Subversion Repositories Kolibri OS

Rev

Blame | Last modification | View Log | RSS feed

  1. // Special functions -*- C++ -*-
  2.  
  3. // Copyright (C) 2006-2013 Free Software Foundation, Inc.
  4. //
  5. // This file is part of the GNU ISO C++ Library.  This library is free
  6. // software; you can redistribute it and/or modify it under the
  7. // terms of the GNU General Public License as published by the
  8. // Free Software Foundation; either version 3, or (at your option)
  9. // any later version.
  10. //
  11. // This library is distributed in the hope that it will be useful,
  12. // but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  13. // MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  14. // GNU General Public License for more details.
  15. //
  16. // Under Section 7 of GPL version 3, you are granted additional
  17. // permissions described in the GCC Runtime Library Exception, version
  18. // 3.1, as published by the Free Software Foundation.
  19.  
  20. // You should have received a copy of the GNU General Public License and
  21. // a copy of the GCC Runtime Library Exception along with this program;
  22. // see the files COPYING3 and COPYING.RUNTIME respectively.  If not, see
  23. // <http://www.gnu.org/licenses/>.
  24.  
  25. /** @file tr1/riemann_zeta.tcc
  26.  *  This is an internal header file, included by other library headers.
  27.  *  Do not attempt to use it directly. @headername{tr1/cmath}
  28.  */
  29.  
  30. //
  31. // ISO C++ 14882 TR1: 5.2  Special functions
  32. //
  33.  
  34. // Written by Edward Smith-Rowland based on:
  35. //   (1) Handbook of Mathematical Functions,
  36. //       Ed. by Milton Abramowitz and Irene A. Stegun,
  37. //       Dover Publications, New-York, Section 5, pp. 807-808.
  38. //   (2) The Gnu Scientific Library, http://www.gnu.org/software/gsl
  39. //   (3) Gamma, Exploring Euler's Constant, Julian Havil,
  40. //       Princeton, 2003.
  41.  
  42. #ifndef _GLIBCXX_TR1_RIEMANN_ZETA_TCC
  43. #define _GLIBCXX_TR1_RIEMANN_ZETA_TCC 1
  44.  
  45. #include "special_function_util.h"
  46.  
  47. namespace std _GLIBCXX_VISIBILITY(default)
  48. {
  49. namespace tr1
  50. {
  51.   // [5.2] Special functions
  52.  
  53.   // Implementation-space details.
  54.   namespace __detail
  55.   {
  56.   _GLIBCXX_BEGIN_NAMESPACE_VERSION
  57.  
  58.     /**
  59.      *   @brief  Compute the Riemann zeta function @f$ \zeta(s) @f$
  60.      *           by summation for s > 1.
  61.      *
  62.      *   The Riemann zeta function is defined by:
  63.      *    \f[
  64.      *      \zeta(s) = \sum_{k=1}^{\infty} \frac{1}{k^{s}} for s > 1
  65.      *    \f]
  66.      *   For s < 1 use the reflection formula:
  67.      *    \f[
  68.      *      \zeta(s) = 2^s \pi^{s-1} \Gamma(1-s) \zeta(1-s)
  69.      *    \f]
  70.      */
  71.     template<typename _Tp>
  72.     _Tp
  73.     __riemann_zeta_sum(_Tp __s)
  74.     {
  75.       //  A user shouldn't get to this.
  76.       if (__s < _Tp(1))
  77.         std::__throw_domain_error(__N("Bad argument in zeta sum."));
  78.  
  79.       const unsigned int max_iter = 10000;
  80.       _Tp __zeta = _Tp(0);
  81.       for (unsigned int __k = 1; __k < max_iter; ++__k)
  82.         {
  83.           _Tp __term = std::pow(static_cast<_Tp>(__k), -__s);
  84.           if (__term < std::numeric_limits<_Tp>::epsilon())
  85.             {
  86.               break;
  87.             }
  88.           __zeta += __term;
  89.         }
  90.  
