Added script front-end for primer-design code
[htsworkflow.git] / htswanalysis / MACS / lib / gsl / gsl-1.11 / doc / gsl-ref.info-2
1 This is gsl-ref.info, produced by makeinfo version 4.8 from
2 gsl-ref.texi.
3
4 INFO-DIR-SECTION Scientific software
5 START-INFO-DIR-ENTRY
6 * gsl-ref: (gsl-ref).                   GNU Scientific Library - Reference
7 END-INFO-DIR-ENTRY
8
9    Copyright (C) 1996, 1997, 1998, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004,
10 2005, 2006, 2007 The GSL Team.
11
12    Permission is granted to copy, distribute and/or modify this document
13 under the terms of the GNU Free Documentation License, Version 1.2 or
14 any later version published by the Free Software Foundation; with the
15 Invariant Sections being "GNU General Public License" and "Free Software
16 Needs Free Documentation", the Front-Cover text being "A GNU Manual",
17 and with the Back-Cover Text being (a) (see below).  A copy of the
18 license is included in the section entitled "GNU Free Documentation
19 License".
20
21    (a) The Back-Cover Text is: "You have the freedom to copy and modify
22 this GNU Manual."
23
24 \1f
25 File: gsl-ref.info,  Node: Sorting vectors,  Next: Selecting the k smallest or largest elements,  Prev: Sorting objects,  Up: Sorting
26
27 11.2 Sorting vectors
28 ====================
29
30 The following functions will sort the elements of an array or vector,
31 either directly or indirectly.  They are defined for all real and
32 integer types using the normal suffix rules.  For example, the `float'
33 versions of the array functions are `gsl_sort_float' and
34 `gsl_sort_float_index'.  The corresponding vector functions are
35 `gsl_sort_vector_float' and `gsl_sort_vector_float_index'.  The
36 prototypes are available in the header files `gsl_sort_float.h'
37 `gsl_sort_vector_float.h'.  The complete set of prototypes can be
38 included using the header files `gsl_sort.h' and `gsl_sort_vector.h'.
39
40    There are no functions for sorting complex arrays or vectors, since
41 the ordering of complex numbers is not uniquely defined.  To sort a
42 complex vector by magnitude compute a real vector containing the
43 magnitudes of the complex elements, and sort this vector indirectly.
44 The resulting index gives the appropriate ordering of the original
45 complex vector.
46
47  -- Function: void gsl_sort (double * DATA, size_t STRIDE, size_t N)
48      This function sorts the N elements of the array DATA with stride
49      STRIDE into ascending numerical order.
50
51  -- Function: void gsl_sort_vector (gsl_vector * V)
52      This function sorts the elements of the vector V into ascending
53      numerical order.
54
55  -- Function: void gsl_sort_index (size_t * P, const double * DATA,
56           size_t STRIDE, size_t N)
57      This function indirectly sorts the N elements of the array DATA
58      with stride STRIDE into ascending order, storing the resulting
59      permutation in P.  The array P must be allocated with a sufficient
60      length to store the N elements of the permutation.  The elements
61      of P give the index of the array element which would have been
62      stored in that position if the array had been sorted in place.
63      The array DATA is not changed.
64
65  -- Function: int gsl_sort_vector_index (gsl_permutation * P, const
66           gsl_vector * V)
67      This function indirectly sorts the elements of the vector V into
68      ascending order, storing the resulting permutation in P.  The
69      elements of P give the index of the vector element which would
70      have been stored in that position if the vector had been sorted in
71      place.  The first element of P gives the index of the least element
72      in V, and the last element of P gives the index of the greatest
73      element in V.  The vector V is not changed.
74
75 \1f
76 File: gsl-ref.info,  Node: Selecting the k smallest or largest elements,  Next: Computing the rank,  Prev: Sorting vectors,  Up: Sorting
77
78 11.3 Selecting the k smallest or largest elements
79 =================================================
80
81 The functions described in this section select the k smallest or
82 largest elements of a data set of size N.  The routines use an O(kN)
83 direct insertion algorithm which is suited to subsets that are small
84 compared with the total size of the dataset. For example, the routines
85 are useful for selecting the 10 largest values from one million data
86 points, but not for selecting the largest 100,000 values.  If the
87 subset is a significant part of the total dataset it may be faster to
88 sort all the elements of the dataset directly with an O(N \log N)
89 algorithm and obtain the smallest or largest values that way.
90
91  -- Function: int gsl_sort_smallest (double * DEST, size_t K, const
92           double * SRC, size_t STRIDE, size_t N)
93      This function copies the K smallest elements of the array SRC, of
94      size N and stride STRIDE, in ascending numerical order into the
95      array DEST.  The size K of the subset must be less than or equal
96      to N.  The data SRC is not modified by this operation.
97
98  -- Function: int gsl_sort_largest (double * DEST, size_t K, const
99           double * SRC, size_t STRIDE, size_t N)
100      This function copies the K largest elements of the array SRC, of
101      size N and stride STRIDE, in descending numerical order into the
102      array DEST. K must be less than or equal to N. The data SRC is not
103      modified by this operation.
104
105  -- Function: int gsl_sort_vector_smallest (double * DEST, size_t K,
106           const gsl_vector * V)
107  -- Function: int gsl_sort_vector_largest (double * DEST, size_t K,
108           const gsl_vector * V)
109      These functions copy the K smallest or largest elements of the
110      vector V into the array DEST. K must be less than or equal to the
111      length of the vector V.
112
113    The following functions find the indices of the k smallest or
114 largest elements of a dataset,
115
116  -- Function: int gsl_sort_smallest_index (size_t * P, size_t K, const
117           double * SRC, size_t STRIDE, size_t N)
118      This function stores the indices of the K smallest elements of the
119      array SRC, of size N and stride STRIDE, in the array P.  The
120      indices are chosen so that the corresponding data is in ascending
121      numerical order.  K must be less than or equal to N. The data SRC
122      is not modified by this operation.
123
124  -- Function: int gsl_sort_largest_index (size_t * P, size_t K, const
125           double * SRC, size_t STRIDE, size_t N)
126      This function stores the indices of the K largest elements of the
127      array SRC, of size N and stride STRIDE, in the array P.  The
128      indices are chosen so that the corresponding data is in descending
129      numerical order.  K must be less than or equal to N. The data SRC
130      is not modified by this operation.
131
132  -- Function: int gsl_sort_vector_smallest_index (size_t * P, size_t K,
133           const gsl_vector * V)
134  -- Function: int gsl_sort_vector_largest_index (size_t * P, size_t K,
135           const gsl_vector * V)
136      These functions store the indices of the K smallest or largest
137      elements of the vector V in the array P. K must be less than or
138      equal to the length of the vector V.
139
140 \1f
141 File: gsl-ref.info,  Node: Computing the rank,  Next: Sorting Examples,  Prev: Selecting the k smallest or largest elements,  Up: Sorting
142
143 11.4 Computing the rank
144 =======================
145
146 The "rank" of an element is its order in the sorted data.  The rank is
147 the inverse of the index permutation, P.  It can be computed using the
148 following algorithm,
149
150      for (i = 0; i < p->size; i++)
151      {
152          size_t pi = p->data[i];
153          rank->data[pi] = i;
154      }
155
156 This can be computed directly from the function
157 `gsl_permutation_inverse(rank,p)'.
158
159    The following function will print the rank of each element of the
160 vector V,
161
162      void
163      print_rank (gsl_vector * v)
164      {
165        size_t i;
166        size_t n = v->size;
167        gsl_permutation * perm = gsl_permutation_alloc(n);
168        gsl_permutation * rank = gsl_permutation_alloc(n);
169
170        gsl_sort_vector_index (perm, v);
171        gsl_permutation_inverse (rank, perm);
172
173        for (i = 0; i < n; i++)
174         {
175          double vi = gsl_vector_get(v, i);
176          printf ("element = %d, value = %g, rank = %d\n",
177                   i, vi, rank->data[i]);
178         }
179
180        gsl_permutation_free (perm);
181        gsl_permutation_free (rank);
182      }
183
184 \1f
185 File: gsl-ref.info,  Node: Sorting Examples,  Next: Sorting References and Further Reading,  Prev: Computing the rank,  Up: Sorting
186
187 11.5 Examples
188 =============
189
190 The following example shows how to use the permutation P to print the
191 elements of the vector V in ascending order,
192
193      gsl_sort_vector_index (p, v);
194
195      for (i = 0; i < v->size; i++)
196      {
197          double vpi = gsl_vector_get (v, p->data[i]);
198          printf ("order = %d, value = %g\n", i, vpi);
199      }
200
201 The next example uses the function `gsl_sort_smallest' to select the 5
202 smallest numbers from 100000 uniform random variates stored in an array,
203
204      #include <gsl/gsl_rng.h>
205      #include <gsl/gsl_sort_double.h>
206
207      int
208      main (void)
209      {
210        const gsl_rng_type * T;
211        gsl_rng * r;
212
213        size_t i, k = 5, N = 100000;
214
215        double * x = malloc (N * sizeof(double));
216        double * small = malloc (k * sizeof(double));
217
218        gsl_rng_env_setup();
219
220        T = gsl_rng_default;
221        r = gsl_rng_alloc (T);
222
223        for (i = 0; i < N; i++)
224          {
225            x[i] = gsl_rng_uniform(r);
226          }
227
228        gsl_sort_smallest (small, k, x, 1, N);
229
230        printf ("%d smallest values from %d\n", k, N);
231
232        for (i = 0; i < k; i++)
233          {
234            printf ("%d: %.18f\n", i, small[i]);
235          }
236
237        free (x);
238        free (small);
239        gsl_rng_free (r);
240        return 0;
241      }
242    The output lists the 5 smallest values, in ascending order,
243
244      $ ./a.out
245      5 smallest values from 100000
246      0: 0.000003489200025797
247      1: 0.000008199829608202
248      2: 0.000008953968062997
249      3: 0.000010712770745158
250      4: 0.000033531803637743
251
252 \1f
253 File: gsl-ref.info,  Node: Sorting References and Further Reading,  Prev: Sorting Examples,  Up: Sorting
254
255 11.6 References and Further Reading
256 ===================================
257
258 The subject of sorting is covered extensively in Knuth's `Sorting and
259 Searching',
260
261      Donald E. Knuth, `The Art of Computer Programming: Sorting and
262      Searching' (Vol 3, 3rd Ed, 1997), Addison-Wesley, ISBN 0201896850.
263
264 The Heapsort algorithm is described in the following book,
265
266      Robert Sedgewick, `Algorithms in C', Addison-Wesley, ISBN
267      0201514257.
268
269 \1f
270 File: gsl-ref.info,  Node: BLAS Support,  Next: Linear Algebra,  Prev: Sorting,  Up: Top
271
272 12 BLAS Support
273 ***************
274
275 The Basic Linear Algebra Subprograms (BLAS) define a set of fundamental
276 operations on vectors and matrices which can be used to create optimized
277 higher-level linear algebra functionality.
278
279    The library provides a low-level layer which corresponds directly to
280 the C-language BLAS standard, referred to here as "CBLAS", and a
281 higher-level interface for operations on GSL vectors and matrices.
282 Users who are interested in simple operations on GSL vector and matrix
283 objects should use the high-level layer, which is declared in the file
284 `gsl_blas.h'.  This should satisfy the needs of most users.  Note that
285 GSL matrices are implemented using dense-storage so the interface only
286 includes the corresponding dense-storage BLAS functions.  The full BLAS
287 functionality for band-format and packed-format matrices is available
288 through the low-level CBLAS interface.
289
290    The interface for the `gsl_cblas' layer is specified in the file
291 `gsl_cblas.h'.  This interface corresponds to the BLAS Technical
292 Forum's draft standard for the C interface to legacy BLAS
293 implementations. Users who have access to other conforming CBLAS
294 implementations can use these in place of the version provided by the
295 library.  Note that users who have only a Fortran BLAS library can use
296 a CBLAS conformant wrapper to convert it into a CBLAS library.  A
297 reference CBLAS wrapper for legacy Fortran implementations exists as
298 part of the draft CBLAS standard and can be obtained from Netlib.  The
299 complete set of CBLAS functions is listed in an appendix (*note GSL
300 CBLAS Library::).
301
302    There are three levels of BLAS operations,
303
304 Level 1
305      Vector operations, e.g. y = \alpha x + y
306
307 Level 2
308      Matrix-vector operations, e.g. y = \alpha A x + \beta y
309
310 Level 3
311      Matrix-matrix operations, e.g. C = \alpha A B + C
312
313 Each routine has a name which specifies the operation, the type of
314 matrices involved and their precisions.  Some of the most common
315 operations and their names are given below,
316
317 DOT
318      scalar product, x^T y
319
320 AXPY
321      vector sum, \alpha x + y
322
323 MV
324      matrix-vector product, A x
325
326 SV
327      matrix-vector solve, inv(A) x
328
329 MM
330      matrix-matrix product, A B
331
332 SM
333      matrix-matrix solve, inv(A) B
334
335 The types of matrices are,
336
337 GE
338      general
339
340 GB
341      general band
342
343 SY
344      symmetric
345
346 SB
347      symmetric band
348
349 SP
350      symmetric packed
351
352 HE
353      hermitian
354
355 HB
356      hermitian band
357
358 HP
359      hermitian packed
360
361 TR
362      triangular
363
364 TB
365      triangular band
366
367 TP
368      triangular packed
369
370 Each operation is defined for four precisions,
371
372 S
373      single real
374
375 D
376      double real
377
378 C
379      single complex
380
381 Z
382      double complex
383
384 Thus, for example, the name SGEMM stands for "single-precision general
385 matrix-matrix multiply" and ZGEMM stands for "double-precision complex
386 matrix-matrix multiply".
387
388 * Menu:
389
390 * GSL BLAS Interface::
391 * BLAS Examples::
392 * BLAS References and Further Reading::
393
394 \1f
395 File: gsl-ref.info,  Node: GSL BLAS Interface,  Next: BLAS Examples,  Up: BLAS Support
396
397 12.1 GSL BLAS Interface
398 =======================
399
400 GSL provides dense vector and matrix objects, based on the relevant
401 built-in types.  The library provides an interface to the BLAS
402 operations which apply to these objects.  The interface to this
403 functionality is given in the file `gsl_blas.h'.
404
405 * Menu:
406
407 * Level 1 GSL BLAS Interface::
408 * Level 2 GSL BLAS Interface::
409 * Level 3 GSL BLAS Interface::
410
411 \1f
412 File: gsl-ref.info,  Node: Level 1 GSL BLAS Interface,  Next: Level 2 GSL BLAS Interface,  Up: GSL BLAS Interface
413
414 12.1.1 Level 1
415 --------------
416
417  -- Function: int gsl_blas_sdsdot (float ALPHA, const gsl_vector_float
418           * X, const gsl_vector_float * Y, float * RESULT)
419      This function computes the sum \alpha + x^T y for the vectors X
420      and Y, returning the result in RESULT.
421
422  -- Function: int gsl_blas_sdot (const gsl_vector_float * X, const
423           gsl_vector_float * Y, float * RESULT)
424  -- Function: int gsl_blas_dsdot (const gsl_vector_float * X, const
425           gsl_vector_float * Y, double * RESULT)
426  -- Function: int gsl_blas_ddot (const gsl_vector * X, const gsl_vector
427           * Y, double * RESULT)
428      These functions compute the scalar product x^T y for the vectors X
429      and Y, returning the result in RESULT.
430
431  -- Function: int gsl_blas_cdotu (const gsl_vector_complex_float * X,
432           const gsl_vector_complex_float * Y, gsl_complex_float * DOTU)
433  -- Function: int gsl_blas_zdotu (const gsl_vector_complex * X, const
434           gsl_vector_complex * Y, gsl_complex * DOTU)
435      These functions compute the complex scalar product x^T y for the
436      vectors X and Y, returning the result in RESULT
437
438  -- Function: int gsl_blas_cdotc (const gsl_vector_complex_float * X,
439           const gsl_vector_complex_float * Y, gsl_complex_float * DOTC)
440  -- Function: int gsl_blas_zdotc (const gsl_vector_complex * X, const
441           gsl_vector_complex * Y, gsl_complex * DOTC)
442      These functions compute the complex conjugate scalar product x^H y
443      for the vectors X and Y, returning the result in RESULT
444
445  -- Function: float gsl_blas_snrm2 (const gsl_vector_float * X)
446  -- Function: double gsl_blas_dnrm2 (const gsl_vector * X)
447      These functions compute the Euclidean norm ||x||_2 = \sqrt {\sum
448      x_i^2} of the vector X.
449
450  -- Function: float gsl_blas_scnrm2 (const gsl_vector_complex_float * X)
451  -- Function: double gsl_blas_dznrm2 (const gsl_vector_complex * X)
452      These functions compute the Euclidean norm of the complex vector X,
453
454           ||x||_2 = \sqrt {\sum (\Re(x_i)^2 + \Im(x_i)^2)}.
455
456  -- Function: float gsl_blas_sasum (const gsl_vector_float * X)
457  -- Function: double gsl_blas_dasum (const gsl_vector * X)
458      These functions compute the absolute sum \sum |x_i| of the
459      elements of the vector X.
460
461  -- Function: float gsl_blas_scasum (const gsl_vector_complex_float * X)
462  -- Function: double gsl_blas_dzasum (const gsl_vector_complex * X)
463      These functions compute the sum of the magnitudes of the real and
464      imaginary parts of the complex vector X, \sum |\Re(x_i)| +
465      |\Im(x_i)|.
466
467  -- Function: CBLAS_INDEX_t gsl_blas_isamax (const gsl_vector_float * X)
468  -- Function: CBLAS_INDEX_t gsl_blas_idamax (const gsl_vector * X)
469  -- Function: CBLAS_INDEX_t gsl_blas_icamax (const
470           gsl_vector_complex_float * X)
471  -- Function: CBLAS_INDEX_t gsl_blas_izamax (const gsl_vector_complex *
472           X)
473      These functions return the index of the largest element of the
474      vector X. The largest element is determined by its absolute
475      magnitude for real vectors and by the sum of the magnitudes of the
476      real and imaginary parts |\Re(x_i)| + |\Im(x_i)| for complex
477      vectors.  If the largest value occurs several times then the index
478      of the first occurrence is returned.
479
480  -- Function: int gsl_blas_sswap (gsl_vector_float * X,
481           gsl_vector_float * Y)
482  -- Function: int gsl_blas_dswap (gsl_vector * X, gsl_vector * Y)
483  -- Function: int gsl_blas_cswap (gsl_vector_complex_float * X,
484           gsl_vector_complex_float * Y)
485  -- Function: int gsl_blas_zswap (gsl_vector_complex * X,
486           gsl_vector_complex * Y)
487      These functions exchange the elements of the vectors X and Y.
488
489  -- Function: int gsl_blas_scopy (const gsl_vector_float * X,
490           gsl_vector_float * Y)
491  -- Function: int gsl_blas_dcopy (const gsl_vector * X, gsl_vector * Y)
492  -- Function: int gsl_blas_ccopy (const gsl_vector_complex_float * X,
493           gsl_vector_complex_float * Y)
494  -- Function: int gsl_blas_zcopy (const gsl_vector_complex * X,
495           gsl_vector_complex * Y)
496      These functions copy the elements of the vector X into the vector
497      Y.
498
499  -- Function: int gsl_blas_saxpy (float ALPHA, const gsl_vector_float *
500           X, gsl_vector_float * Y)
501  -- Function: int gsl_blas_daxpy (double ALPHA, const gsl_vector * X,
502           gsl_vector * Y)
503  -- Function: int gsl_blas_caxpy (const gsl_complex_float ALPHA, const
504           gsl_vector_complex_float * X, gsl_vector_complex_float * Y)
505  -- Function: int gsl_blas_zaxpy (const gsl_complex ALPHA, const
506           gsl_vector_complex * X, gsl_vector_complex * Y)
507      These functions compute the sum y = \alpha x + y for the vectors X
508      and Y.
509
510  -- Function: void gsl_blas_sscal (float ALPHA, gsl_vector_float * X)
511  -- Function: void gsl_blas_dscal (double ALPHA, gsl_vector * X)
512  -- Function: void gsl_blas_cscal (const gsl_complex_float ALPHA,
513           gsl_vector_complex_float * X)
514  -- Function: void gsl_blas_zscal (const gsl_complex ALPHA,
515           gsl_vector_complex * X)
516  -- Function: void gsl_blas_csscal (float ALPHA,
517           gsl_vector_complex_float * X)
518  -- Function: void gsl_blas_zdscal (double ALPHA, gsl_vector_complex *
519           X)
520      These functions rescale the vector X by the multiplicative factor
521      ALPHA.
522
523  -- Function: int gsl_blas_srotg (float A[], float B[], float C[],
524           float S[])
525  -- Function: int gsl_blas_drotg (double A[], double B[], double C[],
526           double S[])
527      These functions compute a Givens rotation (c,s) which zeroes the
528      vector (a,b),
529
530           [  c  s ] [ a ] = [ r ]
531           [ -s  c ] [ b ]   [ 0 ]
532
533      The variables A and B are overwritten by the routine.
534
535  -- Function: int gsl_blas_srot (gsl_vector_float * X, gsl_vector_float
536           * Y, float C, float S)
537  -- Function: int gsl_blas_drot (gsl_vector * X, gsl_vector * Y, const
538           double C, const double S)
539      These functions apply a Givens rotation (x', y') = (c x + s y, -s
540      x + c y) to the vectors X, Y.
541
542  -- Function: int gsl_blas_srotmg (float D1[], float D2[], float B1[],
543           float B2, float P[])
544  -- Function: int gsl_blas_drotmg (double D1[], double D2[], double
545           B1[], double B2, double P[])
546      These functions compute a modified Givens transformation.  The
547      modified Givens transformation is defined in the original Level-1
548      BLAS specification, given in the references.
549
550  -- Function: int gsl_blas_srotm (gsl_vector_float * X,
551           gsl_vector_float * Y, const float P[])
552  -- Function: int gsl_blas_drotm (gsl_vector * X, gsl_vector * Y, const
553           double P[])
554      These functions apply a modified Givens transformation.
555
556 \1f
557 File: gsl-ref.info,  Node: Level 2 GSL BLAS Interface,  Next: Level 3 GSL BLAS Interface,  Prev: Level 1 GSL BLAS Interface,  Up: GSL BLAS Interface
558
559 12.1.2 Level 2
560 --------------
561
562  -- Function: int gsl_blas_sgemv (CBLAS_TRANSPOSE_t TRANSA, float
563           ALPHA, const gsl_matrix_float * A, const gsl_vector_float *
564           X, float BETA, gsl_vector_float * Y)
565  -- Function: int gsl_blas_dgemv (CBLAS_TRANSPOSE_t TRANSA, double
566           ALPHA, const gsl_matrix * A, const gsl_vector * X, double
567           BETA, gsl_vector * Y)
568  -- Function: int gsl_blas_cgemv (CBLAS_TRANSPOSE_t TRANSA, const
569           gsl_complex_float ALPHA, const gsl_matrix_complex_float * A,
570           const gsl_vector_complex_float * X, const gsl_complex_float
571           BETA, gsl_vector_complex_float * Y)
572  -- Function: int gsl_blas_zgemv (CBLAS_TRANSPOSE_t TRANSA, const
573           gsl_complex ALPHA, const gsl_matrix_complex * A, const
574           gsl_vector_complex * X, const gsl_complex BETA,
575           gsl_vector_complex * Y)
576      These functions compute the matrix-vector product and sum y =
577      \alpha op(A) x + \beta y, where op(A) = A, A^T, A^H for TRANSA =
578      `CblasNoTrans', `CblasTrans', `CblasConjTrans'.
579
580  -- Function: int gsl_blas_strmv (CBLAS_UPLO_t UPLO, CBLAS_TRANSPOSE_t
581           TRANSA, CBLAS_DIAG_t DIAG, const gsl_matrix_float * A,
582           gsl_vector_float * X)
583  -- Function: int gsl_blas_dtrmv (CBLAS_UPLO_t UPLO, CBLAS_TRANSPOSE_t
584           TRANSA, CBLAS_DIAG_t DIAG, const gsl_matrix * A, gsl_vector *
585           X)
586  -- Function: int gsl_blas_ctrmv (CBLAS_UPLO_t UPLO, CBLAS_TRANSPOSE_t
587           TRANSA, CBLAS_DIAG_t DIAG, const gsl_matrix_complex_float *
588           A, gsl_vector_complex_float * X)
589  -- Function: int gsl_blas_ztrmv (CBLAS_UPLO_t UPLO, CBLAS_TRANSPOSE_t
590           TRANSA, CBLAS_DIAG_t DIAG, const gsl_matrix_complex * A,
591           gsl_vector_complex * X)
592      These functions compute the matrix-vector product x = op(A) x for
593      the triangular matrix A, where op(A) = A, A^T, A^H for TRANSA =
594      `CblasNoTrans', `CblasTrans', `CblasConjTrans'.  When UPLO is
595      `CblasUpper' then the upper triangle of A is used, and when UPLO
596      is `CblasLower' then the lower triangle of A is used.  If DIAG is
597      `CblasNonUnit' then the diagonal of the matrix is used, but if
598      DIAG is `CblasUnit' then the diagonal elements of the matrix A are
599      taken as unity and are not referenced.
600
601  -- Function: int gsl_blas_strsv (CBLAS_UPLO_t UPLO, CBLAS_TRANSPOSE_t
602           TRANSA, CBLAS_DIAG_t DIAG, const gsl_matrix_float * A,
603           gsl_vector_float * X)
604  -- Function: int gsl_blas_dtrsv (CBLAS_UPLO_t UPLO, CBLAS_TRANSPOSE_t
605           TRANSA, CBLAS_DIAG_t DIAG, const gsl_matrix * A, gsl_vector *
606           X)
607  -- Function: int gsl_blas_ctrsv (CBLAS_UPLO_t UPLO, CBLAS_TRANSPOSE_t
608           TRANSA, CBLAS_DIAG_t DIAG, const gsl_matrix_complex_float *
609           A, gsl_vector_complex_float * X)
610  -- Function: int gsl_blas_ztrsv (CBLAS_UPLO_t UPLO, CBLAS_TRANSPOSE_t
611           TRANSA, CBLAS_DIAG_t DIAG, const gsl_matrix_complex * A,
612           gsl_vector_complex * X)
613      These functions compute inv(op(A)) x for X, where op(A) = A, A^T,
614      A^H for TRANSA = `CblasNoTrans', `CblasTrans', `CblasConjTrans'.
615      When UPLO is `CblasUpper' then the upper triangle of A is used,
616      and when UPLO is `CblasLower' then the lower triangle of A is
617      used.  If DIAG is `CblasNonUnit' then the diagonal of the matrix
618      is used, but if DIAG is `CblasUnit' then the diagonal elements of
619      the matrix A are taken as unity and are not referenced.
620
621  -- Function: int gsl_blas_ssymv (CBLAS_UPLO_t UPLO, float ALPHA, const
622           gsl_matrix_float * A, const gsl_vector_float * X, float BETA,
623           gsl_vector_float * Y)
624  -- Function: int gsl_blas_dsymv (CBLAS_UPLO_t UPLO, double ALPHA,
625           const gsl_matrix * A, const gsl_vector * X, double BETA,
626           gsl_vector * Y)
627      These functions compute the matrix-vector product and sum y =
628      \alpha A x + \beta y for the symmetric matrix A.  Since the matrix
629      A is symmetric only its upper half or lower half need to be
630      stored.  When UPLO is `CblasUpper' then the upper triangle and
631      diagonal of A are used, and when UPLO is `CblasLower' then the
632      lower triangle and diagonal of A are used.
633
634  -- Function: int gsl_blas_chemv (CBLAS_UPLO_t UPLO, const
635           gsl_complex_float ALPHA, const gsl_matrix_complex_float * A,
636           const gsl_vector_complex_float * X, const gsl_complex_float
637           BETA, gsl_vector_complex_float * Y)
638  -- Function: int gsl_blas_zhemv (CBLAS_UPLO_t UPLO, const gsl_complex
639           ALPHA, const gsl_matrix_complex * A, const gsl_vector_complex
640           * X, const gsl_complex BETA, gsl_vector_complex * Y)
641      These functions compute the matrix-vector product and sum y =
642      \alpha A x + \beta y for the hermitian matrix A.  Since the matrix
643      A is hermitian only its upper half or lower half need to be
644      stored.  When UPLO is `CblasUpper' then the upper triangle and
645      diagonal of A are used, and when UPLO is `CblasLower' then the
646      lower triangle and diagonal of A are used.  The imaginary elements
647      of the diagonal are automatically assumed to be zero and are not
648      referenced.
649
650  -- Function: int gsl_blas_sger (float ALPHA, const gsl_vector_float *
651           X, const gsl_vector_float * Y, gsl_matrix_float * A)
652  -- Function: int gsl_blas_dger (double ALPHA, const gsl_vector * X,
653           const gsl_vector * Y, gsl_matrix * A)
654  -- Function: int gsl_blas_cgeru (const gsl_complex_float ALPHA, const
655           gsl_vector_complex_float * X, const gsl_vector_complex_float
656           * Y, gsl_matrix_complex_float * A)
657  -- Function: int gsl_blas_zgeru (const gsl_complex ALPHA, const
658           gsl_vector_complex * X, const gsl_vector_complex * Y,
659           gsl_matrix_complex * A)
660      These functions compute the rank-1 update A = \alpha x y^T + A of
661      the matrix A.
662
663  -- Function: int gsl_blas_cgerc (const gsl_complex_float ALPHA, const
664           gsl_vector_complex_float * X, const gsl_vector_complex_float
665           * Y, gsl_matrix_complex_float * A)
666  -- Function: int gsl_blas_zgerc (const gsl_complex ALPHA, const
667           gsl_vector_complex * X, const gsl_vector_complex * Y,
668           gsl_matrix_complex * A)
669      These functions compute the conjugate rank-1 update A = \alpha x
670      y^H + A of the matrix A.
671
672  -- Function: int gsl_blas_ssyr (CBLAS_UPLO_t UPLO, float ALPHA, const
673           gsl_vector_float * X, gsl_matrix_float * A)
674  -- Function: int gsl_blas_dsyr (CBLAS_UPLO_t UPLO, double ALPHA, const
675           gsl_vector * X, gsl_matrix * A)
676      These functions compute the symmetric rank-1 update A = \alpha x
677      x^T + A of the symmetric matrix A.  Since the matrix A is
678      symmetric only its upper half or lower half need to be stored.
679      When UPLO is `CblasUpper' then the upper triangle and diagonal of
680      A are used, and when UPLO is `CblasLower' then the lower triangle
681      and diagonal of A are used.
682
683  -- Function: int gsl_blas_cher (CBLAS_UPLO_t UPLO, float ALPHA, const
684           gsl_vector_complex_float * X, gsl_matrix_complex_float * A)
685  -- Function: int gsl_blas_zher (CBLAS_UPLO_t UPLO, double ALPHA, const
686           gsl_vector_complex * X, gsl_matrix_complex * A)
687      These functions compute the hermitian rank-1 update A = \alpha x
688      x^H + A of the hermitian matrix A.  Since the matrix A is
689      hermitian only its upper half or lower half need to be stored.
690      When UPLO is `CblasUpper' then the upper triangle and diagonal of
691      A are used, and when UPLO is `CblasLower' then the lower triangle
692      and diagonal of A are used.  The imaginary elements of the
693      diagonal are automatically set to zero.
694
695  -- Function: int gsl_blas_ssyr2 (CBLAS_UPLO_t UPLO, float ALPHA, const
696           gsl_vector_float * X, const gsl_vector_float * Y,
697           gsl_matrix_float * A)
698  -- Function: int gsl_blas_dsyr2 (CBLAS_UPLO_t UPLO, double ALPHA,
699           const gsl_vector * X, const gsl_vector * Y, gsl_matrix * A)
700      These functions compute the symmetric rank-2 update A = \alpha x
701      y^T + \alpha y x^T + A of the symmetric matrix A.  Since the
702      matrix A is symmetric only its upper half or lower half need to be
703      stored.  When UPLO is `CblasUpper' then the upper triangle and
704      diagonal of A are used, and when UPLO is `CblasLower' then the
705      lower triangle and diagonal of A are used.
706
707  -- Function: int gsl_blas_cher2 (CBLAS_UPLO_t UPLO, const
708           gsl_complex_float ALPHA, const gsl_vector_complex_float * X,
709           const gsl_vector_complex_float * Y, gsl_matrix_complex_float
710           * A)
711  -- Function: int gsl_blas_zher2 (CBLAS_UPLO_t UPLO, const gsl_complex
712           ALPHA, const gsl_vector_complex * X, const gsl_vector_complex
713           * Y, gsl_matrix_complex * A)
714      These functions compute the hermitian rank-2 update A = \alpha x
715      y^H + \alpha^* y x^H A of the hermitian matrix A.  Since the
716      matrix A is hermitian only its upper half or lower half need to be
717      stored.  When UPLO is `CblasUpper' then the upper triangle and
718      diagonal of A are used, and when UPLO is `CblasLower' then the
719      lower triangle and diagonal of A are used.  The imaginary elements
720      of the diagonal are automatically set to zero.
721
722 \1f
723 File: gsl-ref.info,  Node: Level 3 GSL BLAS Interface,  Prev: Level 2 GSL BLAS Interface,  Up: GSL BLAS Interface
724
725 12.1.3 Level 3
726 --------------
727
728  -- Function: int gsl_blas_sgemm (CBLAS_TRANSPOSE_t TRANSA,
729           CBLAS_TRANSPOSE_t TRANSB, float ALPHA, const gsl_matrix_float
730           * A, const gsl_matrix_float * B, float BETA, gsl_matrix_float
731           * C)
732  -- Function: int gsl_blas_dgemm (CBLAS_TRANSPOSE_t TRANSA,
733           CBLAS_TRANSPOSE_t TRANSB, double ALPHA, const gsl_matrix * A,
734           const gsl_matrix * B, double BETA, gsl_matrix * C)
735  -- Function: int gsl_blas_cgemm (CBLAS_TRANSPOSE_t TRANSA,
736           CBLAS_TRANSPOSE_t TRANSB, const gsl_complex_float ALPHA,
737           const gsl_matrix_complex_float * A, const
738           gsl_matrix_complex_float * B, const gsl_complex_float BETA,
739           gsl_matrix_complex_float * C)
740  -- Function: int gsl_blas_zgemm (CBLAS_TRANSPOSE_t TRANSA,
741           CBLAS_TRANSPOSE_t TRANSB, const gsl_complex ALPHA, const
742           gsl_matrix_complex * A, const gsl_matrix_complex * B, const
743           gsl_complex BETA, gsl_matrix_complex * C)
744      These functions compute the matrix-matrix product and sum C =
745      \alpha op(A) op(B) + \beta C where op(A) = A, A^T, A^H for TRANSA
746      = `CblasNoTrans', `CblasTrans', `CblasConjTrans' and similarly for
747      the parameter TRANSB.
748
749  -- Function: int gsl_blas_ssymm (CBLAS_SIDE_t SIDE, CBLAS_UPLO_t UPLO,
750           float ALPHA, const gsl_matrix_float * A, const
751           gsl_matrix_float * B, float BETA, gsl_matrix_float * C)
752  -- Function: int gsl_blas_dsymm (CBLAS_SIDE_t SIDE, CBLAS_UPLO_t UPLO,
753           double ALPHA, const gsl_matrix * A, const gsl_matrix * B,
754           double BETA, gsl_matrix * C)
755  -- Function: int gsl_blas_csymm (CBLAS_SIDE_t SIDE, CBLAS_UPLO_t UPLO,
756           const gsl_complex_float ALPHA, const gsl_matrix_complex_float
757           * A, const gsl_matrix_complex_float * B, const
758           gsl_complex_float BETA, gsl_matrix_complex_float * C)
759  -- Function: int gsl_blas_zsymm (CBLAS_SIDE_t SIDE, CBLAS_UPLO_t UPLO,
760           const gsl_complex ALPHA, const gsl_matrix_complex * A, const
761           gsl_matrix_complex * B, const gsl_complex BETA,
762           gsl_matrix_complex * C)
763      These functions compute the matrix-matrix product and sum C =
764      \alpha A B + \beta C for SIDE is `CblasLeft' and C = \alpha B A +
765      \beta C for SIDE is `CblasRight', where the matrix A is symmetric.
766      When UPLO is `CblasUpper' then the upper triangle and diagonal of
767      A are used, and when UPLO is `CblasLower' then the lower triangle
768      and diagonal of A are used.
769
770  -- Function: int gsl_blas_chemm (CBLAS_SIDE_t SIDE, CBLAS_UPLO_t UPLO,
771           const gsl_complex_float ALPHA, const gsl_matrix_complex_float
772           * A, const gsl_matrix_complex_float * B, const
773           gsl_complex_float BETA, gsl_matrix_complex_float * C)
774  -- Function: int gsl_blas_zhemm (CBLAS_SIDE_t SIDE, CBLAS_UPLO_t UPLO,
775           const gsl_complex ALPHA, const gsl_matrix_complex * A, const
776           gsl_matrix_complex * B, const gsl_complex BETA,
777           gsl_matrix_complex * C)
778      These functions compute the matrix-matrix product and sum C =
779      \alpha A B + \beta C for SIDE is `CblasLeft' and C = \alpha B A +
780      \beta C for SIDE is `CblasRight', where the matrix A is hermitian.
781      When UPLO is `CblasUpper' then the upper triangle and diagonal of
782      A are used, and when UPLO is `CblasLower' then the lower triangle
783      and diagonal of A are used.  The imaginary elements of the
784      diagonal are automatically set to zero.
785
786  -- Function: int gsl_blas_strmm (CBLAS_SIDE_t SIDE, CBLAS_UPLO_t UPLO,
787           CBLAS_TRANSPOSE_t TRANSA, CBLAS_DIAG_t DIAG, float ALPHA,
788           const gsl_matrix_float * A, gsl_matrix_float * B)
789  -- Function: int gsl_blas_dtrmm (CBLAS_SIDE_t SIDE, CBLAS_UPLO_t UPLO,
790           CBLAS_TRANSPOSE_t TRANSA, CBLAS_DIAG_t DIAG, double ALPHA,
791           const gsl_matrix * A, gsl_matrix * B)
792  -- Function: int gsl_blas_ctrmm (CBLAS_SIDE_t SIDE, CBLAS_UPLO_t UPLO,
793           CBLAS_TRANSPOSE_t TRANSA, CBLAS_DIAG_t DIAG, const
794           gsl_complex_float ALPHA, const gsl_matrix_complex_float * A,
795           gsl_matrix_complex_float * B)
796  -- Function: int gsl_blas_ztrmm (CBLAS_SIDE_t SIDE, CBLAS_UPLO_t UPLO,
797           CBLAS_TRANSPOSE_t TRANSA, CBLAS_DIAG_t DIAG, const
798           gsl_complex ALPHA, const gsl_matrix_complex * A,
799           gsl_matrix_complex * B)
800      These functions compute the matrix-matrix product B = \alpha op(A)
801      B for SIDE is `CblasLeft' and B = \alpha B op(A) for SIDE is
802      `CblasRight'.  The matrix A is triangular and op(A) = A, A^T, A^H
803      for TRANSA = `CblasNoTrans', `CblasTrans', `CblasConjTrans'. When
804      UPLO is `CblasUpper' then the upper triangle of A is used, and
805      when UPLO is `CblasLower' then the lower triangle of A is used.
806      If DIAG is `CblasNonUnit' then the diagonal of A is used, but if
807      DIAG is `CblasUnit' then the diagonal elements of the matrix A are
808      taken as unity and are not referenced.
809
810  -- Function: int gsl_blas_strsm (CBLAS_SIDE_t SIDE, CBLAS_UPLO_t UPLO,
811           CBLAS_TRANSPOSE_t TRANSA, CBLAS_DIAG_t DIAG, float ALPHA,
812           const gsl_matrix_float * A, gsl_matrix_float * B)
813  -- Function: int gsl_blas_dtrsm (CBLAS_SIDE_t SIDE, CBLAS_UPLO_t UPLO,
814           CBLAS_TRANSPOSE_t TRANSA, CBLAS_DIAG_t DIAG, double ALPHA,
815           const gsl_matrix * A, gsl_matrix * B)
816  -- Function: int gsl_blas_ctrsm (CBLAS_SIDE_t SIDE, CBLAS_UPLO_t UPLO,
817           CBLAS_TRANSPOSE_t TRANSA, CBLAS_DIAG_t DIAG, const
818           gsl_complex_float ALPHA, const gsl_matrix_complex_float * A,
819           gsl_matrix_complex_float * B)
820  -- Function: int gsl_blas_ztrsm (CBLAS_SIDE_t SIDE, CBLAS_UPLO_t UPLO,
821           CBLAS_TRANSPOSE_t TRANSA, CBLAS_DIAG_t DIAG, const
822           gsl_complex ALPHA, const gsl_matrix_complex * A,
823           gsl_matrix_complex * B)
824      These functions compute the inverse-matrix matrix product B =
825      \alpha op(inv(A))B for SIDE is `CblasLeft' and B = \alpha B
826      op(inv(A)) for SIDE is `CblasRight'.  The matrix A is triangular
827      and op(A) = A, A^T, A^H for TRANSA = `CblasNoTrans', `CblasTrans',
828      `CblasConjTrans'. When UPLO is `CblasUpper' then the upper
829      triangle of A is used, and when UPLO is `CblasLower' then the
830      lower triangle of A is used.  If DIAG is `CblasNonUnit' then the
831      diagonal of A is used, but if DIAG is `CblasUnit' then the
832      diagonal elements of the matrix A are taken as unity and are not
833      referenced.
