Arndt - Algorithms for Programmers, страница 54

PDF-файл Arndt - Algorithms for Programmers, страница 54 Численные методы (754): Книга - 6 семестрArndt - Algorithms for Programmers: Численные методы - PDF, страница 54 (754) - СтудИзба2013-09-15СтудИзба

Описание файла

PDF-файл из архива "Arndt - Algorithms for Programmers", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "численные методы" из 6 семестр, которые можно найти в файловом архиве . Не смотря на прямую связь этого архива с , его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "книги и методические указания", в предмете "численные методы и алгоритмы" в общих файлах.

Просмотр PDF-файла онлайн

Текст 54 страницы из PDF

To get N bits of precision onehas to add proportional N terms of the sum, each term involves one (length-N ) short division (and oneaddition). Therefore the total work is proportional N 2 , which makes it impossible to compute billions ofdigits from linearly convergent series even if they are as ‘good’ as Chudnovsky’s famous series for π:¶µ¶∞ µ16541681608 X 13591409(6k)!(−1)k= √+k(13.281)3π(k!)3 (3k)! 6403203k640320 k=0 545140134=√∞X126403203(−1)kk=0Here is an alternative way to evaluate a sumof consecutive terms:(6k)!13591409 + k 5451401343(k!) (3k)!(640320)3kPN −1k=0(13.282)ak of rational summands: One looks at the ratios rkakak−1(13.283)=: r0 (1 + r1 (1 + r2 (1 + r3 (1 + . .

. (1 + rN −1 ) . . . ))))(13.284)rk:=(set a−1 := 1 to avoid a special case for k = 0)That isN−1Xakk=013 e.g.arc-cotangent series with arguments > 1CHAPTER 13. ARITHMETICAL ALGORITHMS317Now definerm,nrm,m:= rm (1 + rm+1 (. . . (1 + rn ) . . . )):= rmwhere m < n(13.285)(13.286)thenrm,n=nX1am−1ak(13.287)k=mand especiallyr0,n=nXak(13.288)k=0Withrm,n= rm + rm · rm+1 + rm · rm+1 · rm+2 + . . .· · · + rm · · · · · rx + rm · · · · · rx · [rx+1 + · · · + rx+1 · · · · · rn ]xY= rm,x +rk · rx+1,n(13.289)(13.290)k=mThe product telescopes, one getsrm,n=rm,x +ax· rx+1,nam−1(13.291)(where m ≤ x < n).Now we can formulate the binary splitting algorithm by giving a binsplit function r:function r(function a, int m, int n){rational ret;if m==n then{ret := a(m)/a(m-1)}else{x := floor( (m+n)/2 )ret := r(a,m,x) + a(x) / a(m-1) * r(a,x+1,n)}print( "r:", m, n, "=", ret )return ret}Here a(k) must be a function that returns the k-th term of the series we wish to compute, in additionone must have a(-1)=1.

A trivial example: to compute arctan(1/10) one would usefunction a(int k){if k<0 then return 1elsereturn (-1)^k/((2*k+1)*10^(2*k+1))}Calling r(a,0,N) returnsPNk=0ak .In case the programming language used does not provide rational numbers one needs to rewrite formulaUm,n13.291 in separate parts for denominator and numerator. With ai = pqii , p−1 = q−1 = 1 and rm,n =: Vm,none getsUm,n=pm−1 qx Um,x Vx+1,n + px qm−1 Ux+1,n Vm,x(13.292)Vm,n=pm−1 qx Vm,x Vx+1,n(13.293)CHAPTER 13.

ARITHMETICAL ALGORITHMS318The reason why binary splitting is better than the straight forward way is that the involved work is onlyO((log N )2 M (N )), where M (N ) is the complexity of one N -bit multiplication (see [42]). This meansthat sums of linear but sufficient convergence are again candidates for high precision computations.In addition, the ratio r0,N −1 (i.e.

the sum of the first N terms) can be reused if one wants to evaluatethe sum to a higher precision than before. To get twice the precision user0,2 N −1=r0,N −1 + aN −1 · rN,2 N −1(13.294)(this is formula 13.291 with m = 0, x = N − 1, n = 2N − 1). With explicit rational arithmetic:U0,2N −1V0,2N −1==qN −1 U0,N −1 VN,2N −1 + pN −1 UN,2N −1 V0,N −1qN −1 V0,N −1 VN,2N −1(13.295)(13.296)Thereby with the appearance of some new computer that can multiply two length 2·N numbers14 one onlyneeds to combine the two ratios r0,N −1 and rN,2N −1 that had been precomputed by the last generationof computers.

