Subversion Repositories Kolibri OS

Rev

Blame | Last modification | View Log | RSS feed

  1. // Special functions -*- C++ -*-
  2.  
  3. // Copyright (C) 2006-2015 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/legendre_function.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. Milton Abramowitz and Irene A. Stegun,
  37. //       Dover Publications,
  38. //       Section 8, pp. 331-341
  39. //   (2) The Gnu Scientific Library, http://www.gnu.org/software/gsl
  40. //   (3) Numerical Recipes in C, by W. H. Press, S. A. Teukolsky,
  41. //       W. T. Vetterling, B. P. Flannery, Cambridge University Press (1992),
  42. //       2nd ed, pp. 252-254
  43.  
  44. #ifndef _GLIBCXX_TR1_LEGENDRE_FUNCTION_TCC
  45. #define _GLIBCXX_TR1_LEGENDRE_FUNCTION_TCC 1
  46.  
  47. #include "special_function_util.h"
  48.  
  49. namespace std _GLIBCXX_VISIBILITY(default)
  50. {
  51. namespace tr1
  52. {
  53.   // [5.2] Special functions
  54.  
  55.   // Implementation-space details.
  56.   namespace __detail
  57.   {
  58.   _GLIBCXX_BEGIN_NAMESPACE_VERSION
  59.  
  60.     /**
  61.      *   @brief  Return the Legendre polynomial by recursion on order
  62.      *           @f$ l @f$.
  63.      *
  64.      *   The Legendre function of @f$ l @f$ and @f$ x @f$,
  65.      *   @f$ P_l(x) @f$, is defined by:
  66.      *   @f[
  67.      *     P_l(x) = \frac{1}{2^l l!}\frac{d^l}{dx^l}(x^2 - 1)^{l}
  68.      *   @f]
  69.      *
  70.      *   @param  l  The order of the Legendre polynomial.  @f$l >= 0@f$.
  71.      *   @param  x  The argument of the Legendre polynomial.  @f$|x| <= 1@f$.
  72.      */
  73.     template<typename _Tp>
  74.     _Tp
  75.     __poly_legendre_p(unsigned int __l, _Tp __x)
  76.     {
  77.  
  78.       if ((__x < _Tp(-1)) || (__x > _Tp(+1)))
  79.         std::__throw_domain_error(__N("Argument out of range"
  80.                                       " in __poly_legendre_p."));
  81.       else if (__isnan(__x))
  82.         return std::numeric_limits<_Tp>::quiet_NaN();
  83.       else if (__x == +_Tp(1))
  84.         return +_Tp(1);
  85.       else if (__x == -_Tp(1))
  86.         return (__l % 2 == 1 ? -_Tp(1) : +_Tp(1));
  87.       else
  88.         {
  89.           _Tp __p_lm2 = _Tp(1);
  90.           if (__l == 0)
  91.             return __p_lm2;
  92.  
  93.           _Tp __p_lm1 = __x;
  94.           if (__l == 1)
  95.             return __p_lm1;
  96.  
  97.           _Tp __p_l = 0;
  98.           for (unsigned int __ll = 2; __ll <= __l; ++__ll)
  99.             {
  100.               //  This arrangement is supposed to be better for roundoff
  101.               //  protection, Arfken, 2nd Ed, Eq 12.17a.
  102.               __p_l = _Tp(2) * __x * __p_lm1 - __p_lm2
  103.                     - (__x * __p_lm1 - __p_lm2) / _Tp(__ll);
  104.               __p_lm2 = __p_lm1;
  105.               __p_lm1 = __p_l;
  106.             }
  107.  
  108.           return __p_l;
  109.         }
  110.     }
  111.  
  112.  
  113.     /**
  114.      *   @brief  Return the associated Legendre function by recursion
  115.      *           on @f$ l @f$.
  116.      *
  117.      *   The associated Legendre function is derived from the Legendre function
  118.      *   @f$ P_l(x) @f$ by the Rodrigues formula:
  119.      *   @f[
  120.      *     P_l^m(x) = (1 - x^2)^{m/2}\frac{d^m}{dx^m}P_l(x)
  121.      *   @f]
  122.      *
  123.      *   @param  l  The order of the associated Legendre function.
  124.      *              @f$ l >= 0 @f$.
  125.      *   @param  m  The order of the associated Legendre function.
  126.      *              @f$ m <= l @f$.
