xref: /openbsd-src/lib/libm/src/e_jn.c (revision 043fbe51c197dbbcd422e917b65f765d8b5f8874)
1df930be7Sderaadt /* @(#)e_jn.c 5.1 93/09/24 */
2df930be7Sderaadt /*
3df930be7Sderaadt  * ====================================================
4df930be7Sderaadt  * Copyright (C) 1993 by Sun Microsystems, Inc. All rights reserved.
5df930be7Sderaadt  *
6df930be7Sderaadt  * Developed at SunPro, a Sun Microsystems, Inc. business.
7df930be7Sderaadt  * Permission to use, copy, modify, and distribute this
8df930be7Sderaadt  * software is freely granted, provided that this notice
9df930be7Sderaadt  * is preserved.
10df930be7Sderaadt  * ====================================================
11df930be7Sderaadt  */
12df930be7Sderaadt 
13df930be7Sderaadt /*
14*7b36286aSmartynas  * jn(n, x), yn(n, x)
15df930be7Sderaadt  * floating point Bessel's function of the 1st and 2nd kind
16df930be7Sderaadt  * of order n
17df930be7Sderaadt  *
18df930be7Sderaadt  * Special cases:
19df930be7Sderaadt  *	y0(0)=y1(0)=yn(n,0) = -inf with division by zero signal;
20df930be7Sderaadt  *	y0(-ve)=y1(-ve)=yn(n,-ve) are NaN with invalid signal.
21df930be7Sderaadt  * Note 2. About jn(n,x), yn(n,x)
22df930be7Sderaadt  *	For n=0, j0(x) is called,
23df930be7Sderaadt  *	for n=1, j1(x) is called,
24df930be7Sderaadt  *	for n<x, forward recursion us used starting
25df930be7Sderaadt  *	from values of j0(x) and j1(x).
26df930be7Sderaadt  *	for n>x, a continued fraction approximation to
27df930be7Sderaadt  *	j(n,x)/j(n-1,x) is evaluated and then backward
28df930be7Sderaadt  *	recursion is used starting from a supposed value
29df930be7Sderaadt  *	for j(n,x). The resulting value of j(0,x) is
30df930be7Sderaadt  *	compared with the actual value to correct the
31df930be7Sderaadt  *	supposed value of j(n,x).
32df930be7Sderaadt  *
33df930be7Sderaadt  *	yn(n,x) is similar in all respects, except
34df930be7Sderaadt  *	that forward recursion is used for all
35df930be7Sderaadt  *	values of n>1.
36df930be7Sderaadt  *
37df930be7Sderaadt  */
38df930be7Sderaadt 
39df930be7Sderaadt #include "math.h"
40df930be7Sderaadt #include "math_private.h"
41df930be7Sderaadt 
42df930be7Sderaadt static const double
43df930be7Sderaadt invsqrtpi=  5.64189583547756279280e-01, /* 0x3FE20DD7, 0x50429B6D */
44df930be7Sderaadt two   =  2.00000000000000000000e+00, /* 0x40000000, 0x00000000 */
45df930be7Sderaadt one   =  1.00000000000000000000e+00; /* 0x3FF00000, 0x00000000 */
46df930be7Sderaadt 
47df930be7Sderaadt static const double zero  =  0.00000000000000000000e+00;
48df930be7Sderaadt 
49e7beb4a7Smillert double
jn(int n,double x)50*7b36286aSmartynas jn(int n, double x)
51df930be7Sderaadt {
52df930be7Sderaadt 	int32_t i,hx,ix,lx, sgn;
53df930be7Sderaadt 	double a, b, temp, di;
54df930be7Sderaadt 	double z, w;
55df930be7Sderaadt 
56df930be7Sderaadt     /* J(-n,x) = (-1)^n * J(n, x), J(n, -x) = (-1)^n * J(n, x)
57df930be7Sderaadt      * Thus, J(-n,x) = J(n,-x)
58df930be7Sderaadt      */
59df930be7Sderaadt 	EXTRACT_WORDS(hx,lx,x);
60df930be7Sderaadt 	ix = 0x7fffffff&hx;
61df930be7Sderaadt     /* if J(n,NaN) is NaN */
62df930be7Sderaadt 	if((ix|((u_int32_t)(lx|-lx))>>31)>0x7ff00000) return x+x;
