Description of maxima_unicode_display in reference manual,
[maxima.git] / share / solve_rec / solve_rec.mac
blob89410ea92bca1e2d724afde96ed23b9e1e40e932
1 /*****************************************************************************
2  *                                                                           *
3  * ************************************************************************* *
4  * ***                                                                   *** *
5  * ***                           * Solve_rec *                           *** *
6  * ***                                                                   *** *
7  * ***           This file implements some functions for solving         *** *
8  * ***         recurrence equations with maxima. In particular it        *** *
9  * ***           implements the Petkovsek's hyper algorithm and          *** *
10  * ***       Abramov's algorithm for solving linear recurrences with     *** *
11  * ***                      polynomial coefficients.                     *** *
12  * ***                                                                   *** *
13  * ***                                                                   *** *
14  * ***   Version: 1.08                                                   *** *
15  * ***   Author:  Andrej Vodopivec <andrejv@users.sourceforge.net>       *** *
16  * ***                                                                   *** *
17  * ************************************************************************* *
18  *                                                                           *
19  *                                                                           *
20  * This package solves recurrences using:                                    *
21  *   - characteristic equation method for solving linear recurrences with    *
22  *     constant coefficients                                                 *
23  *   - algorithm hyper for solving linear recurrences with polynomial        *
24  *     coefficients (only homogeneous equations)                             *
25  *   - algorithm ratsol for obtaining rational solutions for linear          *
26  *     reccurences with polynomial coefficients (also inhomogeneous)         *
27  *   - solves ricatti type recurrences                                       *
28  *                                                                           *
29  * Usage:                                                                    *
30  *   - solve_rec(f[n]=f[n-1]+f[n-2], f[n]);                                  *
31  *   - solve_rec(2*x*(x+1)*y[x] - (x^2+3*x-2)*y[x+1] + (x-1)*y[x+2],         *
32  *               y[x], y[1]=1, y[3]=3);                                      *
33  *                                                                           *
34  * Top level functions:                                                      *
35  *   - solve_rec                                                             *
36  *   - solve_rec_poly                                                        *
37  *   - solve_rec_rat                                                         *
38  *   - solve_rec_hyper                                                       *
39  *   - solve_rec_ic                                                          *
40  *   - reduce_order                                                          *
41  *                                                                           *
42  *****************************************************************************/
44 eval_when(batch,
45           ttyoff : true,
46           nolabels : true)$
48 put('solve_rec, 1.08, 'version)$
50 define_variable(solve_rec_warn,        true,   bool)$
52 define_variable(simplify_products,     true,   bool)$
53 define_variable(normalize_products,    true,   bool)$
54 define_variable(distribute_products,   true,   bool)$
55 define_variable(simplify_products_deg,   10, fixnum)$
56 define_variable(product_use_gamma,     true,   bool)$
58 define_variable(use_hyper,             true,   bool)$
59 define_variable(use_ratsol,            true,   bool)$
60 define_variable(hyper_factor_solve,   false,   bool)$
61 define_variable(hyper_all_solutions,   true,   bool)$
62 define_variable(hyper_to_product,      true,   bool)$
64 define_variable(solve_rec_method, 'solve_rec_method, any)$
65 define_variable(shift_op, 'shift_op, any)$
67 define_variable(%n, '%n, any)$
68 define_variable(%f, '%f, any)$
69 define_variable(%m, '%m, any)$
70 define_variable(%n, '%n, any)$
71 define_variable(%l, '%l, any)$
72 define_variable(%j, '%j, any)$
73 define_variable(%k, '%k, any)$
74 define_variable(%x, '%x, any)$
75 define_variable(%u, '%u, any)$
76 define_variable(%z, '%z, any)$
78 sr_print([arg]) :=
79   if solve_rec_warn then apply(print, arg)$
81 /**************************************************************************
82  *
83  * shift operator handling
84  *
85  *************************************************************************/
87 change_to_shift_op(expr, %f, %n) :=
88   if atom(expr) then expr
89   else if part(expr, 0)=%f then block(
90     [k% : args(expr)],
91     if numberp(first(k%)) then expr
92     else funmake('shift_op, [%f, %n, k%[1]-%n])
93   )
94   else if member(part(expr, 0), ["+", "*", "/", "^", "-"]) then
95     apply(part(expr, 0),
96       map(lambda([%u], change_to_shift_op(%u, %f, %n)), args(expr)))
97   else expr$
99 max_shift(expr) :=
100   if atom(expr) then -inf
101   else if part(expr, 0)=shift_op then part(expr, 3)
102   else apply('max, map('max_shift, args(expr)))$
104 min_shift(expr) :=
105   if atom(expr) then inf
