Matrix
(library/data-structure/matrix.hpp)

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• Last update: 2025-06-26 16:44:42+09:00
• Include: #include "library/data-structure/matrix.hpp"

概要

行列

使い方

Matrix<T>(n, m) で $n \times m$ の行列を作成する。

• 数による +, -, *, /, %
• 行列による +, -, *
• A.pow(x) で $x$ 乗
• A.transpose() で転置
• A.n_row(), A.n_col() で行数、列数
• A.at(i, j) で $i$ 行 $j$ 列目
• Matrix::I(n) で $n \times n$ の単位行列

実装は別ファイル

• determinant<U>(): 行列式を求める。 $O(n^3)$。 U を指定しないと行列の要素型で求める。

Tip

valarray で実装しているので、多少高速…なはず

Depends on

• library/_internal/modint-base.hpp
• 内部型 (library/_internal/types.hpp)

Required by

• 行列式 (library/matrix/determinant.hpp)

Verified with

• tests/matrix/core/abc237-b.test.cpp
• tests/matrix/core/dp-r.test.cpp
• tests/matrix/core/itp1-6d.test.cpp
• tests/matrix/core/itp1-7d.test.cpp
• tests/matrix/core/libchecker-pow.test.cpp
• tests/matrix/core/libchecker-product.test.cpp
• tests/matrix/core/yukicoder-2441.test.cpp
• tests/matrix/determinant/libchecker-arbmod.test.cpp
• tests/matrix/determinant/libchecker-normal.test.cpp

Code

#pragma once

#include <cassert>
#include <concepts>
#include <cstddef>
#include <valarray>
using namespace std;

#include "../_internal/types.hpp"

namespace asalib {
  namespace matrix {
    template<_internal::numeric_like T>
    class Matrix {
      public:
      constexpr Matrix(): _n_row(0), _n_col(0) {};
      constexpr Matrix(size_t n_row, size_t n_col): _n_row(n_row), _n_col(n_col) {
        _data.resize(n_row, valarray<T>(n_col));
      };
      constexpr Matrix(size_t n_row, size_t n_col, T x): _n_row(n_row), _n_col(n_col) {
        _data.resize(n_row, valarray<T>(n_col, x));
      };

      inline constexpr T& at(size_t i, size_t j) {
        assert(i < _n_row);
        assert(j < _n_col);
        return _data[i][j];
      }
      inline constexpr T at(size_t i, size_t j) const {
        assert(i < _n_row);
        assert(j < _n_col);
        return _data[i][j];
      }

      inline constexpr Matrix& operator+=(const T& x) {
        _data += x;
        return *this;
      }
      inline constexpr Matrix& operator-=(const T& x) {
        _data -= x;
        return *this;
      }
      inline constexpr Matrix& operator*=(const T& x) {
        _data *= x;
        return *this;
      }
      inline constexpr Matrix& operator/=(const T& x) {
        _data /= x;
        return *this;
      }
      inline constexpr Matrix& operator%=(const T& x) {
        _data %= x;
        return *this;
      }
      inline constexpr Matrix operator+(const T& x) const { return Matrix(*this) += x; }
      inline constexpr Matrix operator-(const T& x) const { return Matrix(*this) -= x; }
      inline constexpr Matrix operator*(const T& x) const { return Matrix(*this) *= x; }
      inline constexpr Matrix operator/(const T& x) const { return Matrix(*this) /= x; }
      inline constexpr Matrix operator%(const T& x) const { return Matrix(*this) %= x; }

