fb7d99933be268a47535dd7f3942f2582ad40f3c
[ginac.git] / check / check_inifcns.cpp
1 /** @file check_inifcns.cpp
2  *
3  *  This test routine applies assorted tests on initially known higher level
4  *  functions. */
5
6 /*
7  *  GiNaC Copyright (C) 1999-2000 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
8  *
9  *  This program is free software; you can redistribute it and/or modify
10  *  it under the terms of the GNU General Public License as published by
11  *  the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
12  *  (at your option) any later version.
13  *
14  *  This program is distributed in the hope that it will be useful,
15  *  but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
16  *  MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
17  *  GNU General Public License for more details.
18  *
19  *  You should have received a copy of the GNU General Public License
20  *  along with this program; if not, write to the Free Software
21  *  Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA  02111-1307  USA
22  */
23
24 #include "checks.h"
25
26 /* Some tests on the sine trigonometric function. */
27 static unsigned inifcns_consist_sin(void)
28 {
29     unsigned result = 0;
30     bool errorflag = false;
31     
32     // sin(n*Pi) == 0?
33     errorflag = false;
34     for (int n=-10; n<=10; ++n) {
35         if (sin(n*Pi).eval() != numeric(0) ||
36             !sin(n*Pi).eval().info(info_flags::integer))
37             errorflag = true;
38     }
39     if (errorflag) {
40         // we don't count each of those errors
41         clog << "sin(n*Pi) with integer n does not always return exact 0"
42              << endl;
43         ++result;
44     }
45     
46     // sin((n+1/2)*Pi) == {+|-}1?
47     errorflag = false;
48     for (int n=-10; n<=10; ++n) {
49         if (!sin((n+numeric(1,2))*Pi).eval().info(info_flags::integer) ||
50             !(sin((n+numeric(1,2))*Pi).eval() == numeric(1) ||
51               sin((n+numeric(1,2))*Pi).eval() == numeric(-1)))
52             errorflag = true;
53     }
54     if (errorflag) {
55         clog << "sin((n+1/2)*Pi) with integer n does not always return exact {+|-}1"
56              << endl;
57         ++result;
58     }
59     
60     // compare sin((q*Pi).evalf()) with sin(q*Pi).eval().evalf() at various
61     // points.  E.g. if sin(Pi/10) returns something symbolic this should be
62     // equal to sqrt(5)/4-1/4.  This routine will spot programming mistakes
63     // of this kind:
64     errorflag = false;
65     ex argument;
66     numeric epsilon(double(1e-8));
67     for (int n=-340; n<=340; ++n) {
68         argument = n*Pi/60;
69         if (abs(sin(evalf(argument))-evalf(sin(argument)))>epsilon) {
70             clog << "sin(" << argument << ") returns "
71                  << sin(argument) << endl;
72             errorflag = true;
73         }
74     }
75     if (errorflag) {
76         ++result;
77     }
78     
79     return result;
80 }
81
82 /* Simple tests on the cosine trigonometric function. */
83 static unsigned inifcns_consist_cos(void)
84 {
85     unsigned result = 0;
86     bool errorflag;
87     
88     // cos((n+1/2)*Pi) == 0?
89     errorflag = false;
90     for (int n=-10; n<=10; ++n) {
91         if (cos((n+numeric(1,2))*Pi).eval() != numeric(0) ||
92             !cos((n+numeric(1,2))*Pi).eval().info(info_flags::integer))
93             errorflag = true;
94     }
95     if (errorflag) {
96         clog << "cos((n+1/2)*Pi) with integer n does not always return exact 0"
97              << endl;
98         ++result;
99     }
100     
101     // cos(n*Pi) == 0?
