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from __future__ import print_function, division 

 

import copy 

from collections import defaultdict 

 

from sympy.core.containers import Dict 

from sympy.core.compatibility import is_sequence, as_int, range 

from sympy.core.logic import fuzzy_and 

from sympy.core.singleton import S 

from sympy.functions.elementary.miscellaneous import sqrt 

from sympy.utilities.iterables import uniq 

 

from .matrices import MatrixBase, ShapeError, a2idx 

from .dense import Matrix 

import collections 

 

 

class SparseMatrix(MatrixBase): 

    """ 

    A sparse matrix (a matrix with a large number of zero elements). 

 

    Examples 

    ======== 

 

    >>> from sympy.matrices import SparseMatrix 

    >>> SparseMatrix(2, 2, range(4)) 

    Matrix([ 

    [0, 1], 

    [2, 3]]) 

    >>> SparseMatrix(2, 2, {(1, 1): 2}) 

    Matrix([ 

    [0, 0], 

    [0, 2]]) 

 

    See Also 

    ======== 

    sympy.matrices.dense.Matrix 

    """ 

 

    def __init__(self, *args): 

 

        if len(args) == 1 and isinstance(args[0], SparseMatrix): 

            self.rows = args[0].rows 

            self.cols = args[0].cols 

            self._smat = dict(args[0]._smat) 

            return 

 

        self._smat = {} 

 

        if len(args) == 3: 

            self.rows = as_int(args[0]) 

            self.cols = as_int(args[1]) 

 

            if isinstance(args[2], collections.Callable): 

                op = args[2] 

                for i in range(self.rows): 

                    for j in range(self.cols): 

                        value = self._sympify( 

                            op(self._sympify(i), self._sympify(j))) 

                        if value: 

                            self._smat[(i, j)] = value 

            elif isinstance(args[2], (dict, Dict)): 

                # manual copy, copy.deepcopy() doesn't work 

                for key in args[2].keys(): 

                    v = args[2][key] 

                    if v: 

                        self._smat[key] = self._sympify(v) 

            elif is_sequence(args[2]): 

                if len(args[2]) != self.rows*self.cols: 

                    raise ValueError( 

                        'List length (%s) != rows*columns (%s)' % 

                        (len(args[2]), self.rows*self.cols)) 

                flat_list = args[2] 

                for i in range(self.rows): 

                    for j in range(self.cols): 

                        value = self._sympify(flat_list[i*self.cols + j]) 

                        if value: 

                            self._smat[(i, j)] = value 

        else: 

            # handle full matrix forms with _handle_creation_inputs 

            r, c, _list = Matrix._handle_creation_inputs(*args) 

            self.rows = r 

            self.cols = c 

            for i in range(self.rows): 

                for j in range(self.cols): 

                    value = _list[self.cols*i + j] 

                    if value: 

                        self._smat[(i, j)] = value 

 

    def __getitem__(self, key): 

 

        if isinstance(key, tuple): 

            i, j = key 

            try: 

                i, j = self.key2ij(key) 

                return self._smat.get((i, j), S.Zero) 

            except (TypeError, IndexError): 

                if isinstance(i, slice): 

                    # XXX remove list() when PY2 support is dropped 

                    i = list(range(self.rows))[i] 

                elif is_sequence(i): 

                    pass 

                else: 

                    if i >= self.rows: 

                        raise IndexError('Row index out of bounds') 

                    i = [i] 

                if isinstance(j, slice): 

                    # XXX remove list() when PY2 support is dropped 

                    j = list(range(self.cols))[j] 

                elif is_sequence(j): 

                    pass 

                else: 

                    if j >= self.cols: 

                        raise IndexError('Col index out of bounds') 

                    j = [j] 

                return self.extract(i, j) 

 

        # check for single arg, like M[:] or M[3] 

        if isinstance(key, slice): 

            lo, hi = key.indices(len(self))[:2] 

            L = [] 

            for i in range(lo, hi): 

                m, n = divmod(i, self.cols) 

                L.append(self._smat.get((m, n), S.Zero)) 

            return L 

 

        i, j = divmod(a2idx(key, len(self)), self.cols) 

        return self._smat.get((i, j), S.Zero) 

 

    def __setitem__(self, key, value): 

        raise NotImplementedError() 

 

    def copy(self): 

        return self._new(self.rows, self.cols, self._smat) 

 

    @property 

    def is_Identity(self): 

        if not self.is_square: 

            return False 

        if not all(self[i, i] == 1 for i in range(self.rows)): 

            return False 

        return len(self._smat) == self.rows 

 

    def tolist(self): 

        """Convert this sparse matrix into a list of nested Python lists. 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy.matrices import SparseMatrix, ones 

        >>> a = SparseMatrix(((1, 2), (3, 4))) 

        >>> a.tolist() 

        [[1, 2], [3, 4]] 

 

        When there are no rows then it will not be possible to tell how 

        many columns were in the original matrix: 

 

        >>> SparseMatrix(ones(0, 3)).tolist() 

        [] 

 

        """ 

        if not self.rows: 

            return [] 

        if not self.cols: 

            return [[] for i in range(self.rows)] 

        I, J = self.shape 

        return [[self[i, j] for j in range(J)] for i in range(I)] 

 

    def row(self, i): 

        """Returns column i from self as a row vector. 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy.matrices import SparseMatrix 

        >>> a = SparseMatrix(((1, 2), (3, 4))) 

        >>> a.row(0) 

        Matrix([[1, 2]]) 

 

        See Also 

        ======== 

        col 

        row_list 

        """ 

        return self[i,:] 

 

    def col(self, j): 

        """Returns column j from self as a column vector. 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy.matrices import SparseMatrix 

        >>> a = SparseMatrix(((1, 2), (3, 4))) 

        >>> a.col(0) 

        Matrix([ 

        [1], 

        [3]]) 

 

        See Also 

        ======== 

        row 

        col_list 

        """ 

        return self[:, j] 

