Merge branch 'develop' into bug/JAL-2346annotationChoice
[jalview.git] / test / jalview / math / SparseMatrixTest.java
diff --git a/test/jalview/math/SparseMatrixTest.java b/test/jalview/math/SparseMatrixTest.java
new file mode 100644 (file)
index 0000000..3c2ccaa
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,416 @@
+package jalview.math;
+
+import static org.testng.Assert.assertEquals;
+import static org.testng.Assert.assertFalse;
+import static org.testng.Assert.assertTrue;
+import static org.testng.Assert.fail;
+
+import java.util.Random;
+
+import org.testng.annotations.Test;
+import org.testng.internal.junit.ArrayAsserts;
+
+public class SparseMatrixTest
+{
+  final static double DELTA = 0.0001d;
+
+  Random r = new Random(1729);
+
+  @Test(groups = "Functional")
+  public void testConstructor()
+  {
+    MatrixI m1 = new SparseMatrix(
+            new double[][] { { 2, 0, 4 }, { 0, 6, 0 } });
+    assertEquals(m1.getValue(0, 0), 2d);
+    assertEquals(m1.getValue(0, 1), 0d);
+    assertEquals(m1.getValue(0, 2), 4d);
+    assertEquals(m1.getValue(1, 0), 0d);
+    assertEquals(m1.getValue(1, 1), 6d);
+    assertEquals(m1.getValue(1, 2), 0d);
+  }
+
+  @Test(groups = "Functional")
+  public void testTranspose()
+  {
+    MatrixI m1 = new SparseMatrix(
+            new double[][] { { 2, 0, 4 }, { 5, 6, 0 } });
+    MatrixI m2 = m1.transpose();
+    assertTrue(m2 instanceof SparseMatrix);
+    assertEquals(m2.height(), 3);
+    assertEquals(m2.width(), 2);
+    assertEquals(m2.getValue(0, 0), 2d);
+    assertEquals(m2.getValue(0, 1), 5d);
+    assertEquals(m2.getValue(1, 0), 0d);
+    assertEquals(m2.getValue(1, 1), 6d);
+    assertEquals(m2.getValue(2, 0), 4d);
+    assertEquals(m2.getValue(2, 1), 0d);
+  }
+  @Test(groups = "Functional")
+  public void testPreMultiply()
+  {
+    MatrixI m1 = new SparseMatrix(new double[][] { { 2, 3, 4 } }); // 1x3
+    MatrixI m2 = new SparseMatrix(new double[][] { { 5 }, { 6 }, { 7 } }); // 3x1
+
+    /*
+     * 1x3 times 3x1 is 1x1
+     * 2x5 + 3x6 + 4*7 =  56
+     */
+    MatrixI m3 = m2.preMultiply(m1);
+    assertFalse(m3 instanceof SparseMatrix);
+    assertEquals(m3.height(), 1);
+    assertEquals(m3.width(), 1);
+    assertEquals(m3.getValue(0, 0), 56d);
+
+    /*
+     * 3x1 times 1x3 is 3x3
+     */
+    m3 = m1.preMultiply(m2);
+    assertEquals(m3.height(), 3);
+    assertEquals(m3.width(), 3);
+    assertEquals(m3.getValue(0, 0), 10d);
+    assertEquals(m3.getValue(0, 1), 15d);
+    assertEquals(m3.getValue(0, 2), 20d);
+    assertEquals(m3.getValue(1, 0), 12d);
+    assertEquals(m3.getValue(1, 1), 18d);
+    assertEquals(m3.getValue(1, 2), 24d);
+    assertEquals(m3.getValue(2, 0), 14d);
+    assertEquals(m3.getValue(2, 1), 21d);
+    assertEquals(m3.getValue(2, 2), 28d);
+  }
+
+  @Test(
+    groups = "Functional",
+    expectedExceptions = { IllegalArgumentException.class })
+  public void testPreMultiply_tooManyColumns()
+  {
+    Matrix m1 = new SparseMatrix(
+            new double[][] { { 2, 3, 4 }, { 3, 4, 5 } }); // 2x3
+
+    /*
+     * 2x3 times 2x3 invalid operation - 
+     * multiplier has more columns than multiplicand has rows
+     */
+    m1.preMultiply(m1);
+    fail("Expected exception");
+  }
+
+  @Test(
+    groups = "Functional",
+    expectedExceptions = { IllegalArgumentException.class })
+  public void testPreMultiply_tooFewColumns()
