]> www.ginac.de Git - ginac.git/blobdiff - ginac/numeric.cpp
- changed function::diff() to be more tolerant by checking first if the
[ginac.git] / ginac / numeric.cpp
index 126a4b25f4e1ece391e80de05f9698f54f673ff5..1cc1fa69592e37195ca013cf38c295f98bec4ae9 100644 (file)
@@ -30,6 +30,7 @@
 #include "numeric.h"
 #include "ex.h"
 #include "config.h"
+#include "debugmsg.h"
 
 // CLN should not pollute the global namespace, hence we include it here
 // instead of in some header file where it would propagate to other parts:
@@ -39,6 +40,8 @@
 #include <cln.h>
 #endif
 
+namespace GiNaC {
+
 // linker has no problems finding text symbols for numerator or denominator
 //#define SANE_LINKER
 
@@ -221,7 +224,7 @@ void numeric::printraw(ostream & os) const
 void numeric::print(ostream & os, unsigned upper_precedence) const
 {
     debugmsg("numeric print", LOGLEVEL_PRINT);
-    if (is_real()) {  
+    if (is_real()) {
         // case 1, real:  x  or  -x
         if ((precedence<=upper_precedence) && (!is_pos_integer())) {
             os << "(" << *value << ")";
@@ -323,7 +326,7 @@ ex numeric::evalf(int level) const
 
 int numeric::compare_same_type(basic const & other) const
 {
-    ASSERT(is_exactly_of_type(other, numeric));
+    GINAC_ASSERT(is_exactly_of_type(other, numeric));
     numeric const & o = static_cast<numeric &>(const_cast<basic &>(other));
 
     if (*value == *o.value) {
@@ -335,7 +338,7 @@ int numeric::compare_same_type(basic const & other) const
 
 bool numeric::is_equal_same_type(basic const & other) const
 {
-    ASSERT(is_exactly_of_type(other,numeric));
+    GINAC_ASSERT(is_exactly_of_type(other,numeric));
     numeric const *o = static_cast<numeric const *>(&other);
     
     return is_equal(*o);
@@ -512,10 +515,35 @@ numeric const & numeric::operator=(char const * s)
     return operator=(numeric(s));
 }
 
+/** Return the complex half-plane (left or right) in which the number lies.
+ *  csgn(x)==0 for x==0, csgn(x)==1 for Re(x)>0 or Re(x)=0 and Im(x)>0,
+ *  csgn(x)==-1 for Re(x)<0 or Re(x)=0 and Im(x)<0.
+ *
+ *  @see numeric::compare(numeric const & other) */
+int numeric::csgn(void) const
+{
+    if (is_zero())
+        return 0;
+    if (!zerop(realpart(*value))) {
+        if (plusp(realpart(*value)))
+            return 1;
+        else
+            return -1;
+    } else {
+        if (plusp(imagpart(*value)))
+            return 1;
+        else
+            return -1;
+    }
+}
+
 /** This method establishes a canonical order on all numbers.  For complex
  *  numbers this is not possible in a mathematically consistent way but we need
  *  to establish some order and it ought to be fast.  So we simply define it
- *  similar to Maple's csgn. */
+ *  to be compatible with our method csgn.
+ *
+ *  @return csgn(*this-other)
+ *  @see numeric::csgn(void) */
 int numeric::compare(numeric const & other) const
 {
     // Comparing two real numbers?
@@ -686,7 +714,7 @@ bool numeric::operator>=(numeric const & other) const
  *  if the number is really an integer before calling this method. */
 int numeric::to_int(void) const
 {
-    ASSERT(is_integer());
+    GINAC_ASSERT(is_integer());
     return cl_I_to_int(The(cl_I)(*value));
 }
 
@@ -694,7 +722,7 @@ int numeric::to_int(void) const
  *  if the number is really not complex before calling this method. */
 double numeric::to_double(void) const
 {
-    ASSERT(is_real());
+    GINAC_ASSERT(is_real());
     return cl_double_approx(realpart(*value));
 }
 
@@ -725,7 +753,8 @@ inline cl_heap_ratio* TheRatio (const cl_N& obj)
 
