add buchberger algorithm
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@@ -0,0 +1,74 @@
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use super::flat::Poly;
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use super::var::Var;
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/// Computes a Gröbner basis for the ideal generated by `generators` using
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/// Buchberger's algorithm under lex order.
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///
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/// The returned basis spans the same ideal as the input and satisfies
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/// Buchberger's criterion: every S-polynomial of a pair in the basis
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/// reduces to zero modulo the basis.
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pub fn groebner_basis<V: Var>(generators: Vec<Poly<V>>) -> Vec<Poly<V>> {
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let mut g: Vec<Poly<V>> = generators.into_iter().filter(|p| !p.is_zero()).collect();
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let mut i = 0;
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while i < g.len() {
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let mut j = i + 1;
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while j < g.len() {
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let s = g[i].s_poly(&g[j]);
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let r = reduce(&s, &g);
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if !r.is_zero() {
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g.push(r);
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}
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j += 1;
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}
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i += 1;
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}
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g
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}
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/// Checks whether `basis` satisfies Buchberger's criterion under lex order:
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/// the S-polynomial of every pair reduces to zero modulo the basis.
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///
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/// Returns `true` iff `basis` is a Gröbner basis for the ideal it generates.
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pub fn is_groebner_basis<V: Var>(basis: &[Poly<V>]) -> bool {
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for i in 0..basis.len() {
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for j in (i + 1)..basis.len() {
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let s = basis[i].s_poly(&basis[j]);
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if !reduce(&s, basis).is_zero() {
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return false;
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}
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}
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}
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true
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}
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/// Reduces `f` modulo `basis` until no leading term of `f` is divisible
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/// by the leading monomial of any element in `basis`.
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///
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/// Uses the pseudo-division remainder and repeats until stable.
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fn reduce<V: Var>(f: &Poly<V>, basis: &[Poly<V>]) -> Poly<V> {
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let mut p = f.clone();
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'outer: loop {
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let Some((lm_p, _)) = p.leading_term_lex() else {
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break;
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};
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for g in basis {
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let Some((lm_g, _)) = g.leading_term_lex() else {
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continue;
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};
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if lm_p.contains(&lm_g) {
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let (_, _, r) = p.clone().div_rem(g);
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p = r;
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continue 'outer;
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}
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|
}
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break;
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||||||
|
}
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||||||
|
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|
p
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|
}
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@@ -11,10 +11,18 @@ pub fn lex_cmp<V: Var>(a: &Mono<V>, b: &Mono<V>) -> Ordering {
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match (a_it.peek(), b_it.peek()) {
|
match (a_it.peek(), b_it.peek()) {
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||||||
(None, None) => return Ordering::Equal,
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(None, None) => return Ordering::Equal,
|
||||||
(Some((_, a_exp)), None) => {
|
(Some((_, a_exp)), None) => {
|
||||||
return if *a_exp > 0 { Ordering::Greater } else { Ordering::Equal };
|
return if *a_exp > 0 {
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||||||
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Ordering::Greater
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||||||
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} else {
|
||||||
|
Ordering::Equal
|
||||||
|
};
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||||||
}
|
}
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(None, Some((_, b_exp))) => {
|
(None, Some((_, b_exp))) => {
|
||||||
return if *b_exp > 0 { Ordering::Less } else { Ordering::Equal };
|
return if *b_exp > 0 {
|
||||||
|
Ordering::Less
|
||||||
|
} else {
|
||||||
|
Ordering::Equal
|
||||||
|
};
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||||||
}
|
}
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(Some((a_var, a_exp)), Some((b_var, b_exp))) => {
|
(Some((a_var, a_exp)), Some((b_var, b_exp))) => {
|
||||||
if a_var < b_var {
|
if a_var < b_var {
|
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@@ -1,3 +1,4 @@
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pub mod buchberger;
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pub mod flat;
|
pub mod flat;
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||||||
pub mod fmt;
|
pub mod fmt;
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||||||
pub mod ops;
|
pub mod ops;
|
||||||
|
|||||||
@@ -168,9 +168,7 @@ impl<V: Var> Poly<V> {
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|||||||
///
|
///
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||||||
/// Panics if `divisor` is zero.
|
/// Panics if `divisor` is zero.
