add salign to lecture.cls, fix typo in num3

lecture.cls

@@ -24,6 +24,7 @@
 \RequirePackage{totcount}
 \RequirePackage{calc}
 \RequirePackage{wasysym}
+\RequirePackage{environ}
 
 \usetikzlibrary{quotes, angles}
 
@@ -149,3 +150,73 @@
 
 % contradiction
 \newcommand{\contr}{\text{\Large\lightning}}
+
+\ExplSyntaxOn
+
+% S-tackrelcompatible ALIGN environment
+% some might also call it the S-uper ALIGN environment
+% uses regular expressions to calculate the widest stackrel
+% to put additional padding on both sides of relation symbols
+\NewEnviron{salign}
+{
+    \begin{align}
+        \lec_insert_padding:V \BODY
+    \end{align}
+}
+% starred version that does no equation numbering
+\NewEnviron{salign*}
+{
+    \begin{align*}
+        \lec_insert_padding:V \BODY
+    \end{align*}
+}
+
+% some helper variables
+\tl_new:N \l__lec_text_tl
+\seq_new:N \l_lec_stackrels_seq
+\int_new:N \l_stackrel_count_int
+\int_new:N \l_idx_int
+\box_new:N \l_tmp_box
+\dim_new:N \l_tmp_dim_a
+\dim_new:N \l_tmp_dim_b
+\dim_new:N \l_tmp_dim_needed
+
+% function to insert padding according to widest stackrel
+\cs_new_protected:Nn \lec_insert_padding:n
+ {
+  \tl_set:Nn \l__lec_text_tl { #1 }
+  % get all stackrels in this align environment
+  \regex_extract_all:nnN { \c{stackrel}{(.*?)}{(.*?)} } { #1 } \l_lec_stackrels_seq
+  % get number of stackrels
+  \int_set:Nn \l_stackrel_count_int { \seq_count:N \l_lec_stackrels_seq }
+  \int_set:Nn \l_idx_int { 1 }
+  \dim_set:Nn \l_tmp_dim_needed { 0pt }
+  % iterate over stackrels
+  \int_while_do:nn { \l_idx_int <= \l_stackrel_count_int }
+  {
+      % calculate width of text
+      \hbox_set:Nn \l_tmp_box {$\seq_item:Nn \l_lec_stackrels_seq { \l_idx_int + 1 }$}
+      \dim_set:Nn \l_tmp_dim_a {\box_wd:N \l_tmp_box}
+      % calculate width of relation symbol
+      \hbox_set:Nn \l_tmp_box {$\seq_item:Nn \l_lec_stackrels_seq { \l_idx_int + 2 }$}
+      \dim_set:Nn \l_tmp_dim_b {\box_wd:N \l_tmp_box}
+      % check if 0.5*(a-b) > minimum padding, if yes updated minimum padding
+      \dim_compare:nNnTF
+        { 1pt * \dim_ratio:nn { \l_tmp_dim_a - \l_tmp_dim_b } { 2pt } } > { \l_tmp_dim_needed }
+        { \dim_set:Nn \l_tmp_dim_needed { 1pt * \dim_ratio:nn { \l_tmp_dim_a - \l_tmp_dim_b } { 2pt } } }
+        { }
+      \quad
+      % increment list index by three, as every stackrel produces three list entries
+      \int_incr:N \l_idx_int
+      \int_incr:N \l_idx_int
+      \int_incr:N \l_idx_int
+  }
+  % replace all relations with align characters (&) and add the needed padding
+  \regex_replace_all:nnN
+      { (\c{approx}&|&\c{approx}|\c{equiv}&|&\c{equiv}|=&|&=|\c{le}&|&\c{le}|\c{ge}&|&\c{ge}|&\c{stackrel}{.*?}{.*?}|\c{stackrel}{.*?}{.*?}&|&\c{neq}|\c{neq}&) }
+      { \c{kern} \u{l_tmp_dim_needed} \1 \c{kern} \u{l_tmp_dim_needed} }
+      \l__lec_text_tl
+  \l__lec_text_tl
+ }
+\cs_generate_variant:Nn \lec_insert_padding:n { V }
+\ExplSyntaxOff

sose2020/num/uebungen/num3.tex

@@ -125,8 +125,8 @@
 
 \begin{aufgabe}
     \begin{enumerate}[a)]
-        \item Die Matrix ist eine $N-1\times N-1$ Matrix, da eine Gleichung für jeden Knoten
-            bis auf den Referenzknoten existiert.
+        \item Die Matrix ist eine $N^2-1 \times N^2-1$ Matrix, da eine Gleichung für jeden der $N^2$
+            Knoten, bis auf den Referenzknoten existiert.
         \item Jeder Knoten hat entweder 2 (Ecken), 3 (Außenkanten) oder 4 (im Inneren) ein oder
             ausgehende Kanten. Die mit der Pumpe verbundenen Knoten, haben jeweils eine Kante mehr.
             Die zugehörigen Zeilen haben damit immer $1$ $+$ Anzahl der verbundenen Kanten Einträge ungleich