106   else if part(expr, 0)=shift_op then part(expr, 3)
107   else apply('min, map('min_shift, args(expr)))$
109 differ_degree(expr) :=
110   if atom(expr) then 0
111   else if part(expr, 0)='shift_op then 1
112   else if part(expr, 0)="+" or part(expr, 0)="-" then
113     apply('max, map('differ_degree, args(expr)))
114   else if part(expr, 0)="*" then apply("+", map('differ_degree, args(expr)))
115   else if part(expr, 0)="^" then block(
116     [dp : differ_degree(part(expr, 2)), db : differ_degree(part(expr, 1))],
117     if dp#0 then inf
118     else if db=0 then 0
119     else db*part(expr, 2)
120   )
121   else if part(expr, 0)="/" then block(
122     [dd : differ_degree(denom(expr)), nd : differ_degree(num(expr))],
123     if dd#0 then inf
124     else nd
125   )
126   else 0$
128 differ_order(expr) := max_shift(expr)-min_shift(expr)$
130 /**************************************************************************
132  * change difference equation to standard form with shift operator
134  *************************************************************************/
136 to_standard_form1(expr, %n, %m) :=
137   if atom(expr) then (
138     if expr=%n then %n-%m
139     else expr
140   )
141   else if part(expr, 0)='shift_op then (
142     if part(expr, 2)=%n then funmake('shift_op, [part(expr, 1), part(expr, 2),
143                                                  part(expr, 3)-%m])
144     else expr
145   )
146   else if member(part(expr, 0), ["+", "-", "*", "/", "^"]) then
147   apply(part(expr, 0), map(lambda([u], to_standard_form1(u, %n, %m)),
148                                   args(expr)))
149   else subst(%n=%n-%m, expr)$
152 to_standard_form(expr, %f, %n) := block(
153   [tmp : expand(lhs(expr)-rhs(expr)), m],
154   tmp : change_to_shift_op(tmp, %f, %n),
155   m : min_shift(tmp),
156   to_standard_form1(tmp, %n, m)
160 /**************************************************************************
162  * Solver functions
164  *************************************************************************/
166 solve_rec(eq, fn, [cond]) := block(
167   [std_form, %f, %n, deg, ord, hyper_to_product : true, sol : false],
168   if atom(fn) then return(false),
169   if length(fn)#1 then return(false),
170   %f : part(fn, 0),
171   %n : part(fn, 1),
172   if not(atom(%f)) or not(mapatom(%n)) then return(false),
173   
174   std_form : subst(cond, eq),
176   std_form : to_standard_form(eq, %f, %n),
177   std_form : expand(num(ratsimp(std_form))),
178   ord : differ_order(std_form),
180   if ord=1 then sol : solve_rec_order_1(std_form, %f, %n, cond)
181   else sol : solve_rec_gen(std_form, %f, %n, cond),
183   if sol=false then false
184   else (
185     if listp(sol) then sol
186     else fn=sol
187   )
190 solve_rec_order_1(std_form, %f, %n, cond) := block(
191   [deg : differ_degree(std_form), sol],
193   if deg=1 then block(
194     [c2, c1, c0],
195     c2 : ratcoeff(std_form, funmake('shift_op, [%f, %n, 1])),
196     c1 : ratcoeff(std_form, funmake('shift_op, [%f, %n, 0])),
197     c0 : ratsimp(std_form - c2*funmake('shift_op, [%f, %n, 1])
198                           - c1*funmake('shift_op, [%f, %n, 0])),
199     solve_rec_lin_1(expand(-c1/c2), expand(-c0/c2), %f, %n, cond)
200   )
202   else if deg=2 then (
203     return(ricatti_type(std_form, %f, %n, cond))
204   )
206   else return(false)
209 solve_rec_gen(std_form, %f, %n, cond) := block(
210   [deg : differ_degree(std_form), coeffs : [], ihom, cc : true, coeffs1,
211    pc : true, sol : false, ord : differ_order(std_form), var, num_sol, i%],
213   if deg#1 then return(false),
215   coeffs : makelist(coeff(std_form, funmake('shift_op, [%f, %n, ord-i%])),
216                     i%, 0, ord),
217   coeffs1 : makelist(ratsimp(coeffs[i%]/coeffs[1]), i%, 1, ord+1),
218   for i%:0 thru ord do (
219     std_form : std_form - coeffs[i%+1]*funmake('shift_op, [%f, %n, ord-i%]),
220     if not(freeof(%n, coeffs1[i%+1])) then cc : false,
221     if not(rec_polyp(coeffs[i%+1], %n)) then pc : false
222   ),
224   ihom : expand(std_form),
226   if cc=true then sol : solve_rec_lin_cc(coeffs1, ihom/coeffs[1], %f, %n, cond)
228   else if pc=true then (
230     if ihom=0 and use_hyper then (
231       sol : hyper(reverse(coeffs), %n),
232       if sol#false then block(
233         [i%],
234         sol : sort(remove_duplicates(sol)),
235         sol : get_linearly_independent1(sol, %n, ord),
236         num_sol : length(sol),
237         sol : sum(%k[i%]*sol[i%]/abs(numfactor(sol[i%])), i%, 1, length(sol)),
238         if num_sol<ord then (
239           sr_print("WARNING: found some hypergeometrical solutions!"),
240           if length(cond)>0 then
241             sol : false
242         )
243         else if length(cond)>0 then
244           sol : solve_rec_ic1(sol, %f, %n, cond,
245                               makelist(%k[i%], i%, 1, length(cond)))
246       )
247     )
249     else if rec_polyp(ihom, %n) and use_ratsol then (
250       sol : solve_rec_rat1(reverse(coeffs), ihom, %n),
251       if sol#false then (
252         var : get_variables(sol),
253         if length(var)<ord then (
254           sr_print("WARNING: found some rational solutions!"),
255           if length(cond)#0 then
256             sol: false
257         )
258         else if length(cond)#0 then
259           sol : solve_rec_ic1(sol, %f, %n, cond,
260                               makelist(var[i%], i%, 1, length(cond)))
261       )
262     )
264   ),
265   sol
268 /**************************************************************************
270  * Get a solution from general solution, which
271  * satisfies conditions in cond.