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||||||
pub fn div_rem(self, divisor: &Poly<V>) -> (u32, Poly<V>, Poly<V>) {
|
pub fn div_rem(self, divisor: &Poly<V>) -> (u32, Poly<V>, Poly<V>) {
|
||||||
let (lt_g_mono, lt_g_coeff) = divisor
|
let (lt_g_mono, lt_g_coeff) = divisor.leading_term_lex().expect("divisor must be nonzero");
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.leading_term_lex()
|
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.expect("divisor must be nonzero");
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let mut p = self;
|
let mut p = self;
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let mut q = Poly::default();
|
let mut q = Poly::default();
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@@ -1,4 +1,5 @@
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use super::flat::{lex_cmp, Mono, Poly};
|
use super::buchberger::{groebner_basis, is_groebner_basis};
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use super::flat::{Mono, Poly, lex_cmp};
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||||||
use super::var::StaticVar;
|
use super::var::StaticVar;
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||||||
#[test]
|
#[test]
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@@ -175,15 +176,21 @@ fn test_s_poly() {
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|||||||
let f: Poly<StaticVar> = [
|
let f: Poly<StaticVar> = [
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||||||
(1i32, Mono::from([("x", 2u32)])),
|
(1i32, Mono::from([("x", 2u32)])),
|
||||||
(1i32, Mono::from([("y", 1u32)])),
|
(1i32, Mono::from([("y", 1u32)])),
|
||||||
].into_iter().collect();
|
]
|
||||||
|
.into_iter()
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||||||
|
.collect();
|
||||||
let g: Poly<StaticVar> = [
|
let g: Poly<StaticVar> = [
|
||||||
(1i32, Mono::from([("x", 1u32), ("y", 1u32)])),
|
(1i32, Mono::from([("x", 1u32), ("y", 1u32)])),
|
||||||
(1i32, Mono::from([("z", 1u32)])),
|
(1i32, Mono::from([("z", 1u32)])),
|
||||||
].into_iter().collect();
|
]
|
||||||
|
.into_iter()
|
||||||
|
.collect();
|
||||||
let expected: Poly<StaticVar> = [
|
let expected: Poly<StaticVar> = [
|
||||||
(1i32, Mono::from([("y", 2u32)])),
|
(1i32, Mono::from([("y", 2u32)])),
|
||||||
(-1i32, Mono::from([("x", 1u32), ("z", 1u32)])),
|
(-1i32, Mono::from([("x", 1u32), ("z", 1u32)])),
|
||||||
].into_iter().collect();
|
]
|
||||||
|
.into_iter()
|
||||||
|
.collect();
|
||||||
assert_eq!(f.s_poly(&g), expected);
|
assert_eq!(f.s_poly(&g), expected);
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||||||
|
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||||||
// f = 2x + y, g = 3x + z (same LM=x, d=gcd(2,3)=1)
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// f = 2x + y, g = 3x + z (same LM=x, d=gcd(2,3)=1)
|
||||||
@@ -201,10 +208,18 @@ fn test_s_poly() {
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|||||||
}
|
}
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fn make_const_poly(c: i32) -> Poly<StaticVar> {
|
fn make_const_poly(c: i32) -> Poly<StaticVar> {
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||||||
Poly { mono: [(Mono { term: vec![] }, c)].into_iter().collect() }
|
Poly {
|
||||||
|
mono: [(Mono { term: vec![] }, c)].into_iter().collect(),
|
||||||
|
}
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||||||
}
|
}
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||||||
|
|
||||||
fn verify_div_rem(f: Poly<StaticVar>, g: &Poly<StaticVar>, d: u32, q: Poly<StaticVar>, r: Poly<StaticVar>) {
|
fn verify_div_rem(
|
||||||
|
f: Poly<StaticVar>,
|
||||||
|
g: &Poly<StaticVar>,
|
||||||
|
d: u32,
|
||||||
|
q: Poly<StaticVar>,
|
||||||
|
r: Poly<StaticVar>,
|
||||||
|
) {
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||||||
// lc(g)^d * f == q * g + r
|
// lc(g)^d * f == q * g + r
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||||||
let (_, lc_g) = g.leading_term_lex().unwrap();
|
let (_, lc_g) = g.leading_term_lex().unwrap();
|
||||||
let lhs = lc_g.pow(d) * f;
|
let lhs = lc_g.pow(d) * f;
|
||||||
@@ -228,7 +243,9 @@ fn test_div_rem() {
|
|||||||
let f: Poly<StaticVar> = [
|
let f: Poly<StaticVar> = [
|
||||||
(1i32, Mono::from([("x", 3u32)])),
|
(1i32, Mono::from([("x", 3u32)])),
|
||||||
(1i32, Mono::from([("x", 2u32), ("y", 1u32)])),
|
(1i32, Mono::from([("x", 2u32), ("y", 1u32)])),
|
||||||
].into_iter().collect();
|
]
|
||||||
|
.into_iter()
|
||||||
|
.collect();
|
||||||
let g: Poly<StaticVar> = [(1, [("x", 2)])].into();
|
let g: Poly<StaticVar> = [(1, [("x", 2)])].into();
|
||||||
let expected_q: Poly<StaticVar> = [(1, [("x", 1)]), (1, [("y", 1)])].into();
|
let expected_q: Poly<StaticVar> = [(1, [("x", 1)]), (1, [("y", 1)])].into();
|
||||||
let (d, q, r) = f.clone().div_rem(&g);
|
let (d, q, r) = f.clone().div_rem(&g);
|
||||||
@@ -273,7 +290,9 @@ fn test_div_rem() {
