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/gamma.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 6, pp. 253-266
  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. 213-216
  43. //   (4) Gamma, Exploring Euler's Constant, Julian Havil,
  44. //       Princeton, 2003.
  45.  
  46. #ifndef _GLIBCXX_TR1_GAMMA_TCC
  47. #define _GLIBCXX_TR1_GAMMA_TCC 1
  48.  
  49. #include "special_function_util.h"
  50.  
  51. namespace std _GLIBCXX_VISIBILITY(default)
  52. {
  53. namespace tr1
  54. {
  55.   // Implementation-space details.
  56.   namespace __detail
  57.   {
  58.   _GLIBCXX_BEGIN_NAMESPACE_VERSION
  59.  
  60.     /**
  61.      *   @brief This returns Bernoulli numbers from a table or by summation
  62.      *          for larger values.
  63.      *
  64.      *   Recursion is unstable.
  65.      *
  66.      *   @param __n the order n of the Bernoulli number.
  67.      *   @return  The Bernoulli number of order n.
  68.      */
  69.     template <typename _Tp>
  70.     _Tp
  71.     __bernoulli_series(unsigned int __n)
  72.     {
  73.  
  74.       static const _Tp __num[28] = {
  75.         _Tp(1UL),                        -_Tp(1UL) / _Tp(2UL),
  76.         _Tp(1UL) / _Tp(6UL),             _Tp(0UL),
  77.         -_Tp(1UL) / _Tp(30UL),           _Tp(0UL),
  78.         _Tp(1UL) / _Tp(42UL),            _Tp(0UL),
  79.         -_Tp(1UL) / _Tp(30UL),           _Tp(0UL),
  80.         _Tp(5UL) / _Tp(66UL),            _Tp(0UL),
  81.         -_Tp(691UL) / _Tp(2730UL),       _Tp(0UL),
  82.         _Tp(7UL) / _Tp(6UL),             _Tp(0UL),
  83.         -_Tp(3617UL) / _Tp(510UL),       _Tp(0UL),
  84.         _Tp(43867UL) / _Tp(798UL),       _Tp(0UL),
  85.         -_Tp(174611) / _Tp(330UL),       _Tp(0UL),
  86.         _Tp(854513UL) / _Tp(138UL),      _Tp(0UL),
  87.         -_Tp(236364091UL) / _Tp(2730UL), _Tp(0UL),
  88.         _Tp(8553103UL) / _Tp(6UL),       _Tp(0UL)
  89.       };
  90.  
  91.       if (__n == 0)
  92.         return _Tp(1);
  93.  
  94.       if (__n == 1)
  95.         return -_Tp(1) / _Tp(2);
  96.  
  97.       //  Take care of the rest of the odd ones.
  98.       if (__n % 2 == 1)
  99.         return _Tp(0);
  100.  
  101.       //  Take care of some small evens that are painful for the series.
  102.       if (__n < 28)
  103.         return __num[__n];
  104.  
  105.  
  106.       _Tp __fact = _Tp(1);
  107.       if ((__n / 2) % 2 == 0)
  108.         __fact *= _Tp(-1);
  109.       for (unsigned int __k = 1; __k <= __n; ++__k)
  110.         __fact *= __k / (_Tp(2) * __numeric_constants<_Tp>::__pi());
  111.       __fact *= _Tp(2);
  112.  
  113.       _Tp __sum = _Tp(0);
  114.       for (unsigned int __i = 1; __i < 1000; ++__i)
  115.         {
  116.           _Tp __term = std::pow(_Tp(__i), -_Tp(__n));
  117.           if (__term < std::numeric_limits<_Tp>::epsilon())
  118.             break;
  119.           __sum += __term;
  120.         }
  121.  
  122.       return __fact * __sum;
  123.     }
  124.  
  125.  
  126.     /**
  127.      *   @brief This returns Bernoulli number \f$B_n\f$.
  128.      *
  129.      *   @param __n the order n of the Bernoulli number.
  130.      *   @return  The Bernoulli number of order n.
  131.      */
  132.     template<typename _Tp>
  133.     inline _Tp
  134.     __bernoulli(int __n)
  135.     { return __bernoulli_series<_Tp>(__n); }
  136.  
  137.  
  138.     /**
  139.      *   @brief Return \f$log(\Gamma(x))\f$ by asymptotic expansion
  140.      *          with Bernoulli number coefficients.  This is like
  141.      *          Sterling's approximation.
  142.      *
  143.      *   @param __x The argument of the log of the gamma function.
  144.      *   @return  The logarithm of the gamma function.