sose2020/num/uebungen/rohrleitungsnetzwerk.cc

@@ -0,0 +1,142 @@
+// Kompilieren mit:
+//
+// g++ -I../hdnum/ -o rohrleitungsnetzwerk rohrleitungsnetzwerk.cc
+//
+// Das setzt voraus, dass ihr Programm in einem Ordner parallel zur
+// entpackten HDNum Bibliothek liegt.
+
+#include <iostream>
+#include <cstdlib>
+#include "hdnum.hh"
+
+
+// Funktion zum Aufstellen der Matrix
+template<class NumberType>
+void flussMatrix( hdnum::DenseMatrix<NumberType> &A ) {
+    int M( A.rowsize() );
+    int N( A.colsize() );
+    if(M!=N)
+        HDNUM_ERROR("Matrix muss quadratisch sein!");
+
+    // Numerierung wie auf Zettel 3 nur mit 0 beginnend
+    // also v_0, ... ,v_(N^2-1)
+    // der Referenzknoten v_r hat Druck 0
+
+    // berechnung der kantenlaenge
+    int n = floor(sqrt(N+1));
+
+    for(int i = 0; i < N; i++) {
+        int edges = 0;
+        if ((i+1)%n != 0) { // nicht linker rand
+            edges++;
+            if (i-1 >= 0) A(i, i-1) = -1; // falls nicht der referenzknoten
+        }
+        if ((i+2)%n != 0) { // nicht rechter rand
+            edges++;
+            A(i, i+1) = -1;
+        }
+        if (i+n < N) { // nicht unterer rand
+            edges++;
+            A(i, i+n) = -1;
+        }
+        if (i-n >= -1) { // nicht oberer rand
+            edges++;
+            if (i-n >= 0) A(i, i-n) = -1; // falls nicht der referenzknoten
+        }
+        A(i, i) = edges;
+    }
+}
+
+
+// Funktion zur Berechnung der Frobenius-Norm einer Matrix
+template<class NumberType>
+NumberType frobeniusNorm(const hdnum::DenseMatrix<NumberType> &A) {
+    // Error checking
+    int M(A.rowsize());
+    int N(A.colsize());
+    if(M!=N)
+        HDNUM_ERROR("Matrix muss quadratisch sein!");
+
+    NumberType result=0.0;
+
+    // iteriere ueber alle zeilen und spalten, quadriere die elemente und summiere
+    for (int i=0; i < N; i++) {
+        for (int j=0; j < N; j++) {
+            result += pow(A(i,j), 2);
+        }
+    }
+
+    // ziehe wurzel aus summe
+    return sqrt(result);
+}
+
+
+// Funktion zur Berechnung des betragsgrößten Eigenwertes mit Potenzmethode
+template<class NumberType>
+NumberType maxEigenwert(const hdnum::DenseMatrix<NumberType> &A) {
+    // Error checking
+    int M(A.rowsize());
+    int N(A.colsize());
+    if(M!=N)
+        HDNUM_ERROR("Matrix muss quadratisch sein!");
+
+    // start vektor
+    hdnum::Vector<NumberType> r(N);
+    r[0] = 1;
+    // work copy
+    hdnum::Vector<NumberType> r_tmp(N);
+    hdnum::Vector<NumberType> diff(N);
+    // fuehre iterationsschritt 10000 mal aus
+    for (int k=0; k<10000; k++) {
+        A.mv(r_tmp, r); // r_tmp = Ar
+        r_tmp /= r_tmp.two_norm(); // normiere r_tmp
+        r = r_tmp;
+    }
+    A.mv(r_tmp, r);
+    // berechne eigenwert mit rayleigh quotient
+    return (r * r_tmp)/r.two_norm_2();
+}
+
+// Hauptprogramm
+int main(int argc, char ** argv)
+{
+
+  // Anzahl der Knoten
+  const int N(10);
+  std::cout << "Knotenanzahl N: " << N << std::endl;
+
+  // Größe der Matrix
+  const int n(N*N-1);
+
+  // Datentyp für die Matrix
+  typedef double REAL;
+
+  // Matrix initialisieren
+  hdnum::DenseMatrix<REAL> A(n,n);
+
+  // Pretty-printing einmal setzen für alle Matrizen
+  A.scientific(false);
+  A.width(15);
+
+  flussMatrix(A);
+  if (N<=4)
+    std::cout << A << std::endl;
+
+  // Bei Schwierigkeiten mit Teilaufgabe a) können Sie Teilaufgaben b)
+  // und c) mit folgender Matrix testen
+  int size_b = 3;
+  hdnum::DenseMatrix<REAL> B(size_b,size_b);
+  for (std::size_t i=0; i<size_b; ++i)
+  {
+    for (std::size_t j=0; j<size_b; ++j)
+    {
+      B[i][j] = i+j;
+    }
+  }
+  std::cout << "Zeilen-Summen-Norm: " << A.norm_infty() << std::endl;
+  std::cout << "Spalten-Summen-Norm: " << A.norm_1() << std::endl;
+  std::cout << "Frobenius-Norm: " << frobeniusNorm(A) << std::endl;
+  std::cout << "Maximaler Eigenwert: " << maxEigenwert(A) << std::endl;
+
+  return 0;
+}