834
835  -- Function: int gsl_blas_ssyrk (CBLAS_UPLO_t UPLO, CBLAS_TRANSPOSE_t
836           TRANS, float ALPHA, const gsl_matrix_float * A, float BETA,
837           gsl_matrix_float * C)
838  -- Function: int gsl_blas_dsyrk (CBLAS_UPLO_t UPLO, CBLAS_TRANSPOSE_t
839           TRANS, double ALPHA, const gsl_matrix * A, double BETA,
840           gsl_matrix * C)
841  -- Function: int gsl_blas_csyrk (CBLAS_UPLO_t UPLO, CBLAS_TRANSPOSE_t
842           TRANS, const gsl_complex_float ALPHA, const
843           gsl_matrix_complex_float * A, const gsl_complex_float BETA,
844           gsl_matrix_complex_float * C)
845  -- Function: int gsl_blas_zsyrk (CBLAS_UPLO_t UPLO, CBLAS_TRANSPOSE_t
846           TRANS, const gsl_complex ALPHA, const gsl_matrix_complex * A,
847           const gsl_complex BETA, gsl_matrix_complex * C)
848      These functions compute a rank-k update of the symmetric matrix C,
849      C = \alpha A A^T + \beta C when TRANS is `CblasNoTrans' and C =
850      \alpha A^T A + \beta C when TRANS is `CblasTrans'.  Since the
851      matrix C is symmetric only its upper half or lower half need to be
852      stored.  When UPLO is `CblasUpper' then the upper triangle and
853      diagonal of C are used, and when UPLO is `CblasLower' then the
854      lower triangle and diagonal of C are used.
855
856  -- Function: int gsl_blas_cherk (CBLAS_UPLO_t UPLO, CBLAS_TRANSPOSE_t
857           TRANS, float ALPHA, const gsl_matrix_complex_float * A, float
858           BETA, gsl_matrix_complex_float * C)
859  -- Function: int gsl_blas_zherk (CBLAS_UPLO_t UPLO, CBLAS_TRANSPOSE_t
860           TRANS, double ALPHA, const gsl_matrix_complex * A, double
861           BETA, gsl_matrix_complex * C)
862      These functions compute a rank-k update of the hermitian matrix C,
863      C = \alpha A A^H + \beta C when TRANS is `CblasNoTrans' and C =
864      \alpha A^H A + \beta C when TRANS is `CblasTrans'.  Since the
865      matrix C is hermitian only its upper half or lower half need to be
866      stored.  When UPLO is `CblasUpper' then the upper triangle and
867      diagonal of C are used, and when UPLO is `CblasLower' then the
868      lower triangle and diagonal of C are used.  The imaginary elements
869      of the diagonal are automatically set to zero.
870
871  -- Function: int gsl_blas_ssyr2k (CBLAS_UPLO_t UPLO, CBLAS_TRANSPOSE_t
872           TRANS, float ALPHA, const gsl_matrix_float * A, const
873           gsl_matrix_float * B, float BETA, gsl_matrix_float * C)
874  -- Function: int gsl_blas_dsyr2k (CBLAS_UPLO_t UPLO, CBLAS_TRANSPOSE_t
875           TRANS, double ALPHA, const gsl_matrix * A, const gsl_matrix *
876           B, double BETA, gsl_matrix * C)
877  -- Function: int gsl_blas_csyr2k (CBLAS_UPLO_t UPLO, CBLAS_TRANSPOSE_t
878           TRANS, const gsl_complex_float ALPHA, const
879           gsl_matrix_complex_float * A, const gsl_matrix_complex_float
880           * B, const gsl_complex_float BETA, gsl_matrix_complex_float *
881           C)
882  -- Function: int gsl_blas_zsyr2k (CBLAS_UPLO_t UPLO, CBLAS_TRANSPOSE_t
883           TRANS, const gsl_complex ALPHA, const gsl_matrix_complex * A,
884           const gsl_matrix_complex * B, const gsl_complex BETA,
885           gsl_matrix_complex * C)
886      These functions compute a rank-2k update of the symmetric matrix C,
887      C = \alpha A B^T + \alpha B A^T + \beta C when TRANS is
888      `CblasNoTrans' and C = \alpha A^T B + \alpha B^T A + \beta C when
889      TRANS is `CblasTrans'.  Since the matrix C is symmetric only its
890      upper half or lower half need to be stored.  When UPLO is
891      `CblasUpper' then the upper triangle and diagonal of C are used,
892      and when UPLO is `CblasLower' then the lower triangle and diagonal
893      of C are used.
894
895  -- Function: int gsl_blas_cher2k (CBLAS_UPLO_t UPLO, CBLAS_TRANSPOSE_t
896           TRANS, const gsl_complex_float ALPHA, const
897           gsl_matrix_complex_float * A, const gsl_matrix_complex_float
898           * B, float BETA, gsl_matrix_complex_float * C)
899  -- Function: int gsl_blas_zher2k (CBLAS_UPLO_t UPLO, CBLAS_TRANSPOSE_t
900           TRANS, const gsl_complex ALPHA, const gsl_matrix_complex * A,
901           const gsl_matrix_complex * B, double BETA, gsl_matrix_complex
902           * C)
903      These functions compute a rank-2k update of the hermitian matrix C,
904      C = \alpha A B^H + \alpha^* B A^H + \beta C when TRANS is
905      `CblasNoTrans' and C = \alpha A^H B + \alpha^* B^H A + \beta C when
906      TRANS is `CblasConjTrans'.  Since the matrix C is hermitian only
907      its upper half or lower half need to be stored.  When UPLO is
908      `CblasUpper' then the upper triangle and diagonal of C are used,
909      and when UPLO is `CblasLower' then the lower triangle and diagonal
910      of C are used.  The imaginary elements of the diagonal are
911      automatically set to zero.
912
913 \1f
914 File: gsl-ref.info,  Node: BLAS Examples,  Next: BLAS References and Further Reading,  Prev: GSL BLAS Interface,  Up: BLAS Support
915
916 12.2 Examples
917 =============
918
919 The following program computes the product of two matrices using the
920 Level-3 BLAS function DGEMM,
921
922      [ 0.11 0.12 0.13 ]  [ 1011 1012 ]     [ 367.76 368.12 ]
923      [ 0.21 0.22 0.23 ]  [ 1021 1022 ]  =  [ 674.06 674.72 ]
924                          [ 1031 1032 ]
925
926 The matrices are stored in row major order, according to the C
927 convention for arrays.
928
929      #include <stdio.h>
930      #include <gsl/gsl_blas.h>
931
932      int
933      main (void)
934      {
935        double a[] = { 0.11, 0.12, 0.13,
936                       0.21, 0.22, 0.23 };
937
938        double b[] = { 1011, 1012,
939                       1021, 1022,
940                       1031, 1032 };
941
942        double c[] = { 0.00, 0.00,
943                       0.00, 0.00 };
944
945        gsl_matrix_view A = gsl_matrix_view_array(a, 2, 3);
946        gsl_matrix_view B = gsl_matrix_view_array(b, 3, 2);
947        gsl_matrix_view C = gsl_matrix_view_array(c, 2, 2);
948
949        /* Compute C = A B */
950
951        gsl_blas_dgemm (CblasNoTrans, CblasNoTrans,
952                        1.0, &A.matrix, &B.matrix,
953                        0.0, &C.matrix);
954
955        printf ("[ %g, %g\n", c[0], c[1]);
956        printf ("  %g, %g ]\n", c[2], c[3]);
957
958        return 0;
959      }
960
961 Here is the output from the program,
962
963      $ ./a.out
964      [ 367.76, 368.12
965        674.06, 674.72 ]
966
967 \1f
968 File: gsl-ref.info,  Node: BLAS References and Further Reading,  Prev: BLAS Examples,  Up: BLAS Support
969
970 12.3 References and Further Reading
971 ===================================
972
973 Information on the BLAS standards, including both the legacy and draft
974 interface standards, is available online from the BLAS Homepage and
975 BLAS Technical Forum web-site.
976
977      `BLAS Homepage'
978      `http://www.netlib.org/blas/'
979
980      `BLAS Technical Forum'
981      `http://www.netlib.org/cgi-bin/checkout/blast/blast.pl'
982
983 The following papers contain the specifications for Level 1, Level 2 and
984 Level 3 BLAS.
985
986      C. Lawson, R. Hanson, D. Kincaid, F. Krogh, "Basic Linear Algebra
987      Subprograms for Fortran Usage", `ACM Transactions on Mathematical
988      Software', Vol. 5 (1979), Pages 308-325.
989
990      J.J. Dongarra, J. DuCroz, S. Hammarling, R. Hanson, "An Extended
991      Set of Fortran Basic Linear Algebra Subprograms", `ACM
992      Transactions on Mathematical Software', Vol. 14, No. 1 (1988),
993      Pages 1-32.
994
995      J.J. Dongarra, I. Duff, J. DuCroz, S. Hammarling, "A Set of Level
996      3 Basic Linear Algebra Subprograms", `ACM Transactions on
997      Mathematical Software', Vol. 16 (1990), Pages 1-28.
998
999 Postscript versions of the latter two papers are available from
1000 `http://www.netlib.org/blas/'. A CBLAS wrapper for Fortran BLAS
1001 libraries is available from the same location.
1002
1003 \1f
1004 File: gsl-ref.info,  Node: Linear Algebra,  Next: Eigensystems,  Prev: BLAS Support,  Up: Top
1005
1006 13 Linear Algebra
1007 *****************
1008
1009 This chapter describes functions for solving linear systems.  The
1010 library provides linear algebra operations which operate directly on
1011 the `gsl_vector' and `gsl_matrix' objects.  These routines use the
1012 standard algorithms from Golub & Van Loan's `Matrix Computations' with
1013 Level-1 and Level-2 BLAS calls for efficiency.
1014
1015    The functions described in this chapter are declared in the header
1016 file `gsl_linalg.h'.
1017
1018 * Menu:
1019
1020 * LU Decomposition::
1021 * QR Decomposition::
1022 * QR Decomposition with Column Pivoting::
1023 * Singular Value Decomposition::
1024 * Cholesky Decomposition::
1025 * Tridiagonal Decomposition of Real Symmetric Matrices::
1026 * Tridiagonal Decomposition of Hermitian Matrices::
1027 * Hessenberg Decomposition of Real Matrices::
1028 * Hessenberg-Triangular Decomposition of Real Matrices::
1029 * Bidiagonalization::
1030 * Householder Transformations::
1031 * Householder solver for linear systems::
1032 * Tridiagonal Systems::
1033 * Balancing::
1034 * Linear Algebra Examples::
1035 * Linear Algebra References and Further Reading::
1036
1037 \1f
1038 File: gsl-ref.info,  Node: LU Decomposition,  Next: QR Decomposition,  Up: Linear Algebra
1039
1040 13.1 LU Decomposition
1041 =====================
1042
1043 A general square matrix A has an LU decomposition into upper and lower
1044 triangular matrices,
1045
1046      P A = L U
1047
1048 where P is a permutation matrix, L is unit lower triangular matrix and
1049 U is upper triangular matrix. For square matrices this decomposition
1050 can be used to convert the linear system A x = b into a pair of
1051 triangular systems (L y = P b, U x = y), which can be solved by forward
1052 and back-substitution.  Note that the LU decomposition is valid for
1053 singular matrices.
1054
1055  -- Function: int gsl_linalg_LU_decomp (gsl_matrix * A, gsl_permutation
1056           * P, int * SIGNUM)
1057  -- Function: int gsl_linalg_complex_LU_decomp (gsl_matrix_complex * A,
1058           gsl_permutation * P, int * SIGNUM)
1059      These functions factorize the square matrix A into the LU
1060      decomposition PA = LU.  On output the diagonal and upper
1061      triangular part of the input matrix A contain the matrix U. The
1062      lower triangular part of the input matrix (excluding the diagonal)
1063      contains L.  The diagonal elements of L are unity, and are not
1064      stored.
1065
1066      The permutation matrix P is encoded in the permutation P. The j-th
1067      column of the matrix P is given by the k-th column of the identity
1068      matrix, where k = p_j the j-th element of the permutation vector.
1069      The sign of the permutation is given by SIGNUM. It has the value
1070      (-1)^n, where n is the number of interchanges in the permutation.
1071
1072      The algorithm used in the decomposition is Gaussian Elimination
1073      with partial pivoting (Golub & Van Loan, `Matrix Computations',
1074      Algorithm 3.4.1).
1075
1076  -- Function: int gsl_linalg_LU_solve (const gsl_matrix * LU, const
1077           gsl_permutation * P, const gsl_vector * B, gsl_vector * X)
1078  -- Function: int gsl_linalg_complex_LU_solve (const gsl_matrix_complex
1079           * LU, const gsl_permutation * P, const gsl_vector_complex *
1080           B, gsl_vector_complex * X)
1081      These functions solve the square system A x = b using the LU
1082      decomposition of A into (LU, P) given by `gsl_linalg_LU_decomp' or
1083      `gsl_linalg_complex_LU_decomp'.
1084
1085  -- Function: int gsl_linalg_LU_svx (const gsl_matrix * LU, const
1086           gsl_permutation * P, gsl_vector * X)
1087  -- Function: int gsl_linalg_complex_LU_svx (const gsl_matrix_complex *
1088           LU, const gsl_permutation * P, gsl_vector_complex * X)
1089      These functions solve the square system A x = b in-place using the
1090      LU decomposition of A into (LU,P). On input X should contain the
1091      right-hand side b, which is replaced by the solution on output.
1092
1093  -- Function: int gsl_linalg_LU_refine (const gsl_matrix * A, const
1094           gsl_matrix * LU, const gsl_permutation * P, const gsl_vector
1095           * B, gsl_vector * X, gsl_vector * RESIDUAL)
1096  -- Function: int gsl_linalg_complex_LU_refine (const
1097           gsl_matrix_complex * A, const gsl_matrix_complex * LU, const
1098           gsl_permutation * P, const gsl_vector_complex * B,
1099           gsl_vector_complex * X, gsl_vector_complex * RESIDUAL)
1100      These functions apply an iterative improvement to X, the solution
1101      of A x = b, using the LU decomposition of A into (LU,P). The
1102      initial residual r = A x - b is also computed and stored in
1103      RESIDUAL.
1104
1105  -- Function: int gsl_linalg_LU_invert (const gsl_matrix * LU, const
1106           gsl_permutation * P, gsl_matrix * INVERSE)
1107  -- Function: int gsl_linalg_complex_LU_invert (const
1108           gsl_matrix_complex * LU, const gsl_permutation * P,
1109           gsl_matrix_complex * INVERSE)
1110      These functions compute the inverse of a matrix A from its LU
1111      decomposition (LU,P), storing the result in the matrix INVERSE.
1112      The inverse is computed by solving the system A x = b for each
1113      column of the identity matrix.  It is preferable to avoid direct
1114      use of the inverse whenever possible, as the linear solver
1115      functions can obtain the same result more efficiently and reliably
1116      (consult any introductory textbook on numerical linear algebra for
1117      details).
1118
1119  -- Function: double gsl_linalg_LU_det (gsl_matrix * LU, int SIGNUM)
1120  -- Function: gsl_complex gsl_linalg_complex_LU_det (gsl_matrix_complex
1121           * LU, int SIGNUM)
1122      These functions compute the determinant of a matrix A from its LU
1123      decomposition, LU. The determinant is computed as the product of
1124      the diagonal elements of U and the sign of the row permutation
1125      SIGNUM.
1126
1127  -- Function: double gsl_linalg_LU_lndet (gsl_matrix * LU)
1128  -- Function: double gsl_linalg_complex_LU_lndet (gsl_matrix_complex *
1129           LU)
1130      These functions compute the logarithm of the absolute value of the
1131      determinant of a matrix A, \ln|\det(A)|, from its LU
1132      decomposition, LU.  This function may be useful if the direct
1133      computation of the determinant would overflow or underflow.
1134
1135  -- Function: int gsl_linalg_LU_sgndet (gsl_matrix * LU, int SIGNUM)
1136  -- Function: gsl_complex gsl_linalg_complex_LU_sgndet
1137           (gsl_matrix_complex * LU, int SIGNUM)
1138      These functions compute the sign or phase factor of the
1139      determinant of a matrix A, \det(A)/|\det(A)|, from its LU
1140      decomposition, LU.
1141
1142 \1f
1143 File: gsl-ref.info,  Node: QR Decomposition,  Next: QR Decomposition with Column Pivoting,  Prev: LU Decomposition,  Up: Linear Algebra
1144
1145 13.2 QR Decomposition
1146 =====================
1147
1148 A general rectangular M-by-N matrix A has a QR decomposition into the
1149 product of an orthogonal M-by-M square matrix Q (where Q^T Q = I) and
1150 an M-by-N right-triangular matrix R,
1151
1152      A = Q R
1153
1154 This decomposition can be used to convert the linear system A x = b
1155 into the triangular system R x = Q^T b, which can be solved by
1156 back-substitution. Another use of the QR decomposition is to compute an
1157 orthonormal basis for a set of vectors. The first N columns of Q form
1158 an orthonormal basis for the range of A, ran(A), when A has full column
1159 rank.
1160
1161  -- Function: int gsl_linalg_QR_decomp (gsl_matrix * A, gsl_vector *
1162           TAU)
1163      This function factorizes the M-by-N matrix A into the QR
1164      decomposition A = Q R.  On output the diagonal and upper
1165      triangular part of the input matrix contain the matrix R. The
1166      vector TAU and the columns of the lower triangular part of the
1167      matrix A contain the Householder coefficients and Householder
1168      vectors which encode the orthogonal matrix Q.  The vector TAU must
1169      be of length k=\min(M,N). The matrix Q is related to these
1170      components by, Q = Q_k ... Q_2 Q_1 where Q_i = I - \tau_i v_i
1171      v_i^T and v_i is the Householder vector v_i =
1172      (0,...,1,A(i+1,i),A(i+2,i),...,A(m,i)). This is the same storage
1173      scheme as used by LAPACK.
1174
1175      The algorithm used to perform the decomposition is Householder QR
1176      (Golub & Van Loan, `Matrix Computations', Algorithm 5.2.1).
1177
1178  -- Function: int gsl_linalg_QR_solve (const gsl_matrix * QR, const
1179           gsl_vector * TAU, const gsl_vector * B, gsl_vector * X)
1180      This function solves the square system A x = b using the QR
1181      decomposition of A into (QR, TAU) given by `gsl_linalg_QR_decomp'.
1182      The least-squares solution for rectangular systems can be found
1183      using `gsl_linalg_QR_lssolve'.
1184
1185  -- Function: int gsl_linalg_QR_svx (const gsl_matrix * QR, const
1186           gsl_vector * TAU, gsl_vector * X)
1187      This function solves the square system A x = b in-place using the
1188      QR decomposition of A into (QR,TAU) given by
1189      `gsl_linalg_QR_decomp'. On input X should contain the right-hand
1190      side b, which is replaced by the solution on output.
1191
1192  -- Function: int gsl_linalg_QR_lssolve (const gsl_matrix * QR, const
1193           gsl_vector * TAU, const gsl_vector * B, gsl_vector * X,
1194           gsl_vector * RESIDUAL)
1195      This function finds the least squares solution to the
1196      overdetermined system A x = b where the matrix A has more rows than
1197      columns.  The least squares solution minimizes the Euclidean norm
1198      of the residual, ||Ax - b||.The routine uses the QR decomposition
1199      of A into (QR, TAU) given by `gsl_linalg_QR_decomp'.  The solution
1200      is returned in X.  The residual is computed as a by-product and
1201      stored in RESIDUAL.
1202
1203  -- Function: int gsl_linalg_QR_QTvec (const gsl_matrix * QR, const
1204           gsl_vector * TAU, gsl_vector * V)
1205      This function applies the matrix Q^T encoded in the decomposition
1206      (QR,TAU) to the vector V, storing the result Q^T v in V.  The
1207      matrix multiplication is carried out directly using the encoding
1208      of the Householder vectors without needing to form the full matrix
1209      Q^T.
1210
1211  -- Function: int gsl_linalg_QR_Qvec (const gsl_matrix * QR, const
1212           gsl_vector * TAU, gsl_vector * V)
1213      This function applies the matrix Q encoded in the decomposition
1214      (QR,TAU) to the vector V, storing the result Q v in V.  The matrix
1215      multiplication is carried out directly using the encoding of the
1216      Householder vectors without needing to form the full matrix Q.
1217
1218  -- Function: int gsl_linalg_QR_QTmat (const gsl_matrix * QR, const
1219           gsl_vector * TAU, gsl_matrix * A)
1220      This function applies the matrix Q^T encoded in the decomposition
1221      (QR,TAU) to the matrix A, storing the result Q^T A in A.  The
1222      matrix multiplication is carried out directly using the encoding
1223      of the Householder vectors without needing to form the full matrix
1224      Q^T.
1225
1226  -- Function: int gsl_linalg_QR_Rsolve (const gsl_matrix * QR, const
1227           gsl_vector * B, gsl_vector * X)
1228      This function solves the triangular system R x = b for X. It may
1229      be useful if the product b' = Q^T b has already been computed
1230      using `gsl_linalg_QR_QTvec'.
1231
1232  -- Function: int gsl_linalg_QR_Rsvx (const gsl_matrix * QR, gsl_vector
1233           * X)
1234      This function solves the triangular system R x = b for X in-place.
1235      On input X should contain the right-hand side b and is replaced by
1236      the solution on output. This function may be useful if the product
1237      b' = Q^T b has already been computed using `gsl_linalg_QR_QTvec'.
1238
1239  -- Function: int gsl_linalg_QR_unpack (const gsl_matrix * QR, const
1240           gsl_vector * TAU, gsl_matrix * Q, gsl_matrix * R)
1241      This function unpacks the encoded QR decomposition (QR,TAU) into
1242      the matrices Q and R, where Q is M-by-M and R is M-by-N.
1243
1244  -- Function: int gsl_linalg_QR_QRsolve (gsl_matrix * Q, gsl_matrix *
1245           R, const gsl_vector * B, gsl_vector * X)
1246      This function solves the system R x = Q^T b for X. It can be used
1247      when the QR decomposition of a matrix is available in unpacked
1248      form as (Q, R).
1249
1250  -- Function: int gsl_linalg_QR_update (gsl_matrix * Q, gsl_matrix * R,
1251           gsl_vector * W, const gsl_vector * V)
1252      This function performs a rank-1 update w v^T of the QR
1253      decomposition (Q, R). The update is given by Q'R' = Q R + w v^T
1254      where the output matrices Q' and R' are also orthogonal and right
1255      triangular. Note that W is destroyed by the update.
1256
1257  -- Function: int gsl_linalg_R_solve (const gsl_matrix * R, const
1258           gsl_vector * B, gsl_vector * X)
1259      This function solves the triangular system R x = b for the N-by-N
1260      matrix R.
1261
1262  -- Function: int gsl_linalg_R_svx (const gsl_matrix * R, gsl_vector *
1263           X)
1264      This function solves the triangular system R x = b in-place. On
1265      input X should contain the right-hand side b, which is replaced by
1266      the solution on output.
1267
1268 \1f
1269 File: gsl-ref.info,  Node: QR Decomposition with Column Pivoting,  Next: Singular Value Decomposition,  Prev: QR Decomposition,  Up: Linear Algebra
1270
1271 13.3 QR Decomposition with Column Pivoting
1272 ==========================================
1273
1274 The QR decomposition can be extended to the rank deficient case by
1275 introducing a column permutation P,
1276
1277      A P = Q R
1278
1279 The first r columns of Q form an orthonormal basis for the range of A
1280 for a matrix with column rank r.  This decomposition can also be used
1281 to convert the linear system A x = b into the triangular system R y =
1282 Q^T b, x = P y, which can be solved by back-substitution and
1283 permutation.  We denote the QR decomposition with column pivoting by
1284 QRP^T since A = Q R P^T.
1285
1286  -- Function: int gsl_linalg_QRPT_decomp (gsl_matrix * A, gsl_vector *
1287           TAU, gsl_permutation * P, int * SIGNUM, gsl_vector * NORM)
1288      This function factorizes the M-by-N matrix A into the QRP^T
1289      decomposition A = Q R P^T.  On output the diagonal and upper
1290      triangular part of the input matrix contain the matrix R. The
1291      permutation matrix P is stored in the permutation P.  The sign of
1292      the permutation is given by SIGNUM. It has the value (-1)^n, where
1293      n is the number of interchanges in the permutation. The vector TAU
1294      and the columns of the lower triangular part of the matrix A
1295      contain the Householder coefficients and vectors which encode the
1296      orthogonal matrix Q.  The vector TAU must be of length
1297      k=\min(M,N). The matrix Q is related to these components by, Q =
1298      Q_k ... Q_2 Q_1 where Q_i = I - \tau_i v_i v_i^T and v_i is the
1299      Householder vector v_i = (0,...,1,A(i+1,i),A(i+2,i),...,A(m,i)).
1300      This is the same storage scheme as used by LAPACK.  The vector
1301      NORM is a workspace of length N used for column pivoting.
1302
1303      The algorithm used to perform the decomposition is Householder QR
1304      with column pivoting (Golub & Van Loan, `Matrix Computations',
1305      Algorithm 5.4.1).
1306
1307  -- Function: int gsl_linalg_QRPT_decomp2 (const gsl_matrix * A,
1308           gsl_matrix * Q, gsl_matrix * R, gsl_vector * TAU,
1309           gsl_permutation * P, int * SIGNUM, gsl_vector * NORM)
1310      This function factorizes the matrix A into the decomposition A = Q
1311      R P^T without modifying A itself and storing the output in the
1312      separate matrices Q and R.
1313
1314  -- Function: int gsl_linalg_QRPT_solve (const gsl_matrix * QR, const
1315           gsl_vector * TAU, const gsl_permutation * P, const gsl_vector
1316           * B, gsl_vector * X)
1317      This function solves the square system A x = b using the QRP^T
1318      decomposition of A into (QR, TAU, P) given by
1319      `gsl_linalg_QRPT_decomp'.
1320
1321  -- Function: int gsl_linalg_QRPT_svx (const gsl_matrix * QR, const
1322           gsl_vector * TAU, const gsl_permutation * P, gsl_vector * X)
1323      This function solves the square system A x = b in-place using the
1324      QRP^T decomposition of A into (QR,TAU,P). On input X should
1325      contain the right-hand side b, which is replaced by the solution
1326      on output.
1327
1328  -- Function: int gsl_linalg_QRPT_QRsolve (const gsl_matrix * Q, const
1329           gsl_matrix * R, const gsl_permutation * P, const gsl_vector *
1330           B, gsl_vector * X)
1331      This function solves the square system R P^T x = Q^T b for X. It
1332      can be used when the QR decomposition of a matrix is available in
1333      unpacked form as (Q, R).
1334
1335  -- Function: int gsl_linalg_QRPT_update (gsl_matrix * Q, gsl_matrix *
1336           R, const gsl_permutation * P, gsl_vector * U, const
1337           gsl_vector * V)
1338      This function performs a rank-1 update w v^T of the QRP^T
1339      decomposition (Q, R, P). The update is given by Q'R' = Q R + w v^T
1340      where the output matrices Q' and R' are also orthogonal and right
1341      triangular. Note that W is destroyed by the update. The
1342      permutation P is not changed.
1343
1344  -- Function: int gsl_linalg_QRPT_Rsolve (const gsl_matrix * QR, const
1345           gsl_permutation * P, const gsl_vector * B, gsl_vector * X)
1346      This function solves the triangular system R P^T x = b for the
1347      N-by-N matrix R contained in QR.
1348
1349  -- Function: int gsl_linalg_QRPT_Rsvx (const gsl_matrix * QR, const
1350           gsl_permutation * P, gsl_vector * X)
1351      This function solves the triangular system R P^T x = b in-place
1352      for the N-by-N matrix R contained in QR. On input X should contain
1353      the right-hand side b, which is replaced by the solution on output.
1354
1355 \1f
1356 File: gsl-ref.info,  Node: Singular Value Decomposition,  Next: Cholesky Decomposition,  Prev: QR Decomposition with Column Pivoting,  Up: Linear Algebra
1357
1358 13.4 Singular Value Decomposition
1359 =================================
1360
1361 A general rectangular M-by-N matrix A has a singular value
1362 decomposition (SVD) into the product of an M-by-N orthogonal matrix U,
1363 an N-by-N diagonal matrix of singular values S and the transpose of an
1364 N-by-N orthogonal square matrix V,
1365
1366      A = U S V^T
1367
1368 The singular values \sigma_i = S_{ii} are all non-negative and are
1369 generally chosen to form a non-increasing sequence \sigma_1 >= \sigma_2
1370 >= ... >= \sigma_N >= 0.
1371
1372    The singular value decomposition of a matrix has many practical uses.
1373 The condition number of the matrix is given by the ratio of the largest
1374 singular value to the smallest singular value. The presence of a zero
1375 singular value indicates that the matrix is singular. The number of
1376 non-zero singular values indicates the rank of the matrix.  In practice
1377 singular value decomposition of a rank-deficient matrix will not produce
1378 exact zeroes for singular values, due to finite numerical precision.
1379 Small singular values should be edited by choosing a suitable tolerance.
1380
1381    For a rank-deficient matrix, the null space of A is given by the
1382 columns of V corresponding to the zero singular values.  Similarly, the
1383 range of A is given by columns of U corresponding to the non-zero
1384 singular values.
1385
1386  -- Function: int gsl_linalg_SV_decomp (gsl_matrix * A, gsl_matrix * V,
1387           gsl_vector * S, gsl_vector * WORK)
1388      This function factorizes the M-by-N matrix A into the singular
1389      value decomposition A = U S V^T for M >= N.  On output the matrix
1390      A is replaced by U. The diagonal elements of the singular value
1391      matrix S are stored in the vector S. The singular values are
1392      non-negative and form a non-increasing sequence from S_1 to S_N.
1393      The matrix V contains the elements of V in untransposed form. To
1394      form the product U S V^T it is necessary to take the transpose of
1395      V.  A workspace of length N is required in WORK.
1396
1397      This routine uses the Golub-Reinsch SVD algorithm.
1398
1399  -- Function: int gsl_linalg_SV_decomp_mod (gsl_matrix * A, gsl_matrix
1400           * X, gsl_matrix * V, gsl_vector * S, gsl_vector * WORK)
1401      This function computes the SVD using the modified Golub-Reinsch
1402      algorithm, which is faster for M>>N.  It requires the vector WORK
1403      of length N and the N-by-N matrix X as additional working space.
1404
1405  -- Function: int gsl_linalg_SV_decomp_jacobi (gsl_matrix * A,
1406           gsl_matrix * V, gsl_vector * S)
1407      This function computes the SVD of the M-by-N matrix A using
1408      one-sided Jacobi orthogonalization for M >= N.  The Jacobi method
1409      can compute singular values to higher relative accuracy than
1410      Golub-Reinsch algorithms (see references for details).
1411
1412  -- Function: int gsl_linalg_SV_solve (gsl_matrix * U, gsl_matrix * V,
1413           gsl_vector * S, const gsl_vector * B, gsl_vector * X)
1414      This function solves the system A x = b using the singular value
1415      decomposition (U, S, V) of A given by `gsl_linalg_SV_decomp'.
1416
1417      Only non-zero singular values are used in computing the solution.
1418      The parts of the solution corresponding to singular values of zero
1419      are ignored.  Other singular values can be edited out by setting
1420      them to zero before calling this function.
1421
1422      In the over-determined case where A has more rows than columns the
1423      system is solved in the least squares sense, returning the solution
1424      X which minimizes ||A x - b||_2.
1425
1426 \1f
1427 File: gsl-ref.info,  Node: Cholesky Decomposition,  Next: Tridiagonal Decomposition of Real Symmetric Matrices,  Prev: Singular Value Decomposition,  Up: Linear Algebra
1428
1429 13.5 Cholesky Decomposition
1430 ===========================
1431
1432 A symmetric, positive definite square matrix A has a Cholesky
1433 decomposition into a product of a lower triangular matrix L and its
1434 transpose L^T,
1435
1436      A = L L^T
1437
1438 This is sometimes referred to as taking the square-root of a matrix. The
1439 Cholesky decomposition can only be carried out when all the eigenvalues
1440 of the matrix are positive.  This decomposition can be used to convert
1441 the linear system A x = b into a pair of triangular systems (L y = b,
1442 L^T x = y), which can be solved by forward and back-substitution.
1443
1444  -- Function: int gsl_linalg_cholesky_decomp (gsl_matrix * A)
1445  -- Function: int gsl_linalg_complex_cholesky_decomp
1446           (gsl_matrix_complex * A)
1447      These functions factorize the symmetric, positive-definite square
1448      matrix A into the Cholesky decomposition A = L L^T (or A = L L^H
1449      for the complex case). On input, the values from the diagonal and
1450      lower-triangular part of the matrix A are used (the upper
1451      triangular part is ignored).  On output the diagonal and lower
1452      triangular part of the input matrix A contain the matrix L, while
1453      the upper triangular part of the input matrix is overwritten with
1454      L^T (the diagonal terms being identical for both L and L^T).  If
1455      the matrix is not positive-definite then the decomposition will
1456      fail, returning the error code `GSL_EDOM'.
1457
1458      When testing whether a matrix is positive-definite, disable the
1459      error handler first to avoid triggering an error.
1460
1461  -- Function: int gsl_linalg_cholesky_solve (const gsl_matrix *
1462           CHOLESKY, const gsl_vector * B, gsl_vector * X)
1463  -- Function: int gsl_linalg_complex_cholesky_solve (const
1464           gsl_matrix_complex * CHOLESKY, const gsl_vector_complex * B,
1465           gsl_vector_complex * X)
1466      These functions solve the system A x = b using the Cholesky
1467      decomposition of A into the matrix CHOLESKY given by
1468      `gsl_linalg_cholesky_decomp' or
1469      `gsl_linalg_complex_cholesky_decomp'.
1470
1471  -- Function: int gsl_linalg_cholesky_svx (const gsl_matrix * CHOLESKY,
1472           gsl_vector * X)
1473  -- Function: int gsl_linalg_complex_cholesky_svx (const
1474           gsl_matrix_complex * CHOLESKY, gsl_vector_complex * X)
1475      These functions solve the system A x = b in-place using the
1476      Cholesky decomposition of A into the matrix CHOLESKY given by
1477      `gsl_linalg_cholesky_decomp' or
1478      `gsl_linalg_complex_cholesky_decomp'. On input X should contain
1479      the right-hand side b, which is replaced by the solution on output.
1480
1481 \1f
1482 File: gsl-ref.info,  Node: Tridiagonal Decomposition of Real Symmetric Matrices,  Next: Tridiagonal Decomposition of Hermitian Matrices,  Prev: Cholesky Decomposition,  Up: Linear Algebra
1483
1484 13.6 Tridiagonal Decomposition of Real Symmetric Matrices
1485 =========================================================
1486
1487 A symmetric matrix A can be factorized by similarity transformations
1488 into the form,
1489
1490      A = Q T Q^T
1491
1492 where Q is an orthogonal matrix and T is a symmetric tridiagonal matrix.
1493
1494  -- Function: int gsl_linalg_symmtd_decomp (gsl_matrix * A, gsl_vector
1495           * TAU)
1496      This function factorizes the symmetric square matrix A into the
1497      symmetric tridiagonal decomposition Q T Q^T.  On output the
1498      diagonal and subdiagonal part of the input matrix A contain the
1499      tridiagonal matrix T.  The remaining lower triangular part of the
1500      input matrix contains the Householder vectors which, together with
1501      the Householder coefficients TAU, encode the orthogonal matrix Q.
1502      This storage scheme is the same as used by LAPACK.  The upper
1503      triangular part of A is not referenced.
1504
1505  -- Function: int gsl_linalg_symmtd_unpack (const gsl_matrix * A, const
1506           gsl_vector * TAU, gsl_matrix * Q, gsl_vector * DIAG,
1507           gsl_vector * SUBDIAG)
1508      This function unpacks the encoded symmetric tridiagonal
1509      decomposition (A, TAU) obtained from `gsl_linalg_symmtd_decomp'
1510      into the orthogonal matrix Q, the vector of diagonal elements DIAG
1511      and the vector of subdiagonal elements SUBDIAG.
1512
1513  -- Function: int gsl_linalg_symmtd_unpack_T (const gsl_matrix * A,
1514           gsl_vector * DIAG, gsl_vector * SUBDIAG)
1515      This function unpacks the diagonal and subdiagonal of the encoded
1516      symmetric tridiagonal decomposition (A, TAU) obtained from
1517      `gsl_linalg_symmtd_decomp' into the vectors DIAG and SUBDIAG.
1518
1519 \1f
1520 File: gsl-ref.info,  Node: Tridiagonal Decomposition of Hermitian Matrices,  Next: Hessenberg Decomposition of Real Matrices,  Prev: Tridiagonal Decomposition of Real Symmetric Matrices,  Up: Linear Algebra
1521
1522 13.7 Tridiagonal Decomposition of Hermitian Matrices
1523 ====================================================
1524
1525 A hermitian matrix A can be factorized by similarity transformations
1526 into the form,
1527
1528      A = U T U^T
1529
1530 where U is a unitary matrix and T is a real symmetric tridiagonal
1531 matrix.
1532
1533  -- Function: int gsl_linalg_hermtd_decomp (gsl_matrix_complex * A,
1534           gsl_vector_complex * TAU)
1535      This function factorizes the hermitian matrix A into the symmetric
1536      tridiagonal decomposition U T U^T.  On output the real parts of
1537      the diagonal and subdiagonal part of the input matrix A contain
1538      the tridiagonal matrix T.  The remaining lower triangular part of
1539      the input matrix contains the Householder vectors which, together
1540      with the Householder coefficients TAU, encode the orthogonal matrix
1541      Q. This storage scheme is the same as used by LAPACK.  The upper
1542      triangular part of A and imaginary parts of the diagonal are not
1543      referenced.
1544
1545  -- Function: int gsl_linalg_hermtd_unpack (const gsl_matrix_complex *
1546           A, const gsl_vector_complex * TAU, gsl_matrix_complex * Q,
1547           gsl_vector * DIAG, gsl_vector * SUBDIAG)
1548      This function unpacks the encoded tridiagonal decomposition (A,
1549      TAU) obtained from `gsl_linalg_hermtd_decomp' into the unitary
1550      matrix U, the real vector of diagonal elements DIAG and the real
1551      vector of subdiagonal elements SUBDIAG.
1552
1553  -- Function: int gsl_linalg_hermtd_unpack_T (const gsl_matrix_complex
1554           * A, gsl_vector * DIAG, gsl_vector * SUBDIAG)
1555      This function unpacks the diagonal and subdiagonal of the encoded
1556      tridiagonal decomposition (A, TAU) obtained from the
1557      `gsl_linalg_hermtd_decomp' into the real vectors DIAG and SUBDIAG.
1558
1559 \1f
1560 File: gsl-ref.info,  Node: Hessenberg Decomposition of Real Matrices,  Next: Hessenberg-Triangular Decomposition of Real Matrices,  Prev: Tridiagonal Decomposition of Hermitian Matrices,  Up: Linear Algebra
1561
1562 13.8 Hessenberg Decomposition of Real Matrices
1563 ==============================================
1564
1565 A general real matrix A can be decomposed by orthogonal similarity
1566 transformations into the form
1567
1568      A = U H U^T
1569
1570    where U is orthogonal and H is an upper Hessenberg matrix, meaning
1571 that it has zeros below the first subdiagonal. The Hessenberg reduction
1572 is the first step in the Schur decomposition for the nonsymmetric
1573 eigenvalue problem, but has applications in other areas as well.
1574
1575  -- Function: int gsl_linalg_hessenberg_decomp (gsl_matrix * A,
1576           gsl_vector * TAU)
1577      This function computes the Hessenberg decomposition of the matrix
1578      A by applying the similarity transformation H = U^T A U.  On
1579      output, H is stored in the upper portion of A. The information
1580      required to construct the matrix U is stored in the lower
1581      triangular portion of A. U is a product of N - 2 Householder
1582      matrices. The Householder vectors are stored in the lower portion
1583      of A (below the subdiagonal) and the Householder coefficients are
1584      stored in the vector TAU.  TAU must be of length N.
1585
1586  -- Function: int gsl_linalg_hessenberg_unpack (gsl_matrix * H,
1587           gsl_vector * TAU, gsl_matrix * U)
1588      This function constructs the orthogonal matrix U from the
1589      information stored in the Hessenberg matrix H along with the
1590      vector TAU. H and TAU are outputs from
1591      `gsl_linalg_hessenberg_decomp'.