  145.      */
  146.     template<typename _Tp>
  147.     _Tp
  148.     __log_gamma_bernoulli(_Tp __x)
  149.     {
  150.       _Tp __lg = (__x - _Tp(0.5L)) * std::log(__x) - __x
  151.                + _Tp(0.5L) * std::log(_Tp(2)
  152.                * __numeric_constants<_Tp>::__pi());
  153.  
  154.       const _Tp __xx = __x * __x;
  155.       _Tp __help = _Tp(1) / __x;
  156.       for ( unsigned int __i = 1; __i < 20; ++__i )
  157.         {
  158.           const _Tp __2i = _Tp(2 * __i);
  159.           __help /= __2i * (__2i - _Tp(1)) * __xx;
  160.           __lg += __bernoulli<_Tp>(2 * __i) * __help;
  161.         }
  162.  
  163.       return __lg;
  164.     }
  165.  
  166.  
  167.     /**
  168.      *   @brief Return \f$log(\Gamma(x))\f$ by the Lanczos method.
  169.      *          This method dominates all others on the positive axis I think.
  170.      *
  171.      *   @param __x The argument of the log of the gamma function.
  172.      *   @return  The logarithm of the gamma function.
  173.      */
  174.     template<typename _Tp>
  175.     _Tp
  176.     __log_gamma_lanczos(_Tp __x)
  177.     {
  178.       const _Tp __xm1 = __x - _Tp(1);
  179.  
  180.       static const _Tp __lanczos_cheb_7[9] = {
  181.        _Tp( 0.99999999999980993227684700473478L),
  182.        _Tp( 676.520368121885098567009190444019L),
  183.        _Tp(-1259.13921672240287047156078755283L),
  184.        _Tp( 771.3234287776530788486528258894L),
  185.        _Tp(-176.61502916214059906584551354L),
  186.        _Tp( 12.507343278686904814458936853L),
  187.        _Tp(-0.13857109526572011689554707L),
  188.        _Tp( 9.984369578019570859563e-6L),
  189.        _Tp( 1.50563273514931155834e-7L)
  190.       };
  191.  
  192.       static const _Tp __LOGROOT2PI
  193.           = _Tp(0.9189385332046727417803297364056176L);
  194.  
  195.       _Tp __sum = __lanczos_cheb_7[0];
  196.       for(unsigned int __k = 1; __k < 9; ++__k)
  197.         __sum += __lanczos_cheb_7[__k] / (__xm1 + __k);
  198.  
  199.       const _Tp __term1 = (__xm1 + _Tp(0.5L))
  200.                         * std::log((__xm1 + _Tp(7.5L))
  201.                        / __numeric_constants<_Tp>::__euler());
  202.       const _Tp __term2 = __LOGROOT2PI + std::log(__sum);
  203.       const _Tp __result = __term1 + (__term2 - _Tp(7));
  204.  
  205.       return __result;
  206.     }
  207.  
  208.  
  209.     /**
  210.      *   @brief Return \f$ log(|\Gamma(x)|) \f$.
  211.      *          This will return values even for \f$ x < 0 \f$.
  212.      *          To recover the sign of \f$ \Gamma(x) \f$ for
  213.      *          any argument use @a __log_gamma_sign.
  214.      *
  215.      *   @param __x The argument of the log of the gamma function.
  216.      *   @return  The logarithm of the gamma function.
  217.      */
  218.     template<typename _Tp>
  219.     _Tp
  220.     __log_gamma(_Tp __x)
  221.     {
  222.       if (__x > _Tp(0.5L))
  223.         return __log_gamma_lanczos(__x);
  224.       else
  225.         {
  226.           const _Tp __sin_fact
  227.                  = std::abs(std::sin(__numeric_constants<_Tp>::__pi() * __x));
  228.           if (__sin_fact == _Tp(0))
  229.             std::__throw_domain_error(__N("Argument is nonpositive integer "
  230.                                           "in __log_gamma"));
  231.           return __numeric_constants<_Tp>::__lnpi()
  232.                      - std::log(__sin_fact)
  233.                      - __log_gamma_lanczos(_Tp(1) - __x);
  234.         }
  235.     }
  236.  
  237.  
  238.     /**
  239.      *   @brief Return the sign of \f$ \Gamma(x) \f$.
  240.      *          At nonpositive integers zero is returned.
  241.      *
  242.      *   @param __x The argument of the gamma function.
  243.      *   @return  The sign of the gamma function.
