ningshuxia
2022-12-01 ad494f13d2ddf31f142cf7fb908b3a6e90395a1a
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327
328
329
330
331
332
333
334
335
336
337
338
339
340
341
342
343
344
345
346
347
348
349
350
351
352
353
354
355
356
357
358
359
360
361
362
363
364
365
366
367
368
369
370
371
372
373
374
375
376
377
378
379
380
381
382
383
384
385
386
387
388
389
390
391
392
393
394
395
396
397
398
399
400
401
402
403
404
// <copyright file="GaussKronrodRule.cs" company="Math.NET">
// Math.NET Numerics, part of the Math.NET Project
// http://numerics.mathdotnet.com
// http://github.com/mathnet/mathnet-numerics
//
// Copyright (c) 2009-2019 Math.NET
//
// Permission is hereby granted, free of charge, to any person
// obtaining a copy of this software and associated documentation
// files (the "Software"), to deal in the Software without
// restriction, including without limitation the rights to use,
// copy, modify, merge, publish, distribute, sublicense, and/or sell
// copies of the Software, and to permit persons to whom the
// Software is furnished to do so, subject to the following
// conditions:
//
// The above copyright notice and this permission notice shall be
// included in all copies or substantial portions of the Software.
//
// THE SOFTWARE IS PROVIDED "AS IS", WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND,
// EXPRESS OR IMPLIED, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO THE WARRANTIES
// OF MERCHANTABILITY, FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE AND
// NONINFRINGEMENT. IN NO EVENT SHALL THE AUTHORS OR COPYRIGHT
// HOLDERS BE LIABLE FOR ANY CLAIM, DAMAGES OR OTHER LIABILITY,
// WHETHER IN AN ACTION OF CONTRACT, TORT OR OTHERWISE, ARISING
// FROM, OUT OF OR IN CONNECTION WITH THE SOFTWARE OR THE USE OR
// OTHER DEALINGS IN THE SOFTWARE.
// </copyright>
 
// This file uses code from the Boost Project.
//  Copyright John Maddock 2017.
//  Copyright Nick Thompson 2017.
//  Use, modification and distribution are subject to the
//  Boost Software License, Version 1.0. (See accompanying file
//  LICENSE_1_0.txt or copy at http://www.boost.org/LICENSE_1_0.txt)
//  https://github.com/boostorg/math/blob/develop/include/boost/math/quadrature/gauss_kronrod.hpp
 
using IStation.Numerics.Integration.GaussRule;
using System;
using System.Numerics;
 
namespace IStation.Numerics.Integration
{
    public class GaussKronrodRule
    {
        private readonly GaussPointPair gaussKronrodPoint;
 
        /// <summary>
        /// Getter for the order.
        /// </summary>
        public int Order => gaussKronrodPoint.Order;
 
        /// <summary>
        /// Getter that returns a clone of the array containing the Kronrod abscissas.
        /// </summary>
        public double[] KronrodAbscissas => gaussKronrodPoint.Abscissas.Clone() as double[];
 
        /// <summary>
        /// Getter that returns a clone of the array containing the Kronrod weights.
        /// </summary>
        public double[] KronrodWeights => gaussKronrodPoint.Weights.Clone() as double[];
 
        /// <summary>
        /// Getter that returns a clone of the array containing the Gauss weights.
        /// </summary>
        public double[] GaussWeights => gaussKronrodPoint.SecondWeights.Clone() as double[];
 
        public GaussKronrodRule(int order)
        {
            gaussKronrodPoint = GaussKronrodPointFactory.GetGaussPoint(order);
        }
 
