libdspl-2.0/dspl/src/ellipj.c

1256 wiersze
37 KiB
C
Czysty Wina Historia

This file contains invisible Unicode characters!

This file contains invisible Unicode characters that may be processed differently from what appears below. If your use case is intentional and legitimate, you can safely ignore this warning. Use the Escape button to reveal hidden characters.

This file contains ambiguous Unicode characters that may be confused with others in your current locale. If your use case is intentional and legitimate, you can safely ignore this warning. Use the Escape button to highlight these characters.

/*
* Copyright (c) 2015-2019 Sergey Bakhurin
* Digital Signal Processing Library [http://dsplib.org]
*
* This file is part of DSPL.
*
* is free software: you can redistribute it and/or modify
* it under the terms of the GNU General Public License as published by
* the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
* (at your option) any later version.
*
* DSPL is distributed in the hope that it will be useful,
* but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
* MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the
* GNU General Public License for more details.
*
* You should have received a copy of the GNU General Public License
* along with Foobar. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <math.h>
#include "dspl.h"
#ifdef DOXYGEN_ENGLISH
/*! ****************************************************************************
\ingroup SPEC_MATH_ELLIP_GROUP
\fn int ellip_acd(double* w, int n, double k, double* u)
\brief Inverse Jacobi elliptic function \f$ u = \textrm{cd}^{-1}(w, k)\f$
of the real vector argument
Function calculates inverse Jacobi elliptic function
\f$ u = \textrm{cd}^{-1}(w, k)\f$ of the real vector `w`. \n
\param[in] w
Pointer to the argument vector \f$ w \f$. \n
Vector size is `[n x 1]`. \n
Memory must be allocated. \n \n
\param[in] n
Size of vector `w`. \n
\param[in] k
Elliptical modulus \f$ k \f$. \n
Elliptical modulus is real parameter,
which values can be from 0 to 1. \n \n
\param[out] u
Pointer to the vector of inverse Jacobi elliptic function
\f$ u = \textrm{cd}^{-1}(w, k)\f$. \n
Vector size is `[n x 1]`. \n
Memory must be allocated. \n \n
\return
`RES_OK` successful exit, else \ref ERROR_CODE_GROUP "error code". \n
\author Sergey Bakhurin www.dsplib.org
***************************************************************************** */
#endif
#ifdef DOXYGEN_RUSSIAN
/*! ****************************************************************************
\ingroup SPEC_MATH_ELLIP_GROUP
\fn int ellip_acd(double* w, int n, double k, double* u)
\brief Обратная эллиптическая функция Якоби
\f$ u = \textrm{cd}^{-1}(w, k)\f$ вещественного аргумента
Функция рассчитывает значения обратной эллиптической функции
\f$ u = \textrm{cd}^{-1}(w, k)\f$ для вещественного вектора `w`. \n
Для расчета используется итерационный алгоритм на основе преобразования
Ландена. \n
\param[in] w
Указатель на массив вектора переменной \f$ w \f$. \n
Размер вектора `[n x 1]`. \n
Память должна быть выделена. \n \n
\param[in] n
Размер вектора `w`. \n
\param[in] k Значение эллиптического модуля \f$ k \f$.
Эллиптический модуль -- вещественный параметр,
принимающий значения от 0 до 1. \n \n
\param[out] u
Указатель на вектор значений обратной эллиптической
функции \f$ u = \textrm{cd}^{-1}(w, k)\f$. \n
Размер вектора `[n x 1]`. \n
Память должна быть выделена. \n \n
\return
`RES_OK` Расчет произведен успешно. \n
В противном случае \ref ERROR_CODE_GROUP "код ошибки". \n
\author Бахурин Сергей www.dsplib.org
***************************************************************************** */
#endif
int DSPL_API ellip_acd(double* w, int n, double k, double* u)
{
double lnd[ELLIP_ITER], t;
int i, m;
if(!u || !w)
return ERROR_PTR;
if(n<1)
return ERROR_SIZE;
if(k < 0.0 || k>= 1.0)
return ERROR_ELLIP_MODULE;
ellip_landen(k,ELLIP_ITER, lnd);
for(m = 0; m < n; m++)
{
u[m] = w[m];
for(i = 1; i < ELLIP_ITER; i++)
{
t = lnd[i-1]*u[m];
t *= t;
t = 1.0 + sqrt(1.0 - t);
