]> www.ginac.de Git - ginac.git/blobdiff - ginac/inifcns_gamma.cpp
- expairseq.cpp: moved expairseq::to_rational to...
[ginac.git] / ginac / inifcns_gamma.cpp
index 7480bf204385814a5fbe68b3212be4c04caf76aa..213d9d7ff04ea70fd902b39e9bd4b4a282256209 100644 (file)
@@ -39,40 +39,115 @@ namespace GiNaC {
 #endif // ndef NO_NAMESPACE_GINAC
 
 //////////
-// Gamma-function
+// Logarithm of Gamma function
 //////////
 
-static ex gamma_evalf(const ex & x)
+static ex lgamma_evalf(const ex & x)
 {
     BEGIN_TYPECHECK
         TYPECHECK(x,numeric)
-    END_TYPECHECK(gamma(x))
+    END_TYPECHECK(lgamma(x))
     
-    return gamma(ex_to_numeric(x));
+    return lgamma(ex_to_numeric(x));
 }
 
 
-/** Evaluation of gamma(x). Knows about integer arguments, half-integer
- *  arguments and that's it. Somebody ought to provide some good numerical
- *  evaluation some day...
+/** Evaluation of lgamma(x), the natural logarithm of the Gamma function.
+ *  Knows about integer arguments and that's it.  Somebody ought to provide
+ *  some good numerical evaluation some day...
  *
- *  @exception std::domain_error("gamma_eval(): simple pole") */
-static ex gamma_eval(const ex & x)
+ *  @exception std::domain_error("lgamma_eval(): logarithmic pole") */
+static ex lgamma_eval(const ex & x)
 {
     if (x.info(info_flags::numeric)) {
         // trap integer arguments:
         if (x.info(info_flags::integer)) {
-            // gamma(n+1) -> n! for postitive n
+            // lgamma(n) -> log((n-1)!) for postitive n
+            if (x.info(info_flags::posint)) {
+                return log(factorial(x.exadd(_ex_1())));
+            } else {
+                throw (std::domain_error("lgamma_eval(): logarithmic pole"));
+            }
+        }
+        //  lgamma_evalf should be called here once it becomes available
+    }
+    
+    return lgamma(x).hold();
+}
+
+
+static ex lgamma_deriv(const ex & x, unsigned deriv_param)
+{
+    GINAC_ASSERT(deriv_param==0);
+    
+    // d/dx  lgamma(x) -> psi(x)
+    return psi(x);
+}
+
+
+static ex lgamma_series(const ex & x, const relational & rel, int order)
+{
+    // method:
+    // Taylor series where there is no pole falls back to psi function
+    // evaluation.
+    // On a pole at -m we could use the recurrence relation
+    //   lgamma(x) == lgamma(x+1)-log(x)
+    // from which follows
+    //   series(lgamma(x),x==-m,order) ==
+    //   series(lgamma(x+m+1)-log(x)...-log(x+m)),x==-m,order);
+    // This, however, seems to fail utterly because you run into branch-cut
+    // problems.  Somebody ought to implement it some day using an asymptotic
+    // series for tgamma:
+    const ex x_pt = x.subs(rel);
+    if (!x_pt.info(info_flags::integer) || x_pt.info(info_flags::positive))
+        throw do_taylor();  // caught by function::series()
+    // if we got here we have to care for a simple pole of tgamma(-m):
+    throw (std::domain_error("lgamma_series: please implemnt my at the poles"));
+    return _ex0();  // not reached
+}
+
+
+REGISTER_FUNCTION(lgamma, eval_func(lgamma_eval).
+                          evalf_func(lgamma_evalf).
+                          derivative_func(lgamma_deriv).
+                          series_func(lgamma_series));
+
+
+//////////
+// true Gamma function
+//////////
+
+static ex tgamma_evalf(const ex & x)
+{
+    BEGIN_TYPECHECK
+        TYPECHECK(x,numeric)
+    END_TYPECHECK(tgamma(x))
+    
+    return tgamma(ex_to_numeric(x));
+}
+
+
+/** Evaluation of tgamma(x), the true Gamma function.  Knows about integer
+ *  arguments, half-integer arguments and that's it. Somebody ought to provide
+ *  some good numerical evaluation some day...
+ *
+ *  @exception std::domain_error("tgamma_eval(): simple pole") */
+static ex tgamma_eval(const ex & x)
+{
+    if (x.info(info_flags::numeric)) {
+        // trap integer arguments:
+        if (x.info(info_flags::integer)) {
+            // tgamma(n) -> (n-1)! for postitive n
             if (x.info(info_flags::posint)) {
                 return factorial(ex_to_numeric(x).sub(_num1()));
             } else {
-                throw (std::domain_error("gamma_eval(): simple pole"));
+                throw (std::domain_error("tgamma_eval(): simple pole"));
             }
         }
         // trap half integer arguments:
         if ((x*2).info(info_flags::integer)) {
             // trap positive x==(n+1/2)
-            // gamma(n+1/2) -> Pi^(1/2)*(1*3*..*(2*n-1))/(2^n)
+            // tgamma(n+1/2) -> Pi^(1/2)*(1*3*..*(2*n-1))/(2^n)
             if ((x*_ex2()).info(info_flags::posint)) {
                 numeric n = ex_to_numeric(x).sub(_num1_2());
                 numeric coefficient = doublefactorial(n.mul(_num2()).sub(_num1()));
@@ -80,41 +155,40 @@ static ex gamma_eval(const ex & x)
                 return coefficient * pow(Pi,_ex1_2());
             } else {
                 // trap negative x==(-n+1/2)
-                // gamma(-n+1/2) -> Pi^(1/2)*(-2)^n/(1*3*..*(2*n-1))
+                // tgamma(-n+1/2) -> Pi^(1/2)*(-2)^n/(1*3*..*(2*n-1))
                 numeric n = abs(ex_to_numeric(x).sub(_num1_2()));
                 numeric coefficient = pow(_num_2(), n);
                 coefficient = coefficient.div(doublefactorial(n.mul(_num2()).sub(_num1())));;
                 return coefficient*power(Pi,_ex1_2());
             }
         }
-        //  gamma_evalf should be called here once it becomes available
+        //  tgamma_evalf should be called here once it becomes available
     }
     