        /// <summary>
        /// Performs adaptive Gauss-Kronrod quadrature on function f over the range (a,b)
        /// </summary>
        /// <param name="f">The analytic smooth function to integrate</param>
        /// <param name="intervalBegin">Where the interval starts</param>
        /// <param name="intervalEnd">Where the interval stops</param>
        /// <param name="error">The difference between the (N-1)/2 point Gauss approximation and the N-point Gauss-Kronrod approximation</param>
        /// <param name="L1Norm">The L1 norm of the result, if there is a significant difference between this and the returned value, then the result is likely to be ill-conditioned.</param>
        /// <param name="targetRelativeError">The maximum relative error in the result</param>
        /// <param name="maximumDepth">The maximum number of interval splittings permitted before stopping</param>
        /// <param name="order">The number of Gauss-Kronrod points. Pre-computed for 15, 21, 31, 41, 51 and 61 points</param>
        public static double Integrate(Func<double, double> f, double intervalBegin, double intervalEnd, out double error, out double L1Norm, double targetRelativeError = 1E-10, int maximumDepth = 15, int order = 15)
        {
            // Formula used for variable subsitution from
            // 1. Shampine, L. F. (2008). Vectorized adaptive quadrature in MATLAB. Journal of Computational and Applied Mathematics, 211(2), 131-140.
            // 2. quadgk.m, GNU Octave
 
            if (f == null)
            {
                throw new ArgumentNullException(nameof(f));
            }
 
            if (intervalBegin > intervalEnd)
            {
                return -Integrate(f, intervalEnd, intervalBegin, out error, out L1Norm, targetRelativeError, maximumDepth, order);
            }
 
            GaussPointPair gaussKronrodPoint = GaussKronrodPointFactory.GetGaussPoint(order);
 
            // (-oo, oo) => [-1, 1]
            //
            // integral_(-oo)^(oo) f(x) dx = integral_(-1)^(1) f(g(t)) g'(t) dt
            // g(t) = t / (1 - t^2)
            // g'(t) = (1 + t^2) / (1 - t^2)^2
            if ((intervalBegin < double.MinValue) && (intervalEnd > double.MaxValue))
            {
                Func<double, double> u = (t) =>
                {
                    return f(t / (1 - t * t)) * (1 + t * t) / ((1 - t * t) * (1 - t * t));
                };
                return recursive_adaptive_integrate(u, -1, 1, maximumDepth, targetRelativeError, 0, out error, out L1Norm, gaussKronrodPoint);
            }
            // [a, oo) => [0, 1]
            //
            // integral_(a)^(oo) f(x) dx = integral_(0)^(oo) f(a + t^2) 2 t dt
            //                           = integral_(0)^(1) f(a + g(s)^2) 2 g(s) g'(s) ds
            // g(s) = s / (1 - s)
            // g'(s) = 1 / (1 - s)^2
            else if (intervalEnd > double.MaxValue)
            {
                Func<double, double> u = (s) =>
                {
                    return 2 * s * f(intervalBegin + (s / (1 - s)) * (s / (1 - s))) / ((1 - s) * (1 - s) * (1 - s));
                };
                return recursive_adaptive_integrate(u, 0, 1, maximumDepth, targetRelativeError, 0, out error, out L1Norm, gaussKronrodPoint);
            }
            // (-oo, b] => [-1, 0]
            //
            // integral_(-oo)^(b) f(x) dx = -integral_(-oo)^(0) f(b - t^2) 2 t dt
            //                            = -integral_(-1)^(0) f(b - g(s)^2) 2 g(s) g'(s) ds
            // g(s) = s / (1 + s)
            // g'(s) = 1 / (1 + s)^2
            else if (intervalBegin < double.MinValue)
            {
                Func<double, double> u = (s) =>
                {
                    return -2 * s * f(intervalEnd - s / (1 + s) * (s / (1 + s))) / ((1 + s) * (1 + s) * (1 + s));
                };
                return recursive_adaptive_integrate(u, -1, 0, maximumDepth, targetRelativeError, 0, out error, out L1Norm, gaussKronrodPoint);
            }
            // [a, b] => [-1, 1]
            //
            // integral_(a)^(b) f(x) dx = integral_(-1)^(1) f(g(t)) g'(t) dt
            // g(t) = (b - a) * t * (3 - t^2) / 4 + (b + a) / 2
            // g'(t) = 3 / 4 * (b - a) * (1 - t^2)
            else
            {
                Func<double, double> u = (t) =>
                {
                    return f((intervalEnd - intervalBegin) / 4 * t * (3 - t * t) + (intervalEnd + intervalBegin) / 2) * 3 * (intervalEnd - intervalBegin) / 4 * (1 - t * t);
                };
                return recursive_adaptive_integrate(u, -1, 1, maximumDepth, targetRelativeError, 0d, out error, out L1Norm, gaussKronrodPoint);
            }
        }
 