+  {
+    Matrix m1 = new SparseMatrix(
+            new double[][] { { 2, 3, 4 }, { 3, 4, 5 } }); // 2x3
+
+    /*
+     * 3x2 times 3x2 invalid operation - 
+     * multiplier has more columns than multiplicand has row
+     */
+    m1.preMultiply(m1);
+    fail("Expected exception");
+  }
+  
+  @Test(groups = "Functional")
+  public void testPostMultiply()
+  {
+    /*
+     * Square matrices
+     * (2 3) . (10   100)
+     * (4 5)   (1000 10000)
+     * =
+     * (3020 30200)
+     * (5040 50400)
+     */
+    MatrixI m1 = new SparseMatrix(new double[][] { { 2, 3 }, { 4, 5 } });
+    MatrixI m2 = new SparseMatrix(new double[][] { { 10, 100 },
+        { 1000, 10000 } });
+    MatrixI m3 = m1.postMultiply(m2);
+    assertEquals(m3.getValue(0, 0), 3020d);
+    assertEquals(m3.getValue(0, 1), 30200d);
+    assertEquals(m3.getValue(1, 0), 5040d);
+    assertEquals(m3.getValue(1, 1), 50400d);
+
+    /*
+     * also check m2.preMultiply(m1) - should be same as m1.postMultiply(m2) 
+     */
+    MatrixI m4 = m2.preMultiply(m1);
+    assertMatricesMatch(m3, m4, 0.00001d);
+
+    /*
+     * m1 has more rows than columns
+     * (2).(10 100 1000) = (20 200 2000)
+     * (3)                 (30 300 3000)
+     */
+    m1 = new SparseMatrix(new double[][] { { 2 }, { 3 } });
+    m2 = new SparseMatrix(new double[][] { { 10, 100, 1000 } });
+    m3 = m1.postMultiply(m2);
+    assertEquals(m3.height(), 2);
+    assertEquals(m3.width(), 3);
+    assertEquals(m3.getValue(0, 0), 20d);
+    assertEquals(m3.getValue(0, 1), 200d);
+    assertEquals(m3.getValue(0, 2), 2000d);
+    assertEquals(m3.getValue(1, 0), 30d);
+    assertEquals(m3.getValue(1, 1), 300d);
+    assertEquals(m3.getValue(1, 2), 3000d);
+
+    m4 = m2.preMultiply(m1);
+    assertMatricesMatch(m3, m4, 0.00001d);
+
+    /*
+     * m1 has more columns than rows
+     * (2 3 4) . (5 4) = (56 25)
+     *           (6 3) 
+     *           (7 2)
+     * [0, 0] = 2*5 + 3*6 + 4*7 = 56
+     * [0, 1] = 2*4 + 3*3 + 4*2 = 25  
+     */
+    m1 = new SparseMatrix(new double[][] { { 2, 3, 4 } });
+    m2 = new SparseMatrix(new double[][] { { 5, 4 }, { 6, 3 }, { 7, 2 } });
+    m3 = m1.postMultiply(m2);
+    assertEquals(m3.height(), 1);
+    assertEquals(m3.width(), 2);
+    assertEquals(m3.getValue(0, 0), 56d);
+    assertEquals(m3.getValue(0, 1), 25d);
+
+    /*
+     * and check premultiply equivalent
+     */
+    m4 = m2.preMultiply(m1);
+    assertMatricesMatch(m3, m4, 0.00001d);
+  }
+
+  @Test(groups = "Timing")
+  public void testSign()
+  {
+    assertEquals(Matrix.sign(-1, -2), -1d);
+    assertEquals(Matrix.sign(-1, 2), 1d);
+    assertEquals(Matrix.sign(-1, 0), 1d);
+    assertEquals(Matrix.sign(1, -2), -1d);
+    assertEquals(Matrix.sign(1, 2), 1d);
+    assertEquals(Matrix.sign(1, 0), 1d);
+  }
+
+  /**
+   * Verify that the results of method tred() are the same for SparseMatrix as
+   * they are for Matrix (i.e. a regression test rather than an absolute test of
+   * correctness of results)
+   */
+  @Test(groups = "Functional")
+  public void testTred_matchesMatrix()
+  {
+    /*
+     * make a pseudo-random symmetric matrix as required for tred/tqli
+     */
+    int rows = 10;
+    int cols = rows;
+    double[][] d = getSparseValues(rows, cols, 3);
+
+    /*
+     * make a copy of the values so m1, m2 are not
+     * sharing arrays!