1592
1593  -- Function: int gsl_linalg_hessenberg_unpack_accum (gsl_matrix * H,
1594           gsl_vector * TAU, gsl_matrix * V)
1595      This function is similar to `gsl_linalg_hessenberg_unpack', except
1596      it accumulates the matrix U into V, so that V' = VU.  The matrix V
1597      must be initialized prior to calling this function.  Setting V to
1598      the identity matrix provides the same result as
1599      `gsl_linalg_hessenberg_unpack'. If H is order N, then V must have
1600      N columns but may have any number of rows.
1601
1602  -- Function: int gsl_linalg_hessenberg_set_zero (gsl_matrix * H)
1603      This function sets the lower triangular portion of H, below the
1604      subdiagonal, to zero. It is useful for clearing out the
1605      Householder vectors after calling `gsl_linalg_hessenberg_decomp'.
1606
1607 \1f
1608 File: gsl-ref.info,  Node: Hessenberg-Triangular Decomposition of Real Matrices,  Next: Bidiagonalization,  Prev: Hessenberg Decomposition of Real Matrices,  Up: Linear Algebra
1609
1610 13.9 Hessenberg-Triangular Decomposition of Real Matrices
1611 =========================================================
1612
1613 A general real matrix pair (A, B) can be decomposed by orthogonal
1614 similarity transformations into the form
1615
1616      A = U H V^T
1617      B = U R V^T
1618
1619    where U and V are orthogonal, H is an upper Hessenberg matrix, and R
1620 is upper triangular. The Hessenberg-Triangular reduction is the first
1621 step in the generalized Schur decomposition for the generalized
1622 eigenvalue problem.
1623
1624  -- Function: int gsl_linalg_hesstri_decomp (gsl_matrix * A, gsl_matrix
1625           * B, gsl_matrix * U, gsl_matrix * V, gsl_vector * WORK)
1626      This function computes the Hessenberg-Triangular decomposition of
1627      the matrix pair (A, B). On output, H is stored in A, and R is
1628      stored in B. If U and V are provided (they may be null), the
1629      similarity transformations are stored in them.  Additional
1630      workspace of length N is needed in WORK.
1631
1632 \1f
1633 File: gsl-ref.info,  Node: Bidiagonalization,  Next: Householder Transformations,  Prev: Hessenberg-Triangular Decomposition of Real Matrices,  Up: Linear Algebra
1634
1635 13.10 Bidiagonalization
1636 =======================
1637
1638 A general matrix A can be factorized by similarity transformations into
1639 the form,
1640
1641      A = U B V^T
1642
1643 where U and V are orthogonal matrices and B is a N-by-N bidiagonal
1644 matrix with non-zero entries only on the diagonal and superdiagonal.
1645 The size of U is M-by-N and the size of V is N-by-N.
1646
1647  -- Function: int gsl_linalg_bidiag_decomp (gsl_matrix * A, gsl_vector
1648           * TAU_U, gsl_vector * TAU_V)
1649      This function factorizes the M-by-N matrix A into bidiagonal form
1650      U B V^T.  The diagonal and superdiagonal of the matrix B are
1651      stored in the diagonal and superdiagonal of A.  The orthogonal
1652      matrices U and V are stored as compressed Householder vectors in
1653      the remaining elements of A.  The Householder coefficients are
1654      stored in the vectors TAU_U and TAU_V.  The length of TAU_U must
1655      equal the number of elements in the diagonal of A and the length
1656      of TAU_V should be one element shorter.
1657
1658  -- Function: int gsl_linalg_bidiag_unpack (const gsl_matrix * A, const
1659           gsl_vector * TAU_U, gsl_matrix * U, const gsl_vector * TAU_V,
1660           gsl_matrix * V, gsl_vector * DIAG, gsl_vector * SUPERDIAG)
1661      This function unpacks the bidiagonal decomposition of A given by
1662      `gsl_linalg_bidiag_decomp', (A, TAU_U, TAU_V) into the separate
1663      orthogonal matrices U, V and the diagonal vector DIAG and
1664      superdiagonal SUPERDIAG.  Note that U is stored as a compact
1665      M-by-N orthogonal matrix satisfying U^T U = I for efficiency.
1666
1667  -- Function: int gsl_linalg_bidiag_unpack2 (gsl_matrix * A, gsl_vector
1668           * TAU_U, gsl_vector * TAU_V, gsl_matrix * V)
1669      This function unpacks the bidiagonal decomposition of A given by
1670      `gsl_linalg_bidiag_decomp', (A, TAU_U, TAU_V) into the separate
1671      orthogonal matrices U, V and the diagonal vector DIAG and
1672      superdiagonal SUPERDIAG.  The matrix U is stored in-place in A.
1673
1674  -- Function: int gsl_linalg_bidiag_unpack_B (const gsl_matrix * A,
1675           gsl_vector * DIAG, gsl_vector * SUPERDIAG)
1676      This function unpacks the diagonal and superdiagonal of the
1677      bidiagonal decomposition of A given by `gsl_linalg_bidiag_decomp',
1678      into the diagonal vector DIAG and superdiagonal vector SUPERDIAG.
1679
1680 \1f
1681 File: gsl-ref.info,  Node: Householder Transformations,  Next: Householder solver for linear systems,  Prev: Bidiagonalization,  Up: Linear Algebra
1682
1683 13.11 Householder Transformations
1684 =================================
1685
1686 A Householder transformation is a rank-1 modification of the identity
1687 matrix which can be used to zero out selected elements of a vector.  A
1688 Householder matrix P takes the form,
1689
1690      P = I - \tau v v^T
1691
1692 where v is a vector (called the "Householder vector") and \tau = 2/(v^T
1693 v).  The functions described in this section use the rank-1 structure
1694 of the Householder matrix to create and apply Householder
1695 transformations efficiently.
1696
1697  -- Function: double gsl_linalg_householder_transform (gsl_vector * V)
1698  -- Function: gsl_complex gsl_linalg_complex_householder_transform
1699           (gsl_vector_complex * V)
1700      This function prepares a Householder transformation P = I - \tau v
1701      v^T which can be used to zero all the elements of the input vector
1702      except the first.  On output the transformation is stored in the
1703      vector V and the scalar \tau is returned.
1704
1705  -- Function: int gsl_linalg_householder_hm (double tau, const
1706           gsl_vector * v, gsl_matrix * A)
1707  -- Function: int gsl_linalg_complex_householder_hm (gsl_complex tau,
1708           const gsl_vector_complex * v, gsl_matrix_complex * A)
1709      This function applies the Householder matrix P defined by the
1710      scalar TAU and the vector V to the left-hand side of the matrix A.
1711      On output the result P A is stored in A.
1712
1713  -- Function: int gsl_linalg_householder_mh (double tau, const
1714           gsl_vector * v, gsl_matrix * A)
1715  -- Function: int gsl_linalg_complex_householder_mh (gsl_complex tau,
1716           const gsl_vector_complex * v, gsl_matrix_complex * A)
1717      This function applies the Householder matrix P defined by the
1718      scalar TAU and the vector V to the right-hand side of the matrix
1719      A. On output the result A P is stored in A.
1720
1721  -- Function: int gsl_linalg_householder_hv (double tau, const
1722           gsl_vector * v, gsl_vector * w)
1723  -- Function: int gsl_linalg_complex_householder_hv (gsl_complex tau,
1724           const gsl_vector_complex * v, gsl_vector_complex * w)
1725      This function applies the Householder transformation P defined by
1726      the scalar TAU and the vector V to the vector W.  On output the
1727      result P w is stored in W.
1728
1729 \1f
1730 File: gsl-ref.info,  Node: Householder solver for linear systems,  Next: Tridiagonal Systems,  Prev: Householder Transformations,  Up: Linear Algebra
1731
1732 13.12 Householder solver for linear systems
1733 ===========================================
1734
1735  -- Function: int gsl_linalg_HH_solve (gsl_matrix * A, const gsl_vector
1736           * B, gsl_vector * X)
1737      This function solves the system A x = b directly using Householder
1738      transformations. On output the solution is stored in X and B is
1739      not modified. The matrix A is destroyed by the Householder
1740      transformations.
1741
1742  -- Function: int gsl_linalg_HH_svx (gsl_matrix * A, gsl_vector * X)
1743      This function solves the system A x = b in-place using Householder
1744      transformations.  On input X should contain the right-hand side b,
1745      which is replaced by the solution on output.  The matrix A is
1746      destroyed by the Householder transformations.
1747
1748 \1f
1749 File: gsl-ref.info,  Node: Tridiagonal Systems,  Next: Balancing,  Prev: Householder solver for linear systems,  Up: Linear Algebra
1750
1751 13.13 Tridiagonal Systems
1752 =========================
1753
1754 The functions described in this section efficiently solve symmetric,
1755 non-symmetric and cyclic tridiagonal systems with minimal storage.
1756 Note that the current implementations of these functions use a variant
1757 of Cholesky decomposition, so the tridiagonal matrix must be positive
1758 definite.  For non-positive definite matrices, the functions return the
1759 error code `GSL_ESING'.
1760
1761  -- Function: int gsl_linalg_solve_tridiag (const gsl_vector * DIAG,
1762           const gsl_vector * E, const gsl_vector * F, const gsl_vector
1763           * B, gsl_vector * X)
1764      This function solves the general N-by-N system A x = b where A is
1765      tridiagonal (N >= 2). The super-diagonal and sub-diagonal vectors
1766      E and F must be one element shorter than the diagonal vector DIAG.
1767      The form of A for the 4-by-4 case is shown below,
1768
1769           A = ( d_0 e_0  0   0  )
1770               ( f_0 d_1 e_1  0  )
1771               (  0  f_1 d_2 e_2 )
1772               (  0   0  f_2 d_3 )
1773
1774
1775  -- Function: int gsl_linalg_solve_symm_tridiag (const gsl_vector *
1776           DIAG, const gsl_vector * E, const gsl_vector * B, gsl_vector
1777           * X)
1778      This function solves the general N-by-N system A x = b where A is
1779      symmetric tridiagonal (N >= 2).  The off-diagonal vector E must be
1780      one element shorter than the diagonal vector DIAG.  The form of A
1781      for the 4-by-4 case is shown below,
1782
1783           A = ( d_0 e_0  0   0  )
1784               ( e_0 d_1 e_1  0  )
1785               (  0  e_1 d_2 e_2 )
1786               (  0   0  e_2 d_3 )
1787
1788  -- Function: int gsl_linalg_solve_cyc_tridiag (const gsl_vector *
1789           DIAG, const gsl_vector * E, const gsl_vector * F, const
1790           gsl_vector * B, gsl_vector * X)
1791      This function solves the general N-by-N system A x = b where A is
1792      cyclic tridiagonal (N >= 3).  The cyclic super-diagonal and
1793      sub-diagonal vectors E and F must have the same number of elements
1794      as the diagonal vector DIAG.  The form of A for the 4-by-4 case is
1795      shown below,
1796
1797           A = ( d_0 e_0  0  f_3 )
1798               ( f_0 d_1 e_1  0  )
1799               (  0  f_1 d_2 e_2 )
1800               ( e_3  0  f_2 d_3 )
1801
1802  -- Function: int gsl_linalg_solve_symm_cyc_tridiag (const gsl_vector *
1803           DIAG, const gsl_vector * E, const gsl_vector * B, gsl_vector
1804           * X)
1805      This function solves the general N-by-N system A x = b where A is
1806      symmetric cyclic tridiagonal (N >= 3).  The cyclic off-diagonal
1807      vector E must have the same number of elements as the diagonal
1808      vector DIAG.  The form of A for the 4-by-4 case is shown below,
1809
1810           A = ( d_0 e_0  0  e_3 )
1811               ( e_0 d_1 e_1  0  )
1812               (  0  e_1 d_2 e_2 )
1813               ( e_3  0  e_2 d_3 )
1814
1815 \1f
1816 File: gsl-ref.info,  Node: Balancing,  Next: Linear Algebra Examples,  Prev: Tridiagonal Systems,  Up: Linear Algebra
1817
1818 13.14 Balancing
1819 ===============
1820
1821 The process of balancing a matrix applies similarity transformations to
1822 make the rows and columns have comparable norms. This is useful, for
1823 example, to reduce roundoff errors in the solution of eigenvalue
1824 problems. Balancing a matrix A consists of replacing A with a similar
1825 matrix
1826
1827      A' = D^(-1) A D
1828
1829    where D is a diagonal matrix whose entries are powers of the
1830 floating point radix.
1831
1832  -- Function: int gsl_linalg_balance_matrix (gsl_matrix * A, gsl_vector
1833           * D)
1834      This function replaces the matrix A with its balanced counterpart
1835      and stores the diagonal elements of the similarity transformation
1836      into the vector D.
1837
1838 \1f
1839 File: gsl-ref.info,  Node: Linear Algebra Examples,  Next: Linear Algebra References and Further Reading,  Prev: Balancing,  Up: Linear Algebra
1840
1841 13.15 Examples
1842 ==============
1843
1844 The following program solves the linear system A x = b. The system to
1845 be solved is,
1846
1847      [ 0.18 0.60 0.57 0.96 ] [x0]   [1.0]
1848      [ 0.41 0.24 0.99 0.58 ] [x1] = [2.0]
1849      [ 0.14 0.30 0.97 0.66 ] [x2]   [3.0]
1850      [ 0.51 0.13 0.19 0.85 ] [x3]   [4.0]
1851
1852 and the solution is found using LU decomposition of the matrix A.
1853
1854      #include <stdio.h>
1855      #include <gsl/gsl_linalg.h>
1856
1857      int
1858      main (void)
1859      {
1860        double a_data[] = { 0.18, 0.60, 0.57, 0.96,
1861                            0.41, 0.24, 0.99, 0.58,
1862                            0.14, 0.30, 0.97, 0.66,
1863                            0.51, 0.13, 0.19, 0.85 };
1864
1865        double b_data[] = { 1.0, 2.0, 3.0, 4.0 };
1866
1867        gsl_matrix_view m
1868          = gsl_matrix_view_array (a_data, 4, 4);
1869
1870        gsl_vector_view b
1871          = gsl_vector_view_array (b_data, 4);
1872
1873        gsl_vector *x = gsl_vector_alloc (4);
1874
1875        int s;
1876
1877        gsl_permutation * p = gsl_permutation_alloc (4);
1878
1879        gsl_linalg_LU_decomp (&m.matrix, p, &s);
1880
1881        gsl_linalg_LU_solve (&m.matrix, p, &b.vector, x);
1882
1883        printf ("x = \n");
1884        gsl_vector_fprintf (stdout, x, "%g");
1885
1886        gsl_permutation_free (p);
1887        gsl_vector_free (x);
1888        return 0;
1889      }
1890
1891 Here is the output from the program,
1892
1893      x = -4.05205
1894      -12.6056
1895      1.66091
1896      8.69377
1897
1898 This can be verified by multiplying the solution x by the original
1899 matrix A using GNU OCTAVE,
1900
1901      octave> A = [ 0.18, 0.60, 0.57, 0.96;
1902                    0.41, 0.24, 0.99, 0.58;
1903                    0.14, 0.30, 0.97, 0.66;
1904                    0.51, 0.13, 0.19, 0.85 ];
1905
1906      octave> x = [ -4.05205; -12.6056; 1.66091; 8.69377];
1907
1908      octave> A * x
1909      ans =
1910        1.0000
1911        2.0000
1912        3.0000
1913        4.0000
1914
1915 This reproduces the original right-hand side vector, b, in accordance
1916 with the equation A x = b.
1917
1918 \1f
1919 File: gsl-ref.info,  Node: Linear Algebra References and Further Reading,  Prev: Linear Algebra Examples,  Up: Linear Algebra
1920
1921 13.16 References and Further Reading
1922 ====================================
1923
1924 Further information on the algorithms described in this section can be
1925 found in the following book,
1926
1927      G. H. Golub, C. F. Van Loan, `Matrix Computations' (3rd Ed, 1996),
1928      Johns Hopkins University Press, ISBN 0-8018-5414-8.
1929
1930 The LAPACK library is described in the following manual,
1931
1932      `LAPACK Users' Guide' (Third Edition, 1999), Published by SIAM,
1933      ISBN 0-89871-447-8.
1934
1935      `http://www.netlib.org/lapack'
1936
1937 The LAPACK source code can be found at the website above, along with an
1938 online copy of the users guide.
1939
1940 The Modified Golub-Reinsch algorithm is described in the following
1941 paper,
1942
1943      T.F. Chan, "An Improved Algorithm for Computing the Singular Value
1944      Decomposition", `ACM Transactions on Mathematical Software', 8
1945      (1982), pp 72-83.
1946
1947 The Jacobi algorithm for singular value decomposition is described in
1948 the following papers,
1949
1950      J.C. Nash, "A one-sided transformation method for the singular
1951      value decomposition and algebraic eigenproblem", `Computer
1952      Journal', Volume 18, Number 1 (1973), p 74-76
1953
1954      James Demmel, Kresimir Veselic, "Jacobi's Method is more accurate
1955      than QR", `Lapack Working Note 15' (LAWN-15), October 1989.
1956      Available from netlib, `http://www.netlib.org/lapack/' in the
1957      `lawns' or `lawnspdf' directories.
1958
1959 \1f
1960 File: gsl-ref.info,  Node: Eigensystems,  Next: Fast Fourier Transforms,  Prev: Linear Algebra,  Up: Top
1961
1962 14 Eigensystems
1963 ***************
1964
1965 This chapter describes functions for computing eigenvalues and
1966 eigenvectors of matrices.  There are routines for real symmetric, real
1967 nonsymmetric, complex hermitian, real generalized symmetric-definite,
1968 complex generalized hermitian-definite, and real generalized
1969 nonsymmetric eigensystems. Eigenvalues can be computed with or without
1970 eigenvectors.  The hermitian and real symmetric matrix algorithms are
1971 symmetric bidiagonalization followed by QR reduction. The nonsymmetric
1972 algorithm is the Francis QR double-shift.  The generalized nonsymmetric
1973 algorithm is the QZ method due to Moler and Stewart.
1974
1975    The functions described in this chapter are declared in the header
1976 file `gsl_eigen.h'.
1977
1978 * Menu:
1979
1980 * Real Symmetric Matrices::
1981 * Complex Hermitian Matrices::
1982 * Real Nonsymmetric Matrices::
1983 * Real Generalized Symmetric-Definite Eigensystems::
1984 * Complex Generalized Hermitian-Definite Eigensystems::
1985 * Real Generalized Nonsymmetric Eigensystems::
1986 * Sorting Eigenvalues and Eigenvectors::
1987 * Eigenvalue and Eigenvector Examples::
1988 * Eigenvalue and Eigenvector References::
1989
1990 \1f
1991 File: gsl-ref.info,  Node: Real Symmetric Matrices,  Next: Complex Hermitian Matrices,  Up: Eigensystems
1992
1993 14.1 Real Symmetric Matrices
1994 ============================
1995
1996 For real symmetric matrices, the library uses the symmetric
1997 bidiagonalization and QR reduction method.  This is described in Golub
1998 & van Loan, section 8.3.  The computed eigenvalues are accurate to an
1999 absolute accuracy of \epsilon ||A||_2, where \epsilon is the machine
2000 precision.
2001
2002  -- Function: gsl_eigen_symm_workspace * gsl_eigen_symm_alloc (const
2003           size_t N)
2004      This function allocates a workspace for computing eigenvalues of
2005      N-by-N real symmetric matrices.  The size of the workspace is
2006      O(2n).
2007
2008  -- Function: void gsl_eigen_symm_free (gsl_eigen_symm_workspace * W)
2009      This function frees the memory associated with the workspace W.
2010
2011  -- Function: int gsl_eigen_symm (gsl_matrix * A, gsl_vector * EVAL,
2012           gsl_eigen_symm_workspace * W)
2013      This function computes the eigenvalues of the real symmetric matrix
2014      A.  Additional workspace of the appropriate size must be provided
2015      in W.  The diagonal and lower triangular part of A are destroyed
2016      during the computation, but the strict upper triangular part is
2017      not referenced.  The eigenvalues are stored in the vector EVAL and
2018      are unordered.
2019
2020  -- Function: gsl_eigen_symmv_workspace * gsl_eigen_symmv_alloc (const
2021           size_t N)
2022      This function allocates a workspace for computing eigenvalues and
2023      eigenvectors of N-by-N real symmetric matrices.  The size of the
2024      workspace is O(4n).
2025
2026  -- Function: void gsl_eigen_symmv_free (gsl_eigen_symmv_workspace * W)
2027      This function frees the memory associated with the workspace W.
2028
2029  -- Function: int gsl_eigen_symmv (gsl_matrix * A, gsl_vector * EVAL,
2030           gsl_matrix * EVEC, gsl_eigen_symmv_workspace * W)
2031      This function computes the eigenvalues and eigenvectors of the real
2032      symmetric matrix A.  Additional workspace of the appropriate size
2033      must be provided in W.  The diagonal and lower triangular part of
2034      A are destroyed during the computation, but the strict upper
2035      triangular part is not referenced.  The eigenvalues are stored in
2036      the vector EVAL and are unordered.  The corresponding eigenvectors
2037      are stored in the columns of the matrix EVEC.  For example, the
2038      eigenvector in the first column corresponds to the first
2039      eigenvalue.  The eigenvectors are guaranteed to be mutually
2040      orthogonal and normalised to unit magnitude.
2041
2042 \1f
2043 File: gsl-ref.info,  Node: Complex Hermitian Matrices,  Next: Real Nonsymmetric Matrices,  Prev: Real Symmetric Matrices,  Up: Eigensystems
2044
2045 14.2 Complex Hermitian Matrices
2046 ===============================
2047
2048  -- Function: gsl_eigen_herm_workspace * gsl_eigen_herm_alloc (const
2049           size_t N)
2050      This function allocates a workspace for computing eigenvalues of
2051      N-by-N complex hermitian matrices.  The size of the workspace is
2052      O(3n).
2053
2054  -- Function: void gsl_eigen_herm_free (gsl_eigen_herm_workspace * W)
2055      This function frees the memory associated with the workspace W.
2056
2057  -- Function: int gsl_eigen_herm (gsl_matrix_complex * A, gsl_vector *
2058           EVAL, gsl_eigen_herm_workspace * W)
2059      This function computes the eigenvalues of the complex hermitian
2060      matrix A.  Additional workspace of the appropriate size must be
2061      provided in W.  The diagonal and lower triangular part of A are
2062      destroyed during the computation, but the strict upper triangular
2063      part is not referenced.  The imaginary parts of the diagonal are
2064      assumed to be zero and are not referenced. The eigenvalues are
2065      stored in the vector EVAL and are unordered.
2066
2067  -- Function: gsl_eigen_hermv_workspace * gsl_eigen_hermv_alloc (const
2068           size_t N)
2069      This function allocates a workspace for computing eigenvalues and
2070      eigenvectors of N-by-N complex hermitian matrices.  The size of
2071      the workspace is O(5n).
2072
2073  -- Function: void gsl_eigen_hermv_free (gsl_eigen_hermv_workspace * W)
2074      This function frees the memory associated with the workspace W.
2075
2076  -- Function: int gsl_eigen_hermv (gsl_matrix_complex * A, gsl_vector *
2077           EVAL, gsl_matrix_complex * EVEC, gsl_eigen_hermv_workspace *
2078           W)
2079      This function computes the eigenvalues and eigenvectors of the
2080      complex hermitian matrix A.  Additional workspace of the
2081      appropriate size must be provided in W.  The diagonal and lower
2082      triangular part of A are destroyed during the computation, but the
2083      strict upper triangular part is not referenced. The imaginary
2084      parts of the diagonal are assumed to be zero and are not
2085      referenced.  The eigenvalues are stored in the vector EVAL and are
2086      unordered.  The corresponding complex eigenvectors are stored in
2087      the columns of the matrix EVEC.  For example, the eigenvector in
2088      the first column corresponds to the first eigenvalue.  The
2089      eigenvectors are guaranteed to be mutually orthogonal and
2090      normalised to unit magnitude.
2091
2092 \1f
2093 File: gsl-ref.info,  Node: Real Nonsymmetric Matrices,  Next: Real Generalized Symmetric-Definite Eigensystems,  Prev: Complex Hermitian Matrices,  Up: Eigensystems
2094
2095 14.3 Real Nonsymmetric Matrices
2096 ===============================
2097
2098 The solution of the real nonsymmetric eigensystem problem for a matrix
2099 A involves computing the Schur decomposition
2100
2101      A = Z T Z^T
2102
2103    where Z is an orthogonal matrix of Schur vectors and T, the Schur
2104 form, is quasi upper triangular with diagonal 1-by-1 blocks which are
2105 real eigenvalues of A, and diagonal 2-by-2 blocks whose eigenvalues are
2106 complex conjugate eigenvalues of A. The algorithm used is the double
2107 shift Francis method.
2108
2109  -- Function: gsl_eigen_nonsymm_workspace * gsl_eigen_nonsymm_alloc
2110           (const size_t N)
2111      This function allocates a workspace for computing eigenvalues of
2112      N-by-N real nonsymmetric matrices. The size of the workspace is
2113      O(2n).
2114
2115  -- Function: void gsl_eigen_nonsymm_free (gsl_eigen_nonsymm_workspace
2116           * W)
2117      This function frees the memory associated with the workspace W.
2118
2119  -- Function: void gsl_eigen_nonsymm_params (const int COMPUTE_T, const
2120           int BALANCE, gsl_eigen_nonsymm_workspace * W)
2121      This function sets some parameters which determine how the
2122      eigenvalue problem is solved in subsequent calls to
2123      `gsl_eigen_nonsymm'.
2124
2125      If COMPUTE_T is set to 1, the full Schur form T will be computed
2126      by `gsl_eigen_nonsymm'. If it is set to 0, T will not be computed
2127      (this is the default setting). Computing the full Schur form T
2128      requires approximately 1.5-2 times the number of flops.
2129
2130      If BALANCE is set to 1, a balancing transformation is applied to
2131      the matrix prior to computing eigenvalues. This transformation is
2132      designed to make the rows and columns of the matrix have comparable
2133      norms, and can result in more accurate eigenvalues for matrices
2134      whose entries vary widely in magnitude. See *Note Balancing:: for
2135      more information. Note that the balancing transformation does not
2136      preserve the orthogonality of the Schur vectors, so if you wish to
2137      compute the Schur vectors with `gsl_eigen_nonsymm_Z' you will
2138      obtain the Schur vectors of the balanced matrix instead of the
2139      original matrix. The relationship will be
2140
2141           T = Q^t D^(-1) A D Q
2142
2143      where Q is the matrix of Schur vectors for the balanced matrix, and
2144      D is the balancing transformation. Then `gsl_eigen_nonsymm_Z' will
2145      compute a matrix Z which satisfies
2146
2147           T = Z^(-1) A Z
2148
2149      with Z = D Q. Note that Z will not be orthogonal. For this reason,
2150      balancing is not performed by default.
2151
2152  -- Function: int gsl_eigen_nonsymm (gsl_matrix * A, gsl_vector_complex
2153           * EVAL, gsl_eigen_nonsymm_workspace * W)
2154      This function computes the eigenvalues of the real nonsymmetric
2155      matrix A and stores them in the vector EVAL. If T is desired, it
2156      is stored in the upper portion of A on output.  Otherwise, on
2157      output, the diagonal of A will contain the 1-by-1 real eigenvalues
2158      and 2-by-2 complex conjugate eigenvalue systems, and the rest of A
2159      is destroyed. In rare cases, this function may fail to find all
2160      eigenvalues. If this happens, an error code is returned and the
2161      number of converged eigenvalues is stored in `w->n_evals'.  The
2162      converged eigenvalues are stored in the beginning of EVAL.
2163
2164  -- Function: int gsl_eigen_nonsymm_Z (gsl_matrix * A,
2165           gsl_vector_complex * EVAL, gsl_matrix * Z,
2166           gsl_eigen_nonsymm_workspace * W)
2167      This function is identical to `gsl_eigen_nonsymm' except it also
2168      computes the Schur vectors and stores them into Z.
2169
2170  -- Function: gsl_eigen_nonsymmv_workspace * gsl_eigen_nonsymmv_alloc
2171           (const size_t N)
2172      This function allocates a workspace for computing eigenvalues and
2173      eigenvectors of N-by-N real nonsymmetric matrices. The size of the
2174      workspace is O(5n).
2175
2176  -- Function: void gsl_eigen_nonsymmv_free
2177           (gsl_eigen_nonsymmv_workspace * W)
2178      This function frees the memory associated with the workspace W.
2179
2180  -- Function: int gsl_eigen_nonsymmv (gsl_matrix * A,
2181           gsl_vector_complex * EVAL, gsl_matrix_complex * EVEC,
2182           gsl_eigen_nonsymmv_workspace * W)
2183      This function computes eigenvalues and right eigenvectors of the
2184      N-by-N real nonsymmetric matrix A. It first calls
2185      `gsl_eigen_nonsymm' to compute the eigenvalues, Schur form T, and
2186      Schur vectors. Then it finds eigenvectors of T and backtransforms
2187      them using the Schur vectors. The Schur vectors are destroyed in
2188      the process, but can be saved by using `gsl_eigen_nonsymmv_Z'. The
2189      computed eigenvectors are normalized to have unit magnitude. On
2190      output, the upper portion of A contains the Schur form T. If
2191      `gsl_eigen_nonsymm' fails, no eigenvectors are computed, and an
2192      error code is returned.
2193
2194  -- Function: int gsl_eigen_nonsymmv_Z (gsl_matrix * A,
2195           gsl_vector_complex * EVAL, gsl_matrix_complex * EVEC,
2196           gsl_matrix * Z, gsl_eigen_nonsymmv_workspace * W)
2197      This function is identical to `gsl_eigen_nonsymmv' except it also
2198      saves the Schur vectors into Z.
2199
2200 \1f
2201 File: gsl-ref.info,  Node: Real Generalized Symmetric-Definite Eigensystems,  Next: Complex Generalized Hermitian-Definite Eigensystems,  Prev: Real Nonsymmetric Matrices,  Up: Eigensystems
2202
2203 14.4 Real Generalized Symmetric-Definite Eigensystems
2204 =====================================================
2205
2206 The real generalized symmetric-definite eigenvalue problem is to find
2207 eigenvalues \lambda and eigenvectors x such that
2208      A x = \lambda B x
2209    where A and B are symmetric matrices, and B is positive-definite.
2210 This problem reduces to the standard symmetric eigenvalue problem by
2211 applying the Cholesky decomposition to B:
2212                            A x = \lambda B x
2213                            A x = \lambda L L^t x
2214      ( L^{-1} A L^{-t} ) L^t x = \lambda L^t x
2215    Therefore, the problem becomes C y = \lambda y where C = L^{-1} A
2216 L^{-t} is symmetric, and y = L^t x. The standard symmetric eigensolver
2217 can be applied to the matrix C.  The resulting eigenvectors are
2218 backtransformed to find the vectors of the original problem. The
2219 eigenvalues and eigenvectors of the generalized symmetric-definite
2220 eigenproblem are always real.
2221
2222  -- Function: gsl_eigen_gensymm_workspace * gsl_eigen_gensymm_alloc
2223           (const size_t N)
2224      This function allocates a workspace for computing eigenvalues of
2225      N-by-N real generalized symmetric-definite eigensystems. The size
2226      of the workspace is O(2n).
2227
2228  -- Function: void gsl_eigen_gensymm_free (gsl_eigen_gensymm_workspace
2229           * W)
2230      This function frees the memory associated with the workspace W.
2231
2232  -- Function: int gsl_eigen_gensymm (gsl_matrix * A, gsl_matrix * B,
2233           gsl_vector * EVAL, gsl_eigen_gensymm_workspace * W)
2234      This function computes the eigenvalues of the real generalized
2235      symmetric-definite matrix pair (A, B), and stores them in EVAL,
2236      using the method outlined above. On output, B contains its
2237      Cholesky decomposition and A is destroyed.
2238
2239  -- Function: gsl_eigen_gensymmv_workspace * gsl_eigen_gensymmv_alloc
2240           (const size_t N)
2241      This function allocates a workspace for computing eigenvalues and
2242      eigenvectors of N-by-N real generalized symmetric-definite
2243      eigensystems. The size of the workspace is O(4n).
2244
2245  -- Function: void gsl_eigen_gensymmv_free
2246           (gsl_eigen_gensymmv_workspace * W)
2247      This function frees the memory associated with the workspace W.
2248
2249  -- Function: int gsl_eigen_gensymmv (gsl_matrix * A, gsl_matrix * B,
2250           gsl_vector * EVAL, gsl_matrix * EVEC,
2251           gsl_eigen_gensymmv_workspace * W)
2252      This function computes the eigenvalues and eigenvectors of the real
2253      generalized symmetric-definite matrix pair (A, B), and stores them
2254      in EVAL and EVEC respectively. The computed eigenvectors are
2255      normalized to have unit magnitude. On output, B contains its
2256      Cholesky decomposition and A is destroyed.
2257
2258 \1f
2259 File: gsl-ref.info,  Node: Complex Generalized Hermitian-Definite Eigensystems,  Next: Real Generalized Nonsymmetric Eigensystems,  Prev: Real Generalized Symmetric-Definite Eigensystems,  Up: Eigensystems
2260
2261 14.5 Complex Generalized Hermitian-Definite Eigensystems
2262 ========================================================
2263
2264 The complex generalized hermitian-definite eigenvalue problem is to find
2265 eigenvalues \lambda and eigenvectors x such that
2266      A x = \lambda B x
2267    where A and B are hermitian matrices, and B is positive-definite.
2268 Similarly to the real case, this can be reduced to C y = \lambda y where
2269 C = L^{-1} A L^{-H} is hermitian, and y = L^H x. The standard hermitian
2270 eigensolver can be applied to the matrix C.  The resulting eigenvectors
2271 are backtransformed to find the vectors of the original problem. The
2272 eigenvalues of the generalized hermitian-definite eigenproblem are
2273 always real.
2274
2275  -- Function: gsl_eigen_genherm_workspace * gsl_eigen_genherm_alloc
2276           (const size_t N)
2277      This function allocates a workspace for computing eigenvalues of
2278      N-by-N complex generalized hermitian-definite eigensystems. The
2279      size of the workspace is O(3n).
2280
2281  -- Function: void gsl_eigen_genherm_free (gsl_eigen_genherm_workspace
2282           * W)
2283      This function frees the memory associated with the workspace W.
2284
2285  -- Function: int gsl_eigen_genherm (gsl_matrix_complex * A,
2286           gsl_matrix_complex * B, gsl_vector * EVAL,
2287           gsl_eigen_genherm_workspace * W)
2288      This function computes the eigenvalues of the complex generalized
2289      hermitian-definite matrix pair (A, B), and stores them in EVAL,
2290      using the method outlined above. On output, B contains its
2291      Cholesky decomposition and A is destroyed.
2292
2293  -- Function: gsl_eigen_genhermv_workspace * gsl_eigen_genhermv_alloc
2294           (const size_t N)
2295      This function allocates a workspace for computing eigenvalues and
2296      eigenvectors of N-by-N complex generalized hermitian-definite
2297      eigensystems. The size of the workspace is O(5n).
2298
2299  -- Function: void gsl_eigen_genhermv_free
2300           (gsl_eigen_genhermv_workspace * W)
2301      This function frees the memory associated with the workspace W.
2302
2303  -- Function: int gsl_eigen_genhermv (gsl_matrix_complex * A,
2304           gsl_matrix_complex * B, gsl_vector * EVAL, gsl_matrix_complex
2305           * EVEC, gsl_eigen_genhermv_workspace * W)
2306      This function computes the eigenvalues and eigenvectors of the
2307      complex generalized hermitian-definite matrix pair (A, B), and
2308      stores them in EVAL and EVEC respectively. The computed
2309      eigenvectors are normalized to have unit magnitude. On output, B
2310      contains its Cholesky decomposition and A is destroyed.
2311
2312 \1f
2313 File: gsl-ref.info,  Node: Real Generalized Nonsymmetric Eigensystems,  Next: Sorting Eigenvalues and Eigenvectors,  Prev: Complex Generalized Hermitian-Definite Eigensystems,  Up: Eigensystems
2314
2315 14.6 Real Generalized Nonsymmetric Eigensystems
2316 ===============================================
2317
2318 Given two square matrices (A, B), the generalized nonsymmetric
2319 eigenvalue problem is to find eigenvalues \lambda and eigenvectors x
2320 such that
2321      A x = \lambda B x
2322    We may also define the problem as finding eigenvalues \mu and
2323 eigenvectors y such that
2324      \mu A y = B y
2325    Note that these two problems are equivalent (with \lambda = 1/\mu)
2326 if neither \lambda nor \mu is zero. If say, \lambda is zero, then it is
2327 still a well defined eigenproblem, but its alternate problem involving
2328 \mu is not. Therefore, to allow for zero (and infinite) eigenvalues,
2329 the problem which is actually solved is
2330      \beta A x = \alpha B x
2331    The eigensolver routines below will return two values \alpha and
2332 \beta and leave it to the user to perform the divisions \lambda =
2333 \alpha / \beta and \mu = \beta / \alpha.
2334
2335    If the determinant of the matrix pencil A - \lambda B is zero for
2336 all \lambda, the problem is said to be singular; otherwise it is called
2337 regular.  Singularity normally leads to some \alpha = \beta = 0 which
2338 means the eigenproblem is ill-conditioned and generally does not have
2339 well defined eigenvalue solutions. The routines below are intended for
2340 regular matrix pencils and could yield unpredictable results when
2341 applied to singular pencils.
2342
2343    The solution of the real generalized nonsymmetric eigensystem
2344 problem for a matrix pair (A, B) involves computing the generalized
2345 Schur decomposition
2346      A = Q S Z^T
2347      B = Q T Z^T
2348    where Q and Z are orthogonal matrices of left and right Schur
2349 vectors respectively, and (S, T) is the generalized Schur form whose
2350 diagonal elements give the \alpha and \beta values. The algorithm used
2351 is the QZ method due to Moler and Stewart (see references).
2352
2353  -- Function: gsl_eigen_gen_workspace * gsl_eigen_gen_alloc (const
2354           size_t N)
2355      This function allocates a workspace for computing eigenvalues of
2356      N-by-N real generalized nonsymmetric eigensystems. The size of the
2357      workspace is O(n).
2358
2359  -- Function: void gsl_eigen_gen_free (gsl_eigen_gen_workspace * W)
2360      This function frees the memory associated with the workspace W.
2361
2362  -- Function: void gsl_eigen_gen_params (const int COMPUTE_S, const int
2363           COMPUTE_T, const int BALANCE, gsl_eigen_gen_workspace * W)
2364      This function sets some parameters which determine how the
2365      eigenvalue problem is solved in subsequent calls to
2366      `gsl_eigen_gen'.
2367
2368      If COMPUTE_S is set to 1, the full Schur form S will be computed
2369      by `gsl_eigen_gen'. If it is set to 0, S will not be computed
2370      (this is the default setting). S is a quasi upper triangular
2371      matrix with 1-by-1 and 2-by-2 blocks on its diagonal. 1-by-1
2372      blocks correspond to real eigenvalues, and 2-by-2 blocks
2373      correspond to complex eigenvalues.
2374
2375      If COMPUTE_T is set to 1, the full Schur form T will be computed
2376      by `gsl_eigen_gen'. If it is set to 0, T will not be computed
2377      (this is the default setting). T is an upper triangular matrix
2378      with non-negative elements on its diagonal.  Any 2-by-2 blocks in
2379      S will correspond to a 2-by-2 diagonal block in T.
2380
2381      The BALANCE parameter is currently ignored, since generalized
2382      balancing is not yet implemented.
2383
2384  -- Function: int gsl_eigen_gen (gsl_matrix * A, gsl_matrix * B,
2385           gsl_vector_complex * ALPHA, gsl_vector * BETA,
2386           gsl_eigen_gen_workspace * W)
2387      This function computes the eigenvalues of the real generalized
2388      nonsymmetric matrix pair (A, B), and stores them as pairs in
2389      (ALPHA, BETA), where ALPHA is complex and BETA is real. If \beta_i
2390      is non-zero, then \lambda = \alpha_i / \beta_i is an eigenvalue.
2391      Likewise, if \alpha_i is non-zero, then \mu = \beta_i / \alpha_i
2392      is an eigenvalue of the alternate problem \mu A y = B y. The
2393      elements of BETA are normalized to be non-negative.
2394
2395      If S is desired, it is stored in A on output. If T is desired, it
2396      is stored in B on output. The ordering of eigenvalues in (ALPHA,
2397      BETA) follows the ordering of the diagonal blocks in the Schur
2398      forms S and T. In rare cases, this function may fail to find all
2399      eigenvalues. If this occurs, an error code is returned.
2400
2401  -- Function: int gsl_eigen_gen_QZ (gsl_matrix * A, gsl_matrix * B,
2402           gsl_vector_complex * ALPHA, gsl_vector * BETA, gsl_matrix *
2403           Q, gsl_matrix * Z, gsl_eigen_gen_workspace * W)
2404      This function is identical to `gsl_eigen_gen' except it also
2405      computes the left and right Schur vectors and stores them into Q
2406      and Z respectively.
