     [-3., -1., 6., 1., -5., -1., 5., 1., -5.],
     [1., -5., 1., 6., -1., -5., 1., 5., -1.],
     [3., 1., -5., -1., 6., 1., -5., -1., 5.],
     [-1., 5., -1., -5., 1., 6., -1., -5., 1.],
     [-3., -1., 5., 1., -5., -1., 6., 1., -5.],
     [1., -5., 1., 5., -1., -5., 1., 6., -1.],
     [3., 1., -5., -1., 5., 1., -5., -1., 6.]]

Output: 8.1443647932

P = [[ 7.,  2.,  0.,  0.,  6.,  2.,  0.,  0.,  6.],
     [ 2.,  7.,  0.,  0.,  2.,  6.,  0.,  0.,  2.],
     [ 0.,  0.,  7., -2.,  0.,  0.,  6., -2.,  0.],
     [ 0.,  0., -2.,  7.,  0.,  0., -2.,  6.,  0.],
     [ 6.,  2.,  0.,  0.,  7.,  2.,  0.,  0.,  6.],
     [ 2.,  6.,  0.,  0.,  2.,  7.,  0.,  0.,  2.],
     [ 0.,  0.,  6., -2.,  0.,  0.,  7., -2.,  0.],
     [ 0.,  0., -2.,  6.,  0.,  0., -2.,  7.,  0.],
     [ 6.,  2.,  0.,  0.,  6.,  2.,  0.,  0.,  7.]]

Output = 3.80639191181

Ergebnis

Ich werde Ihren Code auf zufällig ausgewählten Matrizen P von zunehmender Größe testen.

Ihre Punktzahl ist einfach die größte, nfür die ich in weniger als 30 Sekunden eine korrekte Antwort erhalte, wenn der Durchschnitt über 5 Läufe mit zufällig ausgewählten Matrizen Pdieser Größe ermittelt wird.

Was ist mit einer Krawatte?

Bei Gleichstand gewinnt derjenige, dessen Code im Durchschnitt über 5 Läufe am schnellsten abläuft. Für den Fall, dass diese Zeiten auch gleich sind, ist der Gewinner die erste Antwort.

Wie wird die zufällige Eingabe erstellt?

1. Sei M eine zufällige m mal n-Matrix mit m <= n und Einträgen, die -1 oder 1 sind. In Python / numpy M = np.random.choice([0,1], size = (m,n))*2-1. In der Praxis werde ich mungefähr sein n/2.
2. Sei P die Identitätsmatrix + M ^ T M. In Python / numpy P =np.identity(n)+np.dot(M.T,M). Wir sind jetzt garantiert, dass Ppositiv definitiv ist und die Einträge in einem geeigneten Bereich liegen.

Beachten Sie, dass dies bedeutet, dass alle Eigenwerte von P mindestens 1 sind, was das Problem möglicherweise einfacher macht als das allgemeine Problem der Approximation der Riemann-Theta-Funktion.

Sprachen und Bibliotheken

Sie können eine beliebige Sprache oder Bibliothek verwenden. Zum Zwecke der Bewertung werde ich jedoch Ihren Code auf meinem Computer ausführen. Geben Sie daher bitte klare Anweisungen für die Ausführung unter Ubuntu.

Mein Computer Die Timings werden auf meinem Computer ausgeführt. Dies ist eine Standard-Ubuntu-Installation auf einem 8-GB-AMD FX-8350-Prozessor mit acht Kernen. Dies bedeutet auch, dass ich in der Lage sein muss, Ihren Code auszuführen.

Führende Antworten

• n = 47in C ++ von Ton Hospel
• n = 8in Python von Maltysen

C ++

Kein naiverer Ansatz. Nur innerhalb des Ellipsoids auswerten.