 

    def row_list(self): 

        """Returns a row-sorted list of non-zero elements of the matrix. 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy.matrices import SparseMatrix 

        >>> a = SparseMatrix(((1, 2), (3, 4))) 

        >>> a 

        Matrix([ 

        [1, 2], 

        [3, 4]]) 

        >>> a.RL 

        [(0, 0, 1), (0, 1, 2), (1, 0, 3), (1, 1, 4)] 

 

        See Also 

        ======== 

        row_op 

        col_list 

        """ 

        return [tuple(k + (self[k],)) for k in 

            sorted(list(self._smat.keys()), key=lambda k: list(k))] 

 

    RL = property(row_list, None, None, "Alternate faster representation") 

 

    def col_list(self): 

        """Returns a column-sorted list of non-zero elements of the matrix. 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy.matrices import SparseMatrix 

        >>> a=SparseMatrix(((1, 2), (3, 4))) 

        >>> a 

        Matrix([ 

        [1, 2], 

        [3, 4]]) 

        >>> a.CL 

        [(0, 0, 1), (1, 0, 3), (0, 1, 2), (1, 1, 4)] 

 

        See Also 

        ======== 

        col_op 

        row_list 

        """ 

        return [tuple(k + (self[k],)) for k in sorted(list(self._smat.keys()), key=lambda k: list(reversed(k)))] 

 

    CL = property(col_list, None, None, "Alternate faster representation") 

 

    def _eval_trace(self): 

        """Calculate the trace of a square matrix. 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy.matrices import eye 

        >>> eye(3).trace() 

        3 

 

        """ 

        trace = S.Zero 

        for i in range(self.cols): 

            trace += self._smat.get((i, i), 0) 

        return trace 

 

    def _eval_transpose(self): 

        """Returns the transposed SparseMatrix of this SparseMatrix. 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy.matrices import SparseMatrix 

        >>> a = SparseMatrix(((1, 2), (3, 4))) 

        >>> a 

        Matrix([ 

        [1, 2], 

        [3, 4]]) 

        >>> a.T 

        Matrix([ 

        [1, 3], 

        [2, 4]]) 

        """ 

        tran = self.zeros(self.cols, self.rows) 

        for key, value in self._smat.items(): 

            key = key[1], key[0]  # reverse 

            tran._smat[key] = value 

        return tran 

 

    def _eval_conjugate(self): 

        """Return the by-element conjugation. 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy.matrices import SparseMatrix 

        >>> from sympy import I 

        >>> a = SparseMatrix(((1, 2 + I), (3, 4), (I, -I))) 

        >>> a 

        Matrix([ 

        [1, 2 + I], 

        [3,     4], 

        [I,    -I]]) 

        >>> a.C 

        Matrix([ 

        [ 1, 2 - I], 

        [ 3,     4], 

        [-I,     I]]) 

 

        See Also 

        ======== 

 

        transpose: Matrix transposition 

        H: Hermite conjugation 

        D: Dirac conjugation 

        """ 

        conj = self.copy() 

        for key, value in self._smat.items(): 

            conj._smat[key] = value.conjugate() 

        return conj 

 

    def multiply(self, other): 

        """Fast multiplication exploiting the sparsity of the matrix. 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy.matrices import SparseMatrix, ones 

        >>> A, B = SparseMatrix(ones(4, 3)), SparseMatrix(ones(3, 4)) 

        >>> A.multiply(B) == 3*ones(4) 

        True 

 

        See Also 

        ======== 

 

        add 

        """ 

        A = self 

        B = other 

        # sort B's row_list into list of rows 

        Blist = [[] for i in range(B.rows)] 

        for i, j, v in B.row_list(): 

            Blist[i].append((j, v)) 

        Cdict = defaultdict(int) 

        for k, j, Akj in A.row_list(): 

            for n, Bjn in Blist[j]: 

                temp = Akj*Bjn 

                Cdict[k, n] += temp 

        rv = self.zeros(A.rows, B.cols) 

        rv._smat = dict([(k, v) for k, v in Cdict.items() if v]) 

        return rv 

 

    def scalar_multiply(self, scalar): 

        "Scalar element-wise multiplication" 

        M = self.zeros(*self.shape) 

        if scalar: 

            for i in self._smat: 

                v = scalar*self._smat[i] 

                if v: 

                    M._smat[i] = v 

                else: 

                    M._smat.pop(i, None) 

        return M 

 

    def __mul__(self, other): 

        """Multiply self and other, watching for non-matrix entities. 

 

        When multiplying be a non-sparse matrix, the result is no longer 

        sparse. 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy.matrices import SparseMatrix, eye, zeros 

        >>> I = SparseMatrix(eye(3)) 

        >>> I*I == I 

        True 

        >>> Z = zeros(3) 

        >>> I*Z 

        Matrix([ 

        [0, 0, 0], 

        [0, 0, 0], 

        [0, 0, 0]]) 

        >>> I*2 == 2*I 

        True 

        """ 

        if isinstance(other, SparseMatrix): 

            return self.multiply(other) 

        if isinstance(other, MatrixBase): 

            return other._new(self*self._new(other)) 

        return self.scalar_multiply(other) 

 

    def __rmul__(self, other): 

        """Return product the same type as other (if a Matrix). 

 

        When multiplying be a non-sparse matrix, the result is no longer 

        sparse. 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy.matrices import Matrix, SparseMatrix 

        >>> A = Matrix(2, 2, range(1, 5)) 

        >>> S = SparseMatrix(2, 2, range(2, 6)) 

        >>> A*S == S*A 

        False 

        >>> (isinstance(A*S, SparseMatrix) == 

        ...  isinstance(S*A, SparseMatrix) == False) 

        True 

        """ 

        if isinstance(other, MatrixBase): 

            return other*other._new(self) 

        return self.scalar_multiply(other) 

 

    def __add__(self, other): 

        """Add other to self, efficiently if possible. 