63df930be7Sderaadt 	if(n<0){
64df930be7Sderaadt 		n = -n;
65df930be7Sderaadt 		x = -x;
66df930be7Sderaadt 		hx ^= 0x80000000;
67df930be7Sderaadt 	}
68*7b36286aSmartynas 	if(n==0) return(j0(x));
69*7b36286aSmartynas 	if(n==1) return(j1(x));
70df930be7Sderaadt 	sgn = (n&1)&(hx>>31);	/* even n -- 0, odd n -- sign(x) */
71df930be7Sderaadt 	x = fabs(x);
72df930be7Sderaadt 	if((ix|lx)==0||ix>=0x7ff00000) 	/* if x is 0 or inf */
73df930be7Sderaadt 	    b = zero;
74df930be7Sderaadt 	else if((double)n<=x) {
75df930be7Sderaadt 		/* Safe to use J(n+1,x)=2n/x *J(n,x)-J(n-1,x) */
76df930be7Sderaadt 	    if(ix>=0x52D00000) { /* x > 2**302 */
77df930be7Sderaadt     /* (x >> n**2)
78df930be7Sderaadt      *	    Jn(x) = cos(x-(2n+1)*pi/4)*sqrt(2/x*pi)
79df930be7Sderaadt      *	    Yn(x) = sin(x-(2n+1)*pi/4)*sqrt(2/x*pi)
80df930be7Sderaadt      *	    Let s=sin(x), c=cos(x),
81df930be7Sderaadt      *		xn=x-(2n+1)*pi/4, sqt2 = sqrt(2),then
82df930be7Sderaadt      *
83df930be7Sderaadt      *		   n	sin(xn)*sqt2	cos(xn)*sqt2
84df930be7Sderaadt      *		----------------------------------
85df930be7Sderaadt      *		   0	 s-c		 c+s
86df930be7Sderaadt      *		   1	-s-c 		-c+s
87df930be7Sderaadt      *		   2	-s+c		-c-s
88df930be7Sderaadt      *		   3	 s+c		 c-s
89df930be7Sderaadt      */
90df930be7Sderaadt 		switch(n&3) {
91df930be7Sderaadt 		    case 0: temp =  cos(x)+sin(x); break;
92df930be7Sderaadt 		    case 1: temp = -cos(x)+sin(x); break;
93df930be7Sderaadt 		    case 2: temp = -cos(x)-sin(x); break;
94df930be7Sderaadt 		    case 3: temp =  cos(x)-sin(x); break;
95df930be7Sderaadt 		}
96df930be7Sderaadt 		b = invsqrtpi*temp/sqrt(x);
97df930be7Sderaadt 	    } else {
98*7b36286aSmartynas 	        a = j0(x);
99*7b36286aSmartynas 	        b = j1(x);
100df930be7Sderaadt 	        for(i=1;i<n;i++){
101df930be7Sderaadt 		    temp = b;
102df930be7Sderaadt 		    b = b*((double)(i+i)/x) - a; /* avoid underflow */
103df930be7Sderaadt 		    a = temp;
104df930be7Sderaadt 	        }
105df930be7Sderaadt 	    }
106df930be7Sderaadt 	} else {
107df930be7Sderaadt 	    if(ix<0x3e100000) {	/* x < 2**-29 */
108df930be7Sderaadt     /* x is tiny, return the first Taylor expansion of J(n,x)
109df930be7Sderaadt      * J(n,x) = 1/n!*(x/2)^n  - ...
110df930be7Sderaadt      */
111df930be7Sderaadt 		if(n>33)	/* underflow */
112df930be7Sderaadt 		    b = zero;
113df930be7Sderaadt 		else {
114df930be7Sderaadt 		    temp = x*0.5; b = temp;
115df930be7Sderaadt 		    for (a=one,i=2;i<=n;i++) {
116df930be7Sderaadt 			a *= (double)i;		/* a = n! */
117df930be7Sderaadt 			b *= temp;		/* b = (x/2)^n */
118df930be7Sderaadt 		    }
119df930be7Sderaadt 		    b = b/a;
120df930be7Sderaadt 		}
121df930be7Sderaadt 	    } else {
122df930be7Sderaadt 		/* use backward recurrence */
123df930be7Sderaadt 		/* 			x      x^2      x^2
124df930be7Sderaadt 		 *  J(n,x)/J(n-1,x) =  ----   ------   ------   .....
125df930be7Sderaadt 		 *			2n  - 2(n+1) - 2(n+2)
126df930be7Sderaadt 		 *
127df930be7Sderaadt 		 * 			1      1        1
128df930be7Sderaadt 		 *  (for large x)   =  ----  ------   ------   .....