Verwendet die Bibliotheken Armadillo, ntl, gsl und pthread. Installieren Sie mit

apt-get install libarmadillo-dev libntl-dev libgsl-dev

Kompilieren Sie das Programm mit etwas wie:

g++ -Wall -std=c++11 -O3 -fno-math-errno -funsafe-math-optimizations -ffast-math -fno-signed-zeros -fno-trapping-math -fomit-frame-pointer -march=native -s infinity.cpp -larmadillo -lntl -lgsl -lpthread -o infinity

Auf einigen Systemen können Sie hinzufügen müssen -lgslcblasnach -lgsl.

Führen Sie mit der Größe der Matrix aus, gefolgt von den Elementen in STDIN:

./infinity < matrix.txt

matrix.txt:

4
5  2  0  0
2  5  2 -2
0  2  5  0
0 -2  0  5

Oder versuchen Sie es mit einer Genauigkeit von 1e-5:

./infinity -p 1e-5 < matrix.txt

infinity.cpp:

// Based on http://arxiv.org/abs/nlin/0206009

#include <iostream>
#include <vector>
#include <stdexcept>
#include <cstdlib>
#include <cmath>
#include <string>
#include <thread>
#include <future>
#include <chrono>

using namespace std;

#include <getopt.h>

#include <armadillo>

using namespace arma;

#include <NTL/mat_ZZ.h>
#include <NTL/LLL.h>

using namespace NTL;

#include <gsl/gsl_sf_gamma.h>
#include <gsl/gsl_errno.h>
#include <gsl/gsl_roots.h>

double const EPSILON = 1e-4;       // default precision
double const GROW    = 2;          // By how much we grow the ellipsoid volume
double const UPSCALE = 1e9;        // lattice reduction, upscale real to integer
double const THREAD_SEC = 0.1;     // Use threads if need more time than this
double const RADIUS_MAX = 1e6;     // Maximum radius used in root finding
double const RADIUS_INTERVAL = 1e-6; // precision of target radius
int const ITER_MAX = 1000;         // Maximum iterations in root finding
unsigned long POINTS_MIN = 1000;   // Minimum points before getting fancy

struct Result {
    Result& operator+=(Result const& add) {
        sum     += add.sum;
        elapsed += add.elapsed;
        points  += add.points;
        return *this;
    }

    friend Result operator-(Result const& left, Result const& right) {
        return Result{left.sum - right.sum,
                left.elapsed - right.elapsed,
                left.points - right.points};
    }

    double sum, elapsed;
    unsigned long points;
};

struct Params {
    double half_rho, half_N, epsilon;
};

double fill_factor_error(double r, void *void_params) {
    auto params = static_cast<Params*>(void_params);
    r -= params->half_rho;
    return gsl_sf_gamma_inc(params->half_N, r*r) - params->epsilon;
}

// Calculate radius needed for target precision
double radius(int N, double rho, double lat_det, double epsilon) {
    Params params;

    params.half_rho = rho / 2.;
    params.half_N   = N   / 2.;
    params.epsilon = epsilon*lat_det*gsl_sf_gamma(params.half_N)/pow(M_PI, params.half_N);

    // Calculate minimum allowed radius
    auto r = sqrt(params.half_N)+params.half_rho;
    auto val = fill_factor_error(r, &params);
    cout << "Minimum R=" << r << " -> " << val << endl;

    if (val > 0) {
        // The minimum radius is not good enough. Work out a better one by
        // finding the root of a tricky function
        auto low  = r;
        auto high = RADIUS_MAX * 2 * params.half_rho;
        auto val = fill_factor_error(high, &params);
        if (val >= 0)
            throw(logic_error("huge RADIUS_MAX is still not big enough"));

        gsl_function F;
        F.function = fill_factor_error;
        F.params   = &params;

        auto T = gsl_root_fsolver_brent;
        auto s = gsl_root_fsolver_alloc (T);
        gsl_root_fsolver_set (s, &F, low, high);

        int status = GSL_CONTINUE;
        for (auto iter=1; status == GSL_CONTINUE && iter <= ITER_MAX; ++iter) {
            gsl_root_fsolver_iterate (s);
            low  = gsl_root_fsolver_x_lower (s);
            high = gsl_root_fsolver_x_upper (s);
            status = gsl_root_test_interval(low, high, 0, RADIUS_INTERVAL  * 2 * params.half_rho);
        }
        r = gsl_root_fsolver_root(s);
        gsl_root_fsolver_free(s);
        if (status == GSL_CONTINUE)
            throw(logic_error("Search for R did not converge"));
    }
    return r;
}

