Add mathjax for dgeqrf
[maxima.git] / doc / info / Special.texi.m4
blob9a028857f4e79db0dcc7cfbb93e98e4dab98642d
1 @c -*- mode: texinfo -*-
2 @menu
3 * Introduction to Special Functions::
4 * Bessel Functions::
5 * Airy Functions::
6 * Gamma and Factorial Functions::
7 * Exponential Integrals::
8 * Error Function::
9 * Struve Functions::
10 * Hypergeometric Functions::
11 * Parabolic Cylinder Functions::
12 * Functions and Variables for Special Functions::  
13 @end menu
15 @c -----------------------------------------------------------------------------
16 @node Introduction to Special Functions, Bessel Functions, , Special Functions
17 @section Introduction to Special Functions
18 @c -----------------------------------------------------------------------------
20 Special function notation follows:
22 @example
23 bessel_j (index, expr)         Bessel function, 1st kind
24 bessel_y (index, expr)         Bessel function, 2nd kind
25 bessel_i (index, expr)         Modified Bessel function, 1st kind
26 bessel_k (index, expr)         Modified Bessel function, 2nd kind
28 hankel_1 (v,z)                 Hankel function of the 1st kind
29 hankel_2 (v,z)                 Hankel function of the 2nd kind
30 struve_h (v,z)                 Struve H function
31 struve_l (v,z)                 Struve L function
33 assoc_legendre_p[v,u] (z)      Legendre function of degree v and order u 
34 assoc_legendre_q[v,u] (z)      Legendre function, 2nd kind
36 %f[p,q] ([], [], expr)         Generalized Hypergeometric function
37 gamma (z)                      Gamma function
38 gamma_incomplete_lower (a,z)   Lower incomplete gamma function
39 gamma_incomplete (a,z)         Tail of incomplete gamma function
40 hypergeometric (l1, l2, z)     Hypergeometric function
41 %s[u,v] (z)                    Lommel "small" s function
42 slommel[u,v] (z)               Lommel "big" S function
43 %m[u,k] (z)                    Whittaker function, 1st kind
44 %w[u,k] (z)                    Whittaker function, 2nd kind
45 erfc (z)                       Complement of the erf function
47 expintegral_e (v,z)            Exponential integral E
48 expintegral_e1 (z)             Exponential integral E1
49 expintegral_ei (z)             Exponential integral Ei
50 expintegral_li (z)             Logarithmic integral Li
51 expintegral_si (z)             Exponential integral Si
52 expintegral_ci (z)             Exponential integral Ci
53 expintegral_shi (z)            Exponential integral Shi
54 expintegral_chi (z)            Exponential integral Chi
56 kelliptic (z)                  Complete elliptic integral of the first 
57                                kind (K)
58 parabolic_cylinder_d (v,z)     Parabolic cylinder D function
59 @end example
61 @opencatbox{Categories:}
62 @category{Bessel functions}
63 @category{Airy functions}
64 @category{Special functions}
65 @closecatbox
67 @c -----------------------------------------------------------------------------
68 @node Bessel Functions, Airy Functions, Introduction to Special Functions, Special Functions
69 @section Bessel Functions
70 @c -----------------------------------------------------------------------------
72 @c -----------------------------------------------------------------------------
73 @anchor{bessel_j}
74 @deffn {Function} bessel_j (@var{v}, @var{z})
76 The Bessel function of the first kind of order @math{v} and argument @math{z}.
77 See @urlaands{eqn 9.1.10, 360} and @urldlmf{10.2.E2}.
79 @code{bessel_j} is defined as
81 m4_displaymath(
82 <<<J_v(z) = \sum_{k=0}^{\infty }{{{\left(-1\right)^{k}\,\left(z\over 2\right)^{v+2\,k}
83  }\over{k!\,\Gamma\left(v+k+1\right)}}}>>>,
84 <<<@example
85                 inf
86                 ====       k  - v - 2 k  v + 2 k
87                 \     (- 1)  2          z
88                  >    --------------------------
89                 /        k! gamma(v + k + 1)
90                 ====
91                 k = 0
92 @end example>>>
95 although the infinite series is not used for computations.
97 When @code{besselexpand} is @code{true}, @code{bessel_j} is expanded in terms
98 of elementary functions when the order @math{v} is half of an odd integer. 
99 See @mrefdot{besselexpand}
101 @opencatbox{Categories:}
102 @category{Bessel functions}
103 @category{Special functions}
104 @closecatbox
105 @end deffn
107 @c -----------------------------------------------------------------------------
108 @anchor{bessel_y}
109 @deffn {Function} bessel_y (@var{v}, @var{z})
111 The Bessel function of the second kind of order @math{v} and argument @math{z}.
112 See @urlaands{eqn 9.1.2, 358} and @urldlmf{10.2.E3}.
114 @code{bessel_y} is defined as
115 m4_displaymath(
116 <<<Y_v(z) = {{\cos(\pi v)\, J_v(z) - J_{-v}(z)}\over{\sin{\pi v}}}>>>,
117 <<<@example
118               cos(%pi v) bessel_j(v, z) - bessel_j(-v, z)
119               -------------------------------------------
120                              sin(%pi v)
121 @end example>>>
124 when @math{v} is not an integer.  When @math{v} is an integer @math{n},
125 the limit as @math{v} approaches @math{n} is taken.
127 When @code{besselexpand} is @code{true}, @code{bessel_y} is expanded in terms
128 of elementary functions when the order @math{v} is half of an odd integer. 
129 See @mrefdot{besselexpand}
131 @opencatbox{Categories:}
132 @category{Bessel functions}
133 @category{Special functions}
134 @closecatbox
135 @end deffn
137 @c -----------------------------------------------------------------------------
138 @anchor{bessel_i}
139 @deffn {Function} bessel_i (@var{v}, @var{z})
141 The modified Bessel function of the first kind of order @math{v} and argument
142 @math{z}. See @urlaands{eqn 9.6.10, 375} and @urldlmf{10.25.E2}.
144 @code{bessel_i} is defined as
145 m4_displaymath(
146 <<<I_v(z) = \sum_{k=0}^{\infty } {{1\over{k!\,\Gamma
147  \left(v+k+1\right)}} {\left(z\over 2\right)^{v+2\,k}}}>>>,
148 <<<@example
149                     inf
150                     ====   - v - 2 k  v + 2 k
151                     \     2          z
152                      >    -------------------
153                     /     k! gamma(v + k + 1)
154                     ====
155                     k = 0
156 @end example>>>
159 although the infinite series is not used for computations.
161 When @code{besselexpand} is @code{true}, @code{bessel_i} is expanded in terms
162 of elementary functions when the order @math{v} is half of an odd integer. 
163 See @mrefdot{besselexpand}
166 @opencatbox{Categories:}
167 @category{Bessel functions}
168 @category{Special functions}
169 @closecatbox
170 @end deffn
172 @c -----------------------------------------------------------------------------
173 @anchor{bessel_k}
174 @deffn {Function} bessel_k (@var{v}, @var{z})
176 The modified Bessel function of the second kind of order @math{v} and argument
177 @math{z}. See @urlaands{eqn 9.6.2, 375} and @urldlmf{10.27.E4}.
179 @code{bessel_k} is defined as
180 m4_displaymath(
181 <<<K_v(z) = {1\over 2} \pi\, {I_{-v}(z)-I_{v}(z) \over \sin v\pi}>>>,
182 <<<@example
183                %pi (bessel_i(- v, z) - bessel_i(v, z))
184                ---------------------------------------
185                             2 sin(%pi v)
186 @end example>>>
189 when @math{v} is not an integer.  If @math{v} is an integer @math{n},
190 then the limit as @math{v} approaches @math{n} is taken.
192 When @code{besselexpand} is @code{true}, @code{bessel_k} is expanded in terms
193 of elementary functions when the order @math{v} is half of an odd integer. 
194 See @mrefdot{besselexpand}
197 @opencatbox{Categories:}
198 @category{Bessel functions}
199 @category{Special functions}
200 @closecatbox
201 @end deffn
203 @c -----------------------------------------------------------------------------
204 @anchor{hankel_1}
205 @deffn {Function} hankel_1 (@var{v}, @var{z})
207 The Hankel function of the first kind of order @math{v} and argument @math{z}.
208 See @urlaands{eqn 9.1.3, 358} and @urldlmf{10.4.E3}.
210 @code{hankel_1} is defined as
212 m4_displaymath(
213 <<<H^{(1)}_v(z) = J_v(z) + i Y_v(z)>>>,
214 <<<@example
215    bessel_j(v,z) + %i * bessel_y(v,z)
216 @end example>>>
219 Maxima evaluates @code{hankel_1} numerically for a complex order @math{v} and 
220 complex argument @math{z} in float precision. The numerical evaluation in 
221 bigfloat precision is not supported.
223 When @code{besselexpand} is @code{true}, @code{hankel_1} is expanded in terms
224 of elementary functions when the order @math{v} is half of an odd integer. 
225 See @mrefdot{besselexpand}
227 Maxima knows the derivative of @code{hankel_1} wrt the argument @math{z}.
229 Examples:
231 Numerical evaluation:
233 @c ===beg===
234 @c hankel_1(1,0.5);
235 @c hankel_1(1,0.5+%i);
236 @c ===end===
237 @example
238 @group
239 (%i1) hankel_1(1,0.5);
240 (%o1)        0.24226845767487 - 1.471472392670243 %i
241 @end group
242 @group
243 (%i2) hankel_1(1,0.5+%i);
244 (%o2)       - 0.25582879948621 %i - 0.23957560188301
245 @end group
246 @end example
248 Expansion of @code{hankel_1} when @code{besselexpand} is @code{true}:
250 @c ===beg===
251 @c hankel_1(1/2,z),besselexpand:true;
252 @c ===end===
253 @example
254 @group
255 (%i1) hankel_1(1/2,z),besselexpand:true;
256                sqrt(2) sin(z) - sqrt(2) %i cos(z)
257 (%o1)          ----------------------------------
258                        sqrt(%pi) sqrt(z)
259 @end group
260 @end example
262 Derivative of @code{hankel_1} wrt the argument @math{z}. The derivative wrt the 
263 order @math{v} is not supported. Maxima returns a noun form:
265 @c ===beg===
266 @c diff(hankel_1(v,z),z);
267 @c diff(hankel_1(v,z),v);
268 @c ===end===
269 @example
270 @group
271 (%i1) diff(hankel_1(v,z),z);
272              hankel_1(v - 1, z) - hankel_1(v + 1, z)
273 (%o1)        ---------------------------------------
274                                 2
275 @end group
276 @group
277 (%i2) diff(hankel_1(v,z),v);
278                        d
279 (%o2)                  -- (hankel_1(v, z))
280                        dv
281 @end group
282 @end example
284 @opencatbox{Categories:}
285 @category{Bessel functions}
286 @category{Special functions}
287 @closecatbox
288 @end deffn
290 @c -----------------------------------------------------------------------------
291 @anchor{hankel_2}
292 @deffn {Function} hankel_2 (@var{v}, @var{z})
294 The Hankel function of the second kind of order @math{v} and argument @math{z}.
295 See @urlaands{eqn 9.1.4, 358} and @urldlmf{10.4.E3}.
297 @code{hankel_2} is defined as
299 m4_displaymath(
300 <<<H^{(2)}_v(z) = J_v(z) - i Y_v(z)>>>,
302 @example
303    bessel_j(v,z) - %i * bessel_y(v,z)
304 @end example
305 >>>)
307 Maxima evaluates @code{hankel_2} numerically for a complex order @math{v} and 
308 complex argument @math{z} in float precision. The numerical evaluation in 
309 bigfloat precision is not supported.
311 When @code{besselexpand} is @code{true}, @code{hankel_2} is expanded in terms
312 of elementary functions when the order @math{v} is half of an odd integer. 
313 See @mrefdot{besselexpand}
315 Maxima knows the derivative of @code{hankel_2} wrt the argument @math{z}.
317 For examples see @code{hankel_1}.
319 @opencatbox{Categories:}
320 @category{Bessel functions}
321 @category{Special functions}
322 @closecatbox
323 @end deffn
325 @c -----------------------------------------------------------------------------
326 @anchor{besselexpand}
327 @defvr {Option variable} besselexpand
328 Default value: @code{false}
330 @c REPHRASE
331 Controls expansion of the Bessel, Hankel and Struve functions
332 when the order is half of
333 an odd integer.  In this case, the functions can be expanded
334 in terms of other elementary functions.  When @code{besselexpand} is @code{true},
335 the Bessel function is expanded.