 

        When adding a non-sparse matrix, the result is no longer 

        sparse. 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy.matrices import SparseMatrix, eye 

        >>> A = SparseMatrix(eye(3)) + SparseMatrix(eye(3)) 

        >>> B = SparseMatrix(eye(3)) + eye(3) 

        >>> A 

        Matrix([ 

        [2, 0, 0], 

        [0, 2, 0], 

        [0, 0, 2]]) 

        >>> A == B 

        True 

        >>> isinstance(A, SparseMatrix) and isinstance(B, SparseMatrix) 

        False 

 

        """ 

        if isinstance(other, SparseMatrix): 

            return self.add(other) 

        elif isinstance(other, MatrixBase): 

            return other._new(other + self) 

        else: 

            raise NotImplementedError( 

                "Cannot add %s to %s" % 

                tuple([c.__class__.__name__ for c in (other, self)])) 

 

    def __neg__(self): 

        """Negate all elements of self. 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy.matrices import SparseMatrix, eye 

        >>> -SparseMatrix(eye(3)) 

        Matrix([ 

        [-1,  0,  0], 

        [ 0, -1,  0], 

        [ 0,  0, -1]]) 

 

        """ 

 

        rv = self.copy() 

        for k, v in rv._smat.items(): 

            rv._smat[k] = -v 

        return rv 

 

    def add(self, other): 

        """Add two sparse matrices with dictionary representation. 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy.matrices import SparseMatrix, eye, ones 

        >>> SparseMatrix(eye(3)).add(SparseMatrix(ones(3))) 

        Matrix([ 

        [2, 1, 1], 

        [1, 2, 1], 

        [1, 1, 2]]) 

        >>> SparseMatrix(eye(3)).add(-SparseMatrix(eye(3))) 

        Matrix([ 

        [0, 0, 0], 

        [0, 0, 0], 

        [0, 0, 0]]) 

 

        Only the non-zero elements are stored, so the resulting dictionary 

        that is used to represent the sparse matrix is empty: 

 

        >>> _._smat 

        {} 

 

        See Also 

        ======== 

 

        multiply 

        """ 

        if not isinstance(other, SparseMatrix): 

            raise ValueError('only use add with %s, not %s' % 

                tuple([c.__class__.__name__ for c in (self, other)])) 

        if self.shape != other.shape: 

            raise ShapeError() 

        M = self.copy() 

        for i, v in other._smat.items(): 

            v = M[i] + v 

            if v: 

                M._smat[i] = v 

            else: 

                M._smat.pop(i, None) 

        return M 

 

    def extract(self, rowsList, colsList): 

        urow = list(uniq(rowsList)) 

        ucol = list(uniq(colsList)) 

        smat = {} 

        if len(urow)*len(ucol) < len(self._smat): 

            # there are fewer elements requested than there are elements in the matrix 

            for i, r in enumerate(urow): 

                for j, c in enumerate(ucol): 

                    smat[i, j] = self._smat.get((r, c), 0) 

        else: 

            # most of the request will be zeros so check all of self's entries, 

            # keeping only the ones that are desired 

            for rk, ck in self._smat: 

                if rk in urow and ck in ucol: 

                    smat[(urow.index(rk), ucol.index(ck))] = self._smat[(rk, ck)] 

 

        rv = self._new(len(urow), len(ucol), smat) 

        # rv is nominally correct but there might be rows/cols 

        # which require duplication 

        if len(rowsList) != len(urow): 

            for i, r in enumerate(rowsList): 

                i_previous = rowsList.index(r) 

                if i_previous != i: 

                    rv = rv.row_insert(i, rv.row(i_previous)) 

        if len(colsList) != len(ucol): 

            for i, c in enumerate(colsList): 

                i_previous = colsList.index(c) 

                if i_previous != i: 

                    rv = rv.col_insert(i, rv.col(i_previous)) 

        return rv 

    extract.__doc__ = MatrixBase.extract.__doc__ 

 

    @property 

    def is_hermitian(self): 

        """Checks if the matrix is Hermitian. 

 

        In a Hermitian matrix element i,j is the complex conjugate of 

        element j,i. 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy.matrices import SparseMatrix 

        >>> from sympy import I 

        >>> from sympy.abc import x 

        >>> a = SparseMatrix([[1, I], [-I, 1]]) 

        >>> a 

        Matrix([ 

        [ 1, I], 

        [-I, 1]]) 

        >>> a.is_hermitian 

        True 

        >>> a[0, 0] = 2*I 

        >>> a.is_hermitian 

        False 

        >>> a[0, 0] = x 

        >>> a.is_hermitian 

        >>> a[0, 1] = a[1, 0]*I 

        >>> a.is_hermitian 

        False 

        """ 

        def cond(): 

            d = self._smat 

            yield self.is_square 

            if len(d) <= self.rows: 

                yield fuzzy_and( 

                    d[i, i].is_real for i, j in d if i == j) 

            else: 

                yield fuzzy_and( 

                    d[i, i].is_real for i in range(self.rows) if (i, i) in d) 

            yield fuzzy_and( 

                    ((self[i, j] - self[j, i].conjugate()).is_zero 

                    if (j, i) in d else False) for (i, j) in d) 

        return fuzzy_and(i for i in cond()) 

 

    def is_symmetric(self, simplify=True): 

        """Return True if self is symmetric. 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy.matrices import SparseMatrix, eye 

        >>> M = SparseMatrix(eye(3)) 

        >>> M.is_symmetric() 

        True 

        >>> M[0, 2] = 1 

        >>> M.is_symmetric() 

        False 

        """ 

        if simplify: 

            return all((k[1], k[0]) in self._smat and 

                not (self[k] - self[(k[1], k[0])]).simplify() 

                for k in self._smat) 

        else: 

            return all((k[1], k[0]) in self._smat and 

                self[k] == self[(k[1], k[0])] for k in self._smat) 

 

    def has(self, *patterns): 

