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/modified_bessel_func.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.
  35. //
  36. // References:
  37. //   (1) Handbook of Mathematical Functions,
  38. //       Ed. Milton Abramowitz and Irene A. Stegun,
  39. //       Dover Publications,
  40. //       Section 9, pp. 355-434, Section 10 pp. 435-478
  41. //   (2) The Gnu Scientific Library, http://www.gnu.org/software/gsl
  42. //   (3) Numerical Recipes in C, by W. H. Press, S. A. Teukolsky,
  43. //       W. T. Vetterling, B. P. Flannery, Cambridge University Press (1992),
  44. //       2nd ed, pp. 246-249.
  45.  
  46. #ifndef _GLIBCXX_TR1_MODIFIED_BESSEL_FUNC_TCC
  47. #define _GLIBCXX_TR1_MODIFIED_BESSEL_FUNC_TCC 1
  48.  
  49. #include "special_function_util.h"
  50.  
  51. namespace std _GLIBCXX_VISIBILITY(default)
  52. {
  53. namespace tr1
  54. {
  55.   // [5.2] Special functions
  56.  
  57.   // Implementation-space details.
  58.   namespace __detail
  59.   {
  60.   _GLIBCXX_BEGIN_NAMESPACE_VERSION
  61.  
  62.     /**
  63.      *   @brief  Compute the modified Bessel functions @f$ I_\nu(x) @f$ and
  64.      *           @f$ K_\nu(x) @f$ and their first derivatives
  65.      *           @f$ I'_\nu(x) @f$ and @f$ K'_\nu(x) @f$ respectively.
  66.      *           These four functions are computed together for numerical
  67.      *           stability.
  68.      *
  69.      *   @param  __nu  The order of the Bessel functions.
  70.      *   @param  __x   The argument of the Bessel functions.
  71.      *   @param  __Inu  The output regular modified Bessel function.
  72.      *   @param  __Knu  The output irregular modified Bessel function.
  73.      *   @param  __Ipnu  The output derivative of the regular
  74.      *                   modified Bessel function.
  75.      *   @param  __Kpnu  The output derivative of the irregular
  76.      *                   modified Bessel function.
  77.      */
  78.     template <typename _Tp>
  79.     void
  80.     __bessel_ik(_Tp __nu, _Tp __x,
  81.                 _Tp & __Inu, _Tp & __Knu, _Tp & __Ipnu, _Tp & __Kpnu)
  82.     {
  83.       if (__x == _Tp(0))
  84.         {
  85.           if (__nu == _Tp(0))
  86.             {
  87.               __Inu = _Tp(1);
  88.               __Ipnu = _Tp(0);
  89.             }
  90.           else if (__nu == _Tp(1))
  91.             {
  92.               __Inu = _Tp(0);
  93.               __Ipnu = _Tp(0.5L);
  94.             }
  95.           else
  96.             {
  97.               __Inu = _Tp(0);
  98.               __Ipnu = _Tp(0);
  99.             }
  100.           __Knu = std::numeric_limits<_Tp>::infinity();
  101.           __Kpnu = -std::numeric_limits<_Tp>::infinity();
  102.           return;
  103.         }
  104.  
  105.       const _Tp __eps = std::numeric_limits<_Tp>::epsilon();
  106.       const _Tp __fp_min = _Tp(10) * std::numeric_limits<_Tp>::epsilon();
  107.       const int __max_iter = 15000;
  108.       const _Tp __x_min = _Tp(2);
  109.  
  110.       const int __nl = static_cast<int>(__nu + _Tp(0.5L));
  111.  