337 @example
338 (%i1) besselexpand: false$
339 (%i2) bessel_j (3/2, z);
340                                     3
341 (%o2)                      bessel_j(-, z)
342                                     2
343 (%i3) besselexpand: true$
344 (%i4) bessel_j (3/2, z);
345                                         sin(z)   cos(z)
346                        sqrt(2) sqrt(z) (------ - ------)
347                                            2       z
348                                           z
349 (%o4)                  ---------------------------------
350                                    sqrt(%pi)
351 (%i5) bessel_y(3/2,z);
352                                         sin(z)    cos(z)
353                     sqrt(2) sqrt(z) ((- ------) - ------)
354                                           z          2
355                                                     z
356 (%o5)               -------------------------------------
357                                   sqrt(%pi)
358 (%i6) bessel_i(3/2,z);
359                                       cosh(z)   sinh(z)
360                      sqrt(2) sqrt(z) (------- - -------)
361                                          z         2
362                                                   z
363 (%o6)                -----------------------------------
364                                   sqrt(%pi)
365 (%i7) bessel_k(3/2,z);
366                                       1        - z
367                            sqrt(%pi) (- + 1) %e
368                                       z
369 (%o7)                      -----------------------
370                                sqrt(2) sqrt(z)
372 @end example
374 @opencatbox{Categories:}
375 @category{Bessel functions}
376 @category{Simplification flags and variables} 
377 @category{Special functions}
378 @closecatbox
379 @end defvr
381 @c -----------------------------------------------------------------------------
382 @anchor{scaled_bessel_i}
383 @deffn {Function} scaled_bessel_i (@var{v}, @var{z}) 
385 The scaled modified Bessel function of the first kind of order
386 @math{v} and argument @math{z}.  That is,
388 m4_displaymath(
389 <<<{\rm scaled\_bessel\_i}(v,z) = e^{-|z|} I_v(z).>>>,
390 <<<scaled_bessel_i(v,z) = exp(-abs(z)) * bessel_i(v,z).>>>)
392 This function is particularly useful
393 for calculating
394 m4_math(<<<I_v(z)>>>,<<<bessel_i>>>) 
395 for large @math{z}, which is large.
396 However, maxima does not otherwise know much about this function.  For
397 symbolic work, it is probably preferable to work with the expression
398 @code{exp(-abs(z))*bessel_i(v, z)}.
400 @opencatbox{Categories:}
401 @category{Bessel functions}
402 @closecatbox
403 @end deffn
405 @anchor{scaled_bessel_i0}
406 @deffn {Function} scaled_bessel_i0 (@var{z}) 
408 Identical to @code{scaled_bessel_i(0,z)}.
410 @opencatbox{Categories:}
411 @category{Bessel functions}
412 @category{Special functions}
413 @closecatbox
414 @end deffn
416 @c -----------------------------------------------------------------------------
417 @anchor{scaled_bessel_i1}
418 @deffn {Function} scaled_bessel_i1 (@var{z})
420 Identical to @code{scaled_bessel_i(1,z)}.
421 @opencatbox{Categories:}
422 @category{Bessel functions}
423 @category{Special functions}
424 @closecatbox
425 @end deffn
427 @c -----------------------------------------------------------------------------
428 @anchor{%s}
429 @deffn {Function} %s [@var{u},@var{v}] (@var{z}) 
430 Lommel's little
431 m4_math(<<<s_{\mu,\nu}(z)>>>, <<<s[u,v](z)>>>) 
432 function.  
433 (@urldlmf{11.9.E3})(G&R 8.570.1).
435 This Lommel function is the particular solution of the inhomogeneous
436 Bessel differential equation:
438 m4_displaymath(
439 <<<{d^2\over dz^2} + {1\over z}{dw\over dz} + \left(1-{\nu^2\over z^2}\right) w = z^{\mu-1}>>>,
440 <<<diff(w,z,2)+1/z*diff(w,z)+(1-v^2/z^2)*w = z^(u-1)>>>)
442 This can be defined by the series
444 m4_displaymath(
445 <<<s_{\mu,\nu}(z) = z^{\mu+1}\sum_{k=0}^{\infty} (-1)^k {z^{2k}\over a_{k+1}(\mu, \nu)}>>>,
446 <<<%s[u,v](z) = z^(u+1)*sum((-1)^k*z^(2*k)/a[k+1](u,v)>>>)
448 where
450 m4_displaymath(
451 <<<a_k(\mu,\nu) = \prod_{m=1}^k \left(\left(\mu + 2m-1\right)^2-\nu^2\right) = 4^k\left(\mu-\nu+1\over 2\right)_k \left(\mu+\nu+1\over 2\right)_k>>>,
452 <<<a[k](u,v) = product(((u+2*m-1)^2-v^2),m,1,k) = 4^k*pochhammer((u-v+1)/2,k)*pochhammer((u+v+1)/2,k)>>>)
454 @opencatbox{Categories:}
455 @category{Bessel functions}
456 @category{Special functions}
457 @closecatbox
458 @end deffn
460 @c -----------------------------------------------------------------------------
461 @deffn {Function} slommel [@var{u},@var{v}] (@var{z}) 
462 Lommel's big
463 m4_math(<<<S_{\mu,\nu}(z)>>>, <<<S[u,v](z)>>>)
464 function.  
465 (@urldlmf{11.9.E5})(G&R 8.570.2).
467 Lommels big S function is another particular solution of the
468 inhomogeneous Bessel differential equation
469 (@pxref{%s}) defined for all values
471 m4_math(\mu, u)
473 m4_mathcomma(\nu, v) 
474 where
476 m4_displaymath(
477 <<<\eqalign{
478 S_{\mu,\nu}(z) = s_{\mu,\nu}(z) + 2^{\mu-1} & \Gamma\left({\mu\over 2} + {\nu\over 2} + {1\over 2}\right) \Gamma\left({\mu\over 2} - {\nu\over 2} + {1\over 2}\right) \cr
479 & \times \left(\sin\left({(\mu-\nu)\pi\over 2}\right) J_{\nu}(z) - \cos\left({(\mu-\nu)\pi\over 2}\right) Y_{\nu}(z)\right)
480 }>>>,
481 <<<@math{slommel[u,v](z) = %s[u,v](z) + 2^(u-1)*gamma(u/2+v/2+1/2)*gamma(u/2-v/2+1/2)
482 * (sin(1/2*(u-v)*%pi)*bessel_j(v,z) - cos(1/2*(u-v)*%pi)*bessel_y(v,z))}>>>)
484 When
485 m4_math(<<<\mu\pm \nu>>>, u+/-v)
486 is an odd
487 negative integer, the limit must be used.
489 @opencatbox{Categories:}
490 @category{Bessel functions}
491 @category{Special functions}
492 @closecatbox
493 @end deffn
496 @c -----------------------------------------------------------------------------
497 @node Airy Functions, Gamma and Factorial Functions, Bessel Functions, Special Functions
498 @section Airy Functions
499 @c -----------------------------------------------------------------------------
501 The Airy functions
502 m4_math(<<<{\rm Ai}(x)>>>,<<<Ai(x)>>>) 
503 and 
504 m4_math(<<<{\rm Bi}(x)>>>,<<<Bi(x)>>>) 
505 are defined in Abramowitz and Stegun,
506 @i{Handbook of Mathematical Functions}, @urlaands{Section 10.4, 446} and @urldlmf{9}.
508 The Airy differential equation is:
510 m4_displaymath(
511 <<<{d^2 y\over dx^2} - xy = 0>>>,
512 <<<@math{diff (y(x), x, 2) - x y(x) = 0}>>>)
514 The numerically satisfactory pair of solutions (@urldlmf{9.2#T1}) on
515 the real line are 
516 m4_math(<<<y = {\rm Ai}(x)>>>,<<<y = Ai(x)>>>) 
517 and 
518 m4_mathdot(<<<y = {\rm Bi}(x)>>>,<<<y = Bi(x)>>>)
519 These two solutions are oscillatory for @math{x < 0}.  
520 m4_math({\rm Ai}(x), Ai(x)) 
522 the solution subject to the condition that 
523 m4_math(y\rightarrow 0, y->0) 
524 as 
525 m4_math(<<<x\rightarrow +\infty,>>>, <<<x -> +inf,>>>)
526 and 
527 m4_math({\rm Bi}(x), Bi(x))
529 the second solution with the
530 same amplitude as 
531 m4_math({\rm Ai}(x),Ai(x)) 
532 as 
533 m4_math(x\rightarrow-\infty,x->minf) 
534 which differs in phase
535 by 
536 m4_mathdot(\pi/2,%pi/2)
537 Also, 
538 m4_math({\rm Bi}(x),Bi(x))
539 is unbounded
540 as 
541 m4_mathdot(x\rightarrow +\infty, x->+inf)
544 If the argument @math{x} is a real or complex floating point 
545 number, the numerical value of the function is returned.
547 @anchor{airy_ai}
548 @deffn {Function} airy_ai (@var{x})
549 The Airy function 
550 m4_mathdot(<<<{\rm Ai}(x)>>>, <<<Ai(x)>>>)
551 See @urlaands{eqn 10.4.2, 446} and @urldlmf{9}.
553 See also @mrefcomma{airy_bi} @mrefcomma{airy_dai} and @mrefdot{airy_dbi}
555 @opencatbox{Categories:}
556 @category{Airy functions}
557 @category{Special functions}
558 @closecatbox
559 @end deffn
561 @c -----------------------------------------------------------------------------
562 @anchor{airy_dai}
563 @deffn {Function} airy_dai (@var{x})
564 The derivative of the Airy function 
565 m4_mathpunc(<<<:>>>,<<<{\rm Ai}(x)>>>,<<<Ai(x)>>>)
568 m4_displaymath(
569 <<<{\rm airy\_dai}(x) = {d\over dx}{\rm Ai}(x)>>>,
570 <<<@math{airy_dai(x) = diff(airy_ai(x),x)>>>}) 
572 See @mrefdot{airy_ai}
574 @opencatbox{Categories:}
575 @category{Airy functions}
576 @category{Special functions}
577 @closecatbox
578 @end deffn
580 @c -----------------------------------------------------------------------------
581 @anchor{airy_bi}
582 @deffn {Function} airy_bi (@var{x})
583 The Airy function 
584 m4_mathdot(<<<{\rm Bi}(x)>>>, Bi(x))
585 See @urlaands{eqn 10.4.3, 446} and  @urldlmf{9}.
587 See @mrefcomma{airy_ai} and @mrefdot{airy_dbi}
589 @opencatbox{Categories:}
590 @category{Airy functions}
591 @category{Special functions}
592 @closecatbox
593 @end deffn
595 @c -----------------------------------------------------------------------------
596 @anchor{airy_dbi}
597 @deffn {Function} airy_dbi (@var{x})
598 The derivative of the Airy function 
599 m4_mathpunc(<<<:>>>,<<<{\rm Bi}(x)>>>, <<<Bi(x)>>>)
602 m4_displaymath(
603 <<<{\rm airy\_dbi}(x) = {d\over dx}{\rm Bi}(x)>>>,
604 <<<@math{airy_dbi(x) = diff(airy_bi(x),x)}>>>)
606 See @mrefcomma{airy_ai} and @mrefdot{airy_bi}
608 @opencatbox{Categories:}
609 @category{Airy functions}
610 @category{Special functions}
611 @closecatbox
612 @end deffn
614 @c -----------------------------------------------------------------------------
615 @node Gamma and Factorial Functions, Exponential Integrals, Airy Functions, Special Functions
616 @section Gamma and Factorial Functions
617 @c -----------------------------------------------------------------------------
619 The gamma function and the related beta, psi and incomplete gamma 
620 functions are defined in Abramowitz and Stegun,
621 @i{Handbook of Mathematical Functions}, Chapter 6.
623 @c FOLLOWING FUNCTIONS IN bffac.mac ARE NOT DESCRIBED IN .texi FILES: !!!
624 @c obfac, azetb, vonschtoonk, divrlst, obzeta, bfhzeta, bfpsi0 !!!
625 @c DON'T KNOW WHICH ONES ARE INTENDED FOR GENERAL USE !!!
627 @c FOLLOWING FUNCTIONS IN bffac.mac ARE DESCRIBED IN Number.texi: !!!
628 @c burn, bzeta, bfzeta !!!
630 @c FOLLOWING FUNCTIONS IN bffac.mac ARE DESCRIBED HERE: !!!
631 @c bfpsi, bffac, cbffac !!!
633 @c -----------------------------------------------------------------------------
634 @anchor{bffac}
635 @deffn {Function} bffac (@var{expr}, @var{n})
637 Bigfloat version of the factorial (shifted gamma)
638 function.  The second argument is how many digits to retain and return,
639 it's a good idea to request a couple of extra.
641 @example
642 (%i1) bffac(1/2,16);
643 (%o1)                        8.862269254527584b-1
644 (%i2) (1/2)!,numer;
645 (%o2)                          0.886226925452758
646 (%i3) bffac(1/2,32);
647 (%o3)                 8.862269254527580136490837416707b-1
648 @end example
650 @opencatbox{Categories:}
651 @category{Gamma and factorial functions}
652 @category{Numerical evaluation}
653 @closecatbox
654 @end deffn
656 @c -----------------------------------------------------------------------------
657 @anchor{bfpsi}
658 @deffn  {Function} bfpsi (@var{n}, @var{z}, @var{fpprec})
659 @deffnx {Function} bfpsi0 (@var{z}, @var{fpprec})
661 @code{bfpsi} is the polygamma function of real argument @var{z} and
662 integer order @var{n}.  See @ref{polygamma, psi} for further
663 information.  @code{bfpsi0} is the digamma function.
664 @code{bfpsi0(@var{z}, @var{fpprec})} is equivalent to @code{bfpsi(0,
665 @var{z}, @var{fpprec})}.
667 These functions return bigfloat values.
668 @var{fpprec} is the bigfloat precision of the return value.
670 @c psi0(1) = -%gamma IS AN INTERESTING PROPERTY BUT IN THE ABSENCE OF ANY OTHER
671 @c DISCUSSION OF THE PROPERTIES OF THIS FUNCTION, THIS STATEMENT SEEMS OUT OF PLACE.
672 @c Note @code{-bfpsi0 (1, fpprec)} provides @code{%gamma} (Euler's constant) as a bigfloat.