u[m] = 2.0 * u[m] / (t+t*lnd[i]);
}
u[m] = 2.0 * acos(u[m]) / M_PI;
}
return RES_OK;
}
#ifdef DOXYGEN_ENGLISH
/*! ****************************************************************************
\ingroup SPEC_MATH_ELLIP_GROUP
\fn int ellip_acd_cmplx(complex_t* w, int n, double k, complex_t* u)
\brief Inverse Jacobi elliptic function \f$ u = \textrm{cd}^{-1}(w, k)\f$
of complex vector argument
Function calculates inverse Jacobi elliptic function
\f$ u = \textrm{cd}^{-1}(w, k)\f$ of complex vector `w`. \n
\param[in] w
Pointer to the argument vector \f$ w \f$. \n
Vector size is `[n x 1]`. \n
Memory must be allocated. \n \n
\param[in] n
Size of vector `w`. \n \n
\param[in] k
Elliptical modulus \f$ k \f$. \n
Elliptical modulus is real parameter,
which values can be from 0 to 1. \n \n
\param[out] u
Pointer to the vector of inverse Jacobi elliptic function
\f$ u = \textrm{cd}^{-1}(w, k)\f$. \n
Vector size is `[n x 1]`. \n
Memory must be allocated. \n \n
\return
`RES_OK` successful exit, else \ref ERROR_CODE_GROUP "error code". \n
\author Sergey Bakhurin www.dsplib.org
***************************************************************************** */
#endif
#ifdef DOXYGEN_RUSSIAN
/*! ****************************************************************************
\ingroup SPEC_MATH_ELLIP_GROUP
\fn int ellip_acd_cmplx(complex_t* w, int n, double k, complex_t* u)
\brief Обратная эллиптическая функция Якоби
\f$ u = \textrm{cd}^{-1}(w, k)\f$ комплексного аргумента
Функция рассчитывает значения значения обратной эллиптической функции
\f$ u = \textrm{cd}^{-1}(w, k)\f$ для комплексного вектора `w`. \n
Для расчета используется итерационный алгоритм на основе преобразования
Ландена. \n
\param[in] w
Указатель на массив вектора переменной \f$ w \f$. \n
Размер вектора `[n x 1]`. \n
Память должна быть выделена. \n \n
\param[in] n
Размер вектора `w`. \n \n
\param[in] k
Значение эллиптического модуля \f$ k \f$. \n
Эллиптический модуль -- вещественный параметр,
принимающий значения от 0 до 1. \n \n
\param[out] u
Указатель на вектор значений обратной эллиптической
функции \f$ u = \textrm{cd}^{-1}(w, k)\f$. \n
Размер вектора `[n x 1]`. \n
Память должна быть выделена. \n \n
\return
`RES_OK` Расчет произведен успешно. \n
В противном случае \ref ERROR_CODE_GROUP "код ошибки". \n
\author Бахурин Сергей www.dsplib.org
***************************************************************************** */
#endif
int DSPL_API ellip_acd_cmplx(complex_t* w, int n, double k, complex_t* u)
{
double lnd[ELLIP_ITER], t;
complex_t tmp0, tmp1;
int i, m;
if(!u || !w)
return ERROR_PTR;
if(n<1)
return ERROR_SIZE;
if(k < 0.0 || k>= 1.0)
return ERROR_ELLIP_MODULE;
ellip_landen(k,ELLIP_ITER, lnd);
for(m = 0; m < n; m++)
{
RE(u[m]) = RE(w[m]);
IM(u[m]) = IM(w[m]);
for(i = 1; i < ELLIP_ITER; i++)
{
RE(tmp0) = lnd[i-1]*RE(u[m]);
IM(tmp0) = lnd[i-1]*IM(u[m]);
RE(tmp1) = 1.0 - CMRE(tmp0, tmp0);
IM(tmp1) = - CMIM(tmp0, tmp0);
sqrt_cmplx(&tmp1, 1, &tmp0);
RE(tmp0) += 1.0;
RE(tmp1) = RE(tmp0) * (1.0 + lnd[i]);
IM(tmp1) = IM(tmp0) * (1.0 + lnd[i]);
t = 2.0 / ABSSQR(tmp1);
RE(tmp0) = t * CMCONJRE(u[m], tmp1);
IM(tmp0) = t * CMCONJIM(u[m], tmp1);
RE(u[m]) = RE(tmp0);
IM(u[m]) = IM(tmp0);
}
acos_cmplx(&tmp0, 1, u+m);
t = 2.0 / M_PI;
RE(u[m]) *= t;
IM(u[m]) *= t;
}
return RES_OK;
}
#ifdef DOXYGEN_ENGLISH
/*! ****************************************************************************
\ingroup SPEC_MATH_ELLIP_GROUP
\fn int ellip_asn(double* w, int n, double k, double* u)
\brief Inverse Jacobi elliptic function \f$ u = \textrm{sn}^{-1}(w, k)\f$
of real vector argument
Function calculates inverse Jacobi elliptic function
\f$ u = \textrm{sn}^{-1}(w, k)\f$ of real vector `w`. \n
\param[in] w
Pointer to the argument vector \f$ w \f$. \n
Vector size is `[n x 1]`. \n
Memory must be allocated. \n \n
\param[in] n
Size of vector `w`. \n
\param[in] k
Elliptical modulus \f$ k \f$. \n
Elliptical modulus is real parameter,
which values can be from 0 to 1. \n \n
\param[out] u
Pointer to the vector of inverse Jacobi elliptic function