        """Test whether any subexpression matches any of the patterns. 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy import SparseMatrix, Float 

        >>> from sympy.abc import x, y 

        >>> A = SparseMatrix(((1, x), (0.2, 3))) 

        >>> A.has(x) 

        True 

        >>> A.has(y) 

        False 

        >>> A.has(Float) 

        True 

        """ 

        return any(self[key].has(*patterns) for key in self._smat) 

 

    def applyfunc(self, f): 

        """Apply a function to each element of the matrix. 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy.matrices import SparseMatrix 

        >>> m = SparseMatrix(2, 2, lambda i, j: i*2+j) 

        >>> m 

        Matrix([ 

        [0, 1], 

        [2, 3]]) 

        >>> m.applyfunc(lambda i: 2*i) 

        Matrix([ 

        [0, 2], 

        [4, 6]]) 

 

        """ 

        if not callable(f): 

            raise TypeError("`f` must be callable.") 

 

        out = self.copy() 

        for k, v in self._smat.items(): 

            fv = f(v) 

            if fv: 

                out._smat[k] = fv 

            else: 

                out._smat.pop(k, None) 

        return out 

 

    def reshape(self, rows, cols): 

        """Reshape matrix while retaining original size. 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy.matrices import SparseMatrix 

        >>> S = SparseMatrix(4, 2, range(8)) 

        >>> S.reshape(2, 4) 

        Matrix([ 

        [0, 1, 2, 3], 

        [4, 5, 6, 7]]) 

 

        """ 

        if len(self) != rows*cols: 

            raise ValueError("Invalid reshape parameters %d %d" % (rows, cols)) 

        smat = {} 

        for k, v in self._smat.items(): 

            i, j = k 

            n = i*self.cols + j 

            ii, jj = divmod(n, cols) 

            smat[(ii, jj)] = self._smat[(i, j)] 

        return self._new(rows, cols, smat) 

 

    def liupc(self): 

        """Liu's algorithm, for pre-determination of the Elimination Tree of 

        the given matrix, used in row-based symbolic Cholesky factorization. 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy.matrices import SparseMatrix 

        >>> S = SparseMatrix([ 

        ... [1, 0, 3, 2], 

        ... [0, 0, 1, 0], 

        ... [4, 0, 0, 5], 

        ... [0, 6, 7, 0]]) 

        >>> S.liupc() 

        ([[0], [], [0], [1, 2]], [4, 3, 4, 4]) 

 

        References 

        ========== 

 

        Symbolic Sparse Cholesky Factorization using Elimination Trees, 

        Jeroen Van Grondelle (1999) 

        http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/summary?doi=10.1.1.39.7582 

        """ 

        # Algorithm 2.4, p 17 of reference 

 

        # get the indices of the elements that are non-zero on or below diag 

        R = [[] for r in range(self.rows)] 

        for r, c, _ in self.row_list(): 

            if c <= r: 

                R[r].append(c) 

 

        inf = len(R)  # nothing will be this large 

        parent = [inf]*self.rows 

        virtual = [inf]*self.rows 

        for r in range(self.rows): 

            for c in R[r][:-1]: 

                while virtual[c] < r: 

                    t = virtual[c] 

                    virtual[c] = r 

                    c = t 

                if virtual[c] == inf: 

                    parent[c] = virtual[c] = r 

        return R, parent 

 

    def row_structure_symbolic_cholesky(self): 

        """Symbolic cholesky factorization, for pre-determination of the 

        non-zero structure of the Cholesky factororization. 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy.matrices import SparseMatrix 

        >>> S = SparseMatrix([ 

        ... [1, 0, 3, 2], 

        ... [0, 0, 1, 0], 

        ... [4, 0, 0, 5], 

        ... [0, 6, 7, 0]]) 

        >>> S.row_structure_symbolic_cholesky() 

        [[0], [], [0], [1, 2]] 

 

        References 

        ========== 

 

        Symbolic Sparse Cholesky Factorization using Elimination Trees, 

        Jeroen Van Grondelle (1999) 

        http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/summary?doi=10.1.1.39.7582 

        """ 

 

        R, parent = self.liupc() 

        inf = len(R)  # this acts as infinity 

        Lrow = copy.deepcopy(R) 

        for k in range(self.rows): 

            for j in R[k]: 

                while j != inf and j != k: 

                    Lrow[k].append(j) 

                    j = parent[j] 

            Lrow[k] = list(sorted(set(Lrow[k]))) 

        return Lrow 

 

    def _cholesky_sparse(self): 

        """Algorithm for numeric Cholesky factorization of a sparse matrix.""" 

        Crowstruc = self.row_structure_symbolic_cholesky() 

        C = self.zeros(self.rows) 

        for i in range(len(Crowstruc)): 

            for j in Crowstruc[i]: 

                if i != j: 

                    C[i, j] = self[i, j] 

                    summ = 0 

                    for p1 in Crowstruc[i]: 

                        if p1 < j: 

                            for p2 in Crowstruc[j]: 

                                if p2 < j: 

                                    if p1 == p2: 

                                        summ += C[i, p1]*C[j, p1] 

                                else: 

                                    break 

                            else: 

                                break 

                    C[i, j] -= summ 

                    C[i, j] /= C[j, j] 

                else: 

                    C[j, j] = self[j, j] 

                    summ = 0 

                    for k in Crowstruc[j]: 

                        if k < j: 

                            summ += C[j, k]**2 

                        else: 

                            break 

                    C[j, j] -= summ 

                    C[j, j] = sqrt(C[j, j]) 

 

        return C 

 

    def _LDL_sparse(self): 

        """Algorithm for numeric LDL factization, exploiting sparse structure. 

