derivative.cpp 12 KB

123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293949596979899100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120121122123124125126127128129130131132133134135136137138139140141142143144145146147148149150151152153154155156157158159160161162163164165166167168169170171172173174175176177178179180181182183184185186187188189190191192193194195196197198199200201202203204205206207208209210211212213214215216217218219220221222223224225226227228229230231232233234235236237238239240241242243244245246247248249250251252253254255256257258259260261262263264265266267268269270271272273274275276277278279280281282283284285286287288289290291292293294295296297298299300301302303304305306307308309310311312313314315316317318319320321322323324325326327328329330331332333334335336337338339340341342343344345346347348349350351352353354355356357358359360361362363364365366367368369370371372373374375376377378379380381382383384385386387388389390391392393394395396397398399400401402403404405406407408409410411412413414415416417418419420421422423424425426427428429430431432433434435436437438439440441442443444445446447448449450451452453454455456457458459460461462463464465466467468469470471472473474475476477478479480481482483484485486487488489490491492493494495496497498499500501502503504505506507508509510511512513514515516517518519520521522523524525526527528529530531532533534535536537538539540541542543544545546547548549550551552553554555556557558559560561562563564565566567568569570571572573574575576577578579580581582583584585586587588589590591592593594595596597598599600601602603604605606607608609610611612613614615616617618619620621622623624625626627628629630631632633634635636637638639640641642643644645646647648649650651652653654655656657658659660661662663664665666667668669670671672673674675676677678679680681682683684685686687688689690691692693694695696697698699700701702703704705706707708709710711712713714715716717718719720721722723724725726727728729730731732733734735736737738739740741742743744745746747748749750751752753754755756757758759760761762763764765766767768769770771772773774775776777778779780781782783784785786787788789790791792793794795796797798799800801802803804805806807808809810811812813814815816817818819820821822823824825826827828829830831832833834835836837838839840841842843844845846847848849850851852853854855856857858859860861862863864865866867868869870871872873874875876877878879880881882883884885886887888889890891892893894895896897898899900901902903904905906907908909910911912913914915916917918919920921922923924925926927928929930931932933934935936937938939940941942943944945946947948949950951952953954955956957958959960961962963964965966967968969970971972973974975976977978979980981982983984985986987988989990991992993994995996997998999100010011002100310041005100610071008100910101011
  1. /* derivative */
  2. #include "stdafx.h"
  3. #include "defs.h"
  4. #define F p3
  5. #define X p4
  6. #define N p5
  7. void
  8. eval_derivative(void)
  9. {
  10. int i, n;
  11. // evaluate 1st arg to get function F
  12. p1 = cdr(p1);
  13. push(car(p1));
  14. eval();
  15. // evaluate 2nd arg and then...
  16. // example result of 2nd arg what to do
  17. //
  18. // d(f) nil guess X, N = nil
  19. // d(f,2) 2 guess X, N = 2
  20. // d(f,x) x X = x, N = nil
  21. // d(f,x,2) x X = x, N = 2
  22. // d(f,x,y) x X = x, N = y
  23. p1 = cdr(p1);
  24. push(car(p1));
  25. eval();
  26. p2 = pop();
  27. if (p2 == symbol(NIL)) {
  28. guess();
  29. push(symbol(NIL));
  30. } else if (isnum(p2)) {
  31. guess();
  32. push(p2);
  33. } else {
  34. push(p2);
  35. p1 = cdr(p1);
  36. push(car(p1));
  37. eval();
  38. }
  39. N = pop();
  40. X = pop();
  41. F = pop();
  42. while (1) {
  43. // N might be a symbol instead of a number
  44. if (isnum(N)) {
  45. push(N);
  46. n = pop_integer();
  47. if (n == (int) 0x80000000)
  48. stop("nth derivative: check n");
  49. } else
  50. n = 1;
  51. push(F);
  52. if (n >= 0) {
  53. for (i = 0; i < n; i++) {
  54. push(X);
  55. derivative();
  56. }
  57. } else {
  58. n = -n;
  59. for (i = 0; i < n; i++) {
  60. push(X);
  61. integral();
  62. }
  63. }
  64. F = pop();
  65. // if N is nil then arglist is exhausted
  66. if (N == symbol(NIL))
  67. break;
  68. // otherwise...