-    return gamma(x).hold();
-}    
+    return tgamma(x).hold();
+}
 
 
-static ex gamma_deriv(const ex & x, unsigned deriv_param)
+static ex tgamma_deriv(const ex & x, unsigned deriv_param)
 {
     GINAC_ASSERT(deriv_param==0);
     
-    // d/dx  log(gamma(x)) -> psi(x)
-    // d/dx  gamma(x) -> psi(x)*gamma(x)
-    return psi(x)*gamma(x);
+    // d/dx  tgamma(x) -> psi(x)*tgamma(x)
+    return psi(x)*tgamma(x);
 }
 
 
-static ex gamma_series(const ex & x, const symbol & s, const ex & pt, int order)
+static ex tgamma_series(const ex & x, const relational & rel, int order)
 {
     // method:
     // Taylor series where there is no pole falls back to psi function
     // evaluation.
     // On a pole at -m use the recurrence relation
-    //   gamma(x) == gamma(x+1) / x
+    //   tgamma(x) == tgamma(x+1) / x
     // from which follows
-    //   series(gamma(x),x,-m,order) ==
-    //   series(gamma(x+m+1)/(x*(x+1)*...*(x+m)),x,-m,order+1);
-    const ex x_pt = x.subs(s==pt);
+    //   series(tgamma(x),x==-m,order) ==
+    //   series(tgamma(x+m+1)/(x*(x+1)*...*(x+m)),x==-m,order+1);
+    const ex x_pt = x.subs(rel);
     if (!x_pt.info(info_flags::integer) || x_pt.info(info_flags::positive))
         throw do_taylor();  // caught by function::series()
     // if we got here we have to care for a simple pole at -m:
@@ -122,18 +196,18 @@ static ex gamma_series(const ex & x, const symbol & s, const ex & pt, int order)
     ex ser_denom = _ex1();
     for (numeric p; p<=m; ++p)
         ser_denom *= x+p;
-    return (gamma(x+m+_ex1())/ser_denom).series(s, pt, order+1);
+    return (tgamma(x+m+_ex1())/ser_denom).series(rel, order+1);
 }
 
 
-REGISTER_FUNCTION(gamma, eval_func(gamma_eval).
-                         evalf_func(gamma_evalf).
-                         derivative_func(gamma_deriv).
-                         series_func(gamma_series));
+REGISTER_FUNCTION(tgamma, eval_func(tgamma_eval).
+                          evalf_func(tgamma_evalf).
+                          derivative_func(tgamma_deriv).
+                          series_func(tgamma_series));
 
 
 //////////
-// Beta-function
+// beta-function
 //////////
 
 static ex beta_evalf(const ex & x, const ex & y)
@@ -143,14 +217,14 @@ static ex beta_evalf(const ex & x, const ex & y)
         TYPECHECK(y,numeric)
     END_TYPECHECK(beta(x,y))
     