129df930be7Sderaadt 		 *			2n   2(n+1)   2(n+2)
130df930be7Sderaadt 		 *			-- - ------ - ------ -
131df930be7Sderaadt 		 *			 x     x         x
132df930be7Sderaadt 		 *
133df930be7Sderaadt 		 * Let w = 2n/x and h=2/x, then the above quotient
134df930be7Sderaadt 		 * is equal to the continued fraction:
135df930be7Sderaadt 		 *		    1
136df930be7Sderaadt 		 *	= -----------------------
137df930be7Sderaadt 		 *		       1
138df930be7Sderaadt 		 *	   w - -----------------
139df930be7Sderaadt 		 *			  1
140df930be7Sderaadt 		 * 	        w+h - ---------
141df930be7Sderaadt 		 *		       w+2h - ...
142df930be7Sderaadt 		 *
143df930be7Sderaadt 		 * To determine how many terms needed, let
144df930be7Sderaadt 		 * Q(0) = w, Q(1) = w(w+h) - 1,
145df930be7Sderaadt 		 * Q(k) = (w+k*h)*Q(k-1) - Q(k-2),
146df930be7Sderaadt 		 * When Q(k) > 1e4	good for single
147df930be7Sderaadt 		 * When Q(k) > 1e9	good for double
148df930be7Sderaadt 		 * When Q(k) > 1e17	good for quadruple
149df930be7Sderaadt 		 */
150df930be7Sderaadt 	    /* determine k */
151df930be7Sderaadt 		double t,v;
152df930be7Sderaadt 		double q0,q1,h,tmp; int32_t k,m;
153df930be7Sderaadt 		w  = (n+n)/(double)x; h = 2.0/(double)x;
154df930be7Sderaadt 		q0 = w;  z = w+h; q1 = w*z - 1.0; k=1;
155df930be7Sderaadt 		while(q1<1.0e9) {
156df930be7Sderaadt 			k += 1; z += h;
157df930be7Sderaadt 			tmp = z*q1 - q0;
158df930be7Sderaadt 			q0 = q1;
159df930be7Sderaadt 			q1 = tmp;
160df930be7Sderaadt 		}
161df930be7Sderaadt 		m = n+n;
162df930be7Sderaadt 		for(t=zero, i = 2*(n+k); i>=m; i -= 2) t = one/(i/x-t);
163df930be7Sderaadt 		a = t;
164df930be7Sderaadt 		b = one;
165df930be7Sderaadt 		/*  estimate log((2/x)^n*n!) = n*log(2/x)+n*ln(n)
166df930be7Sderaadt 		 *  Hence, if n*(log(2n/x)) > ...
167df930be7Sderaadt 		 *  single 8.8722839355e+01
168df930be7Sderaadt 		 *  double 7.09782712893383973096e+02
169df930be7Sderaadt 		 *  long double 1.1356523406294143949491931077970765006170e+04
170df930be7Sderaadt 		 *  then recurrent value may overflow and the result is
171df930be7Sderaadt 		 *  likely underflow to zero
172df930be7Sderaadt 		 */
173df930be7Sderaadt 		tmp = n;
174df930be7Sderaadt 		v = two/x;
175*7b36286aSmartynas 		tmp = tmp*log(fabs(v*tmp));
176df930be7Sderaadt 		if(tmp<7.09782712893383973096e+02) {
177df930be7Sderaadt 	    	    for(i=n-1,di=(double)(i+i);i>0;i--){
178df930be7Sderaadt 		        temp = b;
179df930be7Sderaadt 			b *= di;
180df930be7Sderaadt 			b  = b/x - a;
181df930be7Sderaadt 		        a = temp;
182df930be7Sderaadt 			di -= two;
183df930be7Sderaadt 	     	    }
184df930be7Sderaadt 		} else {
185df930be7Sderaadt 	    	    for(i=n-1,di=(double)(i+i);i>0;i--){
186df930be7Sderaadt 		        temp = b;
187df930be7Sderaadt 			b *= di;
188df930be7Sderaadt 			b  = b/x - a;
189df930be7Sderaadt 		        a = temp;
190df930be7Sderaadt 			di -= two;
191df930be7Sderaadt 		    /* scale b to avoid spurious overflow */
192df930be7Sderaadt 			if(b>1e100) {