        /// <summary>
        /// Performs adaptive Gauss-Kronrod quadrature on function f over the range (a,b)
        /// </summary>
        /// <param name="f">The analytic smooth complex function to integrate, defined on the real axis.</param>
        /// <param name="intervalBegin">Where the interval starts</param>
        /// <param name="intervalEnd">Where the interval stops</param>
        /// <param name="error">The difference between the (N-1)/2 point Gauss approximation and the N-point Gauss-Kronrod approximation</param>
        /// <param name="L1Norm">The L1 norm of the result, if there is a significant difference between this and the returned value, then the result is likely to be ill-conditioned.</param>
        /// <param name="targetRelativeError">The maximum relative error in the result</param>
        /// <param name="maximumDepth">The maximum number of interval splittings permitted before stopping</param>
        /// <param name="order">The number of Gauss-Kronrod points. Pre-computed for 15, 21, 31, 41, 51 and 61 points</param>
        /// <returns></returns>
        public static Complex ContourIntegrate(Func<double, Complex> f, double intervalBegin, double intervalEnd, out double error, out double L1Norm, double targetRelativeError = 1E-10, int maximumDepth = 15, int order = 15)
        {
            // Formula used for variable subsitution from
            // 1. Shampine, L. F. (2008). Vectorized adaptive quadrature in MATLAB. Journal of Computational and Applied Mathematics, 211(2), 131-140.
            // 2. quadgk.m, GNU Octave
 
            if (f == null)
            {
                throw new ArgumentNullException(nameof(f));
            }
 
            if (intervalBegin > intervalEnd)
            {
                return -ContourIntegrate(f, intervalEnd, intervalBegin, out error, out L1Norm, targetRelativeError, maximumDepth, order);
            }
 
            GaussPointPair gaussKronrodPoint = GaussKronrodPointFactory.GetGaussPoint(order);
 
            // (-oo, oo) => [-1, 1]
            //
            // integral_(-oo)^(oo) f(x) dx = integral_(-1)^(1) f(g(t)) g'(t) dt
            // g(t) = t / (1 - t^2)
            // g'(t) = (1 + t^2) / (1 - t^2)^2
            if ((intervalBegin < double.MinValue) && (intervalEnd > double.MaxValue))
            {
                Func<double, Complex> u = (t) =>
                {
                    return f(t / (1 - t * t)) * (1 + t * t) / ((1 - t * t) * (1 - t * t));
                };
                return contour_recursive_adaptive_integrate(u, -1, 1, maximumDepth, targetRelativeError, 0, out error, out L1Norm, gaussKronrodPoint);
            }
            // [a, oo) => [0, 1]
            //
            // integral_(a)^(oo) f(x) dx = integral_(0)^(oo) f(a + t^2) 2 t dt
            //                           = integral_(0)^(1) f(a + g(s)^2) 2 g(s) g'(s) ds
            // g(s) = s / (1 - s)
            // g'(s) = 1 / (1 - s)^2
            else if (intervalEnd > double.MaxValue)
            {
                Func<double, Complex> u = (s) =>
                {
                    return 2 * s * f(intervalBegin + (s / (1 - s)) * (s / (1 - s))) / ((1 - s) * (1 - s) * (1 - s));
                };
                return contour_recursive_adaptive_integrate(u, 0, 1, maximumDepth, targetRelativeError, 0, out error, out L1Norm, gaussKronrodPoint);
            }
            // (-oo, b] => [-1, 0]
            //
            // integral_(-oo)^(b) f(x) dx = -integral_(-oo)^(0) f(b - t^2) 2 t dt
            //                            = -integral_(-1)^(0) f(b - g(s)^2) 2 g(s) g'(s) ds
            // g(s) = s / (1 + s)
            // g'(s) = 1 / (1 + s)^2
            else if (intervalBegin < double.MinValue)
            {
                Func<double, Complex> u = (s) =>
                {
                    return -2 * s * f(intervalEnd - s / (1 + s) * (s / (1 + s))) / ((1 + s) * (1 + s) * (1 + s));
                };
                return contour_recursive_adaptive_integrate(u, -1, 0, maximumDepth, targetRelativeError, 0, out error, out L1Norm, gaussKronrodPoint);
            }
            // [a, b] => [-1, 1]
            //
            // integral_(a)^(b) f(x) dx = integral_(-1)^(1) f(g(t)) g'(t) dt
            // g(t) = (b - a) * t * (3 - t^2) / 4 + (b + a) / 2
            // g'(t) = 3 / 4 * (b - a) * (1 - t^2)
            else
            {
                Func<double, Complex> u = (t) =>
                {
                    return f((intervalEnd - intervalBegin) / 4 * t * (3 - t * t) + (intervalEnd + intervalBegin) / 2) * 3 * (intervalEnd - intervalBegin) / 4 * (1 - t * t);
                };
                return contour_recursive_adaptive_integrate(u, -1, 1, maximumDepth, targetRelativeError, 0d, out error, out L1Norm, gaussKronrodPoint);
            }
        }
 