102     errorflag = false;
103     for (int n=-10; n<=10; ++n) {
104         if (!cos(n*Pi).eval().info(info_flags::integer) ||
105             !(cos(n*Pi).eval() == numeric(1) ||
106               cos(n*Pi).eval() == numeric(-1)))
107             errorflag = true;
108     }
109     if (errorflag) {
110         clog << "cos(n*Pi) with integer n does not always return exact {+|-}1"
111              << endl;
112         ++result;
113     }
114     
115     // compare cos((q*Pi).evalf()) with cos(q*Pi).eval().evalf() at various
116     // points.  E.g. if cos(Pi/12) returns something symbolic this should be
117     // equal to 1/4*(1+1/3*sqrt(3))*sqrt(6).  This routine will spot
118     // programming mistakes of this kind:
119     errorflag = false;
120     ex argument;
121     numeric epsilon(double(1e-8));
122     for (int n=-340; n<=340; ++n) {
123         argument = n*Pi/60;
124         if (abs(cos(evalf(argument))-evalf(cos(argument)))>epsilon) {
125             clog << "cos(" << argument << ") returns "
126                  << cos(argument) << endl;
127             errorflag = true;
128         }
129     }
130     if (errorflag) {
131         ++result;
132     }
133     
134     return result;
135 }
136
137 /* Simple tests on the tangent trigonometric function. */
138 static unsigned inifcns_consist_tan(void)
139 {
140     unsigned result = 0;
141     bool errorflag;
142     
143     // compare tan((q*Pi).evalf()) with tan(q*Pi).eval().evalf() at various
144     // points.  E.g. if tan(Pi/12) returns something symbolic this should be
145     // equal to 2-sqrt(3).  This routine will spot programming mistakes of 
146     // this kind:
147     errorflag = false;
148     ex argument;
149     numeric epsilon(double(1e-8));
150     for (int n=-340; n<=340; ++n) {
151         if (!(n%30) && (n%60))  // skip poles
152             ++n;
153         argument = n*Pi/60;
154         if (abs(tan(evalf(argument))-evalf(tan(argument)))>epsilon) {
155             clog << "tan(" << argument << ") returns "
156                  << tan(argument) << endl;
157             errorflag = true;
158         }
159     }
160     if (errorflag) {
161         ++result;
162     }
163     
164     return result;
165 }
166
167 /* Assorted tests on other transcendental functions. */
168 static unsigned inifcns_consist_trans(void)
169 {
170     unsigned result = 0;
171     symbol x("x");
172     ex chk;
173     
174     chk = asin(1)-acos(0);
175     if (!chk.is_zero()) {
176         clog << "asin(1)-acos(0) erroneously returned " << chk
177              << " instead of 0" << endl;
178         ++result;
179     }
180     
181     // arbitrary check of type sin(f(x)):
182     chk = pow(sin(acos(x)),2) + pow(sin(asin(x)),2)
183         - (1+pow(x,2))*pow(sin(atan(x)),2);
184     if (chk != 1-pow(x,2)) {
185         clog << "sin(acos(x))^2 + sin(asin(x))^2 - (1+x^2)*sin(atan(x))^2 "
186              << "erroneously returned " << chk << " instead of 1-x^2" << endl;
187         ++result;
188     }
189     
190     // arbitrary check of type cos(f(x)):
191     chk = pow(cos(acos(x)),2) + pow(cos(asin(x)),2)
192         - (1+pow(x,2))*pow(cos(atan(x)),2);
193     if (!chk.is_zero()) {
194         clog << "cos(acos(x))^2 + cos(asin(x))^2 - (1+x^2)*cos(atan(x))^2 "
195              << "erroneously returned " << chk << " instead of 0" << endl;
196         ++result;
197     }
198     
199     // arbitrary check of type tan(f(x)):
200     chk = tan(acos(x))*tan(asin(x)) - tan(atan(x));
201     if (chk != 1-x) {
202         clog << "tan(acos(x))*tan(asin(x)) - tan(atan(x)) "
203              << "erroneously returned " << chk << " instead of -x+1" << endl;
204         ++result;
205     }
206     
207     // arbitrary check of type sinh(f(x)):
208     chk = -pow(sinh(acosh(x)),2).expand()*pow(sinh(atanh(x)),2)
209         - pow(sinh(asinh(x)),2);
210     if (!chk.is_zero()) {
211         clog << "expand(-(sinh(acosh(x)))^2)*(sinh(atanh(x))^2) - sinh(asinh(x))^2 "
212              << "erroneously returned " << chk << " instead of 0" << endl;
213         ++result;
214     }
215     
216     // arbitrary check of type cosh(f(x)):
217     chk = (pow(cosh(asinh(x)),2) - 2*pow(cosh(acosh(x)),2))
218         * pow(cosh(atanh(x)),2);
219     if (chk != 1) {
220         clog << "(cosh(asinh(x))^2 - 2*cosh(acosh(x))^2) * cosh(atanh(x))^2 "
221              << "erroneously returned " << chk << " instead of 1" << endl;
222         ++result;
223     }
224     
225     // arbitrary check of type tanh(f(x)):