+     */
+    double[][] d1 = new double[rows][cols];
+    for (int row = 0; row < rows; row++)
+    {
+      for (int col = 0; col < cols; col++)
+      {
+        d1[row][col] = d[row][col];
+      }
+    }
+    Matrix m1 = new Matrix(d);
+    Matrix m2 = new SparseMatrix(d1);
+    assertMatricesMatch(m1, m2, 0.00001d); // sanity check
+    m1.tred();
+    m2.tred();
+    assertMatricesMatch(m1, m2, 0.00001d);
+  }
+
+  private void assertMatricesMatch(MatrixI m1, MatrixI m2, double delta)
+  {
+    if (m1.height() != m2.height())
+    {
+      fail("height mismatch");
+    }
+    if (m1.width() != m2.width())
+    {
+      fail("width mismatch");
+    }
+    for (int row = 0; row < m1.height(); row++)
+    {
+      for (int col = 0; col < m1.width(); col++)
+      {
+        double v2 = m2.getValue(row, col);
+        double v1 = m1.getValue(row, col);
+        if (Math.abs(v1 - v2) > DELTA)
+        {
+          fail(String.format("At [%d, %d] %f != %f", row, col, v1, v2));
+        }
+      }
+    }
+    ArrayAsserts.assertArrayEquals(m1.getD(), m2.getD(), delta);
+    ArrayAsserts.assertArrayEquals(m1.getE(), m2.getE(), 0.00001d);
+  }
+
+  @Test
+  public void testGetValue()
+  {
+    double[][] d = new double[][] { { 0, 0, 1, 0, 0 }, { 2, 3, 0, 0, 0 },
+        { 4, 0, 0, 0, 5 } };
+    MatrixI m = new SparseMatrix(d);
+    for (int row = 0; row < 3; row++)
+    {
+      for (int col = 0; col < 5; col++)
+      {
+        assertEquals(m.getValue(row, col), d[row][col],
+                String.format("At [%d, %d]", row, col));
+      }
+    }
+  }
+
+  /**
+   * Verify that the results of method tqli() are the same for SparseMatrix as
+   * they are for Matrix (i.e. a regression test rather than an absolute test of
+   * correctness of results)
+   * 
+   * @throws Exception
+   */
+  @Test(groups = "Functional")
+  public void testTqli_matchesMatrix() throws Exception
+  {
+    /*
+     * make a pseudo-random symmetric matrix as required for tred
+     */
+    int rows = 6;
+    int cols = rows;
+    double[][] d = getSparseValues(rows, cols, 3);
+  
+    /*
+     * make a copy of the values so m1, m2 are not
+     * sharing arrays!