-    return gamma(ex_to_numeric(x))*gamma(ex_to_numeric(y))/gamma(ex_to_numeric(x+y));
+    return tgamma(ex_to_numeric(x))*tgamma(ex_to_numeric(y))/tgamma(ex_to_numeric(x+y));
 }
 
 
 static ex beta_eval(const ex & x, const ex & y)
 {
     if (x.info(info_flags::numeric) && y.info(info_flags::numeric)) {
-        // treat all problematic x and y that may not be passed into gamma,
+        // treat all problematic x and y that may not be passed into tgamma,
         // because they would throw there although beta(x,y) is well-defined
         // using the formula beta(x,y) == (-1)^y * beta(1-x-y, y)
         numeric nx(ex_to_numeric(x));
@@ -169,7 +243,7 @@ static ex beta_eval(const ex & x, const ex & y)
                 else
                     throw (std::domain_error("beta_eval(): simple pole"));
             }
-            return gamma(x)*gamma(y)/gamma(x+y);
+            return tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y);
         }
         // no problem in numerator, but denominator has pole:
         if ((nx+ny).is_real() &&
@@ -177,7 +251,7 @@ static ex beta_eval(const ex & x, const ex & y)
             !(nx+ny).is_positive())
              return _ex0();
         // everything is ok:
-        return gamma(x)*gamma(y)/gamma(x+y);
+        return tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y);
     }
     
     return beta(x,y).hold();
@@ -199,36 +273,37 @@ static ex beta_deriv(const ex & x, const ex & y, unsigned deriv_param)
 }
 
 
-static ex beta_series(const ex & x, const ex & y, const symbol & s, const ex & pt, int order)
+static ex beta_series(const ex & x, const ex & y, const relational & rel, int order)
 {
     // method:
-    // Taylor series where there is no pole of one of the gamma functions
+    // Taylor series where there is no pole of one of the tgamma functions
     // falls back to beta function evaluation.  Otherwise, fall back to
-    // gamma series directly.
-    // FIXME: this could need some testing, maybe it's wrong in some cases?
-    const ex x_pt = x.subs(s==pt);
-    const ex y_pt = y.subs(s==pt);
+    // tgamma series directly.
+    const ex x_pt = x.subs(rel);
+    const ex y_pt = y.subs(rel);
+    GINAC_ASSERT(is_ex_exactly_of_type(rel.lhs(),symbol));
+    const symbol *s = static_cast<symbol *>(rel.lhs().bp);
     ex x_ser, y_ser, xy_ser;
     if ((!x_pt.info(info_flags::integer) || x_pt.info(info_flags::positive)) &&
         (!y_pt.info(info_flags::integer) || y_pt.info(info_flags::positive)))
         throw do_taylor();  // caught by function::series()
     // trap the case where x is on a pole directly:
     if (x.info(info_flags::integer) && !x.info(info_flags::positive))
-        x_ser = gamma(x+s).series(s,pt,order);
+        x_ser = tgamma(x+*s).series(rel,order);
     else
-        x_ser = gamma(x).series(s,pt,order);
+        x_ser = tgamma(x).series(rel,order);
     // trap the case where y is on a pole directly:
     if (y.info(info_flags::integer) && !y.info(info_flags::positive))
-        y_ser = gamma(y+s).series(s,pt,order);
+        y_ser = tgamma(y+*s).series(rel,order);
     else
-        y_ser = gamma(y).series(s,pt,order);
+        y_ser = tgamma(y).series(rel,order);
     // trap the case where y is on a pole directly:
     if ((x+y).info(info_flags::integer) && !(x+y).info(info_flags::positive))
-        xy_ser = gamma(y+x+s).series(s,pt,order);
+        xy_ser = tgamma(y+x+*s).series(rel,order);
     else
-        xy_ser = gamma(y+x).series(s,pt,order);
+        xy_ser = tgamma(y+x).series(rel,order);
     // compose the result:
-    return (x_ser*y_ser/xy_ser).series(s,pt,order);
+    return (x_ser*y_ser/xy_ser).series(rel,order);
 }
 
 
@@ -260,11 +335,11 @@ static ex psi1_eval(const ex & x)
         if (nx.is_integer()) {
             // integer case 
             if (nx.is_positive()) {
-                // psi(n) -> 1 + 1/2 +...+ 1/(n-1) - EulerGamma
+                // psi(n) -> 1 + 1/2 +...+ 1/(n-1) - Euler
                 numeric rat(0);
                 for (numeric i(nx+_num_1()); i.is_positive(); --i)
                     rat += i.inverse();
-                return rat-EulerGamma;
+                return rat-Euler;
             } else {
                 // for non-positive integers there is a pole:
                 throw (std::domain_error("psi_eval(): simple pole"));
@@ -273,11 +348,11 @@ static ex psi1_eval(const ex & x)
         if ((_num2()*nx).is_integer()) {
             // half integer case
             if (nx.is_positive()) {
-                // psi((2m+1)/2) -> 2/(2m+1) + 2/2m +...+ 2/1 - EulerGamma - 2log(2)
+                // psi((2m+1)/2) -> 2/(2m+1) + 2/2m +...+ 2/1 - Euler - 2log(2)
                 numeric rat(0);
                 for (numeric i((nx+_num_1())*_num2()); i.is_positive(); i-=_num2())
                                       rat += _num2()*i.inverse();
-                                      return rat-EulerGamma-_ex2()*log(_ex2());
+                                      return rat-Euler-_ex2()*log(_ex2());
             } else {
                 // use the recurrence relation
                 //   psi(-m-1/2) == psi(-m-1/2+1) - 1 / (-m-1/2)
@@ -304,7 +379,7 @@ static ex psi1_deriv(const ex & x, unsigned deriv_param)
     return psi(_ex1(), x);
 }
 