273  *************************************************************************/
275 solve_rec_ic(eq, fn, cond) := block(
276   [%f, %n, gen_sol, i, c, var],
277   if part(eq, 0)="=" then (
278     eq : rhs(eq)-lhs(eq),
279     c : coeff(eq, fn),
280     eq : eq - c*fn
281   ),
282   %f : part(fn, 0),
283   %n : part(fn, 1),
284   var : get_variables(eq),
285   fn = solve_rec_ic1(eq, %f, %n, cond, var)
288 get_variables(expr) := block(
289   [var : [], v],
290   for v in listofvars(expr) do
291     if not(atom(v)) and part(v, 0)=%k then var : append(var, [v]),
292   var
295 solve_rec_ic1(gen_sol, %f, %n, cond, var) := block(
296   [i, %d : length(cond), eqns : [], sol, used_vars : [], s, simpsum : true],
298   if length(cond)<length(var) then return(false),
300   for i:1 thru %d do block(
301     [f_l : part(cond, i, 1), f_r : part(cond, i, 2), m],
302     eqns : append(eqns, [subst(part(f_l, 1), %n, gen_sol)=f_r]),
303     used_vars : append(used_vars, [var[i]])
304   ),
305   eqns : ev(eqns, product),
306   sol : linsolve(eqns, used_vars),
307   gen_sol : subst(sol, gen_sol),
308   gen_sol
311 /**************************************************************************
313  * First order linear equations
315  *************************************************************************/
317 solve_rec_lin_1(%a, %b, %f, %n, cond) := block(
318   [gen_sol, simpsum:true, ap, %j, %l, lo, prodhack:true],
320   if length(cond)=0 then (
321     if %b#0 then
322       lo : get_lower_bound(%a*%b, %n)
323     else
324       lo : get_lower_bound(%a, %n)
325   )
326   else lo : part(cond, 1, 1, 1),
328   %b : subst(%j, %n, %b),
329   %a : subst(%l, %n, %a),
331   if freeof(%l, %a) then
332     ap : %a^(%n-%j-1)
333   else (
334     ap : minfactorial(simplify_product(product(%a, %l, %j+1, %n-1))),
335     ap : ap/numfactor(ap)
336   ),
337   if freeof(%l, %a) then
338     gen_sol : %k[1]*%a^(%n-lo)
339   else (
340     gen_sol : minfactorial(simplify_product(product(%a, %l, lo, %n-1))),
341     gen_sol : %k[1]*gen_sol/abs(numfactor(gen_sol))
342   ),
344   gen_sol : gen_sol + nusum(%b*ap, %j, lo, %n-1),
345   solve_rec_method : "First order linear reccurence",
347   if length(cond)>0 then
348     solve_rec_ic1(gen_sol, %f, %n, cond, [%k[1]])
349   else
350     gen_sol
353 get_lower_bound(expr, %n) := block(
354   [ex : ratsimp(expr), sol, s, i, bound : 0, de, nu],
356   de : denom(ex),
357   nu : num(ex),
359   sol : solve(de, %n),
361   if length(sol)>0 then (
362     for i in sol do (
363       s : rhs(i),
364       if integerp(s) and s>= bound then bound : s+1
365     )
366   ),
368   sol : solve(nu, %n),
369   if sol#all and length(sol)>0 then (
370     for i in sol do (
371       s : rhs(i),
372       if integerp(s) and s>= bound then bound : s+1
373     )
374   ),
376   bound
379 /**************************************************************************
381  * Higher order linear equations with constant coefficients
383  *************************************************************************/
385 solve_rec_lin_cc(coeffs, ihom, %f, %n, cond) := block(
386   [gen_sol, hi, i],
388   gen_sol : solve_rec_char_gen(coeffs, %f, %n),
390   if ihom#0 then block(
391     [exps : solve_rec_get_exps(expand(ihom), %n), curr_ihom, pol],
393     exps : remove_duplicates(exps),
395     for ex in exps do block(
396       [base, pow, mul, %emode : false],
397       [pol, ex] : ex,
399       if not(numberp(ex)) then
400         if part(ex, 0)="^" then
401           pow : part(ex, 2)
402         else
403           pow : part(ex, 2, 2),
405       if hipow(pow, %n)>1 then curr_ihom : false
406       else (
407         mul : coeff(pow, %n),
408         if numberp(ex) then base:1
409         else
410           if part(ex, 0)="^" then
411             base : part(ex, 1)
412           else
413             base : 1/part(ex, 2, 1),
414         base : base^mul,
415         if not(freeof(%n, expand(pow-mul*%n))) then curr_ihom : false
416         else
417           curr_ihom:
418             solve_rec_char_part(coeffs, base, pol, ex*pol, %n)),
419       if curr_ihom#false then (
420         gen_sol : gen_sol + curr_ihom,
421         ihom : ratexpand(ihom-pol*ex)
422       )
423     )
424   ),
425   /*
426     Try quite hard to see if ihom = 0, since the a^i/b^i => (a/b)^i
427     step in solve_rec_get_exps might have outwitted the simplifier.
428   */
429   block ([ihom_zero: is (0 = radcan (ihom))],
430     if not(ihom_zero) then
431       if not (rec_polyp(ihom, %n)) then
432         return(false)
433       else
434         ihom : solve_rec_char_part(coeffs, 1, ihom, ihom, %n),
435     if ihom=false then
436       return(false)
437     else
438       gen_sol: gen_sol + ihom,
439     solve_rec_method: "Characteristic equation method",
440     if length(cond)>0 then
441       solve_rec_ic1(gen_sol, %f, %n, cond, makelist(%k[i], i, 1, length(cond)))
442     else gen_sol));
444 solve_rec_char_gen(coeffs, %f, %n) := block(
445   [deg : length(coeffs), %x, pol, sol, i, j:1, gen_sol : 0, %k, i%],
447   pol : sum(coeffs[i%]*%x^(deg-i%), i%, 1, deg),
448   sol : solve(pol, %x),
450   for i:1 thru length(sol) do block(
451     [k%],
452     gen_sol : gen_sol + rhs(sol[i])^%n*
453               sum(%k[j+k%]*%n^k%, k%, 0, multiplicities[i]-1),
454     j : j+multiplicities[i]
455   ),
457   gen_sol
460 solve_rec_char_part(coeffs, po, ihom_pol, ihom, %n) := block(
461   [pol : expand(ihom_pol), hi, u, p%, %u, eqns, i%, char, k, i,
462    %d : length(coeffs)],
463   hi : hipow(pol, %n),
464   if rec_polyp(pol, %n)=false and hi>0 then return(false),
465   p% : sum(%u[i%]*%n^i%, i%, 0, hi),
466   char : sum(coeffs[length(coeffs)-i%]*%x^i%, i%, 0, length(coeffs)-1),
467   while subst(po, %x, char)=0 and char#0 do (
468     p% : p%*%n,
469     char : diff(char, %x)
470   ),
471   p% : expand(p%*po^%n),
472   eqns : 0,
473   for i:1 thru %d do eqns : eqns + subst(%n+%d-i, %n, p%)*coeffs[i],
474   eqns : expand(eqns) + ihom,
475   eqns : expand(eqns/po^%n),
476   eqns : makelist(ratcoeff(eqns, %n, i)=0, i, lopow(eqns,%n), hipow(eqns, %n)),
477   if errcatch(eqns : solve(eqns, makelist(%u[i], i, 0, hi)))=[] then
478     false
479   else (
480     if (listp(eqns[1])) then
481       subst(eqns[1], p%) /*at(p, eqns[1])*/
482     else
483       subst(eqns, p%)
484   )
487 rec_polyp(p, n) :=
488   if freeof(n, p) then true
489   else block(
490     [hi : hipow(p, n)],
491     rec_polyp1(p, n, hi)
492   )$
494 rec_polyp1(p%, %n, hi) := block(
495   [c : ratcoeff(p%, %n, hi)],
496   if not(freeof(%n, hi)) then false
497   else if freeof(%n, c) then (
498     p% : expand(p%-c*%n^hi),
499     if hi=hipow(p%, %n) then false
500     else (
501       hi : hipow(p%,%n),
502       if hi=0 then
503         true
504       else
505         rec_polyp1(p%, %n, hi)
506       )
507   )
508   else
509     false
513   If expr is 1 or of the form u^v then return a pair [u,v] such that
514   u^v=expr. If not, raise an error.