674 @example
675 (%i1) bfpsi0(1/3, 15);
676 (%o1)                        - 3.13203378002081b0
677 (%i2) bfpsi0(1/3, 32);
678 (%o2)                - 3.1320337800208063229964190742873b0
679 (%i3) bfpsi(0,1/3,32);
680 (%o3)                - 3.1320337800208063229964190742873b0
681 (%i4) psi[0](1/3);
682                           3 log(3)       %pi
683 (%o4)                  (- --------) - --------- - %gamma
684                              2        2 sqrt(3)
685 (%i5) float(%);
686 (%o5)                         - 3.132033780020806
687 @end example
689 @opencatbox{Categories:}
690 @category{Gamma and factorial functions}
691 @category{Numerical evaluation}
692 @closecatbox
693 @end deffn
695 @c -----------------------------------------------------------------------------
696 @anchor{cbffac}
697 @deffn {Function} cbffac (@var{z}, @var{fpprec})
698 Complex bigfloat factorial.
700 @code{load ("bffac")} loads this function.
702 @example
703 (%i1) cbffac(1+%i,16);
704 (%o1)           3.430658398165453b-1 %i + 6.529654964201666b-1
705 (%i2) (1+%i)!,numer;
706 (%o2)             0.3430658398165453 %i + 0.6529654964201667
707 @end example
709 @opencatbox{Categories:}
710 @category{Gamma and factorial functions}
711 @category{Complex variables}
712 @category{Numerical evaluation}
713 @closecatbox
714 @end deffn
716 @c -----------------------------------------------------------------------------
717 @anchor{gamma}
718 @deffn {Function} gamma (@var{z})
720 The basic definition of the gamma function (@urldlmf{5.2.E1} and @urlaands{eqn 6.1.1, 255}) is
722 m4_displaymath(
723 <<<\Gamma\left(z\right)=\int_{0}^{\infty }{t^{z-1}\,e^ {- t }\;dt}>>>,
724 <<<@example
725                          inf
726                         /
727                         [     z - 1   - t
728              gamma(z) = I    t      %e    dt
729                         ]
730                         /
731                          0
732 @end example>>>)
734 Maxima simplifies @code{gamma} for positive integer and positive and negative 
735 rational numbers. For half integral values the result is a rational number
736 times 
737 m4_mathdot(<<<\sqrt{\pi}>>>,<<<sqrt(%pi)>>>)
738 The simplification for integer values is controlled by 
739 @code{factlim}. For integers greater than @code{factlim} the numerical result of 
740 the factorial function, which is used to calculate @code{gamma}, will overflow. 
741 The simplification for rational numbers is controlled by @code{gammalim} to 
742 avoid internal overflow. See @code{factlim} and @code{gammalim}.
744 For negative integers @code{gamma} is not defined.
746 Maxima can evaluate @code{gamma} numerically for real and complex values in float
747 and bigfloat precision.
749 @code{gamma} has mirror symmetry.
751 When @mref{gamma_expand} is @code{true}, Maxima expands @code{gamma} for 
752 arguments @code{z+n} and @code{z-n} where @code{n} is an integer.
754 Maxima knows the derivative of @code{gamma}.
756 Examples:
758 Simplification for integer, half integral, and rational numbers:
760 @example
761 (%i1) map('gamma,[1,2,3,4,5,6,7,8,9]);
762 (%o1)        [1, 1, 2, 6, 24, 120, 720, 5040, 40320]
763 (%i2) map('gamma,[1/2,3/2,5/2,7/2]);
764                     sqrt(%pi)  3 sqrt(%pi)  15 sqrt(%pi)
765 (%o2)   [sqrt(%pi), ---------, -----------, ------------]
766                         2           4            8
767 (%i3) map('gamma,[2/3,5/3,7/3]);
768                                   2           1
769                           2 gamma(-)  4 gamma(-)
770                       2           3           3
771 (%o3)          [gamma(-), ----------, ----------]
772                       3       3           9
773 @end example
775 Numerical evaluation for real and complex values:
777 @example
778 (%i4) map('gamma,[2.5,2.5b0]);
779 (%o4)     [1.329340388179137, 1.3293403881791370205b0]
780 (%i5) map('gamma,[1.0+%i,1.0b0+%i]);
781 (%o5) [0.498015668118356 - .1549498283018107 %i, 
782           4.9801566811835604272b-1 - 1.5494982830181068513b-1 %i]
783 @end example
785 @code{gamma} has mirror symmetry:
787 @example
788 (%i6) declare(z,complex)$
789 (%i7) conjugate(gamma(z));
790 (%o7)                  gamma(conjugate(z))
791 @end example
793 Maxima expands @code{gamma(z+n)} and @code{gamma(z-n)}, when @mref{gamma_expand} 
794 is @code{true}:
796 @example
797 (%i8) gamma_expand:true$
799 (%i9) [gamma(z+1),gamma(z-1),gamma(z+2)/gamma(z+1)];
800                                gamma(z)
801 (%o9)             [z gamma(z), --------, z + 1]
802                                 z - 1
803 @end example
805 The derivative of @code{gamma}:
807 @example
808 (%i10) diff(gamma(z),z);
809 (%o10)                  psi (z) gamma(z)
810                            0
811 @end example
813 See also @mrefdot{makegamma}
815 The Euler-Mascheroni constant is @code{%gamma}.
817 @opencatbox{Categories:}
818 @category{Gamma and factorial functions}
819 @category{Special functions}
820 @closecatbox
821 @end deffn
823 @c -----------------------------------------------------------------------------
824 @deffn {Function} log_gamma (@var{z})
826 The natural logarithm of the gamma function.
828 @example
829 (%i1) gamma(6);
830 (%o1)                                 120
831 (%i2) log_gamma(6);
832 (%o2)                              log(120)
833 (%i3) log_gamma(0.5);
834 (%o3)                         0.5723649429247004
835 @end example
837 @opencatbox{Categories:}
838 @category{Gamma and factorial functions}
839 @category{Special functions}
840 @closecatbox
841 @end deffn
843 @c -----------------------------------------------------------------------------
844 @deffn {Function} gamma_incomplete_lower (@var{a}, @var{z})
846 The lower incomplete gamma function (@urldlmf{8.2.E1} and @urlaands{eqn 6.5.2, 260}):
848 m4_displaymath(
849 <<<\gamma\left(a , z\right)=\int_{0}^{z}{t^{a-1}\,e^ {- t }\;dt}>>>,
850 <<<@example
851                                     z
852                                    /
853                                    [  a - 1   - t
854     gamma_incomplete_lower(a, z) = I t      %e    dt
855                                    ]
856                                    /
857                                     0
858 @end example>>>
861 See also @mref{gamma_incomplete} (upper incomplete gamma function).
863 @opencatbox{Categories:}
864 @category{Gamma and factorial functions}
865 @category{Special functions}
866 @closecatbox
867 @end deffn
869 @c -----------------------------------------------------------------------------
870 @anchor{gamma_incomplete}
871 @deffn {Function} gamma_incomplete (@var{a}, @var{z})
873 The incomplete upper gamma function (@urldlmf{8.2.E2} and @urlaands{eqn 6.5.3, 260}):
875 m4_displaymath(
876 <<<\Gamma\left(a , z\right)=\int_{z}^{\infty }{t^{a-1}\,e^ {- t }\;dt}>>>,
877 <<<@example
878                               inf
879                              /
880                              [     a - 1   - t
881     gamma_incomplete(a, z) = I    t      %e    dt
882                              ]
883                              /
884                               z
885 @end example
889 See also @mref{gamma_expand} for controlling how
890 @code{gamma_incomplete} is expressed in terms of elementary functions
891 and @code{erfc}.
893 Also see the related functions @mref{gamma_incomplete_regularized} and
894 @mref{gamma_incomplete_generalized}.
896 @opencatbox{Categories:}
897 @category{Gamma and factorial functions}
898 @category{Special functions}
899 @closecatbox
900 @end deffn
902 @c -----------------------------------------------------------------------------
903 @anchor{gamma_incomplete_regularized}
904 @deffn {Function} gamma_incomplete_regularized (@var{a}, @var{z})
906 The regularized incomplete upper gamma function (@urldlmf{8.2.E4}):
908 m4_displaymath(
909 <<<Q\left(a , z\right)={{\Gamma\left(a , z\right)}\over{\Gamma\left(a\right)}}>>>,
910 <<<@example
911 gamma_incomplete_regularized(a, z) = 
912                                         gamma_incomplete(a, z)
913                                         ----------------------
914                                                gamma(a)
915 @end example
916 >>>)
918 See also @mref{gamma_expand} for controlling how
919 @mref{gamma_incomplete} is expressed in terms of elementary functions
920 and @mrefdot{erfc}
922 Also see @mref{gamma_incomplete}.
924 @opencatbox{Categories:}
925 @category{Gamma and factorial functions}
926 @category{Special functions}
927 @closecatbox
928 @end deffn
930 @c -----------------------------------------------------------------------------
931 @anchor{gamma_incomplete_generalized}
932 @deffn {Function} gamma_incomplete_generalized (@var{a}, @var{z1}, @var{z1})
934 The generalized incomplete gamma function.
936 m4_displaymath(
937 <<<\Gamma\left(a , z_{1}, z_{2}\right)=\int_{z_{1}}^{z_{2}}{t^{a-1}\,e^ {- t }\;dt}>>>,
938 <<<@example
939 gamma_incomplete_generalized(a, z1, z2) = 
940                                                z2
941                                               /
942                                               [    a - 1   - t
943                                               I   t      %e    dt
944                                               ]
945                                               /
946                                                z1
947 @end example
948 >>>)
950 Also see @mref{gamma_incomplete} and @mref{gamma_incomplete_regularized}.
952 @opencatbox{Categories:}
953 @category{Gamma and factorial functions}
954 @category{Special functions}
955 @closecatbox
956 @end deffn
959 @c -----------------------------------------------------------------------------
960 @anchor{gamma_expand}
961 @defvr {Option variable} gamma_expand
962 Default value: @code{false}
964 @code{gamma_expand} controls expansion of @mref{gamma_incomplete}.
965 When @code{gamma_expand} is @code{true}, @code{gamma_incomplete(v,z)}
966 is expanded in terms of
967 @code{z}, @code{exp(z)}, and @mref{gamma_incomplete} or @mref{erfc} when possible.
969 @example
970 (%i1) gamma_incomplete(2,z);
971 (%o1)                       gamma_incomplete(2, z)
972 (%i2) gamma_expand:true;
973 (%o2)                                true
974 (%i3) gamma_incomplete(2,z);
975                                            - z
976 (%o3)                            (z + 1) %e
977 @group
978 (%i4) gamma_incomplete(3/2,z);
979                               - z   sqrt(%pi) erfc(sqrt(z))
980 (%o4)               sqrt(z) %e    + -----------------------
981                                                2
982 @end group
983 @group
984 (%i5) gamma_incomplete(4/3,z);
985                                                     1
986                                    gamma_incomplete(-, z)
987                        1/3   - z                    3
988 (%o5)                 z    %e    + ----------------------
989                                              3
990 @end group
991 @group
992 (%i6) gamma_incomplete(a+2,z);
993              a               - z
994 (%o6)       z  (z + a + 1) %e    + a (a + 1) gamma_incomplete(a, z)
995 (%i7) gamma_incomplete(a-2, z);
996         gamma_incomplete(a, z)    a - 2         z            1      - z
997 (%o7)   ---------------------- - z      (--------------- + -----) %e
998            (1 - a) (2 - a)               (a - 2) (a - 1)   a - 2
1000 @end group
1001 @end example
1003 @opencatbox{Categories:}
1004 @category{Gamma and factorial functions}
1005 @category{Simplification flags and variables}
1006 @closecatbox
1008 @end defvr
1009 @c -----------------------------------------------------------------------------
1010 @anchor{gammalim}
1011 @defvr {Option variable} gammalim
1012 Default value: 10000
1014 @c REPHRASE
1015 @code{gammalim} controls simplification of the gamma
1016 function for integral and rational number arguments.  If the absolute
1017 value of the argument is not greater than @code{gammalim}, then
1018 simplification will occur.  Note that the @code{factlim} switch controls
1019 simplification of the result of @code{gamma} of an integer argument as well.
1021 @opencatbox{Categories:}
1022 @category{Gamma and factorial functions}
1023 @category{Simplification flags and variables}
1024 @closecatbox
1026 @end defvr
1028 @c NEED CROSS REFS HERE
1029 @c NEED EXAMPLES HERE
1031 @c -----------------------------------------------------------------------------
1032 @anchor{makegamma}
1033 @deffn {Function} makegamma (@var{expr})
1034 Transforms instances of binomial, factorial, and beta
1035 functions in @var{expr} into gamma functions.
1037 See also @mrefdot{makefact}
1039 @example
1040 (%i1) makegamma(binomial(n,k));
1041                                  gamma(n + 1)
1042 (%o1)                    -----------------------------
1043                          gamma(k + 1) gamma(n - k + 1)
1044 (%i2) makegamma(x!);
1045 (%o2)                            gamma(x + 1)
1046 (%i3) makegamma(beta(a,b));
1047                                gamma(a) gamma(b)
1048 (%o3)                          -----------------
1049                                  gamma(b + a)
1050 @end example
1052 @opencatbox{Categories:}
1053 @category{Gamma and factorial functions}
1054 @closecatbox
1055 @end deffn
1057 @anchor{beta}
1058 @c -----------------------------------------------------------------------------
1059 @deffn {Function} beta (@var{a}, @var{b})
1060 The beta function is defined as
1061 m4_displaymath(
1062 <<<{\rm B}(a, b) = {{\Gamma(a) \Gamma(b)}\over{\Gamma(a+b)}}>>>,
1063 <<<@math{gamma(a) gamma(b)/gamma(a+b)}>>>)
1064 (@urldlmf{5.12.E1} and @urlaands{eqn 6.2.1, 258}).