  69. // N arg1 what to do
  70. //
  71. // number nil break
  72. // number number N = arg1, continue
  73. // number symbol X = arg1, N = arg2, continue
  74. //
  75. // symbol nil X = N, N = nil, continue
  76. // symbol number X = N, N = arg1, continue
  77. // symbol symbol X = N, N = arg1, continue
  78. if (isnum(N)) {
  79. p1 = cdr(p1);
  80. push(car(p1));
  81. eval();
  82. N = pop();
  83. if (N == symbol(NIL))
  84. break; // arglist exhausted
  85. if (isnum(N))
  86. ; // N = arg1
  87. else {
  88. X = N; // X = arg1
  89. p1 = cdr(p1);
  90. push(car(p1));
  91. eval();
  92. N = pop(); // N = arg2
  93. }
  94. } else {
  95. X = N; // X = N
  96. p1 = cdr(p1);
  97. push(car(p1));
  98. eval();
  99. N = pop(); // N = arg1
  100. }
  101. }
  102. push(F); // final result
  103. }
  104. void
  105. derivative(void)
  106. {
  107. save();
  108. p2 = pop();
  109. p1 = pop();
  110. if (isnum(p2))
  111. stop("undefined function");
  112. if (istensor(p1))
  113. if (istensor(p2))
  114. d_tensor_tensor();
  115. else
  116. d_tensor_scalar();
  117. else
  118. if (istensor(p2))
  119. d_scalar_tensor();
  120. else
  121. d_scalar_scalar();
  122. restore();
  123. }
  124. void
  125. d_scalar_scalar(void)
  126. {
  127. if (issymbol(p2))
  128. d_scalar_scalar_1();
  129. else {
  130. // Example: d(sin(cos(x)),cos(x))
  131. // Replace cos(x) <- X, find derivative, then do X <- cos(x)
  132. push(p1); // sin(cos(x))
  133. push(p2); // cos(x)
  134. push(symbol(SECRETX)); // X
  135. subst(); // sin(cos(x)) -> sin(X)
  136. push(symbol(SECRETX)); // X
  137. derivative();
  138. push(symbol(SECRETX)); // X
  139. push(p2); // cos(x)
  140. subst(); // cos(X) -> cos(cos(x))
  141. }
  142. }
  143. void
  144. d_scalar_scalar_1(void)
  145. {
  146. // d(x,x)?
  147. if (equal(p1, p2)) {
  148. push(one);
  149. return;
  150. }
  151. // d(a,x)?
  152. if (!iscons(p1)) {
  153. push(zero);
  154. return;
  155. }
  156. if (isadd(p1)) {
  157. dsum();
  158. return;
  159. }
  160. if (car(p1) == symbol(MULTIPLY)) {
  161. dproduct();
  162. return;
  163. }
  164. if (car(p1) == symbol(POWER)) {
  165. dpower();
  166. return;
  167. }
  168. if (car(p1) == symbol(DERIVATIVE)) {
  169. dd();
  170. return;
  171. }
  172. if (car(p1) == symbol(LOG)) {
  173. dlog();
  174. return;
  175. }
  176. if (car(p1) == symbol(SIN)) {
  177. dsin();
  178. return;
  179. }
  180. if (car(p1) == symbol(COS)) {
  181. dcos();
  182. return;
  183. }
  184. if (car(p1) == symbol(TAN)) {
  185. dtan();
  186. return;
  187. }
  188. if (car(p1) == symbol(ARCSIN)) {
  189. darcsin();
  190. return;
  191. }
  192. if (car(p1) == symbol(ARCCOS)) {
  193. darccos();
  194. return;
  195. }
  196. if (car(p1) == symbol(ARCTAN)) {
  197. darctan();
  198. return;
  199. }
  200. if (car(p1) == symbol(SINH)) {
  201. dsinh();
  202. return;
  203. }
  204. if (car(p1) == symbol(COSH)) {
  205. dcosh();
  206. return;
  207. }
  208. if (car(p1) == symbol(TANH)) {
  209. dtanh();
  210. return;
  211. }
  212. if (car(p1) == symbol(ARCSINH)) {