2407
2408  -- Function: gsl_eigen_genv_workspace * gsl_eigen_genv_alloc (const
2409           size_t N)
2410      This function allocates a workspace for computing eigenvalues and
2411      eigenvectors of N-by-N real generalized nonsymmetric eigensystems.
2412      The size of the workspace is O(7n).
2413
2414  -- Function: void gsl_eigen_genv_free (gsl_eigen_genv_workspace * W)
2415      This function frees the memory associated with the workspace W.
2416
2417  -- Function: int gsl_eigen_genv (gsl_matrix * A, gsl_matrix * B,
2418           gsl_vector_complex * ALPHA, gsl_vector * BETA,
2419           gsl_matrix_complex * EVEC, gsl_eigen_genv_workspace * W)
2420      This function computes eigenvalues and right eigenvectors of the
2421      N-by-N real generalized nonsymmetric matrix pair (A, B). The
2422      eigenvalues are stored in (ALPHA, BETA) and the eigenvectors are
2423      stored in EVEC. It first calls `gsl_eigen_gen' to compute the
2424      eigenvalues, Schur forms, and Schur vectors. Then it finds
2425      eigenvectors of the Schur forms and backtransforms them using the
2426      Schur vectors. The Schur vectors are destroyed in the process, but
2427      can be saved by using `gsl_eigen_genv_QZ'. The computed
2428      eigenvectors are normalized to have unit magnitude. On output, (A,
2429      B) contains the generalized Schur form (S, T). If `gsl_eigen_gen'
2430      fails, no eigenvectors are computed, and an error code is returned.
2431
2432  -- Function: int gsl_eigen_genv_QZ (gsl_matrix * A, gsl_matrix * B,
2433           gsl_vector_complex * ALPHA, gsl_vector * BETA,
2434           gsl_matrix_complex * EVEC, gsl_matrix * Q, gsl_matrix * Z,
2435           gsl_eigen_genv_workspace * W)
2436      This function is identical to `gsl_eigen_genv' except it also
2437      computes the left and right Schur vectors and stores them into Q
2438      and Z respectively.
2439
2440 \1f
2441 File: gsl-ref.info,  Node: Sorting Eigenvalues and Eigenvectors,  Next: Eigenvalue and Eigenvector Examples,  Prev: Real Generalized Nonsymmetric Eigensystems,  Up: Eigensystems
2442
2443 14.7 Sorting Eigenvalues and Eigenvectors
2444 =========================================
2445
2446  -- Function: int gsl_eigen_symmv_sort (gsl_vector * EVAL, gsl_matrix *
2447           EVEC, gsl_eigen_sort_t SORT_TYPE)
2448      This function simultaneously sorts the eigenvalues stored in the
2449      vector EVAL and the corresponding real eigenvectors stored in the
2450      columns of the matrix EVEC into ascending or descending order
2451      according to the value of the parameter SORT_TYPE,
2452
2453     `GSL_EIGEN_SORT_VAL_ASC'
2454           ascending order in numerical value
2455
2456     `GSL_EIGEN_SORT_VAL_DESC'
2457           descending order in numerical value
2458
2459     `GSL_EIGEN_SORT_ABS_ASC'
2460           ascending order in magnitude
2461
2462     `GSL_EIGEN_SORT_ABS_DESC'
2463           descending order in magnitude
2464
2465
2466  -- Function: int gsl_eigen_hermv_sort (gsl_vector * EVAL,
2467           gsl_matrix_complex * EVEC, gsl_eigen_sort_t SORT_TYPE)
2468      This function simultaneously sorts the eigenvalues stored in the
2469      vector EVAL and the corresponding complex eigenvectors stored in
2470      the columns of the matrix EVEC into ascending or descending order
2471      according to the value of the parameter SORT_TYPE as shown above.
2472
2473  -- Function: int gsl_eigen_nonsymmv_sort (gsl_vector_complex * EVAL,
2474           gsl_matrix_complex * EVEC, gsl_eigen_sort_t SORT_TYPE)
2475      This function simultaneously sorts the eigenvalues stored in the
2476      vector EVAL and the corresponding complex eigenvectors stored in
2477      the columns of the matrix EVEC into ascending or descending order
2478      according to the value of the parameter SORT_TYPE as shown above.
2479      Only `GSL_EIGEN_SORT_ABS_ASC' and `GSL_EIGEN_SORT_ABS_DESC' are
2480      supported due to the eigenvalues being complex.
2481
2482  -- Function: int gsl_eigen_gensymmv_sort (gsl_vector * EVAL,
2483           gsl_matrix * EVEC, gsl_eigen_sort_t SORT_TYPE)
2484      This function simultaneously sorts the eigenvalues stored in the
2485      vector EVAL and the corresponding real eigenvectors stored in the
2486      columns of the matrix EVEC into ascending or descending order
2487      according to the value of the parameter SORT_TYPE as shown above.
2488
2489  -- Function: int gsl_eigen_genhermv_sort (gsl_vector * EVAL,
2490           gsl_matrix_complex * EVEC, gsl_eigen_sort_t SORT_TYPE)
2491      This function simultaneously sorts the eigenvalues stored in the
2492      vector EVAL and the corresponding complex eigenvectors stored in
2493      the columns of the matrix EVEC into ascending or descending order
2494      according to the value of the parameter SORT_TYPE as shown above.
2495
2496  -- Function: int gsl_eigen_genv_sort (gsl_vector_complex * ALPHA,
2497           gsl_vector * BETA, gsl_matrix_complex * EVEC,
2498           gsl_eigen_sort_t SORT_TYPE)
2499      This function simultaneously sorts the eigenvalues stored in the
2500      vectors (ALPHA, BETA) and the corresponding complex eigenvectors
2501      stored in the columns of the matrix EVEC into ascending or
2502      descending order according to the value of the parameter SORT_TYPE
2503      as shown above. Only `GSL_EIGEN_SORT_ABS_ASC' and
2504      `GSL_EIGEN_SORT_ABS_DESC' are supported due to the eigenvalues
2505      being complex.
2506
2507 \1f
2508 File: gsl-ref.info,  Node: Eigenvalue and Eigenvector Examples,  Next: Eigenvalue and Eigenvector References,  Prev: Sorting Eigenvalues and Eigenvectors,  Up: Eigensystems
2509
2510 14.8 Examples
2511 =============
2512
2513 The following program computes the eigenvalues and eigenvectors of the
2514 4-th order Hilbert matrix, H(i,j) = 1/(i + j + 1).
2515
2516      #include <stdio.h>
2517      #include <gsl/gsl_math.h>
2518      #include <gsl/gsl_eigen.h>
2519
2520      int
2521      main (void)
2522      {
2523        double data[] = { 1.0  , 1/2.0, 1/3.0, 1/4.0,
2524                          1/2.0, 1/3.0, 1/4.0, 1/5.0,
2525                          1/3.0, 1/4.0, 1/5.0, 1/6.0,
2526                          1/4.0, 1/5.0, 1/6.0, 1/7.0 };
2527
2528        gsl_matrix_view m
2529          = gsl_matrix_view_array (data, 4, 4);
2530
2531        gsl_vector *eval = gsl_vector_alloc (4);
2532        gsl_matrix *evec = gsl_matrix_alloc (4, 4);
2533
2534        gsl_eigen_symmv_workspace * w =
2535          gsl_eigen_symmv_alloc (4);
2536
2537        gsl_eigen_symmv (&m.matrix, eval, evec, w);
2538
2539        gsl_eigen_symmv_free (w);
2540
2541        gsl_eigen_symmv_sort (eval, evec,
2542                              GSL_EIGEN_SORT_ABS_ASC);
2543
2544        {
2545          int i;
2546
2547          for (i = 0; i < 4; i++)
2548            {
2549              double eval_i
2550                 = gsl_vector_get (eval, i);
2551              gsl_vector_view evec_i
2552                 = gsl_matrix_column (evec, i);
2553
2554              printf ("eigenvalue = %g\n", eval_i);
2555              printf ("eigenvector = \n");
2556              gsl_vector_fprintf (stdout,
2557                                  &evec_i.vector, "%g");
2558            }
2559        }
2560
2561        gsl_vector_free (eval);
2562        gsl_matrix_free (evec);
2563
2564        return 0;
2565      }
2566
2567 Here is the beginning of the output from the program,
2568
2569      $ ./a.out
2570      eigenvalue = 9.67023e-05
2571      eigenvector =
2572      -0.0291933
2573      0.328712
2574      -0.791411
2575      0.514553
2576      ...
2577
2578 This can be compared with the corresponding output from GNU OCTAVE,
2579
2580      octave> [v,d] = eig(hilb(4));
2581      octave> diag(d)
2582      ans =
2583
2584         9.6702e-05
2585         6.7383e-03
2586         1.6914e-01
2587         1.5002e+00
2588
2589      octave> v
2590      v =
2591
2592         0.029193   0.179186  -0.582076   0.792608
2593        -0.328712  -0.741918   0.370502   0.451923
2594         0.791411   0.100228   0.509579   0.322416
2595        -0.514553   0.638283   0.514048   0.252161
2596
2597 Note that the eigenvectors can differ by a change of sign, since the
2598 sign of an eigenvector is arbitrary.
2599
2600    The following program illustrates the use of the nonsymmetric
2601 eigensolver, by computing the eigenvalues and eigenvectors of the
2602 Vandermonde matrix V(x;i,j) = x_i^{n - j} with x = (-1,-2,3,4).
2603
2604      #include <stdio.h>
2605      #include <gsl/gsl_math.h>
2606      #include <gsl/gsl_eigen.h>
2607
2608      int
2609      main (void)
2610      {
2611        double data[] = { -1.0, 1.0, -1.0, 1.0,
2612                          -8.0, 4.0, -2.0, 1.0,
2613                          27.0, 9.0, 3.0, 1.0,
2614                          64.0, 16.0, 4.0, 1.0 };
2615
2616        gsl_matrix_view m
2617          = gsl_matrix_view_array (data, 4, 4);
2618
2619        gsl_vector_complex *eval = gsl_vector_complex_alloc (4);
2620        gsl_matrix_complex *evec = gsl_matrix_complex_alloc (4, 4);
2621
2622        gsl_eigen_nonsymmv_workspace * w =
2623          gsl_eigen_nonsymmv_alloc (4);
2624
2625        gsl_eigen_nonsymmv (&m.matrix, eval, evec, w);
2626
2627        gsl_eigen_nonsymmv_free (w);
2628
2629        gsl_eigen_nonsymmv_sort (eval, evec,
2630                                 GSL_EIGEN_SORT_ABS_DESC);
2631
2632        {
2633          int i, j;
2634
2635          for (i = 0; i < 4; i++)
2636            {
2637              gsl_complex eval_i
2638                 = gsl_vector_complex_get (eval, i);
2639              gsl_vector_complex_view evec_i
2640                 = gsl_matrix_complex_column (evec, i);
2641
2642              printf ("eigenvalue = %g + %gi\n",
2643                      GSL_REAL(eval_i), GSL_IMAG(eval_i));
2644              printf ("eigenvector = \n");
2645              for (j = 0; j < 4; ++j)
2646                {
2647                  gsl_complex z = gsl_vector_complex_get(&evec_i.vector, j);
2648                  printf("%g + %gi\n", GSL_REAL(z), GSL_IMAG(z));
2649                }
2650            }
2651        }
2652
2653        gsl_vector_complex_free(eval);
2654        gsl_matrix_complex_free(evec);
2655
2656        return 0;
2657      }
2658
2659 Here is the beginning of the output from the program,
2660
2661      $ ./a.out
2662      eigenvalue = -6.41391 + 0i
2663      eigenvector =
2664      -0.0998822 + 0i
2665      -0.111251 + 0i
2666      0.292501 + 0i
2667      0.944505 + 0i
2668      eigenvalue = 5.54555 + 3.08545i
2669      eigenvector =
2670      -0.043487 + -0.0076308i
2671      0.0642377 + -0.142127i
2672      -0.515253 + 0.0405118i
2673      -0.840592 + -0.00148565i
2674      ...
2675
2676 This can be compared with the corresponding output from GNU OCTAVE,
2677
2678      octave> [v,d] = eig(vander([-1 -2 3 4]));
2679      octave> diag(d)
2680      ans =
2681
2682        -6.4139 + 0.0000i
2683         5.5456 + 3.0854i
2684         5.5456 - 3.0854i
2685         2.3228 + 0.0000i
2686
2687      octave> v
2688      v =
2689
2690       Columns 1 through 3:
2691
2692        -0.09988 + 0.00000i  -0.04350 - 0.00755i  -0.04350 + 0.00755i
2693        -0.11125 + 0.00000i   0.06399 - 0.14224i   0.06399 + 0.14224i
2694         0.29250 + 0.00000i  -0.51518 + 0.04142i  -0.51518 - 0.04142i
2695         0.94451 + 0.00000i  -0.84059 + 0.00000i  -0.84059 - 0.00000i
2696
2697       Column 4:
2698
2699        -0.14493 + 0.00000i
2700         0.35660 + 0.00000i
2701         0.91937 + 0.00000i
2702         0.08118 + 0.00000i
2703    Note that the eigenvectors corresponding to the eigenvalue 5.54555 +
2704 3.08545i are slightly different. This is because they differ by the
2705 multiplicative constant 0.9999984 + 0.0017674i which has magnitude 1.
2706
2707 \1f
2708 File: gsl-ref.info,  Node: Eigenvalue and Eigenvector References,  Prev: Eigenvalue and Eigenvector Examples,  Up: Eigensystems
2709
2710 14.9 References and Further Reading
2711 ===================================
2712
2713 Further information on the algorithms described in this section can be
2714 found in the following book,
2715
2716      G. H. Golub, C. F. Van Loan, `Matrix Computations' (3rd Ed, 1996),
2717      Johns Hopkins University Press, ISBN 0-8018-5414-8.
2718
2719 Further information on the generalized eigensystems QZ algorithm can be
2720 found in this paper,
2721
2722      C. Moler, G. Stewart, "An Algorithm for Generalized Matrix
2723      Eigenvalue Problems," SIAM J. Numer. Anal., Vol 10, No 2, 1973.
2724
2725 Eigensystem routines for very large matrices can be found in the
2726 Fortran library LAPACK. The LAPACK library is described in,
2727
2728      `LAPACK Users' Guide' (Third Edition, 1999), Published by SIAM,
2729      ISBN 0-89871-447-8.
2730
2731      `http://www.netlib.org/lapack'
2732
2733 The LAPACK source code can be found at the website above along with an
2734 online copy of the users guide.
2735
2736 \1f
2737 File: gsl-ref.info,  Node: Fast Fourier Transforms,  Next: Numerical Integration,  Prev: Eigensystems,  Up: Top
2738
2739 15 Fast Fourier Transforms (FFTs)
2740 *********************************
2741
2742 This chapter describes functions for performing Fast Fourier Transforms
2743 (FFTs).  The library includes radix-2 routines (for lengths which are a
2744 power of two) and mixed-radix routines (which work for any length).  For
2745 efficiency there are separate versions of the routines for real data and
2746 for complex data.  The mixed-radix routines are a reimplementation of
2747 the FFTPACK library of Paul Swarztrauber.  Fortran code for FFTPACK is
2748 available on Netlib (FFTPACK also includes some routines for sine and
2749 cosine transforms but these are currently not available in GSL).  For
2750 details and derivations of the underlying algorithms consult the
2751 document `GSL FFT Algorithms' (*note FFT References and Further
2752 Reading::)
2753
2754 * Menu:
2755
2756 * Mathematical Definitions::
2757 * Overview of complex data FFTs::
2758 * Radix-2 FFT routines for complex data::
2759 * Mixed-radix FFT routines for complex data::
2760 * Overview of real data FFTs::
2761 * Radix-2 FFT routines for real data::
2762 * Mixed-radix FFT routines for real data::
2763 * FFT References and Further Reading::
2764
2765 \1f
2766 File: gsl-ref.info,  Node: Mathematical Definitions,  Next: Overview of complex data FFTs,  Up: Fast Fourier Transforms
2767
2768 15.1 Mathematical Definitions
2769 =============================
2770
2771 Fast Fourier Transforms are efficient algorithms for calculating the
2772 discrete fourier transform (DFT),
2773
2774      x_j = \sum_{k=0}^{N-1} z_k \exp(-2\pi i j k / N)
2775
2776    The DFT usually arises as an approximation to the continuous fourier
2777 transform when functions are sampled at discrete intervals in space or
2778 time.  The naive evaluation of the discrete fourier transform is a
2779 matrix-vector multiplication W\vec{z}. A general matrix-vector
2780 multiplication takes O(N^2) operations for N data-points.  Fast fourier
2781 transform algorithms use a divide-and-conquer strategy to factorize the
2782 matrix W into smaller sub-matrices, corresponding to the integer
2783 factors of the length N.  If N can be factorized into a product of
2784 integers f_1 f_2 ... f_n then the DFT can be computed in O(N \sum f_i)
2785 operations.  For a radix-2 FFT this gives an operation count of O(N
2786 \log_2 N).
2787
2788    All the FFT functions offer three types of transform: forwards,
2789 inverse and backwards, based on the same mathematical definitions.  The
2790 definition of the "forward fourier transform", x = FFT(z), is,
2791
2792      x_j = \sum_{k=0}^{N-1} z_k \exp(-2\pi i j k / N)
2793
2794 and the definition of the "inverse fourier transform", x = IFFT(z), is,
2795
2796      z_j = {1 \over N} \sum_{k=0}^{N-1} x_k \exp(2\pi i j k / N).
2797
2798 The factor of 1/N makes this a true inverse.  For example, a call to
2799 `gsl_fft_complex_forward' followed by a call to
2800 `gsl_fft_complex_inverse' should return the original data (within
2801 numerical errors).
2802
2803    In general there are two possible choices for the sign of the
2804 exponential in the transform/ inverse-transform pair. GSL follows the
2805 same convention as FFTPACK, using a negative exponential for the forward
2806 transform.  The advantage of this convention is that the inverse
2807 transform recreates the original function with simple fourier
2808 synthesis.  Numerical Recipes uses the opposite convention, a positive
2809 exponential in the forward transform.
2810
2811    The "backwards FFT" is simply our terminology for an unscaled
2812 version of the inverse FFT,
2813
2814      z^{backwards}_j = \sum_{k=0}^{N-1} x_k \exp(2\pi i j k / N).
2815
2816 When the overall scale of the result is unimportant it is often
2817 convenient to use the backwards FFT instead of the inverse to save
2818 unnecessary divisions.
2819
2820 \1f
2821 File: gsl-ref.info,  Node: Overview of complex data FFTs,  Next: Radix-2 FFT routines for complex data,  Prev: Mathematical Definitions,  Up: Fast Fourier Transforms
2822
2823 15.2 Overview of complex data FFTs
2824 ==================================
2825
2826 The inputs and outputs for the complex FFT routines are "packed arrays"
2827 of floating point numbers.  In a packed array the real and imaginary
2828 parts of each complex number are placed in alternate neighboring
2829 elements.  For example, the following definition of a packed array of
2830 length 6,
2831
2832      double x[3*2];
2833      gsl_complex_packed_array data = x;
2834
2835 can be used to hold an array of three complex numbers, `z[3]', in the
2836 following way,
2837
2838      data[0] = Re(z[0])
2839      data[1] = Im(z[0])
2840      data[2] = Re(z[1])
2841      data[3] = Im(z[1])
2842      data[4] = Re(z[2])
2843      data[5] = Im(z[2])
2844
2845 The array indices for the data have the same ordering as those in the
2846 definition of the DFT--i.e. there are no index transformations or
2847 permutations of the data.
2848
2849    A "stride" parameter allows the user to perform transforms on the
2850 elements `z[stride*i]' instead of `z[i]'.  A stride greater than 1 can
2851 be used to take an in-place FFT of the column of a matrix. A stride of
2852 1 accesses the array without any additional spacing between elements.
2853
2854    To perform an FFT on a vector argument, such as `gsl_vector_complex
2855 * v', use the following definitions (or their equivalents) when calling
2856 the functions described in this chapter:
2857
2858      gsl_complex_packed_array data = v->data;
2859      size_t stride = v->stride;
2860      size_t n = v->size;
2861
2862    For physical applications it is important to remember that the index
2863 appearing in the DFT does not correspond directly to a physical
2864 frequency.  If the time-step of the DFT is \Delta then the
2865 frequency-domain includes both positive and negative frequencies,
2866 ranging from -1/(2\Delta) through 0 to +1/(2\Delta).  The positive
2867 frequencies are stored from the beginning of the array up to the
2868 middle, and the negative frequencies are stored backwards from the end
2869 of the array.
2870
2871    Here is a table which shows the layout of the array DATA, and the
2872 correspondence between the time-domain data z, and the frequency-domain
2873 data x.
2874
2875      index    z               x = FFT(z)
2876
2877      0        z(t = 0)        x(f = 0)
2878      1        z(t = 1)        x(f = 1/(N Delta))
2879      2        z(t = 2)        x(f = 2/(N Delta))
2880      .        ........        ..................
2881      N/2      z(t = N/2)      x(f = +1/(2 Delta),
2882                                     -1/(2 Delta))
2883      .        ........        ..................
2884      N-3      z(t = N-3)      x(f = -3/(N Delta))
2885      N-2      z(t = N-2)      x(f = -2/(N Delta))
2886      N-1      z(t = N-1)      x(f = -1/(N Delta))
2887
2888 When N is even the location N/2 contains the most positive and negative
2889 frequencies (+1/(2 \Delta), -1/(2 \Delta)) which are equivalent.  If N
2890 is odd then general structure of the table above still applies, but N/2
2891 does not appear.
2892
2893 \1f
2894 File: gsl-ref.info,  Node: Radix-2 FFT routines for complex data,  Next: Mixed-radix FFT routines for complex data,  Prev: Overview of complex data FFTs,  Up: Fast Fourier Transforms
2895
2896 15.3 Radix-2 FFT routines for complex data
2897 ==========================================
2898
2899 The radix-2 algorithms described in this section are simple and compact,
2900 although not necessarily the most efficient.  They use the Cooley-Tukey
2901 algorithm to compute in-place complex FFTs for lengths which are a power
2902 of 2--no additional storage is required.  The corresponding
2903 self-sorting mixed-radix routines offer better performance at the
2904 expense of requiring additional working space.
2905
2906    All the functions described in this section are declared in the
2907 header file `gsl_fft_complex.h'.
2908
2909  -- Function: int gsl_fft_complex_radix2_forward
2910           (gsl_complex_packed_array DATA, size_t STRIDE, size_t N)
2911  -- Function: int gsl_fft_complex_radix2_transform
2912           (gsl_complex_packed_array DATA, size_t STRIDE, size_t N,
2913           gsl_fft_direction SIGN)
2914  -- Function: int gsl_fft_complex_radix2_backward
2915           (gsl_complex_packed_array DATA, size_t STRIDE, size_t N)
2916  -- Function: int gsl_fft_complex_radix2_inverse
2917           (gsl_complex_packed_array DATA, size_t STRIDE, size_t N)
2918      These functions compute forward, backward and inverse FFTs of
2919      length N with stride STRIDE, on the packed complex array DATA
2920      using an in-place radix-2 decimation-in-time algorithm.  The
2921      length of the transform N is restricted to powers of two.  For the
2922      `transform' version of the function the SIGN argument can be
2923      either `forward' (-1) or `backward' (+1).
2924
2925      The functions return a value of `GSL_SUCCESS' if no errors were
2926      detected, or `GSL_EDOM' if the length of the data N is not a power
2927      of two.
2928
2929  -- Function: int gsl_fft_complex_radix2_dif_forward
2930           (gsl_complex_packed_array DATA, size_t STRIDE, size_t N)
2931  -- Function: int gsl_fft_complex_radix2_dif_transform
2932           (gsl_complex_packed_array DATA, size_t STRIDE, size_t N,
2933           gsl_fft_direction SIGN)
2934  -- Function: int gsl_fft_complex_radix2_dif_backward
2935           (gsl_complex_packed_array DATA, size_t STRIDE, size_t N)
2936  -- Function: int gsl_fft_complex_radix2_dif_inverse
2937           (gsl_complex_packed_array DATA, size_t STRIDE, size_t N)
2938      These are decimation-in-frequency versions of the radix-2 FFT
2939      functions.
2940
2941
2942    Here is an example program which computes the FFT of a short pulse
2943 in a sample of length 128.  To make the resulting fourier transform
2944 real the pulse is defined for equal positive and negative times (-10
2945 ... 10), where the negative times wrap around the end of the array.
2946
2947      #include <stdio.h>
2948      #include <math.h>
2949      #include <gsl/gsl_errno.h>
2950      #include <gsl/gsl_fft_complex.h>
2951
2952      #define REAL(z,i) ((z)[2*(i)])
2953      #define IMAG(z,i) ((z)[2*(i)+1])
2954
2955      int
2956      main (void)
2957      {
2958        int i; double data[2*128];
2959
2960        for (i = 0; i < 128; i++)
2961          {
2962             REAL(data,i) = 0.0; IMAG(data,i) = 0.0;
2963          }
2964
2965        REAL(data,0) = 1.0;
2966
2967        for (i = 1; i <= 10; i++)
2968          {
2969             REAL(data,i) = REAL(data,128-i) = 1.0;
2970          }
2971
2972        for (i = 0; i < 128; i++)
2973          {
2974            printf ("%d %e %e\n", i,
2975                    REAL(data,i), IMAG(data,i));
2976          }
2977        printf ("\n");
2978
2979        gsl_fft_complex_radix2_forward (data, 1, 128);
2980
2981        for (i = 0; i < 128; i++)
2982          {
2983            printf ("%d %e %e\n", i,
2984                    REAL(data,i)/sqrt(128),
2985                    IMAG(data,i)/sqrt(128));
2986          }
2987
2988        return 0;
2989      }
2990
2991 Note that we have assumed that the program is using the default error
2992 handler (which calls `abort' for any errors).  If you are not using a
2993 safe error handler you would need to check the return status of
2994 `gsl_fft_complex_radix2_forward'.
2995
2996    The transformed data is rescaled by 1/\sqrt N so that it fits on the
2997 same plot as the input.  Only the real part is shown, by the choice of
2998 the input data the imaginary part is zero.  Allowing for the
2999 wrap-around of negative times at t=128, and working in units of k/N,
3000 the DFT approximates the continuum fourier transform, giving a
3001 modulated sine function.
3002
3003 \1f
3004 File: gsl-ref.info,  Node: Mixed-radix FFT routines for complex data,  Next: Overview of real data FFTs,  Prev: Radix-2 FFT routines for complex data,  Up: Fast Fourier Transforms
3005
3006 15.4 Mixed-radix FFT routines for complex data
3007 ==============================================
3008
3009 This section describes mixed-radix FFT algorithms for complex data.  The
3010 mixed-radix functions work for FFTs of any length.  They are a
3011 reimplementation of Paul Swarztrauber's Fortran FFTPACK library.  The
3012 theory is explained in the review article `Self-sorting Mixed-radix
3013 FFTs' by Clive Temperton.  The routines here use the same indexing
3014 scheme and basic algorithms as FFTPACK.
3015
3016    The mixed-radix algorithm is based on sub-transform modules--highly
3017 optimized small length FFTs which are combined to create larger FFTs.
3018 There are efficient modules for factors of 2, 3, 4, 5, 6 and 7.  The
3019 modules for the composite factors of 4 and 6 are faster than combining
3020 the modules for 2*2 and 2*3.
3021
3022    For factors which are not implemented as modules there is a
3023 fall-back to a general length-n module which uses Singleton's method for
3024 efficiently computing a DFT. This module is O(n^2), and slower than a
3025 dedicated module would be but works for any length n.  Of course,
3026 lengths which use the general length-n module will still be factorized
3027 as much as possible.  For example, a length of 143 will be factorized
3028 into 11*13.  Large prime factors are the worst case scenario, e.g. as
3029 found in n=2*3*99991, and should be avoided because their O(n^2)
3030 scaling will dominate the run-time (consult the document `GSL FFT
3031 Algorithms' included in the GSL distribution if you encounter this
3032 problem).
3033
3034    The mixed-radix initialization function
3035 `gsl_fft_complex_wavetable_alloc' returns the list of factors chosen by
3036 the library for a given length N.  It can be used to check how well the
3037 length has been factorized, and estimate the run-time.  To a first
3038 approximation the run-time scales as N \sum f_i, where the f_i are the
3039 factors of N.  For programs under user control you may wish to issue a
3040 warning that the transform will be slow when the length is poorly
3041 factorized.  If you frequently encounter data lengths which cannot be
3042 factorized using the existing small-prime modules consult `GSL FFT
3043 Algorithms' for details on adding support for other factors.
3044
3045    All the functions described in this section are declared in the
3046 header file `gsl_fft_complex.h'.
3047
3048  -- Function: gsl_fft_complex_wavetable *
3049 gsl_fft_complex_wavetable_alloc (size_t N)
3050      This function prepares a trigonometric lookup table for a complex
3051      FFT of length N. The function returns a pointer to the newly
3052      allocated `gsl_fft_complex_wavetable' if no errors were detected,
3053      and a null pointer in the case of error.  The length N is
3054      factorized into a product of subtransforms, and the factors and
3055      their trigonometric coefficients are stored in the wavetable. The
3056      trigonometric coefficients are computed using direct calls to
3057      `sin' and `cos', for accuracy.  Recursion relations could be used
3058      to compute the lookup table faster, but if an application performs
3059      many FFTs of the same length then this computation is a one-off
3060      overhead which does not affect the final throughput.
3061
3062      The wavetable structure can be used repeatedly for any transform
3063      of the same length.  The table is not modified by calls to any of
3064      the other FFT functions.  The same wavetable can be used for both
3065      forward and backward (or inverse) transforms of a given length.
3066
3067  -- Function: void gsl_fft_complex_wavetable_free
3068           (gsl_fft_complex_wavetable * WAVETABLE)
3069      This function frees the memory associated with the wavetable
3070      WAVETABLE.  The wavetable can be freed if no further FFTs of the
3071      same length will be needed.
3072
3073 These functions operate on a `gsl_fft_complex_wavetable' structure
3074 which contains internal parameters for the FFT.  It is not necessary to
3075 set any of the components directly but it can sometimes be useful to
3076 examine them.  For example, the chosen factorization of the FFT length
3077 is given and can be used to provide an estimate of the run-time or
3078 numerical error. The wavetable structure is declared in the header file
3079 `gsl_fft_complex.h'.
3080
3081  -- Data Type: gsl_fft_complex_wavetable
3082      This is a structure that holds the factorization and trigonometric
3083      lookup tables for the mixed radix fft algorithm.  It has the
3084      following components:
3085
3086     `size_t n'
3087           This is the number of complex data points
3088
3089     `size_t nf'
3090           This is the number of factors that the length `n' was
3091           decomposed into.
3092
3093     `size_t factor[64]'
3094           This is the array of factors.  Only the first `nf' elements
3095           are used.
3096
3097     `gsl_complex * trig'
3098           This is a pointer to a preallocated trigonometric lookup
3099           table of `n' complex elements.
3100
3101     `gsl_complex * twiddle[64]'
3102           This is an array of pointers into `trig', giving the twiddle
3103           factors for each pass.
3104
3105 The mixed radix algorithms require additional working space to hold the
3106 intermediate steps of the transform.
3107
3108  -- Function: gsl_fft_complex_workspace *
3109 gsl_fft_complex_workspace_alloc (size_t N)
3110      This function allocates a workspace for a complex transform of
3111      length N.
3112
3113  -- Function: void gsl_fft_complex_workspace_free
3114           (gsl_fft_complex_workspace * WORKSPACE)
3115      This function frees the memory associated with the workspace
3116      WORKSPACE. The workspace can be freed if no further FFTs of the
3117      same length will be needed.
3118
3119 The following functions compute the transform,
3120
3121  -- Function: int gsl_fft_complex_forward (gsl_complex_packed_array
3122           DATA, size_t STRIDE, size_t N, const
3123           gsl_fft_complex_wavetable * WAVETABLE,
3124           gsl_fft_complex_workspace * WORK)
3125  -- Function: int gsl_fft_complex_transform (gsl_complex_packed_array
3126           DATA, size_t STRIDE, size_t N, const
3127           gsl_fft_complex_wavetable * WAVETABLE,
3128           gsl_fft_complex_workspace * WORK, gsl_fft_direction SIGN)
3129  -- Function: int gsl_fft_complex_backward (gsl_complex_packed_array
3130           DATA, size_t STRIDE, size_t N, const
3131           gsl_fft_complex_wavetable * WAVETABLE,
3132           gsl_fft_complex_workspace * WORK)
3133  -- Function: int gsl_fft_complex_inverse (gsl_complex_packed_array
3134           DATA, size_t STRIDE, size_t N, const
3135           gsl_fft_complex_wavetable * WAVETABLE,
3136           gsl_fft_complex_workspace * WORK)
3137      These functions compute forward, backward and inverse FFTs of
3138      length N with stride STRIDE, on the packed complex array DATA,
3139      using a mixed radix decimation-in-frequency algorithm.  There is
3140      no restriction on the length N.  Efficient modules are provided
3141      for subtransforms of length 2, 3, 4, 5, 6 and 7.  Any remaining
3142      factors are computed with a slow, O(n^2), general-n module. The
3143      caller must supply a WAVETABLE containing the trigonometric lookup
3144      tables and a workspace WORK.  For the `transform' version of the
3145      function the SIGN argument can be either `forward' (-1) or
3146      `backward' (+1).
3147
3148      The functions return a value of `0' if no errors were detected. The
3149      following `gsl_errno' conditions are defined for these functions:
3150
3151     `GSL_EDOM'
3152           The length of the data N is not a positive integer (i.e. N is
3153           zero).
3154
3155     `GSL_EINVAL'
3156           The length of the data N and the length used to compute the
3157           given WAVETABLE do not match.
3158
3159    Here is an example program which computes the FFT of a short pulse
3160 in a sample of length 630 (=2*3*3*5*7) using the mixed-radix algorithm.
3161
3162      #include <stdio.h>
3163      #include <math.h>
3164      #include <gsl/gsl_errno.h>
3165      #include <gsl/gsl_fft_complex.h>
3166
3167      #define REAL(z,i) ((z)[2*(i)])
3168      #define IMAG(z,i) ((z)[2*(i)+1])
3169
3170      int
3171      main (void)
3172      {
3173        int i;
3174        const int n = 630;
3175        double data[2*n];
3176
3177        gsl_fft_complex_wavetable * wavetable;
3178        gsl_fft_complex_workspace * workspace;
3179
3180        for (i = 0; i < n; i++)
3181          {
3182            REAL(data,i) = 0.0;
3183            IMAG(data,i) = 0.0;
3184          }
3185
3186        data[0] = 1.0;
3187
3188        for (i = 1; i <= 10; i++)
3189          {
3190            REAL(data,i) = REAL(data,n-i) = 1.0;
3191          }
3192
3193        for (i = 0; i < n; i++)
3194          {
3195            printf ("%d: %e %e\n", i, REAL(data,i),
3196                                      IMAG(data,i));
3197          }
3198        printf ("\n");
3199
3200        wavetable = gsl_fft_complex_wavetable_alloc (n);
3201        workspace = gsl_fft_complex_workspace_alloc (n);
3202
3203        for (i = 0; i < wavetable->nf; i++)
3204          {
3205             printf ("# factor %d: %d\n", i,
3206                     wavetable->factor[i]);
3207          }
3208
3209        gsl_fft_complex_forward (data, 1, n,
3210                                 wavetable, workspace);
3211
3212        for (i = 0; i < n; i++)
3213          {
3214            printf ("%d: %e %e\n", i, REAL(data,i),
3215                                      IMAG(data,i));
3216          }
3217
3218        gsl_fft_complex_wavetable_free (wavetable);
3219        gsl_fft_complex_workspace_free (workspace);
3220        return 0;
3221      }
3222
3223 Note that we have assumed that the program is using the default `gsl'
3224 error handler (which calls `abort' for any errors).  If you are not
3225 using a safe error handler you would need to check the return status of
3226 all the `gsl' routines.
3227
3228 \1f
3229 File: gsl-ref.info,  Node: Overview of real data FFTs,  Next: Radix-2 FFT routines for real data,  Prev: Mixed-radix FFT routines for complex data,  Up: Fast Fourier Transforms
3230
3231 15.5 Overview of real data FFTs
3232 ===============================
3233
3234 The functions for real data are similar to those for complex data.
3235 However, there is an important difference between forward and inverse
3236 transforms.  The fourier transform of a real sequence is not real.  It
3237 is a complex sequence with a special symmetry:
3238
3239      z_k = z_{N-k}^*
3240
3241 A sequence with this symmetry is called "conjugate-complex" or
3242 "half-complex".  This different structure requires different storage
3243 layouts for the forward transform (from real to half-complex) and
3244 inverse transform (from half-complex back to real).  As a consequence
3245 the routines are divided into two sets: functions in `gsl_fft_real'
3246 which operate on real sequences and functions in `gsl_fft_halfcomplex'
3247 which operate on half-complex sequences.
3248
3249    Functions in `gsl_fft_real' compute the frequency coefficients of a
3250 real sequence.  The half-complex coefficients c of a real sequence x
3251 are given by fourier analysis,
3252
3253      c_k = \sum_{j=0}^{N-1} x_j \exp(-2 \pi i j k /N)
3254
3255 Functions in `gsl_fft_halfcomplex' compute inverse or backwards
3256 transforms.  They reconstruct real sequences by fourier synthesis from
3257 their half-complex frequency coefficients, c,
3258
3259      x_j = {1 \over N} \sum_{k=0}^{N-1} c_k \exp(2 \pi i j k /N)
3260
3261 The symmetry of the half-complex sequence implies that only half of the
3262 complex numbers in the output need to be stored.  The remaining half can
3263 be reconstructed using the half-complex symmetry condition. This works
3264 for all lengths, even and odd--when the length is even the middle value
3265 where k=N/2 is also real.  Thus only N real numbers are required to
3266 store the half-complex sequence, and the transform of a real sequence
3267 can be stored in the same size array as the original data.
3268
3269    The precise storage arrangements depend on the algorithm, and are
3270 different for radix-2 and mixed-radix routines.  The radix-2 function
3271 operates in-place, which constrains the locations where each element can
3272 be stored.  The restriction forces real and imaginary parts to be stored
3273 far apart.  The mixed-radix algorithm does not have this restriction,
3274 and it stores the real and imaginary parts of a given term in
3275 neighboring locations (which is desirable for better locality of memory
3276 accesses).
3277
3278 \1f
3279 File: gsl-ref.info,  Node: Radix-2 FFT routines for real data,  Next: Mixed-radix FFT routines for real data,  Prev: Overview of real data FFTs,  Up: Fast Fourier Transforms
3280
3281 15.6 Radix-2 FFT routines for real data
3282 =======================================
3283
3284 This section describes radix-2 FFT algorithms for real data.  They use
3285 the Cooley-Tukey algorithm to compute in-place FFTs for lengths which
3286 are a power of 2.
3287
3288    The radix-2 FFT functions for real data are declared in the header
3289 files `gsl_fft_real.h'
3290
3291  -- Function: int gsl_fft_real_radix2_transform (double DATA[], size_t
3292           STRIDE, size_t N)
3293      This function computes an in-place radix-2 FFT of length N and
3294      stride STRIDE on the real array DATA.  The output is a
3295      half-complex sequence, which is stored in-place.  The arrangement
3296      of the half-complex terms uses the following scheme: for k < N/2
3297      the real part of the k-th term is stored in location k, and the
3298      corresponding imaginary part is stored in location N-k.  Terms
3299      with k > N/2 can be reconstructed using the symmetry z_k =
3300      z^*_{N-k}.  The terms for k=0 and k=N/2 are both purely real, and
3301      count as a special case.  Their real parts are stored in locations
3302      0 and N/2 respectively, while their imaginary parts which are zero
3303      are not stored.
3304
3305      The following table shows the correspondence between the output
3306      DATA and the equivalent results obtained by considering the input
3307      data as a complex sequence with zero imaginary part,
3308
3309           complex[0].real    =    data[0]
3310           complex[0].imag    =    0
3311           complex[1].real    =    data[1]
3312           complex[1].imag    =    data[N-1]
3313           ...............         ................
3314           complex[k].real    =    data[k]
3315           complex[k].imag    =    data[N-k]
3316           ...............         ................
3317           complex[N/2].real  =    data[N/2]
3318           complex[N/2].imag  =    0
3319           ...............         ................
3320           complex[k'].real   =    data[k]        k' = N - k
3321           complex[k'].imag   =   -data[N-k]
3322           ...............         ................
3323           complex[N-1].real  =    data[1]
3324           complex[N-1].imag  =   -data[N-1]
3325      Note that the output data can be converted into the full complex
3326      sequence using the function `gsl_fft_halfcomplex_unpack' described
3327      in the next section.
3328
3329    The radix-2 FFT functions for halfcomplex data are declared in the
3330 header file `gsl_fft_halfcomplex.h'.