\f$ u = \textrm{sn}^{-1}(w, k)\f$. \n
Vector size is `[n x 1]`. \n
Memory must be allocated. \n \n
\return
`RES_OK` successful exit, else \ref ERROR_CODE_GROUP "error code". \n
\author Sergey Bakhurin www.dsplib.org
***************************************************************************** */
#endif
#ifdef DOXYGEN_RUSSIAN
/*! ****************************************************************************
\ingroup SPEC_MATH_ELLIP_GROUP
\fn int ellip_asn(double* w, int n, double k, double* u)
\brief Обратная эллиптическая функция Якоби
\f$ u = \textrm{sn}^{-1}(w, k)\f$ вещественного аргумента
Функция рассчитывает значения значения обратной эллиптической функции
\f$ u = \textrm{sn}^{-1}(w, k)\f$ для вещественного вектора `w`. \n
Для расчета используется итерационный алгоритм на основе преобразования
Ландена. \n
\param[in] w
Указатель на массив вектора переменной \f$ w \f$. \n
Размер вектора `[n x 1]`. \n
Память должна быть выделена. \n \n
\param[in] n
Размер вектора `w`. \n \n
\param[in] k
Значение эллиптического модуля \f$ k \f$. \n
Эллиптический модуль -- вещественный параметр,
принимающий значения от 0 до 1. \n \n
\param[out] u
Указатель на вектор значений обратной эллиптической
функции \f$ u = \textrm{sn}^{-1}(w, k)\f$. \n
Размер вектора `[n x 1]`. \n
Память должна быть выделена. \n \n
\return
`RES_OK` Расчет произведен успешно. \n
В противном случае \ref ERROR_CODE_GROUP "код ошибки". \n
\author
Бахурин Сергей
www.dsplib.org
***************************************************************************** */
#endif
int DSPL_API ellip_asn(double* w, int n, double k, double* u)
{
double lnd[ELLIP_ITER], t;
int i, m;
if(!u || !w)
return ERROR_PTR;
if(n<1)
return ERROR_SIZE;
if(k < 0.0 || k>= 1.0)
return ERROR_ELLIP_MODULE;
ellip_landen(k,ELLIP_ITER, lnd);
for(m = 0; m < n; m++)
{
u[m] = w[m];
for(i = 1; i < ELLIP_ITER; i++)
{
t = lnd[i-1]*u[m];
t *= t;
t = 1.0 + sqrt(1.0 - t);
u[m] = 2.0 * u[m] / (t+t*lnd[i]);
}
u[m] = 2.0 * asin(u[m]) / M_PI;
}
return RES_OK;
}
#ifdef DOXYGEN_ENGLISH
/*! ****************************************************************************
\ingroup SPEC_MATH_ELLIP_GROUP
\fn int ellip_asn_cmplx(complex_t* w, int n, double k, complex_t* u)
\brief Inverse Jacobi elliptic function \f$ u = \textrm{sn}^{-1}(w, k)\f$
of complex vector argument
Function calculates inverse Jacobi elliptic function
\f$ u = \textrm{sn}^{-1}(w, k)\f$ of complex vector `w`. \n
\param[in] w
Pointer to the argument vector \f$ w \f$. \n
Vector size is `[n x 1]`. \n
Memory must be allocated. \n \n
\param[in] n
Size of vector `w`. \n
\param[in] k
Elliptical modulus \f$ k \f$. \n
Elliptical modulus is real parameter,
which values can be from 0 to 1. \n \n
\param[out] u
Pointer to the vector of inverse Jacobi elliptic function
\f$ u = \textrm{sn}^{-1}(w, k)\f$. \n
Vector size is `[n x 1]`. \n
Memory must be allocated. \n \n
\return
`RES_OK` successful exit, else \ref ERROR_CODE_GROUP "error code". \n
\author Sergey Bakhurin www.dsplib.org
***************************************************************************** */
#endif
#ifdef DOXYGEN_RUSSIAN
/*! ****************************************************************************
\ingroup SPEC_MATH_ELLIP_GROUP
\fn int ellip_asn_cmplx(complex_t* w, int n, double k, complex_t* u)
\brief Обратная эллиптическая функция Якоби
\f$ u = \textrm{sn}^{-1}(w, k)\f$ комплексного аргумента
Функция рассчитывает значения значения обратной эллиптической функции
\f$ u = \textrm{sn}^{-1}(w, k)\f$ для комплексного вектора `w`. \n
Для расчета используется итерационный алгоритм на основе преобразования
Ландена. \n
\param[in] w
Указатель на массив вектора переменной \f$ w \f$. \n
Размер вектора `[n x 1]`. \n
Память должна быть выделена. \n \n
\param[in] n
Размер вектора `w`. \n \n
\param[in] k
Значение эллиптического модуля \f$ k \f$. \n
Эллиптический модуль -- вещественный параметр,
принимающий значения от 0 до 1. \n \n
\param[out] u
Указатель на вектор значений обратной эллиптической