 /** Numerator.  Computes the numerator of rational numbers, rationalized
  *  numerator of complex if real and imaginary part are both rational numbers
- *  (i.e numer(4/3+5/6*I) == 8+5*I), the number itself in all other cases. */
+ *  (i.e numer(4/3+5/6*I) == 8+5*I), the number carrying the sign in all other
+ *  cases. */
 numeric numeric::numer(void) const
 {
     if (is_integer()) {
@@ -851,7 +880,7 @@ const numeric some_numeric;
 type_info const & typeid_numeric=typeid(some_numeric);
 /** Imaginary unit.  This is not a constant but a numeric since we are
  *  natively handing complex numbers anyways. */
-const numeric I = (complex(cl_I(0),cl_I(1)));
+const numeric I = numeric(complex(cl_I(0),cl_I(1)));
 
 //////////
 // global functions
@@ -904,7 +933,7 @@ numeric const & numHALF(void)
  *  @return  arbitrary precision numerical exp(x). */
 numeric exp(numeric const & x)
 {
-    return exp(*x.value);  // -> CLN
+    return ::exp(*x.value);  // -> CLN
 }
 
 /** Natural logarithm.
@@ -916,7 +945,7 @@ numeric log(numeric const & z)
 {
     if (z.is_zero())
         throw (std::overflow_error("log(): logarithmic singularity"));
-    return log(*z.value);  // -> CLN
+    return ::log(*z.value);  // -> CLN
 }
 
 /** Numeric sine (trigonometric function).
@@ -924,7 +953,7 @@ numeric log(numeric const & z)
  *  @return  arbitrary precision numerical sin(x). */
 numeric sin(numeric const & x)
 {
-    return sin(*x.value);  // -> CLN
+    return ::sin(*x.value);  // -> CLN
 }
 
 /** Numeric cosine (trigonometric function).
@@ -932,7 +961,7 @@ numeric sin(numeric const & x)
  *  @return  arbitrary precision numerical cos(x). */
 numeric cos(numeric const & x)
 {
-    return cos(*x.value);  // -> CLN
+    return ::cos(*x.value);  // -> CLN
 }
     
 /** Numeric tangent (trigonometric function).
@@ -940,7 +969,7 @@ numeric cos(numeric const & x)
  *  @return  arbitrary precision numerical tan(x). */
 numeric tan(numeric const & x)
 {
-    return tan(*x.value);  // -> CLN
+    return ::tan(*x.value);  // -> CLN
 }
     
 /** Numeric inverse sine (trigonometric function).
@@ -948,7 +977,7 @@ numeric tan(numeric const & x)
  *  @return  arbitrary precision numerical asin(x). */
 numeric asin(numeric const & x)
 {
-    return asin(*x.value);  // -> CLN
+    return ::asin(*x.value);  // -> CLN
 }
     
 /** Numeric inverse cosine (trigonometric function).
@@ -956,7 +985,7 @@ numeric asin(numeric const & x)
  *  @return  arbitrary precision numerical acos(x). */
 numeric acos(numeric const & x)
 {
-    return acos(*x.value);  // -> CLN
+    return ::acos(*x.value);  // -> CLN
 }
     
 /** Arcustangents.
@@ -970,7 +999,7 @@ numeric atan(numeric const & x)
         x.real().is_zero() &&
         !abs(x.imag()).is_equal(numONE()))
         throw (std::overflow_error("atan(): logarithmic singularity"));
-    return atan(*x.value);  // -> CLN
+    return ::atan(*x.value);  // -> CLN
 }
 
 /** Arcustangents.
@@ -981,7 +1010,7 @@ numeric atan(numeric const & x)
 numeric atan(numeric const & y, numeric const & x)
 {
     if (x.is_real() && y.is_real())
-        return atan(realpart(*x.value), realpart(*y.value));  // -> CLN
+        return ::atan(realpart(*x.value), realpart(*y.value));  // -> CLN
     else
         throw (std::invalid_argument("numeric::atan(): complex argument"));        
 }
@@ -991,7 +1020,7 @@ numeric atan(numeric const & y, numeric const & x)
  *  @return  arbitrary precision numerical sinh(x). */
 numeric sinh(numeric const & x)
 {
-    return sinh(*x.value);  // -> CLN
+    return ::sinh(*x.value);  // -> CLN
 }
 
