OSDN Git Service

Merge branch 'master' of git://github.com/monaka/binutils
[pf3gnuchains/pf3gnuchains3x.git] / newlib / libm / common / s_expm1.c
1
2 /* @(#)s_expm1.c 5.1 93/09/24 */
3 /*
4  * ====================================================
5  * Copyright (C) 1993 by Sun Microsystems, Inc. All rights reserved.
6  *
7  * Developed at SunPro, a Sun Microsystems, Inc. business.
8  * Permission to use, copy, modify, and distribute this
9  * software is freely granted, provided that this notice 
10  * is preserved.
11  * ====================================================
12  */
13
14 /*
15 FUNCTION
16         <<expm1>>, <<expm1f>>---exponential minus 1
17 INDEX
18         expm1
19 INDEX
20         expm1f
21
22 ANSI_SYNOPSIS
23         #include <math.h>
24         double expm1(double <[x]>);
25         float expm1f(float <[x]>);
26
27 TRAD_SYNOPSIS
28         #include <math.h>
29         double expm1(<[x]>);
30         double <[x]>;
31
32         float expm1f(<[x]>);
33         float <[x]>;
34
35 DESCRIPTION
36         <<expm1>> and <<expm1f>> calculate the exponential of <[x]>
37         and subtract 1, that is,
38         @ifnottex
39         e raised to the power <[x]> minus 1 (where e
40         @end ifnottex
41         @tex
42         $e^x - 1$ (where $e$
43         @end tex
44         is the base of the natural system of logarithms, approximately
45         2.71828).  The result is accurate even for small values of
46         <[x]>, where using <<exp(<[x]>)-1>> would lose many
47         significant digits.
48
49 RETURNS
50         e raised to the power <[x]>, minus 1.
51
52 PORTABILITY
53         Neither <<expm1>> nor <<expm1f>> is required by ANSI C or by
54         the System V Interface Definition (Issue 2).
55 */
56
57 /* expm1(x)
58  * Returns exp(x)-1, the exponential of x minus 1.
59  *
60  * Method
61  *   1. Argument reduction:
62  *      Given x, find r and integer k such that
63  *
64  *               x = k*ln2 + r,  |r| <= 0.5*ln2 ~ 0.34658  
65  *
66  *      Here a correction term c will be computed to compensate 
67  *      the error in r when rounded to a floating-point number.
68  *
69  *   2. Approximating expm1(r) by a special rational function on
70  *      the interval [0,0.34658]:
71  *      Since
72  *          r*(exp(r)+1)/(exp(r)-1) = 2+ r^2/6 - r^4/360 + ...
73  *      we define R1(r*r) by
74  *          r*(exp(r)+1)/(exp(r)-1) = 2+ r^2/6 * R1(r*r)
75  *      That is,
76  *          R1(r**2) = 6/r *((exp(r)+1)/(exp(r)-1) - 2/r)
77  *                   = 6/r * ( 1 + 2.0*(1/(exp(r)-1) - 1/r))
78  *                   = 1 - r^2/60 + r^4/2520 - r^6/100800 + ...