1066 Maxima simplifies the beta function for positive integers and rational 
1067 numbers, which sum to an integer. When @code{beta_args_sum_to_integer} is 
1068 @code{true}, Maxima simplifies also general expressions which sum to an integer. 
1070 For @var{a} or @var{b} equal to zero the beta function is not defined.
1072 In general the beta function is not defined for negative integers as an 
1073 argument. The exception is for @var{a=-n}, @var{n} a positive integer 
1074 and @var{b} a positive integer with @code{b<=n}, it is possible to define an
1075 analytic continuation. Maxima gives for this case a result.
1077 When @mref{beta_expand} is @code{true}, expressions like @code{beta(a+n,b)} and 
1078 @code{beta(a-n,b)} or @code{beta(a,b+n)} and @code{beta(a,b-n)} with @code{n} 
1079 an integer are simplified.
1081 Maxima can evaluate the beta function for real and complex values in float and 
1082 bigfloat precision. For numerical evaluation Maxima uses @code{log_gamma}:
1084 @example
1085            - log_gamma(b + a) + log_gamma(b) + log_gamma(a)
1086          %e
1087 @end example
1089 Maxima knows that the beta function is symmetric and has mirror symmetry.
1091 Maxima knows the derivatives of the beta function with respect to @var{a} or 
1092 @var{b}.
1094 To express the beta function as a ratio of gamma functions see @code{makegamma}. 
1096 Examples:
1098 Simplification, when one of the arguments is an integer:
1100 @example
1101 (%i1) [beta(2,3),beta(2,1/3),beta(2,a)];
1102                                1   9      1
1103 (%o1)                         [--, -, ---------]
1104                                12  4  a (a + 1)
1105 @end example
1107 Simplification for two rational numbers as arguments which sum to an integer:
1109 @example
1110 (%i2) [beta(1/2,5/2),beta(1/3,2/3),beta(1/4,3/4)];
1111                           3 %pi   2 %pi
1112 (%o2)                    [-----, -------, sqrt(2) %pi]
1113                             8    sqrt(3)
1114 @end example
1116 When setting @code{beta_args_sum_to_integer} to @code{true} more general 
1117 expression are simplified, when the sum of the arguments is an integer:
1119 @example
1120 (%i3) beta_args_sum_to_integer:true$
1121 (%i4) beta(a+1,-a+2);
1122                                 %pi (a - 1) a
1123 (%o4)                         ------------------
1124                               2 sin(%pi (2 - a))
1125 @end example
1127 The possible results, when one of the arguments is a negative integer: 
1129 @example
1130 (%i5) [beta(-3,1),beta(-3,2),beta(-3,3)];
1131                                     1  1    1
1132 (%o5)                            [- -, -, - -]
1133                                     3  6    3
1134 @end example
1136 @code{beta(a+n,b)} or @code{beta(a-n,b)} with @code{n} an integer simplifies when 
1137 @mref{beta_expand} is @code{true}:
1139 @example
1140 (%i6) beta_expand:true$
1141 (%i7) [beta(a+1,b),beta(a-1,b),beta(a+1,b)/beta(a,b+1)];
1142                     a beta(a, b)  beta(a, b) (b + a - 1)  a
1143 (%o7)              [------------, ----------------------, -]
1144                        b + a              a - 1           b
1146 @end example
1148 Beta is not defined, when one of the arguments is zero:
1150 @example
1151 (%i7) beta(0,b);
1152 beta: expected nonzero arguments; found 0, b
1153  -- an error.  To debug this try debugmode(true);
1154 @end example
1156 Numerical evaluation for real and complex arguments in float or bigfloat
1157 precision:
1159 @example
1160 (%i8) beta(2.5,2.3);
1161 (%o8) .08694748611299981
1163 (%i9) beta(2.5,1.4+%i);
1164 (%o9) 0.0640144950796695 - .1502078053286415 %i
1166 (%i10) beta(2.5b0,2.3b0);
1167 (%o10) 8.694748611299969b-2
1169 (%i11) beta(2.5b0,1.4b0+%i);
1170 (%o11) 6.401449507966944b-2 - 1.502078053286415b-1 %i
1171 @end example
1173 Beta is symmetric and has mirror symmetry:
1175 @example
1176 (%i14) beta(a,b)-beta(b,a);
1177 (%o14)                                 0
1178 (%i15) declare(a,complex,b,complex)$
1179 (%i16) conjugate(beta(a,b));
1180 (%o16)                 beta(conjugate(a), conjugate(b))
1181 @end example
1183 The derivative of the beta function wrt @code{a}:
1185 @example
1186 (%i17) diff(beta(a,b),a);
1187 (%o17)               - beta(a, b) (psi (b + a) - psi (a))
1188                                       0             0
1189 @end example
1191 @opencatbox{Categories:}
1192 @category{Gamma and factorial functions}
1193 @closecatbox
1194 @end deffn
1196 @c -----------------------------------------------------------------------------
1197 @deffn {Function} beta_incomplete (@var{a}, @var{b}, @var{z})
1199 The basic definition of the incomplete beta function
1200 (@urldlmf{8.17.E1} and @urlaands{eqn 6.6.1, 263}) is
1202 m4_displaymath(
1203 <<<{\rm B}_z(a,b) = \int_0^z t^{a-1}(1-t)^{b-1}\; dt>>>,
1204 <<<@example
1205 @group
1206         z
1207        /
1208        [         b - 1  a - 1
1209        I  (1 - t)      t      dt
1210        ]
1211        /
1212         0
1213 @end group
1214 @end example
1215 >>>)
1216 @c @example
1217 @c @group
1218 @c         z
1219 @c        /
1220 @c        [         b - 1  a - 1
1221 @c        I  (1 - t)      t      dt
1222 @c        ]
1223 @c        /
1224 @c         0
1225 @c @end group
1226 @c @end example
1228 This definition is possible for 
1229 m4_math(<<<{\rm Re}(a) > 0>>>, <<<realpart(a)>0>>>) 
1230 and 
1231 m4_math(<<<{\rm Re}(b) > 0>>>, <<<realpart(b)>0>>>) 
1232 and 
1233 m4_mathdot(<<<|z| < 1>>>, <<<abs(z)<1>>>)
1234 For other values the incomplete beta function can be 
1235 defined through a generalized hypergeometric function:
1237 @example
1238    gamma(a) hypergeometric_generalized([a, 1 - b], [a + 1], z) z
1239 @end example
1241 (See @url{https://functions.wolfram.com/GammaBetaErf/Beta3/} for a complete definition of the incomplete beta
1242 function.)
1244 For negative integers @math{a = -n} and positive integers @math{b=m}
1245 with 
1246 m4_math(<<<m \le n>>>, <<<m<=n>>>) 
1247 the incomplete beta function is defined through
1249 m4_displaymath(
1250 <<<z^{n-1}\sum_{k=0}^{m-1} {{(1-m)_k z^k} \over {k! (n-k)}}>>>,
1251 <<<@example
1252                             m - 1           k
1253                             ====  (1 - m)  z
1254                       n - 1 \            k
1255                      z       >    -----------
1256                             /     k! (n - k)
1257                             ====
1258                             k = 0
1259 @end example
1260 >>>)
1261 @c @example
1262 @c                             m - 1           k
1263 @c                             ====  (1 - m)  z
1264 @c                       n - 1 \            k
1265 @c                      z       >    -----------
1266 @c                             /     k! (n - k)
1267 @c                             ====
1268 @c                             k = 0
1269 @c @end example
1271 Maxima uses this definition to simplify @code{beta_incomplete} for @var{a} a 
1272 negative integer.
1274 For @var{a} a positive integer, @code{beta_incomplete} simplifies for any 
1275 argument @var{b} and @var{z} and for @var{b} a positive integer for any 
1276 argument @var{a} and @var{z}, with the exception of @var{a} a negative integer.
1278 For @math{z=0} and 
1279 m4_mathcomma(<<<{\rm Re}(a) > 0>>>, <<<realpart(a)>0>>>)
1280 @code{beta_incomplete} has the 
1281 specific value zero. For @math{z=1} and 
1282 m4_mathcomma(<<<{\rm Re}(b) > 0>>>, <<<realpart(b)>0>>>)
1283 @code{beta_incomplete} simplifies to the beta function @code{beta(a,b)}.
1285 Maxima evaluates @code{beta_incomplete} numerically for real and complex values 
1286 in float or bigfloat precision. For the numerical evaluation an expansion of the 
1287 incomplete beta function in continued fractions is used.
1289 When the option variable @mref{beta_expand} is @code{true}, Maxima expands
1290 expressions like @code{beta_incomplete(a+n,b,z)} and
1291 @code{beta_incomplete(a-n,b,z)} where n is a positive integer.
1293 Maxima knows the derivatives of @code{beta_incomplete} with respect to the 
1294 variables @var{a}, @var{b} and @var{z} and the integral with respect to the 
1295 variable @var{z}.
1297 Examples:
1299 Simplification for @var{a} a positive integer:
1301 @example
1302 (%i1) beta_incomplete(2,b,z);
1303                                        b
1304                             1 - (1 - z)  (b z + 1)
1305 (%o1)                       ----------------------
1306                                   b (b + 1)
1307 @end example
1309 Simplification for @var{b} a positive integer:
1311 @example
1312 (%i2) beta_incomplete(a,2,z);
1313                                                a
1314                               (a (1 - z) + 1) z
1315 (%o2)                         ------------------
1316                                   a (a + 1)
1317 @end example
1319 Simplification for @var{a} and @var{b} a positive integer:
1321 @example
1322 (%i3) beta_incomplete(3,2,z);
1323 @group
1324                                                3
1325                               (3 (1 - z) + 1) z
1326 (%o3)                         ------------------
1327                                       12
1328 @end group
1329 @end example
1331 @var{a} is a negative integer and @math{b<=(-a)}, Maxima simplifies:
1333 @example
1334 (%i4) beta_incomplete(-3,1,z);
1335                                        1
1336 (%o4)                              - ----
1337                                         3
1338                                      3 z
1339 @end example
1341 For the specific values @math{z=0} and @math{z=1}, Maxima simplifies:
1343 @example
1344 (%i5) assume(a>0,b>0)$
1345 (%i6) beta_incomplete(a,b,0);
1346 (%o6)                                 0
1347 (%i7) beta_incomplete(a,b,1);
1348 (%o7)                            beta(a, b)
1349 @end example
1351 Numerical evaluation in float or bigfloat precision:
1353 @example
1354 (%i8) beta_incomplete(0.25,0.50,0.9);
1355 (%o8)                          4.594959440269333
1356 (%i9)  fpprec:25$
1357 (%i10) beta_incomplete(0.25,0.50,0.9b0);
1358 (%o10)                    4.594959440269324086971203b0
1359 @end example
1361 For @math{abs(z)>1} @code{beta_incomplete} returns a complex result:
1363 @example
1364 (%i11) beta_incomplete(0.25,0.50,1.7);
1365 (%o11)              5.244115108584249 - 1.45518047787844 %i
1366 @end example
1368 Results for more general complex arguments:
1370 @example
1371 (%i14) beta_incomplete(0.25+%i,1.0+%i,1.7+%i);
1372 (%o14)             2.726960675662536 - .3831175704269199 %i
1373 (%i15) beta_incomplete(1/2,5/4*%i,2.8+%i);
1374 (%o15)             13.04649635168716 %i - 5.802067956270001
1375 (%i16) 
1376 @end example
1378 Expansion, when @mref{beta_expand} is @code{true}:
1380 @example
1381 (%i23) beta_incomplete(a+1,b,z),beta_expand:true;
1382                                                        b  a
1383                    a beta_incomplete(a, b, z)   (1 - z)  z
1384 (%o23)             -------------------------- - -----------
1385                              b + a                 b + a
1387 (%i24) beta_incomplete(a-1,b,z),beta_expand:true;
1388                                                        b  a - 1
1389        beta_incomplete(a, b, z) (- b - a + 1)   (1 - z)  z
1390 (%o24) -------------------------------------- - ---------------
1391                        1 - a                         1 - a
1392 @end example
1394 Derivative and integral for @code{beta_incomplete}:
1396 @example
1397 (%i34) diff(beta_incomplete(a, b, z), z);
1398 @group
1399                               b - 1  a - 1
1400 (%o34)                 (1 - z)      z
1401 @end group
1402 (%i35) integrate(beta_incomplete(a, b, z), z);
1403               b  a
1404        (1 - z)  z
1405 (%o35) ----------- + beta_incomplete(a, b, z) z
1406           b + a
1407                                        a beta_incomplete(a, b, z)
1408                                      - --------------------------
1409                                                  b + a
1410 (%i36) factor(diff(%, z));
1411 (%o36)              beta_incomplete(a, b, z)
1412 @end example
1414 @opencatbox{Categories:}
1415 @category{Gamma and factorial functions}
1416 @closecatbox
1417 @end deffn
1419 @c -----------------------------------------------------------------------------
1420 @anchor{beta_incomplete_regularized}
1421 @deffn {Function} beta_incomplete_regularized (@var{a}, @var{b}, @var{z})
1423 The regularized incomplete beta function (@urldlmf{8.17.E2} and
1424 @urlaands{eqn 6.6.2, 263}), defined as 
1426 m4_displaymath(
1427 <<<I_z(a,b) = {{\rm B}_z(a,b)\over {\rm B}(a,b)}>>>,
1428 <<<@example
1429 beta_incomplete_regularized(a, b, z) = 
1430                                       beta_incomplete(a, b, z)
1431                                       ------------------------
1432                                              beta(a, b)
1433 @end example
1434 >>>)
1435 @c @example
1436 @c beta_incomplete_regularized(a, b, z) = 
1437 @c                                       beta_incomplete(a, b, z)
1438 @c                                       ------------------------
1439 @c                                              beta(a, b)
1440 @c @end example
1442 As for @code{beta_incomplete} this definition is not complete. See 
1443 @url{https://functions.wolfram.com/GammaBetaErf/BetaRegularized/} for a complete definition of
1444 @code{beta_incomplete_regularized}.