-static ex psi1_series(const ex & x, const symbol & s, const ex & pt, int order)
+static ex psi1_series(const ex & x, const relational & rel, int order)
 {
     // method:
     // Taylor series where there is no pole falls back to polygamma function
@@ -312,9 +387,9 @@ static ex psi1_series(const ex & x, const symbol & s, const ex & pt, int order)
     // On a pole at -m use the recurrence relation
     //   psi(x) == psi(x+1) - 1/z
     // from which follows
-    //   series(psi(x),x,-m,order) ==
-    //   series(psi(x+m+1) - 1/x - 1/(x+1) - 1/(x+m)),x,-m,order);
-    const ex x_pt = x.subs(s==pt);
+    //   series(psi(x),x==-m,order) ==
+    //   series(psi(x+m+1) - 1/x - 1/(x+1) - 1/(x+m)),x==-m,order);
+    const ex x_pt = x.subs(rel);
     if (!x_pt.info(info_flags::integer) || x_pt.info(info_flags::positive))
         throw do_taylor();  // caught by function::series()
     // if we got here we have to care for a simple pole at -m:
@@ -322,7 +397,7 @@ static ex psi1_series(const ex & x, const symbol & s, const ex & pt, int order)
     ex recur;
     for (numeric p; p<=m; ++p)
         recur += power(x+p,_ex_1());
-    return (psi(x+m+_ex1())-recur).series(s, pt, order);
+    return (psi(x+m+_ex1())-recur).series(rel, order);
 }
 
 const unsigned function_index_psi1 =
@@ -354,9 +429,9 @@ static ex psi2_eval(const ex & n, const ex & x)
     // psi(0,x) -> psi(x)
     if (n.is_zero())
         return psi(x);
-    // psi(-1,x) -> log(gamma(x))
+    // psi(-1,x) -> log(tgamma(x))
     if (n.is_equal(_ex_1()))
-        return log(gamma(x));
+        return log(tgamma(x));
     if (n.info(info_flags::numeric) && n.info(info_flags::posint) &&
         x.info(info_flags::numeric)) {
         numeric nn = ex_to_numeric(n);
@@ -424,7 +499,7 @@ static ex psi2_deriv(const ex & n, const ex & x, unsigned deriv_param)
     return psi(n+_ex1(), x);
 }
 
-static ex psi2_series(const ex & n, const ex & x, const symbol & s, const ex & pt, int order)
+static ex psi2_series(const ex & n, const ex & x, const relational & rel, int order)
 {
     // method:
     // Taylor series where there is no pole falls back to polygamma function
@@ -432,10 +507,10 @@ static ex psi2_series(const ex & n, const ex & x, const symbol & s, const ex & p
     // On a pole at -m use the recurrence relation
     //   psi(n,x) == psi(n,x+1) - (-)^n * n! / x^(n+1)
     // from which follows
-    //   series(psi(x),x,-m,order) == 
+    //   series(psi(x),x==-m,order) == 
     //   series(psi(x+m+1) - (-1)^n * n! * ((x)^(-n-1) + (x+1)^(-n-1) + ...
-    //                                      ... + (x+m)^(-n-1))),x,-m,order);
-    const ex x_pt = x.subs(s==pt);
+    //                                      ... + (x+m)^(-n-1))),x==-m,order);
+    const ex x_pt = x.subs(rel);
     if (!x_pt.info(info_flags::integer) || x_pt.info(info_flags::positive))
         throw do_taylor();  // caught by function::series()
     // if we got here we have to care for a pole of order n+1 at -m:
@@ -444,14 +519,14 @@ static ex psi2_series(const ex & n, const ex & x, const symbol & s, const ex & p
     for (numeric p; p<=m; ++p)
         recur += power(x+p,-n+_ex_1());
     recur *= factorial(n)*power(_ex_1(),n);
-    return (psi(n, x+m+_ex1())-recur).series(s, pt, order);
+    return (psi(n, x+m+_ex1())-recur).series(rel, order);
 }
 
 const unsigned function_index_psi2 =
     function::register_new(function_options("psi").
                            eval_func(psi2_eval).
                            evalf_func(psi2_evalf).
-                          derivative_func(psi2_deriv).
+               derivative_func(psi2_deriv).
                           series_func(psi2_series).
                           overloaded(2));