      inline constexpr Matrix& operator+=(const Matrix& x) {
        assert(_n_row == x._n_row);
        assert(_n_col == x._n_col);
        _data += x._data;
        return *this;
      }
      inline constexpr Matrix& operator-=(const Matrix& x) {
        assert(_n_row == x._n_row);
        assert(_n_col == x._n_col);
        _data -= x._data;
        return *this;
      }
      inline constexpr Matrix& operator*=(const Matrix& x) {
        assert(_n_col == x._n_row);
        Matrix res(_n_row, x._n_col);
        for (size_t i = 0; i < _n_row; ++i) {
          for (size_t k = 0; k < _n_col; ++k) {
            for (size_t j = 0; j < x._n_col; ++j) {
              res._data[i][j] += _data[i][k] * x._data[k][j];
            }
          }
        }
        return *this = res;
      }
      inline constexpr Matrix operator+(const Matrix& x) const { return Matrix(*this) += x; }
      inline constexpr Matrix operator-(const Matrix& x) const { return Matrix(*this) -= x; }
      inline constexpr Matrix operator*(const Matrix& x) const { return Matrix(*this) *= x; }

      inline constexpr bool operator==(const Matrix& x) const { return _n_row == x._n_row && _n_col == x._n_col && _data == x._data; }
      inline constexpr bool operator!=(const Matrix& x) const { return !(*this == x); }
      inline constexpr bool operator<(const Matrix& x) const { return _data < x._data; }

      inline constexpr Matrix transpose() const {
        Matrix res(_n_col, _n_row);
        for (size_t i = 0; i < _n_row; ++i) {
          for (size_t j = 0; j < _n_col; ++j) {
            res._data[j][i] = _data[i][j];
          }
        }
        return res;
      }

      template<integral U>
      inline constexpr Matrix pow(U x) const {
        assert(_n_row == _n_col);
        Matrix res = I(_n_row);
        Matrix a(*this);
        while (x) {
          if (x & 1) res *= a;
          a *= a;
          x >>= 1;
        }
        return res;
      }

      inline static constexpr Matrix I(size_t n) {
        Matrix res(n, n);
        for (size_t i = 0; i < n; ++i) {
          res._data[i][i] = 1;
        }
        return res;
      }

      inline constexpr size_t n_row() const { return _n_row; }
      inline constexpr size_t n_col() const { return _n_col; }

      private:
      size_t _n_row, _n_col;
      valarray<valarray<T>> _data;

      public:
      // ---------- prototype ---------- //
      inline constexpr T determinant() const;
      template<_internal::numeric_like U>
      inline constexpr U determinant() const;
    };
  }  // namespace matrix
}  // namespace asalib

#line 2 "library/data-structure/matrix.hpp"

#include <cassert>
#include <concepts>
#include <cstddef>
#include <valarray>
using namespace std;

#line 2 "library/_internal/types.hpp"

#line 4 "library/_internal/types.hpp"
using namespace std;

#line 2 "library/_internal/modint-base.hpp"

#line 4 "library/_internal/modint-base.hpp"
#include <type_traits>
using namespace std;

namespace asalib {
  namespace _internal {
    class modint_base {};

    template<typename T>
    concept is_modint = is_base_of_v<modint_base, T>;
  }  // namespace _internal
}  // namespace asalib
#line 7 "library/_internal/types.hpp"

namespace asalib {
  namespace _internal {
    // ---------- concept definition ---------- //
    template<class T>
    concept integral_like = integral<T> || is_modint<T>;

    template<class T>
    concept floating_like = floating_point<T>;

    template<class T>
    concept numeric_like = integral_like<T> || floating_like<T>;

    // ---------- function definition ---------- //
    template<class T>
    T plus(T a, T b) { return a + b; }

    template<class T>
    T minus(T a, T b) { return a - b; }

    // ---------- constant definition ---------- //
    template<class T>
    T zero() { return 0; }
  }  // namespace _internal
}  // namespace asalib
#line 10 "library/data-structure/matrix.hpp"

namespace asalib {
  namespace matrix {
    template<_internal::numeric_like T>
    class Matrix {
      public:
      constexpr Matrix(): _n_row(0), _n_col(0) {};
      constexpr Matrix(size_t n_row, size_t n_col): _n_row(n_row), _n_col(n_col) {
        _data.resize(n_row, valarray<T>(n_col));
      };
      constexpr Matrix(size_t n_row, size_t n_col, T x): _n_row(n_row), _n_col(n_col) {
        _data.resize(n_row, valarray<T>(n_col, x));
      };