79  *      We use a special Reme algorithm on [0,0.347] to generate 
80  *      a polynomial of degree 5 in r*r to approximate R1. The 
81  *      maximum error of this polynomial approximation is bounded 
82  *      by 2**-61. In other words,
83  *          R1(z) ~ 1.0 + Q1*z + Q2*z**2 + Q3*z**3 + Q4*z**4 + Q5*z**5
84  *      where   Q1  =  -1.6666666666666567384E-2,
85  *              Q2  =   3.9682539681370365873E-4,
86  *              Q3  =  -9.9206344733435987357E-6,
87  *              Q4  =   2.5051361420808517002E-7,
88  *              Q5  =  -6.2843505682382617102E-9;
89  *      (where z=r*r, and the values of Q1 to Q5 are listed below)
90  *      with error bounded by
91  *          |                  5           |     -61
92  *          | 1.0+Q1*z+...+Q5*z   -  R1(z) | <= 2 
93  *          |                              |
94  *      
95  *      expm1(r) = exp(r)-1 is then computed by the following 
96  *      specific way which minimize the accumulation rounding error: 
97  *                             2     3
98  *                            r     r    [ 3 - (R1 + R1*r/2)  ]
99  *            expm1(r) = r + --- + --- * [--------------------]
100  *                            2     2    [ 6 - r*(3 - R1*r/2) ]
101  *      
102  *      To compensate the error in the argument reduction, we use
103  *              expm1(r+c) = expm1(r) + c + expm1(r)*c 
104  *                         ~ expm1(r) + c + r*c 
105  *      Thus c+r*c will be added in as the correction terms for
106  *      expm1(r+c). Now rearrange the term to avoid optimization 
107  *      screw up:
108  *                      (      2                                    2 )
109  *                      ({  ( r    [ R1 -  (3 - R1*r/2) ]  )  }    r  )
110  *       expm1(r+c)~r - ({r*(--- * [--------------------]-c)-c} - --- )
111  *                      ({  ( 2    [ 6 - r*(3 - R1*r/2) ]  )  }    2  )
112  *                      (                                             )
113  *      
114  *                 = r - E
115  *   3. Scale back to obtain expm1(x):
116  *      From step 1, we have
117  *         expm1(x) = either 2^k*[expm1(r)+1] - 1
118  *                  = or     2^k*[expm1(r) + (1-2^-k)]
119  *   4. Implementation notes:
120  *      (A). To save one multiplication, we scale the coefficient Qi
121  *           to Qi*2^i, and replace z by (x^2)/2.
122  *      (B). To achieve maximum accuracy, we compute expm1(x) by
123  *        (i)   if x < -56*ln2, return -1.0, (raise inexact if x!=inf)
124  *        (ii)  if k=0, return r-E
125  *        (iii) if k=-1, return 0.5*(r-E)-0.5
126  *        (iv)  if k=1 if r < -0.25, return 2*((r+0.5)- E)
127  *                     else          return  1.0+2.0*(r-E);
128  *        (v)   if (k<-2||k>56) return 2^k(1-(E-r)) - 1 (or exp(x)-1)
129  *        (vi)  if k <= 20, return 2^k((1-2^-k)-(E-r)), else
130  *        (vii) return 2^k(1-((E+2^-k)-r)) 
131  *
132  * Special cases:
133  *      expm1(INF) is INF, expm1(NaN) is NaN;
134  *      expm1(-INF) is -1, and
135  *      for finite argument, only expm1(0)=0 is exact.
136  *
137  * Accuracy:
138  *      according to an error analysis, the error is always less than
139  *      1 ulp (unit in the last place).
140  *
141  * Misc. info.
142  *      For IEEE double 
143  *          if x >  7.09782712893383973096e+02 then expm1(x) overflow
144  *
145  * Constants:
146  * The hexadecimal values are the intended ones for the following 
147  * constants. The decimal values may be used, provided that the 
148  * compiler will convert from decimal to binary accurately enough
149  * to produce the hexadecimal values shown.
150  */
151
152 #include "fdlibm.h"
153
154 #ifndef _DOUBLE_IS_32BITS
155
156 #ifdef __STDC__
157 static const double
158 #else
159 static double
160 #endif
161 one             = 1.0,
162 huge            = 1.0e+300,
163 tiny            = 1.0e-300,
164 o_threshold     = 7.09782712893383973096e+02,/* 0x40862E42, 0xFEFA39EF */
165 ln2_hi          = 6.93147180369123816490e-01,/* 0x3fe62e42, 0xfee00000 */
166 ln2_lo          = 1.90821492927058770002e-10,/* 0x3dea39ef, 0x35793c76 */
167 invln2          = 1.44269504088896338700e+00,/* 0x3ff71547, 0x652b82fe */