функции \f$ u = \textrm{sn}^{-1}(w, k)\f$. \n
Размер вектора `[n x 1]`. \n
Память должна быть выделена. \n \n
\return
`RES_OK`Расчет произведен успешно. \n
В противном случае \ref ERROR_CODE_GROUP "код ошибки". \n
\author Бахурин Сергей www.dsplib.org
***************************************************************************** */
#endif
int DSPL_API ellip_asn_cmplx(complex_t* w, int n, double k, complex_t* u)
{
double lnd[ELLIP_ITER], t;
complex_t tmp0, tmp1;
int i, m;
if(!u || !w)
return ERROR_PTR;
if(n<1)
return ERROR_SIZE;
if(k < 0.0 || k>= 1.0)
return ERROR_ELLIP_MODULE;
ellip_landen(k,ELLIP_ITER, lnd);
for(m = 0; m < n; m++)
{
RE(u[m]) = RE(w[m]);
IM(u[m]) = IM(w[m]);
for(i = 1; i < ELLIP_ITER; i++)
{
RE(tmp0) = lnd[i-1]*RE(u[m]);
IM(tmp0) = lnd[i-1]*IM(u[m]);
RE(tmp1) = 1.0 - CMRE(tmp0, tmp0);
IM(tmp1) = - CMIM(tmp0, tmp0);
sqrt_cmplx(&tmp1, 1, &tmp0);
RE(tmp0) += 1.0;
RE(tmp1) = RE(tmp0) * (1.0 + lnd[i]);
IM(tmp1) = IM(tmp0) * (1.0 + lnd[i]);
t = 2.0 / ABSSQR(tmp1);
RE(tmp0) = t * CMCONJRE(u[m], tmp1);
IM(tmp0) = t * CMCONJIM(u[m], tmp1);
RE(u[m]) = RE(tmp0);
IM(u[m]) = IM(tmp0);
}
asin_cmplx(&tmp0, 1, u+m);
t = 2.0 / M_PI;
RE(u[m]) *= t;
IM(u[m]) *= t;
}
return RES_OK;
}
#ifdef DOXYGEN_ENGLISH
/*! ****************************************************************************
\ingroup SPEC_MATH_ELLIP_GROUP
\fn int ellip_cd(double* u, int n, double k, double* y)
\brief Jacobi elliptic function \f$ y = \textrm{cd}(u K(k), k)\f$
of real vector argument
Function calculates Jacobi elliptic function
\f$ y = \textrm{cd}(u K(k), k)\f$ of real vector `u` and
elliptical modulus `k`. \n
\param[in] u
Pointer to the argument vector \f$ u \f$. \n
Vector size is `[n x 1]`. \n
Memory must be allocated. \n \n
\param[in] n
Size of vector `u`. \n
\param[in] k
Elliptical modulus \f$ k \f$. \n
Elliptical modulus is real parameter,
which values can be from 0 to 1. \n \n
\param[out] y
Pointer to the vector of Jacobi elliptic function
\f$ y = \textrm{cd}(u K(k), k)\f$. \n
Vector size is `[n x 1]`. \n
Memory must be allocated. \n \n
\return
`RES_OK` successful exit, else \ref ERROR_CODE_GROUP "error code". \n
Example
\include ellip_cd_test.c
The program calculates two periods of the \f$ y = \textrm{cd}(u K(k), k)\f$
function for different modulus values `k = 0`, `k= 0.9` и `k = 0.99`.
Also program draws the plot of calculated elliptic functions.
\image html ellip_cd.png
\author Sergey Bakhurin www.dsplib.org
***************************************************************************** */
#endif
#ifdef DOXYGEN_RUSSIAN
/*! ****************************************************************************
\ingroup SPEC_MATH_ELLIP_GROUP
\fn int ellip_cd(double* u, int n, double k, double* y)
\brief Эллиптическая функция Якоби
\f$ y = \textrm{cd}(u K(k), k)\f$ вещественного аргумента
Функция рассчитывает значения значения эллиптической функции
\f$ y = \textrm{cd}(u K(k), k)\f$ для вещественного вектора `u` и
эллиптического модуля `k`. \n
Для расчета используется итерационный алгоритм на основе преобразования
Ландена. \n
\param[in] u
Указатель на массив вектора переменной \f$ u \f$. \n
Размер вектора `[n x 1]`. \n
Память должна быть выделена. \n \n
\param[in] n
Размер вектора `u`. \n \n
\param[in] k
Значение эллиптического модуля \f$ k \f$. \n
Эллиптический модуль -- вещественный параметр,
принимающий значения от 0 до 1. \n \n
\param[out] y
Указатель на вектор значений эллиптической
функции \f$ y = \textrm{cd}(u K(k), k)\f$. \n
Размер вектора `[n x 1]`. \n
Память должна быть выделена. \n \n
\return
`RES_OK` Расчет произведен успешно. \n
В противном случае \ref ERROR_CODE_GROUP "код ошибки". \n
Пример представлен в следующем листинге:
\include ellip_cd_test.c
Программа рассчитывает два периода эллиптической функции
\f$ y = \textrm{cd}(u K(k), k)\f$ для `k = 0`, `k= 0.9` и `k = 0.99`,
а также выводит графики данных функций
\image html ellip_cd.png
\author Бахурин Сергей www.dsplib.org
***************************************************************************** */
#endif