        """ 

        Lrowstruc = self.row_structure_symbolic_cholesky() 

        L = self.eye(self.rows) 

        D = self.zeros(self.rows, self.cols) 

 

        for i in range(len(Lrowstruc)): 

            for j in Lrowstruc[i]: 

                if i != j: 

                    L[i, j] = self[i, j] 

                    summ = 0 

                    for p1 in Lrowstruc[i]: 

                        if p1 < j: 

                            for p2 in Lrowstruc[j]: 

                                if p2 < j: 

                                    if p1 == p2: 

                                        summ += L[i, p1]*L[j, p1]*D[p1, p1] 

                                else: 

                                    break 

                        else: 

                            break 

                    L[i, j] -= summ 

                    L[i, j] /= D[j, j] 

                elif i == j: 

                    D[i, i] = self[i, i] 

                    summ = 0 

                    for k in Lrowstruc[i]: 

                        if k < i: 

                            summ += L[i, k]**2*D[k, k] 

                        else: 

                            break 

                    D[i, i] -= summ 

 

        return L, D 

 

    def _lower_triangular_solve(self, rhs): 

        """Fast algorithm for solving a lower-triangular system, 

        exploiting the sparsity of the given matrix. 

        """ 

        rows = [[] for i in range(self.rows)] 

        for i, j, v in self.row_list(): 

            if i > j: 

                rows[i].append((j, v)) 

        X = rhs.copy() 

        for i in range(self.rows): 

            for j, v in rows[i]: 

                X[i, 0] -= v*X[j, 0] 

            X[i, 0] /= self[i, i] 

        return self._new(X) 

 

    def _upper_triangular_solve(self, rhs): 

        """Fast algorithm for solving an upper-triangular system, 

        exploiting the sparsity of the given matrix. 

        """ 

        rows = [[] for i in range(self.rows)] 

        for i, j, v in self.row_list(): 

            if i < j: 

                rows[i].append((j, v)) 

        X = rhs.copy() 

        for i in range(self.rows - 1, -1, -1): 

            rows[i].reverse() 

            for j, v in rows[i]: 

                X[i, 0] -= v*X[j, 0] 

            X[i, 0] /= self[i, i] 

        return self._new(X) 

 

    def _diagonal_solve(self, rhs): 

        "Diagonal solve." 

        return self._new(self.rows, 1, lambda i, j: rhs[i, 0] / self[i, i]) 

 

    def _cholesky_solve(self, rhs): 

        # for speed reasons, this is not uncommented, but if you are 

        # having difficulties, try uncommenting to make sure that the 

        # input matrix is symmetric 

 

        #assert self.is_symmetric() 

        L = self._cholesky_sparse() 

        Y = L._lower_triangular_solve(rhs) 

        rv = L.T._upper_triangular_solve(Y) 

        return rv 

 

    def _LDL_solve(self, rhs): 

        # for speed reasons, this is not uncommented, but if you are 

        # having difficulties, try uncommenting to make sure that the 

        # input matrix is symmetric 

 

        #assert self.is_symmetric() 

        L, D = self._LDL_sparse() 

        Z = L._lower_triangular_solve(rhs) 

        Y = D._diagonal_solve(Z) 

        return L.T._upper_triangular_solve(Y) 

 

    def cholesky(self): 

        """ 

        Returns the Cholesky decomposition L of a matrix A 

        such that L * L.T = A 

 

        A must be a square, symmetric, positive-definite 

        and non-singular matrix 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy.matrices import SparseMatrix 

        >>> A = SparseMatrix(((25,15,-5),(15,18,0),(-5,0,11))) 

        >>> A.cholesky() 

        Matrix([ 

        [ 5, 0, 0], 

        [ 3, 3, 0], 

        [-1, 1, 3]]) 

        >>> A.cholesky() * A.cholesky().T == A 

        True 

        """ 

 

        from sympy.core.numbers import nan, oo 

        if not self.is_symmetric(): 

            raise ValueError('Cholesky decomposition applies only to ' 

                'symmetric matrices.') 

        M = self.as_mutable()._cholesky_sparse() 

        if M.has(nan) or M.has(oo): 

            raise ValueError('Cholesky decomposition applies only to ' 

                'positive-definite matrices') 

        return self._new(M) 

 

    def LDLdecomposition(self): 

        """ 

        Returns the LDL Decomposition (matrices ``L`` and ``D``) of matrix 

        ``A``, such that ``L * D * L.T == A``. ``A`` must be a square, 

        symmetric, positive-definite and non-singular. 

 

        This method eliminates the use of square root and ensures that all 

        the diagonal entries of L are 1. 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy.matrices import SparseMatrix 

        >>> A = SparseMatrix(((25, 15, -5), (15, 18, 0), (-5, 0, 11))) 

        >>> L, D = A.LDLdecomposition() 

        >>> L 

        Matrix([ 

        [   1,   0, 0], 

        [ 3/5,   1, 0], 

        [-1/5, 1/3, 1]]) 

        >>> D 

        Matrix([ 

        [25, 0, 0], 

        [ 0, 9, 0], 

        [ 0, 0, 9]]) 

        >>> L * D * L.T == A 

        True 

 

        """ 

        from sympy.core.numbers import nan, oo 

        if not self.is_symmetric(): 

            raise ValueError('LDL decomposition applies only to ' 

                'symmetric matrices.') 

        L, D = self.as_mutable()._LDL_sparse() 

        if L.has(nan) or L.has(oo) or D.has(nan) or D.has(oo): 

            raise ValueError('LDL decomposition applies only to ' 

                'positive-definite matrices') 

 

        return self._new(L), self._new(D) 

 

    def solve_least_squares(self, rhs, method='LDL'): 

        """Return the least-square fit to the data. 

