| Viewing file:  polyutils.py (22.69 KB)      -rw-r--r-- Select action/file-type:
 
  (+) |  (+) |  (+) | Code (+) | Session (+) |  (+) | SDB (+) |  (+) |  (+) |  (+) |  (+) |  (+) | 
 
"""Utility classes and functions for the polynomial modules.
 
 This module provides: error and warning objects; a polynomial base class;
 and some routines used in both the `polynomial` and `chebyshev` modules.
 
 Warning objects
 ---------------
 
 .. autosummary::
 :toctree: generated/
 
 RankWarning  raised in least-squares fit for rank-deficient matrix.
 
 Functions
 ---------
 
 .. autosummary::
 :toctree: generated/
 
 as_series    convert list of array_likes into 1-D arrays of common type.
 trimseq      remove trailing zeros.
 trimcoef     remove small trailing coefficients.
 getdomain    return the domain appropriate for a given set of abscissae.
 mapdomain    maps points between domains.
 mapparms     parameters of the linear map between domains.
 
 """
 import operator
 import functools
 import warnings
 
 import numpy as np
 
 from numpy.core.multiarray import dragon4_positional, dragon4_scientific
 from numpy.core.umath import absolute
 
 __all__ = [
 'RankWarning', 'as_series', 'trimseq',
 'trimcoef', 'getdomain', 'mapdomain', 'mapparms',
 'format_float']
 
 #
 # Warnings and Exceptions
 #
 
 class RankWarning(UserWarning):
 """Issued by chebfit when the design matrix is rank deficient."""
 pass
 
 #
 # Helper functions to convert inputs to 1-D arrays
 #
 def trimseq(seq):
 """Remove small Poly series coefficients.
 
 Parameters
 ----------
 seq : sequence
 Sequence of Poly series coefficients. This routine fails for
 empty sequences.
 
 Returns
 -------
 series : sequence
 Subsequence with trailing zeros removed. If the resulting sequence
 would be empty, return the first element. The returned sequence may
 or may not be a view.
 
 Notes
 -----
 Do not lose the type info if the sequence contains unknown objects.
 
 """
 if len(seq) == 0:
 return seq
 else:
 for i in range(len(seq) - 1, -1, -1):
 if seq[i] != 0:
 break
 return seq[:i+1]
 
 
 def as_series(alist, trim=True):
 """
 Return argument as a list of 1-d arrays.
 
 The returned list contains array(s) of dtype double, complex double, or
 object.  A 1-d argument of shape ``(N,)`` is parsed into ``N`` arrays of
 size one; a 2-d argument of shape ``(M,N)`` is parsed into ``M`` arrays
 of size ``N`` (i.e., is "parsed by row"); and a higher dimensional array
 raises a Value Error if it is not first reshaped into either a 1-d or 2-d
 array.
 
 Parameters
 ----------
 alist : array_like
 A 1- or 2-d array_like
 trim : boolean, optional
 When True, trailing zeros are removed from the inputs.
 When False, the inputs are passed through intact.
 
 Returns
 -------
 [a1, a2,...] : list of 1-D arrays
 A copy of the input data as a list of 1-d arrays.
 
 Raises
 ------
 ValueError
 Raised when `as_series` cannot convert its input to 1-d arrays, or at
 least one of the resulting arrays is empty.
 
 Examples
 --------
 >>> from numpy.polynomial import polyutils as pu
 >>> a = np.arange(4)
 >>> pu.as_series(a)
 [array([0.]), array([1.]), array([2.]), array([3.])]
 >>> b = np.arange(6).reshape((2,3))
 >>> pu.as_series(b)
 [array([0., 1., 2.]), array([3., 4., 5.])]
 
 >>> pu.as_series((1, np.arange(3), np.arange(2, dtype=np.float16)))
 [array([1.]), array([0., 1., 2.]), array([0., 1.])]
 