// Recursively walk down the ellipsoids in each dimension
void ellipsoid(int d, mat const& A, double const* InvD, mat& Accu,
               Result& result, double r2) {
    auto r = sqrt(r2);
    auto offset = Accu(d, d);
    // InvD[d] = 1/ A(d, d)
    auto from = ceil((-r-offset) * InvD[d]);
    auto to   = floor((r-offset) * InvD[d]);
    for (auto v = from; v <= to; ++v) {
        auto value  = v * A(d, d)+offset;
        auto residu = r2 - value*value;
        if (d == 0) {
            result.sum += exp(residu);
            ++result.points;
        } else {
            for (auto i=0; i<d; ++i) Accu(d-1, i) = Accu(d, i) + v * A(d, i);
            ellipsoid(d-1, A, InvD, Accu, result, residu);
        }
    }
}

// Specialised version of ellipsoid() that will only process points an octant
void ellipsoid(int d, mat const& A, double const* InvD, mat& Accu,
               Result& result, double r2, unsigned int octant) {
    auto r = sqrt(r2);
    auto offset = Accu(d, d);
    // InvD[d] = 1/ A(d, d)
    long from = ceil((-r-offset) * InvD[d]);
    long to   = floor((r-offset) * InvD[d]);
    auto points = to-from+1;
    auto base = from + points/2;
    if (points & 1) {
        auto value = base * A(d, d) + offset;
        auto residu = r2 - value * value;
        if (d == 0) {
            if ((octant & (octant - 1)) == 0) {
                result.sum += exp(residu);
                ++result.points;
            }
        } else {
            for (auto i=0; i<d; ++i) Accu(d-1, i) = Accu(d, i) + base * A(d, i);
            ellipsoid(d-1, A, InvD, Accu, result, residu, octant);
        }
        ++base;
    }
    if ((octant & 1) == 0) {
        to = from + points / 2 - 1;
        base = from;
    }
    octant /= 2;
    for (auto v = base; v <= to; ++v) {
        auto value = v * A(d,d)+offset;
        auto residu = r2 - value*value;
        if (d == 0) {
            if ((octant & (octant - 1)) == 0) {
                result.sum += exp(residu);
                ++result.points;
            }
        } else {
            for (auto i=0; i<d; ++i) Accu(d-1, i) = Accu(d, i) + v * A(d, i);
            if (octant == 1)
                ellipsoid(d-1, A, InvD, Accu, result, residu);
            else
                ellipsoid(d-1, A, InvD, Accu, result, residu, octant);
        }
    }
}

// Prepare call to ellipsoid()
Result sym_ellipsoid(int N, mat const& A, const vector<double>& InvD, double r,
                     unsigned int octant = 1) {
    auto start = chrono::steady_clock::now();
    auto r2 = r*r;

    mat Accu(N, N);
    Accu.row(N-1).zeros();

    Result result{0, 0, 0};
    // 2*octant+1 forces the points into the upper half plane, skipping 0
    // This way we use the lattice symmetry and calculate only half the points
    ellipsoid(N-1, A, &InvD[0], Accu, result, r2, 2*octant+1);
    // Compensate for the extra factor exp(r*r) we always add in ellipsoid()
    result.sum /= exp(r2);
    auto end = chrono::steady_clock::now();
    result.elapsed = chrono::duration<double>{end-start}.count();

    return result;
}

// Prepare multithreaded use of sym_ellipsoid(). Each thread gets 1 octant
Result sym_ellipsoid_t(int N, mat const& A, const vector<double>& InvD, double r, unsigned int nr_threads) {
    nr_threads = pow(2, ceil(log2(nr_threads)));