int DSPL_API ellip_cd(double* u, int n, double k, double* y)
{
double lnd[ELLIP_ITER];
int i, m;
if(!u || !y)
return ERROR_PTR;
if(n<1)
return ERROR_SIZE;
if(k < 0.0 || k>= 1.0)
return ERROR_ELLIP_MODULE;
ellip_landen(k,ELLIP_ITER, lnd);
for(m = 0; m < n; m++)
{
y[m] = cos(u[m] * M_PI * 0.5);
for(i = ELLIP_ITER-1; i>0; i--)
{
y[m] = (1.0 + lnd[i]) / (1.0 / y[m] + lnd[i]*y[m]);
}
}
return RES_OK;
}
#ifdef DOXYGEN_ENGLISH
/*! ****************************************************************************
\ingroup SPEC_MATH_ELLIP_GROUP
\fn int ellip_cd_cmplx(complex_t* u, int n, double k, complex_t* y)
\brief Jacobi elliptic function \f$ y = \textrm{cd}(u K(k), k)\f$
of complex vector argument
Function calculates Jacobi elliptic function
\f$ y = \textrm{cd}(u K(k), k)\f$ of complex vector `u` and
elliptical modulus `k`. \n
\param[in] u
Pointer to the argument vector \f$ u \f$. \n
Vector size is `[n x 1]`. \n
Memory must be allocated. \n \n
\param[in] n
Size of vector `u`. \n
\param[in] k
Elliptical modulus \f$ k \f$. \n
Elliptical modulus is real parameter,
which values can be from 0 to 1. \n \n
\param[out] y
Pointer to the vector of Jacobi elliptic function
\f$ y = \textrm{cd}(u K(k), k)\f$. \n
Vector size is `[n x 1]`. \n
Memory must be allocated. \n \n
\return
`RES_OK` successful exit, else \ref ERROR_CODE_GROUP "error code". \n
\author Sergey Bakhurin www.dsplib.org
***************************************************************************** */
#endif
#ifdef DOXYGEN_RUSSIAN
/*! ****************************************************************************
\ingroup SPEC_MATH_ELLIP_GROUP
\fn int ellip_cd_cmplx(complex_t* u, int n, double k, complex_t* y)
\brief Эллиптическая функция Якоби
\f$ y = \textrm{cd}(u K(k), k)\f$ комплексного аргумента
Функция рассчитывает значения значения эллиптической функции
\f$ y = \textrm{cd}(u K(k), k)\f$ для комплексного вектора `u` и
эллиптического модуля `k`. \n
Для расчета используется итерационный алгоритм на основе преобразования
Ландена. \n
\param[in] u
Указатель на массив вектора переменной \f$ u \f$. \n
Размер вектора `[n x 1]`. \n
Память должна быть выделена. \n \n
\param[in] n
Размер вектора `u`. \n \n
\param[in] k
Значение эллиптического модуля \f$ k \f$. \n
Эллиптический модуль -- вещественный параметр,
принимающий значения от 0 до 1. \n \n
\param[out] y
Указатель на вектор значений эллиптической
функции \f$ y = \textrm{cd}(u K(k), k)\f$. \n
Размер вектора `[n x 1]`. \n
Память должна быть выделена. \n \n
\return
`RES_OK` Расчет произведен успешно. \n
В противном случае \ref ERROR_CODE_GROUP "код ошибки". \n
\author Бахурин Сергей www.dsplib.org
***************************************************************************** */
#endif
int DSPL_API ellip_cd_cmplx(complex_t* u, int n, double k, complex_t* y)
{
double lnd[ELLIP_ITER], t;
int i, m;
complex_t tmp;
if(!u || !y)
return ERROR_PTR;
if(n<1)
return ERROR_SIZE;
if(k < 0.0 || k>= 1.0)
return ERROR_ELLIP_MODULE;
ellip_landen(k,ELLIP_ITER, lnd);
for(m = 0; m < n; m++)
{
RE(tmp) = RE(u[m]) * M_PI * 0.5;
IM(tmp) = IM(u[m]) * M_PI * 0.5;
cos_cmplx(&tmp, 1, y+m);
for(i = ELLIP_ITER-1; i>0; i--)
{
t = 1.0 / ABSSQR(y[m]);
RE(tmp) = RE(y[m]) * t + RE(y[m]) * lnd[i];
IM(tmp) = -IM(y[m]) * t + IM(y[m]) * lnd[i];
t = (1.0 + lnd[i]) / ABSSQR(tmp);
RE(y[m]) = RE(tmp) * t;
IM(y[m]) = -IM(tmp) * t;
}
}
return RES_OK;
}
#ifdef DOXYGEN_ENGLISH
/*! ****************************************************************************
\ingroup SPEC_MATH_ELLIP_GROUP
\fn int ellip_landen(double k, int n, double* y)
\brief Function calculates complete elliptical integral
coefficients \f$ k_i \f$
Complete elliptical integral \f$ K(k) \f$ can be described as:
\f[
K(k) = \frac{\pi}{2} \prod_{i = 1}^{\infty}(1+k_i),
\f]
here \f$ k_i \f$ -- coefficients which calculated
iterative from \f$ k_0 = k\f$:
\f[
k_i = \left( \frac{k_{i-1}}{1+\sqrt{1-k_{i-1}^2}}\right)^2
\f]
This function calculates `n` fist coefficients \f$ k_i \f$, which can
be used for Complete elliptical integral.