  91.       return __zeta;
  92.     }
  93.  
  94.  
  95.     /**
  96.      *   @brief  Evaluate the Riemann zeta function @f$ \zeta(s) @f$
  97.      *           by an alternate series for s > 0.
  98.      *
  99.      *   The Riemann zeta function is defined by:
  100.      *    \f[
  101.      *      \zeta(s) = \sum_{k=1}^{\infty} \frac{1}{k^{s}} for s > 1
  102.      *    \f]
  103.      *   For s < 1 use the reflection formula:
  104.      *    \f[
  105.      *      \zeta(s) = 2^s \pi^{s-1} \Gamma(1-s) \zeta(1-s)
  106.      *    \f]
  107.      */
  108.     template<typename _Tp>
  109.     _Tp
  110.     __riemann_zeta_alt(_Tp __s)
  111.     {
  112.       _Tp __sgn = _Tp(1);
  113.       _Tp __zeta = _Tp(0);
  114.       for (unsigned int __i = 1; __i < 10000000; ++__i)
  115.         {
  116.           _Tp __term = __sgn / std::pow(__i, __s);
  117.           if (std::abs(__term) < std::numeric_limits<_Tp>::epsilon())
  118.             break;
  119.           __zeta += __term;
  120.           __sgn *= _Tp(-1);
  121.         }
  122.       __zeta /= _Tp(1) - std::pow(_Tp(2), _Tp(1) - __s);
  123.  
  124.       return __zeta;
  125.     }
  126.  
  127.  
  128.     /**
  129.      *   @brief  Evaluate the Riemann zeta function by series for all s != 1.
  130.      *           Convergence is great until largish negative numbers.
  131.      *           Then the convergence of the > 0 sum gets better.
  132.      *
  133.      *   The series is:
  134.      *    \f[
  135.      *      \zeta(s) = \frac{1}{1-2^{1-s}}
  136.      *                 \sum_{n=0}^{\infty} \frac{1}{2^{n+1}}
  137.      *                 \sum_{k=0}^{n} (-1)^k \frac{n!}{(n-k)!k!} (k+1)^{-s}
  138.      *    \f]
  139.      *   Havil 2003, p. 206.
  140.      *
  141.      *   The Riemann zeta function is defined by:
  142.      *    \f[
  143.      *      \zeta(s) = \sum_{k=1}^{\infty} \frac{1}{k^{s}} for s > 1
  144.      *    \f]
  145.      *   For s < 1 use the reflection formula:
  146.      *    \f[
  147.      *      \zeta(s) = 2^s \pi^{s-1} \Gamma(1-s) \zeta(1-s)
  148.      *    \f]
  149.      */
  150.     template<typename _Tp>
  151.     _Tp
  152.     __riemann_zeta_glob(_Tp __s)
  153.     {
  154.       _Tp __zeta = _Tp(0);
  155.  
  156.       const _Tp __eps = std::numeric_limits<_Tp>::epsilon();
  157.       //  Max e exponent before overflow.
  158.       const _Tp __max_bincoeff = std::numeric_limits<_Tp>::max_exponent10
  159.                                * std::log(_Tp(10)) - _Tp(1);
  160.  
  161.       //  This series works until the binomial coefficient blows up
  162.       //  so use reflection.
  163.       if (__s < _Tp(0))
  164.         {
  165. #if _GLIBCXX_USE_C99_MATH_TR1
  166.           if (std::tr1::fmod(__s,_Tp(2)) == _Tp(0))
  167.             return _Tp(0);
  168.           else
  169. #endif
  170.             {
  171.               _Tp __zeta = __riemann_zeta_glob(_Tp(1) - __s);
  172.               __zeta *= std::pow(_Tp(2)
  173.                      * __numeric_constants<_Tp>::__pi(), __s)
  174.                      * std::sin(__numeric_constants<_Tp>::__pi_2() * __s)
  175. #if _GLIBCXX_USE_C99_MATH_TR1
  176.                      * std::exp(std::tr1::lgamma(_Tp(1) - __s))
  177. #else
  178.                      * std::exp(__log_gamma(_Tp(1) - __s))
  179. #endif
  180.                      / __numeric_constants<_Tp>::__pi();
  181.               return __zeta;
  182.             }
  183.         }
  184.  