  213. darcsinh();
  214. return;
  215. }
  216. if (car(p1) == symbol(ARCCOSH)) {
  217. darccosh();
  218. return;
  219. }
  220. if (car(p1) == symbol(ARCTANH)) {
  221. darctanh();
  222. return;
  223. }
  224. if (car(p1) == symbol(ABS)) {
  225. dabs();
  226. return;
  227. }
  228. if (car(p1) == symbol(SGN)) {
  229. dsgn();
  230. return;
  231. }
  232. if (car(p1) == symbol(HERMITE)) {
  233. dhermite();
  234. return;
  235. }
  236. if (car(p1) == symbol(ERF)) {
  237. derf();
  238. return;
  239. }
  240. if (car(p1) == symbol(ERFC)) {
  241. derfc();
  242. return;
  243. }
  244. /*
  245. if (car(p1) == symbol(BESSELJ)) {
  246. if (iszero(caddr(p1)))
  247. dbesselj0();
  248. else
  249. dbesseljn();
  250. return;
  251. }
  252. if (car(p1) == symbol(BESSELY)) {
  253. if (iszero(caddr(p1)))
  254. dbessely0();
  255. else
  256. dbesselyn();
  257. return;
  258. }
  259. */
  260. if (car(p1) == symbol(INTEGRAL) && caddr(p1) == p2) {
  261. derivative_of_integral();
  262. return;
  263. }
  264. dfunction();
  265. }
  266. void
  267. dsum(void)
  268. {
  269. int h = tos;
  270. p1 = cdr(p1);
  271. while (iscons(p1)) {
  272. push(car(p1));
  273. push(p2);
  274. derivative();
  275. p1 = cdr(p1);
  276. }
  277. add_all(tos - h);
  278. }
  279. void
  280. dproduct(void)
  281. {
  282. int i, j, n;
  283. n = length(p1) - 1;
  284. for (i = 0; i < n; i++) {
  285. p3 = cdr(p1);
  286. for (j = 0; j < n; j++) {
  287. push(car(p3));
  288. if (i == j) {
  289. push(p2);
  290. derivative();
  291. }
  292. p3 = cdr(p3);
  293. }
  294. multiply_all(n);
  295. }
  296. add_all(n);
  297. }
  298. //-----------------------------------------------------------------------------
  299. //
  300. // v
  301. // y = u
  302. //
  303. // log y = v log u
  304. //
  305. // 1 dy v du dv
  306. // - -- = - -- + (log u) --
  307. // y dx u dx dx
  308. //
  309. // dy v v du dv
  310. // -- = u (- -- + (log u) --)
  311. // dx u dx dx
  312. //
  313. //-----------------------------------------------------------------------------
  314. void
  315. dpower(void)
  316. {
  317. push(caddr(p1)); // v/u
  318. push(cadr(p1));
  319. divide();
  320. push(cadr(p1)); // du/dx
  321. push(p2);
  322. derivative();
  323. multiply();
  324. push(cadr(p1)); // log u
  325. logarithm();
  326. push(caddr(p1)); // dv/dx
  327. push(p2);
  328. derivative();
  329. multiply();
  330. add();
  331. push(p1); // u^v
  332. multiply();
  333. }
  334. void
  335. dlog(void)
  336. {
  337. push(cadr(p1));
  338. push(p2);
  339. derivative();
  340. push(cadr(p1));
  341. divide();
  342. }
  343. // derivative of derivative
  344. //
  345. // example: d(d(f(x,y),y),x)
  346. //
  347. // p1 = d(f(x,y),y)
  348. //
  349. // p2 = x
  350. //
  351. // cadr(p1) = f(x,y)
  352. //
  353. // caddr(p1) = y
  354. void
  355. dd(void)
  356. {
  357. // d(f(x,y),x)
  358. push(cadr(p1));
  359. push(p2);
  360. derivative();
  361. p3 = pop();
  362. if (car(p3) == symbol(DERIVATIVE)) {
  363. // sort dx terms
  364. push_symbol(DERIVATIVE);