    vector<future<Result>> results;
    for (auto i=nr_threads+1; i<2*nr_threads; ++i)
        results.emplace_back(async(launch::async, sym_ellipsoid, N, ref(A), ref(InvD), r, i));
    auto result = sym_ellipsoid(N, A, InvD, r, nr_threads);
    for (auto i=0U; i<nr_threads-1; ++i) result += results[i].get();
    return result;
}

int main(int argc, char* const* argv) {
    cin.exceptions(ios::failbit | ios::badbit);
    cout.precision(12);

    double epsilon    = EPSILON; // Target absolute error
    bool inv_modular  = true;    // Use modular transform to get the best matrix
    bool lat_reduce   = true;    // Use lattice reduction to align the ellipsoid
    bool conservative = false;   // Use provable error bound instead of a guess
    bool eigen_values = false;   // Show eigenvalues
    int  threads_max  = thread::hardware_concurrency();

    int option_char;
    while ((option_char = getopt(argc, argv, "p:n:MRce")) != EOF)
        switch (option_char) {
            case 'p': epsilon      = atof(optarg); break;
            case 'n': threads_max  = atoi(optarg); break;
            case 'M': inv_modular  = false;        break;
            case 'R': lat_reduce   = false;        break;
            case 'c': conservative = true;         break;
            case 'e': eigen_values = true;         break;
            default:
              cerr << "usage: " << argv[0] << " [-p epsilon] [-n threads] [-M] [-R] [-e] [-c]" << endl;
              exit(EXIT_FAILURE);
        }
    if (optind < argc) {
        cerr << "Unexpected argument" << endl;
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    if (threads_max < 1) threads_max = 1;
    threads_max = pow(2, ceil(log2(threads_max)));
    cout << "Using up to " << threads_max << " threads" << endl;

    int N;
    cin >> N;

    mat P(N, N);
    for (auto& v: P) cin >> v;

    if (eigen_values) {
        vec eigval = eig_sym(P);
        cout << "Eigenvalues:\n" << eigval << endl;
    }

    // Decompose P = A * A.t()
    mat A = chol(P, "lower");

    // Calculate lattice determinant
    double lat_det = 1;
    for (auto i=0; i<N; ++i) {
        if (A(i,i) <= 0) throw(logic_error("Diagonal not Positive"));
        lat_det *= A(i,i);
    }
    cout << "Lattice determinant=" << lat_det << endl;

    auto factor = lat_det / pow(M_PI, N/2.0);
    if (inv_modular && factor < 1) {
        epsilon *= factor;
        cout << "Lattice determinant is small. Using inverse instead. Factor=" << factor << endl;
        P = M_PI * M_PI * inv(P);
        A = chol(P, "lower");
        // We could simple calculate the new lat_det as pow(M_PI,N)/lat_det
        lat_det = 1;
        for (auto i=0; i<N; ++i) {
            if (A(i,i) <= 0) throw(logic_error("Diagonal not Positive"));
            lat_det *= A(i,i);
        }
        cout << "New lattice determinant=" << lat_det << endl;
    } else
        factor = 1;

    // Prepare for lattice reduction.
    // Since the library works on integer lattices we will scale up our matrix
    double min = INFINITY;
    for (auto i=0; i<N; ++i) {
        for (auto j=0; j<N;++j)
            if (A(i,j) != 0 && abs(A(i,j) < min)) min = abs(A(i,j));
    }

    auto upscale = UPSCALE/min;
    mat_ZZ a;
    a.SetDims(N,N);
    for (auto i=0; i<N; ++i)
        for (auto j=0; j<N;++j) a[i][j] = to_ZZ(A(i,j)*upscale);

    // Finally do the actual lattice reduction
    mat_ZZ u;
    auto rank = G_BKZ_FP(a, u);
    if (rank != N) throw(logic_error("Matrix is singular"));
    mat U(N,N);
    for (auto i=0; i<N;++i)
        for (auto j=0; j<N;++j) U(i,j) = to_double(u[i][j]);