 

        By default the cholesky_solve routine is used (method='CH'); other 

        methods of matrix inversion can be used. To find out which are 

        available, see the docstring of the .inv() method. 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy.matrices import SparseMatrix, Matrix, ones 

        >>> A = Matrix([1, 2, 3]) 

        >>> B = Matrix([2, 3, 4]) 

        >>> S = SparseMatrix(A.row_join(B)) 

        >>> S 

        Matrix([ 

        [1, 2], 

        [2, 3], 

        [3, 4]]) 

 

        If each line of S represent coefficients of Ax + By 

        and x and y are [2, 3] then S*xy is: 

 

        >>> r = S*Matrix([2, 3]); r 

        Matrix([ 

        [ 8], 

        [13], 

        [18]]) 

 

        But let's add 1 to the middle value and then solve for the 

        least-squares value of xy: 

 

        >>> xy = S.solve_least_squares(Matrix([8, 14, 18])); xy 

        Matrix([ 

        [ 5/3], 

        [10/3]]) 

 

        The error is given by S*xy - r: 

 

        >>> S*xy - r 

        Matrix([ 

        [1/3], 

        [1/3], 

        [1/3]]) 

        >>> _.norm().n(2) 

        0.58 

 

        If a different xy is used, the norm will be higher: 

 

        >>> xy += ones(2, 1)/10 

        >>> (S*xy - r).norm().n(2) 

        1.5 

 

        """ 

        t = self.T 

        return (t*self).inv(method=method)*t*rhs 

 

    def solve(self, rhs, method='LDL'): 

        """Return solution to self*soln = rhs using given inversion method. 

 

        For a list of possible inversion methods, see the .inv() docstring. 

        """ 

        if not self.is_square: 

            if self.rows < self.cols: 

                raise ValueError('Under-determined system.') 

            elif self.rows > self.cols: 

                raise ValueError('For over-determined system, M, having ' 

                    'more rows than columns, try M.solve_least_squares(rhs).') 

        else: 

            return self.inv(method=method)*rhs 

 

    def _eval_inverse(self, **kwargs): 

        """Return the matrix inverse using Cholesky or LDL (default) 

        decomposition as selected with the ``method`` keyword: 'CH' or 'LDL', 

        respectively. 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy import SparseMatrix, Matrix 

        >>> A = SparseMatrix([ 

        ... [ 2, -1,  0], 

        ... [-1,  2, -1], 

        ... [ 0,  0,  2]]) 

        >>> A.inv('CH') 

        Matrix([ 

        [2/3, 1/3, 1/6], 

        [1/3, 2/3, 1/3], 

        [  0,   0, 1/2]]) 

        >>> A.inv(method='LDL') # use of 'method=' is optional 

        Matrix([ 

        [2/3, 1/3, 1/6], 

        [1/3, 2/3, 1/3], 

        [  0,   0, 1/2]]) 

        >>> A * _ 

        Matrix([ 

        [1, 0, 0], 

        [0, 1, 0], 

        [0, 0, 1]]) 

 

        """ 

        sym = self.is_symmetric() 

        M = self.as_mutable() 

        I = M.eye(M.rows) 

        if not sym: 

            t = M.T 

            r1 = M[0, :] 

            M = t*M 

            I = t*I 

        method = kwargs.get('method', 'LDL') 

        if method in "LDL": 

            solve = M._LDL_solve 

        elif method == "CH": 

            solve = M._cholesky_solve 

        else: 

            raise NotImplementedError( 

                'Method may be "CH" or "LDL", not %s.' % method) 

        rv = M.hstack(*[solve(I[:, i]) for i in range(I.cols)]) 

        if not sym: 

            scale = (r1*rv[:, 0])[0, 0] 

            rv /= scale 

        return self._new(rv) 

 

    def __eq__(self, other): 

        try: 

            if self.shape != other.shape: 

                return False 

            if isinstance(other, SparseMatrix): 

                return self._smat == other._smat 

            elif isinstance(other, MatrixBase): 

                return self._smat == MutableSparseMatrix(other)._smat 

        except AttributeError: 

            return False 

 

    def __ne__(self, other): 

        return not self == other 

 

    def as_mutable(self): 

        """Returns a mutable version of this matrix. 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy import ImmutableMatrix 

        >>> X = ImmutableMatrix([[1, 2], [3, 4]]) 

        >>> Y = X.as_mutable() 

        >>> Y[1, 1] = 5 # Can set values in Y 

        >>> Y 

        Matrix([ 

        [1, 2], 

        [3, 5]]) 

        """ 

        return MutableSparseMatrix(self) 

 

    def as_immutable(self): 

        """Returns an Immutable version of this Matrix.""" 

        from .immutable import ImmutableSparseMatrix 

        return ImmutableSparseMatrix(self) 

 

    def nnz(self): 

        """Returns the number of non-zero elements in Matrix.""" 

        return len(self._smat) 

 

    @classmethod 

    def zeros(cls, r, c=None): 

        """Return an r x c matrix of zeros, square if c is omitted.""" 

        c = r if c is None else c 

        r = as_int(r) 

        c = as_int(c) 

        return cls(r, c, {}) 

 

    @classmethod 

    def eye(cls, n): 

        """Return an n x n identity matrix.""" 

        n = as_int(n) 

        return cls(n, n, dict([((i, i), S.One) for i in range(n)])) 

 

class MutableSparseMatrix(SparseMatrix, MatrixBase): 

    @classmethod 

    def _new(cls, *args, **kwargs): 

        return cls(*args) 

 

    def as_mutable(self): 

        return self.copy() 

 

    def __setitem__(self, key, value): 

        """Assign value to position designated by key. 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy.matrices import SparseMatrix, ones 

        >>> M = SparseMatrix(2, 2, {}) 

        >>> M[1] = 1; M 

        Matrix([ 

        [0, 1], 

        [0, 0]]) 

        >>> M[1, 1] = 2; M 

        Matrix([ 

        [0, 1], 

        [0, 2]]) 

        >>> M = SparseMatrix(2, 2, {}) 

        >>> M[:, 1] = [1, 1]; M 

        Matrix([ 

        [0, 1], 

        [0, 1]]) 

        >>> M = SparseMatrix(2, 2, {}) 

        >>> M[1, :] = [[1, 1]]; M 

        Matrix([ 

        [0, 0], 

        [1, 1]]) 