  365. push_symbol(DERIVATIVE);
  366. push(cadr(p3));
  367. if (lessp(caddr(p3), caddr(p1))) {
  368. push(caddr(p3));
  369. list(3);
  370. push(caddr(p1));
  371. } else {
  372. push(caddr(p1));
  373. list(3);
  374. push(caddr(p3));
  375. }
  376. list(3);
  377. } else {
  378. push(p3);
  379. push(caddr(p1));
  380. derivative();
  381. }
  382. }
  383. // derivative of a generic function
  384. void
  385. dfunction(void)
  386. {
  387. p3 = cdr(p1); // p3 is the argument list for the function
  388. if (p3 == symbol(NIL) || find(p3, p2)) {
  389. push_symbol(DERIVATIVE);
  390. push(p1);
  391. push(p2);
  392. list(3);
  393. } else
  394. push(zero);
  395. }
  396. void
  397. dsin(void)
  398. {
  399. push(cadr(p1));
  400. push(p2);
  401. derivative();
  402. push(cadr(p1));
  403. cosine();
  404. multiply();
  405. }
  406. void
  407. dcos(void)
  408. {
  409. push(cadr(p1));
  410. push(p2);
  411. derivative();
  412. push(cadr(p1));
  413. sine();
  414. multiply();
  415. negate();
  416. }
  417. void
  418. dtan(void)
  419. {
  420. push(cadr(p1));
  421. push(p2);
  422. derivative();
  423. push(cadr(p1));
  424. cosine();
  425. push_integer(-2);
  426. power();
  427. multiply();
  428. }
  429. void
  430. darcsin(void)
  431. {
  432. push(cadr(p1));
  433. push(p2);
  434. derivative();
  435. push_integer(1);
  436. push(cadr(p1));
  437. push_integer(2);
  438. power();
  439. subtract();
  440. push_rational(-1, 2);
  441. power();
  442. multiply();
  443. }
  444. void
  445. darccos(void)
  446. {
  447. push(cadr(p1));
  448. push(p2);
  449. derivative();
  450. push_integer(1);
  451. push(cadr(p1));
  452. push_integer(2);
  453. power();
  454. subtract();
  455. push_rational(-1, 2);
  456. power();
  457. multiply();
  458. negate();
  459. }
  460. // Without simplify With simplify
  461. //
  462. // d(arctan(y/x),x) -y/(x^2*(y^2/x^2+1)) -y/(x^2+y^2)
  463. //
  464. // d(arctan(y/x),y) 1/(x*(y^2/x^2+1)) x/(x^2+y^2)
  465. void
  466. darctan(void)
  467. {
  468. push(cadr(p1));
  469. push(p2);
  470. derivative();
  471. push_integer(1);
  472. push(cadr(p1));
  473. push_integer(2);
  474. power();
  475. add();
  476. inverse();
  477. multiply();
  478. simplify();
  479. }
  480. void
  481. dsinh(void)
  482. {
  483. push(cadr(p1));
  484. push(p2);
  485. derivative();
  486. push(cadr(p1));
  487. ycosh();
  488. multiply();
  489. }
  490. void
  491. dcosh(void)
  492. {
  493. push(cadr(p1));
  494. push(p2);
  495. derivative();
  496. push(cadr(p1));
  497. ysinh();
  498. multiply();
  499. }
  500. void
  501. dtanh(void)
  502. {
  503. push(cadr(p1));
  504. push(p2);
  505. derivative();
  506. push(cadr(p1));
  507. ycosh();
  508. push_integer(-2);
  509. power();
  510. multiply();
  511. }
  512. void
  513. darcsinh(void)
  514. {
  515. push(cadr(p1));
  516. push(p2);
  517. derivative();
  518. push(cadr(p1));
  519. push_integer(2);
  520. power();
  521. push_integer(1);
  522. add();
  523. push_rational(-1, 2);
  524. power();
  525. multiply();
  526. }