This costs only a few full-size multiplications on your new and expensive supercomputer(instead of several hundreds for the iterative schemes), which means that one can improve on priorcomputations at low cost.If one wants to stare at zillions of decimal digits of the floating point expansion then one division is alsoneeded which costs not more than 4 multiplications (cf. section 13.3).Note that this algorithm can trivially be extended (or rather simplified) to infinite products, e.g. matrixproducts as Bellard’s"#·¸∞2 (k− 21 ) (k+2)Y0 π+6102427 (k+ 3 ) (k+ 3 )=(13.297)0101k=0Cf.

[42] and [48].13.14The magic sumalt algorithmThe following algorithm is due to Cohen, Villegas and Zagier, see [49].P∞Pseudo code to compute an estimate of k=0 xk using the first n summands. The xk summands areexpected in x[0,1, ...,n-1].function sumalt(x[], n){d := (3+sqrt(8))^nd := (d+1/d)/2b := 1c := ds := 0for k:=0 to n-1{c := c - bs := s + c * x[k]b := b * (2*(n+k)*(n-k)) / ((2*k+1)*(k+1))}return s/d}With alternating sums the accuracy of the estimate will be (3 +√8)−n ≈ 5.82−n .As an example let us explicitely write down the estimate for the 4 · arctan(1) using the first 8 termsµ¶1 1 1 1 1111π ≈ 4·− + − + −+−= 3.017 .

. .(13.298)1 3 5 7 9 11 13 1514 assumingone could multiply length-N numbers beforeCHAPTER 13. ARITHMETICAL ALGORITHMS319The sumalt-massaged estimate isµ665856 665728 663040 641536π ≈ 4·−+−+1357¶557056 376832 163840 32768+−+−/6658579111315= 4 · 3365266048/4284789795 = 3.141592665 . . .(13.299)and already gives 7 correct digits of π. The linear but impressive growth of the successive sumalt estimateswith n, the number of terms used, is illustrated by the following table:n1234567891011121314151617181920sumalt(n)2.6666666666666666666663.1372549019607843137253.1407407407407407407403.1416357184121482215073.1415865464036739683483.1415933442156594036603.1415925649375401220153.1415926652243158640173.1415926520088119516193.1415926538097315693183.1415926535585787555133.1415926535942963384703.1415926535891345805173.1415926535898907186253.1415926535897786643753.1415926535897954367753.1415926535897929042853.1415926535897932896143.1415926535897932305843.141592653589793239682sumalt(n)−π0.4749259869231265717950.0043377516290089247370.000851912849052497721-0.0000430648223549830440.000006107186119270114-0.0000006906258661651970.000000088652253116447-0.0000000116345226255550.000000001580981286843-0.0000000002199383308560.000000000031214482948-0.0000000000045031000070.000000000000658657944-0.0000000000000974801630.000000000000014574087-0.0000000000000021983120.000000000000000334177-0.0000000000000000511510.000000000000000007877-0.000000000000000001220Therefore even slowly converging series likeπClog(2)===4·∞X(−1)k2k + 1k=0∞Xk=0∞Xk=0ζ(s)== 4 · arctan(1)(−1)k(2 k + 1)2(−1)kk+1= 0.9159655941772190 .

. .= 0.6931471805599453 . . .∞X1(−1)k1 − 21−sks(13.300)(13.301)(13.302)(13.303)k=1can be used to compute estimates that are correct up to thousands of digits. The algorithm scales like n2if the series terms in x[] are small rational values and like n3 · log(n) if they are full precision (rationalor float) values.All values ck and bk occurring in the computation are integers.

In fact, the bk in the computation with nterms are the coefficients of the expanded n-th Chebychev polynomial (of the first kind) with argument1 + 2x:CHAPTER 13. ARITHMETICAL ALGORITHMSk012345678bk320ck6658576658566657286630406415365570563768321638403276811282688215048448018022421299213107232768T8 (1 + 2x) = 1 + 128x + 2688x2 + 21504x3 + 84480x4 +√+180224x5 + 212992x6 + 131072x7 + 32768x8 = T16 ( 1 + x)T16 (x) = 1 − 128x2 + 2688x4 − 21504x6 + 84480x8 −−180224x10 + 212992x12 − 131072x14 + 32768x16(13.304)(13.305)Now observe that one has always cn = bn =√22n−1 in a length-n sumalt computation. Obviously, ‘goingbackwards’ avoids the computation of (3 + 8)n :function sumalt(x[], n){b := 2**(2*n-1)c := bs := 0for k:=n-1 to 0 step -1{s := s + c * x[k]b := b * ((2*k+1)*(k+1)) / (2*(n+k)*(n-k))c := c + b}return s/c}The bk and ck occurring in a length-n sumalt computation can be given explicitely asµ¶nn + i 2kbk =2n + k 2kµ¶knXXn + i 2inck = dn −ck =2n+i2ii=0(13.306)(13.307)i=k+1P∞To compute an estimate of k=0 xk using the first n partial sums use the following pseudo code (thePkpartial sums pk = j=0 xj are expected in p[0,1,...,n-1]):function sumalt_partial(p[], n){d := (3+sqrt(8))^nd := (d+1/d)/2b := 1c := ds := 0for k:=0 to n-1{s := s + b * p[k]b := b * (2*(n+k)*(n-k)) / ((2*k+1)*(k+1))}return s/d}The backward variant is:CHAPTER 13.