3331
3332  -- Function: int gsl_fft_halfcomplex_radix2_inverse (double DATA[],
3333           size_t STRIDE, size_t N)
3334  -- Function: int gsl_fft_halfcomplex_radix2_backward (double DATA[],
3335           size_t STRIDE, size_t N)
3336      These functions compute the inverse or backwards in-place radix-2
3337      FFT of length N and stride STRIDE on the half-complex sequence
3338      DATA stored according the output scheme used by
3339      `gsl_fft_real_radix2'.  The result is a real array stored in
3340      natural order.
3341
3342
3343 \1f
3344 File: gsl-ref.info,  Node: Mixed-radix FFT routines for real data,  Next: FFT References and Further Reading,  Prev: Radix-2 FFT routines for real data,  Up: Fast Fourier Transforms
3345
3346 15.7 Mixed-radix FFT routines for real data
3347 ===========================================
3348
3349 This section describes mixed-radix FFT algorithms for real data.  The
3350 mixed-radix functions work for FFTs of any length.  They are a
3351 reimplementation of the real-FFT routines in the Fortran FFTPACK library
3352 by Paul Swarztrauber.  The theory behind the algorithm is explained in
3353 the article `Fast Mixed-Radix Real Fourier Transforms' by Clive
3354 Temperton.  The routines here use the same indexing scheme and basic
3355 algorithms as FFTPACK.
3356
3357    The functions use the FFTPACK storage convention for half-complex
3358 sequences.  In this convention the half-complex transform of a real
3359 sequence is stored with frequencies in increasing order, starting at
3360 zero, with the real and imaginary parts of each frequency in neighboring
3361 locations.  When a value is known to be real the imaginary part is not
3362 stored.  The imaginary part of the zero-frequency component is never
3363 stored.  It is known to be zero (since the zero frequency component is
3364 simply the sum of the input data (all real)).  For a sequence of even
3365 length the imaginary part of the frequency n/2 is not stored either,
3366 since the symmetry z_k = z_{N-k}^* implies that this is purely real too.
3367
3368    The storage scheme is best shown by some examples.  The table below
3369 shows the output for an odd-length sequence, n=5.  The two columns give
3370 the correspondence between the 5 values in the half-complex sequence
3371 returned by `gsl_fft_real_transform', HALFCOMPLEX[] and the values
3372 COMPLEX[] that would be returned if the same real input sequence were
3373 passed to `gsl_fft_complex_backward' as a complex sequence (with
3374 imaginary parts set to `0'),
3375
3376      complex[0].real  =  halfcomplex[0]
3377      complex[0].imag  =  0
3378      complex[1].real  =  halfcomplex[1]
3379      complex[1].imag  =  halfcomplex[2]
3380      complex[2].real  =  halfcomplex[3]
3381      complex[2].imag  =  halfcomplex[4]
3382      complex[3].real  =  halfcomplex[3]
3383      complex[3].imag  = -halfcomplex[4]
3384      complex[4].real  =  halfcomplex[1]
3385      complex[4].imag  = -halfcomplex[2]
3386
3387 The upper elements of the COMPLEX array, `complex[3]' and `complex[4]'
3388 are filled in using the symmetry condition.  The imaginary part of the
3389 zero-frequency term `complex[0].imag' is known to be zero by the
3390 symmetry.
3391
3392    The next table shows the output for an even-length sequence, n=6 In
3393 the even case there are two values which are purely real,
3394
3395      complex[0].real  =  halfcomplex[0]
3396      complex[0].imag  =  0
3397      complex[1].real  =  halfcomplex[1]
3398      complex[1].imag  =  halfcomplex[2]
3399      complex[2].real  =  halfcomplex[3]
3400      complex[2].imag  =  halfcomplex[4]
3401      complex[3].real  =  halfcomplex[5]
3402      complex[3].imag  =  0
3403      complex[4].real  =  halfcomplex[3]
3404      complex[4].imag  = -halfcomplex[4]
3405      complex[5].real  =  halfcomplex[1]
3406      complex[5].imag  = -halfcomplex[2]
3407
3408 The upper elements of the COMPLEX array, `complex[4]' and `complex[5]'
3409 are filled in using the symmetry condition.  Both `complex[0].imag' and
3410 `complex[3].imag' are known to be zero.
3411
3412    All these functions are declared in the header files
3413 `gsl_fft_real.h' and `gsl_fft_halfcomplex.h'.
3414
3415  -- Function: gsl_fft_real_wavetable * gsl_fft_real_wavetable_alloc
3416           (size_t N)
3417  -- Function: gsl_fft_halfcomplex_wavetable *
3418 gsl_fft_halfcomplex_wavetable_alloc (size_t N)
3419      These functions prepare trigonometric lookup tables for an FFT of
3420      size n real elements.  The functions return a pointer to the newly
3421      allocated struct if no errors were detected, and a null pointer in
3422      the case of error.  The length N is factorized into a product of
3423      subtransforms, and the factors and their trigonometric
3424      coefficients are stored in the wavetable. The trigonometric
3425      coefficients are computed using direct calls to `sin' and `cos',
3426      for accuracy.  Recursion relations could be used to compute the
3427      lookup table faster, but if an application performs many FFTs of
3428      the same length then computing the wavetable is a one-off overhead
3429      which does not affect the final throughput.
3430
3431      The wavetable structure can be used repeatedly for any transform
3432      of the same length.  The table is not modified by calls to any of
3433      the other FFT functions.  The appropriate type of wavetable must
3434      be used for forward real or inverse half-complex transforms.
3435
3436  -- Function: void gsl_fft_real_wavetable_free (gsl_fft_real_wavetable
3437           * WAVETABLE)
3438  -- Function: void gsl_fft_halfcomplex_wavetable_free
3439           (gsl_fft_halfcomplex_wavetable * WAVETABLE)
3440      These functions free the memory associated with the wavetable
3441      WAVETABLE. The wavetable can be freed if no further FFTs of the
3442      same length will be needed.
3443
3444 The mixed radix algorithms require additional working space to hold the
3445 intermediate steps of the transform,
3446
3447  -- Function: gsl_fft_real_workspace * gsl_fft_real_workspace_alloc
3448           (size_t N)
3449      This function allocates a workspace for a real transform of length
3450      N.  The same workspace can be used for both forward real and
3451      inverse halfcomplex transforms.
3452
3453  -- Function: void gsl_fft_real_workspace_free (gsl_fft_real_workspace
3454           * WORKSPACE)
3455      This function frees the memory associated with the workspace
3456      WORKSPACE. The workspace can be freed if no further FFTs of the
3457      same length will be needed.
3458
3459 The following functions compute the transforms of real and half-complex
3460 data,
3461
3462  -- Function: int gsl_fft_real_transform (double DATA[], size_t STRIDE,
3463           size_t N, const gsl_fft_real_wavetable * WAVETABLE,
3464           gsl_fft_real_workspace * WORK)
3465  -- Function: int gsl_fft_halfcomplex_transform (double DATA[], size_t
3466           STRIDE, size_t N, const gsl_fft_halfcomplex_wavetable *
3467           WAVETABLE, gsl_fft_real_workspace * WORK)
3468      These functions compute the FFT of DATA, a real or half-complex
3469      array of length N, using a mixed radix decimation-in-frequency
3470      algorithm.  For `gsl_fft_real_transform' DATA is an array of
3471      time-ordered real data.  For `gsl_fft_halfcomplex_transform' DATA
3472      contains fourier coefficients in the half-complex ordering
3473      described above.  There is no restriction on the length N.
3474      Efficient modules are provided for subtransforms of length 2, 3, 4
3475      and 5.  Any remaining factors are computed with a slow, O(n^2),
3476      general-n module.  The caller must supply a WAVETABLE containing
3477      trigonometric lookup tables and a workspace WORK.
3478
3479  -- Function: int gsl_fft_real_unpack (const double REAL_COEFFICIENT[],
3480           gsl_complex_packed_array COMPLEX_COEFFICIENT, size_t STRIDE,
3481           size_t N)
3482      This function converts a single real array, REAL_COEFFICIENT into
3483      an equivalent complex array, COMPLEX_COEFFICIENT, (with imaginary
3484      part set to zero), suitable for `gsl_fft_complex' routines.  The
3485      algorithm for the conversion is simply,
3486
3487           for (i = 0; i < n; i++)
3488             {
3489               complex_coefficient[i].real
3490                 = real_coefficient[i];
3491               complex_coefficient[i].imag
3492                 = 0.0;
3493             }
3494
3495  -- Function: int gsl_fft_halfcomplex_unpack (const double
3496           HALFCOMPLEX_COEFFICIENT[], gsl_complex_packed_array
3497           COMPLEX_COEFFICIENT, size_t STRIDE, size_t N)
3498      This function converts HALFCOMPLEX_COEFFICIENT, an array of
3499      half-complex coefficients as returned by `gsl_fft_real_transform',
3500      into an ordinary complex array, COMPLEX_COEFFICIENT.  It fills in
3501      the complex array using the symmetry z_k = z_{N-k}^* to
3502      reconstruct the redundant elements.  The algorithm for the
3503      conversion is,
3504
3505           complex_coefficient[0].real
3506             = halfcomplex_coefficient[0];
3507           complex_coefficient[0].imag
3508             = 0.0;
3509
3510           for (i = 1; i < n - i; i++)
3511             {
3512               double hc_real
3513                 = halfcomplex_coefficient[2 * i - 1];
3514               double hc_imag
3515                 = halfcomplex_coefficient[2 * i];
3516               complex_coefficient[i].real = hc_real;
3517               complex_coefficient[i].imag = hc_imag;
3518               complex_coefficient[n - i].real = hc_real;
3519               complex_coefficient[n - i].imag = -hc_imag;
3520             }
3521
3522           if (i == n - i)
3523             {
3524               complex_coefficient[i].real
3525                 = halfcomplex_coefficient[n - 1];
3526               complex_coefficient[i].imag
3527                 = 0.0;
3528             }
3529
3530    Here is an example program using `gsl_fft_real_transform' and
3531 `gsl_fft_halfcomplex_inverse'.  It generates a real signal in the shape
3532 of a square pulse.  The pulse is fourier transformed to frequency
3533 space, and all but the lowest ten frequency components are removed from
3534 the array of fourier coefficients returned by `gsl_fft_real_transform'.
3535
3536    The remaining fourier coefficients are transformed back to the
3537 time-domain, to give a filtered version of the square pulse.  Since
3538 fourier coefficients are stored using the half-complex symmetry both
3539 positive and negative frequencies are removed and the final filtered
3540 signal is also real.
3541
3542      #include <stdio.h>
3543      #include <math.h>
3544      #include <gsl/gsl_errno.h>
3545      #include <gsl/gsl_fft_real.h>
3546      #include <gsl/gsl_fft_halfcomplex.h>
3547
3548      int
3549      main (void)
3550      {
3551        int i, n = 100;
3552        double data[n];
3553
3554        gsl_fft_real_wavetable * real;
3555        gsl_fft_halfcomplex_wavetable * hc;
3556        gsl_fft_real_workspace * work;
3557
3558        for (i = 0; i < n; i++)
3559          {
3560            data[i] = 0.0;
3561          }
3562
3563        for (i = n / 3; i < 2 * n / 3; i++)
3564          {
3565            data[i] = 1.0;
3566          }
3567
3568        for (i = 0; i < n; i++)
3569          {
3570            printf ("%d: %e\n", i, data[i]);
3571          }
3572        printf ("\n");
3573
3574        work = gsl_fft_real_workspace_alloc (n);
3575        real = gsl_fft_real_wavetable_alloc (n);
3576
3577        gsl_fft_real_transform (data, 1, n,
3578                                real, work);
3579
3580        gsl_fft_real_wavetable_free (real);
3581
3582        for (i = 11; i < n; i++)
3583          {
3584            data[i] = 0;
3585          }
3586
3587        hc = gsl_fft_halfcomplex_wavetable_alloc (n);
3588
3589        gsl_fft_halfcomplex_inverse (data, 1, n,
3590                                     hc, work);
3591        gsl_fft_halfcomplex_wavetable_free (hc);
3592
3593        for (i = 0; i < n; i++)
3594          {
3595            printf ("%d: %e\n", i, data[i]);
3596          }
3597
3598        gsl_fft_real_workspace_free (work);
3599        return 0;
3600      }
3601
3602 \1f
3603 File: gsl-ref.info,  Node: FFT References and Further Reading,  Prev: Mixed-radix FFT routines for real data,  Up: Fast Fourier Transforms
3604
3605 15.8 References and Further Reading
3606 ===================================
3607
3608 A good starting point for learning more about the FFT is the review
3609 article `Fast Fourier Transforms: A Tutorial Review and A State of the
3610 Art' by Duhamel and Vetterli,
3611
3612      P. Duhamel and M. Vetterli.  Fast fourier transforms: A tutorial
3613      review and a state of the art.  `Signal Processing', 19:259-299,
3614      1990.
3615
3616 To find out about the algorithms used in the GSL routines you may want
3617 to consult the document `GSL FFT Algorithms' (it is included in GSL, as
3618 `doc/fftalgorithms.tex').  This has general information on FFTs and
3619 explicit derivations of the implementation for each routine.  There are
3620 also references to the relevant literature.  For convenience some of
3621 the more important references are reproduced below.
3622
3623 There are several introductory books on the FFT with example programs,
3624 such as `The Fast Fourier Transform' by Brigham and `DFT/FFT and
3625 Convolution Algorithms' by Burrus and Parks,
3626
3627      E. Oran Brigham.  `The Fast Fourier Transform'.  Prentice Hall,
3628      1974.
3629
3630      C. S. Burrus and T. W. Parks.  `DFT/FFT and Convolution
3631      Algorithms'.  Wiley, 1984.
3632
3633 Both these introductory books cover the radix-2 FFT in some detail.
3634 The mixed-radix algorithm at the heart of the FFTPACK routines is
3635 reviewed in Clive Temperton's paper,
3636
3637      Clive Temperton.  Self-sorting mixed-radix fast fourier transforms.
3638      `Journal of Computational Physics', 52(1):1-23, 1983.
3639
3640 The derivation of FFTs for real-valued data is explained in the
3641 following two articles,
3642
3643      Henrik V. Sorenson, Douglas L. Jones, Michael T. Heideman, and C.
3644      Sidney Burrus.  Real-valued fast fourier transform algorithms.
3645      `IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing',
3646      ASSP-35(6):849-863, 1987.
3647
3648      Clive Temperton.  Fast mixed-radix real fourier transforms.
3649      `Journal of Computational Physics', 52:340-350, 1983.
3650
3651 In 1979 the IEEE published a compendium of carefully-reviewed Fortran
3652 FFT programs in `Programs for Digital Signal Processing'.  It is a
3653 useful reference for implementations of many different FFT algorithms,
3654
3655      Digital Signal Processing Committee and IEEE Acoustics, Speech,
3656      and Signal Processing Committee, editors.  `Programs for Digital
3657      Signal Processing'.  IEEE Press, 1979.
3658
3659 For large-scale FFT work we recommend the use of the dedicated FFTW
3660 library by Frigo and Johnson.  The FFTW library is self-optimizing--it
3661 automatically tunes itself for each hardware platform in order to
3662 achieve maximum performance.  It is available under the GNU GPL.
3663
3664      FFTW Website, `http://www.fftw.org/'
3665
3666 The source code for FFTPACK is available from Netlib,
3667
3668      FFTPACK, `http://www.netlib.org/fftpack/'
3669
3670 \1f
3671 File: gsl-ref.info,  Node: Numerical Integration,  Next: Random Number Generation,  Prev: Fast Fourier Transforms,  Up: Top
3672
3673 16 Numerical Integration
3674 ************************
3675
3676 This chapter describes routines for performing numerical integration
3677 (quadrature) of a function in one dimension.  There are routines for
3678 adaptive and non-adaptive integration of general functions, with
3679 specialised routines for specific cases.  These include integration over
3680 infinite and semi-infinite ranges, singular integrals, including
3681 logarithmic singularities, computation of Cauchy principal values and
3682 oscillatory integrals.  The library reimplements the algorithms used in
3683 QUADPACK, a numerical integration package written by Piessens,
3684 Doncker-Kapenga, Uberhuber and Kahaner.  Fortran code for QUADPACK is
3685 available on Netlib.
3686
3687    The functions described in this chapter are declared in the header
3688 file `gsl_integration.h'.
3689
3690 * Menu:
3691
3692 * Numerical Integration Introduction::
3693 * QNG non-adaptive Gauss-Kronrod integration::
3694 * QAG adaptive integration::
3695 * QAGS adaptive integration with singularities::
3696 * QAGP adaptive integration with known singular points::
3697 * QAGI adaptive integration on infinite intervals::
3698 * QAWC adaptive integration for Cauchy principal values::
3699 * QAWS adaptive integration for singular functions::
3700 * QAWO adaptive integration for oscillatory functions::
3701 * QAWF adaptive integration for Fourier integrals::
3702 * Numerical integration error codes::
3703 * Numerical integration examples::
3704 * Numerical integration References and Further Reading::
3705
3706 \1f
3707 File: gsl-ref.info,  Node: Numerical Integration Introduction,  Next: QNG non-adaptive Gauss-Kronrod integration,  Up: Numerical Integration
3708
3709 16.1 Introduction
3710 =================
3711
3712 Each algorithm computes an approximation to a definite integral of the
3713 form,
3714
3715      I = \int_a^b f(x) w(x) dx
3716
3717 where w(x) is a weight function (for general integrands w(x)=1).  The
3718 user provides absolute and relative error bounds (epsabs, epsrel) which
3719 specify the following accuracy requirement,
3720
3721      |RESULT - I|  <= max(epsabs, epsrel |I|)
3722
3723 where RESULT is the numerical approximation obtained by the algorithm.
3724 The algorithms attempt to estimate the absolute error ABSERR = |RESULT
3725 - I| in such a way that the following inequality holds,
3726
3727      |RESULT - I| <= ABSERR <= max(epsabs, epsrel |I|)
3728
3729 In short, the routines return the first approximation which has an
3730 absolute error smaller than epsabs or a relative error smaller than
3731 epsrel.
3732
3733    Note that this is an either-or constraint, not simultaneous.  To
3734 compute to a specified absolute error, set epsrel to zero.  To compute
3735 to a specified relative error, set epsabs to zero.  The routines will
3736 fail to converge if the error bounds are too stringent, but always
3737 return the best approximation obtained up to that stage.
3738
3739    The algorithms in QUADPACK use a naming convention based on the
3740 following letters,
3741
3742      `Q' - quadrature routine
3743
3744      `N' - non-adaptive integrator
3745      `A' - adaptive integrator
3746
3747      `G' - general integrand (user-defined)
3748      `W' - weight function with integrand
3749
3750      `S' - singularities can be more readily integrated
3751      `P' - points of special difficulty can be supplied
3752      `I' - infinite range of integration
3753      `O' - oscillatory weight function, cos or sin
3754      `F' - Fourier integral
3755      `C' - Cauchy principal value
3756
3757 The algorithms are built on pairs of quadrature rules, a higher order
3758 rule and a lower order rule.  The higher order rule is used to compute
3759 the best approximation to an integral over a small range.  The
3760 difference between the results of the higher order rule and the lower
3761 order rule gives an estimate of the error in the approximation.
3762
3763 * Menu:
3764
3765 * Integrands without weight functions::
3766 * Integrands with weight functions::
3767 * Integrands with singular weight functions::
3768
3769 \1f
3770 File: gsl-ref.info,  Node: Integrands without weight functions,  Next: Integrands with weight functions,  Up: Numerical Integration Introduction
3771
3772 16.1.1 Integrands without weight functions
3773 ------------------------------------------
3774
3775 The algorithms for general functions (without a weight function) are
3776 based on Gauss-Kronrod rules.
3777
3778    A Gauss-Kronrod rule begins with a classical Gaussian quadrature
3779 rule of order m.  This is extended with additional points between each
3780 of the abscissae to give a higher order Kronrod rule of order 2m+1.
3781 The Kronrod rule is efficient because it reuses existing function
3782 evaluations from the Gaussian rule.
3783
3784    The higher order Kronrod rule is used as the best approximation to
3785 the integral, and the difference between the two rules is used as an
3786 estimate of the error in the approximation.
3787
3788 \1f
3789 File: gsl-ref.info,  Node: Integrands with weight functions,  Next: Integrands with singular weight functions,  Prev: Integrands without weight functions,  Up: Numerical Integration Introduction
3790
3791 16.1.2 Integrands with weight functions
3792 ---------------------------------------
3793
3794 For integrands with weight functions the algorithms use Clenshaw-Curtis
3795 quadrature rules.
3796
3797    A Clenshaw-Curtis rule begins with an n-th order Chebyshev
3798 polynomial approximation to the integrand.  This polynomial can be
3799 integrated exactly to give an approximation to the integral of the
3800 original function.  The Chebyshev expansion can be extended to higher
3801 orders to improve the approximation and provide an estimate of the
3802 error.
3803
3804 \1f
3805 File: gsl-ref.info,  Node: Integrands with singular weight functions,  Prev: Integrands with weight functions,  Up: Numerical Integration Introduction
3806
3807 16.1.3 Integrands with singular weight functions
3808 ------------------------------------------------
3809
3810 The presence of singularities (or other behavior) in the integrand can
3811 cause slow convergence in the Chebyshev approximation.  The modified
3812 Clenshaw-Curtis rules used in QUADPACK separate out several common
3813 weight functions which cause slow convergence.
3814
3815    These weight functions are integrated analytically against the
3816 Chebyshev polynomials to precompute "modified Chebyshev moments".
3817 Combining the moments with the Chebyshev approximation to the function
3818 gives the desired integral.  The use of analytic integration for the
3819 singular part of the function allows exact cancellations and
3820 substantially improves the overall convergence behavior of the
3821 integration.
3822
3823 \1f
3824 File: gsl-ref.info,  Node: QNG non-adaptive Gauss-Kronrod integration,  Next: QAG adaptive integration,  Prev: Numerical Integration Introduction,  Up: Numerical Integration
3825
3826 16.2 QNG non-adaptive Gauss-Kronrod integration
3827 ===============================================
3828
3829 The QNG algorithm is a non-adaptive procedure which uses fixed
3830 Gauss-Kronrod-Patterson abscissae to sample the integrand at a maximum
3831 of 87 points.  It is provided for fast integration of smooth functions.
3832
3833  -- Function: int gsl_integration_qng (const gsl_function * F, double
3834           A, double B, double EPSABS, double EPSREL, double * RESULT,
3835           double * ABSERR, size_t * NEVAL)
3836      This function applies the Gauss-Kronrod 10-point, 21-point,
3837      43-point and 87-point integration rules in succession until an
3838      estimate of the integral of f over (a,b) is achieved within the
3839      desired absolute and relative error limits, EPSABS and EPSREL.  The
3840      function returns the final approximation, RESULT, an estimate of
3841      the absolute error, ABSERR and the number of function evaluations
3842      used, NEVAL.  The Gauss-Kronrod rules are designed in such a way
3843      that each rule uses all the results of its predecessors, in order
3844      to minimize the total number of function evaluations.
3845
3846 \1f
3847 File: gsl-ref.info,  Node: QAG adaptive integration,  Next: QAGS adaptive integration with singularities,  Prev: QNG non-adaptive Gauss-Kronrod integration,  Up: Numerical Integration
3848
3849 16.3 QAG adaptive integration
3850 =============================
3851
3852 The QAG algorithm is a simple adaptive integration procedure.  The
3853 integration region is divided into subintervals, and on each iteration
3854 the subinterval with the largest estimated error is bisected.  This
3855 reduces the overall error rapidly, as the subintervals become
3856 concentrated around local difficulties in the integrand.  These
3857 subintervals are managed by a `gsl_integration_workspace' struct, which
3858 handles the memory for the subinterval ranges, results and error
3859 estimates.
3860
3861  -- Function: gsl_integration_workspace *
3862 gsl_integration_workspace_alloc (size_t N)
3863      This function allocates a workspace sufficient to hold N double
3864      precision intervals, their integration results and error estimates.
3865
3866  -- Function: void gsl_integration_workspace_free
3867           (gsl_integration_workspace * W)
3868      This function frees the memory associated with the workspace W.
3869
3870  -- Function: int gsl_integration_qag (const gsl_function * F, double
3871           A, double B, double EPSABS, double EPSREL, size_t LIMIT, int
3872           KEY, gsl_integration_workspace * WORKSPACE, double * RESULT,
3873           double * ABSERR)
3874      This function applies an integration rule adaptively until an
3875      estimate of the integral of f over (a,b) is achieved within the
3876      desired absolute and relative error limits, EPSABS and EPSREL.
3877      The function returns the final approximation, RESULT, and an
3878      estimate of the absolute error, ABSERR.  The integration rule is
3879      determined by the value of KEY, which should be chosen from the
3880      following symbolic names,
3881
3882           GSL_INTEG_GAUSS15  (key = 1)
3883           GSL_INTEG_GAUSS21  (key = 2)
3884           GSL_INTEG_GAUSS31  (key = 3)
3885           GSL_INTEG_GAUSS41  (key = 4)
3886           GSL_INTEG_GAUSS51  (key = 5)
3887           GSL_INTEG_GAUSS61  (key = 6)
3888
3889      corresponding to the 15, 21, 31, 41, 51 and 61 point Gauss-Kronrod
3890      rules.  The higher-order rules give better accuracy for smooth
3891      functions, while lower-order rules save time when the function
3892      contains local difficulties, such as discontinuities.
3893
3894      On each iteration the adaptive integration strategy bisects the
3895      interval with the largest error estimate.  The subintervals and
3896      their results are stored in the memory provided by WORKSPACE.  The
3897      maximum number of subintervals is given by LIMIT, which may not
3898      exceed the allocated size of the workspace.
3899
3900 \1f
3901 File: gsl-ref.info,  Node: QAGS adaptive integration with singularities,  Next: QAGP adaptive integration with known singular points,  Prev: QAG adaptive integration,  Up: Numerical Integration
3902
3903 16.4 QAGS adaptive integration with singularities
3904 =================================================
3905
3906 The presence of an integrable singularity in the integration region
3907 causes an adaptive routine to concentrate new subintervals around the
3908 singularity.  As the subintervals decrease in size the successive
3909 approximations to the integral converge in a limiting fashion.  This
3910 approach to the limit can be accelerated using an extrapolation
3911 procedure.  The QAGS algorithm combines adaptive bisection with the Wynn
3912 epsilon-algorithm to speed up the integration of many types of
3913 integrable singularities.
3914
3915  -- Function: int gsl_integration_qags (const gsl_function * F, double
3916           A, double B, double EPSABS, double EPSREL, size_t LIMIT,
3917           gsl_integration_workspace * WORKSPACE, double * RESULT,
3918           double * ABSERR)
3919      This function applies the Gauss-Kronrod 21-point integration rule
3920      adaptively until an estimate of the integral of f over (a,b) is
3921      achieved within the desired absolute and relative error limits,
3922      EPSABS and EPSREL.  The results are extrapolated using the
3923      epsilon-algorithm, which accelerates the convergence of the
3924      integral in the presence of discontinuities and integrable
3925      singularities.  The function returns the final approximation from
3926      the extrapolation, RESULT, and an estimate of the absolute error,
3927      ABSERR.  The subintervals and their results are stored in the
3928      memory provided by WORKSPACE.  The maximum number of subintervals
3929      is given by LIMIT, which may not exceed the allocated size of the
3930      workspace.
3931
3932
3933 \1f
3934 File: gsl-ref.info,  Node: QAGP adaptive integration with known singular points,  Next: QAGI adaptive integration on infinite intervals,  Prev: QAGS adaptive integration with singularities,  Up: Numerical Integration
3935
3936 16.5 QAGP adaptive integration with known singular points
3937 =========================================================
3938
3939  -- Function: int gsl_integration_qagp (const gsl_function * F, double
3940           * PTS, size_t NPTS, double EPSABS, double EPSREL, size_t
3941           LIMIT, gsl_integration_workspace * WORKSPACE, double *
3942           RESULT, double * ABSERR)
3943      This function applies the adaptive integration algorithm QAGS
3944      taking account of the user-supplied locations of singular points.
3945      The array PTS of length NPTS should contain the endpoints of the
3946      integration ranges defined by the integration region and locations
3947      of the singularities.  For example, to integrate over the region
3948      (a,b) with break-points at x_1, x_2, x_3 (where a < x_1 < x_2 <
3949      x_3 < b) the following PTS array should be used
3950
3951           pts[0] = a
3952           pts[1] = x_1
3953           pts[2] = x_2
3954           pts[3] = x_3
3955           pts[4] = b
3956
3957      with NPTS = 5.
3958
3959      If you know the locations of the singular points in the integration
3960      region then this routine will be faster than `QAGS'.
3961
3962
3963 \1f
3964 File: gsl-ref.info,  Node: QAGI adaptive integration on infinite intervals,  Next: QAWC adaptive integration for Cauchy principal values,  Prev: QAGP adaptive integration with known singular points,  Up: Numerical Integration
3965
3966 16.6 QAGI adaptive integration on infinite intervals
3967 ====================================================
3968
3969  -- Function: int gsl_integration_qagi (gsl_function * F, double
3970           EPSABS, double EPSREL, size_t LIMIT,
3971           gsl_integration_workspace * WORKSPACE, double * RESULT,
3972           double * ABSERR)
3973      This function computes the integral of the function F over the
3974      infinite interval (-\infty,+\infty).  The integral is mapped onto
3975      the semi-open interval (0,1] using the transformation x = (1-t)/t,
3976
3977           \int_{-\infty}^{+\infty} dx f(x) =
3978                \int_0^1 dt (f((1-t)/t) + f((-1+t)/t))/t^2.
3979
3980      It is then integrated using the QAGS algorithm.  The normal
3981      21-point Gauss-Kronrod rule of QAGS is replaced by a 15-point
3982      rule, because the transformation can generate an integrable
3983      singularity at the origin.  In this case a lower-order rule is
3984      more efficient.
3985
3986  -- Function: int gsl_integration_qagiu (gsl_function * F, double A,
3987           double EPSABS, double EPSREL, size_t LIMIT,
3988           gsl_integration_workspace * WORKSPACE, double * RESULT,
3989           double * ABSERR)
3990      This function computes the integral of the function F over the
3991      semi-infinite interval (a,+\infty).  The integral is mapped onto
3992      the semi-open interval (0,1] using the transformation x = a +
3993      (1-t)/t,
3994
3995           \int_{a}^{+\infty} dx f(x) =
3996                \int_0^1 dt f(a + (1-t)/t)/t^2
3997
3998      and then integrated using the QAGS algorithm.
3999
4000  -- Function: int gsl_integration_qagil (gsl_function * F, double B,
4001           double EPSABS, double EPSREL, size_t LIMIT,
4002           gsl_integration_workspace * WORKSPACE, double * RESULT,
4003           double * ABSERR)
4004      This function computes the integral of the function F over the
4005      semi-infinite interval (-\infty,b).  The integral is mapped onto
4006      the semi-open interval (0,1] using the transformation x = b -
4007      (1-t)/t,
4008
4009           \int_{-\infty}^{b} dx f(x) =
4010                \int_0^1 dt f(b - (1-t)/t)/t^2
4011
4012      and then integrated using the QAGS algorithm.
4013
4014 \1f
4015 File: gsl-ref.info,  Node: QAWC adaptive integration for Cauchy principal values,  Next: QAWS adaptive integration for singular functions,  Prev: QAGI adaptive integration on infinite intervals,  Up: Numerical Integration
4016
4017 16.7 QAWC adaptive integration for Cauchy principal values
4018 ==========================================================
4019
4020  -- Function: int gsl_integration_qawc (gsl_function * F, double A,
4021           double B, double C, double EPSABS, double EPSREL, size_t
4022           LIMIT, gsl_integration_workspace * WORKSPACE, double *
4023           RESULT, double * ABSERR)
4024      This function computes the Cauchy principal value of the integral
4025      of f over (a,b), with a singularity at C,
4026
4027           I = \int_a^b dx f(x) / (x - c)
4028
4029      The adaptive bisection algorithm of QAG is used, with
4030      modifications to ensure that subdivisions do not occur at the
4031      singular point x = c.  When a subinterval contains the point x = c
4032      or is close to it then a special 25-point modified Clenshaw-Curtis
4033      rule is used to control the singularity.  Further away from the
4034      singularity the algorithm uses an ordinary 15-point Gauss-Kronrod
4035      integration rule.
4036
4037
4038 \1f
4039 File: gsl-ref.info,  Node: QAWS adaptive integration for singular functions,  Next: QAWO adaptive integration for oscillatory functions,  Prev: QAWC adaptive integration for Cauchy principal values,  Up: Numerical Integration
4040
4041 16.8 QAWS adaptive integration for singular functions
4042 =====================================================
4043
4044 The QAWS algorithm is designed for integrands with algebraic-logarithmic
4045 singularities at the end-points of an integration region.  In order to
4046 work efficiently the algorithm requires a precomputed table of
4047 Chebyshev moments.
4048
4049  -- Function: gsl_integration_qaws_table *
4050 gsl_integration_qaws_table_alloc (double ALPHA, double BETA, int MU,
4051           int NU)
4052      This function allocates space for a `gsl_integration_qaws_table'
4053      struct describing a singular weight function W(x) with the
4054      parameters (\alpha, \beta, \mu, \nu),
4055
4056           W(x) = (x-a)^alpha (b-x)^beta log^mu (x-a) log^nu (b-x)
4057
4058      where \alpha > -1, \beta > -1, and \mu = 0, 1, \nu = 0, 1.  The
4059      weight function can take four different forms depending on the
4060      values of \mu and \nu,
4061
4062           W(x) = (x-a)^alpha (b-x)^beta                   (mu = 0, nu = 0)
4063           W(x) = (x-a)^alpha (b-x)^beta log(x-a)          (mu = 1, nu = 0)
4064           W(x) = (x-a)^alpha (b-x)^beta log(b-x)          (mu = 0, nu = 1)
4065           W(x) = (x-a)^alpha (b-x)^beta log(x-a) log(b-x) (mu = 1, nu = 1)
4066
4067      The singular points (a,b) do not have to be specified until the
4068      integral is computed, where they are the endpoints of the
4069      integration range.
4070
4071      The function returns a pointer to the newly allocated table
4072      `gsl_integration_qaws_table' if no errors were detected, and 0 in
4073      the case of error.
4074
4075  -- Function: int gsl_integration_qaws_table_set
4076           (gsl_integration_qaws_table * T, double ALPHA, double BETA,
4077           int MU, int NU)
4078      This function modifies the parameters (\alpha, \beta, \mu, \nu) of
4079      an existing `gsl_integration_qaws_table' struct T.
4080
4081  -- Function: void gsl_integration_qaws_table_free
4082           (gsl_integration_qaws_table * T)
4083      This function frees all the memory associated with the
4084      `gsl_integration_qaws_table' struct T.
4085
4086  -- Function: int gsl_integration_qaws (gsl_function * F, const double
4087           A, const double B, gsl_integration_qaws_table * T, const
4088           double EPSABS, const double EPSREL, const size_t LIMIT,
4089           gsl_integration_workspace * WORKSPACE, double * RESULT,
4090           double * ABSERR)
4091      This function computes the integral of the function f(x) over the
4092      interval (a,b) with the singular weight function (x-a)^\alpha
4093      (b-x)^\beta \log^\mu (x-a) \log^\nu (b-x).  The parameters of the
4094      weight function (\alpha, \beta, \mu, \nu) are taken from the table
4095      T.  The integral is,
4096
4097           I = \int_a^b dx f(x) (x-a)^alpha (b-x)^beta log^mu (x-a) log^nu (b-x).
4098
4099      The adaptive bisection algorithm of QAG is used.  When a
4100      subinterval contains one of the endpoints then a special 25-point
4101      modified Clenshaw-Curtis rule is used to control the
4102      singularities.  For subintervals which do not include the
4103      endpoints an ordinary 15-point Gauss-Kronrod integration rule is
4104      used.
4105
4106
4107 \1f
4108 File: gsl-ref.info,  Node: QAWO adaptive integration for oscillatory functions,  Next: QAWF adaptive integration for Fourier integrals,  Prev: QAWS adaptive integration for singular functions,  Up: Numerical Integration
4109
4110 16.9 QAWO adaptive integration for oscillatory functions
4111 ========================================================
4112
4113 The QAWO algorithm is designed for integrands with an oscillatory
4114 factor, \sin(\omega x) or \cos(\omega x).  In order to work efficiently
4115 the algorithm requires a table of Chebyshev moments which must be
4116 pre-computed with calls to the functions below.
4117
4118  -- Function: gsl_integration_qawo_table *
4119 gsl_integration_qawo_table_alloc (double OMEGA, double L, enum
4120           gsl_integration_qawo_enum SINE, size_t N)
4121      This function allocates space for a `gsl_integration_qawo_table'
4122      struct and its associated workspace describing a sine or cosine
4123      weight function W(x) with the parameters (\omega, L),
4124
4125           W(x) = sin(omega x)
4126           W(x) = cos(omega x)
4127
4128      The parameter L must be the length of the interval over which the
4129      function will be integrated L = b - a.  The choice of sine or
4130      cosine is made with the parameter SINE which should be chosen from
4131      one of the two following symbolic values:
4132
4133           GSL_INTEG_COSINE
4134           GSL_INTEG_SINE
4135
4136      The `gsl_integration_qawo_table' is a table of the trigonometric
4137      coefficients required in the integration process.  The parameter N
4138      determines the number of levels of coefficients that are computed.
4139      Each level corresponds to one bisection of the interval L, so that
4140      N levels are sufficient for subintervals down to the length L/2^n.
4141      The integration routine `gsl_integration_qawo' returns the error
4142      `GSL_ETABLE' if the number of levels is insufficient for the
4143      requested accuracy.
4144
4145
4146  -- Function: int gsl_integration_qawo_table_set
4147           (gsl_integration_qawo_table * T, double OMEGA, double L, enum
4148           gsl_integration_qawo_enum SINE)
4149      This function changes the parameters OMEGA, L and SINE of the
4150      existing workspace T.
4151
4152  -- Function: int gsl_integration_qawo_table_set_length
4153           (gsl_integration_qawo_table * T, double L)
4154      This function allows the length parameter L of the workspace T to
4155      be changed.
4156
4157  -- Function: void gsl_integration_qawo_table_free
4158           (gsl_integration_qawo_table * T)
4159      This function frees all the memory associated with the workspace T.
4160
4161  -- Function: int gsl_integration_qawo (gsl_function * F, const double
4162           A, const double EPSABS, const double EPSREL, const size_t
4163           LIMIT, gsl_integration_workspace * WORKSPACE,
4164           gsl_integration_qawo_table * WF, double * RESULT, double *
4165           ABSERR)
4166      This function uses an adaptive algorithm to compute the integral of
4167      f over (a,b) with the weight function \sin(\omega x) or
4168      \cos(\omega x) defined by the table WF,
4169
4170           I = \int_a^b dx f(x) sin(omega x)
4171           I = \int_a^b dx f(x) cos(omega x)
4172
4173      The results are extrapolated using the epsilon-algorithm to
4174      accelerate the convergence of the integral.  The function returns
4175      the final approximation from the extrapolation, RESULT, and an
4176      estimate of the absolute error, ABSERR.  The subintervals and
4177      their results are stored in the memory provided by WORKSPACE.  The
4178      maximum number of subintervals is given by LIMIT, which may not
4179      exceed the allocated size of the workspace.
4180
4181      Those subintervals with "large" widths d where d\omega > 4 are
4182      computed using a 25-point Clenshaw-Curtis integration rule, which
4183      handles the oscillatory behavior.  Subintervals with a "small"
4184      widths where d\omega < 4 are computed using a 15-point
4185      Gauss-Kronrod integration.
4186
4187
4188 \1f
4189 File: gsl-ref.info,  Node: QAWF adaptive integration for Fourier integrals,  Next: Numerical integration error codes,  Prev: QAWO adaptive integration for oscillatory functions,  Up: Numerical Integration
4190
4191 16.10 QAWF adaptive integration for Fourier integrals
4192 =====================================================
4193
4194  -- Function: int gsl_integration_qawf (gsl_function * F, const double
4195           A, const double EPSABS, const size_t LIMIT,
4196           gsl_integration_workspace * WORKSPACE,
4197           gsl_integration_workspace * CYCLE_WORKSPACE,
4198           gsl_integration_qawo_table * WF, double * RESULT, double *
4199           ABSERR)
4200      This function attempts to compute a Fourier integral of the
4201      function F over the semi-infinite interval [a,+\infty).
4202
4203           I = \int_a^{+\infty} dx f(x) sin(omega x)
4204           I = \int_a^{+\infty} dx f(x) cos(omega x)
4205
4206      The parameter \omega and choice of \sin or \cos is taken from the
4207      table WF (the length L can take any value, since it is overridden
4208      by this function to a value appropriate for the fourier
4209      integration).  The integral is computed using the QAWO algorithm
4210      over each of the subintervals,
4211
4212           C_1 = [a, a + c]
4213           C_2 = [a + c, a + 2 c]
4214           ... = ...
4215           C_k = [a + (k-1) c, a + k c]
4216
4217      where c = (2 floor(|\omega|) + 1) \pi/|\omega|.  The width c is
4218      chosen to cover an odd number of periods so that the contributions
4219      from the intervals alternate in sign and are monotonically
4220      decreasing when F is positive and monotonically decreasing.  The
4221      sum of this sequence of contributions is accelerated using the
4222      epsilon-algorithm.