  185.       _Tp __num = _Tp(0.5L);
  186.       const unsigned int __maxit = 10000;
  187.       for (unsigned int __i = 0; __i < __maxit; ++__i)
  188.         {
  189.           bool __punt = false;
  190.           _Tp __sgn = _Tp(1);
  191.           _Tp __term = _Tp(0);
  192.           for (unsigned int __j = 0; __j <= __i; ++__j)
  193.             {
  194. #if _GLIBCXX_USE_C99_MATH_TR1
  195.               _Tp __bincoeff =  std::tr1::lgamma(_Tp(1 + __i))
  196.                               - std::tr1::lgamma(_Tp(1 + __j))
  197.                               - std::tr1::lgamma(_Tp(1 + __i - __j));
  198. #else
  199.               _Tp __bincoeff =  __log_gamma(_Tp(1 + __i))
  200.                               - __log_gamma(_Tp(1 + __j))
  201.                               - __log_gamma(_Tp(1 + __i - __j));
  202. #endif
  203.               if (__bincoeff > __max_bincoeff)
  204.                 {
  205.                   //  This only gets hit for x << 0.
  206.                   __punt = true;
  207.                   break;
  208.                 }
  209.               __bincoeff = std::exp(__bincoeff);
  210.               __term += __sgn * __bincoeff * std::pow(_Tp(1 + __j), -__s);
  211.               __sgn *= _Tp(-1);
  212.             }
  213.           if (__punt)
  214.             break;
  215.           __term *= __num;
  216.           __zeta += __term;
  217.           if (std::abs(__term/__zeta) < __eps)
  218.             break;
  219.           __num *= _Tp(0.5L);
  220.         }
  221.  
  222.       __zeta /= _Tp(1) - std::pow(_Tp(2), _Tp(1) - __s);
  223.  
  224.       return __zeta;
  225.     }
  226.  
  227.  
  228.     /**
  229.      *   @brief  Compute the Riemann zeta function @f$ \zeta(s) @f$
  230.      *           using the product over prime factors.
  231.      *    \f[
  232.      *      \zeta(s) = \Pi_{i=1}^\infty \frac{1}{1 - p_i^{-s}}
  233.      *    \f]
  234.      *    where @f$ {p_i} @f$ are the prime numbers.
  235.      *
  236.      *   The Riemann zeta function is defined by:
  237.      *    \f[
  238.      *      \zeta(s) = \sum_{k=1}^{\infty} \frac{1}{k^{s}} for s > 1
  239.      *    \f]
  240.      *   For s < 1 use the reflection formula:
  241.      *    \f[
  242.      *      \zeta(s) = 2^s \pi^{s-1} \Gamma(1-s) \zeta(1-s)
  243.      *    \f]
  244.      */
  245.     template<typename _Tp>
  246.     _Tp
  247.     __riemann_zeta_product(_Tp __s)
  248.     {
  249.       static const _Tp __prime[] = {
  250.         _Tp(2), _Tp(3), _Tp(5), _Tp(7), _Tp(11), _Tp(13), _Tp(17), _Tp(19),
  251.         _Tp(23), _Tp(29), _Tp(31), _Tp(37), _Tp(41), _Tp(43), _Tp(47),
  252.         _Tp(53), _Tp(59), _Tp(61), _Tp(67), _Tp(71), _Tp(73), _Tp(79),
  253.         _Tp(83), _Tp(89), _Tp(97), _Tp(101), _Tp(103), _Tp(107), _Tp(109)
  254.       };
  255.       static const unsigned int __num_primes = sizeof(__prime) / sizeof(_Tp);
  256.  