      inline constexpr T& at(size_t i, size_t j) {
        assert(i < _n_row);
        assert(j < _n_col);
        return _data[i][j];
      }
      inline constexpr T at(size_t i, size_t j) const {
        assert(i < _n_row);
        assert(j < _n_col);
        return _data[i][j];
      }

      inline constexpr Matrix& operator+=(const T& x) {
        _data += x;
        return *this;
      }
      inline constexpr Matrix& operator-=(const T& x) {
        _data -= x;
        return *this;
      }
      inline constexpr Matrix& operator*=(const T& x) {
        _data *= x;
        return *this;
      }
      inline constexpr Matrix& operator/=(const T& x) {
        _data /= x;
        return *this;
      }
      inline constexpr Matrix& operator%=(const T& x) {
        _data %= x;
        return *this;
      }
      inline constexpr Matrix operator+(const T& x) const { return Matrix(*this) += x; }
      inline constexpr Matrix operator-(const T& x) const { return Matrix(*this) -= x; }
      inline constexpr Matrix operator*(const T& x) const { return Matrix(*this) *= x; }
      inline constexpr Matrix operator/(const T& x) const { return Matrix(*this) /= x; }
      inline constexpr Matrix operator%(const T& x) const { return Matrix(*this) %= x; }

      inline constexpr Matrix& operator+=(const Matrix& x) {
        assert(_n_row == x._n_row);
        assert(_n_col == x._n_col);
        _data += x._data;
        return *this;
      }
      inline constexpr Matrix& operator-=(const Matrix& x) {
        assert(_n_row == x._n_row);
        assert(_n_col == x._n_col);
        _data -= x._data;
        return *this;
      }
      inline constexpr Matrix& operator*=(const Matrix& x) {
        assert(_n_col == x._n_row);
        Matrix res(_n_row, x._n_col);
        for (size_t i = 0; i < _n_row; ++i) {
          for (size_t k = 0; k < _n_col; ++k) {
            for (size_t j = 0; j < x._n_col; ++j) {
              res._data[i][j] += _data[i][k] * x._data[k][j];
            }
          }
        }
        return *this = res;
      }
      inline constexpr Matrix operator+(const Matrix& x) const { return Matrix(*this) += x; }
      inline constexpr Matrix operator-(const Matrix& x) const { return Matrix(*this) -= x; }
      inline constexpr Matrix operator*(const Matrix& x) const { return Matrix(*this) *= x; }

      inline constexpr bool operator==(const Matrix& x) const { return _n_row == x._n_row && _n_col == x._n_col && _data == x._data; }
      inline constexpr bool operator!=(const Matrix& x) const { return !(*this == x); }
      inline constexpr bool operator<(const Matrix& x) const { return _data < x._data; }

      inline constexpr Matrix transpose() const {
        Matrix res(_n_col, _n_row);
        for (size_t i = 0; i < _n_row; ++i) {
          for (size_t j = 0; j < _n_col; ++j) {
            res._data[j][i] = _data[i][j];
          }
        }
        return res;
      }

      template<integral U>
      inline constexpr Matrix pow(U x) const {
        assert(_n_row == _n_col);
        Matrix res = I(_n_row);
        Matrix a(*this);
        while (x) {
          if (x & 1) res *= a;
          a *= a;
          x >>= 1;
        }
        return res;
      }

      inline static constexpr Matrix I(size_t n) {
        Matrix res(n, n);
        for (size_t i = 0; i < n; ++i) {
          res._data[i][i] = 1;
        }
        return res;
      }

      inline constexpr size_t n_row() const { return _n_row; }
      inline constexpr size_t n_col() const { return _n_col; }

      private:
      size_t _n_row, _n_col;
      valarray<valarray<T>> _data;

      public:
      // ---------- prototype ---------- //
      inline constexpr T determinant() const;
      template<_internal::numeric_like U>
      inline constexpr U determinant() const;
    };
  }  // namespace matrix
}  // namespace asalib

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