4223
4224      This function works to an overall absolute tolerance of ABSERR.
4225      The following strategy is used: on each interval C_k the algorithm
4226      tries to achieve the tolerance
4227
4228           TOL_k = u_k abserr
4229
4230      where u_k = (1 - p)p^{k-1} and p = 9/10.  The sum of the geometric
4231      series of contributions from each interval gives an overall
4232      tolerance of ABSERR.
4233
4234      If the integration of a subinterval leads to difficulties then the
4235      accuracy requirement for subsequent intervals is relaxed,
4236
4237           TOL_k = u_k max(abserr, max_{i<k}{E_i})
4238
4239      where E_k is the estimated error on the interval C_k.
4240
4241      The subintervals and their results are stored in the memory
4242      provided by WORKSPACE.  The maximum number of subintervals is
4243      given by LIMIT, which may not exceed the allocated size of the
4244      workspace.  The integration over each subinterval uses the memory
4245      provided by CYCLE_WORKSPACE as workspace for the QAWO algorithm.
4246
4247
4248 \1f
4249 File: gsl-ref.info,  Node: Numerical integration error codes,  Next: Numerical integration examples,  Prev: QAWF adaptive integration for Fourier integrals,  Up: Numerical Integration
4250
4251 16.11 Error codes
4252 =================
4253
4254 In addition to the standard error codes for invalid arguments the
4255 functions can return the following values,
4256
4257 `GSL_EMAXITER'
4258      the maximum number of subdivisions was exceeded.
4259
4260 `GSL_EROUND'
4261      cannot reach tolerance because of roundoff error, or roundoff
4262      error was detected in the extrapolation table.
4263
4264 `GSL_ESING'
4265      a non-integrable singularity or other bad integrand behavior was
4266      found in the integration interval.
4267
4268 `GSL_EDIVERGE'
4269      the integral is divergent, or too slowly convergent to be
4270      integrated numerically.
4271
4272 \1f
4273 File: gsl-ref.info,  Node: Numerical integration examples,  Next: Numerical integration References and Further Reading,  Prev: Numerical integration error codes,  Up: Numerical Integration
4274
4275 16.12 Examples
4276 ==============
4277
4278 The integrator `QAGS' will handle a large class of definite integrals.
4279 For example, consider the following integral, which has a
4280 algebraic-logarithmic singularity at the origin,
4281
4282      \int_0^1 x^{-1/2} log(x) dx = -4
4283
4284 The program below computes this integral to a relative accuracy bound of
4285 `1e-7'.
4286
4287      #include <stdio.h>
4288      #include <math.h>
4289      #include <gsl/gsl_integration.h>
4290
4291      double f (double x, void * params) {
4292        double alpha = *(double *) params;
4293        double f = log(alpha*x) / sqrt(x);
4294        return f;
4295      }
4296
4297      int
4298      main (void)
4299      {
4300        gsl_integration_workspace * w
4301          = gsl_integration_workspace_alloc (1000);
4302
4303        double result, error;
4304        double expected = -4.0;
4305        double alpha = 1.0;
4306
4307        gsl_function F;
4308        F.function = &f;
4309        F.params = &alpha;
4310
4311        gsl_integration_qags (&F, 0, 1, 0, 1e-7, 1000,
4312                              w, &result, &error);
4313
4314        printf ("result          = % .18f\n", result);
4315        printf ("exact result    = % .18f\n", expected);
4316        printf ("estimated error = % .18f\n", error);
4317        printf ("actual error    = % .18f\n", result - expected);
4318        printf ("intervals =  %d\n", w->size);
4319
4320        gsl_integration_workspace_free (w);
4321
4322        return 0;
4323      }
4324
4325 The results below show that the desired accuracy is achieved after 8
4326 subdivisions.
4327
4328      $ ./a.out
4329      result          = -3.999999999999973799
4330      exact result    = -4.000000000000000000
4331      estimated error =  0.000000000000246025
4332      actual error    =  0.000000000000026201
4333      intervals =  8
4334
4335 In fact, the extrapolation procedure used by `QAGS' produces an
4336 accuracy of almost twice as many digits.  The error estimate returned by
4337 the extrapolation procedure is larger than the actual error, giving a
4338 margin of safety of one order of magnitude.
4339
4340 \1f
4341 File: gsl-ref.info,  Node: Numerical integration References and Further Reading,  Prev: Numerical integration examples,  Up: Numerical Integration
4342
4343 16.13 References and Further Reading
4344 ====================================
4345
4346 The following book is the definitive reference for QUADPACK, and was
4347 written by the original authors.  It provides descriptions of the
4348 algorithms, program listings, test programs and examples.  It also
4349 includes useful advice on numerical integration and many references to
4350 the numerical integration literature used in developing QUADPACK.
4351
4352      R. Piessens, E. de Doncker-Kapenga, C.W. Uberhuber, D.K. Kahaner.
4353      `QUADPACK A subroutine package for automatic integration' Springer
4354      Verlag, 1983.
4355
4356
4357 \1f
4358 File: gsl-ref.info,  Node: Random Number Generation,  Next: Quasi-Random Sequences,  Prev: Numerical Integration,  Up: Top
4359
4360 17 Random Number Generation
4361 ***************************
4362
4363 The library provides a large collection of random number generators
4364 which can be accessed through a uniform interface.  Environment
4365 variables allow you to select different generators and seeds at runtime,
4366 so that you can easily switch between generators without needing to
4367 recompile your program.  Each instance of a generator keeps track of its
4368 own state, allowing the generators to be used in multi-threaded
4369 programs.  Additional functions are available for transforming uniform
4370 random numbers into samples from continuous or discrete probability
4371 distributions such as the Gaussian, log-normal or Poisson distributions.
4372
4373    These functions are declared in the header file `gsl_rng.h'.
4374
4375 * Menu:
4376
4377 * General comments on random numbers::
4378 * The Random Number Generator Interface::
4379 * Random number generator initialization::
4380 * Sampling from a random number generator::
4381 * Auxiliary random number generator functions::
4382 * Random number environment variables::
4383 * Copying random number generator state::
4384 * Reading and writing random number generator state::
4385 * Random number generator algorithms::
4386 * Unix random number generators::
4387 * Other random number generators::
4388 * Random Number Generator Performance::
4389 * Random Number Generator Examples::
4390 * Random Number References and Further Reading::
4391 * Random Number Acknowledgements::
4392
4393 \1f
4394 File: gsl-ref.info,  Node: General comments on random numbers,  Next: The Random Number Generator Interface,  Up: Random Number Generation
4395
4396 17.1 General comments on random numbers
4397 =======================================
4398
4399 In 1988, Park and Miller wrote a paper entitled "Random number
4400 generators: good ones are hard to find." [Commun. ACM, 31, 1192-1201].
4401 Fortunately, some excellent random number generators are available,
4402 though poor ones are still in common use.  You may be happy with the
4403 system-supplied random number generator on your computer, but you should
4404 be aware that as computers get faster, requirements on random number
4405 generators increase.  Nowadays, a simulation that calls a random number
4406 generator millions of times can often finish before you can make it down
4407 the hall to the coffee machine and back.
4408
4409    A very nice review of random number generators was written by Pierre
4410 L'Ecuyer, as Chapter 4 of the book: Handbook on Simulation, Jerry Banks,
4411 ed. (Wiley, 1997).  The chapter is available in postscript from
4412 L'Ecuyer's ftp site (see references).  Knuth's volume on Seminumerical
4413 Algorithms (originally published in 1968) devotes 170 pages to random
4414 number generators, and has recently been updated in its 3rd edition
4415 (1997).  It is brilliant, a classic.  If you don't own it, you should
4416 stop reading right now, run to the nearest bookstore, and buy it.
4417
4418    A good random number generator will satisfy both theoretical and
4419 statistical properties.  Theoretical properties are often hard to obtain
4420 (they require real math!), but one prefers a random number generator
4421 with a long period, low serial correlation, and a tendency _not_ to
4422 "fall mainly on the planes."  Statistical tests are performed with
4423 numerical simulations.  Generally, a random number generator is used to
4424 estimate some quantity for which the theory of probability provides an
4425 exact answer.  Comparison to this exact answer provides a measure of
4426 "randomness".
4427
4428 \1f
4429 File: gsl-ref.info,  Node: The Random Number Generator Interface,  Next: Random number generator initialization,  Prev: General comments on random numbers,  Up: Random Number Generation
4430
4431 17.2 The Random Number Generator Interface
4432 ==========================================
4433
4434 It is important to remember that a random number generator is not a
4435 "real" function like sine or cosine.  Unlike real functions, successive
4436 calls to a random number generator yield different return values.  Of
4437 course that is just what you want for a random number generator, but to
4438 achieve this effect, the generator must keep track of some kind of
4439 "state" variable.  Sometimes this state is just an integer (sometimes
4440 just the value of the previously generated random number), but often it
4441 is more complicated than that and may involve a whole array of numbers,
4442 possibly with some indices thrown in.  To use the random number
4443 generators, you do not need to know the details of what comprises the
4444 state, and besides that varies from algorithm to algorithm.
4445
4446    The random number generator library uses two special structs,
4447 `gsl_rng_type' which holds static information about each type of
4448 generator and `gsl_rng' which describes an instance of a generator
4449 created from a given `gsl_rng_type'.
4450
4451    The functions described in this section are declared in the header
4452 file `gsl_rng.h'.
4453
4454 \1f
4455 File: gsl-ref.info,  Node: Random number generator initialization,  Next: Sampling from a random number generator,  Prev: The Random Number Generator Interface,  Up: Random Number Generation
4456
4457 17.3 Random number generator initialization
4458 ===========================================
4459
4460  -- Function: gsl_rng * gsl_rng_alloc (const gsl_rng_type * T)
4461      This function returns a pointer to a newly-created instance of a
4462      random number generator of type T.  For example, the following
4463      code creates an instance of the Tausworthe generator,
4464
4465           gsl_rng * r = gsl_rng_alloc (gsl_rng_taus);
4466
4467      If there is insufficient memory to create the generator then the
4468      function returns a null pointer and the error handler is invoked
4469      with an error code of `GSL_ENOMEM'.
4470
4471      The generator is automatically initialized with the default seed,
4472      `gsl_rng_default_seed'.  This is zero by default but can be changed
4473      either directly or by using the environment variable `GSL_RNG_SEED'
4474      (*note Random number environment variables::).
4475
4476      The details of the available generator types are described later
4477      in this chapter.
4478
4479  -- Function: void gsl_rng_set (const gsl_rng * R, unsigned long int S)
4480      This function initializes (or `seeds') the random number
4481      generator.  If the generator is seeded with the same value of S on
4482      two different runs, the same stream of random numbers will be
4483      generated by successive calls to the routines below.  If different
4484      values of S are supplied, then the generated streams of random
4485      numbers should be completely different.  If the seed S is zero
4486      then the standard seed from the original implementation is used
4487      instead.  For example, the original Fortran source code for the
4488      `ranlux' generator used a seed of 314159265, and so choosing S
4489      equal to zero reproduces this when using `gsl_rng_ranlux'.
4490
4491  -- Function: void gsl_rng_free (gsl_rng * R)
4492      This function frees all the memory associated with the generator R.
4493
4494 \1f
4495 File: gsl-ref.info,  Node: Sampling from a random number generator,  Next: Auxiliary random number generator functions,  Prev: Random number generator initialization,  Up: Random Number Generation
4496
4497 17.4 Sampling from a random number generator
4498 ============================================
4499
4500 The following functions return uniformly distributed random numbers,
4501 either as integers or double precision floating point numbers.  Inline
4502 versions of these functions are used when `HAVE_INLINE' is defined.  To
4503 obtain non-uniform distributions *note Random Number Distributions::.
4504
4505  -- Function: unsigned long int gsl_rng_get (const gsl_rng * R)
4506      This function returns a random integer from the generator R.  The
4507      minimum and maximum values depend on the algorithm used, but all
4508      integers in the range [MIN,MAX] are equally likely.  The values of
4509      MIN and MAX can determined using the auxiliary functions
4510      `gsl_rng_max (r)' and `gsl_rng_min (r)'.
4511
4512  -- Function: double gsl_rng_uniform (const gsl_rng * R)
4513      This function returns a double precision floating point number
4514      uniformly distributed in the range [0,1).  The range includes 0.0
4515      but excludes 1.0.  The value is typically obtained by dividing the
4516      result of `gsl_rng_get(r)' by `gsl_rng_max(r) + 1.0' in double
4517      precision.  Some generators compute this ratio internally so that
4518      they can provide floating point numbers with more than 32 bits of
4519      randomness (the maximum number of bits that can be portably
4520      represented in a single `unsigned long int').
4521
4522  -- Function: double gsl_rng_uniform_pos (const gsl_rng * R)
4523      This function returns a positive double precision floating point
4524      number uniformly distributed in the range (0,1), excluding both
4525      0.0 and 1.0.  The number is obtained by sampling the generator
4526      with the algorithm of `gsl_rng_uniform' until a non-zero value is
4527      obtained.  You can use this function if you need to avoid a
4528      singularity at 0.0.
4529
4530  -- Function: unsigned long int gsl_rng_uniform_int (const gsl_rng * R,
4531           unsigned long int N)
4532      This function returns a random integer from 0 to n-1 inclusive by
4533      scaling down and/or discarding samples from the generator R.  All
4534      integers in the range [0,n-1] are produced with equal probability.
4535      For generators with a non-zero minimum value an offset is applied
4536      so that zero is returned with the correct probability.
4537
4538      Note that this function is designed for sampling from ranges
4539      smaller than the range of the underlying generator.  The parameter
4540      N must be less than or equal to the range of the generator R.  If
4541      N is larger than the range of the generator then the function
4542      calls the error handler with an error code of `GSL_EINVAL' and
4543      returns zero.
4544
4545      In particular, this function is not intended for generating the
4546      full range of unsigned integer values [0,2^32-1]. Instead choose a
4547      generator with the maximal integer range and zero mimimum value,
4548      such as `gsl_rng_ranlxd1', `gsl_rng_mt19937' or `gsl_rng_taus',
4549      and sample it directly using `gsl_rng_get'.  The range of each
4550      generator can be found using the auxiliary functions described in
4551      the next section.
4552
4553 \1f
4554 File: gsl-ref.info,  Node: Auxiliary random number generator functions,  Next: Random number environment variables,  Prev: Sampling from a random number generator,  Up: Random Number Generation
4555
4556 17.5 Auxiliary random number generator functions
4557 ================================================
4558
4559 The following functions provide information about an existing
4560 generator.  You should use them in preference to hard-coding the
4561 generator parameters into your own code.
4562
4563  -- Function: const char * gsl_rng_name (const gsl_rng * R)
4564      This function returns a pointer to the name of the generator.  For
4565      example,
4566
4567           printf ("r is a '%s' generator\n",
4568                   gsl_rng_name (r));
4569
4570      would print something like `r is a 'taus' generator'.
4571
4572  -- Function: unsigned long int gsl_rng_max (const gsl_rng * R)
4573      `gsl_rng_max' returns the largest value that `gsl_rng_get' can
4574      return.
4575
4576  -- Function: unsigned long int gsl_rng_min (const gsl_rng * R)
4577      `gsl_rng_min' returns the smallest value that `gsl_rng_get' can
4578      return.  Usually this value is zero.  There are some generators
4579      with algorithms that cannot return zero, and for these generators
4580      the minimum value is 1.
4581
4582  -- Function: void * gsl_rng_state (const gsl_rng * R)
4583  -- Function: size_t gsl_rng_size (const gsl_rng * R)
4584      These functions return a pointer to the state of generator R and
4585      its size.  You can use this information to access the state
4586      directly.  For example, the following code will write the state of
4587      a generator to a stream,
4588
4589           void * state = gsl_rng_state (r);
4590           size_t n = gsl_rng_size (r);
4591           fwrite (state, n, 1, stream);
4592
4593  -- Function: const gsl_rng_type ** gsl_rng_types_setup (void)
4594      This function returns a pointer to an array of all the available
4595      generator types, terminated by a null pointer. The function should
4596      be called once at the start of the program, if needed.  The
4597      following code fragment shows how to iterate over the array of
4598      generator types to print the names of the available algorithms,
4599
4600           const gsl_rng_type **t, **t0;
4601
4602           t0 = gsl_rng_types_setup ();
4603
4604           printf ("Available generators:\n");
4605
4606           for (t = t0; *t != 0; t++)
4607             {
4608               printf ("%s\n", (*t)->name);
4609             }
4610
4611 \1f
4612 File: gsl-ref.info,  Node: Random number environment variables,  Next: Copying random number generator state,  Prev: Auxiliary random number generator functions,  Up: Random Number Generation
4613
4614 17.6 Random number environment variables
4615 ========================================
4616
4617 The library allows you to choose a default generator and seed from the
4618 environment variables `GSL_RNG_TYPE' and `GSL_RNG_SEED' and the
4619 function `gsl_rng_env_setup'.  This makes it easy try out different
4620 generators and seeds without having to recompile your program.
4621
4622  -- Function: const gsl_rng_type * gsl_rng_env_setup (void)
4623      This function reads the environment variables `GSL_RNG_TYPE' and
4624      `GSL_RNG_SEED' and uses their values to set the corresponding
4625      library variables `gsl_rng_default' and `gsl_rng_default_seed'.
4626      These global variables are defined as follows,
4627
4628           extern const gsl_rng_type *gsl_rng_default
4629           extern unsigned long int gsl_rng_default_seed
4630
4631      The environment variable `GSL_RNG_TYPE' should be the name of a
4632      generator, such as `taus' or `mt19937'.  The environment variable
4633      `GSL_RNG_SEED' should contain the desired seed value.  It is
4634      converted to an `unsigned long int' using the C library function
4635      `strtoul'.
4636
4637      If you don't specify a generator for `GSL_RNG_TYPE' then
4638      `gsl_rng_mt19937' is used as the default.  The initial value of
4639      `gsl_rng_default_seed' is zero.
4640
4641
4642 Here is a short program which shows how to create a global generator
4643 using the environment variables `GSL_RNG_TYPE' and `GSL_RNG_SEED',
4644
4645      #include <stdio.h>
4646      #include <gsl/gsl_rng.h>
4647
4648      gsl_rng * r;  /* global generator */
4649
4650      int
4651      main (void)
4652      {
4653        const gsl_rng_type * T;
4654
4655        gsl_rng_env_setup();
4656
4657        T = gsl_rng_default;
4658        r = gsl_rng_alloc (T);
4659
4660        printf ("generator type: %s\n", gsl_rng_name (r));
4661        printf ("seed = %lu\n", gsl_rng_default_seed);
4662        printf ("first value = %lu\n", gsl_rng_get (r));
4663
4664        gsl_rng_free (r);
4665        return 0;
4666      }
4667
4668 Running the program without any environment variables uses the initial
4669 defaults, an `mt19937' generator with a seed of 0,
4670
4671      $ ./a.out
4672      generator type: mt19937
4673      seed = 0
4674      first value = 4293858116
4675
4676 By setting the two variables on the command line we can change the
4677 default generator and the seed,
4678
4679      $ GSL_RNG_TYPE="taus" GSL_RNG_SEED=123 ./a.out
4680      GSL_RNG_TYPE=taus
4681      GSL_RNG_SEED=123
4682      generator type: taus
4683      seed = 123
4684      first value = 2720986350
4685
4686 \1f
4687 File: gsl-ref.info,  Node: Copying random number generator state,  Next: Reading and writing random number generator state,  Prev: Random number environment variables,  Up: Random Number Generation
4688
4689 17.7 Copying random number generator state
4690 ==========================================
4691
4692 The above methods do not expose the random number `state' which changes
4693 from call to call.  It is often useful to be able to save and restore
4694 the state.  To permit these practices, a few somewhat more advanced
4695 functions are supplied.  These include:
4696
4697  -- Function: int gsl_rng_memcpy (gsl_rng * DEST, const gsl_rng * SRC)
4698      This function copies the random number generator SRC into the
4699      pre-existing generator DEST, making DEST into an exact copy of
4700      SRC.  The two generators must be of the same type.
4701
4702  -- Function: gsl_rng * gsl_rng_clone (const gsl_rng * R)
4703      This function returns a pointer to a newly created generator which
4704      is an exact copy of the generator R.
4705
4706 \1f
4707 File: gsl-ref.info,  Node: Reading and writing random number generator state,  Next: Random number generator algorithms,  Prev: Copying random number generator state,  Up: Random Number Generation
4708
4709 17.8 Reading and writing random number generator state
4710 ======================================================
4711
4712 The library provides functions for reading and writing the random
4713 number state to a file as binary data or formatted text.
4714
4715  -- Function: int gsl_rng_fwrite (FILE * STREAM, const gsl_rng * R)
4716      This function writes the random number state of the random number
4717      generator R to the stream STREAM in binary format.  The return
4718      value is 0 for success and `GSL_EFAILED' if there was a problem
4719      writing to the file.  Since the data is written in the native
4720      binary format it may not be portable between different
4721      architectures.
4722
4723  -- Function: int gsl_rng_fread (FILE * STREAM, gsl_rng * R)
4724      This function reads the random number state into the random number
4725      generator R from the open stream STREAM in binary format.  The
4726      random number generator R must be preinitialized with the correct
4727      random number generator type since type information is not saved.
4728      The return value is 0 for success and `GSL_EFAILED' if there was a
4729      problem reading from the file.  The data is assumed to have been
4730      written in the native binary format on the same architecture.
4731
4732 \1f
4733 File: gsl-ref.info,  Node: Random number generator algorithms,  Next: Unix random number generators,  Prev: Reading and writing random number generator state,  Up: Random Number Generation
4734
4735 17.9 Random number generator algorithms
4736 =======================================
4737
4738 The functions described above make no reference to the actual algorithm
4739 used.  This is deliberate so that you can switch algorithms without
4740 having to change any of your application source code.  The library
4741 provides a large number of generators of different types, including
4742 simulation quality generators, generators provided for compatibility
4743 with other libraries and historical generators from the past.
4744
4745    The following generators are recommended for use in simulation.  They
4746 have extremely long periods, low correlation and pass most statistical
4747 tests.  For the most reliable source of uncorrelated numbers, the
4748 second-generation RANLUX generators have the strongest proof of
4749 randomness.
4750
4751  -- Generator: gsl_rng_mt19937
4752      The MT19937 generator of Makoto Matsumoto and Takuji Nishimura is a
4753      variant of the twisted generalized feedback shift-register
4754      algorithm, and is known as the "Mersenne Twister" generator.  It
4755      has a Mersenne prime period of 2^19937 - 1 (about 10^6000) and is
4756      equi-distributed in 623 dimensions.  It has passed the DIEHARD
4757      statistical tests.  It uses 624 words of state per generator and is
4758      comparable in speed to the other generators.  The original
4759      generator used a default seed of 4357 and choosing S equal to zero
4760      in `gsl_rng_set' reproduces this.  Later versions switched to 5489
4761      as the default seed, you can choose this explicitly via
4762      `gsl_rng_set' instead if you require it.
4763
4764      For more information see,
4765           Makoto Matsumoto and Takuji Nishimura, "Mersenne Twister: A
4766           623-dimensionally equidistributed uniform pseudorandom number
4767           generator". `ACM Transactions on Modeling and Computer
4768           Simulation', Vol. 8, No. 1 (Jan. 1998), Pages 3-30
4769
4770      The generator `gsl_rng_mt19937' uses the second revision of the
4771      seeding procedure published by the two authors above in 2002.  The
4772      original seeding procedures could cause spurious artifacts for
4773      some seed values. They are still available through the alternative
4774      generators `gsl_rng_mt19937_1999' and `gsl_rng_mt19937_1998'.
4775
4776  -- Generator: gsl_rng_ranlxs0
4777  -- Generator: gsl_rng_ranlxs1
4778  -- Generator: gsl_rng_ranlxs2
4779      The generator `ranlxs0' is a second-generation version of the
4780      RANLUX algorithm of Lu"scher, which produces "luxury random
4781      numbers".  This generator provides single precision output (24
4782      bits) at three luxury levels `ranlxs0', `ranlxs1' and `ranlxs2',
4783      in increasing order of strength.  It uses double-precision
4784      floating point arithmetic internally and can be significantly
4785      faster than the integer version of `ranlux', particularly on
4786      64-bit architectures.  The period of the generator is about
4787      10^171.  The algorithm has mathematically proven properties and
4788      can provide truly decorrelated numbers at a known level of
4789      randomness.  The higher luxury levels provide increased
4790      decorrelation between samples as an additional safety margin.
4791
4792  -- Generator: gsl_rng_ranlxd1
4793  -- Generator: gsl_rng_ranlxd2
4794      These generators produce double precision output (48 bits) from the
4795      RANLXS generator.  The library provides two luxury levels
4796      `ranlxd1' and `ranlxd2', in increasing order of strength.
4797
4798  -- Generator: gsl_rng_ranlux
4799  -- Generator: gsl_rng_ranlux389
4800      The `ranlux' generator is an implementation of the original
4801      algorithm developed by Lu"scher.  It uses a
4802      lagged-fibonacci-with-skipping algorithm to produce "luxury random
4803      numbers".  It is a 24-bit generator, originally designed for
4804      single-precision IEEE floating point numbers.  This implementation
4805      is based on integer arithmetic, while the second-generation
4806      versions RANLXS and RANLXD described above provide floating-point
4807      implementations which will be faster on many platforms.  The
4808      period of the generator is about 10^171.  The algorithm has
4809      mathematically proven properties and it can provide truly
4810      decorrelated numbers at a known level of randomness.  The default
4811      level of decorrelation recommended by Lu"scher is provided by
4812      `gsl_rng_ranlux', while `gsl_rng_ranlux389' gives the highest
4813      level of randomness, with all 24 bits decorrelated.  Both types of
4814      generator use 24 words of state per generator.
4815
4816      For more information see,
4817           M. Lu"scher, "A portable high-quality random number generator
4818           for lattice field theory calculations", `Computer Physics
4819           Communications', 79 (1994) 100-110.
4820
4821           F. James, "RANLUX: A Fortran implementation of the
4822           high-quality pseudo-random number generator of Lu"scher",
4823           `Computer Physics Communications', 79 (1994) 111-114
4824
4825  -- Generator: gsl_rng_cmrg
4826      This is a combined multiple recursive generator by L'Ecuyer.  Its
4827      sequence is,
4828
4829           z_n = (x_n - y_n) mod m_1
4830
4831      where the two underlying generators x_n and y_n are,
4832
4833           x_n = (a_1 x_{n-1} + a_2 x_{n-2} + a_3 x_{n-3}) mod m_1
4834           y_n = (b_1 y_{n-1} + b_2 y_{n-2} + b_3 y_{n-3}) mod m_2
4835
4836      with coefficients a_1 = 0, a_2 = 63308, a_3 = -183326, b_1 = 86098,
4837      b_2 = 0, b_3 = -539608, and moduli m_1 = 2^31 - 1 = 2147483647 and
4838      m_2 = 2145483479.
4839
4840      The period of this generator is lcm(m_1^3-1, m_2^3-1), which is
4841      approximately 2^185 (about 10^56).  It uses 6 words of state per
4842      generator.  For more information see,
4843
4844           P. L'Ecuyer, "Combined Multiple Recursive Random Number
4845           Generators", `Operations Research', 44, 5 (1996), 816-822.
4846
4847  -- Generator: gsl_rng_mrg
4848      This is a fifth-order multiple recursive generator by L'Ecuyer,
4849      Blouin and Coutre.  Its sequence is,
4850
4851           x_n = (a_1 x_{n-1} + a_5 x_{n-5}) mod m
4852
4853      with a_1 = 107374182, a_2 = a_3 = a_4 = 0, a_5 = 104480 and m =
4854      2^31 - 1.
4855
4856      The period of this generator is about 10^46.  It uses 5 words of
4857      state per generator.  More information can be found in the
4858      following paper,
4859           P. L'Ecuyer, F. Blouin, and R. Coutre, "A search for good
4860           multiple recursive random number generators", `ACM
4861           Transactions on Modeling and Computer Simulation' 3, 87-98
4862           (1993).
4863
4864  -- Generator: gsl_rng_taus
4865  -- Generator: gsl_rng_taus2
4866      This is a maximally equidistributed combined Tausworthe generator
4867      by L'Ecuyer.  The sequence is,
4868
4869           x_n = (s1_n ^^ s2_n ^^ s3_n)
4870
4871      where,
4872
4873           s1_{n+1} = (((s1_n&4294967294)<<12)^^(((s1_n<<13)^^s1_n)>>19))
4874           s2_{n+1} = (((s2_n&4294967288)<< 4)^^(((s2_n<< 2)^^s2_n)>>25))
4875           s3_{n+1} = (((s3_n&4294967280)<<17)^^(((s3_n<< 3)^^s3_n)>>11))
4876
4877      computed modulo 2^32.  In the formulas above ^^ denotes
4878      "exclusive-or".  Note that the algorithm relies on the properties
4879      of 32-bit unsigned integers and has been implemented using a
4880      bitmask of `0xFFFFFFFF' to make it work on 64 bit machines.
4881
4882      The period of this generator is 2^88 (about 10^26).  It uses 3
4883      words of state per generator.  For more information see,
4884
4885           P. L'Ecuyer, "Maximally Equidistributed Combined Tausworthe
4886           Generators", `Mathematics of Computation', 65, 213 (1996),
4887           203-213.
4888
4889      The generator `gsl_rng_taus2' uses the same algorithm as
4890      `gsl_rng_taus' but with an improved seeding procedure described in
4891      the paper,
4892
4893           P. L'Ecuyer, "Tables of Maximally Equidistributed Combined
4894           LFSR Generators", `Mathematics of Computation', 68, 225
4895           (1999), 261-269
4896
4897      The generator `gsl_rng_taus2' should now be used in preference to
4898      `gsl_rng_taus'.
4899
4900  -- Generator: gsl_rng_gfsr4
4901      The `gfsr4' generator is like a lagged-fibonacci generator, and
4902      produces each number as an `xor''d sum of four previous values.
4903
4904           r_n = r_{n-A} ^^ r_{n-B} ^^ r_{n-C} ^^ r_{n-D}
4905
4906      Ziff (ref below) notes that "it is now widely known" that two-tap
4907      registers (such as R250, which is described below) have serious
4908      flaws, the most obvious one being the three-point correlation that
4909      comes from the definition of the generator.  Nice mathematical
4910      properties can be derived for GFSR's, and numerics bears out the
4911      claim that 4-tap GFSR's with appropriately chosen offsets are as
4912      random as can be measured, using the author's test.
4913
4914      This implementation uses the values suggested the example on p392
4915      of Ziff's article: A=471, B=1586, C=6988, D=9689.
4916
4917      If the offsets are appropriately chosen (such as the one ones in
4918      this implementation), then the sequence is said to be maximal;
4919      that means that the period is 2^D - 1, where D is the longest lag.
4920      (It is one less than 2^D because it is not permitted to have all
4921      zeros in the `ra[]' array.)  For this implementation with D=9689
4922      that works out to about 10^2917.
4923
4924      Note that the implementation of this generator using a 32-bit
4925      integer amounts to 32 parallel implementations of one-bit
4926      generators.  One consequence of this is that the period of this
4927      32-bit generator is the same as for the one-bit generator.
4928      Moreover, this independence means that all 32-bit patterns are
4929      equally likely, and in particular that 0 is an allowed random
4930      value.  (We are grateful to Heiko Bauke for clarifying for us these
4931      properties of GFSR random number generators.)
4932
4933      For more information see,
4934           Robert M. Ziff, "Four-tap shift-register-sequence
4935           random-number generators", `Computers in Physics', 12(4),
4936           Jul/Aug 1998, pp 385-392.
4937
4938 \1f
4939 File: gsl-ref.info,  Node: Unix random number generators,  Next: Other random number generators,  Prev: Random number generator algorithms,  Up: Random Number Generation
4940
4941 17.10 Unix random number generators
4942 ===================================
4943
4944 The standard Unix random number generators `rand', `random' and
4945 `rand48' are provided as part of GSL. Although these generators are
4946 widely available individually often they aren't all available on the
4947 same platform.  This makes it difficult to write portable code using
4948 them and so we have included the complete set of Unix generators in GSL
4949 for convenience.  Note that these generators don't produce high-quality
4950 randomness and aren't suitable for work requiring accurate statistics.
4951 However, if you won't be measuring statistical quantities and just want
4952 to introduce some variation into your program then these generators are
4953 quite acceptable.
4954
4955  -- Generator: gsl_rng_rand
4956      This is the BSD `rand' generator.  Its sequence is
4957
4958           x_{n+1} = (a x_n + c) mod m
4959
4960      with a = 1103515245, c = 12345 and m = 2^31.  The seed specifies
4961      the initial value, x_1.  The period of this generator is 2^31, and
4962      it uses 1 word of storage per generator.
4963
4964  -- Generator: gsl_rng_random_bsd
4965  -- Generator: gsl_rng_random_libc5
4966  -- Generator: gsl_rng_random_glibc2
4967      These generators implement the `random' family of functions, a set
4968      of linear feedback shift register generators originally used in BSD
4969      Unix.  There are several versions of `random' in use today: the
4970      original BSD version (e.g. on SunOS4), a libc5 version (found on
4971      older GNU/Linux systems) and a glibc2 version.  Each version uses a
4972      different seeding procedure, and thus produces different sequences.
4973
4974      The original BSD routines accepted a variable length buffer for the
4975      generator state, with longer buffers providing higher-quality
4976      randomness.  The `random' function implemented algorithms for
4977      buffer lengths of 8, 32, 64, 128 and 256 bytes, and the algorithm
4978      with the largest length that would fit into the user-supplied
4979      buffer was used.  To support these algorithms additional
4980      generators are available with the following names,
4981
4982           gsl_rng_random8_bsd
4983           gsl_rng_random32_bsd
4984           gsl_rng_random64_bsd
4985           gsl_rng_random128_bsd
4986           gsl_rng_random256_bsd
4987
4988      where the numeric suffix indicates the buffer length.  The
4989      original BSD `random' function used a 128-byte default buffer and
4990      so `gsl_rng_random_bsd' has been made equivalent to
4991      `gsl_rng_random128_bsd'.  Corresponding versions of the `libc5'
4992      and `glibc2' generators are also available, with the names
4993      `gsl_rng_random8_libc5', `gsl_rng_random8_glibc2', etc.
4994
4995  -- Generator: gsl_rng_rand48
4996      This is the Unix `rand48' generator.  Its sequence is
4997
4998           x_{n+1} = (a x_n + c) mod m
4999
5000      defined on 48-bit unsigned integers with a = 25214903917, c = 11
5001      and m = 2^48.  The seed specifies the upper 32 bits of the initial
5002      value, x_1, with the lower 16 bits set to `0x330E'.  The function
5003      `gsl_rng_get' returns the upper 32 bits from each term of the
5004      sequence.  This does not have a direct parallel in the original
5005      `rand48' functions, but forcing the result to type `long int'
5006      reproduces the output of `mrand48'.  The function
5007      `gsl_rng_uniform' uses the full 48 bits of internal state to return
5008      the double precision number x_n/m, which is equivalent to the
5009      function `drand48'.  Note that some versions of the GNU C Library
5010      contained a bug in `mrand48' function which caused it to produce
5011      different results (only the lower 16-bits of the return value were
5012      set).
5013
5014 \1f
5015 File: gsl-ref.info,  Node: Other random number generators,  Next: Random Number Generator Performance,  Prev: Unix random number generators,  Up: Random Number Generation
5016
5017 17.11 Other random number generators
5018 ====================================
5019
5020 The generators in this section are provided for compatibility with
5021 existing libraries.  If you are converting an existing program to use
5022 GSL then you can select these generators to check your new
5023 implementation against the original one, using the same random number
5024 generator.  After verifying that your new program reproduces the
5025 original results you can then switch to a higher-quality generator.
5026
5027    Note that most of the generators in this section are based on single
5028 linear congruence relations, which are the least sophisticated type of
5029 generator.  In particular, linear congruences have poor properties when
5030 used with a non-prime modulus, as several of these routines do (e.g.
5031 with a power of two modulus, 2^31 or 2^32).  This leads to periodicity
5032 in the least significant bits of each number, with only the higher bits
5033 having any randomness.  Thus if you want to produce a random bitstream
5034 it is best to avoid using the least significant bits.
5035
5036  -- Generator: gsl_rng_ranf
5037      This is the CRAY random number generator `RANF'.  Its sequence is
5038
5039           x_{n+1} = (a x_n) mod m
5040
5041      defined on 48-bit unsigned integers with a = 44485709377909 and m
5042      = 2^48.  The seed specifies the lower 32 bits of the initial value,
5043      x_1, with the lowest bit set to prevent the seed taking an even
5044      value.  The upper 16 bits of x_1 are set to 0. A consequence of
5045      this procedure is that the pairs of seeds 2 and 3, 4 and 5, etc
5046      produce the same sequences.
5047
5048      The generator compatible with the CRAY MATHLIB routine RANF. It
5049      produces double precision floating point numbers which should be
5050      identical to those from the original RANF.
5051
5052      There is a subtlety in the implementation of the seeding.  The
5053      initial state is reversed through one step, by multiplying by the
5054      modular inverse of a mod m.  This is done for compatibility with
5055      the original CRAY implementation.
5056
5057      Note that you can only seed the generator with integers up to
5058      2^32, while the original CRAY implementation uses non-portable
5059      wide integers which can cover all 2^48 states of the generator.
5060
5061      The function `gsl_rng_get' returns the upper 32 bits from each term
5062      of the sequence.  The function `gsl_rng_uniform' uses the full 48
5063      bits to return the double precision number x_n/m.
5064
5065      The period of this generator is 2^46.
5066
5067  -- Generator: gsl_rng_ranmar
5068      This is the RANMAR lagged-fibonacci generator of Marsaglia, Zaman
5069      and Tsang.  It is a 24-bit generator, originally designed for
5070      single-precision IEEE floating point numbers.  It was included in
5071      the CERNLIB high-energy physics library.
5072
5073  -- Generator: gsl_rng_r250
5074      This is the shift-register generator of Kirkpatrick and Stoll.  The
5075      sequence is based on the recurrence
5076
5077           x_n = x_{n-103} ^^ x_{n-250}
5078
5079      where ^^ denotes "exclusive-or", defined on 32-bit words.  The
5080      period of this generator is about 2^250 and it uses 250 words of
5081      state per generator.
5082
5083      For more information see,
5084           S. Kirkpatrick and E. Stoll, "A very fast shift-register
5085           sequence random number generator", `Journal of Computational
5086           Physics', 40, 517-526 (1981)
5087
5088  -- Generator: gsl_rng_tt800
5089      This is an earlier version of the twisted generalized feedback
5090      shift-register generator, and has been superseded by the
5091      development of MT19937.  However, it is still an acceptable
5092      generator in its own right.  It has a period of 2^800 and uses 33
5093      words of storage per generator.
5094
5095      For more information see,
5096           Makoto Matsumoto and Yoshiharu Kurita, "Twisted GFSR
5097           Generators II", `ACM Transactions on Modelling and Computer
5098           Simulation', Vol. 4, No. 3, 1994, pages 254-266.
5099
5100  -- Generator: gsl_rng_vax
5101      This is the VAX generator `MTH$RANDOM'.  Its sequence is,
5102
5103           x_{n+1} = (a x_n + c) mod m
5104
5105      with a = 69069, c = 1 and m = 2^32.  The seed specifies the
5106      initial value, x_1.  The period of this generator is 2^32 and it
5107      uses 1 word of storage per generator.
5108
5109  -- Generator: gsl_rng_transputer
5110      This is the random number generator from the INMOS Transputer
5111      Development system.  Its sequence is,
5112
5113           x_{n+1} = (a x_n) mod m
5114
5115      with a = 1664525 and m = 2^32.  The seed specifies the initial
5116      value, x_1.
5117
5118  -- Generator: gsl_rng_randu
5119      This is the IBM `RANDU' generator.  Its sequence is
5120
5121           x_{n+1} = (a x_n) mod m
5122
5123      with a = 65539 and m = 2^31.  The seed specifies the initial value,
5124      x_1.  The period of this generator was only 2^29.  It has become a
5125      textbook example of a poor generator.
5126
5127  -- Generator: gsl_rng_minstd
5128      This is Park and Miller's "minimal standard" MINSTD generator, a
5129      simple linear congruence which takes care to avoid the major
5130      pitfalls of such algorithms.  Its sequence is,
5131
5132           x_{n+1} = (a x_n) mod m
5133
5134      with a = 16807 and m = 2^31 - 1 = 2147483647.  The seed specifies
5135      the initial value, x_1.  The period of this generator is about
5136      2^31.
5137
5138      This generator is used in the IMSL Library (subroutine RNUN) and in
5139      MATLAB (the RAND function).  It is also sometimes known by the
5140      acronym "GGL" (I'm not sure what that stands for).