1446 @code{beta_incomplete_regularized} simplifies @var{a} or @var{b} a positive 
1447 integer.
1449 For @math{z=0} and 
1450 m4_mathcomma(<<<{\rm Re}(a)>0>>>, <<<realpart(a) > 0>>>)
1451 @code{beta_incomplete_regularized} has 
1452 the specific value 0. For @math{z=1} and 
1453 m4_mathcomma(<<<{\rm Re}(b) > 0>>>, <<<realpart(b)>0>>>) 
1454 @code{beta_incomplete_regularized} simplifies to 1.
1456 Maxima can evaluate @code{beta_incomplete_regularized} for real and complex 
1457 arguments in float and bigfloat precision.
1459 When @mref{beta_expand} is @code{true}, Maxima expands 
1460 @code{beta_incomplete_regularized} for arguments @math{a+n} or @math{a-n}, 
1461 where n is an integer.
1463 Maxima knows the derivatives of @code{beta_incomplete_regularized} with respect 
1464 to the variables @var{a}, @var{b}, and @var{z} and the integral with respect to 
1465 the variable @var{z}.
1467 Examples:
1469 Simplification for @var{a} or @var{b} a positive integer:
1471 @example
1472 (%i1) beta_incomplete_regularized(2,b,z);
1473                                        b
1474 (%o1)                       1 - (1 - z)  (b z + 1)
1476 (%i2) beta_incomplete_regularized(a,2,z);
1477                                                a
1478 (%o2)                         (a (1 - z) + 1) z
1480 (%i3) beta_incomplete_regularized(3,2,z);
1481                                                3
1482 (%o3)                         (3 (1 - z) + 1) z
1483 @end example
1485 For the specific values @math{z=0} and @math{z=1}, Maxima simplifies:
1487 @example
1488 (%i4) assume(a>0,b>0)$
1489 (%i5) beta_incomplete_regularized(a,b,0);
1490 (%o5)                                 0
1491 (%i6) beta_incomplete_regularized(a,b,1);
1492 (%o6)                                 1
1493 @end example
1495 Numerical evaluation for real and complex arguments in float and bigfloat 
1496 precision:
1498 @example
1499 (%i7) beta_incomplete_regularized(0.12,0.43,0.9);
1500 (%o7)                         .9114011367359802
1501 (%i8) fpprec:32$
1502 (%i9) beta_incomplete_regularized(0.12,0.43,0.9b0);
1503 (%o9)               9.1140113673598075519946998779975b-1
1504 (%i10) beta_incomplete_regularized(1+%i,3/3,1.5*%i);
1505 (%o10)             .2865367499935403 %i - 0.122995963334684
1506 (%i11) fpprec:20$
1507 (%i12) beta_incomplete_regularized(1+%i,3/3,1.5b0*%i);
1508 (%o12)      2.8653674999354036142b-1 %i - 1.2299596333468400163b-1
1509 @end example
1511 Expansion, when @mref{beta_expand} is @code{true}:
1513 @example
1514 (%i13) beta_incomplete_regularized(a+1,b,z);
1515                                                      b  a
1516                                               (1 - z)  z
1517 (%o13) beta_incomplete_regularized(a, b, z) - ------------
1518                                               a beta(a, b)
1519 (%i14) beta_incomplete_regularized(a-1,b,z);
1520 (%o14) beta_incomplete_regularized(a, b, z)
1521                                                      b  a - 1
1522                                               (1 - z)  z
1523                                          - ----------------------
1524                                            beta(a, b) (b + a - 1)
1525 @end example
1527 The derivative and the integral wrt @var{z}:
1529 @example
1530 (%i15) diff(beta_incomplete_regularized(a,b,z),z);
1531                               b - 1  a - 1
1532                        (1 - z)      z
1533 (%o15)                 -------------------
1534                            beta(a, b)
1535 (%i16) integrate(beta_incomplete_regularized(a,b,z),z);
1536 (%o16) beta_incomplete_regularized(a, b, z) z
1537                                                            b  a
1538                                                     (1 - z)  z
1539           a (beta_incomplete_regularized(a, b, z) - ------------)
1540                                                     a beta(a, b)
1541         - -------------------------------------------------------
1542                                    b + a
1543 @end example
1545 @opencatbox{Categories:}
1546 @category{Gamma and factorial functions}
1547 @closecatbox
1548 @end deffn
1550 @c -----------------------------------------------------------------------------
1551 @deffn {Function} beta_incomplete_generalized (@var{a}, @var{b}, @var{z1}, @var{z2})
1553 The basic definition of the generalized incomplete beta function is
1555 m4_displaymath(
1556 <<<\int_{z_1}^{z_2} t^{a-1}(1-t)^{b-1}\; dt>>>,
1557 <<<@example
1558 @group
1559              z2
1560            /
1561            [          b - 1  a - 1
1562            I   (1 - t)      t      dt
1563            ]
1564            /
1565             z1
1566 @end group
1567 @end example
1568 >>>)
1569 @c @example
1570 @c @group
1571 @c              z2
1572 @c            /
1573 @c            [          b - 1  a - 1
1574 @c            I   (1 - t)      t      dt
1575 @c            ]
1576 @c            /
1577 @c             z1
1578 @c @end group
1579 @c @end example
1581 Maxima simplifies @code{beta_incomplete_regularized} for @var{a} and @var{b} 
1582 a positive integer.
1584 For 
1585 m4_math(<<<{\rm Re}(a) > 0>>>, <<<realpart(a)>0>>>) 
1586 and 
1587 m4_math(z_1 = 0, z1=0)
1588 or 
1589 m4_mathcomma(z_2 = 0, z2=0)
1590 Maxima simplifies
1591 @code{beta_incomplete_generalized} to @code{beta_incomplete}.
1592 For 
1593 m4_math({\rm Re}(b) > 0, realpart(b)>0) 
1594 and 
1595 m4_math(z_1 = 1, z1=1) 
1596 or 
1597 m4_mathcomma(z_2 = 1, z2=1) 
1598 Maxima simplifies to an 
1599 expression with @code{beta} and @code{beta_incomplete}.
1601 Maxima evaluates @code{beta_incomplete_regularized} for real and complex values 
1602 in float and bigfloat precision.
1604 When @mref{beta_expand} is @code{true}, Maxima expands 
1605 @code{beta_incomplete_generalized} for @math{a+n} and @math{a-n}, @var{n} a 
1606 positive integer.
1608 Maxima knows the derivative of @code{beta_incomplete_generalized} with respect 
1609 to the variables @var{a}, @var{b}, @var{z1}, and @var{z2} and the integrals with
1610 respect to the variables @var{z1} and @var{z2}.
1612 Examples:
1614 Maxima simplifies @code{beta_incomplete_generalized} for @var{a} and @var{b} a 
1615 positive integer:
1617 @example
1618 (%i1) beta_incomplete_generalized(2,b,z1,z2);
1619                    b                      b
1620            (1 - z1)  (b z1 + 1) - (1 - z2)  (b z2 + 1)
1621 (%o1)      -------------------------------------------
1622                             b (b + 1)
1623 (%i2) beta_incomplete_generalized(a,2,z1,z2);
1624 @group
1625                               a                      a
1626            (a (1 - z2) + 1) z2  - (a (1 - z1) + 1) z1
1627 (%o2)      -------------------------------------------
1628                             a (a + 1)
1629 @end group
1630 (%i3) beta_incomplete_generalized(3,2,z1,z2);
1631               2      2                       2      2
1632       (1 - z1)  (3 z1  + 2 z1 + 1) - (1 - z2)  (3 z2  + 2 z2 + 1)
1633 (%o3) -----------------------------------------------------------
1634                                   12
1635 @end example
1637 Simplification for specific values @math{z1=0}, @math{z2=0}, @math{z1=1}, or 
1638 @math{z2=1}:
1640 @example
1641 (%i4) assume(a > 0, b > 0)$
1642 (%i5) beta_incomplete_generalized(a,b,z1,0);
1643 (%o5)                    - beta_incomplete(a, b, z1)
1645 (%i6) beta_incomplete_generalized(a,b,0,z2);
1646 (%o6)                    - beta_incomplete(a, b, z2)
1648 (%i7) beta_incomplete_generalized(a,b,z1,1);
1649 (%o7)              beta(a, b) - beta_incomplete(a, b, z1)
1651 (%i8) beta_incomplete_generalized(a,b,1,z2);
1652 (%o8)              beta_incomplete(a, b, z2) - beta(a, b)
1653 @end example
1655 Numerical evaluation for real arguments in float or bigfloat precision:
1657 @example
1658 (%i9) beta_incomplete_generalized(1/2,3/2,0.25,0.31);
1659 (%o9)                        .09638178086368676
1661 (%i10) fpprec:32$
1662 (%i10) beta_incomplete_generalized(1/2,3/2,0.25,0.31b0);
1663 (%o10)               9.6381780863686935309170054689964b-2
1664 @end example
1666 Numerical evaluation for complex arguments in float or bigfloat precision:
1668 @example
1669 (%i11) beta_incomplete_generalized(1/2+%i,3/2+%i,0.25,0.31);
1670 (%o11)           - .09625463003205376 %i - .003323847735353769
1671 (%i12) fpprec:20$
1672 (%i13) beta_incomplete_generalized(1/2+%i,3/2+%i,0.25,0.31b0);
1673 (%o13)     - 9.6254630032054178691b-2 %i - 3.3238477353543591914b-3
1674 @end example
1676 Expansion for @math{a+n} or @math{a-n}, @var{n} a positive integer, when 
1677 @mref{beta_expand} is @code{true}: 
1679 @example
1680 (%i14) beta_expand:true$
1682 (%i15) beta_incomplete_generalized(a+1,b,z1,z2);
1684                b   a           b   a
1685        (1 - z1)  z1  - (1 - z2)  z2
1686 (%o15) -----------------------------
1687                    b + a
1688                       a beta_incomplete_generalized(a, b, z1, z2)
1689                     + -------------------------------------------
1690                                          b + a
1691 (%i16) beta_incomplete_generalized(a-1,b,z1,z2);
1693        beta_incomplete_generalized(a, b, z1, z2) (- b - a + 1)
1694 (%o16) -------------------------------------------------------
1695                                 1 - a
1696                                     b   a - 1           b   a - 1
1697                             (1 - z2)  z2      - (1 - z1)  z1
1698                           - -------------------------------------
1699                                             1 - a
1700 @end example
1702 Derivative wrt the variable @var{z1} and integrals wrt @var{z1} and @var{z2}:
1704 @example
1705 (%i17) diff(beta_incomplete_generalized(a,b,z1,z2),z1);
1706                                b - 1   a - 1
1707 (%o17)               - (1 - z1)      z1
1708 (%i18) integrate(beta_incomplete_generalized(a,b,z1,z2),z1);
1709 (%o18) beta_incomplete_generalized(a, b, z1, z2) z1
1710                                   + beta_incomplete(a + 1, b, z1)
1711 (%i19) integrate(beta_incomplete_generalized(a,b,z1,z2),z2);
1712 (%o19) beta_incomplete_generalized(a, b, z1, z2) z2
1713                                   - beta_incomplete(a + 1, b, z2)
1714 @end example
1716 @opencatbox{Categories:}
1717 @category{Gamma and factorial functions}
1718 @closecatbox
1719 @end deffn
1721 @anchor{beta_expand}
1722 @defvr {Option variable} beta_expand
1723 Default value: false
1725 When @code{beta_expand} is @code{true}, @code{beta(a,b)} and related 
1726 functions are expanded for arguments like @math{a+n} or @math{a-n}, 
1727 where @math{n} is an integer.
1729 @xref{beta} for examples.
1731 @opencatbox{Categories:}
1732 @category{Gamma and factorial functions}
1733 @category{Simplification flags and variables}
1734 @closecatbox
1735 @end defvr
1737 @defvr {Option variable} beta_args_sum_to_integer
1738 Default value: false
1740 When @code{beta_args_sum_to_integer} is @code{true}, Maxima simplifies 
1741 @code{beta(a,b)}, when the arguments @var{a} and @var{b} sum to an integer.
1743 @xref{beta} for examples.
1745 @opencatbox{Categories:}
1746 @category{Gamma and factorial functions}
1747 @category{Simplification flags and variables}
1748 @closecatbox
1749 @end defvr
1752 @c NEED INFO HERE ABOUT THE SUBSCRIPTED FORM psi[n](x)
1753 @c I (rtoy) don't think there is a plain psi(x) function anymore.
1754 @c @deffn {Function} psi (@var{x})
1755 @c @deffnx {Function} psi [@var{n}](@var{x})
1756 @anchor{polygamma}
1757 @deffn {Function} psi [@var{n}](@var{x})
1759 @c The derivative of @code{log (gamma (@var{x}))} of order @code{@var{n}+1}.