 >>> pu.as_series([2, [1.1, 0.]])
 [array([2.]), array([1.1])]
 
 >>> pu.as_series([2, [1.1, 0.]], trim=False)
 [array([2.]), array([1.1, 0. ])]
 
 """
 arrays = [np.array(a, ndmin=1, copy=False) for a in alist]
 if min([a.size for a in arrays]) == 0:
 raise ValueError("Coefficient array is empty")
 if any(a.ndim != 1 for a in arrays):
 raise ValueError("Coefficient array is not 1-d")
 if trim:
 arrays = [trimseq(a) for a in arrays]
 
 if any(a.dtype == np.dtype(object) for a in arrays):
 ret = []
 for a in arrays:
 if a.dtype != np.dtype(object):
 tmp = np.empty(len(a), dtype=np.dtype(object))
 tmp[:] = a[:]
 ret.append(tmp)
 else:
 ret.append(a.copy())
 else:
 try:
 dtype = np.common_type(*arrays)
 except Exception as e:
 raise ValueError("Coefficient arrays have no common type") from e
 ret = [np.array(a, copy=True, dtype=dtype) for a in arrays]
 return ret
 
 
 def trimcoef(c, tol=0):
 """
 Remove "small" "trailing" coefficients from a polynomial.
 
 "Small" means "small in absolute value" and is controlled by the
 parameter `tol`; "trailing" means highest order coefficient(s), e.g., in
 ``[0, 1, 1, 0, 0]`` (which represents ``0 + x + x**2 + 0*x**3 + 0*x**4``)
 both the 3-rd and 4-th order coefficients would be "trimmed."
 
 Parameters
 ----------
 c : array_like
 1-d array of coefficients, ordered from lowest order to highest.
 tol : number, optional
 Trailing (i.e., highest order) elements with absolute value less
 than or equal to `tol` (default value is zero) are removed.
 
 Returns
 -------
 trimmed : ndarray
 1-d array with trailing zeros removed.  If the resulting series
 would be empty, a series containing a single zero is returned.
 
 Raises
 ------
 ValueError
 If `tol` < 0
 
 See Also
 --------
 trimseq
 
 Examples
 --------
 >>> from numpy.polynomial import polyutils as pu
 >>> pu.trimcoef((0,0,3,0,5,0,0))
 array([0.,  0.,  3.,  0.,  5.])
 >>> pu.trimcoef((0,0,1e-3,0,1e-5,0,0),1e-3) # item == tol is trimmed
 array([0.])
 >>> i = complex(0,1) # works for complex
 >>> pu.trimcoef((3e-4,1e-3*(1-i),5e-4,2e-5*(1+i)), 1e-3)
 array([0.0003+0.j   , 0.001 -0.001j])
 
 """
 if tol < 0:
 raise ValueError("tol must be non-negative")
 
 [c] = as_series([c])
 [ind] = np.nonzero(np.abs(c) > tol)
 if len(ind) == 0:
 return c[:1]*0
 else:
 return c[:ind[-1] + 1].copy()
 
 def getdomain(x):
 """
 Return a domain suitable for given abscissae.
 
 Find a domain suitable for a polynomial or Chebyshev series
 defined at the values supplied.
 
 Parameters
 ----------
 x : array_like
 1-d array of abscissae whose domain will be determined.
 
 Returns
 -------
 domain : ndarray
 1-d array containing two values.  If the inputs are complex, then
 the two returned points are the lower left and upper right corners
 of the smallest rectangle (aligned with the axes) in the complex
 plane containing the points `x`. If the inputs are real, then the
 two points are the ends of the smallest interval containing the
 points `x`.
 
 See Also
 --------
 mapparms, mapdomain
 
 Examples
 --------
 >>> from numpy.polynomial import polyutils as pu
 >>> points = np.arange(4)**2 - 5; points
 array([-5, -4, -1,  4])
 >>> pu.getdomain(points)
 array([-5.,  4.])
 >>> c = np.exp(complex(0,1)*np.pi*np.arange(12)/6) # unit circle
 >>> pu.getdomain(c)
 array([-1.-1.j,  1.+1.j])
 
 """
 [x] = as_series([x], trim=False)
 if x.dtype.char in np.typecodes['Complex']:
 rmin, rmax = x.real.min(), x.real.max()
 imin, imax = x.imag.min(), x.imag.max()
 return np.array((complex(rmin, imin), complex(rmax, imax)))
 else:
 return np.array((x.min(), x.max()))
 
 def mapparms(old, new):
 """
 Linear map parameters between domains.
 
