xref: /freebsd/lib/msun/src/e_log.c (revision 0dd5a5603e7a33d976f8e6015620bbc79839c609)
13f708241SDavid Schultz 
23a8617a8SJordan K. Hubbard /*
33a8617a8SJordan K. Hubbard  * ====================================================
43a8617a8SJordan K. Hubbard  * Copyright (C) 1993 by Sun Microsystems, Inc. All rights reserved.
53a8617a8SJordan K. Hubbard  *
63f708241SDavid Schultz  * Developed at SunSoft, a Sun Microsystems, Inc. business.
73a8617a8SJordan K. Hubbard  * Permission to use, copy, modify, and distribute this
83a8617a8SJordan K. Hubbard  * software is freely granted, provided that this notice
93a8617a8SJordan K. Hubbard  * is preserved.
103a8617a8SJordan K. Hubbard  * ====================================================
113a8617a8SJordan K. Hubbard  */
123a8617a8SJordan K. Hubbard 
13*99843eb8SSteve Kargl /* log(x)
143a8617a8SJordan K. Hubbard  * Return the logrithm of x
153a8617a8SJordan K. Hubbard  *
163a8617a8SJordan K. Hubbard  * Method :
173a8617a8SJordan K. Hubbard  *   1. Argument Reduction: find k and f such that
183a8617a8SJordan K. Hubbard  *			x = 2^k * (1+f),
193a8617a8SJordan K. Hubbard  *	   where  sqrt(2)/2 < 1+f < sqrt(2) .
203a8617a8SJordan K. Hubbard  *
213a8617a8SJordan K. Hubbard  *   2. Approximation of log(1+f).
223a8617a8SJordan K. Hubbard  *	Let s = f/(2+f) ; based on log(1+f) = log(1+s) - log(1-s)
233a8617a8SJordan K. Hubbard  *		 = 2s + 2/3 s**3 + 2/5 s**5 + .....,
243a8617a8SJordan K. Hubbard  *	     	 = 2s + s*R
253a8617a8SJordan K. Hubbard  *      We use a special Reme algorithm on [0,0.1716] to generate
263a8617a8SJordan K. Hubbard  * 	a polynomial of degree 14 to approximate R The maximum error
273a8617a8SJordan K. Hubbard  *	of this polynomial approximation is bounded by 2**-58.45. In
283a8617a8SJordan K. Hubbard  *	other words,
293a8617a8SJordan K. Hubbard  *		        2      4      6      8      10      12      14
303a8617a8SJordan K. Hubbard  *	    R(z) ~ Lg1*s +Lg2*s +Lg3*s +Lg4*s +Lg5*s  +Lg6*s  +Lg7*s
313a8617a8SJordan K. Hubbard  *  	(the values of Lg1 to Lg7 are listed in the program)
323a8617a8SJordan K. Hubbard  *	and
333a8617a8SJordan K. Hubbard  *	    |      2          14          |     -58.45
343a8617a8SJordan K. Hubbard  *	    | Lg1*s +...+Lg7*s    -  R(z) | <= 2
353a8617a8SJordan K. Hubbard  *	    |                             |
363a8617a8SJordan K. Hubbard  *	Note that 2s = f - s*f = f - hfsq + s*hfsq, where hfsq = f*f/2.
373a8617a8SJordan K. Hubbard  *	In order to guarantee error in log below 1ulp, we compute log
383a8617a8SJordan K. Hubbard  *	by
393a8617a8SJordan K. Hubbard  *		log(1+f) = f - s*(f - R)	(if f is not too large)
403a8617a8SJordan K. Hubbard  *		log(1+f) = f - (hfsq - s*(hfsq+R)).	(better accuracy)
413a8617a8SJordan K. Hubbard  *
423a8617a8SJordan K. Hubbard  *	3. Finally,  log(x) = k*ln2 + log(1+f).
433a8617a8SJordan K. Hubbard  *			    = k*ln2_hi+(f-(hfsq-(s*(hfsq+R)+k*ln2_lo)))
443a8617a8SJordan K. Hubbard  *	   Here ln2 is split into two floating point number:
453a8617a8SJordan K. Hubbard  *			ln2_hi + ln2_lo,
463a8617a8SJordan K. Hubbard  *	   where n*ln2_hi is always exact for |n| < 2000.