1760 @code{psi[n](x)} is the polygamma function (@urldlmf{5.2E2},
1761 @urldlmf{5.15}, @urlaands{eqn 6.3.1, 258} and @urlaands{eqn 6.4.1, 260}) defined by
1762 m4_displaymath(
1763 <<<\psi^{(n)}(x) = {d^{n+1}\over{dx^{n+1}}} \log\Gamma(x)>>>,
1764 <<<@math{diff(log(gamma(x)), x, n+1)}>>>)
1765 Thus, @code{psi[0](@var{x})} is the first derivative,
1766 @code{psi[1](@var{x})} is the second derivative, etc.
1768 Maxima can compute some exact values for rational args as well for
1769 float and bfloat args.  Several variables control what range of
1770 rational args 
1771 m4_math(<<<\psi^{(n)}(x)>>>,<<<psi[n](x)>>>) 
1772 will return an
1773 exact value, if possible.  See @mref{maxpsiposint},
1774 @mref{maxpsinegint}, @mref{maxpsifracnum}, and
1775 @mrefdot{maxpsifracdenom} That is, @math{x} must lie between
1776 @code{maxpsinegint} and @code{maxpsiposint}.  If the absolute value of
1777 the fractional part of @math{x} is rational and has a numerator less
1778 than @code{maxpsifracnum} and has a denominator less than
1779 @code{maxpsifracdenom}, 
1780 m4_math(<<<\psi^{(0)}(x)>>>,<<<psi[0](x)>>>) 
1781 will
1782 return an exact value.
1784 The function @mref{bfpsi} in the @code{bffac} package can compute
1785 numerical values.
1787 @example
1788 (%i1) psi[0](.25);
1789 (%o1)                        - 4.227453533376265
1790 (%i2) psi[0](1/4);
1791                                         %pi
1792 (%o2)                    (- 3 log(2)) - --- - %gamma
1793                                          2
1794 (%i3) float(%);
1795 (%o3)                        - 4.227453533376265
1796 (%i4) psi[2](0.75);
1797 (%o4)                        - 5.30263321633764
1798 (%i5) psi[2](3/4);
1799                                    1         3
1800 (%o5)                         psi (-) + 4 %pi
1801                                  2 4
1802 (%i6) float(%);
1803 (%o6)                        - 5.30263321633764
1804 @end example
1806 @opencatbox{Categories:}
1807 @category{Gamma and factorial functions}
1808 @closecatbox
1809 @end deffn
1811 @anchor{maxpsiposint}
1812 @defvr {Option variable} maxpsiposint
1813 Default value: 20
1815 @code{maxpsiposint} is the largest positive integer value for
1816 which 
1817 m4_math(<<<\psi^{(n)}(m)>>>,<<<psi[n](x)>>>)
1818 gives an exact value for
1819 rational @math{x}.
1821 @example
1822 (%i1) psi[0](20);
1823                              275295799
1824 (%o1)                        --------- - %gamma
1825                              77597520
1826 (%i2) psi[0](21);
1827 (%o2)                             psi (21)
1828                                      0
1829 (%i3) psi[2](20);
1830                       1683118856778495358491487
1831 (%o3)              2 (------------------------- - zeta(3))
1832                       1401731326612193601024000
1833 (%i4) psi[2](21);
1834 (%o4)                            psi (21)
1835                                       2
1837 @end example
1839 @opencatbox{Categories:}
1840 @category{Gamma and factorial functions}
1841 @closecatbox
1843 @end defvr
1845 @anchor{maxpsinegint}
1846 @defvr {Option variable} maxpsinegint
1847 Default value: -10
1849 @code{maxpsinegint} is the most negative value for
1850 which 
1851 m4_math(<<<\psi^{(0)}(x)>>>,<<<psi[0](x)>>>) 
1852 will try to compute an exact
1853 value for rational @math{x}.  That is if @math{x} is less than
1854 @code{maxpsinegint}, 
1855 m4_math(<<<\psi^{(n)}(x)>>>,<<<psi[n](x)>>>) 
1856 will not
1857 return simplified answer, even if it could.
1859 @example
1860 (%i1) psi[0](-100/9);
1861                                         100
1862 (%o1)                            psi (- ---)
1863                                     0    9
1864 (%i2) psi[0](-100/11);
1865                          100 %pi         1     5231385863539
1866 (%o2)            %pi cot(-------) + psi (--) + -------------
1867                            11          0 11    381905105400
1869 (%i3) psi[2](-100/9);
1870                                         100
1871 (%o3)                            psi (- ---)
1872                                     2    9
1873 (%i4) psi[2](-100/11);
1874            3     100 %pi     2 100 %pi         1
1875 (%o4) 2 %pi  cot(-------) csc (-------) + psi (--)
1876                    11            11          2 11
1877                                          74191313259470963498957651385614962459
1878                                        + --------------------------------------
1879                                           27850718060013605318710152732000000
1880 @end example
1881 @opencatbox{Categories:}
1882 @category{Gamma and factorial functions}
1883 @closecatbox
1885 @end defvr
1887 @anchor{maxpsifracnum}
1888 @defvr {Option variable} maxpsifracnum
1889 Default value: 6
1891 Let @math{x} be a rational number of the form @math{p/q}.
1892 If @math{p} is greater than @code{maxpsifracnum},
1893 then 
1894 m4_math(<<<\psi^{(0)}(x)>>>,<<<@code{psi[0](x)}>>>) 
1895 will not try to
1896 return a simplified value.
1898 @example
1899 (%i1) psi[0](3/4);
1900                                         %pi
1901 (%o1)                    (- 3 log(2)) + --- - %gamma
1902                                          2
1903 (%i2) psi[2](3/4);
1904                                    1         3
1905 (%o2)                         psi (-) + 4 %pi
1906                                  2 4
1907 (%i3) maxpsifracnum:2;
1908 (%o3)                                 2
1909 (%i4) psi[0](3/4);
1910                                         3
1911 (%o4)                              psi (-)
1912                                       0 4
1913 (%i5) psi[2](3/4);
1914                                    1         3
1915 (%o5)                         psi (-) + 4 %pi
1916                                  2 4
1917 @end example
1919 @opencatbox{Categories:}
1920 @category{Gamma and factorial functions}
1921 @closecatbox
1923 @end defvr
1925 @anchor{maxpsifracdenom}
1926 @defvr {Option variable} maxpsifracdenom
1927 Default value: 6
1929 Let @math{x} be a rational number of the form @math{p/q}.
1930 If @math{q} is greater than @code{maxpsifracdenom},
1931 then 
1932 m4_math(<<<\psi^{(0)}(x)>>>,<<<@code{psi[@var{0}](@var{x})}>>>) 
1933 will
1934 not try to return a simplified value.
1936 @example
1937 (%i1) psi[0](3/4);
1938                                         %pi
1939 (%o1)                    (- 3 log(2)) + --- - %gamma
1940                                          2
1941 (%i2) psi[2](3/4);
1942                                    1         3
1943 (%o2)                         psi (-) + 4 %pi
1944                                  2 4
1945 (%i3) maxpsifracdenom:2;
1946 (%o3)                                 2
1947 (%i4) psi[0](3/4);
1948                                         3
1949 (%o4)                              psi (-)
1950                                       0 4
1951 (%i5) psi[2](3/4);
1952                                    1         3
1953 (%o5)                         psi (-) + 4 %pi
1954                                  2 4
1955 @end example
1957 @opencatbox{Categories:}
1958 @category{Gamma and factorial functions}
1959 @closecatbox
1961 @end defvr
1963 @c NEED CROSS REFS HERE
1964 @c NEED EXAMPLES HERE
1965 @anchor{makefact}
1966 @deffn {Function} makefact (@var{expr})
1967 Transforms instances of binomial, gamma, and beta
1968 functions in @var{expr} into factorials.
1970 See also @mrefdot{makegamma}
1972 @example
1973 (%i1) makefact(binomial(n,k));
1974                                       n!
1975 (%o1)                             -----------
1976                                   k! (n - k)!
1977 (%i2) makefact(gamma(x));
1978 (%o2)                              (x - 1)!
1979 (%i3) makefact(beta(a,b));
1980                                (a - 1)! (b - 1)!
1981 (%o3)                          -----------------
1982                                  (b + a - 1)!
1983 @end example
1985 @opencatbox{Categories:}
1986 @category{Gamma and factorial functions}
1987 @closecatbox
1988 @end deffn
1991 @c AREN'T THERE OTHER FUNCTIONS THAT DO ESSENTIALLY THE SAME THING ??
1992 @deffn {Function} numfactor (@var{expr})
1993 Returns the numerical factor multiplying the expression
1994 @var{expr}, which should be a single term.
1996 @c WHY IS content MENTIONED IN THIS CONTEXT ??
1997 @mref{content} returns the greatest common divisor (gcd) of all terms in a sum.
1999 @example
2000 (%i1) gamma (7/2);
2001                           15 sqrt(%pi)
2002 (%o1)                     ------------
2003                                8
2004 (%i2) numfactor (%);
2005                                15
2006 (%o2)                          --
2007                                8
2008 @end example
2010 @opencatbox{Categories:}
2011 @category{Expressions}
2012 @closecatbox
2013 @end deffn
2016 @node Exponential Integrals, Error Function, Gamma and Factorial Functions, Special Functions
2017 @section Exponential Integrals
2019 The Exponential Integral and related functions are defined in
2020 Abramowitz and Stegun,
2021 @i{Handbook of Mathematical Functions}, @urlaands{Chapter 5, 228}.
2023 @anchor{expintegral_e1}
2024 @deffn {Function} expintegral_e1 (@var{z})
2025 The Exponential Integral E1(z) defined as
2027 m4_displaymath(
2028 <<<E_1(z) = \int_z^\infty {e^{-t} \over t} dt>>>,
2029 <<<@math{integrate(exp(-t)/t, t, z, inf)}>>>)
2031 with 
2032 m4_mathdot(<<<\left| \arg z \right| < \pi>>>, <<<abs(arg z) < %pi>>>)
2033 (@urlaands{eqn 5.1.1, 228}) and (@urldlmf{6.2E2})
2035 This can be written in terms of other functions.  @xref{expintrep} for examples.
2036 @opencatbox{Categories:}
2037 @category{Exponential Integrals}
2038 @category{Special functions}
2039 @closecatbox
2040 @end deffn
2042 @deffn {Function} expintegral_ei (@var{x})
2043 The Exponential Integral Ei(x) defined as
2045 m4_displaymath(
2046 <<<Ei(x)
2047   = - -\kern-10.5pt\int_{-x}^\infty {e^{-t} \over t} dt
2048   = -\kern-10.5pt\int_{-\infty}^x {e^{t} \over t} dt  >>>,
2049 <<<@math{-integrate(%e^(-t)/t, t, -x, inf) = integrate(%e^(t)/t, t, -inf, x)} >>>)
2051 with @math{x} real and @math{x > 0}. (@urlaands{eqn 5.1.2, 228}) and (@urldlmf{6.2E5})
2053 This can be written in terms of other functions.  @xref{expintrep} for examples.
2055 @opencatbox{Categories:}
2056 @category{Exponential Integrals}
2057 @category{Special functions}
2058 @closecatbox
2059 @end deffn
2061 @deffn {Function} expintegral_li (@var{x})
2062 The Exponential Integral li(x) defined as
2064 m4_displaymath(
2065 <<<li(x) = -\kern-10.5pt\int_0^x {dt \over \ln t}>>>,
2066 <<<@math{integrate(1/ln(t), t, 0, x)}>>>)
2068 with @math{x} real and @math{x > 1}. (@urlaands{eqn 5.1.3, 228}) and (@urldlmf{6.2E8})
2070 This can be written in terms of other functions.  @xref{expintrep} for examples.
2072 @opencatbox{Categories:}
2073 @category{Exponential Integrals}
2074 @category{Special functions}
2075 @closecatbox
2076 @end deffn
2078 @anchor{expintegral_e}
2079 @deffn {Function} expintegral_e (@var{n},@var{z})
2080 The Exponential Integral En(z) (@urlaands{eqn 5.1.4, 228}) defined as
2082 m4_displaymath(
2083 <<<E_n(z) = \int_1^\infty {e^{-zt} \over t^n} dt>>>,
2084 <<<@math{integrate(exp(-z*t)/t^n, t, 1, inf)}>>>)
2085 with 
2086 m4_math(<<<{\rm Re}(z) > 1>>>,<<<realpart(z) > 1>>>) 
2087 and @math{n} a
2088 non-negative integer.
2090 For half-integral orders, this can be written in terms of @mref{erfc}
2091 or @mref{erf}.  @xref{expintexpand} for examples.