 /** Numeric hyperbolic cosine (trigonometric function).
@@ -999,7 +1028,7 @@ numeric sinh(numeric const & x)
  *  @return  arbitrary precision numerical cosh(x). */
 numeric cosh(numeric const & x)
 {
-    return cosh(*x.value);  // -> CLN
+    return ::cosh(*x.value);  // -> CLN
 }
     
 /** Numeric hyperbolic tangent (trigonometric function).
@@ -1007,7 +1036,7 @@ numeric cosh(numeric const & x)
  *  @return  arbitrary precision numerical tanh(x). */
 numeric tanh(numeric const & x)
 {
-    return tanh(*x.value);  // -> CLN
+    return ::tanh(*x.value);  // -> CLN
 }
     
 /** Numeric inverse hyperbolic sine (trigonometric function).
@@ -1015,7 +1044,7 @@ numeric tanh(numeric const & x)
  *  @return  arbitrary precision numerical asinh(x). */
 numeric asinh(numeric const & x)
 {
-    return asinh(*x.value);  // -> CLN
+    return ::asinh(*x.value);  // -> CLN
 }
 
 /** Numeric inverse hyperbolic cosine (trigonometric function).
@@ -1023,7 +1052,7 @@ numeric asinh(numeric const & x)
  *  @return  arbitrary precision numerical acosh(x). */
 numeric acosh(numeric const & x)
 {
-    return acosh(*x.value);  // -> CLN
+    return ::acosh(*x.value);  // -> CLN
 }
 
 /** Numeric inverse hyperbolic tangent (trigonometric function).
@@ -1031,14 +1060,41 @@ numeric acosh(numeric const & x)
  *  @return  arbitrary precision numerical atanh(x). */
 numeric atanh(numeric const & x)
 {
-    return atanh(*x.value);  // -> CLN
+    return ::atanh(*x.value);  // -> CLN
+}
+
+/** Numeric evaluation of Riemann's Zeta function.  Currently works only for
+ *  integer arguments. */
+numeric zeta(numeric const & x)
+{
+    if (x.is_integer())
+        return ::cl_zeta(x.to_int());  // -> CLN
+    else
+        clog << "zeta(): Does anybody know good way to calculate this numerically?" << endl;
+    return numeric(0);
 }
 
 /** The gamma function.
- *  stub stub stub stub stub stub! */
+ *  This is only a stub! */
 numeric gamma(numeric const & x)
 {
-    clog << "gamma(): Nobody expects the Spanish inquisition" << endl;
+    clog << "gamma(): Does anybody know good way to calculate this numerically?" << endl;
+    return numeric(0);
+}
+
+/** The psi function (aka polygamma function).
+ *  This is only a stub! */
+numeric psi(numeric const & x)
+{
+    clog << "psi(): Does anybody know good way to calculate this numerically?" << endl;
+    return numeric(0);
+}
+
+/** The psi functions (aka polygamma functions).
+ *  This is only a stub! */
+numeric psi(numeric const & n, numeric const & x)
+{
+    clog << "psi(): Does anybody know good way to calculate this numerically?" << endl;
     return numeric(0);
 }
 
@@ -1051,7 +1107,7 @@ numeric factorial(numeric const & nn)
         throw (std::range_error("numeric::factorial(): argument must be integer >= 0"));
     }
     
-    return numeric(factorial(nn.to_int()));  // -> CLN
+    return numeric(::factorial(nn.to_int()));  // -> CLN
 }
 
 /** The double factorial combinatorial function.  (Scarcely used, but still
@@ -1062,6 +1118,10 @@ numeric factorial(numeric const & nn)
  *  @exception range_error (argument must be integer >= -1) */
 numeric doublefactorial(numeric const & nn)
 {
+    // META-NOTE:  The whole shit here will become obsolete and may be moved
+    // out once CLN learns about double factorial, which should be as soon as
+    // 1.0.3 rolls out!
+    
     // We store the results separately for even and odd arguments.  This has
     // the advantage that we don't have to compute any even result at all if
     // the function is always called with odd arguments and vice versa.  There
@@ -1073,21 +1133,21 @@ numeric doublefactorial(numeric const & nn)
     static vector<numeric> oddresults;
     static int highest_oddresult = -1;
     