\param[in] k
Elliptical modulus \f$ k \f$. \n
Elliptical modulus is real parameter, which values can be from 0 to 1. \n \n
\param[in] n
Number of \f$ k_i \f$ which need to calculate. \n
Parameter `n` is size of output vector `y`. \n
\param[out] y
pointer to the real vector which keep \f$ k_i \f$. \n
Vector size is `[n x 1]`. \n
Memory must be allocated. \n \n
\return
`RES_OK` -- successful exit, else \ref ERROR_CODE_GROUP "error code". \n
Example:
\include ellip_landen_test.c
Result:
\verbatim
i k[i]
1 4.625e-01
2 6.009e-02
3 9.042e-04
4 2.044e-07
5 1.044e-14
6 2.727e-29
7 1.859e-58
8 8.640e-117
9 1.866e-233
10 0.000e+00
11 0.000e+00
12 0.000e+00
13 0.000e+00
\endverbatim
\note Complete elliptical integral converges enough fast
if modulus \f$ k<1 \f$. There are 10 to 20 coefficients \f$ k_i \f$
are sufficient for practical applications
to ensure complete elliptic integral precision within EPS.
\author Sergey Bakhurin www.dsplib.org
***************************************************************************** */
#endif
#ifdef DOXYGEN_RUSSIAN
/*! ****************************************************************************
\ingroup SPEC_MATH_ELLIP_GROUP
\fn int ellip_landen(double k, int n, double* y)
\brief Расчет коэффициентов \f$ k_i \f$ ряда полного эллиптического интеграла.
Полный эллиптический интеграл \f$ K(k) \f$ может быть представлен рядом:
\f[
K(k) = \frac{\pi}{2} \prod_{i = 1}^{\infty}(1+k_i),
\f]
где \f$ k_i \f$ вычисляется итерационно при начальных условиях \f$ k_0 = k\f$:
\f[
k_i = \left( \frac{k_{i-1}}{1+\sqrt{1-k_{i-1}^2}}\right)^2
\f]
Данная функция рассчитывает ряд первых `n` значений \f$ k_i \f$, которые в
дальнейшем могут быть использованы для расчета эллиптического интеграла и
эллиптических функций.
\param[in] k
Эллиптический модуль \f$ k \f$. \n
\param[in] n
Размер вектора `y` соответствующих коэффициентам \f$ k_i \f$. \n \n
\param[out] y
Указатель на вектор значений коэффициентов \f$ k_i \f$. \n
Размер вектора `[n x 1]`. \n
Память должна быть выделена. \n \n
\return
`RES_OK` Расчет произведен успешно. \n
В противном случае \ref ERROR_CODE_GROUP "код ошибки". \n
Пример использования функции `ellip_landen`:
\include ellip_landen_test.c
Результат работы программы:
\verbatim
i k[i]
1 4.625e-01
2 6.009e-02
3 9.042e-04
4 2.044e-07
5 1.044e-14
6 2.727e-29
7 1.859e-58
8 8.640e-117
9 1.866e-233
10 0.000e+00
11 0.000e+00
12 0.000e+00
13 0.000e+00
\endverbatim
\note
Ряд полного эллиптического интеграла сходится при значениях
эллиптического модуля \f$ k<1 \f$. При этом сходимость ряда достаточно
быстрая и для практический приложений достаточно от 10 до 20 значений
\f$ k_i \f$ для обеспечения погрешности при расчете полного
эллиптического интеграла в пределах машинной точности.