        private static double integrate_non_adaptive_m1_1(Func<double, double> f, out double error, out double pL1, GaussPointPair gaussKronrodPoint)
        {
            int gauss_start = 2;
            int kronrod_start = 1;
            int gauss_order = (gaussKronrodPoint.Order - 1) / 2;
 
            double kronrod_result = 0d;
            double gauss_result = 0d;
            double fp, fm;
 
            var KAbscissa = gaussKronrodPoint.Abscissas;
            var KWeights = gaussKronrodPoint.Weights;
            var GWeights = gaussKronrodPoint.SecondWeights;
 
            if ((gauss_order & 1) == 1)
            {
                fp = f(0);
                kronrod_result = fp * KWeights[0];
                gauss_result += fp * GWeights[0];
            }
            else
            {
                fp = f(0);
                kronrod_result = fp * KWeights[0];
                gauss_start = 1;
                kronrod_start = 2;
            }
            double L1 = Math.Abs(kronrod_result);
 
            for (int i = gauss_start; i < KAbscissa.Length; i += 2)
            {
                fp = f(KAbscissa[i]);
                fm = f(-KAbscissa[i]);
                kronrod_result += (fp + fm) * KWeights[i];
                L1 += (Math.Abs(fp) + Math.Abs(fm)) * KWeights[i];
                gauss_result += (fp + fm) * GWeights[i / 2];
            }
            for (int i = kronrod_start; i < KAbscissa.Length; i += 2)
            {
                fp = f(KAbscissa[i]);
                fm = f(-KAbscissa[i]);
                kronrod_result += (fp + fm) * KWeights[i];
                L1 += (Math.Abs(fp) + Math.Abs(fm)) * KWeights[i];
            }
            pL1 = L1;
            error = Math.Max(Math.Abs(kronrod_result - gauss_result), Math.Abs(kronrod_result * Precision.MachineEpsilon * 2d));
            return kronrod_result;
        }
 
        private static Complex contour_integrate_non_adaptive_m1_1(Func<double, Complex> f, out double error, out double pL1, GaussPointPair gaussKronrodPoint)
        {
            int gauss_start = 2;
            int kronrod_start = 1;
            int gauss_order = (gaussKronrodPoint.Order - 1) / 2;
 