  127.      *   @param  x  The argument of the associated Legendre function.
  128.      *              @f$ |x| <= 1 @f$.
  129.      */
  130.     template<typename _Tp>
  131.     _Tp
  132.     __assoc_legendre_p(unsigned int __l, unsigned int __m, _Tp __x)
  133.     {
  134.  
  135.       if (__x < _Tp(-1) || __x > _Tp(+1))
  136.         std::__throw_domain_error(__N("Argument out of range"
  137.                                       " in __assoc_legendre_p."));
  138.       else if (__m > __l)
  139.         std::__throw_domain_error(__N("Degree out of range"
  140.                                       " in __assoc_legendre_p."));
  141.       else if (__isnan(__x))
  142.         return std::numeric_limits<_Tp>::quiet_NaN();
  143.       else if (__m == 0)
  144.         return __poly_legendre_p(__l, __x);
  145.       else
  146.         {
  147.           _Tp __p_mm = _Tp(1);
  148.           if (__m > 0)
  149.             {
  150.               //  Two square roots seem more accurate more of the time
  151.               //  than just one.
  152.               _Tp __root = std::sqrt(_Tp(1) - __x) * std::sqrt(_Tp(1) + __x);
  153.               _Tp __fact = _Tp(1);
  154.               for (unsigned int __i = 1; __i <= __m; ++__i)
  155.                 {
  156.                   __p_mm *= -__fact * __root;
  157.                   __fact += _Tp(2);
  158.                 }
  159.             }
  160.           if (__l == __m)
  161.             return __p_mm;
  162.  
  163.           _Tp __p_mp1m = _Tp(2 * __m + 1) * __x * __p_mm;
  164.           if (__l == __m + 1)
  165.             return __p_mp1m;
  166.  
  167.           _Tp __p_lm2m = __p_mm;
  168.           _Tp __P_lm1m = __p_mp1m;
  169.           _Tp __p_lm = _Tp(0);
  170.           for (unsigned int __j = __m + 2; __j <= __l; ++__j)
  171.             {
  172.               __p_lm = (_Tp(2 * __j - 1) * __x * __P_lm1m
  173.                       - _Tp(__j + __m - 1) * __p_lm2m) / _Tp(__j - __m);
  174.               __p_lm2m = __P_lm1m;
  175.               __P_lm1m = __p_lm;
  176.             }
  177.  
  178.           return __p_lm;
  179.         }
  180.     }
  181.  
  182.  
  183.     /**
  184.      *   @brief  Return the spherical associated Legendre function.
  185.      *
  186.      *   The spherical associated Legendre function of @f$ l @f$, @f$ m @f$,
  187.      *   and @f$ \theta @f$ is defined as @f$ Y_l^m(\theta,0) @f$ where
  188.      *   @f[
  189.      *      Y_l^m(\theta,\phi) = (-1)^m[\frac{(2l+1)}{4\pi}
  190.      *                                  \frac{(l-m)!}{(l+m)!}]
  191.      *                     P_l^m(\cos\theta) \exp^{im\phi}
  192.      *   @f]
  193.      *   is the spherical harmonic function and @f$ P_l^m(x) @f$ is the
  194.      *   associated Legendre function.
  195.      *
  196.      *   This function differs from the associated Legendre function by
  197.      *   argument (@f$x = \cos(\theta)@f$) and by a normalization factor
  198.      *   but this factor is rather large for large @f$ l @f$ and @f$ m @f$
  199.      *   and so this function is stable for larger differences of @f$ l @f$
  200.      *   and @f$ m @f$.
  201.      *
  202.      *   @param  l  The order of the spherical associated Legendre function.
  203.      *              @f$ l >= 0 @f$.
  204.      *   @param  m  The order of the spherical associated Legendre function.
  205.      *              @f$ m <= l @f$.
  206.      *   @param  theta  The radian angle argument of the spherical associated
  207.      *                  Legendre function.
  208.      */
  209.     template <typename _Tp>
  210.     _Tp
  211.     __sph_legendre(unsigned int __l, unsigned int __m, _Tp __theta)
  212.     {
  213.       if (__isnan(__theta))
  214.         return std::numeric_limits<_Tp>::quiet_NaN();
  215.  
  216.       const _Tp __x = std::cos(__theta);
  217.  
