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matrixmania/compute.py
T

115 lines
3.8 KiB
Python

"""Matrixberechnungen."""
from math import cos, isclose, radians, sin
from tabulate import tabulate
Matrix = list[list[int | float]]
def validate_matrix(matrix: Matrix, name: str = "matrix") -> tuple[int, int]:
"""Prüfe eine Matrix und liefere ihre Zeilen- und Spaltenzahl.
Raises:
TypeError: Bei falschen Containertypen oder Einträgen, die keine
int- oder float-Werte sind, einschließlich bool.
ValueError: Bei leeren Matrizen, leeren Zeilen oder
unterschiedlich langen Zeilen.
"""
if not isinstance(matrix, list):
raise TypeError(f"{name} muss eine Liste von Listen sein.")
if not matrix:
raise ValueError(f"{name} darf nicht leer sein.")
if any(not isinstance(row, list) for row in matrix):
raise TypeError(f"Jede Zeile von {name} muss eine Liste sein.")
columns = len(matrix[0])
if columns == 0:
raise ValueError(f"{name} darf keine leeren Zeilen enthalten.")
if any(len(row) != columns for row in matrix):
raise ValueError(f"{name} muss rechteckig sein.")
if any(
isinstance(value, bool) or not isinstance(value, (int, float))
for row in matrix
for value in row
):
raise TypeError(
f"Alle Einträge von {name} müssen int oder float sein, ohne bool."
)
return len(matrix), columns
def matmul(left: Matrix, right: Matrix) -> Matrix:
"""Multipliziere zwei Matrizen mit passenden Dimensionen."""
_, left_columns = validate_matrix(left, "left")
right_rows, right_columns = validate_matrix(right, "right")
if left_columns != right_rows:
raise ValueError(
"Die Spaltenzahl von left muss der Zeilenzahl von right entsprechen "
f"({left_columns} != {right_rows})."
)
return [
[
sum(left_row[index] * right[index][column] for index in range(left_columns))
for column in range(right_columns)
]
for left_row in left
]
def transpose(matrix: Matrix) -> Matrix:
"""Vertausche die Zeilen und Spalten einer Matrix."""
_, column_count = validate_matrix(matrix)
return [[row[column] for row in matrix] for column in range(column_count)]
def rot_2D(angle: float) -> Matrix:
"""Erzeuge eine zweidimensionale Rotationsmatrix zum Winkel im Bogenmaß."""
return [
[cos(angle), -sin(angle)],
[sin(angle), cos(angle)],
]
if __name__ == "__main__":
print("Rotationsmatrix für 1 Radiant:")
print(tabulate(rot_2D(1.0)))
integer_product = matmul([[1, 2], [3, 4]], [[5, 6], [7, 8]])
assert integer_product == [[19, 22], [43, 50]]
print("Beispiel 1:", integer_product)
rectangular_product = matmul(
[[1, 2, 3], [4, 5, 6]],
[[7, 8], [9, 10], [11, 12]],
)
assert rectangular_product == [[58, 64], [139, 154]]
print("Beispiel 2:", rectangular_product)
float_product = matmul([[0.5, 1.5]], [[2.0], [4.0]])
assert float_product == [[7.0]]
print("Beispiel 3:", float_product)
transposed_matrix = transpose([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
assert transposed_matrix == [[1, 4], [2, 5], [3, 6]]
print("Transponiert:", transposed_matrix)
rotated_point = matmul(rot_2D(radians(90)), [[1], [0]])
assert isclose(rotated_point[0][0], 0, abs_tol=1e-9)
assert isclose(rotated_point[1][0], 1, abs_tol=1e-9)
print("Rotation um 90°:", rotated_point)
clockwise_point = matmul(rot_2D(radians(-90)), [[0], [1]])
assert isclose(clockwise_point[0][0], 1, abs_tol=1e-9)
assert isclose(clockwise_point[1][0], 0, abs_tol=1e-9)
print("Rotation um -90°:", clockwise_point)
try:
matmul([[1, 2]], [[3, 4]])
except ValueError:
print("Nicht passende Dimensionen: ValueError wie erwartet.")
else:
raise AssertionError("Bei nicht passenden Dimensionen fehlt der ValueError.")