Приближение Ланцоша - Википедия - Lanczos approximation

В математика, то Приближение Ланцоша это метод вычисления гамма-функция численно, опубликовано Корнелиус Ланцош в 1964 году. Это практическая альтернатива более популярным Приближение Стирлинга для вычисления гамма-функции с фиксированной точностью.

Вступление

Приближение Ланцоша состоит из формулы

${ displaystyle Gamma (z + 1) = { sqrt {2 pi}} { left (z + g + { tfrac {1} {2}} right)} ^ {z + 1/2} е ^ {- (z + g + 1/2)} A_ {g} (z)}$

для гамма-функции с

${ displaystyle A_ {g} (z) = { frac {1} {2}} p_ {0} (g) + p_ {1} (g) { frac {z} {z + 1}} + p_ {2} (g) { frac {z (z-1)} {(z + 1) (z + 2)}} + cdots.}$

Здесь грамм это постоянный который может быть выбран произвольно при условии, что Re (z) > 1/2.^[1] Коэффициенты п, которые зависят от грамм, вычислить немного сложнее (см. ниже). Хотя приведенная здесь формула действительна только для аргументов в правильном комплексе полуплоскость, его можно распространить на весь комплексная плоскость посредством формула отражения,

${ Displaystyle Gamma (1-z) ; Gamma (z) = { pi over sin pi z}.}$

Сериал А является сходящийся, и может быть усечен для получения приближения с желаемой точностью. Выбрав подходящий грамм (обычно малое целое число), для вычисления гамма-функции с типичными значениями требуется всего 5–10 членов ряда. Один или же двойной плавающая точка точность. Если фиксированный грамм выбирается, коэффициенты могут быть рассчитаны заранее, а сумма преобразована в следующий вид:

${ displaystyle A_ {g} (z) = c_ {0} + sum _ {k = 1} ^ {N} { frac {c_ {k}} {z + k}}}$

Таким образом, вычисление гамма-функции сводится к оценке лишь небольшого количества элементарные функции и умножение на сохраненные константы. Приближение Ланцоша было популяризировано Числовые рецепты, согласно которому вычисление гамма-функции становится «не намного сложнее, чем другие встроенные функции, которые мы принимаем как должное, такие как sinИкс или же е^Икс". Метод также реализован в Научная библиотека GNU.

Коэффициенты

Коэффициенты даются как

${ displaystyle p_ {k} (g) = { frac { sqrt {2 ,}} { pi}} sum _ { ell = 0} ^ {k} C_ {2k + 1, , 2 ell +1} left ( ell - { tfrac {1} {2}} right)! { left ( ell + g + { tfrac {1} {2}} right)} ^ {- ( ell +1/2)} e ^ { ell + g + 1/2}}$

куда ${ displaystyle C_ {n, m}}$ представляет собой (п, м) th элемент матрица коэффициентов при Полиномы Чебышева, который можно вычислить рекурсивно от этих личностей:

${ displaystyle { begin {align} C_ {1, , 1} & = 1 [5px] C_ {2, , 2} & = 1 [5px] C_ {n + 1, , 1 } & = - , C_ {n-1, , 1} & { text {for}} n & = 2,3,4 , dots [5px] C_ {n + 1, , n + 1} & = 2 , C_ {n, , n} & { text {for}} n & = 2,3,4 , dots [5px] C_ {n + 1, , m + 1 } & = 2 , C_ {n, , m} -C_ {n-1, , m + 1} & { text {for}} n &> m = 1,2,3 , dots end {выровнено}}}$

Годфри (2001) описывает, как получить коэффициенты, а также значение усеченного ряда. А как матричный продукт.^[2]

Вывод

Ланцош вывел формулу из Леонард Эйлер с интеграл

${ displaystyle Gamma (z + 1) = int _ {0} ^ { infty} t ^ {z} , e ^ {- t} , dt,}$

выполнение последовательности основных манипуляций для получения

${ displaystyle Gamma (z + 1) = (z + g + 1) ^ {z + 1} e ^ {- (z + g + 1)} int _ {0} ^ {e} { Big ( } v (1- log v) { Big)} ^ {z} v ^ {g} , dv,}$

и вывод ряда для интеграла.

Простая реализация

Следующая реализация в Язык программирования Python работает со сложными аргументами и обычно дает 15 правильных десятичных знаков. Обратите внимание, что пропуск самых маленьких коэффициентов не приводит к более быстрой, но немного менее точной реализации; коэффициенты необходимо пересчитывать с нуля для разложения с меньшим количеством членов.

из cmath импорт грех, sqrt, число Пи, expп = [676.5203681218851    ,-1259.1392167224028    ,771.32342877765313    ,-176.61502916214059    ,12.507343278686905    ,-0.13857109526572012    ,9.9843695780195716e-6    ,1,5056327351493116e-7    ]ЭПСИЛОН = 1e-07def drop_imag(z):    если пресс(z.воображать) <= ЭПСИЛОН:        z = z.настоящий    возвращаться zdef гамма(z):    z = сложный(z)    если z.настоящий < 0.5:        у = число Пи / (грех(число Пи * z) * гамма(1 - z))  # Формула отражения    еще:        z -= 1        Икс = 0.99999999999980993        за (я, pval) в перечислять(п):            Икс += pval / (z + я + 1)        т = z + len(п) - 0.5        у = sqrt(2 * число Пи) * т ** (z + 0.5) * exp(-т) * Икс    возвращаться drop_imag(у)"""Вышеупомянутое использование отражения (таким образом, структура if-else) необходимо, даже если это может выглядеть странно, так как позволяет расширить приближение до значений z, где Re (z) <0,5, где метод Ланцоша недействителен."""Распечатать(гамма(1))Распечатать(гамма(5))   Распечатать(гамма(0.5))

Смотрите также

• Приближение Стирлинга
• Приближение Спужа

Рекомендации

• Годфри, Пол (2001). «Реализация Ланцоша гамма-функции».
• Ланцош, Корнелиус (1964). «Прецизионная аппроксимация гамма-функции». Журнал Общества промышленной и прикладной математики, серия B: Численный анализ. 1: 86–96. Bibcode:1964SJNA .... 1 ... 86L. Дои:10.1137/0701008. ISSN  0887-459X. JSTOR  2949767.
• Press, W. H .; Теукольский, С. А .; Vetterling, W. T .; Фланнери, Б. П. (2007), «Раздел 6.1. Гамма-функция», Числовые рецепты: искусство научных вычислений (3-е изд.), Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета, ISBN  978-0-521-88068-8
• Пью, Глендон (2004). Анализ приближения гамма Ланцоша (PDF) (Кандидатская диссертация).
• Тот, Виктор (2005). «Программируемые калькуляторы: приближение Ланцоша».
• Вайсштейн, Эрик В. «Приближение Ланцоша». MathWorld.