516 solve_rec_split_exponent (expr) :=
517   if expr = 1 then [1, 0]
518   else if atom (expr) then
519     error ("Found atom ", expr, " when expecting an exponent")
520   else if (op (expr) = "/" and first (expr) = 1) then
521     block ([split: solve_rec_split_exponent (second (expr))],
522       [1/first (split), second (split)])
523   else if (op (expr) = "^") then
524     [first (expr), second (expr)]
525   else
526     error ("Found ", expr, " when expecting an exponent")$
529   Try to return a list of pairs [u,v] such that the sum of u*v across
530   the list is equal to expr. Moreover, v is always of the form
531   a^(b*var). If a term can't be factored helpfully like this, it is
532   returned in the form [u, 1].
534   Examples:
536      solve_rec_get_exps(u*v^i, i)      =>  [[u, v^i]]
537      solve_rec_get_exps(u*v^i + w, i)  =>  [[w, 1], [u, v^i]]
538      solve_rec_get_exps(u^i/v^i, i)    =>  [[1, (u/v)^i]]
540 solve_rec_get_exps(expr, var) :=
541   if atom(expr) then [[expr, 1]]
543   else if op(expr)="+" then
544     apply(append,
545           map(lambda([u], solve_rec_get_exps(u, var)), args(expr)))
547   /* Should only ever see unary minus, but test for length anyway */
548   else if (op(expr) = "-" and length(expr) = 1) then
549     map(lambda([u], [-u[1], u[2]]), solve_rec_get_exps(-expr, var))
551   else if op(expr)="^" then
552   block([bs: first (expr), pw: second (expr)],
553     if freeof(var, pw) or not (freeof (var, bs)) then
554       [[expr, 1]]
555     else block([a0,a1],
556       [a1,a0]: bothcoef(pw, var),
557       if not freeof(var, a0) then [[expr, 1]]
558       else [[bs^a0, bs^(a1*var)]]))
560   else if op(expr) = "*" then
561     [solve_rec_get_exps_mult (args (expr), var)]
563   else if op(expr) = "/" then
564     /*
565       We want to call solve_rec_get_exps_mult with
566       [first(expr),1/second(expr)], but have to avoid an infinite
567       recursion here: if first(expr) = 1, do it by hand.
568     */
569     if first (expr) = 1 then
570       map (lambda ([pair],
571                    [1/first (pair),
572                     if second (pair) = 1 then 1
573                     else
574                       first(second(pair))^(-second(second(pair)))]),
575            solve_rec_get_exps (second (expr), var))
576     else
577       [solve_rec_get_exps_mult([first (expr), 1/second (expr)], var)]$
580   This is the hard case for solve_rec_get_exps. It deals with the
581   multiplication case, taking the terms of the product as the "terms"
582   variable.
584   It will always return exactly one pair.
586 solve_rec_get_exps_mult (terms, var) :=
587   block([pair_lists:
588            map (lambda ([term], solve_rec_get_exps (term, var)),
589                 terms)],
590     /* If any of these isn't a singleton, we've failed already */
591     if some (lambda ([list], length(list) # 1), pair_lists) then
592       [xreduce("*", terms), 1]
593     /* Split results into "easy" (of form [u,1]) and hard (not!) */
594     else
595     block ([easy: 1, hard: []],
596       for pair in map (first, pair_lists) do
597         block ([split: solve_rec_split_exponent (second (pair))],
598           if second (split) = 0 then
599             easy: first (pair) * easy
600           else
601             hard: cons ([first (pair), split], hard)),
602       /* If everything was easy, we're good! */
603       if length (hard) = 0 then [xreduce("*", terms), 1]
604       /* If there was just one "hard" example, we can use that */
605       else if length (hard) = 1 then
606         [easy * first (hard [1]), apply("^", second (hard [1]))]
607       /*
608         We can deal with the case when all the hard examples are "the
609         same" in the sense that second(second(x)) is constant across
610         hard.