  257.       _Tp __zeta = _Tp(1);
  258.       for (unsigned int __i = 0; __i < __num_primes; ++__i)
  259.         {
  260.           const _Tp __fact = _Tp(1) - std::pow(__prime[__i], -__s);
  261.           __zeta *= __fact;
  262.           if (_Tp(1) - __fact < std::numeric_limits<_Tp>::epsilon())
  263.             break;
  264.         }
  265.  
  266.       __zeta = _Tp(1) / __zeta;
  267.  
  268.       return __zeta;
  269.     }
  270.  
  271.  
  272.     /**
  273.      *   @brief  Return the Riemann zeta function @f$ \zeta(s) @f$.
  274.      *
  275.      *   The Riemann zeta function is defined by:
  276.      *    \f[
  277.      *      \zeta(s) = \sum_{k=1}^{\infty} k^{-s} for s > 1
  278.      *                 \frac{(2\pi)^s}{pi} sin(\frac{\pi s}{2})
  279.      *                 \Gamma (1 - s) \zeta (1 - s) for s < 1
  280.      *    \f]
  281.      *   For s < 1 use the reflection formula:
  282.      *    \f[
  283.      *      \zeta(s) = 2^s \pi^{s-1} \Gamma(1-s) \zeta(1-s)
  284.      *    \f]
  285.      */
  286.     template<typename _Tp>
  287.     _Tp
  288.     __riemann_zeta(_Tp __s)
  289.     {
  290.       if (__isnan(__s))
  291.         return std::numeric_limits<_Tp>::quiet_NaN();
  292.       else if (__s == _Tp(1))
  293.         return std::numeric_limits<_Tp>::infinity();
  294.       else if (__s < -_Tp(19))
  295.         {
  296.           _Tp __zeta = __riemann_zeta_product(_Tp(1) - __s);
  297.           __zeta *= std::pow(_Tp(2) * __numeric_constants<_Tp>::__pi(), __s)
  298.                  * std::sin(__numeric_constants<_Tp>::__pi_2() * __s)
  299. #if _GLIBCXX_USE_C99_MATH_TR1
  300.                  * std::exp(std::tr1::lgamma(_Tp(1) - __s))
  301. #else
  302.                  * std::exp(__log_gamma(_Tp(1) - __s))
  303. #endif
  304.                  / __numeric_constants<_Tp>::__pi();
  305.           return __zeta;
  306.         }
  307.       else if (__s < _Tp(20))
  308.         {
  309.           //  Global double sum or McLaurin?
  310.           bool __glob = true;
  311.           if (__glob)
  312.             return __riemann_zeta_glob(__s);
  313.           else
  314.             {
  315.               if (__s > _Tp(1))
  316.                 return __riemann_zeta_sum(__s);
  317.               else
  318.                 {
  319.                   _Tp __zeta = std::pow(_Tp(2)
  320.                                 * __numeric_constants<_Tp>::__pi(), __s)
  321.                          * std::sin(__numeric_constants<_Tp>::__pi_2() * __s)
  322. #if _GLIBCXX_USE_C99_MATH_TR1
  323.                              * std::tr1::tgamma(_Tp(1) - __s)
  324. #else
  325.                              * std::exp(__log_gamma(_Tp(1) - __s))
  326. #endif
  327.                              * __riemann_zeta_sum(_Tp(1) - __s);
  328.                   return __zeta;
  329.                 }
  330.             }
  331.         }
  332.       else
  333.         return __riemann_zeta_product(__s);
  334.     }
  335.  
  336.  
  337.     /**
  338.      *   @brief  Return the Hurwitz zeta function @f$ \zeta(x,s) @f$
  339.      *           for all s != 1 and x > -1.