 

 

        To replace row r you assign to position r*m where m 

        is the number of columns: 

 

        >>> M = SparseMatrix(4, 4, {}) 

        >>> m = M.cols 

        >>> M[3*m] = ones(1, m)*2; M 

        Matrix([ 

        [0, 0, 0, 0], 

        [0, 0, 0, 0], 

        [0, 0, 0, 0], 

        [2, 2, 2, 2]]) 

 

        And to replace column c you can assign to position c: 

 

        >>> M[2] = ones(m, 1)*4; M 

        Matrix([ 

        [0, 0, 4, 0], 

        [0, 0, 4, 0], 

        [0, 0, 4, 0], 

        [2, 2, 4, 2]]) 

        """ 

        rv = self._setitem(key, value) 

        if rv is not None: 

            i, j, value = rv 

            if value: 

                self._smat[(i, j)] = value 

            elif (i, j) in self._smat: 

                del self._smat[(i, j)] 

 

    __hash__ = None 

 

    def row_del(self, k): 

        """Delete the given row of the matrix. 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy.matrices import SparseMatrix 

        >>> M = SparseMatrix([[0, 0], [0, 1]]) 

        >>> M 

        Matrix([ 

        [0, 0], 

        [0, 1]]) 

        >>> M.row_del(0) 

        >>> M 

        Matrix([[0, 1]]) 

 

        See Also 

        ======== 

 

        col_del 

        """ 

        newD = {} 

        k = a2idx(k, self.rows) 

        for (i, j) in self._smat: 

            if i == k: 

                pass 

            elif i > k: 

                newD[i - 1, j] = self._smat[i, j] 

            else: 

                newD[i, j] = self._smat[i, j] 

        self._smat = newD 

        self.rows -= 1 

 

    def col_del(self, k): 

        """Delete the given column of the matrix. 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy.matrices import SparseMatrix 

        >>> M = SparseMatrix([[0, 0], [0, 1]]) 

        >>> M 

        Matrix([ 

        [0, 0], 

        [0, 1]]) 

        >>> M.col_del(0) 

        >>> M 

        Matrix([ 

        [0], 

        [1]]) 

 

        See Also 

        ======== 

 

        row_del 

        """ 

        newD = {} 

        k = a2idx(k, self.cols) 

        for (i, j) in self._smat: 

            if j == k: 

                pass 

            elif j > k: 

                newD[i, j - 1] = self._smat[i, j] 

            else: 

                newD[i, j] = self._smat[i, j] 

        self._smat = newD 

        self.cols -= 1 

 

    def row_swap(self, i, j): 

        """Swap, in place, columns i and j. 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy.matrices import SparseMatrix 

        >>> S = SparseMatrix.eye(3); S[2, 1] = 2 

        >>> S.row_swap(1, 0); S 

        Matrix([ 

        [0, 1, 0], 

        [1, 0, 0], 

        [0, 2, 1]]) 

        """ 

        if i > j: 

            i, j = j, i 

        rows = self.row_list() 

        temp = [] 

        for ii, jj, v in rows: 

            if ii == i: 

                self._smat.pop((ii, jj)) 

                temp.append((jj, v)) 

            elif ii == j: 

                self._smat.pop((ii, jj)) 

                self._smat[i, jj] = v 

            elif ii > j: 

                break 

        for k, v in temp: 

            self._smat[j, k] = v 

 

    def col_swap(self, i, j): 

        """Swap, in place, columns i and j. 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy.matrices import SparseMatrix 

        >>> S = SparseMatrix.eye(3); S[2, 1] = 2 

        >>> S.col_swap(1, 0); S 

        Matrix([ 

        [0, 1, 0], 

        [1, 0, 0], 

        [2, 0, 1]]) 

        """ 

        if i > j: 

            i, j = j, i 

        rows = self.col_list() 

        temp = [] 

        for ii, jj, v in rows: 

            if jj == i: 

                self._smat.pop((ii, jj)) 

                temp.append((ii, v)) 

            elif jj == j: 

                self._smat.pop((ii, jj)) 

                self._smat[ii, i] = v 

            elif jj > j: 

                break 

        for k, v in temp: 

            self._smat[k, j] = v 

 

    def row_join(self, other): 

        """Returns B appended after A (column-wise augmenting):: 

 

            [A B] 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy import SparseMatrix, Matrix 

        >>> A = SparseMatrix(((1, 0, 1), (0, 1, 0), (1, 1, 0))) 

        >>> A 

        Matrix([ 

        [1, 0, 1], 

        [0, 1, 0], 

        [1, 1, 0]]) 

        >>> B = SparseMatrix(((1, 0, 0), (0, 1, 0), (0, 0, 1))) 

        >>> B 

        Matrix([ 

        [1, 0, 0], 

        [0, 1, 0], 

        [0, 0, 1]]) 

        >>> C = A.row_join(B); C 

        Matrix([ 

        [1, 0, 1, 1, 0, 0], 

        [0, 1, 0, 0, 1, 0], 

        [1, 1, 0, 0, 0, 1]]) 

        >>> C == A.row_join(Matrix(B)) 

        True 

 

        Joining at row ends is the same as appending columns at the end 

        of the matrix: 

 

        >>> C == A.col_insert(A.cols, B) 

        True 

        """ 

        A, B = self, other 

        if not A.rows == B.rows: 

            raise ShapeError() 

        A = A.copy() 

        if not isinstance(B, SparseMatrix): 

            k = 0 

            b = B._mat 

            for i in range(B.rows): 

                for j in range(B.cols): 

                    v = b[k] 

                    if v: 

                        A._smat[(i, j + A.cols)] = v 

                    k += 1 

        else: 

            for (i, j), v in B._smat.items(): 

                A._smat[(i, j + A.cols)] = v 

        A.cols += B.cols 

        return A 

 

    def col_join(self, other): 

        """Returns B augmented beneath A (row-wise joining):: 