611       */
612       else
613         block([e: second (second (first (hard))),
614                others:
615                  map(lambda ([x], second (second (x))), rest (hard))],
616           if not every (lambda ([ee], is (ee = e)), others) then
617             [xreduce("*", terms), 1]
618           else
619             [easy * xreduce ("*", map (first, hard)),
620              xreduce ("*",
621                       map (lambda ([x],
622                                    first (second(x))), hard)) ^ e])))$
624 /**************************************************************************
626  * Special types of difference equations
628  *************************************************************************/
630 ricatti_type(eqn, %f, %n, cond) := block(
631   [q0, p1, p2, p3, %z, eq],
632   q0 : coeff(eqn, funmake('shift_op, [%f, %n, 0])),
633   q0 : coeff(q0, funmake('shift_op, [%f, %n, 1])),
634   if q0=0 then return(false),
635   eqn : eqn - q0*funmake('shift_op, [%f, %n, 0])*funmake('shift_op, [%f, %n, 1]),
636   eqn : expand(eqn/q0),
637   p1 : coeff(eqn, funmake('shift_op, [%f, %n, 1])),
638   p2 : coeff(eqn, funmake('shift_op, [%f, %n, 0])),
639   p3 : expand(eqn - p1*funmake('shift_op, [%f, %n, 1])
640                   - p2*funmake('shift_op, [%f, %n, 0])),
641   if ratsimp(p1*p2-p3)=0 then (
642     solve_rec_method: "Ricatty equation.",
643     return([%f[%n]=-p1, %f[%n]=-subst(%n-1, %n, p2)])
644   ),
645   eq : %z[%n+2] + (p2-ratsubst(%n+1, %n, p1))*%z[%n+1] +
646                          (p3 - p1*p2)*%z[%n],
647   %z : solve_rec(ratsimp(eq), %z[%n]),
648   if %z=false then return(false),
649   %z : normalize_product(subst(%n+1, %n, rhs(%z))/rhs(%z)) - p1,
650   %z : subst(1, %k[2], %z),
651   solve_rec_method : "Ricatti equation.",
652   if length(cond)>0 then
653     solve_rec_ic1(%z, %f, %n, cond, [%k[1]])
654   else
655     %z
658 /**************************************************************************
660  * solve_rec_poly and solve_rec_hyper implement Petkovsek's Hyper
661  * algorithm for hypergeometric solutions of linear recurrences with
662  * polynomial coeffs.
664  *************************************************************************/
666 /**************************************************************************
668  * Algorithm Poly
670  *************************************************************************/
672 solve_rec_poly(eqn, fn) := block(
673   [std_form, %f, %n, deg, ord, coeffs, c, sol],
674   if atom(fn) then return(false),
675   if length(fn)#1 then return(false),
676   %f : part(fn, 0),
677   %n : part(fn, 1),
678   std_form : to_standard_form(eqn, %f, %n),
679   std_form : expand(num(ratsimp(std_form))),
680   ord : differ_order(std_form),
681   deg : differ_degree(std_form),
682   if deg#1 then return(false),
683   coeffs : makelist(coeff(std_form, funmake('shift_op, [%f, %n, i])), i, 0, ord),
684   for i:1 thru length(coeffs) do
685     std_form : std_form-coeffs[i]*funmake('shift_op, [%f, %n, i-1]),
686   std_form : expand(std_form),
687   sol : hyper_poly(coeffs, std_form, %n),
688   if sol#false then fn = sol
689   else false
692 hyper_poly(coeffs, ihom, %n) := block(
693   [m : apply('max, map(lambda([u], hipow(u,%n)), coeffs)), s : -1, i%, j%,
694    d : length(coeffs), j, deg_poly : 0, i, sol, deg, %x, gen_p, %u, eqn,
695    val, solutions, linsolvewarn:false, linsolve_params:false, %k, vars],
696   while true do (
697     s : s+1,
698     j : 0,
699     deg_poly : coeff(coeffs[1], %n, m-s) +
700                sum(
701                   binomial(%x, j%)*
702                     sum(i%^j%*coeff(coeffs[i%+1], %n, m-s+j%), i%, 1, d-1),
703                   j%, 0, s
704                ),
705     deg_poly : ratsimp(deg_poly),
706     if deg_poly#0 then return(true)
707     ),
708   sol : solve(deg_poly, %x),
709   deg : -1,
710   for j in sol do
711     if integerp(part(j,2)) and part(j,2)>deg then deg : part(j,2),
712   if ihom#0 then deg : max(deg, hipow(ihom, %n) - m + s),
713   if deg=-1 then return(false)
714   else (
715     gen_p : sum(%k[i%+1]*%n^i%, i%, 0, deg),
716     eqn : sum(coeffs[j%]*subst(%n+j%-1, %n, gen_p), j%, 1, d),
717     eqn : expand(eqn+ihom),
718     eqn : makelist(coeff(eqn, %n, i)=0, i, 0, hipow(eqn, %n)),
719     if errcatch(sol : linsolve(eqn, makelist(%k[i+1], i, 0, deg)))=[] then
720       return(false),
721     gen_p : expand(subst(sol, gen_p)),
722     gen_p
723   )
726 /**************************************************************************
728  * Algorithm Hyper
730  *************************************************************************/
732 solve_rec_hyper(eqn, fn) := block(
733   [std_form, %f, %n, deg, ord, coeffs, c],
734   if atom(fn) then return(false),
735   if length(fn)#1 then return(false),
736   %f : part(fn, 0),
737   %n : part(fn, 1),
738   std_form : to_standard_form(eqn, %f, %n),
739   std_form : expand(num(ratsimp(std_form))),
740   ord : differ_order(std_form),