168         /* scaled coefficients related to expm1 */
169 Q1  =  -3.33333333333331316428e-02, /* BFA11111 111110F4 */
170 Q2  =   1.58730158725481460165e-03, /* 3F5A01A0 19FE5585 */
171 Q3  =  -7.93650757867487942473e-05, /* BF14CE19 9EAADBB7 */
172 Q4  =   4.00821782732936239552e-06, /* 3ED0CFCA 86E65239 */
173 Q5  =  -2.01099218183624371326e-07; /* BE8AFDB7 6E09C32D */
174
175 #ifdef __STDC__
176         double expm1(double x)
177 #else
178         double expm1(x)
179         double x;
180 #endif
181 {
182         double y,hi,lo,c,t,e,hxs,hfx,r1;
183         __int32_t k,xsb;
184         __uint32_t hx;
185
186         GET_HIGH_WORD(hx,x);
187         xsb = hx&0x80000000;            /* sign bit of x */
188         if(xsb==0) y=x; else y= -x;     /* y = |x| */
189         hx &= 0x7fffffff;               /* high word of |x| */
190
191     /* filter out huge and non-finite argument */
192         if(hx >= 0x4043687A) {                  /* if |x|>=56*ln2 */
193             if(hx >= 0x40862E42) {              /* if |x|>=709.78... */
194                 if(hx>=0x7ff00000) {
195                     __uint32_t low;
196                     GET_LOW_WORD(low,x);
197                     if(((hx&0xfffff)|low)!=0) 
198                          return x+x;     /* NaN */
199                     else return (xsb==0)? x:-1.0;/* exp(+-inf)={inf,-1} */
200                 }
201                 if(x > o_threshold) return huge*huge; /* overflow */
202             }
203             if(xsb!=0) { /* x < -56*ln2, return -1.0 with inexact */
204                 if(x+tiny<0.0)          /* raise inexact */
205                 return tiny-one;        /* return -1 */
206             }
207         }
208
209     /* argument reduction */
210         if(hx > 0x3fd62e42) {           /* if  |x| > 0.5 ln2 */ 
211             if(hx < 0x3FF0A2B2) {       /* and |x| < 1.5 ln2 */
212                 if(xsb==0)
213                     {hi = x - ln2_hi; lo =  ln2_lo;  k =  1;}
214                 else
215                     {hi = x + ln2_hi; lo = -ln2_lo;  k = -1;}
216             } else {
217                 k  = invln2*x+((xsb==0)?0.5:-0.5);
218                 t  = k;
219                 hi = x - t*ln2_hi;      /* t*ln2_hi is exact here */
220                 lo = t*ln2_lo;
221             }
222             x  = hi - lo;
223             c  = (hi-x)-lo;
224         } 
225         else if(hx < 0x3c900000) {      /* when |x|<2**-54, return x */
226             t = huge+x; /* return x with inexact flags when x!=0 */
227             return x - (t-(huge+x));    
228         }
229         else k = 0;
230
231     /* x is now in primary range */
232         hfx = 0.5*x;
233         hxs = x*hfx;
234         r1 = one+hxs*(Q1+hxs*(Q2+hxs*(Q3+hxs*(Q4+hxs*Q5))));
235         t  = 3.0-r1*hfx;
236         e  = hxs*((r1-t)/(6.0 - x*t));
237         if(k==0) return x - (x*e-hxs);          /* c is 0 */
238         else {
239             e  = (x*(e-c)-c);
240             e -= hxs;
241             if(k== -1) return 0.5*(x-e)-0.5;
242           if(k==1) {
243                 if(x < -0.25) return -2.0*(e-(x+0.5));
244                 else          return  one+2.0*(x-e);
245           }
246             if (k <= -2 || k>56) {   /* suffice to return exp(x)-1 */
247                 __uint32_t high;
248                 y = one-(e-x);
249                 GET_HIGH_WORD(high,y);
250                 SET_HIGH_WORD(y,high+(k<<20));  /* add k to y's exponent */
251                 return y-one;
252             }
253             t = one;
254             if(k<20) {
255                 __uint32_t high;
256                 SET_HIGH_WORD(t,0x3ff00000 - (0x200000>>k));  /* t=1-2^-k */
257                 y = t-(e-x);
258                 GET_HIGH_WORD(high,y);
259                 SET_HIGH_WORD(y,high+(k<<20));  /* add k to y's exponent */
260            } else {
261                 __uint32_t high;
262                 SET_HIGH_WORD(t,((0x3ff-k)<<20));       /* 2^-k */
263                 y = x-(e+t);
264                 y += one;
265                 GET_HIGH_WORD(high,y);
266                 SET_HIGH_WORD(y,high+(k<<20));  /* add k to y's exponent */
267             }
268         }
269         return y;
270 }
271
272 #endif /* _DOUBLE_IS_32BITS */