\author
Бахурин Сергей
www.dsplib.org
***************************************************************************** */
#endif
int DSPL_API ellip_landen(double k, int n, double* y)
{
int i;
y[0] = k;
if(!y)
return ERROR_PTR;
if(n < 1)
return ERROR_SIZE;
if(k < 0.0 || k>= 1.0)
return ERROR_ELLIP_MODULE;
for(i = 1; i < n; i++)
{
y[i] = y[i-1] / (1.0 + sqrt(1.0 - y[i-1] * y[i-1]));
y[i] *= y[i];
}
return RES_OK;
}
#ifdef DOXYGEN_ENGLISH
#endif
#ifdef DOXYGEN_RUSSIAN
#endif
int DSPL_API ellip_modulareq(double rp, double rs, int ord, double *k)
{
double ep, es, ke, kp, t, sn = 0.0;
int i, L, r;
if(rp < 0 || rp == 0)
return ERROR_FILTER_RP;
if(rs < 0 || rs == 0)
return ERROR_FILTER_RS;
if(ord < 1)
return ERROR_FILTER_ORD;
if(!k)
return ERROR_PTR;
ep = sqrt(pow(10.0, rp*0.1)-1.0);
es = sqrt(pow(10.0, rs*0.1)-1.0);
ke = ep/es;
ke = sqrt(1.0 - ke*ke);
r = ord % 2;
L = (ord-r)/2;
kp = 1.0;
for(i = 0; i < L; i++)
{
t = (double)(2*i+1) / (double)ord;
ellip_sn(&t, 1, ke, &sn);
sn*=sn;
kp *= sn*sn;
}
kp *= pow(ke, (double)ord);
*k = sqrt(1.0 - kp*kp);
return RES_OK;
}
#ifdef DOXYGEN_ENGLISH
#endif
#ifdef DOXYGEN_RUSSIAN
#endif
int DSPL_API ellip_rat(double* w, int n, int ord, double k, double* u)
{
double t, xi, w2, xi2, k2;
int i, m, r, L;
if(!u || !w)
return ERROR_PTR;
if(n<1)
return ERROR_SIZE;
if(k < 0.0 || k>= 1.0)
return ERROR_ELLIP_MODULE;
r = ord%2;
L = (ord-r)/2;
if(r)
memcpy(u, w, n*sizeof(double));
else
{
for(m = 0; m < n; m++)
{
u[m] = 1.0;
}
}
k2 = k*k;
for(i = 0; i < L; i++)
{
t = (double)(2*i+1) / (double)ord;
ellip_cd(&t, 1, k, &xi);
xi2 = xi*xi;
for(m = 0; m < n; m++)
{
w2 = w[m]*w[m];
u[m] *= (w2 - xi2) / (1.0 - w2 * k2 * xi2);
u[m] *= (1.0 - k2*xi2) / (1.0 - xi2);
}
}
return RES_OK;
}
#ifdef DOXYGEN_ENGLISH
/*! ****************************************************************************
\ingroup SPEC_MATH_ELLIP_GROUP
\fn int ellip_sn(double* u, int n, double k, double* y)
\brief Jacobi elliptic function \f$ y = \textrm{sn}(u K(k), k)\f$
of real vector argument
Function calculates Jacobi elliptic function
\f$ y = \textrm{sn}(u K(k), k)\f$ of real vector `u` and
elliptical modulus `k`. \n
\param[in] u
Pointer to the argument vector \f$ u \f$. \n
Vector size is `[n x 1]`. \n
Memory must be allocated. \n \n
\param[in] n
Size of vector `u`. \n \n
\param[in] k
Elliptical modulus \f$ k \f$. \n
Elliptical modulus is real parameter,
which values can be from 0 to 1. \n \n
\param[out] y
Pointer to the vector of Jacobi elliptic function
\f$ y = \textrm{sn}(u K(k), k)\f$. \n
Vector size is `[n x 1]`. \n
Memory must be allocated. \n \n
\return
`RES_OK` successful exit, else \ref ERROR_CODE_GROUP "error code". \n
Example
\include ellip_sn_test.c
The program calculates two periods of the \f$ y = \textrm{sn}(u K(k), k)\f$
function for different modulus values `k = 0`, `k= 0.9` и `k = 0.99`.
Also program draws the plot of calculated elliptic functions.
\image html ellip_sn.png
\author Sergey Bakhurin www.dsplib.org
**************************************************************************** */
#endif
#ifdef DOXYGEN_RUSSIAN
/*! ****************************************************************************
\ingroup SPEC_MATH_ELLIP_GROUP
\fn int ellip_sn(double* u, int n, double k, double* y)
\brief Эллиптическая функция Якоби
\f$ y = \textrm{sn}(u K(k), k)\f$ вещественного аргумента
Функция рассчитывает значения значения эллиптической функции
\f$ y = \textrm{sn}(u K(k), k)\f$ для вещественного вектора `u` и
эллиптического модуля `k`. \n
Для расчета используется итерационный алгоритм на основе преобразования
Ландена. \n
\param[in] u
Указатель на массив вектора переменной \f$ u \f$. \n
Размер вектора `[n x 1]`. \n
Память должна быть выделена. \n \n
\param[in] n
Размер вектора `u`. \n \n
\param[in] k
Значение эллиптического модуля \f$ k \f$. \n
Эллиптический модуль -- вещественный параметр,
принимающий значения от 0 до 1. \n \n
\param[out] y
Указатель на вектор значений эллиптической