2093 @opencatbox{Categories:}
2094 @category{Exponential Integrals}
2095 @category{Special functions}
2096 @closecatbox
2097 @end deffn
2099 @anchor{expintegral_si}
2100 @deffn {Function} expintegral_si (@var{z})
2101 The Exponential Integral Si(z) (@urlaands{eqn 5.2.1, 231}
2102 and @urldlmf{6.2#E9}) defined as
2104 m4_displaymath(
2105 <<<{\rm Si}(z) = \int_0^z {\sin t \over t} dt>>>,
2106 <<<@math{integrate(sin(t)/t, t, 0, z)}>>>)
2108 This can be written in terms of other functions.  @xref{expintrep} for examples.
2110 @opencatbox{Categories:}
2111 @category{Exponential Integrals}
2112 @category{Special functions}
2113 @closecatbox
2114 @end deffn
2116 @anchor{expintegral_ci}
2117 @deffn {Function} expintegral_ci (@var{z})
2118 The Exponential Integral Ci(z) (@urlaands{eqn 5.2.2, 231}
2119 and @urldlmf{6.2#E13}) defined as
2121 m4_displaymath(
2122 <<<{\rm Ci}(z) = \gamma + \log z + \int_0^z {{\cos t - 1} \over t} dt>>>,
2123 <<<@math{%gamma + log(z) + integrate((cos(t) - 1)/t, t, 0, z)}>>>)
2125 with 
2126 m4_mathdot(<<<|\arg z| < \pi>>>, <<<abs(arg z) < %pi>>>)
2128 This can be written in terms of other functions.  @xref{expintrep} for examples.
2130 @opencatbox{Categories:}
2131 @category{Exponential Integrals}
2132 @category{Special functions}
2133 @closecatbox
2134 @end deffn
2136 @anchor{expintegral_shi}
2137 @deffn {Function} expintegral_shi (@var{z})
2138 The Exponential Integral Shi(z) (@urlaands{eqn 5.2.3, 231}
2139 and @urldlmf{6.2#E15}) defined as
2141 m4_displaymath(
2142 <<<{\rm Shi}(z) = \int_0^z {\sinh t \over t} dt>>>,
2143 <<<@math{integrate(sinh(t)/t, t, 0, z)}>>>)
2145 This can be written in terms of other functions.  @xref{expintrep} for examples.
2147 @opencatbox{Categories:}
2148 @category{Exponential Integrals}
2149 @category{Special functions}
2150 @closecatbox
2151 @end deffn
2153 @anchor{expintegral_chi}
2154 @deffn {Function} expintegral_chi (@var{z})
2155 The Exponential Integral Chi(z) (@urlaands{eqn 5.2.4, 231}
2156 and @urldlmf{6.2#E16}) defined as
2158 m4_displaymath(
2159 <<<{\rm Chi}(z) = \gamma + \log z + \int_0^z {{\cosh t - 1} \over t} dt>>>,
2160 <<<@math{%gamma + log(z) + integrate((cosh(t) - 1)/t, t, 0, z)}>>>)
2162 with 
2163 m4_mathdot(<<<|\arg z| < \pi>>>, <<<abs(arg z) < %pi>>>)
2165 This can be written in terms of other functions.  @xref{expintrep} for examples.
2167 @opencatbox{Categories:}
2168 @category{Exponential Integrals}
2169 @category{Special functions}
2170 @closecatbox
2171 @end deffn
2173 @anchor{expintrep}
2174 @defvr {Option variable} expintrep
2175 Default value: false
2177 Change the representation of one of the exponential integrals,
2178 @code{expintegral_e(m, z)}, @code{expintegral_e1}, or
2179 @code{expintegral_ei} to an equivalent form if possible.
2181 Possible values for @code{expintrep} are @code{false},
2182 @code{gamma_incomplete}, @code{expintegral_e1}, @code{expintegral_ei},
2183 @code{expintegral_li}, @code{expintegral_trig}, or
2184 @code{expintegral_hyp}.
2186 @code{false} means that the representation is not changed.  Other
2187 values indicate the representation is to be changed to use the
2188 function specified where @code{expintegral_trig} means
2189 @mref{expintegral_si}, @mref{expintegral_ci}; and @code{expintegral_hyp}
2190 means @mref{expintegral_shi} or @mref{expintegral_chi}.
2192 Here are some examples for @code{expintrep} set to @code{gamma_incomplete}:
2193 @example
2194 (%i1) expintrep:'gamma_incomplete;
2195 (%o1)                          gamma_incomplete
2196 (%i2) expintegral_e1(z);
2197 (%o2)                       gamma_incomplete(0, z)
2198 (%i3) expintegral_ei(z);
2199 (%o3)            log(z) - log(- z) - gamma_incomplete(0, - z)
2200 (%i4) expintegral_li(z);
2201 (%o4)     log(log(z)) - log(- log(z)) - gamma_incomplete(0, - log(z))
2202 (%i5) expintegral_e(n,z);
2203                                                    n - 1
2204 (%o5)                  gamma_incomplete(1 - n, z) z
2205 (%i6) expintegral_si(z);
2206 (%o6) (%i ((- log(%i z)) + log(- %i z) - gamma_incomplete(0, %i z)
2207                                               + gamma_incomplete(0, - %i z)))/2
2208 (%i7) expintegral_ci(z);
2209 (%o7) log(z) - (log(%i z) + log(- %i z) + gamma_incomplete(0, %i z)
2210                                                + gamma_incomplete(0, - %i z))/2
2211 (%i8) expintegral_shi(z);
2212       log(z) - log(- z) + gamma_incomplete(0, z) - gamma_incomplete(0, - z)
2213 (%o8) ---------------------------------------------------------------------
2214                                         2
2215 (%i9) expintegral_chi(z);
2216 (%o9) 
2217       (- log(z)) + log(- z) + gamma_incomplete(0, z) + gamma_incomplete(0, - z)
2218     - -------------------------------------------------------------------------
2219                                           2
2220 @end example
2222 For @code{expintrep} set to @code{expintegral_e1}:
2224 @example
2225 (%i1) expintrep:'expintegral_e1;
2226 (%o1)                           expintegral_e1
2227 (%i2) expintegral_ei(z);
2228 (%o2)               log(z) - log(- z) - expintegral_e1(- z)
2229 (%i3) expintegral_li(z);
2230 (%o3)       log(log(z)) - log(- log(z)) - expintegral_e1(- log(z))
2231 (%i4) expintegral_e(n,z);
2232 (%o4)                         expintegral_e(n, z)
2233 (%i5) expintegral_si(z);
2234 (%o5) (%i ((- log(%i z)) - expintegral_e1(%i z) + log(- %i z)
2235                                                    + expintegral_e1(- %i z)))/2
2236 (%i6) expintegral_ci(z);
2237 (%o6) log(z)
2238           log(- %i z) (expintegral_e1(%i z) + expintegral_e1(- %i z)) log(%i z)
2239         - ---------------------------------------------------------------------
2240                                             2
2241 (%i7) expintegral_shi(z);
2242           log(z) + expintegral_e1(z) - log(- z) - expintegral_e1(- z)
2243 (%o7)     -----------------------------------------------------------
2244                                        2
2245 (%i8) expintegral_chi(z);
2246          (- log(z)) + expintegral_e1(z) + log(- z) + expintegral_e1(- z)
2247 (%o8)  - ---------------------------------------------------------------
2248                                         2
2249 @end example
2251 For @code{expintrep} set to @code{expintegral_ei}:
2253 @example
2254 (%i1) expintrep:'expintegral_ei;
2255 (%o1)                           expintegral_ei
2256 (%i2) expintegral_e1(z);
2257                                           1
2258                          log(- z) - log(- -)
2259                                           z
2260 (%o2)       (- log(z)) + ------------------- - expintegral_ei(- z)
2261                                   2
2262 (%i3) expintegral_ei(z);
2263 (%o3)                          expintegral_ei(z)
2264 (%i4) expintegral_li(z);
2265 (%o4)                       expintegral_ei(log(z))
2266 (%i5) expintegral_e(n,z);
2267 (%o5)                         expintegral_e(n, z)
2268 (%i6) expintegral_si(z);
2269 (%o6) (%i (log(%i z) + 2 (expintegral_ei(- %i z) - expintegral_ei(%i z))
2270                                                             %i          %i
2271                                         - log(- %i z) + log(--) - log(- --)))/4
2272                                                             z           z
2273 (%i7) expintegral_ci(z);
2274 (%o7) ((- log(%i z)) + 2 (expintegral_ei(%i z) + expintegral_ei(- %i z))
2275                                                     %i          %i
2276                                 - log(- %i z) + log(--) + log(- --))/4 + log(z)
2277                                                     z           z
2278 (%i8) expintegral_shi(z);
2279 (%o8) ((- 2 log(z)) + 2 (expintegral_ei(z) - expintegral_ei(- z)) + log(- z)
2280                                                                           1
2281                                                                   - log(- -))/4
2282                                                                           z
2283 (%i9) expintegral_chi(z);
2284 (%o9) 
2285                                                                              1
2286    2 log(z) + 2 (expintegral_ei(z) + expintegral_ei(- z)) - log(- z) + log(- -)
2287                                                                              z
2288    ----------------------------------------------------------------------------
2289                                         4
2290 @end example
2292 For @code{expintrep} set to @code{expintegral_li}:
2294 @example
2295 (%i1) expintrep:'expintegral_li;
2296 (%o1)                           expintegral_li
2297 (%i2) expintegral_e1(z);
2298                                                                  1
2299                                                 log(- z) - log(- -)
2300                                - z                               z
2301 (%o2)      (- expintegral_li(%e   )) - log(z) + -------------------
2302                                                          2
2303 (%i3) expintegral_ei(z);
2304                                                z
2305 (%o3)                         expintegral_li(%e )
2306 (%i4) expintegral_li(z);
2307 (%o4)                          expintegral_li(z)
2308 (%i5) expintegral_e(n,z);
2309 (%o5)                         expintegral_e(n, z)
2310 (%i6) expintegral_si(z);
2311                              %i z                     - %e z    %pi signum(z)
2312         %i (expintegral_li(%e    ) - expintegral_li(%e      ) - -------------)
2313                                                                       2
2314 (%o6) - ----------------------------------------------------------------------
2315                                           2
2316 (%i7) expintegral_ci(z);
2317                         %i z                     - %i z
2318        expintegral_li(%e    ) + expintegral_li(%e      )
2319 (%o7)  ------------------------------------------------- - signum(z) + 1
2320                                2
2321 (%i8) expintegral_shi(z);
2322                                    z                     - z
2323                   expintegral_li(%e ) - expintegral_li(%e   )
2324 (%o8)             -------------------------------------------
2325                                        2
2326 (%i9) expintegral_chi(z);
2327                                    z                     - z
2328                   expintegral_li(%e ) + expintegral_li(%e   )
2329 (%o9)             -------------------------------------------
2330                                        2
2331 @end example
2333 For @code{expintrep} set to @code{expintegral_trig}:
2335 @example
2336 (%i1) expintrep:'expintegral_trig;
2337 (%o1)                          expintegral_trig
2338 (%i2) expintegral_e1(z);
2339 (%o2) log(%i z) - %i expintegral_si(%i z) - expintegral_ci(%i z) - log(z)
2340 (%i3) expintegral_ei(z);
2341 (%o3) (- log(%i z)) - %i expintegral_si(%i z) + expintegral_ci(%i z) + log(z)
2342 (%i4) expintegral_li(z);
2343 (%o4) (- log(%i log(z))) - %i expintegral_si(%i log(z))
2344                                       + expintegral_ci(%i log(z)) + log(log(z))
2345 (%i5) expintegral_e(n,z);
2346 (%o5)                         expintegral_e(n, z)
2347 (%i6) expintegral_si(z);
2348 (%o6)                          expintegral_si(z)
2349 (%i7) expintegral_ci(z);
2350 (%o7)                          expintegral_ci(z)
2351 (%i8) expintegral_shi(z);
2352 (%o8)                      - %i expintegral_si(%i z)
2353 (%i9) expintegral_chi(z);
2354 (%o9)            (- log(%i z)) + expintegral_ci(%i z) + log(z)
2355 @end example
2357 For @code{expintrep} set to @code{expintegral_hyp}:
2359 @example
2360 (%i1) expintrep:'expintegral_hyp;
2361 (%o1)                           expintegral_hyp
2362 (%i2) expintegral_e1(z);
2363 (%o2)               expintegral_shi(z) - expintegral_chi(z)
2364 (%i3) expintegral_ei(z);
2365 (%o3)               expintegral_shi(z) + expintegral_chi(z)
2366 (%i4) expintegral_li(z);
2367 (%o4)          expintegral_shi(log(z)) + expintegral_chi(log(z))
2368 (%i5) expintegral_e(n,z);
2369 (%o5)                         expintegral_e(n, z)
2370 (%i6) expintegral_si(z);
2371 (%o6)                     - %i expintegral_shi(%i z)
2372 (%i7) expintegral_ci(z);
2373 (%o7)           (- log(%i z)) + expintegral_chi(%i z) + log(z)
2374 (%i8) expintegral_shi(z);
2375 (%o8)                         expintegral_shi(z)
2376 (%i9) expintegral_chi(z);
2377 (%o9)                         expintegral_chi(z)
2378 @end example
2380 @opencatbox{Categories:}
2381 @category{Exponential Integrals}
2382 @closecatbox
2383 @end defvr
2385 @anchor{expintexpand}
2386 @defvr {Option variable} expintexpand 
2387 Default value: false
2389 Expand @code{expintegral_e(n,z)} for half
2390 integral values in terms of @code{erfc} or @code{erf} and
2391 for positive integers in terms of @code{expintegral_ei}.