5141
5142      For more information see,
5143           Park and Miller, "Random Number Generators: Good ones are
5144           hard to find", `Communications of the ACM', October 1988,
5145           Volume 31, No 10, pages 1192-1201.
5146
5147  -- Generator: gsl_rng_uni
5148  -- Generator: gsl_rng_uni32
5149      This is a reimplementation of the 16-bit SLATEC random number
5150      generator RUNIF. A generalization of the generator to 32 bits is
5151      provided by `gsl_rng_uni32'.  The original source code is
5152      available from NETLIB.
5153
5154  -- Generator: gsl_rng_slatec
5155      This is the SLATEC random number generator RAND. It is ancient.
5156      The original source code is available from NETLIB.
5157
5158  -- Generator: gsl_rng_zuf
5159      This is the ZUFALL lagged Fibonacci series generator of Peterson.
5160      Its sequence is,
5161
5162           t = u_{n-273} + u_{n-607}
5163           u_n  = t - floor(t)
5164
5165      The original source code is available from NETLIB.  For more
5166      information see,
5167           W. Petersen, "Lagged Fibonacci Random Number Generators for
5168           the NEC SX-3", `International Journal of High Speed
5169           Computing' (1994).
5170
5171  -- Generator: gsl_rng_knuthran2
5172      This is a second-order multiple recursive generator described by
5173      Knuth in `Seminumerical Algorithms', 3rd Ed., page 108.  Its
5174      sequence is,
5175
5176           x_n = (a_1 x_{n-1} + a_2 x_{n-2}) mod m
5177
5178      with a_1 = 271828183, a_2 = 314159269, and m = 2^31 - 1.
5179
5180  -- Generator: gsl_rng_knuthran2002
5181  -- Generator: gsl_rng_knuthran
5182      This is a second-order multiple recursive generator described by
5183      Knuth in `Seminumerical Algorithms', 3rd Ed., Section 3.6.  Knuth
5184      provides its C code.  The updated routine `gsl_rng_knuthran2002'
5185      is from the revised 9th printing and corrects some weaknesses in
5186      the earlier version, which is implemented as `gsl_rng_knuthran'.
5187
5188  -- Generator: gsl_rng_borosh13
5189  -- Generator: gsl_rng_fishman18
5190  -- Generator: gsl_rng_fishman20
5191  -- Generator: gsl_rng_lecuyer21
5192  -- Generator: gsl_rng_waterman14
5193      These multiplicative generators are taken from Knuth's
5194      `Seminumerical Algorithms', 3rd Ed., pages 106-108. Their sequence
5195      is,
5196
5197           x_{n+1} = (a x_n) mod m
5198
5199      where the seed specifies the initial value, x_1.  The parameters a
5200      and m are as follows, Borosh-Niederreiter: a = 1812433253, m =
5201      2^32, Fishman18: a = 62089911, m = 2^31 - 1, Fishman20: a = 48271,
5202      m = 2^31 - 1, L'Ecuyer: a = 40692, m = 2^31 - 249, Waterman: a =
5203      1566083941, m = 2^32.
5204
5205  -- Generator: gsl_rng_fishman2x
5206      This is the L'Ecuyer-Fishman random number generator. It is taken
5207      from Knuth's `Seminumerical Algorithms', 3rd Ed., page 108. Its
5208      sequence is,
5209
5210           z_{n+1} = (x_n - y_n) mod m
5211
5212      with m = 2^31 - 1.  x_n and y_n are given by the `fishman20' and
5213      `lecuyer21' algorithms.  The seed specifies the initial value, x_1.
5214
5215
5216  -- Generator: gsl_rng_coveyou
5217      This is the Coveyou random number generator. It is taken from
5218      Knuth's `Seminumerical Algorithms', 3rd Ed., Section 3.2.2. Its
5219      sequence is,
5220
5221           x_{n+1} = (x_n (x_n + 1)) mod m
5222
5223      with m = 2^32.  The seed specifies the initial value, x_1.
5224
5225 \1f
5226 File: gsl-ref.info,  Node: Random Number Generator Performance,  Next: Random Number Generator Examples,  Prev: Other random number generators,  Up: Random Number Generation
5227
5228 17.12 Performance
5229 =================
5230
5231 The following table shows the relative performance of a selection the
5232 available random number generators.  The fastest simulation quality
5233 generators are `taus', `gfsr4' and `mt19937'.  The generators which
5234 offer the best mathematically-proven quality are those based on the
5235 RANLUX algorithm.
5236
5237      1754 k ints/sec,    870 k doubles/sec, taus
5238      1613 k ints/sec,    855 k doubles/sec, gfsr4
5239      1370 k ints/sec,    769 k doubles/sec, mt19937
5240       565 k ints/sec,    571 k doubles/sec, ranlxs0
5241       400 k ints/sec,    405 k doubles/sec, ranlxs1
5242       490 k ints/sec,    389 k doubles/sec, mrg
5243       407 k ints/sec,    297 k doubles/sec, ranlux
5244       243 k ints/sec,    254 k doubles/sec, ranlxd1
5245       251 k ints/sec,    253 k doubles/sec, ranlxs2
5246       238 k ints/sec,    215 k doubles/sec, cmrg
5247       247 k ints/sec,    198 k doubles/sec, ranlux389
5248       141 k ints/sec,    140 k doubles/sec, ranlxd2
5249
5250      1852 k ints/sec,    935 k doubles/sec, ran3
5251       813 k ints/sec,    575 k doubles/sec, ran0
5252       787 k ints/sec,    476 k doubles/sec, ran1
5253       379 k ints/sec,    292 k doubles/sec, ran2
5254
5255 \1f
5256 File: gsl-ref.info,  Node: Random Number Generator Examples,  Next: Random Number References and Further Reading,  Prev: Random Number Generator Performance,  Up: Random Number Generation
5257
5258 17.13 Examples
5259 ==============
5260
5261 The following program demonstrates the use of a random number generator
5262 to produce uniform random numbers in the range [0.0, 1.0),
5263
5264      #include <stdio.h>
5265      #include <gsl/gsl_rng.h>
5266
5267      int
5268      main (void)
5269      {
5270        const gsl_rng_type * T;
5271        gsl_rng * r;
5272
5273        int i, n = 10;
5274
5275        gsl_rng_env_setup();
5276
5277        T = gsl_rng_default;
5278        r = gsl_rng_alloc (T);
5279
5280        for (i = 0; i < n; i++)
5281          {
5282            double u = gsl_rng_uniform (r);
5283            printf ("%.5f\n", u);
5284          }
5285
5286        gsl_rng_free (r);
5287
5288        return 0;
5289      }
5290
5291 Here is the output of the program,
5292
5293      $ ./a.out
5294      0.99974
5295      0.16291
5296      0.28262
5297      0.94720
5298      0.23166
5299      0.48497
5300      0.95748
5301      0.74431
5302      0.54004
5303      0.73995
5304
5305 The numbers depend on the seed used by the generator.  The default seed
5306 can be changed with the `GSL_RNG_SEED' environment variable to produce
5307 a different stream of numbers.  The generator itself can be changed
5308 using the environment variable `GSL_RNG_TYPE'.  Here is the output of
5309 the program using a seed value of 123 and the multiple-recursive
5310 generator `mrg',
5311
5312      $ GSL_RNG_SEED=123 GSL_RNG_TYPE=mrg ./a.out
5313      GSL_RNG_TYPE=mrg
5314      GSL_RNG_SEED=123
5315      0.33050
5316      0.86631
5317      0.32982
5318      0.67620
5319      0.53391
5320      0.06457
5321      0.16847
5322      0.70229
5323      0.04371
5324      0.86374
5325
5326 \1f
5327 File: gsl-ref.info,  Node: Random Number References and Further Reading,  Next: Random Number Acknowledgements,  Prev: Random Number Generator Examples,  Up: Random Number Generation
5328
5329 17.14 References and Further Reading
5330 ====================================
5331
5332 The subject of random number generation and testing is reviewed
5333 extensively in Knuth's `Seminumerical Algorithms'.
5334
5335      Donald E. Knuth, `The Art of Computer Programming: Seminumerical
5336      Algorithms' (Vol 2, 3rd Ed, 1997), Addison-Wesley, ISBN 0201896842.
5337
5338 Further information is available in the review paper written by Pierre
5339 L'Ecuyer,
5340
5341      P. L'Ecuyer, "Random Number Generation", Chapter 4 of the Handbook
5342      on Simulation, Jerry Banks Ed., Wiley, 1998, 93-137.
5343
5344      `http://www.iro.umontreal.ca/~lecuyer/papers.html' in the file
5345      `handsim.ps'.
5346
5347 The source code for the DIEHARD random number generator tests is also
5348 available online,
5349
5350      `DIEHARD source code' G. Marsaglia,
5351
5352      `http://stat.fsu.edu/pub/diehard/'
5353
5354 A comprehensive set of random number generator tests is available from
5355 NIST,
5356
5357      NIST Special Publication 800-22, "A Statistical Test Suite for the
5358      Validation of Random Number Generators and Pseudo Random Number
5359      Generators for Cryptographic Applications".
5360
5361      `http://csrc.nist.gov/rng/'
5362
5363 \1f
5364 File: gsl-ref.info,  Node: Random Number Acknowledgements,  Prev: Random Number References and Further Reading,  Up: Random Number Generation
5365
5366 17.15 Acknowledgements
5367 ======================
5368
5369 Thanks to Makoto Matsumoto, Takuji Nishimura and Yoshiharu Kurita for
5370 making the source code to their generators (MT19937, MM&TN; TT800,
5371 MM&YK) available under the GNU General Public License.  Thanks to Martin
5372 Lu"scher for providing notes and source code for the RANLXS and RANLXD
5373 generators.
5374
5375 \1f
5376 File: gsl-ref.info,  Node: Quasi-Random Sequences,  Next: Random Number Distributions,  Prev: Random Number Generation,  Up: Top
5377
5378 18 Quasi-Random Sequences
5379 *************************
5380
5381 This chapter describes functions for generating quasi-random sequences
5382 in arbitrary dimensions.  A quasi-random sequence progressively covers a
5383 d-dimensional space with a set of points that are uniformly
5384 distributed.  Quasi-random sequences are also known as low-discrepancy
5385 sequences.  The quasi-random sequence generators use an interface that
5386 is similar to the interface for random number generators, except that
5387 seeding is not required--each generator produces a single sequence.
5388
5389    The functions described in this section are declared in the header
5390 file `gsl_qrng.h'.
5391
5392 * Menu:
5393
5394 * Quasi-random number generator initialization::
5395 * Sampling from a quasi-random number generator::
5396 * Auxiliary quasi-random number generator functions::
5397 * Saving and resorting quasi-random number generator state::
5398 * Quasi-random number generator algorithms::
5399 * Quasi-random number generator examples::
5400 * Quasi-random number references::
5401
5402 \1f
5403 File: gsl-ref.info,  Node: Quasi-random number generator initialization,  Next: Sampling from a quasi-random number generator,  Up: Quasi-Random Sequences
5404
5405 18.1 Quasi-random number generator initialization
5406 =================================================
5407
5408  -- Function: gsl_qrng * gsl_qrng_alloc (const gsl_qrng_type * T,
5409           unsigned int D)
5410      This function returns a pointer to a newly-created instance of a
5411      quasi-random sequence generator of type T and dimension D.  If
5412      there is insufficient memory to create the generator then the
5413      function returns a null pointer and the error handler is invoked
5414      with an error code of `GSL_ENOMEM'.
5415
5416  -- Function: void gsl_qrng_free (gsl_qrng * Q)
5417      This function frees all the memory associated with the generator Q.
5418
5419  -- Function: void gsl_qrng_init (gsl_qrng * Q)
5420      This function reinitializes the generator Q to its starting point.
5421      Note that quasi-random sequences do not use a seed and always
5422      produce the same set of values.
5423
5424 \1f
5425 File: gsl-ref.info,  Node: Sampling from a quasi-random number generator,  Next: Auxiliary quasi-random number generator functions,  Prev: Quasi-random number generator initialization,  Up: Quasi-Random Sequences
5426
5427 18.2 Sampling from a quasi-random number generator
5428 ==================================================
5429
5430  -- Function: int gsl_qrng_get (const gsl_qrng * Q, double X[])
5431      This function stores the next point from the sequence generator Q
5432      in the array X.  The space available for X must match the
5433      dimension of the generator.  The point X will lie in the range 0 <
5434      x_i < 1 for each x_i.  An inline version of this function is used
5435      when `HAVE_INLINE' is defined.
5436
5437 \1f
5438 File: gsl-ref.info,  Node: Auxiliary quasi-random number generator functions,  Next: Saving and resorting quasi-random number generator state,  Prev: Sampling from a quasi-random number generator,  Up: Quasi-Random Sequences
5439
5440 18.3 Auxiliary quasi-random number generator functions
5441 ======================================================
5442
5443  -- Function: const char * gsl_qrng_name (const gsl_qrng * Q)
5444      This function returns a pointer to the name of the generator.
5445
5446  -- Function: size_t gsl_qrng_size (const gsl_qrng * Q)
5447  -- Function: void * gsl_qrng_state (const gsl_qrng * Q)
5448      These functions return a pointer to the state of generator R and
5449      its size.  You can use this information to access the state
5450      directly.  For example, the following code will write the state of
5451      a generator to a stream,
5452
5453           void * state = gsl_qrng_state (q);
5454           size_t n = gsl_qrng_size (q);
5455           fwrite (state, n, 1, stream);
5456
5457 \1f
5458 File: gsl-ref.info,  Node: Saving and resorting quasi-random number generator state,  Next: Quasi-random number generator algorithms,  Prev: Auxiliary quasi-random number generator functions,  Up: Quasi-Random Sequences
5459
5460 18.4 Saving and resorting quasi-random number generator state
5461 =============================================================
5462
5463  -- Function: int gsl_qrng_memcpy (gsl_qrng * DEST, const gsl_qrng *
5464           SRC)
5465      This function copies the quasi-random sequence generator SRC into
5466      the pre-existing generator DEST, making DEST into an exact copy of
5467      SRC.  The two generators must be of the same type.
5468
5469  -- Function: gsl_qrng * gsl_qrng_clone (const gsl_qrng * Q)
5470      This function returns a pointer to a newly created generator which
5471      is an exact copy of the generator Q.
5472
5473 \1f
5474 File: gsl-ref.info,  Node: Quasi-random number generator algorithms,  Next: Quasi-random number generator examples,  Prev: Saving and resorting quasi-random number generator state,  Up: Quasi-Random Sequences
5475
5476 18.5 Quasi-random number generator algorithms
5477 =============================================
5478
5479 The following quasi-random sequence algorithms are available,
5480
5481  -- Generator: gsl_qrng_niederreiter_2
5482      This generator uses the algorithm described in Bratley, Fox,
5483      Niederreiter, `ACM Trans. Model. Comp. Sim.' 2, 195 (1992). It is
5484      valid up to 12 dimensions.
5485
5486  -- Generator: gsl_qrng_sobol
5487      This generator uses the Sobol sequence described in Antonov,
5488      Saleev, `USSR Comput. Maths. Math. Phys.' 19, 252 (1980). It is
5489      valid up to 40 dimensions.
5490
5491  -- Generator: gsl_qrng_halton
5492  -- Generator: gsl_qrng_reverse_halton
5493      These generators use the Halton and reverse Halton sequences
5494      described in J.H. Halton, `Numerische Mathematik' 2, 84-90 (1960)
5495      and B. Vandewoestyne and R. Cools `Computational and Applied
5496      Mathematics' 189, 1&2, 341-361 (2006).  They are valid up to 1229
5497      dimensions.
5498
5499 \1f
5500 File: gsl-ref.info,  Node: Quasi-random number generator examples,  Next: Quasi-random number references,  Prev: Quasi-random number generator algorithms,  Up: Quasi-Random Sequences
5501
5502 18.6 Examples
5503 =============
5504
5505 The following program prints the first 1024 points of the 2-dimensional
5506 Sobol sequence.
5507
5508      #include <stdio.h>
5509      #include <gsl/gsl_qrng.h>
5510
5511      int
5512      main (void)
5513      {
5514        int i;
5515        gsl_qrng * q = gsl_qrng_alloc (gsl_qrng_sobol, 2);
5516
5517        for (i = 0; i < 1024; i++)
5518          {
5519            double v[2];
5520            gsl_qrng_get (q, v);
5521            printf ("%.5f %.5f\n", v[0], v[1]);
5522          }
5523
5524        gsl_qrng_free (q);
5525        return 0;
5526      }
5527
5528 Here is the output from the program,
5529
5530      $ ./a.out
5531      0.50000 0.50000
5532      0.75000 0.25000
5533      0.25000 0.75000
5534      0.37500 0.37500
5535      0.87500 0.87500
5536      0.62500 0.12500
5537      0.12500 0.62500
5538      ....
5539
5540 It can be seen that successive points progressively fill-in the spaces
5541 between previous points.
5542
5543 \1f
5544 File: gsl-ref.info,  Node: Quasi-random number references,  Prev: Quasi-random number generator examples,  Up: Quasi-Random Sequences
5545
5546 18.7 References
5547 ===============
5548
5549 The implementations of the quasi-random sequence routines are based on
5550 the algorithms described in the following paper,
5551
5552      P. Bratley and B.L. Fox and H. Niederreiter, "Algorithm 738:
5553      Programs to Generate Niederreiter's Low-discrepancy Sequences",
5554      `ACM Transactions on Mathematical Software', Vol. 20, No. 4,
5555      December, 1994, p. 494-495.
5556
5557 \1f
5558 File: gsl-ref.info,  Node: Random Number Distributions,  Next: Statistics,  Prev: Quasi-Random Sequences,  Up: Top
5559
5560 19 Random Number Distributions
5561 ******************************
5562
5563 This chapter describes functions for generating random variates and
5564 computing their probability distributions.  Samples from the
5565 distributions described in this chapter can be obtained using any of the
5566 random number generators in the library as an underlying source of
5567 randomness.
5568
5569    In the simplest cases a non-uniform distribution can be obtained
5570 analytically from the uniform distribution of a random number generator
5571 by applying an appropriate transformation.  This method uses one call to
5572 the random number generator.  More complicated distributions are created
5573 by the "acceptance-rejection" method, which compares the desired
5574 distribution against a distribution which is similar and known
5575 analytically.  This usually requires several samples from the generator.
5576
5577    The library also provides cumulative distribution functions and
5578 inverse cumulative distribution functions, sometimes referred to as
5579 quantile functions.  The cumulative distribution functions and their
5580 inverses are computed separately for the upper and lower tails of the
5581 distribution, allowing full accuracy to be retained for small results.
5582
5583    The functions for random variates and probability density functions
5584 described in this section are declared in `gsl_randist.h'.  The
5585 corresponding cumulative distribution functions are declared in
5586 `gsl_cdf.h'.
5587
5588    Note that the discrete random variate functions always return a
5589 value of type `unsigned int', and on most platforms this has a maximum
5590 value of 2^32-1 ~=~ 4.29e9. They should only be called with a safe
5591 range of parameters (where there is a negligible probability of a
5592 variate exceeding this limit) to prevent incorrect results due to
5593 overflow.
5594
5595 * Menu:
5596
5597 * Random Number Distribution Introduction::
5598 * The Gaussian Distribution::
5599 * The Gaussian Tail Distribution::
5600 * The Bivariate Gaussian Distribution::
5601 * The Exponential Distribution::
5602 * The Laplace Distribution::
5603 * The Exponential Power Distribution::
5604 * The Cauchy Distribution::
5605 * The Rayleigh Distribution::
5606 * The Rayleigh Tail Distribution::
5607 * The Landau Distribution::
5608 * The Levy alpha-Stable Distributions::
5609 * The Levy skew alpha-Stable Distribution::
5610 * The Gamma Distribution::
5611 * The Flat (Uniform) Distribution::
5612 * The Lognormal Distribution::
5613 * The Chi-squared Distribution::
5614 * The F-distribution::
5615 * The t-distribution::
5616 * The Beta Distribution::
5617 * The Logistic Distribution::
5618 * The Pareto Distribution::
5619 * Spherical Vector Distributions::
5620 * The Weibull Distribution::
5621 * The Type-1 Gumbel Distribution::
5622 * The Type-2 Gumbel Distribution::
5623 * The Dirichlet Distribution::
5624 * General Discrete Distributions::
5625 * The Poisson Distribution::
5626 * The Bernoulli Distribution::
5627 * The Binomial Distribution::
5628 * The Multinomial Distribution::
5629 * The Negative Binomial Distribution::
5630 * The Pascal Distribution::
5631 * The Geometric Distribution::
5632 * The Hypergeometric Distribution::
5633 * The Logarithmic Distribution::
5634 * Shuffling and Sampling::
5635 * Random Number Distribution Examples::
5636 * Random Number Distribution References and Further Reading::
5637
5638 \1f
5639 File: gsl-ref.info,  Node: Random Number Distribution Introduction,  Next: The Gaussian Distribution,  Up: Random Number Distributions
5640
5641 19.1 Introduction
5642 =================
5643
5644 Continuous random number distributions are defined by a probability
5645 density function, p(x), such that the probability of x occurring in the
5646 infinitesimal range x to x+dx is p dx.
5647
5648    The cumulative distribution function for the lower tail P(x) is
5649 defined by the integral,
5650
5651      P(x) = \int_{-\infty}^{x} dx' p(x')
5652
5653 and gives the probability of a variate taking a value less than x.
5654
5655    The cumulative distribution function for the upper tail Q(x) is
5656 defined by the integral,
5657
5658      Q(x) = \int_{x}^{+\infty} dx' p(x')
5659
5660 and gives the probability of a variate taking a value greater than x.
5661
5662    The upper and lower cumulative distribution functions are related by
5663 P(x) + Q(x) = 1 and satisfy 0 <= P(x) <= 1, 0 <= Q(x) <= 1.
5664
5665    The inverse cumulative distributions, x=P^{-1}(P) and x=Q^{-1}(Q)
5666 give the values of x which correspond to a specific value of P or Q.
5667 They can be used to find confidence limits from probability values.
5668
5669    For discrete distributions the probability of sampling the integer
5670 value k is given by p(k), where \sum_k p(k) = 1.  The cumulative
5671 distribution for the lower tail P(k) of a discrete distribution is
5672 defined as,
5673
5674      P(k) = \sum_{i <= k} p(i)
5675
5676 where the sum is over the allowed range of the distribution less than
5677 or equal to k.
5678
5679    The cumulative distribution for the upper tail of a discrete
5680 distribution Q(k) is defined as
5681
5682      Q(k) = \sum_{i > k} p(i)
5683
5684 giving the sum of probabilities for all values greater than k.  These
5685 two definitions satisfy the identity P(k)+Q(k)=1.
5686
5687    If the range of the distribution is 1 to n inclusive then P(n)=1,
5688 Q(n)=0 while P(1) = p(1), Q(1)=1-p(1).
5689
5690 \1f
5691 File: gsl-ref.info,  Node: The Gaussian Distribution,  Next: The Gaussian Tail Distribution,  Prev: Random Number Distribution Introduction,  Up: Random Number Distributions
5692
5693 19.2 The Gaussian Distribution
5694 ==============================
5695
5696  -- Function: double gsl_ran_gaussian (const gsl_rng * R, double SIGMA)
5697      This function returns a Gaussian random variate, with mean zero and
5698      standard deviation SIGMA.  The probability distribution for
5699      Gaussian random variates is,
5700
5701           p(x) dx = {1 \over \sqrt{2 \pi \sigma^2}} \exp (-x^2 / 2\sigma^2) dx
5702
5703      for x in the range -\infty to +\infty.  Use the transformation z =
5704      \mu + x on the numbers returned by `gsl_ran_gaussian' to obtain a
5705      Gaussian distribution with mean \mu.  This function uses the
5706      Box-Mueller algorithm which requires two calls to the random
5707      number generator R.
5708
5709  -- Function: double gsl_ran_gaussian_pdf (double X, double SIGMA)
5710      This function computes the probability density p(x) at X for a
5711      Gaussian distribution with standard deviation SIGMA, using the
5712      formula given above.
5713
5714
5715  -- Function: double gsl_ran_gaussian_ziggurat (const gsl_rng * R,
5716           double SIGMA)
5717  -- Function: double gsl_ran_gaussian_ratio_method (const gsl_rng * R,
5718           double SIGMA)
5719      This function computes a Gaussian random variate using the
5720      alternative Marsaglia-Tsang ziggurat and Kinderman-Monahan-Leva
5721      ratio methods.  The Ziggurat algorithm is the fastest available
5722      algorithm in most cases.
5723
5724  -- Function: double gsl_ran_ugaussian (const gsl_rng * R)
5725  -- Function: double gsl_ran_ugaussian_pdf (double X)
5726  -- Function: double gsl_ran_ugaussian_ratio_method (const gsl_rng * R)
5727      These functions compute results for the unit Gaussian
5728      distribution.  They are equivalent to the functions above with a
5729      standard deviation of one, SIGMA = 1.
5730
5731  -- Function: double gsl_cdf_gaussian_P (double X, double SIGMA)
5732  -- Function: double gsl_cdf_gaussian_Q (double X, double SIGMA)
5733  -- Function: double gsl_cdf_gaussian_Pinv (double P, double SIGMA)
5734  -- Function: double gsl_cdf_gaussian_Qinv (double Q, double SIGMA)
5735      These functions compute the cumulative distribution functions
5736      P(x), Q(x) and their inverses for the Gaussian distribution with
5737      standard deviation SIGMA.
5738
5739  -- Function: double gsl_cdf_ugaussian_P (double X)
5740  -- Function: double gsl_cdf_ugaussian_Q (double X)
5741  -- Function: double gsl_cdf_ugaussian_Pinv (double P)
5742  -- Function: double gsl_cdf_ugaussian_Qinv (double Q)
5743      These functions compute the cumulative distribution functions
5744      P(x), Q(x) and their inverses for the unit Gaussian distribution.
5745
5746 \1f
5747 File: gsl-ref.info,  Node: The Gaussian Tail Distribution,  Next: The Bivariate Gaussian Distribution,  Prev: The Gaussian Distribution,  Up: Random Number Distributions
5748
5749 19.3 The Gaussian Tail Distribution
5750 ===================================
5751
5752  -- Function: double gsl_ran_gaussian_tail (const gsl_rng * R, double
5753           A, double SIGMA)
5754      This function provides random variates from the upper tail of a
5755      Gaussian distribution with standard deviation SIGMA.  The values
5756      returned are larger than the lower limit A, which must be
5757      positive.  The method is based on Marsaglia's famous
5758      rectangle-wedge-tail algorithm (Ann.  Math. Stat. 32, 894-899
5759      (1961)), with this aspect explained in Knuth, v2, 3rd ed, p139,586
5760      (exercise 11).
5761
5762      The probability distribution for Gaussian tail random variates is,
5763
5764           p(x) dx = {1 \over N(a;\sigma) \sqrt{2 \pi \sigma^2}} \exp (- x^2/(2 \sigma^2)) dx
5765
5766      for x > a where N(a;\sigma) is the normalization constant,
5767
5768           N(a;\sigma) = (1/2) erfc(a / sqrt(2 sigma^2)).
5769
5770
5771  -- Function: double gsl_ran_gaussian_tail_pdf (double X, double A,
5772           double SIGMA)
5773      This function computes the probability density p(x) at X for a
5774      Gaussian tail distribution with standard deviation SIGMA and lower
5775      limit A, using the formula given above.
5776
5777
5778  -- Function: double gsl_ran_ugaussian_tail (const gsl_rng * R, double
5779           A)
5780  -- Function: double gsl_ran_ugaussian_tail_pdf (double X, double A)
5781      These functions compute results for the tail of a unit Gaussian
5782      distribution.  They are equivalent to the functions above with a
5783      standard deviation of one, SIGMA = 1.
5784
5785 \1f
5786 File: gsl-ref.info,  Node: The Bivariate Gaussian Distribution,  Next: The Exponential Distribution,  Prev: The Gaussian Tail Distribution,  Up: Random Number Distributions
5787
5788 19.4 The Bivariate Gaussian Distribution
5789 ========================================
5790
5791  -- Function: void gsl_ran_bivariate_gaussian (const gsl_rng * R,
5792           double SIGMA_X, double SIGMA_Y, double RHO, double * X,
5793           double * Y)
5794      This function generates a pair of correlated Gaussian variates,
5795      with mean zero, correlation coefficient RHO and standard deviations
5796      SIGMA_X and SIGMA_Y in the x and y directions.  The probability
5797      distribution for bivariate Gaussian random variates is,
5798
5799           p(x,y) dx dy = {1 \over 2 \pi \sigma_x \sigma_y \sqrt{1-\rho^2}} \exp (-(x^2/\sigma_x^2 + y^2/\sigma_y^2 - 2 \rho x y/(\sigma_x\sigma_y))/2(1-\rho^2)) dx dy
5800
5801      for x,y in the range -\infty to +\infty.  The correlation
5802      coefficient RHO should lie between 1 and -1.
5803
5804  -- Function: double gsl_ran_bivariate_gaussian_pdf (double X, double
5805           Y, double SIGMA_X, double SIGMA_Y, double RHO)
5806      This function computes the probability density p(x,y) at (X,Y) for
5807      a bivariate Gaussian distribution with standard deviations
5808      SIGMA_X, SIGMA_Y and correlation coefficient RHO, using the
5809      formula given above.
5810
5811
5812 \1f
5813 File: gsl-ref.info,  Node: The Exponential Distribution,  Next: The Laplace Distribution,  Prev: The Bivariate Gaussian Distribution,  Up: Random Number Distributions
5814
5815 19.5 The Exponential Distribution
5816 =================================
5817
5818  -- Function: double gsl_ran_exponential (const gsl_rng * R, double MU)
5819      This function returns a random variate from the exponential
5820      distribution with mean MU. The distribution is,
5821
5822           p(x) dx = {1 \over \mu} \exp(-x/\mu) dx
5823
5824      for x >= 0.
5825
5826  -- Function: double gsl_ran_exponential_pdf (double X, double MU)
5827      This function computes the probability density p(x) at X for an
5828      exponential distribution with mean MU, using the formula given
5829      above.
5830
5831
5832  -- Function: double gsl_cdf_exponential_P (double X, double MU)
5833  -- Function: double gsl_cdf_exponential_Q (double X, double MU)
5834  -- Function: double gsl_cdf_exponential_Pinv (double P, double MU)
5835  -- Function: double gsl_cdf_exponential_Qinv (double Q, double MU)
5836      These functions compute the cumulative distribution functions
5837      P(x), Q(x) and their inverses for the exponential distribution
5838      with mean MU.
5839
5840 \1f
5841 File: gsl-ref.info,  Node: The Laplace Distribution,  Next: The Exponential Power Distribution,  Prev: The Exponential Distribution,  Up: Random Number Distributions
5842
5843 19.6 The Laplace Distribution
5844 =============================
5845
5846  -- Function: double gsl_ran_laplace (const gsl_rng * R, double A)
5847      This function returns a random variate from the Laplace
5848      distribution with width A.  The distribution is,
5849
5850           p(x) dx = {1 \over 2 a}  \exp(-|x/a|) dx
5851
5852      for -\infty < x < \infty.
5853
5854  -- Function: double gsl_ran_laplace_pdf (double X, double A)
5855      This function computes the probability density p(x) at X for a
5856      Laplace distribution with width A, using the formula given above.
5857
5858
5859  -- Function: double gsl_cdf_laplace_P (double X, double A)
5860  -- Function: double gsl_cdf_laplace_Q (double X, double A)
5861  -- Function: double gsl_cdf_laplace_Pinv (double P, double A)
5862  -- Function: double gsl_cdf_laplace_Qinv (double Q, double A)
5863      These functions compute the cumulative distribution functions
5864      P(x), Q(x) and their inverses for the Laplace distribution with
5865      width A.
5866
5867 \1f
5868 File: gsl-ref.info,  Node: The Exponential Power Distribution,  Next: The Cauchy Distribution,  Prev: The Laplace Distribution,  Up: Random Number Distributions
5869
5870 19.7 The Exponential Power Distribution
5871 =======================================
5872
5873  -- Function: double gsl_ran_exppow (const gsl_rng * R, double A,
5874           double B)
5875      This function returns a random variate from the exponential power
5876      distribution with scale parameter A and exponent B.  The
5877      distribution is,
5878
5879           p(x) dx = {1 \over 2 a \Gamma(1+1/b)} \exp(-|x/a|^b) dx
5880
5881      for x >= 0.  For b = 1 this reduces to the Laplace distribution.
5882      For b = 2 it has the same form as a gaussian distribution, but
5883      with a = \sqrt{2} \sigma.
5884
5885  -- Function: double gsl_ran_exppow_pdf (double X, double A, double B)
5886      This function computes the probability density p(x) at X for an
5887      exponential power distribution with scale parameter A and exponent
5888      B, using the formula given above.
5889
5890
5891  -- Function: double gsl_cdf_exppow_P (double X, double A, double B)
5892  -- Function: double gsl_cdf_exppow_Q (double X, double A, double B)
5893      These functions compute the cumulative distribution functions
5894      P(x), Q(x) for the exponential power distribution with parameters
5895      A and B.
5896
5897 \1f
5898 File: gsl-ref.info,  Node: The Cauchy Distribution,  Next: The Rayleigh Distribution,  Prev: The Exponential Power Distribution,  Up: Random Number Distributions
5899
5900 19.8 The Cauchy Distribution
5901 ============================
5902
5903  -- Function: double gsl_ran_cauchy (const gsl_rng * R, double A)
5904      This function returns a random variate from the Cauchy
5905      distribution with scale parameter A.  The probability distribution
5906      for Cauchy random variates is,
5907
5908           p(x) dx = {1 \over a\pi (1 + (x/a)^2) } dx
5909
5910      for x in the range -\infty to +\infty.  The Cauchy distribution is
5911      also known as the Lorentz distribution.
5912
5913  -- Function: double gsl_ran_cauchy_pdf (double X, double A)
5914      This function computes the probability density p(x) at X for a
5915      Cauchy distribution with scale parameter A, using the formula
5916      given above.
5917
5918
5919  -- Function: double gsl_cdf_cauchy_P (double X, double A)
5920  -- Function: double gsl_cdf_cauchy_Q (double X, double A)
5921  -- Function: double gsl_cdf_cauchy_Pinv (double P, double A)
5922  -- Function: double gsl_cdf_cauchy_Qinv (double Q, double A)
5923      These functions compute the cumulative distribution functions
5924      P(x), Q(x) and their inverses for the Cauchy distribution with
5925      scale parameter A.
5926
5927 \1f
5928 File: gsl-ref.info,  Node: The Rayleigh Distribution,  Next: The Rayleigh Tail Distribution,  Prev: The Cauchy Distribution,  Up: Random Number Distributions
5929
5930 19.9 The Rayleigh Distribution
5931 ==============================
5932
5933  -- Function: double gsl_ran_rayleigh (const gsl_rng * R, double SIGMA)
5934      This function returns a random variate from the Rayleigh
5935      distribution with scale parameter SIGMA.  The distribution is,
5936
5937           p(x) dx = {x \over \sigma^2} \exp(- x^2/(2 \sigma^2)) dx
5938
5939      for x > 0.
5940
5941  -- Function: double gsl_ran_rayleigh_pdf (double X, double SIGMA)
5942      This function computes the probability density p(x) at X for a
5943      Rayleigh distribution with scale parameter SIGMA, using the
5944      formula given above.
5945
5946
5947  -- Function: double gsl_cdf_rayleigh_P (double X, double SIGMA)
5948  -- Function: double gsl_cdf_rayleigh_Q (double X, double SIGMA)
5949  -- Function: double gsl_cdf_rayleigh_Pinv (double P, double SIGMA)
5950  -- Function: double gsl_cdf_rayleigh_Qinv (double Q, double SIGMA)
5951      These functions compute the cumulative distribution functions
5952      P(x), Q(x) and their inverses for the Rayleigh distribution with
5953      scale parameter SIGMA.
5954
5955 \1f
5956 File: gsl-ref.info,  Node: The Rayleigh Tail Distribution,  Next: The Landau Distribution,  Prev: The Rayleigh Distribution,  Up: Random Number Distributions
5957
5958 19.10 The Rayleigh Tail Distribution
5959 ====================================
5960
5961  -- Function: double gsl_ran_rayleigh_tail (const gsl_rng * R, double
5962           A, double SIGMA)
5963      This function returns a random variate from the tail of the
5964      Rayleigh distribution with scale parameter SIGMA and a lower limit
5965      of A.  The distribution is,
5966
5967           p(x) dx = {x \over \sigma^2} \exp ((a^2 - x^2) /(2 \sigma^2)) dx
5968
5969      for x > a.
5970
5971  -- Function: double gsl_ran_rayleigh_tail_pdf (double X, double A,
5972           double SIGMA)
5973      This function computes the probability density p(x) at X for a
5974      Rayleigh tail distribution with scale parameter SIGMA and lower
5975      limit A, using the formula given above.
5976
5977
5978 \1f
5979 File: gsl-ref.info,  Node: The Landau Distribution,  Next: The Levy alpha-Stable Distributions,  Prev: The Rayleigh Tail Distribution,  Up: Random Number Distributions
5980
5981 19.11 The Landau Distribution
5982 =============================
5983
5984  -- Function: double gsl_ran_landau (const gsl_rng * R)
5985      This function returns a random variate from the Landau
5986      distribution.  The probability distribution for Landau random
5987      variates is defined analytically by the complex integral,
5988
5989           p(x) = (1/(2 \pi i)) \int_{c-i\infty}^{c+i\infty} ds exp(s log(s) + x s)
5990      For numerical purposes it is more convenient to use the following
5991      equivalent form of the integral,
5992
5993           p(x) = (1/\pi) \int_0^\infty dt \exp(-t \log(t) - x t) \sin(\pi t).
5994
5995  -- Function: double gsl_ran_landau_pdf (double X)
5996      This function computes the probability density p(x) at X for the
5997      Landau distribution using an approximation to the formula given
5998      above.
5999
6000
6001 \1f
6002 File: gsl-ref.info,  Node: The Levy alpha-Stable Distributions,  Next: The Levy skew alpha-Stable Distribution,  Prev: The Landau Distribution,  Up: Random Number Distributions
6003
6004 19.12 The Levy alpha-Stable Distributions
6005 =========================================
6006
6007  -- Function: double gsl_ran_levy (const gsl_rng * R, double C, double
6008           ALPHA)
6009      This function returns a random variate from the Levy symmetric
6010      stable distribution with scale C and exponent ALPHA.  The symmetric
6011      stable probability distribution is defined by a fourier transform,
6012
6013           p(x) = {1 \over 2 \pi} \int_{-\infty}^{+\infty} dt \exp(-it x - |c t|^alpha)
6014
6015      There is no explicit solution for the form of p(x) and the library
6016      does not define a corresponding `pdf' function.  For \alpha = 1
6017      the distribution reduces to the Cauchy distribution.  For \alpha =
6018      2 it is a Gaussian distribution with \sigma = \sqrt{2} c.  For
6019      \alpha < 1 the tails of the distribution become extremely wide.
6020
6021      The algorithm only works for 0 < alpha <= 2.
6022
6023
6024 \1f
6025 File: gsl-ref.info,  Node: The Levy skew alpha-Stable Distribution,  Next: The Gamma Distribution,  Prev: The Levy alpha-Stable Distributions,  Up: Random Number Distributions
6026
6027 19.13 The Levy skew alpha-Stable Distribution
6028 =============================================
6029
6030  -- Function: double gsl_ran_levy_skew (const gsl_rng * R, double C,
6031           double ALPHA, double BETA)
6032      This function returns a random variate from the Levy skew stable
6033      distribution with scale C, exponent ALPHA and skewness parameter
6034      BETA.  The skewness parameter must lie in the range [-1,1].  The
6035      Levy skew stable probability distribution is defined by a fourier
6036      transform,
6037
6038           p(x) = {1 \over 2 \pi} \int_{-\infty}^{+\infty} dt \exp(-it x - |c t|^alpha (1-i beta sign(t) tan(pi alpha/2)))
6039
6040      When \alpha = 1 the term \tan(\pi \alpha/2) is replaced by
6041      -(2/\pi)\log|t|.  There is no explicit solution for the form of
6042      p(x) and the library does not define a corresponding `pdf'
6043      function.  For \alpha = 2 the distribution reduces to a Gaussian
6044      distribution with \sigma = \sqrt{2} c and the skewness parameter
6045      has no effect.  For \alpha < 1 the tails of the distribution
6046      become extremely wide.  The symmetric distribution corresponds to
6047      \beta = 0.
6048
6049      The algorithm only works for 0 < alpha <= 2.
6050
6051    The Levy alpha-stable distributions have the property that if N
6052 alpha-stable variates are drawn from the distribution p(c, \alpha,
6053 \beta) then the sum Y = X_1 + X_2 + \dots + X_N will also be
6054 distributed as an alpha-stable variate, p(N^(1/\alpha) c, \alpha,
6055 \beta).
6056
6057
6058 \1f
6059 File: gsl-ref.info,  Node: The Gamma Distribution,  Next: The Flat (Uniform) Distribution,  Prev: The Levy skew alpha-Stable Distribution,  Up: Random Number Distributions
6060
6061 19.14 The Gamma Distribution
6062 ============================
6063
6064  -- Function: double gsl_ran_gamma (const gsl_rng * R, double A, double
6065           B)
6066      This function returns a random variate from the gamma
6067      distribution.  The distribution function is,
6068
6069           p(x) dx = {1 \over \Gamma(a) b^a} x^{a-1} e^{-x/b} dx
6070
6071      for x > 0.