  340.      *
  341.      *   The Hurwitz zeta function is defined by:
  342.      *   @f[
  343.      *     \zeta(x,s) = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{1}{(n + x)^s}
  344.      *   @f]
  345.      *   The Riemann zeta function is a special case:
  346.      *   @f[
  347.      *     \zeta(s) = \zeta(1,s)
  348.      *   @f]
  349.      *
  350.      *   This functions uses the double sum that converges for s != 1
  351.      *   and x > -1:
  352.      *   @f[
  353.      *     \zeta(x,s) = \frac{1}{s-1}
  354.      *                \sum_{n=0}^{\infty} \frac{1}{n + 1}
  355.      *                \sum_{k=0}^{n} (-1)^k \frac{n!}{(n-k)!k!} (x+k)^{-s}
  356.      *   @f]
  357.      */
  358.     template<typename _Tp>
  359.     _Tp
  360.     __hurwitz_zeta_glob(_Tp __a, _Tp __s)
  361.     {
  362.       _Tp __zeta = _Tp(0);
  363.  
  364.       const _Tp __eps = std::numeric_limits<_Tp>::epsilon();
  365.       //  Max e exponent before overflow.
  366.       const _Tp __max_bincoeff = std::numeric_limits<_Tp>::max_exponent10
  367.                                * std::log(_Tp(10)) - _Tp(1);
  368.  
  369.       const unsigned int __maxit = 10000;
  370.       for (unsigned int __i = 0; __i < __maxit; ++__i)
  371.         {
  372.           bool __punt = false;
  373.           _Tp __sgn = _Tp(1);
  374.           _Tp __term = _Tp(0);
  375.           for (unsigned int __j = 0; __j <= __i; ++__j)
  376.             {
  377. #if _GLIBCXX_USE_C99_MATH_TR1
  378.               _Tp __bincoeff =  std::tr1::lgamma(_Tp(1 + __i))
  379.                               - std::tr1::lgamma(_Tp(1 + __j))
  380.                               - std::tr1::lgamma(_Tp(1 + __i - __j));
  381. #else
  382.               _Tp __bincoeff =  __log_gamma(_Tp(1 + __i))
  383.                               - __log_gamma(_Tp(1 + __j))
  384.                               - __log_gamma(_Tp(1 + __i - __j));
  385. #endif
  386.               if (__bincoeff > __max_bincoeff)
  387.                 {
  388.                   //  This only gets hit for x << 0.
  389.                   __punt = true;
  390.                   break;
  391.                 }
  392.               __bincoeff = std::exp(__bincoeff);
  393.               __term += __sgn * __bincoeff * std::pow(_Tp(__a + __j), -__s);
  394.               __sgn *= _Tp(-1);
  395.             }
  396.           if (__punt)
  397.             break;
  398.           __term /= _Tp(__i + 1);
  399.           if (std::abs(__term / __zeta) < __eps)
  400.             break;
  401.           __zeta += __term;
  402.         }
  403.  
  404.       __zeta /= __s - _Tp(1);
  405.  
  406.       return __zeta;
  407.     }
  408.  
  409.  
  410.     /**
  411.      *   @brief  Return the Hurwitz zeta function @f$ \zeta(x,s) @f$
  412.      *           for all s != 1 and x > -1.
  413.      *
  414.      *   The Hurwitz zeta function is defined by:
  415.      *   @f[
  416.      *     \zeta(x,s) = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{1}{(n + x)^s}
  417.      *   @f]
  418.      *   The Riemann zeta function is a special case:
  419.      *   @f[
  420.      *     \zeta(s) = \zeta(1,s)
  421.      *   @f]
  422.      */
  423.     template<typename _Tp>
  424.     inline _Tp
  425.     __hurwitz_zeta(_Tp __a, _Tp __s)
  426.     { return __hurwitz_zeta_glob(__a, __s); }
  427.  
  428.   _GLIBCXX_END_NAMESPACE_VERSION
  429.   } // namespace std::tr1::__detail
  430. }
  431. }
  432.  
  433. #endif // _GLIBCXX_TR1_RIEMANN_ZETA_TCC
  434.