 Return the parameters of the linear map ``offset + scale*x`` that maps
 `old` to `new` such that ``old[i] -> new[i]``, ``i = 0, 1``.
 
 Parameters
 ----------
 old, new : array_like
 Domains. Each domain must (successfully) convert to a 1-d array
 containing precisely two values.
 
 Returns
 -------
 offset, scale : scalars
 The map ``L(x) = offset + scale*x`` maps the first domain to the
 second.
 
 See Also
 --------
 getdomain, mapdomain
 
 Notes
 -----
 Also works for complex numbers, and thus can be used to calculate the
 parameters required to map any line in the complex plane to any other
 line therein.
 
 Examples
 --------
 >>> from numpy.polynomial import polyutils as pu
 >>> pu.mapparms((-1,1),(-1,1))
 (0.0, 1.0)
 >>> pu.mapparms((1,-1),(-1,1))
 (-0.0, -1.0)
 >>> i = complex(0,1)
 >>> pu.mapparms((-i,-1),(1,i))
 ((1+1j), (1-0j))
 
 """
 oldlen = old[1] - old[0]
 newlen = new[1] - new[0]
 off = (old[1]*new[0] - old[0]*new[1])/oldlen
 scl = newlen/oldlen
 return off, scl
 
 def mapdomain(x, old, new):
 """
 Apply linear map to input points.
 
 The linear map ``offset + scale*x`` that maps the domain `old` to
 the domain `new` is applied to the points `x`.
 
 Parameters
 ----------
 x : array_like
 Points to be mapped. If `x` is a subtype of ndarray the subtype
 will be preserved.
 old, new : array_like
 The two domains that determine the map.  Each must (successfully)
 convert to 1-d arrays containing precisely two values.
 
 Returns
 -------
 x_out : ndarray
 Array of points of the same shape as `x`, after application of the
 linear map between the two domains.
 
 See Also
 --------
 getdomain, mapparms
 
 Notes
 -----
 Effectively, this implements:
 
 .. math::
 x\\_out = new[0] + m(x - old[0])
 
 where
 
 .. math::
 m = \\frac{new[1]-new[0]}{old[1]-old[0]}
 
 Examples
 --------
 >>> from numpy.polynomial import polyutils as pu
 >>> old_domain = (-1,1)
 >>> new_domain = (0,2*np.pi)
 >>> x = np.linspace(-1,1,6); x
 array([-1. , -0.6, -0.2,  0.2,  0.6,  1. ])
 >>> x_out = pu.mapdomain(x, old_domain, new_domain); x_out
 array([ 0.        ,  1.25663706,  2.51327412,  3.76991118,  5.02654825, # may vary
 6.28318531])
 >>> x - pu.mapdomain(x_out, new_domain, old_domain)
 array([0., 0., 0., 0., 0., 0.])
 
 Also works for complex numbers (and thus can be used to map any line in
 the complex plane to any other line therein).
 
 >>> i = complex(0,1)
 >>> old = (-1 - i, 1 + i)
 >>> new = (-1 + i, 1 - i)
 >>> z = np.linspace(old[0], old[1], 6); z
 array([-1. -1.j , -0.6-0.6j, -0.2-0.2j,  0.2+0.2j,  0.6+0.6j,  1. +1.j ])
 >>> new_z = pu.mapdomain(z, old, new); new_z
 array([-1.0+1.j , -0.6+0.6j, -0.2+0.2j,  0.2-0.2j,  0.6-0.6j,  1.0-1.j ]) # may vary
 
 """
 x = np.asanyarray(x)
 off, scl = mapparms(old, new)
 return off + scl*x
 
 
 def _nth_slice(i, ndim):
 sl = [np.newaxis] * ndim
 sl[i] = slice(None)
 return tuple(sl)
 
 
 def _vander_nd(vander_fs, points, degrees):
 r"""
 A generalization of the Vandermonde matrix for N dimensions
 
 The result is built by combining the results of 1d Vandermonde matrices,
 
 .. math::
 W[i_0, \ldots, i_M, j_0, \ldots, j_N] = \prod_{k=0}^N{V_k(x_k)[i_0, \ldots, i_M, j_k]}
 
 where
 
 .. math::
 N &= \texttt{len(points)} = \texttt{len(degrees)} = \texttt{len(vander\_fs)} \\
 M &= \texttt{points[k].ndim} \\
 V_k &= \texttt{vander\_fs[k]} \\
 x_k &= \texttt{points[k]} \\
 0 \le j_k &\le \texttt{degrees[k]}
 