193df930be7Sderaadt 			    a /= b;
194df930be7Sderaadt 			    t /= b;
195df930be7Sderaadt 			    b  = one;
196df930be7Sderaadt 			}
197df930be7Sderaadt 	     	    }
198df930be7Sderaadt 		}
199*7b36286aSmartynas 	    	b = (t*j0(x)/b);
200df930be7Sderaadt 	    }
201df930be7Sderaadt 	}
202df930be7Sderaadt 	if(sgn==1) return -b; else return b;
203df930be7Sderaadt }
204df930be7Sderaadt 
205e7beb4a7Smillert double
yn(int n,double x)206*7b36286aSmartynas yn(int n, double x)
207df930be7Sderaadt {
208df930be7Sderaadt 	int32_t i,hx,ix,lx;
209df930be7Sderaadt 	int32_t sign;
210df930be7Sderaadt 	double a, b, temp;
211df930be7Sderaadt 
212df930be7Sderaadt 	EXTRACT_WORDS(hx,lx,x);
213df930be7Sderaadt 	ix = 0x7fffffff&hx;
214df930be7Sderaadt     /* if Y(n,NaN) is NaN */
215df930be7Sderaadt 	if((ix|((u_int32_t)(lx|-lx))>>31)>0x7ff00000) return x+x;
216df930be7Sderaadt 	if((ix|lx)==0) return -one/zero;
217df930be7Sderaadt 	if(hx<0) return zero/zero;
218df930be7Sderaadt 	sign = 1;
219df930be7Sderaadt 	if(n<0){
220df930be7Sderaadt 		n = -n;
221df930be7Sderaadt 		sign = 1 - ((n&1)<<1);
222df930be7Sderaadt 	}
223*7b36286aSmartynas 	if(n==0) return(y0(x));
224*7b36286aSmartynas 	if(n==1) return(sign*y1(x));
225df930be7Sderaadt 	if(ix==0x7ff00000) return zero;
226df930be7Sderaadt 	if(ix>=0x52D00000) { /* x > 2**302 */
227df930be7Sderaadt     /* (x >> n**2)
228df930be7Sderaadt      *	    Jn(x) = cos(x-(2n+1)*pi/4)*sqrt(2/x*pi)
229df930be7Sderaadt      *	    Yn(x) = sin(x-(2n+1)*pi/4)*sqrt(2/x*pi)
230df930be7Sderaadt      *	    Let s=sin(x), c=cos(x),
231df930be7Sderaadt      *		xn=x-(2n+1)*pi/4, sqt2 = sqrt(2),then
232df930be7Sderaadt      *
233df930be7Sderaadt      *		   n	sin(xn)*sqt2	cos(xn)*sqt2
234df930be7Sderaadt      *		----------------------------------
235df930be7Sderaadt      *		   0	 s-c		 c+s
236df930be7Sderaadt      *		   1	-s-c 		-c+s
237df930be7Sderaadt      *		   2	-s+c		-c-s
238df930be7Sderaadt      *		   3	 s+c		 c-s
239df930be7Sderaadt      */
240df930be7Sderaadt 		switch(n&3) {
241df930be7Sderaadt 		    case 0: temp =  sin(x)-cos(x); break;
242df930be7Sderaadt 		    case 1: temp = -sin(x)-cos(x); break;
243df930be7Sderaadt 		    case 2: temp = -sin(x)+cos(x); break;
244df930be7Sderaadt 		    case 3: temp =  sin(x)+cos(x); break;
245df930be7Sderaadt 		}
246df930be7Sderaadt 		b = invsqrtpi*temp/sqrt(x);
247df930be7Sderaadt 	} else {
248df930be7Sderaadt 	    u_int32_t high;
249*7b36286aSmartynas 	    a = y0(x);
250*7b36286aSmartynas 	    b = y1(x);
251df930be7Sderaadt 	/* quit if b is -inf */
252df930be7Sderaadt 	    GET_HIGH_WORD(high,b);
253df930be7Sderaadt 	    for(i=1;i<n&&high!=0xfff00000;i++){
254df930be7Sderaadt 		temp = b;
255df930be7Sderaadt 		b = ((double)(i+i)/x)*b - a;
256df930be7Sderaadt 		GET_HIGH_WORD(high,b);
257df930be7Sderaadt 		a = temp;
258df930be7Sderaadt 	    }
259df930be7Sderaadt 	}
260df930be7Sderaadt 	if(sign>0) return b; else return -b;
261df930be7Sderaadt }
262