            Complex kronrod_result = new Complex();
            Complex gauss_result = new Complex();
            Complex fp, fm;
 
            var KAbscissa = gaussKronrodPoint.Abscissas;
            var KWeights = gaussKronrodPoint.Weights;
            var GWeights = gaussKronrodPoint.SecondWeights;
 
            if (gauss_order.IsOdd())
            {
                fp = f(0);
                kronrod_result = fp * KWeights[0];
                gauss_result += fp * GWeights[0];
            }
            else
            {
                fp = f(0);
                kronrod_result = fp * KWeights[0];
                gauss_start = 1;
                kronrod_start = 2;
            }
            double L1 = Complex.Abs(kronrod_result);
 
            for (int i = gauss_start; i < KAbscissa.Length; i += 2)
            {
                fp = f(KAbscissa[i]);
                fm = f(-KAbscissa[i]);
                kronrod_result += (fp + fm) * KWeights[i];
                L1 += (Complex.Abs(fp) + Complex.Abs(fm)) * KWeights[i];
                gauss_result += (fp + fm) * GWeights[i / 2];
            }
            for (int i = kronrod_start; i < KAbscissa.Length; i += 2)
            {
                fp = f(KAbscissa[i]);
                fm = f(-KAbscissa[i]);
                kronrod_result += (fp + fm) * KWeights[i];
                L1 += (Complex.Abs(fp) + Complex.Abs(fm)) * KWeights[i];
            }
            pL1 = L1;
            error = Math.Max(Complex.Abs(kronrod_result - gauss_result), Complex.Abs(kronrod_result * Precision.MachineEpsilon * 2d));
            return kronrod_result;
        }
 
        private static double recursive_adaptive_integrate(Func<double, double> f, double a, double b, int max_levels, double rel_tol, double abs_tol, out double error, out double L1, GaussPointPair gaussKronrodPoint)
        {
            double error_local;
            double mean = (b + a) / 2;
            double scale = (b - a) / 2;
 
            var r1 = integrate_non_adaptive_m1_1((x) => f(scale * x + mean), out error_local, out L1, gaussKronrodPoint);
            var estimate = scale * r1;
 
            var tmp = estimate * rel_tol;
            var abs_tol1 = Math.Abs(tmp);
            if (abs_tol == 0)
            {
                abs_tol = abs_tol1;
            }
 
            if (max_levels > 0 && (abs_tol1 < error_local) && (abs_tol < error_local))
            {
                double mid = (a + b) / 2d;
                double L1_local;
                estimate = recursive_adaptive_integrate(f, a, mid, max_levels - 1, rel_tol, abs_tol / 2, out error, out L1, gaussKronrodPoint);
                estimate += recursive_adaptive_integrate(f, mid, b, max_levels - 1, rel_tol, abs_tol / 2, out error_local, out L1_local, gaussKronrodPoint);
                error += error_local;
                L1 += L1_local;
                return estimate;
            }
            L1 *= scale;
            error = error_local;
            return estimate;
        }
 
        private static Complex contour_recursive_adaptive_integrate(Func<double, Complex> f, double a, double b, int max_levels, double rel_tol, double abs_tol, out double error, out double L1, GaussPointPair gaussKronrodPoint)
        {
            double error_local;
            double mean = (b + a) / 2;
            double scale = (b - a) / 2;
 
            var r1 = contour_integrate_non_adaptive_m1_1((x) => f(scale * x + mean), out error_local, out L1, gaussKronrodPoint);
            var estimate = scale * r1;
 
            var tmp = estimate * rel_tol;
            var abs_tol1 = Complex.Abs(tmp);
            if (abs_tol == 0)
            {
                abs_tol = abs_tol1;
            }
 
            if (max_levels > 0 && (abs_tol1 < error_local) && (abs_tol < error_local))
            {
                double mid = (a + b) / 2d;
                double L1_local;
                estimate = contour_recursive_adaptive_integrate(f, a, mid, max_levels - 1, rel_tol, abs_tol / 2, out error, out L1, gaussKronrodPoint);
                estimate += contour_recursive_adaptive_integrate(f, mid, b, max_levels - 1, rel_tol, abs_tol / 2, out error_local, out L1_local, gaussKronrodPoint);
                error += error_local;
                L1 += L1_local;
                return estimate;
            }
            L1 *= scale;
            error = error_local;
            return estimate;
        }
    }
}