 Expanding the one-dimensional :math:`V_k` functions gives:
 
 .. math::
 W[i_0, \ldots, i_M, j_0, \ldots, j_N] = \prod_{k=0}^N{B_{k, j_k}(x_k[i_0, \ldots, i_M])}
 
 where :math:`B_{k,m}` is the m'th basis of the polynomial construction used along
 dimension :math:`k`. For a regular polynomial, :math:`B_{k, m}(x) = P_m(x) = x^m`.
 
 Parameters
 ----------
 vander_fs : Sequence[function(array_like, int) -> ndarray]
 The 1d vander function to use for each axis, such as ``polyvander``
 points : Sequence[array_like]
 Arrays of point coordinates, all of the same shape. The dtypes
 will be converted to either float64 or complex128 depending on
 whether any of the elements are complex. Scalars are converted to
 1-D arrays.
 This must be the same length as `vander_fs`.
 degrees : Sequence[int]
 The maximum degree (inclusive) to use for each axis.
 This must be the same length as `vander_fs`.
 
 Returns
 -------
 vander_nd : ndarray
 An array of shape ``points[0].shape + tuple(d + 1 for d in degrees)``.
 """
 n_dims = len(vander_fs)
 if n_dims != len(points):
 raise ValueError(
 f"Expected {n_dims} dimensions of sample points, got {len(points)}")
 if n_dims != len(degrees):
 raise ValueError(
 f"Expected {n_dims} dimensions of degrees, got {len(degrees)}")
 if n_dims == 0:
 raise ValueError("Unable to guess a dtype or shape when no points are given")
 
 # convert to the same shape and type
 points = tuple(np.array(tuple(points), copy=False) + 0.0)
 
 # produce the vandermonde matrix for each dimension, placing the last
 # axis of each in an independent trailing axis of the output
 vander_arrays = (
 vander_fs[i](points[i], degrees[i])[(...,) + _nth_slice(i, n_dims)]
 for i in range(n_dims)
 )
 
 # we checked this wasn't empty already, so no `initial` needed
 return functools.reduce(operator.mul, vander_arrays)
 
 
 def _vander_nd_flat(vander_fs, points, degrees):
 """
 Like `_vander_nd`, but flattens the last ``len(degrees)`` axes into a single axis
 
 Used to implement the public ``<type>vander<n>d`` functions.
 """
 v = _vander_nd(vander_fs, points, degrees)
 return v.reshape(v.shape[:-len(degrees)] + (-1,))
 
 
 def _fromroots(line_f, mul_f, roots):
 """
 Helper function used to implement the ``<type>fromroots`` functions.
 
 Parameters
 ----------
 line_f : function(float, float) -> ndarray
 The ``<type>line`` function, such as ``polyline``
 mul_f : function(array_like, array_like) -> ndarray
 The ``<type>mul`` function, such as ``polymul``
 roots
 See the ``<type>fromroots`` functions for more detail
 """
 if len(roots) == 0:
 return np.ones(1)
 else:
 [roots] = as_series([roots], trim=False)
 roots.sort()
 p = [line_f(-r, 1) for r in roots]
 n = len(p)
 while n > 1:
 m, r = divmod(n, 2)
 tmp = [mul_f(p[i], p[i+m]) for i in range(m)]
 if r:
 tmp[0] = mul_f(tmp[0], p[-1])
 p = tmp
 n = m
 return p[0]
 
 
 def _valnd(val_f, c, *args):
 """
 Helper function used to implement the ``<type>val<n>d`` functions.
 
 Parameters
 ----------
 val_f : function(array_like, array_like, tensor: bool) -> array_like
 The ``<type>val`` function, such as ``polyval``
 c, args
 See the ``<type>val<n>d`` functions for more detail
 """
 args = [np.asanyarray(a) for a in args]
 shape0 = args[0].shape
 if not all((a.shape == shape0 for a in args[1:])):
 if len(args) == 3:
 raise ValueError('x, y, z are incompatible')
 elif len(args) == 2:
 raise ValueError('x, y are incompatible')
 else:
 raise ValueError('ordinates are incompatible')
 it = iter(args)
 x0 = next(it)
 
 # use tensor on only the first
 c = val_f(x0, c)
 for xi in it:
 c = val_f(xi, c, tensor=False)
 return c
 
 
 def _gridnd(val_f, c, *args):
 """
 Helper function used to implement the ``<type>grid<n>d`` functions.
 