  112.       const _Tp __mu = __nu - __nl;
  113.       const _Tp __mu2 = __mu * __mu;
  114.       const _Tp __xi = _Tp(1) / __x;
  115.       const _Tp __xi2 = _Tp(2) * __xi;
  116.       _Tp __h = __nu * __xi;
  117.       if ( __h < __fp_min )
  118.         __h = __fp_min;
  119.       _Tp __b = __xi2 * __nu;
  120.       _Tp __d = _Tp(0);
  121.       _Tp __c = __h;
  122.       int __i;
  123.       for ( __i = 1; __i <= __max_iter; ++__i )
  124.         {
  125.           __b += __xi2;
  126.           __d = _Tp(1) / (__b + __d);
  127.           __c = __b + _Tp(1) / __c;
  128.           const _Tp __del = __c * __d;
  129.           __h *= __del;
  130.           if (std::abs(__del - _Tp(1)) < __eps)
  131.             break;
  132.         }
  133.       if (__i > __max_iter)
  134.         std::__throw_runtime_error(__N("Argument x too large "
  135.                                        "in __bessel_ik; "
  136.                                        "try asymptotic expansion."));
  137.       _Tp __Inul = __fp_min;
  138.       _Tp __Ipnul = __h * __Inul;
  139.       _Tp __Inul1 = __Inul;
  140.       _Tp __Ipnu1 = __Ipnul;
  141.       _Tp __fact = __nu * __xi;
  142.       for (int __l = __nl; __l >= 1; --__l)
  143.         {
  144.           const _Tp __Inutemp = __fact * __Inul + __Ipnul;
  145.           __fact -= __xi;
  146.           __Ipnul = __fact * __Inutemp + __Inul;
  147.           __Inul = __Inutemp;
  148.         }
  149.       _Tp __f = __Ipnul / __Inul;
  150.       _Tp __Kmu, __Knu1;
  151.       if (__x < __x_min)
  152.         {
  153.           const _Tp __x2 = __x / _Tp(2);
  154.           const _Tp __pimu = __numeric_constants<_Tp>::__pi() * __mu;
  155.           const _Tp __fact = (std::abs(__pimu) < __eps
  156.                             ? _Tp(1) : __pimu / std::sin(__pimu));
  157.           _Tp __d = -std::log(__x2);
  158.           _Tp __e = __mu * __d;
  159.           const _Tp __fact2 = (std::abs(__e) < __eps
  160.                             ? _Tp(1) : std::sinh(__e) / __e);
  161.           _Tp __gam1, __gam2, __gampl, __gammi;
  162.           __gamma_temme(__mu, __gam1, __gam2, __gampl, __gammi);
  163.           _Tp __ff = __fact
  164.                    * (__gam1 * std::cosh(__e) + __gam2 * __fact2 * __d);
  165.           _Tp __sum = __ff;
  166.           __e = std::exp(__e);
  167.           _Tp __p = __e / (_Tp(2) * __gampl);
  168.           _Tp __q = _Tp(1) / (_Tp(2) * __e * __gammi);
  169.           _Tp __c = _Tp(1);
  170.           __d = __x2 * __x2;
  171.           _Tp __sum1 = __p;
  172.           int __i;
  173.           for (__i = 1; __i <= __max_iter; ++__i)
  174.             {
  175.               __ff = (__i * __ff + __p + __q) / (__i * __i - __mu2);
  176.               __c *= __d / __i;
  177.               __p /= __i - __mu;
  178.               __q /= __i + __mu;
  179.               const _Tp __del = __c * __ff;
  180.               __sum += __del;
  181.               const _Tp __del1 = __c * (__p - __i * __ff);
  182.               __sum1 += __del1;
  183.               if (std::abs(__del) < __eps * std::abs(__sum))
  184.                 break;
  185.             }
  186.           if (__i > __max_iter)
  187.             std::__throw_runtime_error(__N("Bessel k series failed to converge "
  188.                                            "in __bessel_ik."));
  189.           __Kmu = __sum;
  190.           __Knu1 = __sum1 * __xi2;
  191.         }
  192.       else
  193.         {
  194.           _Tp __b = _Tp(2) * (_Tp(1) + __x);
  195.           _Tp __d = _Tp(1) / __b;
  196.           _Tp __delh = __d;