-    if ( nn == numeric(-1) ) {
+    if (nn == numeric(-1)) {
         return numONE();
     }
-    if ( !nn.is_nonneg_integer() ) {
+    if (!nn.is_nonneg_integer()) {
         throw (std::range_error("numeric::doublefactorial(): argument must be integer >= -1"));
     }
-    if ( nn.is_even() ) {
+    if (nn.is_even()) {
         int n = nn.div(numTWO()).to_int();
-        if ( n <= highest_evenresult ) {
+        if (n <= highest_evenresult) {
             return evenresults[n];
         }
-        if ( evenresults.capacity() < (unsigned)(n+1) ) {
+        if (evenresults.capacity() < (unsigned)(n+1)) {
             evenresults.reserve(n+1);
         }
-        if ( highest_evenresult < 0 ) {
+        if (highest_evenresult < 0) {
             evenresults.push_back(numONE());
             highest_evenresult=0;
         }
@@ -1098,13 +1158,13 @@ numeric doublefactorial(numeric const & nn)
         return evenresults[n];
     } else {
         int n = nn.sub(numONE()).div(numTWO()).to_int();
-        if ( n <= highest_oddresult ) {
+        if (n <= highest_oddresult) {
             return oddresults[n];
         }
-        if ( oddresults.capacity() < (unsigned)n ) {
+        if (oddresults.capacity() < (unsigned)n) {
             oddresults.reserve(n+1);
         }
-        if ( highest_oddresult < 0 ) {
+        if (highest_oddresult < 0) {
             oddresults.push_back(numONE());
             highest_oddresult=0;
         }
@@ -1116,25 +1176,73 @@ numeric doublefactorial(numeric const & nn)
     }
 }
 
-/** The Binomial function. It computes the binomial coefficients. If the
- *  arguments are both nonnegative integers and 0 <= k <= n, then
- *  binomial(n, k) = n!/k!/(n-k)! which is the number of ways of choosing k
- *  objects from n distinct objects. If k > n, then binomial(n,k) returns 0. */
+/** The Binomial coefficients.  It computes the binomial coefficients.  For
+ *  integer n and k and positive n this is the number of ways of choosing k
+ *  objects from n distinct objects.  If n is negative, the formula
+ *  binomial(n,k) == (-1)^k*binomial(k-n-1,k) is used to compute the result. */
 numeric binomial(numeric const & n, numeric const & k)
 {
-    if (n.is_nonneg_integer() && k.is_nonneg_integer()) {
-        return numeric(binomial(n.to_int(),k.to_int()));  // -> CLN
-    } else {
-        // should really be gamma(n+1)/(gamma(r+1)/gamma(n-r+1)
-        return numeric(0);
+    if (n.is_integer() && k.is_integer()) {
+        if (n.is_nonneg_integer()) {
+            if (k.compare(n)!=1 && k.compare(numZERO())!=-1)
+                return numeric(::binomial(n.to_int(),k.to_int()));  // -> CLN
+            else
+                return numZERO();
+        } else {
+            return numMINUSONE().power(k)*binomial(k-n-numONE(),k);
+        }        
+    }
+    
+    // should really be gamma(n+1)/(gamma(r+1)/gamma(n-r+1) or a suitable limit
+    throw (std::range_error("numeric::binomial(): donĀ“t know how to evaluate that."));
+}
+
+/** Bernoulli number.  The nth Bernoulli number is the coefficient of x^n/n!
+ *  in the expansion of the function x/(e^x-1).
+ *
+ *  @return the nth Bernoulli number (a rational number).
+ *  @exception range_error (argument must be integer >= 0) */
+numeric bernoulli(numeric const & nn)
+{
+    if (!nn.is_integer() || nn.is_negative())
+        throw (std::range_error("numeric::bernoulli(): argument must be integer >= 0"));
+    if (nn.is_zero())
+        return numONE();
+    if (!nn.compare(numONE()))
+        return numeric(-1,2);
+    if (nn.is_odd())
+        return numZERO();
+    // Until somebody has the Blues and comes up with a much better idea and
+    // codes it (preferably in CLN) we make this a remembering function which
+    // computes its results using the formula
+    // B(nn) == - 1/(nn+1) * sum_{k=0}^{nn-1}(binomial(nn+1,k)*B(k))
+    // whith B(0) == 1.
+    static vector<numeric> results;
+    static int highest_result = -1;
+    int n = nn.sub(numTWO()).div(numTWO()).to_int();
+    if (n <= highest_result)
+        return results[n];
+    if (results.capacity() < (unsigned)(n+1))
+        results.reserve(n+1);
+    
+    numeric tmp;  // used to store the sum
+    for (int i=highest_result+1; i<=n; ++i) {
+        // the first two elements:
+        tmp = numeric(-2*i-1,2);
+        // accumulate the remaining elements:
+        for (int j=0; j<i; ++j)
+            tmp += binomial(numeric(2*i+3),numeric(j*2+2))*results[j];
+        // divide by -(nn+1) and store result:
+        results.push_back(-tmp/numeric(2*i+3));
     }
-    // return factorial(n).div(factorial(k).mul(factorial(n.sub(k))));
+    highest_result=n;
+    return results[n];
 }
 