|
|||||||
let f: Poly<StaticVar> = [
|
let f: Poly<StaticVar> = [
|
||||||
(1i32, Mono::from([("x", 2u32)])),
|
(1i32, Mono::from([("x", 2u32)])),
|
||||||
(1i32, Mono::from([("x", 1u32), ("y", 1u32)])),
|
(1i32, Mono::from([("x", 1u32), ("y", 1u32)])),
|
||||||
].into_iter().collect();
|
]
|
||||||
|
.into_iter()
|
||||||
|
.collect();
|
||||||
let g: Poly<StaticVar> = [(1, [("x", 1)]), (1, [("y", 1)])].into();
|
let g: Poly<StaticVar> = [(1, [("x", 1)]), (1, [("y", 1)])].into();
|
||||||
let expected_q: Poly<StaticVar> = [(1, [("x", 1)])].into();
|
let expected_q: Poly<StaticVar> = [(1, [("x", 1)])].into();
|
||||||
let (d, q, r) = f.clone().div_rem(&g);
|
let (d, q, r) = f.clone().div_rem(&g);
|
||||||
@@ -281,3 +300,80 @@ fn test_div_rem() {
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|||||||
assert!(r.is_zero());
|
assert!(r.is_zero());
|
||||||
verify_div_rem(f, &g, d, q, r);
|
verify_div_rem(f, &g, d, q, r);
|
||||||
}
|
}
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||||||
|
|
||||||
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#[test]
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fn test_groebner() {
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|
// Ideal (x²) — already a Gröbner basis
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let f: Poly<StaticVar> = [(1, [("x", 2)])].into();
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||||||
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let _basis = groebner_basis(vec![f]);
|
||||||
|
|
||||||
|
// Ideal (x³ - x², x² - x): gcd is x² - x
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let f: Poly<StaticVar> = [
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||||||
|
(1i32, Mono::from([("x", 3u32)])),
|
||||||
|
(-1i32, Mono::from([("x", 2u32)])),
|
||||||
|
]
|
||||||
|
.into_iter()
|
||||||
|
.collect();
|
||||||
|
let g: Poly<StaticVar> = [
|
||||||
|
(1i32, Mono::from([("x", 2u32)])),
|
||||||
|
(-1i32, Mono::from([("x", 1u32)])),
|
||||||
|
]
|
||||||
|
.into_iter()
|
||||||
|
.collect();
|
||||||
|
let basis = groebner_basis(vec![f, g]);
|
||||||
|
assert!(is_groebner_basis(&basis));
|
||||||
|
|
||||||
|
// Classic example: I = (x²y - x, xy² - y)
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|
let f: Poly<StaticVar> = [
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||||||
|
(1i32, Mono::from([("x", 2u32), ("y", 1u32)])),
|
||||||
|
(-1i32, Mono::from([("x", 1u32)])),
|
||||||
|
]
|
||||||
|
.into_iter()
|
||||||
|
.collect();
|
||||||
|
let g: Poly<StaticVar> = [
|
||||||
|
(1i32, Mono::from([("x", 1u32), ("y", 2u32)])),
|
||||||
|
(-1i32, Mono::from([("y", 1u32)])),
|
||||||
|
]
|
||||||
|
.into_iter()
|
||||||
|
.collect();
|
||||||
|
let basis = groebner_basis(vec![f, g]);
|
||||||
|
assert!(is_groebner_basis(&basis));
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
#[test]
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fn test_is_groebner_basis() {
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||||||
|
// {x} is a GB: only one element, no pairs to check.
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||||||
|
let f: Poly<StaticVar> = [(1, [("x", 1)])].into();
|
||||||
|
assert!(is_groebner_basis(&[f]));
|
||||||
|
|
||||||
|
// {x, y} is a GB: S(x, y) = y*x - x*y = 0.
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||||||
|
let x: Poly<StaticVar> = [(1, [("x", 1)])].into();
|
||||||
|
let y: Poly<StaticVar> = [(1, [("y", 1)])].into();
|
||||||
|
assert!(is_groebner_basis(&[x, y]));
|
||||||
|
|
||||||
|
// {x² + y, xy} is NOT a GB:
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||||||
|
// S(x²+y, xy) = y*(x²+y) - x*(xy) = y² ≠ 0 mod the set.
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||||||
|
let f: Poly<StaticVar> = [
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||||||
|
(1i32, Mono::from([("x", 2u32)])),
|
||||||
|
(1i32, Mono::from([("y", 1u32)])),
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||||||
|
]
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||||||
|
.into_iter()
|
||||||
|
.collect();
|
||||||
|
let g: Poly<StaticVar> = [(1i32, Mono::from([("x", 1u32), ("y", 1u32)]))]
|
||||||
|
.into_iter()
|
||||||
|
.collect();
|
||||||
|
assert!(!is_groebner_basis(&[f, g]));
|
||||||
|
|
||||||
|
// After running groebner_basis, the result must always pass.
|
||||||
|
let f: Poly<StaticVar> = [
|
||||||
|
(1i32, Mono::from([("x", 2u32)])),
|
||||||
|
(1i32, Mono::from([("y", 1u32)])),
|
||||||
|
]
|
||||||
|
.into_iter()
|
||||||
|
.collect();
|
||||||
|
let g: Poly<StaticVar> = [(1i32, Mono::from([("x", 1u32), ("y", 1u32)]))]
|
||||||
|
.into_iter()
|
||||||
|
.collect();
|
||||||
|
let basis = groebner_basis(vec![f, g]);
|
||||||
|
assert!(is_groebner_basis(&basis));
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|||||||
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