741   deg : differ_degree(std_form),
742   if deg#1 then return(false),
743   coeffs : makelist(coeff(std_form, funmake('shift_op, [%f, %n, i])), i, 0, ord),
744   for i:1 thru length(coeffs) do
745     std_form : std_form-coeffs[i]*funmake('shift_op, [%f, %n, i-1]),
746   std_form : expand(std_form),
747   if std_form#0 then return(false),
748   coeffs : hyper(coeffs, %n),
749   if coeffs=false then false
750   else (
751     if hyper_to_product then
752       coeffs : map(lambda([u], u/abs(numfactor(u))), coeffs),
753     coeffs : remove_duplicates(coeffs),
754     coeffs
755   )
758 hyper(polys, %n) := block(
759   [d : length(polys), coeffs : [], Al, A, Bl,  B, j, i, m, eqn, %z, i%,
760    solutions : [], have_solution : false, forbidden_deg_diff : []],
761   Al : expand(polys[1]/coeff(polys[1], %n, hipow(polys[1], %n))),
762   Al : monic_factors(Al, %n),
763   Bl : expand(subst(%n-d+2, %n, polys[d])),
764   Bl : expand(Bl/coeff(Bl, %n, hipow(Bl, %n))),
765   Bl : monic_factors(Bl, %n),
766   for A in Al do (
767     if have_solution=true and hyper_all_solutions=false then return(1),
768     for B in Bl do (
769       if have_solution=true and hyper_all_solutions=false then return(1),
770       if not(member(hipow(A, %n)-hipow(B, %n), forbidden_deg_diff)) then (
771         coeffs : makelist(expand(polys[i]*
772                           my_prod(subst(%n+j-1, %n, A), j, 0, i-1)*
773                           my_prod(subst(%n+j-1, %n, B), j, i, d-1)), i, 1, d),
774         m : apply('max, map(lambda([u], hipow(u, %n)), coeffs)),
775         eqn : sum(%z^(i%-1)*coeff(coeffs[i%], %n, m), i%, 1, d),
776         eqn : solve(eqn=0, [%z]),
777         eqn : map('rhs, eqn),
778         if (length(eqn)=1 and eqn[1]=0) or length(eqn)=0 then
779           if not(member(hipow(A, %n)-hipow(B, %n), forbidden_deg_diff)) then
780             forbidden_deg_diff : append([hipow(A, %n)-hipow(B, %n)],
781                                          forbidden_deg_diff),
782         for %z in eqn do block(
783           [poly_eqn, gc],
784           if %z=0 then return(false),
785           gc : expand(A*subst(%n+d-2, %n, B)),
786           poly_eqn : makelist(%z^i*coeffs[i+1]/gc, i, 0, d-1),
787           poly_eqn : hyper_poly(expand(ratsimp(poly_eqn)), 0, %n),
788           if poly_eqn#false then block(
789             [basis : [], vars : listofvars(poly_eqn), v, sol, lo],
790             for v in vars do (
791               if not(atom(v)) and part(v, 0)=%k then
792                 basis : append(basis, [coeff(poly_eqn, v)])
793             ),
794             for sol in basis do (
795               sol : %z*A/B*subst(%n+1, %n, sol)/sol,
796               if hyper_to_product then (
797                 sol : subst(%j, %n, sol),
798                 lo : get_lower_bound(sol, %j),
799                 sol : apply(nounify('product), [sol, %j, lo, %n-1]),
800                 sol : minfactorial(simplify_product(sol)),
801                 sol : sol/numfactor(sol)
802               ),
803               solutions : append(solutions, [sol]),
804               have_solution : true
805             )
806           )
807         )
808       )
809     )
810   ),
811   if length(solutions)=0 then false
812   else (
813     solve_rec_method : "Hyper algorithm",
814     factor(solutions)
815   )
818 monic_factors(p, %n) :=
819   if hyper_factor_solve then monic_factors_sol(p, %n)
820   else monic_factors_fac(p, %n)$
822 monic_factors_fac(p, %n) := block(
823   [zeros, factors, sol : [1], f, d, tmp, i, pol, fac, lcoeff, %%n, deg],
824   factors : factor(p),
825   if atom(factors) then return([1, factors]),
826   if part(factors, 0)="/" then factors : part(factors, 1),
827   if part(factors, 0)="-" then factors : factors*(-1),
829   /* This is a dirty trick to get a product */
830   if member(part(factors, 0), ["^", "+"]) then factors : %%n*factors,
832   for f in factors do (
833     if not(freeof(%n, f)) then (
834       tmp : sol,
835       if not(atom(f)) and part(f, 0)="^" then (
836         deg : part(f, 2),
837         f : part(f, 1)
838       )
839       else
840         deg : 1,
841       for i:1 thru deg do (
842         for s in sol do (
843           fac : expand(s*f^i),
844           tmp : append(tmp, [expand(s*f^i/coeff(fac, %n, hipow(fac, %n)))])
845         )
846       ),
847       sol : tmp
848     )
849   ),
850   sol
853 monic_factors_sol(p, %n) := block(
854   [zeros : [], factors],
855   factors : [1],
856   zeros : solve(p, %n),
857   zeros : map('rhs, zeros),
858   for i:1 thru length(zeros) do block(
859     [tmp : []],
860     for j:0 thru multiplicities[i] do
861       for z in factors do tmp : append(tmp, [expand(z*(%n-zeros[i])^j)]),
862     factors : tmp
863   ),
864   factors
867 /**************************************************************************
869  * solve_rec_rat implements Abramov's algorithm for rational solutions of
870  * linear reccurences with polynomial coefficients.