473a8617a8SJordan K. Hubbard  *
483a8617a8SJordan K. Hubbard  * Special cases:
493a8617a8SJordan K. Hubbard  *	log(x) is NaN with signal if x < 0 (including -INF) ;
503a8617a8SJordan K. Hubbard  *	log(+INF) is +INF; log(0) is -INF with signal;
513a8617a8SJordan K. Hubbard  *	log(NaN) is that NaN with no signal.
523a8617a8SJordan K. Hubbard  *
533a8617a8SJordan K. Hubbard  * Accuracy:
543a8617a8SJordan K. Hubbard  *	according to an error analysis, the error is always less than
553a8617a8SJordan K. Hubbard  *	1 ulp (unit in the last place).
563a8617a8SJordan K. Hubbard  *
573a8617a8SJordan K. Hubbard  * Constants:
583a8617a8SJordan K. Hubbard  * The hexadecimal values are the intended ones for the following
593a8617a8SJordan K. Hubbard  * constants. The decimal values may be used, provided that the
603a8617a8SJordan K. Hubbard  * compiler will convert from decimal to binary accurately enough
613a8617a8SJordan K. Hubbard  * to produce the hexadecimal values shown.
623a8617a8SJordan K. Hubbard  */
633a8617a8SJordan K. Hubbard 
6425a4d6bfSDavid Schultz #include <float.h>
6525a4d6bfSDavid Schultz 
663a8617a8SJordan K. Hubbard #include "math.h"
673a8617a8SJordan K. Hubbard #include "math_private.h"
683a8617a8SJordan K. Hubbard 
693a8617a8SJordan K. Hubbard static const double
703a8617a8SJordan K. Hubbard ln2_hi  =  6.93147180369123816490e-01,	/* 3fe62e42 fee00000 */
713a8617a8SJordan K. Hubbard ln2_lo  =  1.90821492927058770002e-10,	/* 3dea39ef 35793c76 */
723a8617a8SJordan K. Hubbard two54   =  1.80143985094819840000e+16,  /* 43500000 00000000 */
733a8617a8SJordan K. Hubbard Lg1 = 6.666666666666735130e-01,  /* 3FE55555 55555593 */
743a8617a8SJordan K. Hubbard Lg2 = 3.999999999940941908e-01,  /* 3FD99999 9997FA04 */
753a8617a8SJordan K. Hubbard Lg3 = 2.857142874366239149e-01,  /* 3FD24924 94229359 */
763a8617a8SJordan K. Hubbard Lg4 = 2.222219843214978396e-01,  /* 3FCC71C5 1D8E78AF */
773a8617a8SJordan K. Hubbard Lg5 = 1.818357216161805012e-01,  /* 3FC74664 96CB03DE */
783a8617a8SJordan K. Hubbard Lg6 = 1.531383769920937332e-01,  /* 3FC39A09 D078C69F */
793a8617a8SJordan K. Hubbard Lg7 = 1.479819860511658591e-01;  /* 3FC2F112 DF3E5244 */
803a8617a8SJordan K. Hubbard 
813a8617a8SJordan K. Hubbard static const double zero   =  0.0;
827dbbb6ddSDavid Schultz static volatile double vzero = 0.0;
833a8617a8SJordan K. Hubbard 
8459b19ff1SAlfred Perlstein double
log(double x)85*99843eb8SSteve Kargl log(double x)
863a8617a8SJordan K. Hubbard {
873a8617a8SJordan K. Hubbard 	double hfsq,f,s,z,R,w,t1,t2,dk;
883a8617a8SJordan K. Hubbard 	int32_t k,hx,i,j;
893a8617a8SJordan K. Hubbard 	u_int32_t lx;
903a8617a8SJordan K. Hubbard 
913a8617a8SJordan K. Hubbard 	EXTRACT_WORDS(hx,lx,x);
923a8617a8SJordan K. Hubbard 