 Parameters
 ----------
 val_f : function(array_like, array_like, tensor: bool) -> array_like
 The ``<type>val`` function, such as ``polyval``
 c, args
 See the ``<type>grid<n>d`` functions for more detail
 """
 for xi in args:
 c = val_f(xi, c)
 return c
 
 
 def _div(mul_f, c1, c2):
 """
 Helper function used to implement the ``<type>div`` functions.
 
 Implementation uses repeated subtraction of c2 multiplied by the nth basis.
 For some polynomial types, a more efficient approach may be possible.
 
 Parameters
 ----------
 mul_f : function(array_like, array_like) -> array_like
 The ``<type>mul`` function, such as ``polymul``
 c1, c2
 See the ``<type>div`` functions for more detail
 """
 # c1, c2 are trimmed copies
 [c1, c2] = as_series([c1, c2])
 if c2[-1] == 0:
 raise ZeroDivisionError()
 
 lc1 = len(c1)
 lc2 = len(c2)
 if lc1 < lc2:
 return c1[:1]*0, c1
 elif lc2 == 1:
 return c1/c2[-1], c1[:1]*0
 else:
 quo = np.empty(lc1 - lc2 + 1, dtype=c1.dtype)
 rem = c1
 for i in range(lc1 - lc2, - 1, -1):
 p = mul_f([0]*i + [1], c2)
 q = rem[-1]/p[-1]
 rem = rem[:-1] - q*p[:-1]
 quo[i] = q
 return quo, trimseq(rem)
 
 
 def _add(c1, c2):
 """ Helper function used to implement the ``<type>add`` functions. """
 # c1, c2 are trimmed copies
 [c1, c2] = as_series([c1, c2])
 if len(c1) > len(c2):
 c1[:c2.size] += c2
 ret = c1
 else:
 c2[:c1.size] += c1
 ret = c2
 return trimseq(ret)
 
 
 def _sub(c1, c2):
 """ Helper function used to implement the ``<type>sub`` functions. """
 # c1, c2 are trimmed copies
 [c1, c2] = as_series([c1, c2])
 if len(c1) > len(c2):
 c1[:c2.size] -= c2
 ret = c1
 else:
 c2 = -c2
 c2[:c1.size] += c1
 ret = c2
 return trimseq(ret)
 
 
 def _fit(vander_f, x, y, deg, rcond=None, full=False, w=None):
 """
 Helper function used to implement the ``<type>fit`` functions.
 
 Parameters
 ----------
 vander_f : function(array_like, int) -> ndarray
 The 1d vander function, such as ``polyvander``
 c1, c2
 See the ``<type>fit`` functions for more detail
 """
 x = np.asarray(x) + 0.0
 y = np.asarray(y) + 0.0
 deg = np.asarray(deg)
 
 # check arguments.
 if deg.ndim > 1 or deg.dtype.kind not in 'iu' or deg.size == 0:
 raise TypeError("deg must be an int or non-empty 1-D array of int")
 if deg.min() < 0:
 raise ValueError("expected deg >= 0")
 if x.ndim != 1:
 raise TypeError("expected 1D vector for x")
 if x.size == 0:
 raise TypeError("expected non-empty vector for x")
 if y.ndim < 1 or y.ndim > 2:
 raise TypeError("expected 1D or 2D array for y")
 if len(x) != len(y):
 raise TypeError("expected x and y to have same length")
 
 if deg.ndim == 0:
 lmax = deg
 order = lmax + 1
 van = vander_f(x, lmax)
 else:
 deg = np.sort(deg)
 lmax = deg[-1]
 order = len(deg)
 van = vander_f(x, lmax)[:, deg]
 