  197.           _Tp __h = __delh;
  198.           _Tp __q1 = _Tp(0);
  199.           _Tp __q2 = _Tp(1);
  200.           _Tp __a1 = _Tp(0.25L) - __mu2;
  201.           _Tp __q = __c = __a1;
  202.           _Tp __a = -__a1;
  203.           _Tp __s = _Tp(1) + __q * __delh;
  204.           int __i;
  205.           for (__i = 2; __i <= __max_iter; ++__i)
  206.             {
  207.               __a -= 2 * (__i - 1);
  208.               __c = -__a * __c / __i;
  209.               const _Tp __qnew = (__q1 - __b * __q2) / __a;
  210.               __q1 = __q2;
  211.               __q2 = __qnew;
  212.               __q += __c * __qnew;
  213.               __b += _Tp(2);
  214.               __d = _Tp(1) / (__b + __a * __d);
  215.               __delh = (__b * __d - _Tp(1)) * __delh;
  216.               __h += __delh;
  217.               const _Tp __dels = __q * __delh;
  218.               __s += __dels;
  219.               if ( std::abs(__dels / __s) < __eps )
  220.                 break;
  221.             }
  222.           if (__i > __max_iter)
  223.             std::__throw_runtime_error(__N("Steed's method failed "
  224.                                            "in __bessel_ik."));
  225.           __h = __a1 * __h;
  226.           __Kmu = std::sqrt(__numeric_constants<_Tp>::__pi() / (_Tp(2) * __x))
  227.                 * std::exp(-__x) / __s;
  228.           __Knu1 = __Kmu * (__mu + __x + _Tp(0.5L) - __h) * __xi;
  229.         }
  230.  
  231.       _Tp __Kpmu = __mu * __xi * __Kmu - __Knu1;
  232.       _Tp __Inumu = __xi / (__f * __Kmu - __Kpmu);
  233.       __Inu = __Inumu * __Inul1 / __Inul;
  234.       __Ipnu = __Inumu * __Ipnu1 / __Inul;
  235.       for ( __i = 1; __i <= __nl; ++__i )
  236.         {
  237.           const _Tp __Knutemp = (__mu + __i) * __xi2 * __Knu1 + __Kmu;
  238.           __Kmu = __Knu1;
  239.           __Knu1 = __Knutemp;
  240.         }
  241.       __Knu = __Kmu;
  242.       __Kpnu = __nu * __xi * __Kmu - __Knu1;
  243.  
  244.       return;
  245.     }
  246.  
  247.  
  248.     /**
  249.      *   @brief  Return the regular modified Bessel function of order
  250.      *           \f$ \nu \f$: \f$ I_{\nu}(x) \f$.
  251.      *
  252.      *   The regular modified cylindrical Bessel function is:
  253.      *   @f[
  254.      *    I_{\nu}(x) = \sum_{k=0}^{\infty}
  255.      *              \frac{(x/2)^{\nu + 2k}}{k!\Gamma(\nu+k+1)}
  256.      *   @f]
  257.      *
  258.      *   @param  __nu  The order of the regular modified Bessel function.
  259.      *   @param  __x   The argument of the regular modified Bessel function.
  260.      *   @return  The output regular modified Bessel function.
  261.      */
  262.     template<typename _Tp>
  263.     _Tp
  264.     __cyl_bessel_i(_Tp __nu, _Tp __x)
  265.     {
  266.       if (__nu < _Tp(0) || __x < _Tp(0))
  267.         std::__throw_domain_error(__N("Bad argument "
  268.                                       "in __cyl_bessel_i."));
  269.       else if (__isnan(__nu) || __isnan(__x))
  270.         return std::numeric_limits<_Tp>::quiet_NaN();
  271.       else if (__x * __x < _Tp(10) * (__nu + _Tp(1)))
  272.         return __cyl_bessel_ij_series(__nu, __x, +_Tp(1), 200);
  273.       else
  274.         {
  275.           _Tp __I_nu, __K_nu, __Ip_nu, __Kp_nu;
  276.           __bessel_ik(__nu, __x, __I_nu, __K_nu, __Ip_nu, __Kp_nu);
  277.           return __I_nu;
  278.         }
  279.     }
  280.  
  281.  
  282.     /**
  283.      *   @brief  Return the irregular modified Bessel function
  284.      *           \f$ K_{\nu}(x) \f$ of order \f$ \nu \f$.
