Эта задача состоит в написании быстрого кода, который может выполнить сложную в вычислительном отношении бесконечную сумму.

вход

nС помощью nматрицы Pс элементами , которые являются целыми меньше 100по абсолютной величине. При тестировании я с радостью предоставлю ваш код в любом разумном формате, который вам нужен. По умолчанию будет одна строка на строку матрицы, разделенные пробелом и предоставленные на стандартном вводе.

Pбудет положительно определенным, что означает, что он всегда будет симметричным. Кроме этого вам не нужно знать, что значит положительный ответ на вызов. Это, однако, означает, что на самом деле будет ответ на сумму, определенную ниже.

Однако вам необходимо знать, что такое матрично-векторный продукт .

Выход

Ваш код должен вычислять бесконечную сумму:

с точностью до плюс или минус 0,0001 от правильного ответа. Здесь Zесть множество целых чисел и так Z^nэто все возможные векторы с nцелыми элементами и eявляется известной математической константой , которая приблизительно равна 2,71828. Обратите внимание, что значение в показателе степени является просто числом. Смотрите ниже для явного примера.

Как это связано с тэта-функцией Римана?

В обозначениях этой статьи о приближении тэта-функции Римана мы пытаемся вычислить . Наша проблема - особый случай, по крайней мере, по двум причинам.

• Мы устанавливаем начальный параметр, вызванный zв связанной статье, в 0.
• Мы создаем матрицу Pтаким образом, чтобы минимальный размер собственного значения был 1. (См. Ниже, как создается матрица.)

Примеры

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

Output: 1.07551411208

Более подробно, давайте посмотрим только один член в сумме для этого P. Возьмем, например, только один член в сумме:

и x^T P x = 30. Обратите внимание, что e^(-30)это примерно 10^(-14)так, и вряд ли это важно для получения правильного ответа до заданного допуска. Напомним, что бесконечная сумма будет фактически использовать каждый возможный вектор длины 4, где элементы являются целыми числами. Я просто выбрал один, чтобы привести пример.

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

Гол

Я протестирую ваш код на случайно выбранных матрицах P возрастающего размера.

Ваша оценка просто самая большая, nза что я получаю правильный ответ менее чем за 30 секунд, когда усредняюсь за 5 прогонов со случайно выбранными матрицами Pтакого размера.

Как насчет галстука?

Если есть ничья, победителем станет тот, чей код выполняется быстрее всего, усредненный за 5 запусков. В случае, если эти времена также равны, победителем является первый ответ.

Как будет создан случайный ввод?

1. Пусть M - случайная матрица m на n с m <= n и записями, которые равны -1 или 1. В Python / numpy M = np.random.choice([0,1], size = (m,n))*2-1. На практике я собираюсь mбыть о n/2.
2. Пусть P - единичная матрица + M ^ T M. В Python / numpy P =np.identity(n)+np.dot(M.T,M). Теперь мы гарантируем, что Pэто определенно положительно, и записи находятся в подходящем диапазоне.

Обратите внимание, что это означает, что все собственные значения P не меньше 1, что делает задачу потенциально более простой, чем общая задача аппроксимации тэта-функции Римана.

Языки и библиотеки

Вы можете использовать любой язык или библиотеку, которая вам нравится. Тем не менее, для целей скоринга я буду запускать ваш код на моей машине, поэтому, пожалуйста, предоставьте четкие инструкции о том, как запустить его в Ubuntu.

Моя машина Время будет запущено на моей машине. Это стандартная установка Ubuntu на 8-гигабайтный 8-ядерный процессор AMD FX-8350. Это также означает, что мне нужно иметь возможность запускать ваш код.

Ведущие ответы

• n = 47в C ++ Тон Хоспель
• n = 8в Python Maltysen

C ++

Нет более наивного подхода. Оцените только внутри эллипсоида.

Использует библиотеки броненосцев, ntl, gsl и pthread. Установить с помощью

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

Скомпилируйте программу, используя что-то вроде:

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

В некоторых системах вам может потребоваться добавить -lgslcblasпосле -lgsl.

Запустите с размером матрицы, за которым следуют элементы в STDIN:

./infinity < matrix.txt

matrix.txt:

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

Или попробовать точность 1е-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 секунд n = 8 на моем компьютере, Ubuntu 4 ядра.

Действительно наивный, понятия не имею, что я делаю.

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))

Это будет продолжать увеличивать диапазон, Zкоторый он использует, пока не получит достаточно хороший ответ. Я написал свою собственную матрицу умножения, просто нужно использовать numpy.