Home | History | Annotate | Line # | Download | only in math
      1 /*                                                      log2l.c
      2  *      Base 2 logarithm, 128-bit long double precision
      3  *
      4  *
      5  *
      6  * SYNOPSIS:
      7  *
      8  * long double x, y, log2l();
      9  *
     10  * y = log2l( x );
     11  *
     12  *
     13  *
     14  * DESCRIPTION:
     15  *
     16  * Returns the base 2 logarithm of x.
     17  *
     18  * The argument is separated into its exponent and fractional
     19  * parts.  If the exponent is between -1 and +1, the (natural)
     20  * logarithm of the fraction is approximated by
     21  *
     22  *     log(1+x) = x - 0.5 x^2 + x^3 P(x)/Q(x).
     23  *
     24  * Otherwise, setting  z = 2(x-1)/x+1),
     25  *
     26  *     log(x) = z + z^3 P(z)/Q(z).
     27  *
     28  *
     29  *
     30  * ACCURACY:
     31  *
     32  *                      Relative error:
     33  * arithmetic   domain     # trials      peak         rms
     34  *    IEEE      0.5, 2.0     100,000    2.6e-34     4.9e-35
     35  *    IEEE     exp(+-10000)  100,000    9.6e-35     4.0e-35
     36  *
     37  * In the tests over the interval exp(+-10000), the logarithms
     38  * of the random arguments were uniformly distributed over
     39  * [-10000, +10000].
     40  *
     41  */
     42 
     43 /*
     44    Cephes Math Library Release 2.2:  January, 1991
     45    Copyright 1984, 1991 by Stephen L. Moshier
     46    Adapted for glibc November, 2001
     47 
     48     This library is free software; you can redistribute it and/or
     49     modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
     50     License as published by the Free Software Foundation; either
     51     version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
     52 
     53     This library is distributed in the hope that it will be useful,
     54     but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
     55     MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
     56     Lesser General Public License for more details.
     57 
     58     You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
     59     License along with this library; if not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
     60  */
     61 
     62 #include "quadmath-imp.h"
     63 
     64 /* Coefficients for ln(1+x) = x - x**2/2 + x**3 P(x)/Q(x)
     65  * 1/sqrt(2) <= x < sqrt(2)
     66  * Theoretical peak relative error = 5.3e-37,
     67  * relative peak error spread = 2.3e-14
     68  */
     69 static const __float128 P[13] =
     70 {
     71   1.313572404063446165910279910527789794488E4Q,
     72   7.771154681358524243729929227226708890930E4Q,
     73   2.014652742082537582487669938141683759923E5Q,
     74   3.007007295140399532324943111654767187848E5Q,
     75   2.854829159639697837788887080758954924001E5Q,
     76   1.797628303815655343403735250238293741397E5Q,
     77   7.594356839258970405033155585486712125861E4Q,
     78   2.128857716871515081352991964243375186031E4Q,
     79   3.824952356185897735160588078446136783779E3Q,
     80   4.114517881637811823002128927449878962058E2Q,
     81   2.321125933898420063925789532045674660756E1Q,
     82   4.998469661968096229986658302195402690910E-1Q,
     83   1.538612243596254322971797716843006400388E-6Q
     84 };
     85 static const __float128 Q[12] =
     86 {
     87   3.940717212190338497730839731583397586124E4Q,
     88   2.626900195321832660448791748036714883242E5Q,
     89   7.777690340007566932935753241556479363645E5Q,
     90   1.347518538384329112529391120390701166528E6Q,
     91   1.514882452993549494932585972882995548426E6Q,
     92   1.158019977462989115839826904108208787040E6Q,
     93   6.132189329546557743179177159925690841200E5Q,
     94   2.248234257620569139969141618556349415120E5Q,
     95   5.605842085972455027590989944010492125825E4Q,
     96   9.147150349299596453976674231612674085381E3Q,
     97   9.104928120962988414618126155557301584078E2Q,
     98   4.839208193348159620282142911143429644326E1Q
     99 /* 1.000000000000000000000000000000000000000E0L, */
    100 };
    101 
    102 /* Coefficients for log(x) = z + z^3 P(z^2)/Q(z^2),
    103  * where z = 2(x-1)/(x+1)
    104  * 1/sqrt(2) <= x < sqrt(2)
    105  * Theoretical peak relative error = 1.1e-35,
    106  * relative peak error spread 1.1e-9
    107  */
    108 static const __float128 R[6] =
    109 {
    110   1.418134209872192732479751274970992665513E5Q,
    111  -8.977257995689735303686582344659576526998E4Q,
    112   2.048819892795278657810231591630928516206E4Q,
    113  -2.024301798136027039250415126250455056397E3Q,
    114   8.057002716646055371965756206836056074715E1Q,
    115  -8.828896441624934385266096344596648080902E-1Q
    116 };
    117 static const __float128 S[6] =
    118 {
    119   1.701761051846631278975701529965589676574E6Q,
    120  -1.332535117259762928288745111081235577029E6Q,
    121   4.001557694070773974936904547424676279307E5Q,
    122  -5.748542087379434595104154610899551484314E4Q,
    123   3.998526750980007367835804959888064681098E3Q,
    124  -1.186359407982897997337150403816839480438E2Q
    125 /* 1.000000000000000000000000000000000000000E0L, */
    126 };
    127 
    128 static const __float128
    129 /* log2(e) - 1 */
    130 LOG2EA = 4.4269504088896340735992468100189213742664595E-1Q,
    131 /* sqrt(2)/2 */
    132 SQRTH = 7.071067811865475244008443621048490392848359E-1Q;
    133 
    134 
    135 /* Evaluate P[n] x^n  +  P[n-1] x^(n-1)  +  ...  +  P[0] */
    136 
    137 static __float128
    138 neval (__float128 x, const __float128 *p, int n)
    139 {
    140   __float128 y;
    141 
    142   p += n;
    143   y = *p--;
    144   do
    145     {
    146       y = y * x + *p--;
    147     }
    148   while (--n > 0);
    149   return y;
    150 }
    151 
    152 
    153 /* Evaluate x^n+1  +  P[n] x^(n)  +  P[n-1] x^(n-1)  +  ...  +  P[0] */
    154 
    155 static __float128
    156 deval (__float128 x, const __float128 *p, int n)
    157 {
    158   __float128 y;
    159 
    160   p += n;
    161   y = x + *p--;
    162   do
    163     {
    164       y = y * x + *p--;
    165     }
    166   while (--n > 0);
    167   return y;
    168 }
    169 
    170 
    171 
    172 __float128
    173 log2q (__float128 x)
    174 {
    175   __float128 z;
    176   __float128 y;
    177   int e;
    178   int64_t hx, lx;
    179 
    180 /* Test for domain */
    181   GET_FLT128_WORDS64 (hx, lx, x);
    182   if (((hx & 0x7fffffffffffffffLL) | lx) == 0)
    183     return (-1 / fabsq (x));		/* log2l(+-0)=-inf  */
    184   if (hx < 0)
    185     return (x - x) / (x - x);
    186   if (hx >= 0x7fff000000000000LL)
    187     return (x + x);
    188 
    189   if (x == 1)
    190     return 0;
    191 
    192 /* separate mantissa from exponent */
    193 
    194 /* Note, frexp is used so that denormal numbers
    195  * will be handled properly.
    196  */
    197   x = frexpq (x, &e);
    198 
    199 
    200 /* logarithm using log(x) = z + z**3 P(z)/Q(z),
    201  * where z = 2(x-1)/x+1)
    202  */
    203   if ((e > 2) || (e < -2))
    204     {
    205       if (x < SQRTH)
    206 	{			/* 2( 2x-1 )/( 2x+1 ) */
    207 	  e -= 1;
    208 	  z = x - 0.5Q;
    209 	  y = 0.5Q * z + 0.5Q;
    210 	}
    211       else
    212 	{			/*  2 (x-1)/(x+1)   */
    213 	  z = x - 0.5Q;
    214 	  z -= 0.5Q;
    215 	  y = 0.5Q * x + 0.5Q;
    216 	}
    217       x = z / y;
    218       z = x * x;
    219       y = x * (z * neval (z, R, 5) / deval (z, S, 5));
    220       goto done;
    221     }
    222 
    223 
    224 /* logarithm using log(1+x) = x - .5x**2 + x**3 P(x)/Q(x) */
    225 
    226   if (x < SQRTH)
    227     {
    228       e -= 1;
    229       x = 2.0 * x - 1;	/*  2x - 1  */
    230     }
    231   else
    232     {
    233       x = x - 1;
    234     }
    235   z = x * x;
    236   y = x * (z * neval (x, P, 12) / deval (x, Q, 11));
    237   y = y - 0.5 * z;
    238 
    239 done:
    240 
    241 /* Multiply log of fraction by log2(e)
    242  * and base 2 exponent by 1
    243  */
    244   z = y * LOG2EA;
    245   z += x * LOG2EA;
    246   z += y;
    247   z += x;
    248   z += e;
    249   return (z);
    250 }
    251