  285.      *
  286.      *   The irregular modified Bessel function is defined by:
  287.      *   @f[
  288.      *      K_{\nu}(x) = \frac{\pi}{2}
  289.      *                   \frac{I_{-\nu}(x) - I_{\nu}(x)}{\sin \nu\pi}
  290.      *   @f]
  291.      *   where for integral \f$ \nu = n \f$ a limit is taken:
  292.      *   \f$ lim_{\nu \to n} \f$.
  293.      *
  294.      *   @param  __nu  The order of the irregular modified Bessel function.
  295.      *   @param  __x   The argument of the irregular modified Bessel function.
  296.      *   @return  The output irregular modified Bessel function.
  297.      */
  298.     template<typename _Tp>
  299.     _Tp
  300.     __cyl_bessel_k(_Tp __nu, _Tp __x)
  301.     {
  302.       if (__nu < _Tp(0) || __x < _Tp(0))
  303.         std::__throw_domain_error(__N("Bad argument "
  304.                                       "in __cyl_bessel_k."));
  305.       else if (__isnan(__nu) || __isnan(__x))
  306.         return std::numeric_limits<_Tp>::quiet_NaN();
  307.       else
  308.         {
  309.           _Tp __I_nu, __K_nu, __Ip_nu, __Kp_nu;
  310.           __bessel_ik(__nu, __x, __I_nu, __K_nu, __Ip_nu, __Kp_nu);
  311.           return __K_nu;
  312.         }
  313.     }
  314.  
  315.  
  316.     /**
  317.      *   @brief  Compute the spherical modified Bessel functions
  318.      *           @f$ i_n(x) @f$ and @f$ k_n(x) @f$ and their first
  319.      *           derivatives @f$ i'_n(x) @f$ and @f$ k'_n(x) @f$
  320.      *           respectively.
  321.      *
  322.      *   @param  __n  The order of the modified spherical Bessel function.
  323.      *   @param  __x  The argument of the modified spherical Bessel function.
  324.      *   @param  __i_n  The output regular modified spherical Bessel function.
  325.      *   @param  __k_n  The output irregular modified spherical
  326.      *                  Bessel function.
  327.      *   @param  __ip_n  The output derivative of the regular modified
  328.      *                   spherical Bessel function.
  329.      *   @param  __kp_n  The output derivative of the irregular modified
  330.      *                   spherical Bessel function.
  331.      */
  332.     template <typename _Tp>
  333.     void
  334.     __sph_bessel_ik(unsigned int __n, _Tp __x,
  335.                     _Tp & __i_n, _Tp & __k_n, _Tp & __ip_n, _Tp & __kp_n)
  336.     {
  337.       const _Tp __nu = _Tp(__n) + _Tp(0.5L);
  338.  
  339.       _Tp __I_nu, __Ip_nu, __K_nu, __Kp_nu;
  340.       __bessel_ik(__nu, __x, __I_nu, __K_nu, __Ip_nu, __Kp_nu);
  341.  
  342.       const _Tp __factor = __numeric_constants<_Tp>::__sqrtpio2()
  343.                          / std::sqrt(__x);
  344.  
  345.       __i_n = __factor * __I_nu;
  346.       __k_n = __factor * __K_nu;
  347.       __ip_n = __factor * __Ip_nu - __i_n / (_Tp(2) * __x);
  348.       __kp_n = __factor * __Kp_nu - __k_n / (_Tp(2) * __x);
  349.  
  350.       return;
  351.     }
  352.  
  353.  
  354.     /**
  355.      *   @brief  Compute the Airy functions
  356.      *           @f$ Ai(x) @f$ and @f$ Bi(x) @f$ and their first
  357.      *           derivatives @f$ Ai'(x) @f$ and @f$ Bi(x) @f$
  358.      *           respectively.
  359.      *
  360.      *   @param  __x  The argument of the Airy functions.
  361.      *   @param  __Ai  The output Airy function of the first kind.
  362.      *   @param  __Bi  The output Airy function of the second kind.
  363.      *   @param  __Aip  The output derivative of the Airy function
  364.      *                  of the first kind.