  244.      */
  245.     template<typename _Tp>
  246.     _Tp
  247.     __log_gamma_sign(_Tp __x)
  248.     {
  249.       if (__x > _Tp(0))
  250.         return _Tp(1);
  251.       else
  252.         {
  253.           const _Tp __sin_fact
  254.                   = std::sin(__numeric_constants<_Tp>::__pi() * __x);
  255.           if (__sin_fact > _Tp(0))
  256.             return (1);
  257.           else if (__sin_fact < _Tp(0))
  258.             return -_Tp(1);
  259.           else
  260.             return _Tp(0);
  261.         }
  262.     }
  263.  
  264.  
  265.     /**
  266.      *   @brief Return the logarithm of the binomial coefficient.
  267.      *   The binomial coefficient is given by:
  268.      *   @f[
  269.      *   \left(  \right) = \frac{n!}{(n-k)! k!}
  270.      *   @f]
  271.      *
  272.      *   @param __n The first argument of the binomial coefficient.
  273.      *   @param __k The second argument of the binomial coefficient.
  274.      *   @return  The binomial coefficient.
  275.      */
  276.     template<typename _Tp>
  277.     _Tp
  278.     __log_bincoef(unsigned int __n, unsigned int __k)
  279.     {
  280.       //  Max e exponent before overflow.
  281.       static const _Tp __max_bincoeff
  282.                       = std::numeric_limits<_Tp>::max_exponent10
  283.                       * std::log(_Tp(10)) - _Tp(1);
  284. #if _GLIBCXX_USE_C99_MATH_TR1
  285.       _Tp __coeff =  std::tr1::lgamma(_Tp(1 + __n))
  286.                   - std::tr1::lgamma(_Tp(1 + __k))
  287.                   - std::tr1::lgamma(_Tp(1 + __n - __k));
  288. #else
  289.       _Tp __coeff =  __log_gamma(_Tp(1 + __n))
  290.                   - __log_gamma(_Tp(1 + __k))
  291.                   - __log_gamma(_Tp(1 + __n - __k));
  292. #endif
  293.     }
  294.  
  295.  
  296.     /**
  297.      *   @brief Return the binomial coefficient.
  298.      *   The binomial coefficient is given by:
  299.      *   @f[
  300.      *   \left(  \right) = \frac{n!}{(n-k)! k!}
  301.      *   @f]
  302.      *
  303.      *   @param __n The first argument of the binomial coefficient.
  304.      *   @param __k The second argument of the binomial coefficient.
  305.      *   @return  The binomial coefficient.
  306.      */
  307.     template<typename _Tp>
  308.     _Tp
  309.     __bincoef(unsigned int __n, unsigned int __k)
  310.     {
  311.       //  Max e exponent before overflow.
  312.       static const _Tp __max_bincoeff
  313.                       = std::numeric_limits<_Tp>::max_exponent10
  314.                       * std::log(_Tp(10)) - _Tp(1);
  315.  
  316.       const _Tp __log_coeff = __log_bincoef<_Tp>(__n, __k);
  317.       if (__log_coeff > __max_bincoeff)
  318.         return std::numeric_limits<_Tp>::quiet_NaN();
  319.       else
  320.         return std::exp(__log_coeff);
  321.     }
  322.  
  323.  
  324.     /**
  325.      *   @brief Return \f$ \Gamma(x) \f$.
  326.      *
  327.      *   @param __x The argument of the gamma function.
  328.      *   @return  The gamma function.
  329.      */
  330.     template<typename _Tp>
  331.     inline _Tp
  332.     __gamma(_Tp __x)
  333.     { return std::exp(__log_gamma(__x)); }
  334.  
  335.  
  336.     /**
  337.      *   @brief  Return the digamma function by series expansion.
  338.      *   The digamma or @f$ \psi(x) @f$ function is defined by
  339.      *   @f[
  340.      *     \psi(x) = \frac{\Gamma'(x)}{\Gamma(x)}
  341.      *   @f]
  342.      *
  343.      *   The series is given by:
  344.      *   @f[
  345.      *     \psi(x) = -\gamma_E - \frac{1}{x}
  346.      *              \sum_{k=1}^{\infty} \frac{x}{k(x + k)}
  347.      *   @f]
  348.      */
  349.     template<typename _Tp>
  350.     _Tp
  351.     __psi_series(_Tp __x)
  352.     {
  353.       _Tp __sum = -__numeric_constants<_Tp>::__gamma_e() - _Tp(1) / __x;
  354.       const unsigned int __max_iter = 100000;
  355.       for (unsigned int __k = 1; __k < __max_iter; ++__k)
  356.         {
  357.           const _Tp __term = __x / (__k * (__k + __x));
  358.           __sum += __term;
  359.           if (std::abs(__term / __sum) < std::numeric_limits<_Tp>::epsilon())
  360.             break;
  361.         }
  362.       return __sum;
  363.     }
  364.  