функции \f$ y = \textrm{sn}(u K(k), k)\f$. \n
Размер вектора `[n x 1]`. \n
Память должна быть выделена. \n \n
\return
`RES_OK` Расчет произведен успешно. \n
В противном случае \ref ERROR_CODE_GROUP "код ошибки". \n
Пример представлен в следующем листинге:
\include ellip_sn_test.c
Программа рассчитывает два периода эллиптической функции
\f$ y = \textrm{sn}(u K(k), k)\f$ для `k = 0`, `k= 0.9` и `k = 0.99`,
а также выводит графики данных функций
\image html ellip_sn.png
\author Бахурин Сергей www.dsplib.org
***************************************************************************** */
#endif
int DSPL_API ellip_sn(double* u, int n, double k, double* y)
{
double lnd[ELLIP_ITER];
int i, m;
if(!u || !y)
return ERROR_PTR;
if(n<1)
return ERROR_SIZE;
if(k < 0.0 || k>= 1.0)
return ERROR_ELLIP_MODULE;
ellip_landen(k,ELLIP_ITER, lnd);
for(m = 0; m < n; m++)
{
y[m] = sin(u[m] * M_PI * 0.5);
for(i = ELLIP_ITER-1; i>0; i--)
{
y[m] = (1.0 + lnd[i]) / (1.0 / y[m] + lnd[i]*y[m]);
}
}
return RES_OK;
}
#ifdef DOXYGEN_ENGLISH
/*! ****************************************************************************
\ingroup SPEC_MATH_ELLIP_GROUP
\fn int ellip_sn_cmplx(complex_t* u, int n, double k, complex_t* y)
\brief Jacobi elliptic function \f$ y = \textrm{sn}(u K(k), k)\f$ of
complex vector argument
Function calculates Jacobi elliptic function
\f$ y = \textrm{sn}(u K(k), k)\f$ of complex vector `u` and
elliptical modulus `k`. \n
\param[in] u
Pointer to the argument vector \f$ u \f$. \n
Vector size is `[n x 1]`. \n
Memory must be allocated. \n \n
\param[in] n
Size of vector `u`. \n
\param[in] k
Elliptical modulus \f$ k \f$. \n
Elliptical modulus is real parameter,
which values can be from 0 to 1. \n \n
\param[out] y
Pointer to the vector of Jacobi elliptic function
\f$ y = \textrm{sn}(u K(k), k)\f$. \n
Vector size is `[n x 1]`. \n
Memory must be allocated. \n \n
\return
`RES_OK` successful exit, else \ref ERROR_CODE_GROUP "error code". \n
\author Sergey Bakhurin www.dsplib.org
***************************************************************************** */
#endif
#ifdef DOXYGEN_RUSSIAN
/*! ****************************************************************************
\ingroup SPEC_MATH_ELLIP_GROUP
\fn int ellip_sn_cmplx(complex_t* u, int n, double k, complex_t* y)
\brief Эллиптическая функция Якоби
\f$ y = \textrm{sn}(u K(k), k)\f$ комплексного аргумента
Функция рассчитывает значения значения эллиптической функции
\f$ y = \textrm{sn}(u K(k), k)\f$ для комплексного вектора `u` и
эллиптического модуля `k`. \n
Для расчета используется итерационный алгоритм на основе преобразования
Ландена. \n
\param[in] u
Указатель на массив вектора переменной \f$ u \f$. \n
Размер вектора `[n x 1]`. \n
Память должна быть выделена. \n \n
\param[in] n
Размер вектора `u`. \n \n
\param[in] k
Значение эллиптического модуля \f$ k \f$. \n
Эллиптический модуль -- вещественный параметр,
принимающий значения от 0 до 1. \n \n
\param[out] y
Указатель на вектор значений эллиптической
функции \f$ y = \textrm{sn}(u K(k), k)\f$. \n
Размер вектора `[n x 1]`. \n
Память должна быть выделена. \n \n
\return
`RES_OK` Расчет произведен успешно. \n
В противном случае \ref ERROR_CODE_GROUP "код ошибки". \n
\author Бахурин Сергей www.dsplib.org
***************************************************************************** */
#endif
int DSPL_API ellip_sn_cmplx(complex_t* u, int n, double k, complex_t* y)
{
double lnd[ELLIP_ITER], t;
int i, m;
complex_t tmp;
if(!u || !y)
return ERROR_PTR;
if(n<1)
return ERROR_SIZE;
if(k < 0.0 || k>= 1.0)
return ERROR_ELLIP_MODULE;
ellip_landen(k,ELLIP_ITER, lnd);
for(m = 0; m < n; m++)
{
RE(tmp) = RE(u[m]) * M_PI * 0.5;
IM(tmp) = IM(u[m]) * M_PI * 0.5;
sin_cmplx(&tmp, 1, y+m);
for(i = ELLIP_ITER-1; i>0; i--)
{
t = 1.0 / ABSSQR(y[m]);
RE(tmp) = RE(y[m]) * t + RE(y[m]) * lnd[i];
IM(tmp) = -IM(y[m]) * t + IM(y[m]) * lnd[i];
t = (1.0 + lnd[i]) / ABSSQR(tmp);
RE(y[m]) = RE(tmp) * t;
IM(y[m]) = -IM(tmp) * t;
}
}
return RES_OK;
}