+     */
+    double[][] d1 = new double[rows][cols];
+    for (int row = 0; row < rows; row++)
+    {
+      for (int col = 0; col < cols; col++)
+      {
+        d1[row][col] = d[row][col];
+      }
+    }
+    Matrix m1 = new Matrix(d);
+    Matrix m2 = new SparseMatrix(d1);
+
+    // have to do tred() before doing tqli()
+    m1.tred();
+    m2.tred();
+    assertMatricesMatch(m1, m2, 0.00001d);
+
+    m1.tqli();
+    m2.tqli();
+    assertMatricesMatch(m1, m2, 0.00001d);
+  }
+
+  /**
+   * Helper method to make values for a sparse, pseudo-random symmetric matrix
+   * 
+   * @param rows
+   * @param cols
+   * @param occupancy
+   *          one in 'occupancy' entries will be non-zero
+   * @return
+   */
+  public double[][] getSparseValues(int rows, int cols, int occupancy)
+  {
+    /*
+     * generate whole number values between -12 and +12
+     * (to mimic score matrices used in Jalview)
+     */
+    double[][] d = new double[rows][cols];
+    int m = 0;
+    for (int i = 0; i < rows; i++)
+    {
+      if (++m % occupancy == 0)
+      {
+        d[i][i] = r.nextInt() % 13; // diagonal
+      }
+      for (int j = 0; j < i; j++)
+      {
+        if (++m % occupancy == 0)
+        {
+          d[i][j] = r.nextInt() % 13;
+          d[j][i] = d[i][j];
+        }
+      }
+    }
+    return d;
+
+  }
+
+  /**
+   * Test that verifies that the result of preMultiply is a SparseMatrix if more
+   * than 80% zeroes, else a Matrix
+   */
+  @Test(groups = "Functional")
+  public void testPreMultiply_sparseProduct()
+  {
+    MatrixI m1 = new SparseMatrix(new double[][] { { 1 }, { 0 }, { 0 },
+        { 0 }, { 0 } }); // 5x1
+    MatrixI m2 = new SparseMatrix(new double[][] { { 1, 1, 1, 1 } }); // 1x4
+  
+    /*
+     * m1.m2 makes a row of 4 1's, and 4 rows of zeros
+     * 20% non-zero so not 'sparse'
+     */
+    MatrixI m3 = m2.preMultiply(m1);
+    assertFalse(m3 instanceof SparseMatrix);
+
+    /*
+     * replace a 1 with a 0 in the product:
+     * it is now > 80% zero so 'sparse'
+     */
+    m2 = new SparseMatrix(new double[][] { { 1, 1, 1, 0 } });
+    m3 = m2.preMultiply(m1);
+    assertTrue(m3 instanceof SparseMatrix);
+  }
+
+  @Test(groups = "Functional")
+  public void testFillRatio()
+  {
+    SparseMatrix m1 = new SparseMatrix(new double[][] { { 2, 0, 4, 1, 0 },
+    { 0, 6, 0, 0, 0 } });
+    assertEquals(m1.getFillRatio(), 0.4f);
+  }
+
+  /**
+   * Verify that the results of method tred() are the same if the calculation is
+   * redone
+   */
+  @Test(groups = "Functional")
+  public void testTred_reproducible()
+  {
+    /*
+     * make a pseudo-random symmetric matrix as required for tred/tqli
+     */
+    int rows = 10;
+    int cols = rows;
+    double[][] d = getSparseValues(rows, cols, 3);
+  
+    /*
+     * make a copy of the values so m1, m2 are not
+     * sharing arrays!
+     */
+    double[][] d1 = new double[rows][cols];
+    for (int row = 0; row < rows; row++)
+    {
+      for (int col = 0; col < cols; col++)
+      {
+        d1[row][col] = d[row][col];
+      }
+    }
+    Matrix m1 = new SparseMatrix(d);
+    Matrix m2 = new SparseMatrix(d1);
+    assertMatricesMatch(m1, m2, 1.0e16); // sanity check
+    m1.tred();
+    m2.tred();
+    assertMatricesMatch(m1, m2, 0.00001d);
+  }
+}
\ No newline at end of file