  527. void
  528. darccosh(void)
  529. {
  530. push(cadr(p1));
  531. push(p2);
  532. derivative();
  533. push(cadr(p1));
  534. push_integer(2);
  535. power();
  536. push_integer(-1);
  537. add();
  538. push_rational(-1, 2);
  539. power();
  540. multiply();
  541. }
  542. void
  543. darctanh(void)
  544. {
  545. push(cadr(p1));
  546. push(p2);
  547. derivative();
  548. push_integer(1);
  549. push(cadr(p1));
  550. push_integer(2);
  551. power();
  552. subtract();
  553. inverse();
  554. multiply();
  555. }
  556. void
  557. dabs(void)
  558. {
  559. push(cadr(p1));
  560. push(p2);
  561. derivative();
  562. push(cadr(p1));
  563. sgn();
  564. multiply();
  565. }
  566. void
  567. dsgn(void)
  568. {
  569. push(cadr(p1));
  570. push(p2);
  571. derivative();
  572. push(cadr(p1));
  573. dirac();
  574. multiply();
  575. push_integer(2);
  576. multiply();
  577. }
  578. void
  579. dhermite(void)
  580. {
  581. push(cadr(p1));
  582. push(p2);
  583. derivative();
  584. push_integer(2);
  585. push(caddr(p1));
  586. multiply();
  587. multiply();
  588. push(cadr(p1));
  589. push(caddr(p1));
  590. push_integer(-1);
  591. add();
  592. hermite();
  593. multiply();
  594. }
  595. void
  596. derf(void)
  597. {
  598. push(cadr(p1));
  599. push_integer(2);
  600. power();
  601. push_integer(-1);
  602. multiply();
  603. exponential();
  604. push_symbol(PI);
  605. push_rational(-1,2);
  606. power();
  607. multiply();
  608. push_integer(2);
  609. multiply();
  610. push(cadr(p1));
  611. push(p2);
  612. derivative();
  613. multiply();
  614. }
  615. void
  616. derfc(void)
  617. {
  618. push(cadr(p1));
  619. push_integer(2);
  620. power();
  621. push_integer(-1);
  622. multiply();
  623. exponential();
  624. push_symbol(PI);
  625. push_rational(-1,2);
  626. power();
  627. multiply();
  628. push_integer(-2);
  629. multiply();
  630. push(cadr(p1));
  631. push(p2);
  632. derivative();
  633. multiply();
  634. }
  635. /*
  636. void
  637. dbesselj0(void)
  638. {
  639. push(cadr(p1));
  640. push(p2);
  641. derivative();
  642. push(cadr(p1));
  643. push_integer(1);
  644. besselj();
  645. multiply();
  646. push_integer(-1);
  647. multiply();
  648. }
  649. void
  650. dbesseljn(void)
  651. {
  652. push(cadr(p1));
  653. push(p2);
  654. derivative();
  655. push(cadr(p1));
  656. push(caddr(p1));
  657. push_integer(-1);
  658. add();
  659. besselj();
  660. push(caddr(p1));
  661. push_integer(-1);
  662. multiply();
  663. push(cadr(p1));
  664. divide();
  665. push(cadr(p1));
  666. push(caddr(p1));
  667. besselj();
  668. multiply();
  669. add();
  670. multiply();
  671. }
  672. void
  673. dbessely0(void)
  674. {
  675. push(cadr(p1));
  676. push(p2);
  677. derivative();
  678. push(cadr(p1));
  679. push_integer(1);
  680. besselj();
  681. multiply();
  682. push_integer(-1);
  683. multiply();
  684. }
  685. void
  686. dbesselyn(void)
  687. {
  688. push(cadr(p1));
  689. push(p2);
  690. derivative();
  691. push(cadr(p1));
  692. push(caddr(p1));