872  *************************************************************************/
874 /**************************************************************************
876  * Algorithm RatSol
878  *************************************************************************/
881 solve_rec_rat(eqn, fn) := block(
882   [std_form, %f, %n, deg, ord, coeffs, c, hyper_to_product : false],
883   if atom(fn) then return(false),
884   if length(fn)#1 then return(false),
885   %f : part(fn, 0),
886   %n : part(fn, 1),
887   std_form : to_standard_form(eqn, %f, %n),
888   std_form : expand(num(ratsimp(std_form))),
889   ord : differ_order(std_form),
890   deg : differ_degree(std_form),
891   if deg#1 then return(false),
892   coeffs : makelist(coeff(std_form, funmake('shift_op, [%f, %n, i])), i, 0, ord),
893   for i:1 thru length(coeffs) do
894     std_form : std_form-coeffs[i]*funmake('shift_op, [%f, %n, i-1]),
895   std_form : expand(std_form),
896   coeffs : solve_rec_rat1(coeffs, std_form, %n),
897   if coeffs=false then false
898   else fn = factor(coeffs)
901 solve_rec_rat1(coeffs, ihom, %n) := block(
902   [A, B, ord : length(coeffs), res, %y, i, M : -1, d, u : 1, sol, eq, i%,
903    gc, coeffs1, prodhack:true],
904   coeffs1 : makelist(subst(%n-i+1, %n, coeffs[i]), i, 1, ord),
905   gc : apply('ezgcd, coeffs1)[1],
906   u : gc,
907   A : expand(subst(%n-ord+1, %n, coeffs[ord]))/gc,
908   B : expand(coeffs[1])/gc,
909   res : resultant(A, expand(subst(%n+%y, %n, B)), %n),
910   res : map('rhs, solve(res, %y)),
911   for i in res do
912     if integerp(i) then M : max(M, i),
913   for i:M thru 0 step -1 do (
914     d : gcd(A, subst(%n+i, %n, B)),
915     A : ratsimp(A/d),
916     B : ratsimp(B/subst(%n-i, %n, d)),
917     for j:0 thru i do u : u*subst(%n-j, %n, d)
918   ),
919   eq : sum(coeffs[i%]/subst(%n+i%-1, %n, u)*%y[%n+i%-1], i%, 1, ord) + ihom,
920   sol : solve_rec_poly(eq, %y[%n]),
921   if sol=false then return(false),
922   solve_rec_method : "RatSol algorithm",
923   rhs(sol)/u
926 /**************************************************************************
928  * Select linearly independent solutions
930  *************************************************************************/
932 casoratian_determinant(l, %n) := block(
933   [ml, M, i, j, n : length(l)],
934   ml : makelist(
935            makelist(subst(%n+j-1, %n, l[i]), i, 1, n),
936          j, 1, n),
937   M : apply('matrix, ml),
938   determinant(M)
941 get_linearly_independent(sol, %n) := block(
942   [lin_in : [sol[1]], s, tst, d, m, dd],
943   for s:2 thru length(sol) do (
944     d : casoratian_determinant(append(lin_in, [sol[s]]), %n),
945     d : makefact(d),
946     d : minfactorial(d),
947     d : factcomb(d),
948     d : fullratsimp(d),
949     if d#0 then lin_in : append(lin_in, [sol[s]])
950   ),
951   lin_in
954 get_linearly_independent1(sol, %n, ord) := block(
955   [lin_in : [sol[1]], mat, %%i, %%j, mat1],
956   mat : makelist(subst(%n+%%j-1, %n, sol[1]), %%j, 1, ord),
957   mat : apply('matrix, [mat]),
958   mat : transpose(mat),
959   for s:2 thru length(sol) do (
960     mat1 : addcol(mat,
961       minfactorial(makefact(makelist(subst(%n+%%j-1, %n, sol[s]), %%j, 1, ord)))
962       ),
963     if rank(mat1)=length(lin_in)+1 then (
964       lin_in : cons(sol[s], lin_in),
965       mat : mat1
966     )
967   ),
968   lin_in
971 /**************************************************************************
973  * Reduce the order of equation
975  *************************************************************************/
977 reduce_order(eqn, sol, fn) := block(
978   [%u, %z, eq, hi, lo, i, c, sumsplitfact : false, %j, %f, %n, e1, e2],
979   %f : part(fn, 0),
980   %n : part(fn, 1),
981   eq : to_standard_form(rhs(eqn)-lhs(eqn), %f, %n),
982   hi : max_shift(eq),
983   lo : min_shift(eq),
984   for i:lo thru hi do (
985     eq : subst(subst(%n+i, %n, sol)*funmake('shift_op, [%z, %n, i]),
986                      funmake('shift_op, [%f, %n, i]), eq)
987   ),
988   for i:hi thru lo+1 step -1 do (
989     c : ratcoeff(eq, funmake('shift_op, [%z, %n, i])),
990     eq : expand(ratsubst(%u[%n+i-1]+funmake('shift_op, [%z, %n, i-1]),
991                          funmake('shift_op, [%z, %n, i]), eq))
992   ),
993   eq : factcomb(eq),
994   c : ratcoeff(eq, funmake('shift_op, [%z, %n, 0])),
995   if c#0 then return(false),
996   eq : expand(eq - c*funmake('shift_op, [%z, %n, 0])),
997   e1 : %f[%n] = sol*%z[%n],
998   ldisplay(e1),
999   e2 : %z[%n] = 'sum(%u[%j], %j, 0, %n-1),
1000   ldisplay(e2),
1001   num(ratsimp(eq))
1004 /**************************************************************************
1006  * Simplify products - sometimes we can get rational solutions from
1007  * hypergeometrical if we can simplify products well.
1009  * Maxima does not handle products well - this simplifies product in some
1010  * cases.