  365.      *   @param  __Bip  The output derivative of the Airy function
  366.      *                  of the second kind.
  367.      */
  368.     template <typename _Tp>
  369.     void
  370.     __airy(_Tp __x, _Tp & __Ai, _Tp & __Bi, _Tp & __Aip, _Tp & __Bip)
  371.     {
  372.       const _Tp __absx = std::abs(__x);
  373.       const _Tp __rootx = std::sqrt(__absx);
  374.       const _Tp __z = _Tp(2) * __absx * __rootx / _Tp(3);
  375.  
  376.       if (__x > _Tp(0))
  377.         {
  378.           _Tp __I_nu, __Ip_nu, __K_nu, __Kp_nu;
  379.  
  380.           __bessel_ik(_Tp(1) / _Tp(3), __z, __I_nu, __K_nu, __Ip_nu, __Kp_nu);
  381.           __Ai = __rootx * __K_nu
  382.                / (__numeric_constants<_Tp>::__sqrt3()
  383.                 * __numeric_constants<_Tp>::__pi());
  384.           __Bi = __rootx * (__K_nu / __numeric_constants<_Tp>::__pi()
  385.                  + _Tp(2) * __I_nu / __numeric_constants<_Tp>::__sqrt3());
  386.  
  387.           __bessel_ik(_Tp(2) / _Tp(3), __z, __I_nu, __K_nu, __Ip_nu, __Kp_nu);
  388.           __Aip = -__x * __K_nu
  389.                 / (__numeric_constants<_Tp>::__sqrt3()
  390.                  * __numeric_constants<_Tp>::__pi());
  391.           __Bip = __x * (__K_nu / __numeric_constants<_Tp>::__pi()
  392.                       + _Tp(2) * __I_nu
  393.                       / __numeric_constants<_Tp>::__sqrt3());
  394.         }
  395.       else if (__x < _Tp(0))
  396.         {
  397.           _Tp __J_nu, __Jp_nu, __N_nu, __Np_nu;
  398.  
  399.           __bessel_jn(_Tp(1) / _Tp(3), __z, __J_nu, __N_nu, __Jp_nu, __Np_nu);
  400.           __Ai = __rootx * (__J_nu
  401.                     - __N_nu / __numeric_constants<_Tp>::__sqrt3()) / _Tp(2);
  402.           __Bi = -__rootx * (__N_nu
  403.                     + __J_nu / __numeric_constants<_Tp>::__sqrt3()) / _Tp(2);
  404.  
  405.           __bessel_jn(_Tp(2) / _Tp(3), __z, __J_nu, __N_nu, __Jp_nu, __Np_nu);
  406.           __Aip = __absx * (__N_nu / __numeric_constants<_Tp>::__sqrt3()
  407.                           + __J_nu) / _Tp(2);
  408.           __Bip = __absx * (__J_nu / __numeric_constants<_Tp>::__sqrt3()
  409.                           - __N_nu) / _Tp(2);
  410.         }
  411.       else
  412.         {
  413.           //  Reference:
  414.           //    Abramowitz & Stegun, page 446 section 10.4.4 on Airy functions.
  415.           //  The number is Ai(0) = 3^{-2/3}/\Gamma(2/3).
  416.           __Ai = _Tp(0.35502805388781723926L);
  417.           __Bi = __Ai * __numeric_constants<_Tp>::__sqrt3();
  418.  
  419.           //  Reference:
  420.           //    Abramowitz & Stegun, page 446 section 10.4.5 on Airy functions.
  421.           //  The number is Ai'(0) = -3^{-1/3}/\Gamma(1/3).
  422.           __Aip = -_Tp(0.25881940379280679840L);
  423.           __Bip = -__Aip * __numeric_constants<_Tp>::__sqrt3();
  424.         }
  425.  
  426.       return;
  427.     }
  428.  
  429.   _GLIBCXX_END_NAMESPACE_VERSION
  430.   } // namespace std::tr1::__detail
  431. }
  432. }
  433.  
  434. #endif // _GLIBCXX_TR1_MODIFIED_BESSEL_FUNC_TCC
  435.