6072
6073      The gamma distribution with an integer parameter A is known as the
6074      Erlang distribution.
6075
6076      The variates are computed using the Marsaglia-Tsang fast gamma
6077      method.  This function for this method was previously called
6078      `gsl_ran_gamma_mt' and can still be accessed using this name.
6079
6080  -- Function: double gsl_ran_gamma_knuth (const gsl_rng * R, double A,
6081           double B)
6082      This function returns a gamma variate using the algorithms from
6083      Knuth (vol 2).
6084
6085  -- Function: double gsl_ran_gamma_pdf (double X, double A, double B)
6086      This function computes the probability density p(x) at X for a
6087      gamma distribution with parameters A and B, using the formula
6088      given above.
6089
6090
6091  -- Function: double gsl_cdf_gamma_P (double X, double A, double B)
6092  -- Function: double gsl_cdf_gamma_Q (double X, double A, double B)
6093  -- Function: double gsl_cdf_gamma_Pinv (double P, double A, double B)
6094  -- Function: double gsl_cdf_gamma_Qinv (double Q, double A, double B)
6095      These functions compute the cumulative distribution functions
6096      P(x), Q(x) and their inverses for the gamma distribution with
6097      parameters A and B.
6098
6099 \1f
6100 File: gsl-ref.info,  Node: The Flat (Uniform) Distribution,  Next: The Lognormal Distribution,  Prev: The Gamma Distribution,  Up: Random Number Distributions
6101
6102 19.15 The Flat (Uniform) Distribution
6103 =====================================
6104
6105  -- Function: double gsl_ran_flat (const gsl_rng * R, double A, double
6106           B)
6107      This function returns a random variate from the flat (uniform)
6108      distribution from A to B. The distribution is,
6109
6110           p(x) dx = {1 \over (b-a)} dx
6111
6112      if a <= x < b and 0 otherwise.
6113
6114  -- Function: double gsl_ran_flat_pdf (double X, double A, double B)
6115      This function computes the probability density p(x) at X for a
6116      uniform distribution from A to B, using the formula given above.
6117
6118
6119  -- Function: double gsl_cdf_flat_P (double X, double A, double B)
6120  -- Function: double gsl_cdf_flat_Q (double X, double A, double B)
6121  -- Function: double gsl_cdf_flat_Pinv (double P, double A, double B)
6122  -- Function: double gsl_cdf_flat_Qinv (double Q, double A, double B)
6123      These functions compute the cumulative distribution functions
6124      P(x), Q(x) and their inverses for a uniform distribution from A to
6125      B.
6126
6127 \1f
6128 File: gsl-ref.info,  Node: The Lognormal Distribution,  Next: The Chi-squared Distribution,  Prev: The Flat (Uniform) Distribution,  Up: Random Number Distributions
6129
6130 19.16 The Lognormal Distribution
6131 ================================
6132
6133  -- Function: double gsl_ran_lognormal (const gsl_rng * R, double ZETA,
6134           double SIGMA)
6135      This function returns a random variate from the lognormal
6136      distribution.  The distribution function is,
6137
6138           p(x) dx = {1 \over x \sqrt{2 \pi \sigma^2} } \exp(-(\ln(x) - \zeta)^2/2 \sigma^2) dx
6139
6140      for x > 0.
6141
6142  -- Function: double gsl_ran_lognormal_pdf (double X, double ZETA,
6143           double SIGMA)
6144      This function computes the probability density p(x) at X for a
6145      lognormal distribution with parameters ZETA and SIGMA, using the
6146      formula given above.
6147
6148
6149  -- Function: double gsl_cdf_lognormal_P (double X, double ZETA, double
6150           SIGMA)
6151  -- Function: double gsl_cdf_lognormal_Q (double X, double ZETA, double
6152           SIGMA)
6153  -- Function: double gsl_cdf_lognormal_Pinv (double P, double ZETA,
6154           double SIGMA)
6155  -- Function: double gsl_cdf_lognormal_Qinv (double Q, double ZETA,
6156           double SIGMA)
6157      These functions compute the cumulative distribution functions
6158      P(x), Q(x) and their inverses for the lognormal distribution with
6159      parameters ZETA and SIGMA.
6160
6161 \1f
6162 File: gsl-ref.info,  Node: The Chi-squared Distribution,  Next: The F-distribution,  Prev: The Lognormal Distribution,  Up: Random Number Distributions
6163
6164 19.17 The Chi-squared Distribution
6165 ==================================
6166
6167 The chi-squared distribution arises in statistics.  If Y_i are n
6168 independent gaussian random variates with unit variance then the
6169 sum-of-squares,
6170
6171      X_i = \sum_i Y_i^2
6172
6173 has a chi-squared distribution with n degrees of freedom.
6174
6175  -- Function: double gsl_ran_chisq (const gsl_rng * R, double NU)
6176      This function returns a random variate from the chi-squared
6177      distribution with NU degrees of freedom. The distribution function
6178      is,
6179
6180           p(x) dx = {1 \over 2 \Gamma(\nu/2) } (x/2)^{\nu/2 - 1} \exp(-x/2) dx
6181
6182      for x >= 0.
6183
6184  -- Function: double gsl_ran_chisq_pdf (double X, double NU)
6185      This function computes the probability density p(x) at X for a
6186      chi-squared distribution with NU degrees of freedom, using the
6187      formula given above.
6188
6189
6190  -- Function: double gsl_cdf_chisq_P (double X, double NU)
6191  -- Function: double gsl_cdf_chisq_Q (double X, double NU)
6192  -- Function: double gsl_cdf_chisq_Pinv (double P, double NU)
6193  -- Function: double gsl_cdf_chisq_Qinv (double Q, double NU)
6194      These functions compute the cumulative distribution functions
6195      P(x), Q(x) and their inverses for the chi-squared distribution
6196      with NU degrees of freedom.
6197
6198 \1f
6199 File: gsl-ref.info,  Node: The F-distribution,  Next: The t-distribution,  Prev: The Chi-squared Distribution,  Up: Random Number Distributions
6200
6201 19.18 The F-distribution
6202 ========================
6203
6204 The F-distribution arises in statistics.  If Y_1 and Y_2 are
6205 chi-squared deviates with \nu_1 and \nu_2 degrees of freedom then the
6206 ratio,
6207
6208      X = { (Y_1 / \nu_1) \over (Y_2 / \nu_2) }
6209
6210 has an F-distribution F(x;\nu_1,\nu_2).
6211
6212  -- Function: double gsl_ran_fdist (const gsl_rng * R, double NU1,
6213           double NU2)
6214      This function returns a random variate from the F-distribution
6215      with degrees of freedom NU1 and NU2. The distribution function is,
6216
6217           p(x) dx =
6218              { \Gamma((\nu_1 + \nu_2)/2)
6219                   \over \Gamma(\nu_1/2) \Gamma(\nu_2/2) }
6220              \nu_1^{\nu_1/2} \nu_2^{\nu_2/2}
6221              x^{\nu_1/2 - 1} (\nu_2 + \nu_1 x)^{-\nu_1/2 -\nu_2/2}
6222
6223      for x >= 0.
6224
6225  -- Function: double gsl_ran_fdist_pdf (double X, double NU1, double
6226           NU2)
6227      This function computes the probability density p(x) at X for an
6228      F-distribution with NU1 and NU2 degrees of freedom, using the
6229      formula given above.
6230
6231
6232  -- Function: double gsl_cdf_fdist_P (double X, double NU1, double NU2)
6233  -- Function: double gsl_cdf_fdist_Q (double X, double NU1, double NU2)
6234  -- Function: double gsl_cdf_fdist_Pinv (double P, double NU1, double
6235           NU2)
6236  -- Function: double gsl_cdf_fdist_Qinv (double Q, double NU1, double
6237           NU2)
6238      These functions compute the cumulative distribution functions
6239      P(x), Q(x) and their inverses for the F-distribution with NU1 and
6240      NU2 degrees of freedom.
6241
6242 \1f
6243 File: gsl-ref.info,  Node: The t-distribution,  Next: The Beta Distribution,  Prev: The F-distribution,  Up: Random Number Distributions
6244
6245 19.19 The t-distribution
6246 ========================
6247
6248 The t-distribution arises in statistics.  If Y_1 has a normal
6249 distribution and Y_2 has a chi-squared distribution with \nu degrees of
6250 freedom then the ratio,
6251
6252      X = { Y_1 \over \sqrt{Y_2 / \nu} }
6253
6254 has a t-distribution t(x;\nu) with \nu degrees of freedom.
6255
6256  -- Function: double gsl_ran_tdist (const gsl_rng * R, double NU)
6257      This function returns a random variate from the t-distribution.
6258      The distribution function is,
6259
6260           p(x) dx = {\Gamma((\nu + 1)/2) \over \sqrt{\pi \nu} \Gamma(\nu/2)}
6261              (1 + x^2/\nu)^{-(\nu + 1)/2} dx
6262
6263      for -\infty < x < +\infty.
6264
6265  -- Function: double gsl_ran_tdist_pdf (double X, double NU)
6266      This function computes the probability density p(x) at X for a
6267      t-distribution with NU degrees of freedom, using the formula given
6268      above.
6269
6270
6271  -- Function: double gsl_cdf_tdist_P (double X, double NU)
6272  -- Function: double gsl_cdf_tdist_Q (double X, double NU)
6273  -- Function: double gsl_cdf_tdist_Pinv (double P, double NU)
6274  -- Function: double gsl_cdf_tdist_Qinv (double Q, double NU)
6275      These functions compute the cumulative distribution functions
6276      P(x), Q(x) and their inverses for the t-distribution with NU
6277      degrees of freedom.
6278
6279 \1f
6280 File: gsl-ref.info,  Node: The Beta Distribution,  Next: The Logistic Distribution,  Prev: The t-distribution,  Up: Random Number Distributions
6281
6282 19.20 The Beta Distribution
6283 ===========================
6284
6285  -- Function: double gsl_ran_beta (const gsl_rng * R, double A, double
6286           B)
6287      This function returns a random variate from the beta distribution.
6288      The distribution function is,
6289
6290           p(x) dx = {\Gamma(a+b) \over \Gamma(a) \Gamma(b)} x^{a-1} (1-x)^{b-1} dx
6291
6292      for 0 <= x <= 1.
6293
6294  -- Function: double gsl_ran_beta_pdf (double X, double A, double B)
6295      This function computes the probability density p(x) at X for a
6296      beta distribution with parameters A and B, using the formula given
6297      above.
6298
6299
6300  -- Function: double gsl_cdf_beta_P (double X, double A, double B)
6301  -- Function: double gsl_cdf_beta_Q (double X, double A, double B)
6302  -- Function: double gsl_cdf_beta_Pinv (double P, double A, double B)
6303  -- Function: double gsl_cdf_beta_Qinv (double Q, double A, double B)
6304      These functions compute the cumulative distribution functions
6305      P(x), Q(x) and their inverses for the beta distribution with
6306      parameters A and B.
6307
6308 \1f
6309 File: gsl-ref.info,  Node: The Logistic Distribution,  Next: The Pareto Distribution,  Prev: The Beta Distribution,  Up: Random Number Distributions
6310
6311 19.21 The Logistic Distribution
6312 ===============================
6313
6314  -- Function: double gsl_ran_logistic (const gsl_rng * R, double A)
6315      This function returns a random variate from the logistic
6316      distribution.  The distribution function is,
6317
6318           p(x) dx = { \exp(-x/a) \over a (1 + \exp(-x/a))^2 } dx
6319
6320      for -\infty < x < +\infty.
6321
6322  -- Function: double gsl_ran_logistic_pdf (double X, double A)
6323      This function computes the probability density p(x) at X for a
6324      logistic distribution with scale parameter A, using the formula
6325      given above.
6326
6327
6328  -- Function: double gsl_cdf_logistic_P (double X, double A)
6329  -- Function: double gsl_cdf_logistic_Q (double X, double A)
6330  -- Function: double gsl_cdf_logistic_Pinv (double P, double A)
6331  -- Function: double gsl_cdf_logistic_Qinv (double Q, double A)
6332      These functions compute the cumulative distribution functions
6333      P(x), Q(x) and their inverses for the logistic distribution with
6334      scale parameter A.
6335
6336 \1f
6337 File: gsl-ref.info,  Node: The Pareto Distribution,  Next: Spherical Vector Distributions,  Prev: The Logistic Distribution,  Up: Random Number Distributions
6338
6339 19.22 The Pareto Distribution
6340 =============================
6341
6342  -- Function: double gsl_ran_pareto (const gsl_rng * R, double A,
6343           double B)
6344      This function returns a random variate from the Pareto
6345      distribution of order A.  The distribution function is,
6346
6347           p(x) dx = (a/b) / (x/b)^{a+1} dx
6348
6349      for x >= b.
6350
6351  -- Function: double gsl_ran_pareto_pdf (double X, double A, double B)
6352      This function computes the probability density p(x) at X for a
6353      Pareto distribution with exponent A and scale B, using the formula
6354      given above.
6355
6356
6357  -- Function: double gsl_cdf_pareto_P (double X, double A, double B)
6358  -- Function: double gsl_cdf_pareto_Q (double X, double A, double B)
6359  -- Function: double gsl_cdf_pareto_Pinv (double P, double A, double B)
6360  -- Function: double gsl_cdf_pareto_Qinv (double Q, double A, double B)
6361      These functions compute the cumulative distribution functions
6362      P(x), Q(x) and their inverses for the Pareto distribution with
6363      exponent A and scale B.
6364
6365 \1f
6366 File: gsl-ref.info,  Node: Spherical Vector Distributions,  Next: The Weibull Distribution,  Prev: The Pareto Distribution,  Up: Random Number Distributions
6367
6368 19.23 Spherical Vector Distributions
6369 ====================================
6370
6371 The spherical distributions generate random vectors, located on a
6372 spherical surface.  They can be used as random directions, for example
6373 in the steps of a random walk.
6374
6375  -- Function: void gsl_ran_dir_2d (const gsl_rng * R, double * X,
6376           double * Y)
6377  -- Function: void gsl_ran_dir_2d_trig_method (const gsl_rng * R,
6378           double * X, double * Y)
6379      This function returns a random direction vector v = (X,Y) in two
6380      dimensions.  The vector is normalized such that |v|^2 = x^2 + y^2
6381      = 1.  The obvious way to do this is to take a uniform random
6382      number between 0 and 2\pi and let X and Y be the sine and cosine
6383      respectively.  Two trig functions would have been expensive in the
6384      old days, but with modern hardware implementations, this is
6385      sometimes the fastest way to go.  This is the case for the Pentium
6386      (but not the case for the Sun Sparcstation).  One can avoid the
6387      trig evaluations by choosing X and Y in the interior of a unit
6388      circle (choose them at random from the interior of the enclosing
6389      square, and then reject those that are outside the unit circle),
6390      and then dividing by \sqrt{x^2 + y^2}.  A much cleverer approach,
6391      attributed to von Neumann (See Knuth, v2, 3rd ed, p140, exercise
6392      23), requires neither trig nor a square root.  In this approach, U
6393      and V are chosen at random from the interior of a unit circle, and
6394      then x=(u^2-v^2)/(u^2+v^2) and y=2uv/(u^2+v^2).
6395
6396  -- Function: void gsl_ran_dir_3d (const gsl_rng * R, double * X,
6397           double * Y, double * Z)
6398      This function returns a random direction vector v = (X,Y,Z) in
6399      three dimensions.  The vector is normalized such that |v|^2 = x^2
6400      + y^2 + z^2 = 1.  The method employed is due to Robert E. Knop
6401      (CACM 13, 326 (1970)), and explained in Knuth, v2, 3rd ed, p136.
6402      It uses the surprising fact that the distribution projected along
6403      any axis is actually uniform (this is only true for 3 dimensions).
6404
6405  -- Function: void gsl_ran_dir_nd (const gsl_rng * R, size_t N, double
6406           * X)
6407      This function returns a random direction vector v =
6408      (x_1,x_2,...,x_n) in N dimensions.  The vector is normalized such
6409      that |v|^2 = x_1^2 + x_2^2 + ... + x_n^2 = 1.  The method uses the
6410      fact that a multivariate gaussian distribution is spherically
6411      symmetric.  Each component is generated to have a gaussian
6412      distribution, and then the components are normalized.  The method
6413      is described by Knuth, v2, 3rd ed, p135-136, and attributed to G.
6414      W. Brown, Modern Mathematics for the Engineer (1956).
6415
6416 \1f
6417 File: gsl-ref.info,  Node: The Weibull Distribution,  Next: The Type-1 Gumbel Distribution,  Prev: Spherical Vector Distributions,  Up: Random Number Distributions
6418
6419 19.24 The Weibull Distribution
6420 ==============================
6421
6422  -- Function: double gsl_ran_weibull (const gsl_rng * R, double A,
6423           double B)
6424      This function returns a random variate from the Weibull
6425      distribution.  The distribution function is,
6426
6427           p(x) dx = {b \over a^b} x^{b-1}  \exp(-(x/a)^b) dx
6428
6429      for x >= 0.
6430
6431  -- Function: double gsl_ran_weibull_pdf (double X, double A, double B)
6432      This function computes the probability density p(x) at X for a
6433      Weibull distribution with scale A and exponent B, using the
6434      formula given above.
6435
6436
6437  -- Function: double gsl_cdf_weibull_P (double X, double A, double B)
6438  -- Function: double gsl_cdf_weibull_Q (double X, double A, double B)
6439  -- Function: double gsl_cdf_weibull_Pinv (double P, double A, double B)
6440  -- Function: double gsl_cdf_weibull_Qinv (double Q, double A, double B)
6441      These functions compute the cumulative distribution functions
6442      P(x), Q(x) and their inverses for the Weibull distribution with
6443      scale A and exponent B.
6444
6445 \1f
6446 File: gsl-ref.info,  Node: The Type-1 Gumbel Distribution,  Next: The Type-2 Gumbel Distribution,  Prev: The Weibull Distribution,  Up: Random Number Distributions
6447
6448 19.25 The Type-1 Gumbel Distribution
6449 ====================================
6450
6451  -- Function: double gsl_ran_gumbel1 (const gsl_rng * R, double A,
6452           double B)
6453      This function returns  a random variate from the Type-1 Gumbel
6454      distribution.  The Type-1 Gumbel distribution function is,
6455
6456           p(x) dx = a b \exp(-(b \exp(-ax) + ax)) dx
6457
6458      for -\infty < x < \infty.
6459
6460  -- Function: double gsl_ran_gumbel1_pdf (double X, double A, double B)
6461      This function computes the probability density p(x) at X for a
6462      Type-1 Gumbel distribution with parameters A and B, using the
6463      formula given above.
6464
6465
6466  -- Function: double gsl_cdf_gumbel1_P (double X, double A, double B)
6467  -- Function: double gsl_cdf_gumbel1_Q (double X, double A, double B)
6468  -- Function: double gsl_cdf_gumbel1_Pinv (double P, double A, double B)
6469  -- Function: double gsl_cdf_gumbel1_Qinv (double Q, double A, double B)
6470      These functions compute the cumulative distribution functions
6471      P(x), Q(x) and their inverses for the Type-1 Gumbel distribution
6472      with parameters A and B.
6473
6474 \1f
6475 File: gsl-ref.info,  Node: The Type-2 Gumbel Distribution,  Next: The Dirichlet Distribution,  Prev: The Type-1 Gumbel Distribution,  Up: Random Number Distributions
6476
6477 19.26 The Type-2 Gumbel Distribution
6478 ====================================
6479
6480  -- Function: double gsl_ran_gumbel2 (const gsl_rng * R, double A,
6481           double B)
6482      This function returns a random variate from the Type-2 Gumbel
6483      distribution.  The Type-2 Gumbel distribution function is,
6484
6485           p(x) dx = a b x^{-a-1} \exp(-b x^{-a}) dx
6486
6487      for 0 < x < \infty.
6488
6489  -- Function: double gsl_ran_gumbel2_pdf (double X, double A, double B)
6490      This function computes the probability density p(x) at X for a
6491      Type-2 Gumbel distribution with parameters A and B, using the
6492      formula given above.
6493
6494
6495  -- Function: double gsl_cdf_gumbel2_P (double X, double A, double B)
6496  -- Function: double gsl_cdf_gumbel2_Q (double X, double A, double B)
6497  -- Function: double gsl_cdf_gumbel2_Pinv (double P, double A, double B)
6498  -- Function: double gsl_cdf_gumbel2_Qinv (double Q, double A, double B)
6499      These functions compute the cumulative distribution functions
6500      P(x), Q(x) and their inverses for the Type-2 Gumbel distribution
6501      with parameters A and B.
6502
6503 \1f
6504 File: gsl-ref.info,  Node: The Dirichlet Distribution,  Next: General Discrete Distributions,  Prev: The Type-2 Gumbel Distribution,  Up: Random Number Distributions
6505
6506 19.27 The Dirichlet Distribution
6507 ================================
6508
6509  -- Function: void gsl_ran_dirichlet (const gsl_rng * R, size_t K,
6510           const double ALPHA[], double THETA[])
6511      This function returns an array of K random variates from a
6512      Dirichlet distribution of order K-1. The distribution function is
6513
6514           p(\theta_1, ..., \theta_K) d\theta_1 ... d\theta_K =
6515             (1/Z) \prod_{i=1}^K \theta_i^{\alpha_i - 1} \delta(1 -\sum_{i=1}^K \theta_i) d\theta_1 ... d\theta_K
6516
6517      for theta_i >= 0 and alpha_i >= 0.  The delta function ensures
6518      that \sum \theta_i = 1.  The normalization factor Z is
6519
6520           Z = {\prod_{i=1}^K \Gamma(\alpha_i)} / {\Gamma( \sum_{i=1}^K \alpha_i)}
6521
6522      The random variates are generated by sampling K values from gamma
6523      distributions with parameters a=alpha_i, b=1, and renormalizing.
6524      See A.M. Law, W.D. Kelton, `Simulation Modeling and Analysis'
6525      (1991).
6526
6527  -- Function: double gsl_ran_dirichlet_pdf (size_t K, const double
6528           ALPHA[], const double THETA[])
6529      This function computes the probability density p(\theta_1, ... ,
6530      \theta_K) at THETA[K] for a Dirichlet distribution with parameters
6531      ALPHA[K], using the formula given above.
6532
6533  -- Function: double gsl_ran_dirichlet_lnpdf (size_t K, const double
6534           ALPHA[], const double THETA[])
6535      This function computes the logarithm of the probability density
6536      p(\theta_1, ... , \theta_K) for a Dirichlet distribution with
6537      parameters ALPHA[K].
6538
6539 \1f
6540 File: gsl-ref.info,  Node: General Discrete Distributions,  Next: The Poisson Distribution,  Prev: The Dirichlet Distribution,  Up: Random Number Distributions
6541
6542 19.28 General Discrete Distributions
6543 ====================================
6544
6545 Given K discrete events with different probabilities P[k], produce a
6546 random value k consistent with its probability.
6547
6548    The obvious way to do this is to preprocess the probability list by
6549 generating a cumulative probability array with K+1 elements:
6550
6551        C[0] = 0
6552      C[k+1] = C[k]+P[k].
6553
6554 Note that this construction produces C[K]=1.  Now choose a uniform
6555 deviate u between 0 and 1, and find the value of k such that C[k] <= u
6556 < C[k+1].  Although this in principle requires of order \log K steps per
6557 random number generation, they are fast steps, and if you use something
6558 like \lfloor uK \rfloor as a starting point, you can often do pretty
6559 well.
6560
6561    But faster methods have been devised.  Again, the idea is to
6562 preprocess the probability list, and save the result in some form of
6563 lookup table; then the individual calls for a random discrete event can
6564 go rapidly.  An approach invented by G. Marsaglia (Generating discrete
6565 random numbers in a computer, Comm ACM 6, 37-38 (1963)) is very clever,
6566 and readers interested in examples of good algorithm design are
6567 directed to this short and well-written paper.  Unfortunately, for
6568 large K, Marsaglia's lookup table can be quite large.
6569
6570    A much better approach is due to Alastair J. Walker (An efficient
6571 method for generating discrete random variables with general
6572 distributions, ACM Trans on Mathematical Software 3, 253-256 (1977);
6573 see also Knuth, v2, 3rd ed, p120-121,139).  This requires two lookup
6574 tables, one floating point and one integer, but both only of size K.
6575 After preprocessing, the random numbers are generated in O(1) time,
6576 even for large K.  The preprocessing suggested by Walker requires
6577 O(K^2) effort, but that is not actually necessary, and the
6578 implementation provided here only takes O(K) effort.  In general, more
6579 preprocessing leads to faster generation of the individual random
6580 numbers, but a diminishing return is reached pretty early.  Knuth points
6581 out that the optimal preprocessing is combinatorially difficult for
6582 large K.
6583
6584    This method can be used to speed up some of the discrete random
6585 number generators below, such as the binomial distribution.  To use it
6586 for something like the Poisson Distribution, a modification would have
6587 to be made, since it only takes a finite set of K outcomes.
6588
6589  -- Function: gsl_ran_discrete_t * gsl_ran_discrete_preproc (size_t K,
6590           const double * P)
6591      This function returns a pointer to a structure that contains the
6592      lookup table for the discrete random number generator.  The array
6593      P[] contains the probabilities of the discrete events; these array
6594      elements must all be positive, but they needn't add up to one (so
6595      you can think of them more generally as "weights")--the
6596      preprocessor will normalize appropriately.  This return value is
6597      used as an argument for the `gsl_ran_discrete' function below.
6598
6599  -- Function: size_t gsl_ran_discrete (const gsl_rng * R, const
6600           gsl_ran_discrete_t * G)
6601      After the preprocessor, above, has been called, you use this
6602      function to get the discrete random numbers.
6603
6604  -- Function: double gsl_ran_discrete_pdf (size_t K, const
6605           gsl_ran_discrete_t * G)
6606      Returns the probability P[k] of observing the variable K.  Since
6607      P[k] is not stored as part of the lookup table, it must be
6608      recomputed; this computation takes O(K), so if K is large and you
6609      care about the original array P[k] used to create the lookup
6610      table, then you should just keep this original array P[k] around.
6611
6612  -- Function: void gsl_ran_discrete_free (gsl_ran_discrete_t * G)
6613      De-allocates the lookup table pointed to by G.
6614
6615 \1f
6616 File: gsl-ref.info,  Node: The Poisson Distribution,  Next: The Bernoulli Distribution,  Prev: General Discrete Distributions,  Up: Random Number Distributions
6617
6618 19.29 The Poisson Distribution
6619 ==============================
6620
6621  -- Function: unsigned int gsl_ran_poisson (const gsl_rng * R, double
6622           MU)
6623      This function returns a random integer from the Poisson
6624      distribution with mean MU.  The probability distribution for
6625      Poisson variates is,
6626
6627           p(k) = {\mu^k \over k!} \exp(-\mu)
6628
6629      for k >= 0.
6630
6631  -- Function: double gsl_ran_poisson_pdf (unsigned int K, double MU)
6632      This function computes the probability p(k) of obtaining  K from a
6633      Poisson distribution with mean MU, using the formula given above.
6634
6635
6636  -- Function: double gsl_cdf_poisson_P (unsigned int K, double MU)
6637  -- Function: double gsl_cdf_poisson_Q (unsigned int K, double MU)
6638      These functions compute the cumulative distribution functions
6639      P(k), Q(k) for the Poisson distribution with parameter MU.
6640
6641 \1f
6642 File: gsl-ref.info,  Node: The Bernoulli Distribution,  Next: The Binomial Distribution,  Prev: The Poisson Distribution,  Up: Random Number Distributions
6643
6644 19.30 The Bernoulli Distribution
6645 ================================
6646
6647  -- Function: unsigned int gsl_ran_bernoulli (const gsl_rng * R, double
6648           P)
6649      This function returns either 0 or 1, the result of a Bernoulli
6650      trial with probability P.  The probability distribution for a
6651      Bernoulli trial is,
6652
6653           p(0) = 1 - p
6654           p(1) = p
6655
6656
6657  -- Function: double gsl_ran_bernoulli_pdf (unsigned int K, double P)
6658      This function computes the probability p(k) of obtaining K from a
6659      Bernoulli distribution with probability parameter P, using the
6660      formula given above.
6661
6662
6663 \1f
6664 File: gsl-ref.info,  Node: The Binomial Distribution,  Next: The Multinomial Distribution,  Prev: The Bernoulli Distribution,  Up: Random Number Distributions
6665
6666 19.31 The Binomial Distribution
6667 ===============================
6668
6669  -- Function: unsigned int gsl_ran_binomial (const gsl_rng * R, double
6670           P, unsigned int N)
6671      This function returns a random integer from the binomial
6672      distribution, the number of successes in N independent trials with
6673      probability P.  The probability distribution for binomial variates
6674      is,
6675
6676           p(k) = {n! \over k! (n-k)! } p^k (1-p)^{n-k}
6677
6678      for 0 <= k <= n.
6679
6680  -- Function: double gsl_ran_binomial_pdf (unsigned int K, double P,
6681           unsigned int N)
6682      This function computes the probability p(k) of obtaining K from a
6683      binomial distribution with parameters P and N, using the formula
6684      given above.
6685
6686
6687  -- Function: double gsl_cdf_binomial_P (unsigned int K, double P,
6688           unsigned int N)
6689  -- Function: double gsl_cdf_binomial_Q (unsigned int K, double P,
6690           unsigned int N)
6691      These functions compute the cumulative distribution functions
6692      P(k), Q(k)  for the binomial distribution with parameters P and N.
6693
6694 \1f
6695 File: gsl-ref.info,  Node: The Multinomial Distribution,  Next: The Negative Binomial Distribution,  Prev: The Binomial Distribution,  Up: Random Number Distributions
6696
6697 19.32 The Multinomial Distribution
6698 ==================================
6699
6700  -- Function: void gsl_ran_multinomial (const gsl_rng * R, size_t K,
6701           unsigned int N, const double P[], unsigned int N[])
6702      This function computes a random sample N[] from the multinomial
6703      distribution formed by N trials from an underlying distribution
6704      P[K]. The distribution function for N[] is,
6705
6706           P(n_1, n_2, ..., n_K) =
6707             (N!/(n_1! n_2! ... n_K!)) p_1^n_1 p_2^n_2 ... p_K^n_K
6708
6709      where (n_1, n_2, ..., n_K) are nonnegative integers with
6710      sum_{k=1}^K n_k = N, and (p_1, p_2, ..., p_K) is a probability
6711      distribution with \sum p_i = 1.  If the array P[K] is not
6712      normalized then its entries will be treated as weights and
6713      normalized appropriately.  The arrays N[] and P[] must both be of
6714      length K.
6715
6716      Random variates are generated using the conditional binomial
6717      method (see C.S. David, `The computer generation of multinomial
6718      random variates', Comp. Stat. Data Anal. 16 (1993) 205-217 for
6719      details).
6720
6721  -- Function: double gsl_ran_multinomial_pdf (size_t K, const double
6722           P[], const unsigned int N[])
6723      This function computes the probability P(n_1, n_2, ..., n_K) of
6724      sampling N[K] from a multinomial distribution with parameters
6725      P[K], using the formula given above.
6726
6727  -- Function: double gsl_ran_multinomial_lnpdf (size_t K, const double
6728           P[], const unsigned int N[])
6729      This function returns the logarithm of the probability for the
6730      multinomial distribution P(n_1, n_2, ..., n_K) with parameters
6731      P[K].
6732
6733 \1f
6734 File: gsl-ref.info,  Node: The Negative Binomial Distribution,  Next: The Pascal Distribution,  Prev: The Multinomial Distribution,  Up: Random Number Distributions
6735
6736 19.33 The Negative Binomial Distribution
6737 ========================================
6738
6739  -- Function: unsigned int gsl_ran_negative_binomial (const gsl_rng *
6740           R, double P, double N)
6741      This function returns a random integer from the negative binomial
6742      distribution, the number of failures occurring before N successes
6743      in independent trials with probability P of success.  The
6744      probability distribution for negative binomial variates is,
6745
6746           p(k) = {\Gamma(n + k) \over \Gamma(k+1) \Gamma(n) } p^n (1-p)^k
6747
6748      Note that n is not required to be an integer.
6749
6750  -- Function: double gsl_ran_negative_binomial_pdf (unsigned int K,
6751           double P, double N)
6752      This function computes the probability p(k) of obtaining K from a
6753      negative binomial distribution with parameters P and N, using the
6754      formula given above.
6755
6756
6757  -- Function: double gsl_cdf_negative_binomial_P (unsigned int K,
6758           double P, double N)
6759  -- Function: double gsl_cdf_negative_binomial_Q (unsigned int K,
6760           double P, double N)
6761      These functions compute the cumulative distribution functions
6762      P(k), Q(k) for the negative binomial distribution with parameters
6763      P and N.
6764
6765 \1f
6766 File: gsl-ref.info,  Node: The Pascal Distribution,  Next: The Geometric Distribution,  Prev: The Negative Binomial Distribution,  Up: Random Number Distributions
6767
6768 19.34 The Pascal Distribution
6769 =============================
6770
6771  -- Function: unsigned int gsl_ran_pascal (const gsl_rng * R, double P,
6772           unsigned int N)
6773      This function returns a random integer from the Pascal
6774      distribution.  The Pascal distribution is simply a negative
6775      binomial distribution with an integer value of n.
6776
6777           p(k) = {(n + k - 1)! \over k! (n - 1)! } p^n (1-p)^k
6778
6779      for k >= 0
6780
6781  -- Function: double gsl_ran_pascal_pdf (unsigned int K, double P,
6782           unsigned int N)
6783      This function computes the probability p(k) of obtaining K from a
6784      Pascal distribution with parameters P and N, using the formula
6785      given above.
6786
6787
6788  -- Function: double gsl_cdf_pascal_P (unsigned int K, double P,
6789           unsigned int N)
6790  -- Function: double gsl_cdf_pascal_Q (unsigned int K, double P,
6791           unsigned int N)
6792      These functions compute the cumulative distribution functions
6793      P(k), Q(k) for the Pascal distribution with parameters P and N.
6794
6795 \1f
6796 File: gsl-ref.info,  Node: The Geometric Distribution,  Next: The Hypergeometric Distribution,  Prev: The Pascal Distribution,  Up: Random Number Distributions
6797
6798 19.35 The Geometric Distribution
6799 ================================
6800
6801  -- Function: unsigned int gsl_ran_geometric (const gsl_rng * R, double
6802           P)
6803      This function returns a random integer from the geometric
6804      distribution, the number of independent trials with probability P
6805      until the first success.  The probability distribution for
6806      geometric variates is,
6807
6808           p(k) =  p (1-p)^(k-1)
6809
6810      for k >= 1.  Note that the distribution begins with k=1 with this
6811      definition.  There is another convention in which the exponent k-1
6812      is replaced by k.
6813
6814  -- Function: double gsl_ran_geometric_pdf (unsigned int K, double P)
6815      This function computes the probability p(k) of obtaining K from a
6816      geometric distribution with probability parameter P, using the
6817      formula given above.
6818
6819
6820  -- Function: double gsl_cdf_geometric_P (unsigned int K, double P)
6821  -- Function: double gsl_cdf_geometric_Q (unsigned int K, double P)
6822      These functions compute the cumulative distribution functions
6823      P(k), Q(k) for the geometric distribution with parameter P.
6824
6825 \1f
6826 File: gsl-ref.info,  Node: The Hypergeometric Distribution,  Next: The Logarithmic Distribution,  Prev: The Geometric Distribution,  Up: Random Number Distributions
6827
6828 19.36 The Hypergeometric Distribution
6829 =====================================
6830
6831  -- Function: unsigned int gsl_ran_hypergeometric (const gsl_rng * R,
6832           unsigned int N1, unsigned int N2, unsigned int T)
6833      This function returns a random integer from the hypergeometric
6834      distribution.  The probability distribution for hypergeometric
6835      random variates is,
6836
6837           p(k) =  C(n_1, k) C(n_2, t - k) / C(n_1 + n_2, t)
6838
6839      where C(a,b) = a!/(b!(a-b)!) and t <= n_1 + n_2.  The domain of k
6840      is max(0,t-n_2), ..., min(t,n_1).
6841
6842      If a population contains n_1 elements of "type 1" and n_2 elements
6843      of "type 2" then the hypergeometric distribution gives the
6844      probability of obtaining k elements of "type 1" in t samples from
6845      the population without replacement.
6846
6847  -- Function: double gsl_ran_hypergeometric_pdf (unsigned int K,
6848           unsigned int N1, unsigned int N2, unsigned int T)
6849      This function computes the probability p(k) of obtaining K from a
6850      hypergeometric distribution with parameters N1, N2, T, using the
6851      formula given above.
6852
6853
6854  -- Function: double gsl_cdf_hypergeometric_P (unsigned int K, unsigned
6855           int N1, unsigned int N2, unsigned int T)
6856  -- Function: double gsl_cdf_hypergeometric_Q (unsigned int K, unsigned
6857           int N1, unsigned int N2, unsigned int T)
6858      These functions compute the cumulative distribution functions
6859      P(k), Q(k) for the hypergeometric distribution with parameters N1,
6860      N2 and T.
6861
6862 \1f
6863 File: gsl-ref.info,  Node: The Logarithmic Distribution,  Next: Shuffling and Sampling,  Prev: The Hypergeometric Distribution,  Up: Random Number Distributions
6864
6865 19.37 The Logarithmic Distribution
6866 ==================================
6867
6868  -- Function: unsigned int gsl_ran_logarithmic (const gsl_rng * R,
6869           double P)
6870      This function returns a random integer from the logarithmic
6871      distribution.  The probability distribution for logarithmic random
6872      variates is,
6873
6874           p(k) = {-1 \over \log(1-p)} {(p^k \over k)}
6875
6876      for k >= 1.
6877
6878  -- Function: double gsl_ran_logarithmic_pdf (unsigned int K, double P)
6879      This function computes the probability p(k) of obtaining K from a
6880      logarithmic distribution with probability parameter P, using the
6881      formula given above.
6882
6883
6884 \1f
6885 File: gsl-ref.info,  Node: Shuffling and Sampling,  Next: Random Number Distribution Examples,  Prev: The Logarithmic Distribution,  Up: Random Number Distributions
6886
6887 19.38 Shuffling and Sampling
6888 ============================
6889
6890 The following functions allow the shuffling and sampling of a set of
6891 objects.  The algorithms rely on a random number generator as a source
6892 of randomness and a poor quality generator can lead to correlations in
6893 the output.  In particular it is important to avoid generators with a
6894 short period.  For more information see Knuth, v2, 3rd ed, Section
6895 3.4.2, "Random Sampling and Shuffling".
6896
6897  -- Function: void gsl_ran_shuffle (const gsl_rng * R, void * BASE,
6898           size_t N, size_t SIZE)
6899      This function randomly shuffles the order of N objects, each of
6900      size SIZE, stored in the array BASE[0..N-1].  The output of the
6901      random number generator R is used to produce the permutation.  The
6902      algorithm generates all possible n!  permutations with equal
6903      probability, assuming a perfect source of random numbers.
6904
6905      The following code shows how to shuffle the numbers from 0 to 51,
6906
6907           int a[52];
6908
6909           for (i = 0; i < 52; i++)
6910             {
6911               a[i] = i;
6912             }
6913
6914           gsl_ran_shuffle (r, a, 52, sizeof (int));
6915
6916
6917  -- Function: int gsl_ran_choose (const gsl_rng * R, void * DEST,
6918           size_t K, void * SRC, size_t N, size_t SIZE)
6919      This function fills the array DEST[k] with K objects taken
6920      randomly from the N elements of the array SRC[0..N-1].  The
6921      objects are each of size SIZE.  The output of the random number
6922      generator R is used to make the selection.  The algorithm ensures
6923      all possible samples are equally likely, assuming a perfect source
6924      of randomness.
6925
6926      The objects are sampled _without_ replacement, thus each object can
6927      only appear once in DEST[k].  It is required that K be less than
6928      or equal to `n'.  The objects in DEST will be in the same relative
6929      order as those in SRC.  You will need to call `gsl_ran_shuffle(r,
6930      dest, n, size)' if you want to randomize the order.
6931
6932      The following code shows how to select a random sample of three
6933      unique numbers from the set 0 to 99,
6934
6935           double a[3], b[100];
6936
6937           for (i = 0; i < 100; i++)
6938             {
6939               b[i] = (double) i;
6940             }
6941
6942           gsl_ran_choose (r, a, 3, b, 100, sizeof (double));
6943
6944
6945  -- Function: void gsl_ran_sample (const gsl_rng * R, void * DEST,
6946           size_t K, void * SRC, size_t N, size_t SIZE)
6947      This function is like `gsl_ran_choose' but samples K items from
6948      the original array of N items SRC with replacement, so the same
6949      object can appear more than once in the output sequence DEST.
6950      There is no requirement that K be less than N in this case.
6951