 /** Absolute value. */
 numeric abs(numeric const & x)
 {
-    return abs(*x.value);  // -> CLN
+    return ::abs(*x.value);  // -> CLN
 }
 
 /** Modulus (in positive representation).
@@ -1147,7 +1255,7 @@ numeric abs(numeric const & x)
 numeric mod(numeric const & a, numeric const & b)
 {
     if (a.is_integer() && b.is_integer()) {
-        return mod(The(cl_I)(*a.value), The(cl_I)(*b.value));  // -> CLN
+        return ::mod(The(cl_I)(*a.value), The(cl_I)(*b.value));  // -> CLN
     }
     else {
         return numZERO();  // Throw?
@@ -1162,7 +1270,7 @@ numeric smod(numeric const & a, numeric const & b)
 {
     if (a.is_integer() && b.is_integer()) {
         cl_I b2 = The(cl_I)(ceiling1(The(cl_I)(*b.value) / 2)) - 1;
-        return mod(The(cl_I)(*a.value) + b2, The(cl_I)(*b.value)) - b2;
+        return ::mod(The(cl_I)(*a.value) + b2, The(cl_I)(*b.value)) - b2;
     } else {
         return numZERO();  // Throw?
     }
@@ -1177,7 +1285,7 @@ numeric smod(numeric const & a, numeric const & b)
 numeric irem(numeric const & a, numeric const & b)
 {
     if (a.is_integer() && b.is_integer()) {
-        return rem(The(cl_I)(*a.value), The(cl_I)(*b.value));  // -> CLN
+        return ::rem(The(cl_I)(*a.value), The(cl_I)(*b.value));  // -> CLN
     }
     else {
         return numZERO();  // Throw?
@@ -1245,7 +1353,7 @@ numeric iquo(numeric const & a, numeric const & b, numeric & r)
  *  where imag(z)>0. */
 numeric sqrt(numeric const & z)
 {
-    return sqrt(*z.value);  // -> CLN
+    return ::sqrt(*z.value);  // -> CLN
 }
 
 /** Integer numeric square root. */
@@ -1253,7 +1361,7 @@ numeric isqrt(numeric const & x)
 {
        if (x.is_integer()) {
                cl_I root;
-               isqrt(The(cl_I)(*x.value), &root);      // -> CLN
+               ::isqrt(The(cl_I)(*x.value), &root);    // -> CLN
                return root;
        } else
                return numZERO();  // Throw?
@@ -1266,7 +1374,7 @@ numeric isqrt(numeric const & x)
 numeric gcd(numeric const & a, numeric const & b)
 {
     if (a.is_integer() && b.is_integer())
-        return gcd(The(cl_I)(*a.value), The(cl_I)(*b.value));  // -> CLN
+        return ::gcd(The(cl_I)(*a.value), The(cl_I)(*b.value));        // -> CLN
     else
         return numONE();
 }
@@ -1278,7 +1386,7 @@ numeric gcd(numeric const & a, numeric const & b)
 numeric lcm(numeric const & a, numeric const & b)
 {
     if (a.is_integer() && b.is_integer())
-        return lcm(The(cl_I)(*a.value), The(cl_I)(*b.value));  // -> CLN
+        return ::lcm(The(cl_I)(*a.value), The(cl_I)(*b.value));        // -> CLN
     else
         return *a.value * *b.value;
 }
@@ -1344,3 +1452,5 @@ bool _numeric_digits::too_late = false;
 /** Accuracy in decimal digits.  Only object of this type!  Can be set using
  *  assignment from C++ unsigned ints and evaluated like any built-in type. */
 _numeric_digits Digits;
+
+} // namespace GiNaC