  218.       if (__l < __m)
  219.         {
  220.           std::__throw_domain_error(__N("Bad argument "
  221.                                         "in __sph_legendre."));
  222.         }
  223.       else if (__m == 0)
  224.         {
  225.           _Tp __P = __poly_legendre_p(__l, __x);
  226.           _Tp __fact = std::sqrt(_Tp(2 * __l + 1)
  227.                      / (_Tp(4) * __numeric_constants<_Tp>::__pi()));
  228.           __P *= __fact;
  229.           return __P;
  230.         }
  231.       else if (__x == _Tp(1) || __x == -_Tp(1))
  232.         {
  233.           //  m > 0 here
  234.           return _Tp(0);
  235.         }
  236.       else
  237.         {
  238.           // m > 0 and |x| < 1 here
  239.  
  240.           // Starting value for recursion.
  241.           // Y_m^m(x) = sqrt( (2m+1)/(4pi m) gamma(m+1/2)/gamma(m) )
  242.           //             (-1)^m (1-x^2)^(m/2) / pi^(1/4)
  243.           const _Tp __sgn = ( __m % 2 == 1 ? -_Tp(1) : _Tp(1));
  244.           const _Tp __y_mp1m_factor = __x * std::sqrt(_Tp(2 * __m + 3));
  245. #if _GLIBCXX_USE_C99_MATH_TR1
  246.           const _Tp __lncirc = std::tr1::log1p(-__x * __x);
  247. #else
  248.           const _Tp __lncirc = std::log(_Tp(1) - __x * __x);
  249. #endif
  250.           //  Gamma(m+1/2) / Gamma(m)
  251. #if _GLIBCXX_USE_C99_MATH_TR1
  252.           const _Tp __lnpoch = std::tr1::lgamma(_Tp(__m + _Tp(0.5L)))
  253.                              - std::tr1::lgamma(_Tp(__m));
  254. #else
  255.           const _Tp __lnpoch = __log_gamma(_Tp(__m + _Tp(0.5L)))
  256.                              - __log_gamma(_Tp(__m));
  257. #endif
  258.           const _Tp __lnpre_val =
  259.                     -_Tp(0.25L) * __numeric_constants<_Tp>::__lnpi()
  260.                     + _Tp(0.5L) * (__lnpoch + __m * __lncirc);
  261.           _Tp __sr = std::sqrt((_Tp(2) + _Tp(1) / __m)
  262.                    / (_Tp(4) * __numeric_constants<_Tp>::__pi()));
  263.           _Tp __y_mm = __sgn * __sr * std::exp(__lnpre_val);
  264.           _Tp __y_mp1m = __y_mp1m_factor * __y_mm;
  265.  
  266.           if (__l == __m)
  267.             {
  268.               return __y_mm;
  269.             }
  270.           else if (__l == __m + 1)
  271.             {
  272.               return __y_mp1m;
  273.             }
  274.           else
  275.             {
  276.               _Tp __y_lm = _Tp(0);
  277.  
  278.               // Compute Y_l^m, l > m+1, upward recursion on l.
  279.               for ( int __ll = __m + 2; __ll <= __l; ++__ll)
  280.                 {
  281.                   const _Tp __rat1 = _Tp(__ll - __m) / _Tp(__ll + __m);
  282.                   const _Tp __rat2 = _Tp(__ll - __m - 1) / _Tp(__ll + __m - 1);
  283.                   const _Tp __fact1 = std::sqrt(__rat1 * _Tp(2 * __ll + 1)
  284.                                                        * _Tp(2 * __ll - 1));
  285.                   const _Tp __fact2 = std::sqrt(__rat1 * __rat2 * _Tp(2 * __ll + 1)
  286.                                                                 / _Tp(2 * __ll - 3));
  287.                   __y_lm = (__x * __y_mp1m * __fact1
  288.                          - (__ll + __m - 1) * __y_mm * __fact2) / _Tp(__ll - __m);
  289.                   __y_mm = __y_mp1m;
  290.                   __y_mp1m = __y_lm;
  291.                 }
  292.  
  293.               return __y_lm;
  294.             }
  295.         }
  296.     }
  297.  
  298.   _GLIBCXX_END_NAMESPACE_VERSION
  299.   } // namespace std::tr1::__detail
  300. }
  301. }
  302.  
  303. #endif // _GLIBCXX_TR1_LEGENDRE_FUNCTION_TCC
  304.