226     chk = (pow(tanh(asinh(x)),-2) - pow(tanh(acosh(x)),2)).expand()
227         * pow(tanh(atanh(x)),2);
228     if (chk != 2) {
229         clog << "expand(tanh(acosh(x))^2 - tanh(asinh(x))^(-2)) * tanh(atanh(x))^2 "
230              << "erroneously returned " << chk << " instead of 2" << endl;
231         ++result;
232     }
233     
234     return result;
235 }
236
237 /* Simple tests on the Gamma function.  We stuff in arguments where the results
238  * exists in closed form and check if it's ok. */
239 static unsigned inifcns_consist_gamma(void)
240 {
241     unsigned result = 0;
242     ex e;
243     
244     e = gamma(ex(1));
245     for (int i=2; i<8; ++i)
246         e += gamma(ex(i));
247     if (e != numeric(874)) {
248         clog << "gamma(1)+...+gamma(7) erroneously returned "
249              << e << " instead of 874" << endl;
250         ++result;
251     }
252     
253     e = gamma(ex(1));
254     for (int i=2; i<8; ++i)
255         e *= gamma(ex(i));    
256     if (e != numeric(24883200)) {
257         clog << "gamma(1)*...*gamma(7) erroneously returned "
258              << e << " instead of 24883200" << endl;
259         ++result;
260     }
261     
262     e = gamma(ex(numeric(5, 2)))*gamma(ex(numeric(9, 2)))*64;
263     if (e != 315*Pi) {
264         clog << "64*gamma(5/2)*gamma(9/2) erroneously returned "
265              << e << " instead of 315*Pi" << endl;
266         ++result;
267     }
268     
269     e = gamma(ex(numeric(-13, 2)));
270     for (int i=-13; i<7; i=i+2)
271         e += gamma(ex(numeric(i, 2)));
272     e = (e*gamma(ex(numeric(15, 2)))*numeric(512));
273     if (e != numeric(633935)*Pi) {
274         clog << "512*(gamma(-13/2)+...+gamma(5/2))*gamma(15/2) erroneously returned "
275              << e << " instead of 633935*Pi" << endl;
276         ++result;
277     }
278     
279     return result;
280 }
281
282 /* Simple tests on the Psi-function (aka polygamma-function).  We stuff in
283    arguments where the result exists in closed form and check if it's ok. */
284 static unsigned inifcns_consist_psi(void)
285 {
286     unsigned result = 0;
287     symbol x;
288     ex e, f;
289     
290     // We check psi(1) and psi(1/2) implicitly by calculating the curious
291     // little identity gamma(1)'/gamma(1) - gamma(1/2)'/gamma(1/2) == 2*log(2).
292     e += (gamma(x).diff(x)/gamma(x)).subs(x==numeric(1));
293     e -= (gamma(x).diff(x)/gamma(x)).subs(x==numeric(1,2));
294     if (e!=2*log(2)) {
295         clog << "gamma(1)'/gamma(1) - gamma(1/2)'/gamma(1/2) erroneously returned "
296              << e << " instead of 2*log(2)" << endl;
297         ++result;
298     }
299     
300     return result;
301 }
302
303 /* Simple tests on the Riemann Zeta function.  We stuff in arguments where the
304  * result exists in closed form and check if it's ok.  Of course, this checks
305  * the Bernoulli numbers as a side effect. */
306 static unsigned inifcns_consist_zeta(void)
307 {
308     unsigned result = 0;
309     ex e;
310     
311     for (int i=0; i<13; i+=2)
312         e += zeta(i)/pow(Pi,i);
313     if (e!=numeric(-204992279,638512875)) {
314         clog << "zeta(0) + zeta(2) + ... + zeta(12) erroneously returned "
315              << e << " instead of -204992279/638512875" << endl;
316         ++result;
317     }
318     
319     e = 0;
320     for (int i=-1; i>-16; i--)
321         e += zeta(i);
322     if (e!=numeric(487871,1633632)) {
323         clog << "zeta(-1) + zeta(-2) + ... + zeta(-15) erroneously returned "
324              << e << " instead of 487871/1633632" << endl;
325         ++result;
326     }
327     
328     return result;
329 }
330
331 unsigned check_inifcns(void)
332 {
333     unsigned result = 0;
334
335     cout << "checking consistency of symbolic functions" << flush;
336     clog << "---------consistency of symbolic functions:" << endl;
337     
338     result += inifcns_consist_sin();  cout << '.' << flush;
339     result += inifcns_consist_cos();  cout << '.' << flush;
340     result += inifcns_consist_tan();  cout << '.' << flush;
341     result += inifcns_consist_trans();  cout << '.' << flush;
342     result += inifcns_consist_gamma();  cout << '.' << flush;
343     result += inifcns_consist_psi();  cout << '.' << flush;
344     result += inifcns_consist_zeta();  cout << '.' << flush;
345
346     if (!result) {
347         cout << " passed " << endl;
348         clog << "(no output)" << endl;
349     } else {
350         cout << " failed " << endl;
351     }
352     
353     return result;
354 }