    // There should now be a short lattice vector at row 0
    ZZ sum = to_ZZ(0);
    for (auto j=0; j<N;++j) sum += a[0][j]*a[0][j];
    auto rho = sqrt(to_double(sum))/upscale;
    cout << "Rho=" << rho << " (integer square " <<
        rho*rho << " ~ " <<
        static_cast<int>(rho*rho+0.5) << ")" << endl;

    // Lattice reduction doesn't gain us anything conceptually.
    // The same number of points is evaluated for the same exponential values
    // However working through the ellipsoid dimensions from large lattice
    // base vectors to small makes ellipsoid() a *lot* faster
    if (lat_reduce) {
        mat B = U * A;
        P = B * B.t();
        A = chol(P, "lower");
        if (eigen_values) {
            vec eigval = eig_sym(P);
            cout << "New eigenvalues:\n" << eigval << endl;
        }
    }

    vector<double> InvD(N);;
    for (auto i=0; i<N; ++i) InvD[i] = 1 / A(i, i);

    // Calculate radius needed for target precision
    auto r = radius(N, rho, lat_det, epsilon);
    cout << "Safe R=" << r << endl;

    auto nr_threads = threads_max;
    Result result;
    if (conservative) {
        // Walk all points inside the ellipsoid with transformed radius r
        result = sym_ellipsoid_t(N, A, InvD, r, nr_threads);
    } else {
        // First grow the radius until we saw POINTS_MIN points or reach the
        // target radius
        double i = floor(N * log2(r/rho) / log2(GROW));
        if (i < 0) i = 0;
        auto R = r * pow(GROW, -i/N);
        cout << "Initial R=" << R << endl;
        result = sym_ellipsoid_t(N, A, InvD, R, nr_threads);
        nr_threads = result.elapsed < THREAD_SEC ? 1 : threads_max;
        auto max_new_points = result.points;
        while (--i >= 0 && result.points < POINTS_MIN) {
            R = r * pow(GROW, -i/N);
            auto change = result;
            result = sym_ellipsoid_t(N, A, InvD, R, nr_threads);
            nr_threads = result.elapsed < THREAD_SEC ? 1 : threads_max;
            change = result - change;

            if (change.points > max_new_points) max_new_points = change.points;
        }

        // Now we have enough points that it's worth bothering to use threads
        while (--i >= 0) {
            R = r * pow(GROW, -i/N);
            auto change = result;
            result = sym_ellipsoid_t(N, A, InvD, R, nr_threads);
            nr_threads = result.elapsed < THREAD_SEC ? 1 : threads_max;
            change = result - change;
            // This is probably too crude and might misestimate the error
            // I've never seen it fail though
            if (change.points > max_new_points) {
                max_new_points = change.points;
                if (change.sum < epsilon/2) break;
            }
        }
        cout << "Final R=" << R << endl;
    }

    // We calculated half the points and skipped 0.
    result.sum = 2*result.sum+1;

    // Modular transform factor
    result.sum /= factor;

    // Report result
    cout <<
        "Evaluated " << result.points << " points\n" <<
        "Sum = " << result.sum << endl;
}

Python 3

12 Sekunden n = 8 auf meinem Computer, Ubuntu 4 Core.

Wirklich naiv, habe keine Ahnung, was ich tue.

from itertools import product
from math import e

P = [[ 6., -3.,  3., -3.,  3.],
     [-3.,  6., -5.,  5., -5.],
     [ 3., -5.,  6., -5.,  5.],
     [-3.,  5., -5.,  6., -5.],
     [ 3., -5.,  5., -5.,  6.]]

N = 2

n = [1]

while e** -n[-1] > 0.0001:
    n = []
    for x in product(list(range(-N, N+1)), repeat = len(P)):
        n.append(sum(k[0] * k[1] for k in zip([sum(j[0] * j[1] for j in zip(i, x)) for i in P], x)))
    N += 1

print(sum(e** -i for i in n))

Dadurch wird die Reichweite so lange erhöht Z, bis eine ausreichende Antwort vorliegt. Ich habe meine eigene Matrixmultiplikation geschrieben, sollte aber numpy verwenden.