  693. push_integer(-1);
  694. add();
  695. bessely();
  696. push(caddr(p1));
  697. push_integer(-1);
  698. multiply();
  699. push(cadr(p1));
  700. divide();
  701. push(cadr(p1));
  702. push(caddr(p1));
  703. bessely();
  704. multiply();
  705. add();
  706. multiply();
  707. }
  708. */
  709. void
  710. derivative_of_integral(void)
  711. {
  712. push(cadr(p1));
  713. }
  714. #if SELFTEST
  715. static char *s[] = {
  716. "x=quote(x)",
  717. "",
  718. "f=quote(f)",
  719. "",
  720. "g=quote(g)",
  721. "",
  722. "d(a,x)",
  723. "0",
  724. "d(x,x)",
  725. "1",
  726. "d(x^2,x)",
  727. "2*x",
  728. "d(log(x),x)",
  729. "1/x",
  730. "d(exp(x),x)",
  731. "exp(x)",
  732. "d(a^x,x)",
  733. "a^x*log(a)",
  734. "d(x^x,x)-(x^x+x^x*log(x))",
  735. "0",
  736. "d(log(x^2+5),x)-(2*x/(5+x^2))",
  737. "0",
  738. "d(d(f(x),x),y)",
  739. "0",
  740. "d(d(f(x),y),x)",
  741. "0",
  742. "d(d(f(y),x),y)",
  743. "0",
  744. "d(d(f(y),y),x)",
  745. "0",
  746. "d((x*y*z,y,x+z),(x,y,z))",
  747. "((y*z,x*z,x*y),(0,1,0),(1,0,1))",
  748. "d(x+z,(x,y,z))",
  749. "(1,0,1)",
  750. "d(cos(theta)^2,cos(theta))",
  751. "2*cos(theta)",
  752. "d(f())",
  753. "d(f(),x)",
  754. "d(x^2)",
  755. "2*x",
  756. "d(t^2)",
  757. "2*t",
  758. "d(t^2 x^2)",
  759. "2*t^2*x",
  760. // trig functions
  761. "d(sin(x),x)-cos(x)",
  762. "0",
  763. "d(cos(x),x)+sin(x)",
  764. "0",
  765. "d(tan(x),x)-cos(x)^(-2)",
  766. "0",
  767. "d(arcsin(x),x)-1/sqrt(1-x^2)",
  768. "0",
  769. "d(arccos(x),x)+1/sqrt(1-x^2)",
  770. "0",
  771. "d(arctan(x),x)-1/(1+x^2)",
  772. "0",
  773. "d(arctan(y/x),x)",
  774. "-y/(x^2+y^2)",
  775. "d(arctan(y/x),y)",
  776. "x/(x^2+y^2)",
  777. // hyp functions
  778. "d(sinh(x),x)-cosh(x)",
  779. "0",
  780. "d(cosh(x),x)-sinh(x)",
  781. "0",
  782. "d(tanh(x),x)-cosh(x)^(-2)",
  783. "0",
  784. "d(arcsinh(x),x)-1/sqrt(x^2+1)",
  785. "0",
  786. "d(arccosh(x),x)-1/sqrt(x^2-1)",
  787. "0",
  788. "d(arctanh(x),x)-1/(1-x^2)",
  789. "0",
  790. "d(sin(cos(x)),x)+cos(cos(x))*sin(x)",
  791. "0",
  792. "d(sin(x)^2,x)-2*sin(x)*cos(x)",
  793. "0",
  794. "d(sin(cos(x)),cos(x))-cos(cos(x))",
  795. "0",
  796. "d(abs(x),x)",
  797. "sgn(x)",
  798. "d(sgn(x),x)",
  799. "2*dirac(x)",
  800. // generic functions
  801. "d(f(),x)",
  802. "d(f(),x)",
  803. "d(f(x),x)",
  804. "d(f(x),x)",
  805. "d(f(y),x)",
  806. "0",
  807. "d(g(f(x)),f(x))",
  808. "d(g(f(x)),f(x))",
  809. "d(g(f(x)),x)",
  810. "d(g(f(x)),x)",
  811. // other functions
  812. "d(erf(x))-2*exp(-x^2)/sqrt(pi)",
  813. "0",
  814. // arg lists
  815. "f=x^5*y^7",
  816. "",
  817. "d(f)",
  818. "5*x^4*y^7",
  819. "d(f,x)",
  820. "5*x^4*y^7",
  821. "d(f,x,0)",
  822. "x^5*y^7",
  823. "d(f,x,1)",
  824. "5*x^4*y^7",
  825. "d(f,x,2)",
  826. "20*x^3*y^7",
  827. "d(f,2)",
  828. "20*x^3*y^7",
  829. "d(f,2,y)",
  830. "140*x^3*y^6",
  831. "d(f,x,x,y,y)",
  832. "840*x^3*y^5",
  833. "f=quote(f)",
  834. "",
  835. };
  836. void
  837. test_derivative(void)
  838. {
  839. test(__FILE__, s, sizeof s / sizeof (char *));
  840. }
  841. #endif