ARITHMETICAL ALGORITHMS321function sumalt_partial(p[], n){b := 2**(2*n-1)c := bs := 0for k:=n-1 to 0 step -1{s := s + b * p[k]b := b * ((2*k+1)*(k+1)) / (2*(n+k)*(n-k))c := c + b}return s/c}Cf. [hfloat: src/hf/sumalt.cc]For series of already geometrical rate of convergence [49] givesfunction sumalt_partial(p[], n, e){d := ( 2*e + 1 + 2*sqrt(e*(e+1)) )^nd := (d+1/d)/2b := 1c := ds := 0for k:=0 to n-1{s := s + b * p[k]b := b * (2*(n+k)*(n-k)) / ((2*k+1)*(k+1)) * e}return s/d}pfor series where |ak /ak+1 | ≈ e. Convergence is improved from ∼ e−n to ∼ (2e + 1 + 2 e(e + 1))−n ≈(4e + 2)−n .

This algorithm specializes to the original one for e = 1.13.15Chebyshev polynomials *The Chebychev polynomials of the first and second kind can be defined by the functionsTn (x)=cos(n arccos(x))sin((n + 1) arccos(x))√1 − x2Un (x) =(13.308)(13.309)For integral n both of them are polynomials. We haveT−n (x)= Tn (x)T−1 (x) = xT0 (x) = 1T1 (x)T2 (x)(13.310)(13.311)(13.312)= x= 2 x2 − 1(13.313)(13.314)T3 (x) = 4 x3 − 3 xT4 (x) = 8 x4 − 8 x2 + 1(13.315)(13.316)T5 (x) = 16 x5 − 20 x3 + 5 xT6 (x) = 32 x6 − 48 x4 + 18 x2 − 1(13.317)(13.318)T7 (x)=64 x7 − 112 x5 + 56 x3 − 7 x(13.319)CHAPTER 13. ARITHMETICAL ALGORITHMS322bn/2cn X (−1)k (n − k − 1)! (2x)n−2k2k! (n − 2k)!Tn (x) =(13.320)k=0bn/2c µ¶n(2x)n−2k (x2 − 1)k2k(13.321)−Un−2 (x)012x4 x2 − 18 x3 − 4 x16 x4 − 12 x3 + 132 x5 − 32 x3 + 6 x64 x6 − 80 x4 + 24 x2 − 1128 x7 − 192 x5 + 80 x3 − 8 x(13.322)(13.323)(13.324)(13.325)(13.326)(13.327)(13.328)(13.329)(13.330)(13.331)X=k=0andU−n (x)U−1 (x)U0 (x)U1 (x)U2 (x)U3 (x)U4 (x)U5 (x)U6 (x)U7 (x)==========bn/2cX (−1)k (n − k)! (2x)n−2kk! (n − 2k)!Un (x) =(13.332)k=0bn/2+1c µX=k=0¶n+1xn−2k (x2 − 1)k2k + 1(13.333)Both obey the same recurrence (omitting argument x)TnUn= 2 x Tn−1 − Tn−2= 2 x Un−1 − Un−2(13.334)(13.335)Their generating functions are1 − xtt2 − 2 x t + 1=1t2 − 2 x t + 1=∞Xn=0∞Xtn Tn (x)(13.336)tn Un (x)(13.337)n=0Composition is multiplication of indices:Tn (Tm (x))=Tn m (x)(13.338)For example,T2n (x)= T2 (Tn (x)) = 2 Tn2 (x) − 1(13.339)Some relations between T and U are1(Un − Un−2 )2Tn=Un − x Un−1 = x Un−1 − Un−2 =(13.340)Tn+1=x Tn − (1 − x2 ) Un−1(13.341)U2n−1=2 Tn Un−1(13.342)CHAPTER 13.

Свежие статьи
Популярно сейчас
А знаете ли Вы, что из года в год задания практически не меняются? Математика, преподаваемая в учебных заведениях, никак не менялась минимум 30 лет. Найдите нужный учебный материал на СтудИзбе!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
5301
Авторов
на СтудИзбе
416
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее