1 /*
2     Copyright (C) 2015 Fredrik Johansson
3 
4     This file is part of Arb.
5 
6     Arb is free software: you can redistribute it and/or modify it under
7     the terms of the GNU Lesser General Public License (LGPL) as published
8     by the Free Software Foundation; either version 2.1 of the License, or
9     (at your option) any later version.  See <http://www.gnu.org/licenses/>.
10 */
11 
12 #include "acb_hypgeom.h"
13 
14 void
acb_hypgeom_bessel_k_asymp(acb_t res,const acb_t nu,const acb_t z,int scaled,slong prec)15 acb_hypgeom_bessel_k_asymp(acb_t res, const acb_t nu, const acb_t z, int scaled, slong prec)
16 {
17     acb_t t, a, b, w;
18 
19     acb_init(t);
20     acb_init(a);
21     acb_init(b);
22     acb_init(w);
23 
24     acb_one(a);
25     acb_mul_2exp_si(a, a, -1);
26     acb_add(a, a, nu, prec);
27 
28     acb_mul_2exp_si(b, nu, 1);
29     acb_add_ui(b, b, 1, prec);
30 
31     acb_mul_2exp_si(w, z, 1);
32 
33     acb_hypgeom_u_asymp(t, a, b, w, -1, prec);
34 
35     if (!scaled)
36     {
37         acb_neg(a, z);
38         acb_exp(a, a, prec);
39         acb_mul(t, t, a, prec);
40     }
41 
42     acb_mul_2exp_si(w, z, 1);
43     acb_rsqrt(w, w, prec);
44     acb_mul(res, t, w, prec);
45 
46     arb_const_sqrt_pi(acb_realref(w), prec);
47     acb_mul_arb(res, res, acb_realref(w), prec);
48 
49     acb_clear(t);
50     acb_clear(a);
51     acb_clear(b);
52     acb_clear(w);
53 }
54 
55 void
acb_hypgeom_bessel_k_0f1_series(acb_poly_t res,const acb_poly_t nu,const acb_poly_t z,int scaled,slong len,slong prec)56 acb_hypgeom_bessel_k_0f1_series(acb_poly_t res,
57     const acb_poly_t nu, const acb_poly_t z,
58     int scaled, slong len, slong prec)
59 {
60     acb_poly_t s, u, A, B;
61     acb_poly_struct b[2];
62     arb_t c;
63     slong wlen;
64     int singular;
65 
66     acb_poly_init(s);
67     acb_poly_init(u);
68     acb_poly_init(A);
69     acb_poly_init(B);
70     acb_poly_init(b + 0);
71     acb_poly_init(b + 1);
72     arb_init(c);
73 
74     singular = (nu->length == 0) || acb_is_int(nu->coeffs);
75     wlen = len + (singular != 0);
76 
77     /* A = (z/2)^nu, B = 1/A */
78     acb_poly_scalar_mul_2exp_si(A, z, -1);
79     acb_poly_pow_series(A, A, nu, wlen, prec);
80     acb_poly_inv_series(B, A, wlen, prec);
81 
82     acb_poly_mullow(u, z, z, wlen, prec);
83     acb_poly_scalar_mul_2exp_si(u, u, -2);
84 
85     acb_poly_one(b + 1);
86     acb_poly_add_si(b + 0, nu, 1, prec);
87     acb_hypgeom_pfq_series_direct(s, NULL, 0, b, 2, u, 1, -1, wlen, prec);
88     acb_poly_mullow(A, A, s, wlen, prec);
89 
90     acb_poly_add_si(b + 0, nu, -1, prec);
91     acb_poly_neg(b + 0, b + 0);
92     acb_hypgeom_pfq_series_direct(s, NULL, 0, b, 2, u, 1, -1, wlen, prec);
93     acb_poly_mullow(B, B, s, wlen, prec);
94 
95     acb_poly_sub(A, B, A, prec);
96     acb_poly_scalar_mul_2exp_si(A, A, -1);
97 
98     /* multiply by pi csc(pi nu) */
99     acb_poly_sin_pi_series(B, nu, wlen, prec);
100 
101     if (singular)
102     {
103         acb_poly_shift_right(A, A, 1);
104         acb_poly_shift_right(B, B, 1);
105     }
106 
107     if (scaled)
108     {
109         acb_poly_exp_series(u, z, len, prec);
110         acb_poly_mullow(A, A, u, len, prec);
111     }
112 
113     acb_poly_div_series(res, A, B, len, prec);
114 
115     arb_const_pi(c, prec);
116     _acb_vec_scalar_mul_arb(res->coeffs, res->coeffs, res->length, c, prec);
117 
118     acb_poly_clear(s);
119     acb_poly_clear(u);
120     acb_poly_clear(A);
121     acb_poly_clear(B);
122     acb_poly_clear(b + 0);
123     acb_poly_clear(b + 1);
124     arb_clear(c);
125 }
126 
127 void
acb_hypgeom_bessel_k_0f1(acb_t res,const acb_t nu,const acb_t z,int scaled,slong prec)128 acb_hypgeom_bessel_k_0f1(acb_t res, const acb_t nu, const acb_t z, int scaled, slong prec)
129 {
130     if (acb_is_int(nu))
131     {
132         acb_poly_t nux, zx, rx;
133 
134         acb_poly_init(nux);
135         acb_poly_init(zx);
136         acb_poly_init(rx);
137 
138         acb_poly_set_coeff_acb(nux, 0, nu);
139         acb_poly_set_coeff_si(nux, 1, 1);
140         acb_poly_set_acb(zx, z);
141 
142         acb_hypgeom_bessel_k_0f1_series(rx, nux, zx, scaled, 1, prec);
143 
144         acb_poly_get_coeff_acb(res, rx, 0);
145 
146         acb_poly_clear(nux);
147         acb_poly_clear(zx);
148         acb_poly_clear(rx);
149     }
150     else
151     {
152         acb_t t, u, v, w;
153         acb_struct b[2];
154 
155         acb_init(t);
156         acb_init(u);
157         acb_init(v);
158         acb_init(w);
159         acb_init(b + 0);
160         acb_init(b + 1);
161 
162         /* u = 0F1(1+nu), v = 0F1(1-nu) */
163         acb_mul(t, z, z, prec);
164         acb_mul_2exp_si(t, t, -2);
165         acb_add_ui(b, nu, 1, prec);
166         acb_one(b + 1);
167         acb_hypgeom_pfq_direct(u, NULL, 0, b, 2, t, -1, prec);
168         acb_sub_ui(b, nu, 1, prec);
169         acb_neg(b, b);
170         acb_hypgeom_pfq_direct(v, NULL, 0, b, 2, t, -1, prec);
171 
172         /* v = v * gamma(nu) / (z/2)^nu */
173         acb_mul_2exp_si(t, z, -1);
174         acb_pow(t, t, nu, prec);
175         acb_gamma(w, nu, prec);
176         acb_mul(v, v, w, prec);
177         acb_div(v, v, t, prec);
178 
179         /* u = u * t * pi / (gamma(nu) * nu * sin(pi nu)) */
180         acb_mul(u, u, t, prec);
181         acb_const_pi(t, prec);
182         acb_mul(u, u, t, prec);
183         acb_sin_pi(t, nu, prec);
184         acb_mul(t, t, w, prec);
185         acb_mul(t, t, nu, prec);
186         acb_div(u, u, t, prec);
187 
188         acb_sub(v, v, u, prec);
189         acb_mul_2exp_si(v, v, -1);
190 
191         if (scaled)
192         {
193             acb_exp(t, z, prec);
194             acb_mul(v, v, t, prec);
195         }
196 
197         acb_set(res, v);
198 
199         acb_clear(t);
200         acb_clear(u);
201         acb_clear(v);
202         acb_clear(w);
203         acb_clear(b + 0);
204         acb_clear(b + 1);
205     }
206 }
207 
208 void
acb_hypgeom_bessel_k(acb_t res,const acb_t nu,const acb_t z,slong prec)209 acb_hypgeom_bessel_k(acb_t res, const acb_t nu, const acb_t z, slong prec)
210 {
211     mag_t zmag;
212 
213     mag_init(zmag);
214     acb_get_mag(zmag, z);
215 
216     if (mag_cmp_2exp_si(zmag, 4) < 0 ||
217         (mag_cmp_2exp_si(zmag, 64) < 0 && 2 * mag_get_d(zmag) < prec))
218         acb_hypgeom_bessel_k_0f1(res, nu, z, 0, prec);
219     else
220         acb_hypgeom_bessel_k_asymp(res, nu, z, 0, prec);
221 
222     mag_clear(zmag);
223 }
224 
225 void
acb_hypgeom_bessel_k_scaled(acb_t res,const acb_t nu,const acb_t z,slong prec)226 acb_hypgeom_bessel_k_scaled(acb_t res, const acb_t nu, const acb_t z, slong prec)
227 {
228     mag_t zmag;
229 
230     mag_init(zmag);
231     acb_get_mag(zmag, z);
232 
233     if (mag_cmp_2exp_si(zmag, 4) < 0 ||
234         (mag_cmp_2exp_si(zmag, 64) < 0 && 2 * mag_get_d(zmag) < prec))
235         acb_hypgeom_bessel_k_0f1(res, nu, z, 1, prec);
236     else
237         acb_hypgeom_bessel_k_asymp(res, nu, z, 1, prec);
238 
239     mag_clear(zmag);
240 }
241 
242