1012  * - simplify_product simplifies products like
1014  *     product(n/(n+3), n, 1, k) ==> 6/((k+1)*(k+2)(k+3))
1016  *   to disable automatic simplification, set simplify_products to false
1018  * - normalize product changes the upper bound for products like
1020  *     product(n^2-1, n, 1, k-1) ==> product(n^2-1, n, 1, k)/(k^2-1)
1022  *   to disable automatic normalization, set normalize_products to false
1024  *************************************************************************/
1026 simplify_product(prod) := block(
1027   [term, %n, lo, hi, %kk : 0, nu, de, comm : [], p% : 1,
1028    deg : simplify_products_deg, %j1],
1029   if simplify_products=false then return(prod),
1030   if atom(prod) then return(prod),
1031   if member(part(prod, 0), ["+", "-", "*", "/", "^"]) then
1032     return(apply(part(prod, 0), map('simplify_product, args(prod)))),
1033   if part(prod, 0)#nounify('product) then return(prod),
1035   /* Read product arguments. */
1036   %n : part(prod, 2),
1037   lo : part(prod, 3),
1038   hi : part(prod, 4),
1039   term : factor(part(prod, 1)),
1041   if lo#1 then return(simplify_product(changevar(prod, %j1=%n-lo+1, %j1, %n))),
1043   /* Check for simple cases.   */
1044   if term=%n then return(hi!/(lo-1)!),
1046   if atom(term) or freeof(%n, term) then return(term^(hi-lo+1)),
1048   /* Distribute over products.  */
1049   if part(term, 0)="*" then (
1050       p%*apply("*", map(lambda([u], simplify_product(apply(nounify('product),
1051                 [u, %n, lo, hi]))),
1052           args(term)))
1053   )
1054   /* Take care of fractions. */
1055   else if part(term, 0)="/" then block(
1056     [nu : num(term), de : denom(term)],
1057     /* Check for cancellations. */
1058     for %kk:-deg thru deg do block(
1059       [g],
1060       g : gcd(expand(subst(%n+%kk, %n, nu)), de),
1061       if not(freeof(%n, g)) then (
1062         comm : append(comm, [[%kk, g, subst(%n-%kk, %n, g)]]),
1063         de : ratsimp(de/g),
1064         nu : ratsimp(nu/subst(%n-%kk, %n, g))
1065       )
1066     ),
1067     /* Cancel common terms. */
1068     for c in comm do block(
1069       [kk : c[1], d],
1070       if kk<0 then (
1071         p% : p%*my_prod(c[3], %n, hi+kk+1, hi),
1072         d : my_prod(c[2], %n, lo, lo-kk-1),
1073         p% : p%/d
1074       )
1075       else (
1076         p% : p%*1/my_prod(c[2], %n, hi-kk+1, hi),
1077         d : my_prod(c[3], %n, lo, lo+kk-1),
1078         p% : p%*d
1079       )
1080     ),
1081     /* Distribute over fractions. */
1082     nu : simplify_product(apply(nounify('product), [nu, %n, lo, hi])),
1083     de : simplify_product(apply(nounify('product), [de, %n, lo, hi])),
1084     p%*nu/de
1085   )
1086   else if part(term, 0)="^" and integerp(part(term, 2)) then (
1087     simplify_product(apply(nounify('product), [part(term, 1), %n, lo, hi]))^
1088       part(term, 2)
1089   )
1090   /* Assume we have a poly. */
1091   else block(
1092     [aa, bb, lcoeff, %m],
1093     bb : bothcoef(term, %n), aa : bb[1], bb : bb[2],
1095     /* Take care of linear products. */
1096     if freeof(%n, aa) and freeof(%n, bb) then (
1097       if aa=1 then (
1098         %m : term - %n,
1099         (hi+%m)!/(lo+%m-1)!
1100       )
1101       else if aa=-1 then (
1102         %m : term + %n,
1103         (%m-lo)!/(%m-hi-1)!
1104       )
1105       else if product_use_gamma and integerp(aa) then
1106         gamma(subst(hi+1, %n, expand(term/aa)))/
1107         gamma(subst(lo, %n, expand(term/aa)))*aa^(hi-lo+1)
1108       else
1109         prod
1110     )
1111     else if part(term, 0)="-" and length(args(term))=1 then
1112       (-1)^(hi-lo+1)*simplify_product(apply(nounify('product), [-term, %n, lo, hi]))
1113     /* Give up! */
1114     else
1115       p%*apply(nounify('product), [factor(term), %n, lo, hi])
1116   )
1119 normalize_product(%expr) :=
1120   if atom(%expr) or not(normalize_products) then %expr
1121   else if part(%expr, 0)=nounify('product) then block(
1122     [%term : part(%expr, 1),
1123      %var : part(%expr, 2),
1124      %lo : part(%expr, 3),
1125      %hi : part(%expr, 4),
1126      %vars],
1127     %vars : listofvars(%hi),
1128     /* We check if upper limit is const. + numb. - then we normalize to const. */
1129     if length(%vars)=1 and hipow(%hi, %vars[1])=1 then block(
1130       [%co : coeff(%hi, %vars[1]), %dd, %r],
1131       %dd : %hi - %co*%vars[1],
1132       if integerp(%dd) and %dd#0 then (
1133         if %dd>0 then
1134           apply(nounify('product), [%term, %var, %lo, %vars[1]]) *
1135           my_prod(subst(%vars[1]+%r, %var, %term), %r, 1, %dd)
1136         else if %dd<0 then
1137           apply(nounify('product), [%term, %var, %lo, %vars[1]]) /
1138           my_prod(subst(%vars[1]-%r, %var, %term), %r, 0, -%dd-1)
1139       )
1140       else
1141         %expr
1142     )
1143     else
1144       %expr
1145   )
1146   else if member(part(%expr, 0), ["+", "-", "*", "/", "^", "="]) then
1147     apply(part(%expr, 0), map(' normalize_product, args(%expr)))
1148   else
1149     %expr$
1151 my_prod(term, n, lo, hi) := block(
1152   [pr : 1],
1153   for i:lo thru hi do pr : pr*subst(i, n, term),
1154   pr
1157 /*************************************************************************
1159  * Zeilberger package redefines union - we need a workaround.
1161  *************************************************************************/
1163 remove_duplicates(lst) := remove_duplicates1(lst, [])$
1165 remove_duplicates1(lst1, lst2) :=
1166   if length(lst1)=0 then lst2
1167   else if member(first(lst1), lst2) then remove_duplicates1(rest(lst1), lst2)
1168   else remove_duplicates1(rest(lst1), cons(first(lst1), lst2))$
1170 eval_when(batch,
1171           ttyoff : false,
1172           nolabels : false)$