933a8617a8SJordan K. Hubbard 	k=0;
943a8617a8SJordan K. Hubbard 	if (hx < 0x00100000) {			/* x < 2**-1022  */
953a8617a8SJordan K. Hubbard 	    if (((hx&0x7fffffff)|lx)==0)
967dbbb6ddSDavid Schultz 		return -two54/vzero;		/* log(+-0)=-inf */
973a8617a8SJordan K. Hubbard 	    if (hx<0) return (x-x)/zero;	/* log(-#) = NaN */
983a8617a8SJordan K. Hubbard 	    k -= 54; x *= two54; /* subnormal number, scale up x */
993a8617a8SJordan K. Hubbard 	    GET_HIGH_WORD(hx,x);
1003a8617a8SJordan K. Hubbard 	}
1013a8617a8SJordan K. Hubbard 	if (hx >= 0x7ff00000) return x+x;
1023a8617a8SJordan K. Hubbard 	k += (hx>>20)-1023;
1033a8617a8SJordan K. Hubbard 	hx &= 0x000fffff;
1043a8617a8SJordan K. Hubbard 	i = (hx+0x95f64)&0x100000;
1053a8617a8SJordan K. Hubbard 	SET_HIGH_WORD(x,hx|(i^0x3ff00000));	/* normalize x or x/2 */
1063a8617a8SJordan K. Hubbard 	k += (i>>20);
1073a8617a8SJordan K. Hubbard 	f = x-1.0;
108b5e547dfSBruce Evans 	if((0x000fffff&(2+hx))<3) {	/* -2**-20 <= f < 2**-20 */
109ee0730e6SDavid Schultz 	    if(f==zero) {
110ee0730e6SDavid Schultz 		if(k==0) {
111ee0730e6SDavid Schultz 		    return zero;
112ee0730e6SDavid Schultz 		} else {
113ee0730e6SDavid Schultz 		    dk=(double)k;
114ee0730e6SDavid Schultz 		    return dk*ln2_hi+dk*ln2_lo;
115ee0730e6SDavid Schultz 		}
116ee0730e6SDavid Schultz 	    }
1173a8617a8SJordan K. Hubbard 	    R = f*f*(0.5-0.33333333333333333*f);
1183a8617a8SJordan K. Hubbard 	    if(k==0) return f-R; else {dk=(double)k;
1193a8617a8SJordan K. Hubbard 	    	     return dk*ln2_hi-((R-dk*ln2_lo)-f);}
1203a8617a8SJordan K. Hubbard 	}
1213a8617a8SJordan K. Hubbard  	s = f/(2.0+f);
1223a8617a8SJordan K. Hubbard 	dk = (double)k;
1233a8617a8SJordan K. Hubbard 	z = s*s;
1243a8617a8SJordan K. Hubbard 	i = hx-0x6147a;
1253a8617a8SJordan K. Hubbard 	w = z*z;
1263a8617a8SJordan K. Hubbard 	j = 0x6b851-hx;
1273a8617a8SJordan K. Hubbard 	t1= w*(Lg2+w*(Lg4+w*Lg6));
1283a8617a8SJordan K. Hubbard 	t2= z*(Lg1+w*(Lg3+w*(Lg5+w*Lg7)));
1293a8617a8SJordan K. Hubbard 	i |= j;
1303a8617a8SJordan K. Hubbard 	R = t2+t1;
1313a8617a8SJordan K. Hubbard 	if(i>0) {
1323a8617a8SJordan K. Hubbard 	    hfsq=0.5*f*f;
1333a8617a8SJordan K. Hubbard 	    if(k==0) return f-(hfsq-s*(hfsq+R)); else
1343a8617a8SJordan K. Hubbard 		     return dk*ln2_hi-((hfsq-(s*(hfsq+R)+dk*ln2_lo))-f);
1353a8617a8SJordan K. Hubbard 	} else {
1363a8617a8SJordan K. Hubbard 	    if(k==0) return f-s*(f-R); else
1373a8617a8SJordan K. Hubbard 		     return dk*ln2_hi-((s*(f-R)-dk*ln2_lo)-f);
1383a8617a8SJordan K. Hubbard 	}
1393a8617a8SJordan K. Hubbard }
14025a4d6bfSDavid Schultz 
14125a4d6bfSDavid Schultz #if (LDBL_MANT_DIG == 53)
14225a4d6bfSDavid Schultz __weak_reference(log, logl);
14325a4d6bfSDavid Schultz #endif
144