  365.  
  366.     /**
  367.      *   @brief  Return the digamma function for large argument.
  368.      *   The digamma or @f$ \psi(x) @f$ function is defined by
  369.      *   @f[
  370.      *     \psi(x) = \frac{\Gamma'(x)}{\Gamma(x)}
  371.      *   @f]
  372.      *
  373.      *   The asymptotic series is given by:
  374.      *   @f[
  375.      *     \psi(x) = \ln(x) - \frac{1}{2x}
  376.      *             - \sum_{n=1}^{\infty} \frac{B_{2n}}{2 n x^{2n}}
  377.      *   @f]
  378.      */
  379.     template<typename _Tp>
  380.     _Tp
  381.     __psi_asymp(_Tp __x)
  382.     {
  383.       _Tp __sum = std::log(__x) - _Tp(0.5L) / __x;
  384.       const _Tp __xx = __x * __x;
  385.       _Tp __xp = __xx;
  386.       const unsigned int __max_iter = 100;
  387.       for (unsigned int __k = 1; __k < __max_iter; ++__k)
  388.         {
  389.           const _Tp __term = __bernoulli<_Tp>(2 * __k) / (2 * __k * __xp);
  390.           __sum -= __term;
  391.           if (std::abs(__term / __sum) < std::numeric_limits<_Tp>::epsilon())
  392.             break;
  393.           __xp *= __xx;
  394.         }
  395.       return __sum;
  396.     }
  397.  
  398.  
  399.     /**
  400.      *   @brief  Return the digamma function.
  401.      *   The digamma or @f$ \psi(x) @f$ function is defined by
  402.      *   @f[
  403.      *     \psi(x) = \frac{\Gamma'(x)}{\Gamma(x)}
  404.      *   @f]
  405.      *   For negative argument the reflection formula is used:
  406.      *   @f[
  407.      *     \psi(x) = \psi(1-x) - \pi \cot(\pi x)
  408.      *   @f]
  409.      */
  410.     template<typename _Tp>
  411.     _Tp
  412.     __psi(_Tp __x)
  413.     {
  414.       const int __n = static_cast<int>(__x + 0.5L);
  415.       const _Tp __eps = _Tp(4) * std::numeric_limits<_Tp>::epsilon();
  416.       if (__n <= 0 && std::abs(__x - _Tp(__n)) < __eps)
  417.         return std::numeric_limits<_Tp>::quiet_NaN();
  418.       else if (__x < _Tp(0))
  419.         {
  420.           const _Tp __pi = __numeric_constants<_Tp>::__pi();
  421.           return __psi(_Tp(1) - __x)
  422.                - __pi * std::cos(__pi * __x) / std::sin(__pi * __x);
  423.         }
  424.       else if (__x > _Tp(100))
  425.         return __psi_asymp(__x);
  426.       else
  427.         return __psi_series(__x);
  428.     }
  429.  
  430.  
  431.     /**
  432.      *   @brief  Return the polygamma function @f$ \psi^{(n)}(x) @f$.
  433.      *
  434.      *   The polygamma function is related to the Hurwitz zeta function:
  435.      *   @f[
  436.      *     \psi^{(n)}(x) = (-1)^{n+1} m! \zeta(m+1,x)
  437.      *   @f]
  438.      */
  439.     template<typename _Tp>
  440.     _Tp
  441.     __psi(unsigned int __n, _Tp __x)
  442.     {
  443.       if (__x <= _Tp(0))
  444.         std::__throw_domain_error(__N("Argument out of range "
  445.                                       "in __psi"));
  446.       else if (__n == 0)
  447.         return __psi(__x);
  448.       else
  449.         {
  450.           const _Tp __hzeta = __hurwitz_zeta(_Tp(__n + 1), __x);
  451. #if _GLIBCXX_USE_C99_MATH_TR1
  452.           const _Tp __ln_nfact = std::tr1::lgamma(_Tp(__n + 1));
  453. #else
  454.           const _Tp __ln_nfact = __log_gamma(_Tp(__n + 1));
  455. #endif
  456.           _Tp __result = std::exp(__ln_nfact) * __hzeta;
  457.           if (__n % 2 == 1)
  458.             __result = -__result;
  459.           return __result;
  460.         }
  461.     }
  462.  
  463.   _GLIBCXX_END_NAMESPACE_VERSION
  464.   } // namespace std::tr1::__detail
  465. }
  466. }
  467.  
  468. #endif // _GLIBCXX_TR1_GAMMA_TCC
  469.  
  470.