 

            [A] 

            [B] 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy import SparseMatrix, Matrix, ones 

        >>> A = SparseMatrix(ones(3)) 

        >>> A 

        Matrix([ 

        [1, 1, 1], 

        [1, 1, 1], 

        [1, 1, 1]]) 

        >>> B = SparseMatrix.eye(3) 

        >>> B 

        Matrix([ 

        [1, 0, 0], 

        [0, 1, 0], 

        [0, 0, 1]]) 

        >>> C = A.col_join(B); C 

        Matrix([ 

        [1, 1, 1], 

        [1, 1, 1], 

        [1, 1, 1], 

        [1, 0, 0], 

        [0, 1, 0], 

        [0, 0, 1]]) 

        >>> C == A.col_join(Matrix(B)) 

        True 

 

        Joining along columns is the same as appending rows at the end 

        of the matrix: 

 

        >>> C == A.row_insert(A.rows, Matrix(B)) 

        True 

        """ 

        A, B = self, other 

        if not A.cols == B.cols: 

            raise ShapeError() 

        A = A.copy() 

        if not isinstance(B, SparseMatrix): 

            k = 0 

            b = B._mat 

            for i in range(B.rows): 

                for j in range(B.cols): 

                    v = b[k] 

                    if v: 

                        A._smat[(i + A.rows, j)] = v 

                    k += 1 

        else: 

            for (i, j), v in B._smat.items(): 

                A._smat[i + A.rows, j] = v 

        A.rows += B.rows 

        return A 

 

    def copyin_list(self, key, value): 

        if not is_sequence(value): 

            raise TypeError("`value` must be of type list or tuple.") 

        self.copyin_matrix(key, Matrix(value)) 

 

    def copyin_matrix(self, key, value): 

        # include this here because it's not part of BaseMatrix 

        rlo, rhi, clo, chi = self.key2bounds(key) 

        shape = value.shape 

        dr, dc = rhi - rlo, chi - clo 

        if shape != (dr, dc): 

            raise ShapeError( 

                "The Matrix `value` doesn't have the same dimensions " 

                "as the in sub-Matrix given by `key`.") 

        if not isinstance(value, SparseMatrix): 

            for i in range(value.rows): 

                for j in range(value.cols): 

                    self[i + rlo, j + clo] = value[i, j] 

        else: 

            if (rhi - rlo)*(chi - clo) < len(self): 

                for i in range(rlo, rhi): 

                    for j in range(clo, chi): 

                        self._smat.pop((i, j), None) 

            else: 

                for i, j, v in self.row_list(): 

                    if rlo <= i < rhi and clo <= j < chi: 

                        self._smat.pop((i, j), None) 

            for k, v in value._smat.items(): 

                i, j = k 

                self[i + rlo, j + clo] = value[i, j] 

 

    def zip_row_op(self, i, k, f): 

        """In-place operation on row ``i`` using two-arg functor whose args are 

        interpreted as ``(self[i, j], self[k, j])``. 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy.matrices import SparseMatrix 

        >>> M = SparseMatrix.eye(3)*2 

        >>> M[0, 1] = -1 

        >>> M.zip_row_op(1, 0, lambda v, u: v + 2*u); M 

        Matrix([ 

        [2, -1, 0], 

        [4,  0, 0], 

        [0,  0, 2]]) 

 

        See Also 

        ======== 

        row 

        row_op 

        col_op 

 

        """ 

        self.row_op(i, lambda v, j: f(v, self[k, j])) 

 

    def row_op(self, i, f): 

        """In-place operation on row ``i`` using two-arg functor whose args are 

        interpreted as ``(self[i, j], j)``. 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy.matrices import SparseMatrix 

        >>> M = SparseMatrix.eye(3)*2 

        >>> M[0, 1] = -1 

        >>> M.row_op(1, lambda v, j: v + 2*M[0, j]); M 

        Matrix([ 

        [2, -1, 0], 

        [4,  0, 0], 

        [0,  0, 2]]) 

 

        See Also 

        ======== 

        row 

        zip_row_op 

        col_op 

 

        """ 

        for j in range(self.cols): 

            v = self._smat.get((i, j), S.Zero) 

            fv = f(v, j) 

            if fv: 

                self._smat[(i, j)] = fv 

            elif v: 

                self._smat.pop((i, j)) 

 

    def col_op(self, j, f): 

        """In-place operation on col j using two-arg functor whose args are 

        interpreted as (self[i, j], i) for i in range(self.rows). 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy.matrices import SparseMatrix 

        >>> M = SparseMatrix.eye(3)*2 

        >>> M[1, 0] = -1 

        >>> M.col_op(1, lambda v, i: v + 2*M[i, 0]); M 

        Matrix([ 

        [ 2, 4, 0], 

        [-1, 0, 0], 

        [ 0, 0, 2]]) 

        """ 

        for i in range(self.rows): 

            v = self._smat.get((i, j), S.Zero) 

            fv = f(v, i) 

            if fv: 

                self._smat[(i, j)] = fv 

            elif v: 

                self._smat.pop((i, j)) 

 

    def fill(self, value): 

        """Fill self with the given value. 

 

        Notes 

        ===== 

 

        Unless many values are going to be deleted (i.e. set to zero) 

        this will create a matrix that is slower than a dense matrix in 

        operations. 

 

        Examples 

        ======== 

 

        >>> from sympy.matrices import SparseMatrix 

        >>> M = SparseMatrix.zeros(3); M 

        Matrix([ 

        [0, 0, 0], 

        [0, 0, 0], 

        [0, 0, 0]]) 

        >>> M.fill(1); M 

        Matrix([ 

        [1, 1, 1], 

        [1, 1, 1], 

        [1, 1, 1]]) 

        """ 

        if not value: 

            self._smat = {} 

        else: 

            v = self._sympify(value) 

            self._smat = dict([((i, j), v) 

                for i in range(self.rows) for j in range(self.cols)])