 # set up the least squares matrices in transposed form
 lhs = van.T
 rhs = y.T
 if w is not None:
 w = np.asarray(w) + 0.0
 if w.ndim != 1:
 raise TypeError("expected 1D vector for w")
 if len(x) != len(w):
 raise TypeError("expected x and w to have same length")
 # apply weights. Don't use inplace operations as they
 # can cause problems with NA.
 lhs = lhs * w
 rhs = rhs * w
 
 # set rcond
 if rcond is None:
 rcond = len(x)*np.finfo(x.dtype).eps
 
 # Determine the norms of the design matrix columns.
 if issubclass(lhs.dtype.type, np.complexfloating):
 scl = np.sqrt((np.square(lhs.real) + np.square(lhs.imag)).sum(1))
 else:
 scl = np.sqrt(np.square(lhs).sum(1))
 scl[scl == 0] = 1
 
 # Solve the least squares problem.
 c, resids, rank, s = np.linalg.lstsq(lhs.T/scl, rhs.T, rcond)
 c = (c.T/scl).T
 
 # Expand c to include non-fitted coefficients which are set to zero
 if deg.ndim > 0:
 if c.ndim == 2:
 cc = np.zeros((lmax+1, c.shape[1]), dtype=c.dtype)
 else:
 cc = np.zeros(lmax+1, dtype=c.dtype)
 cc[deg] = c
 c = cc
 
 # warn on rank reduction
 if rank != order and not full:
 msg = "The fit may be poorly conditioned"
 warnings.warn(msg, RankWarning, stacklevel=2)
 
 if full:
 return c, [resids, rank, s, rcond]
 else:
 return c
 
 
 def _pow(mul_f, c, pow, maxpower):
 """
 Helper function used to implement the ``<type>pow`` functions.
 
 Parameters
 ----------
 mul_f : function(array_like, array_like) -> ndarray
 The ``<type>mul`` function, such as ``polymul``
 c : array_like
 1-D array of array of series coefficients
 pow, maxpower
 See the ``<type>pow`` functions for more detail
 """
 # c is a trimmed copy
 [c] = as_series([c])
 power = int(pow)
 if power != pow or power < 0:
 raise ValueError("Power must be a non-negative integer.")
 elif maxpower is not None and power > maxpower:
 raise ValueError("Power is too large")
 elif power == 0:
 return np.array([1], dtype=c.dtype)
 elif power == 1:
 return c
 else:
 # This can be made more efficient by using powers of two
 # in the usual way.
 prd = c
 for i in range(2, power + 1):
 prd = mul_f(prd, c)
 return prd
 
 
 def _deprecate_as_int(x, desc):
 """
 Like `operator.index`, but emits a deprecation warning when passed a float
 
 Parameters
 ----------
 x : int-like, or float with integral value
 Value to interpret as an integer
 desc : str
 description to include in any error message
 
 Raises
 ------
 TypeError : if x is a non-integral float or non-numeric
 DeprecationWarning : if x is an integral float
 """
 try:
 return operator.index(x)
 except TypeError as e:
 # Numpy 1.17.0, 2019-03-11
 try:
 ix = int(x)
 except TypeError:
 pass
 else:
 if ix == x:
 warnings.warn(
 f"In future, this will raise TypeError, as {desc} will "
 "need to be an integer not just an integral float.",
 DeprecationWarning,
 stacklevel=3
 )
 return ix
 
 raise TypeError(f"{desc} must be an integer") from e
 
 
 def format_float(x, parens=False):
 if not np.issubdtype(type(x), np.floating):
 return str(x)
 
 opts = np.get_printoptions()
 
 if np.isnan(x):
 return opts['nanstr']
 elif np.isinf(x):
 return opts['infstr']
 
 exp_format = False
 if x != 0:
 a = absolute(x)
 if a >= 1.e8 or a < 10**min(0, -(opts['precision']-1)//2):
 exp_format = True
 
 trim, unique = '0', True
 if opts['floatmode'] == 'fixed':
 trim, unique = 'k', False
 
 if exp_format:
 s = dragon4_scientific(x, precision=opts['precision'],
 unique=unique, trim=trim,
 sign=opts['sign'] == '+')
 if parens:
 s = '(' + s + ')'
 else:
 s = dragon4_positional(x, precision=opts['precision'],
 fractional=True,
 unique=unique, trim=trim,
 sign=opts['sign'] == '+')
 return s
 
 |