2393 @example
2394 (%i1) expintegral_e(1/2,z);
2395                                             1
2396 (%o1)                         expintegral_e(-, z)
2397                                             2
2398 (%i2) expintegral_e(1,z);
2399 (%o2)                         expintegral_e(1, z)
2400 (%i3) expintexpand:true;
2401 (%o3)                                true
2402 (%i4) expintegral_e(1/2,z);
2403                             sqrt(%pi) erfc(sqrt(z))
2404 (%o4)                       -----------------------
2405                                     sqrt(z)
2406 (%i5) expintegral_e(1,z);
2407                                1
2408                          log(- -) - log(- z)
2409                                z
2410 (%o5)       (- log(z)) - ------------------- - expintegral_ei(- z)
2411                                   2
2412 @end example
2414 @opencatbox{Categories:}
2415 @category{Exponential Integrals}
2416 @closecatbox
2417 @end defvr
2419 @node Error Function, Struve Functions, Exponential Integrals, Special Functions
2420 @section Error Function
2422 The Error function and related functions are defined in
2423 Abramowitz and Stegun,
2424 @i{Handbook of Mathematical Functions}, @urlaands{Chapter 7, 297} and (@urldlmf{7})
2426 @c -----------------------------------------------------------------------------
2427 @anchor{erf}
2428 @deffn {Function} erf (@var{z})
2430 The Error Function erf(z):
2431 m4_displaymath(
2432 <<<{\rm erf}\ z = {{2\over \sqrt{\pi}}} \int_0^z e^{-t^2}\, dt>>>,
2433 <<<@math{erf(z) = 2/sqrt(%pi)*integrate(exp(-t^2), t, 0, z)}>>>)
2435 (@urlaands{eqn 7.1.1, 297}) and (@urldlmf{7.2.E1}).
2437 See also flag @mrefdot{erfflag}  This can also be expressed in terms
2438 of a hypergeometric function.  @xref{hypergeometric_representation}.
2439 @opencatbox{Categories:}
2440 @category{Special functions}
2441 @closecatbox
2442 @end deffn
2444 @anchor{erfc}
2445 @deffn {Function} erfc (@var{z})
2446 The Complementary Error Function erfc(z):
2447 m4_displaymath(
2448 <<<{\rm erfc}\ z = 1 - {\rm erf}\ z>>>,
2449 <<<@math{erfc(z) = 1-erf(z)}>>>)
2451 (@urlaands{eqn 7.1.2, 297}) and (@urldlmf{7.2.E2}).
2453 This can also be expressed in terms
2454 of a hypergeometric function.  @xref{hypergeometric_representation}.
2455 @opencatbox{Categories:}
2456 @category{Special functions}
2457 @closecatbox
2458 @end deffn
2460 @anchor{erfi}
2461 @deffn {Function} erfi (@var{z})
2462 The Imaginary Error Function. 
2463 m4_displaymath(
2464 <<<{\rm erfi}\ z = -i\, {\rm erf}(i z)>>>,
2465 <<<@math{erfi(z) = -%i*erf(%i*z)}>>>)
2467 @opencatbox{Categories:}
2468 @category{Special functions}
2469 @closecatbox
2470 @end deffn
2472 @anchor{erf_generalized}
2473 @deffn {Function} erf_generalized (@var{z1},@var{z2})
2474 Generalized Error function Erf(z1,z2):
2475 m4_displaymath(
2476 <<<{\rm erf}(z_1, z_2) = {{2\over \sqrt{\pi}}} \int_{z_1}^{z_2} e^{-t^2}\, dt>>>,
2477 <<<@math{erf(z) = 2/sqrt(%pi)*integrate(exp(-t^2), t, z1, z2)}>>>)
2479 This can also be expressed in terms
2480 of a hypergeometric function.  @xref{hypergeometric_representation}.
2481 @opencatbox{Categories:}
2482 @category{Special functions}
2483 @closecatbox
2484 @end deffn
2486 @anchor{fresnel_c}
2487 @deffn {Function} fresnel_c (@var{z})
2488 The Fresnel Integral
2490 m4_displaymath(
2491 <<<C(z) = \int_0^z \cos\left({\pi \over 2} t^2\right)\, dt>>>,
2492 <<<@math{C(z) = integrate(cos((%pi/2)*t^2),t,0,z)}>>>)
2494 (@urlaands{eqn 7.3.1, 300}) and (@urldlmf{7.2.E7}).
2496 The simplification 
2497 m4_math(<<<C(-x) = -C(x)>>>, <<<@code{fresnel_c(-x) = -fresnel_c(x)}>>>) 
2498 is applied when
2499 flag @mref{trigsign} is true.
2501 The simplification 
2502 m4_math(<<<C(ix) = iC(x)>>>, <<<@code{fresnel_c(%i*x) = %i*fresnel_c(x)}>>>) 
2503 is applied when
2504 flag @mref{%iargs} is true.
2506 See flags @mref{erf_representation} and @mref{hypergeometric_representation}.
2507 @opencatbox{Categories:}
2508 @category{Special functions}
2509 @closecatbox
2510 @end deffn
2512 @anchor{fresnel_s}
2513 @deffn {Function} fresnel_s (@var{z})
2514 The Fresnel Integral
2515 m4_displaymath(
2516 <<<S(z) = \int_0^z \sin\left({\pi \over 2} t^2\right)\, dt>>>,
2517 <<<@math{S(z) = integrate(sin((%pi/2)*t^2),t,0,z)}>>>)
2519 (@urlaands{eqn 7.3.2, 300}) and (@urldlmf{7.2.E8}).
2521 The simplification 
2522 m4_math(<<<S(-x) = -S(x)>>>, <<<@code{fresnel_s(-x) = -fresnel_s(x)}>>>) 
2523 is applied when
2524 flag @mref{trigsign} is true.
2526 The simplification 
2527 m4_math(<<<S(ix) = iS(x)>>>, <<<@code{fresnel_s(%i*x) = -%i*fresnel_s(x)}>>>) 
2528 is applied when
2529 flag @mref{%iargs} is true.
2531 See flags @mref{erf_representation} and @mref{hypergeometric_representation}.
2532 @opencatbox{Categories:}
2533 @category{Special functions}
2534 @closecatbox
2535 @end deffn
2537 @anchor{erf_representation}
2538 @defvr {Option variable} erf_representation
2539 Default value: false
2541 @code{erf_representation} controls how the error functions are
2542 represented.  It must be set to one of @code{false}, @code{erf},
2543 @code{erfc}, or @code{erfi}.  When set to @code{false}, the error functions are not
2544 modified.  When set to @code{erf}, all error functions (@mref{erfc},
2545 @mref{erfi}, @mref{erf_generalized}, @mref{fresnel_s} and
2546 @mref{fresnel_c}) are converted to @mref{erf} functions.  Similary,
2547 @code{erfc} converts error functions to @mref{erfc}.  Finally
2548 @code{erfi} converts the functions to @mref{erfi}.
2550 Converting to @mref{erf}:
2551 @example
2552 (%i1) erf_representation:erf;
2553 (%o1)                                true
2554 (%i2) erfc(z);
2555 (%o2)                               erfc(z)
2556 (%i3) erfi(z);
2557 (%o3)                               erfi(z)
2558 (%i4) erf_generalized(z1,z2);
2559 (%o4)                          erf(z2) - erf(z1)
2560 (%i5) fresnel_c(z);
2561                     sqrt(%pi) (%i + 1) z           sqrt(%pi) (1 - %i) z
2562       (1 - %i) (erf(--------------------) + %i erf(--------------------))
2563                              2                              2
2564 (%o5) -------------------------------------------------------------------
2565                                        4
2566 (%i6) fresnel_s(z);
2567                     sqrt(%pi) (%i + 1) z           sqrt(%pi) (1 - %i) z
2568       (%i + 1) (erf(--------------------) - %i erf(--------------------))
2569                              2                              2
2570 (%o6) -------------------------------------------------------------------
2571                                        4
2573 @end example
2575 Converting to @mref{erfc}:
2576 @example
2577 (%i1) erf_representation:erfc;
2578 (%o1)                                erfc
2579 (%i2) erf(z);
2580 (%o2)                             1 - erfc(z)
2581 (%i3) erfc(z);
2582 (%o3)                               erfc(z)
2583 (%i4) erf_generalized(z1,z2);
2584 (%o4)                         erfc(z1) - erfc(z2)
2585 (%i5) fresnel_s(c);
2586                          sqrt(%pi) (%i + 1) c
2587 (%o5) ((%i + 1) ((- erfc(--------------------))
2588                                   2
2589                                                  sqrt(%pi) (1 - %i) c
2590                                   - %i (1 - erfc(--------------------)) + 1))/4
2591                                                           2
2592 (%i6) fresnel_c(c);
2593                          sqrt(%pi) (%i + 1) c
2594 (%o6) ((1 - %i) ((- erfc(--------------------))
2595                                   2
2596                                                  sqrt(%pi) (1 - %i) c
2597                                   + %i (1 - erfc(--------------------)) + 1))/4
2598                                                           2
2599 @end example
2601 Converting to @mref{erfc}:
2603 @example
2604 (%i1) erf_representation:erfi;
2605 (%o1)                                erfi
2606 (%i2) erf(z);
2607 (%o2)                           - %i erfi(%i z)
2608 (%i3) erfc(z);
2609 (%o3)                          %i erfi(%i z) + 1
2610 (%i4) erfi(z);
2611 (%o4)                               erfi(z)
2612 (%i5) erf_generalized(z1,z2);
2613 (%o5)                   %i erfi(%i z1) - %i erfi(%i z2)
2614 (%i6) fresnel_s(z);
2615                             sqrt(%pi) %i (%i + 1) z
2616 (%o6) ((%i + 1) ((- %i erfi(-----------------------))
2617                                        2
2618                                                    sqrt(%pi) (1 - %i) %i z
2619                                             - erfi(-----------------------)))/4
2620                                                               2
2621 (%i7) fresnel_c(z);
2622 (%o7) 
2623                    sqrt(%pi) (1 - %i) %i z            sqrt(%pi) %i (%i + 1) z
2624     (1 - %i) (erfi(-----------------------) - %i erfi(-----------------------))
2625                               2                                  2
2626     ---------------------------------------------------------------------------
2627                                          4
2628 @end example
2629 @end defvr
2631 @anchor{hypergeometric_representation}
2632 @defvr {Option variable} hypergeometric_representation
2633 Default value: false
2635 Enables transformation to a Hypergeometric
2636 representation for @mref{fresnel_s} and @mref{fresnel_c} and other
2637 error functions.
2639 @example
2640 (%i1) hypergeometric_representation:true;
2641 (%o1)                                true
2642 (%i2) fresnel_s(z);
2643                                                       2  4
2644                                      3    3  7     %pi  z    3
2645                  %pi hypergeometric([-], [-, -], - -------) z
2646                                      4    2  4       16
2647 (%o2)            ---------------------------------------------
2648                                        6
2649 (%i3) fresnel_c(z);
2650                                                     2  4
2651                                    1    1  5     %pi  z
2652 (%o3)              hypergeometric([-], [-, -], - -------) z
2653                                    4    2  4       16
2654 (%i4) erf(z);
2655                                         1    3      2
2656                       2 hypergeometric([-], [-], - z ) z
2657                                         2    2
2658 (%o4)                 ----------------------------------
2659                                   sqrt(%pi)
2660 (%i5) erfi(z);
2661                                          1    3    2
2662                        2 hypergeometric([-], [-], z ) z
2663                                          2    2
2664 (%o5)                  --------------------------------
2665                                   sqrt(%pi)
2666 (%i6) erfc(z);
2667                                           1    3      2
2668                         2 hypergeometric([-], [-], - z ) z
2669                                           2    2
2670 (%o6)               1 - ----------------------------------
2671                                     sqrt(%pi)
2672 (%i7) erf_generalized(z1,z2);
2673                         1    3       2
2674       2 hypergeometric([-], [-], - z2 ) z2
2675                         2    2
2676 (%o7) ------------------------------------
2677                    sqrt(%pi)
2678                                                              1    3       2
2679                                            2 hypergeometric([-], [-], - z1 ) z1
2680                                                              2    2
2681                                          - ------------------------------------
2682                                                         sqrt(%pi)
2683 @end example
2685 @end defvr
2687 @node Struve Functions, Hypergeometric Functions, Error Function, Special Functions
2688 @section Struve Functions
2690 The Struve functions are defined in Abramowitz and Stegun,
2691 @i{Handbook of Mathematical Functions}, @urlaands{Chapter 12, 496} and (@urldlmf{11}).
2692 The Struve Function 
2693 m4_math(<<<{\bf H}_{\nu}(z)>>>,<<<H[v](z)>>>) 
2694 is a particular solution
2695 of the differential equation:
2696 m4_displaymath(
2697 <<<z^2 {d^2 w \over dz^2} + z {dw \over dz} + (z^2-\nu^2)w =
2698 {{4\left({1\over 2} z\right)^{\nu+1}} \over \sqrt{\pi} \Gamma\left(\nu + {1\over 2}\right)}>>>,
2699 <<<@math{z^2*diff(w,z,2) + z*diff(w,z)+(z^2-v^2)*w = 4*(z/2)^(v+1)/(sqrt(%pi)*gamma(v+1/2))}>>>)
2701 which has the general soution
2702 m4_displaymath(
2703 <<<w = aJ_{\nu}(z) + bY_{\nu}(z) + {\bf H}_{\nu}(z)>>>,
2704 <<<@math{w = a*bessel_j(v,z) + b*bessel_y(v,z) + struve_h(v,z)}>>>)
2706 @c -----------------------------------------------------------------------------
2707 @anchor{struve_h}
2708 @deffn {Function} struve_h (@var{v}, @var{z})
2709 The Struve Function H of order 
2710 m4_math(<<<\nu>>>, v) 
2711 and argument @math{z}:
2713 m4_displaymath(
2714 <<<{\bf H}_{\nu}(z) = \left({z\over 2}\right)^{\nu+1}
2715 \sum_{k=0}^{\infty} {(-1)^k\left({z\over 2}\right)^{2k} \over \Gamma\left(k + {3\over 2}\right) \Gamma\left(k + \nu + {3\over 2}\right)}>>>,
2716 <<<@math{struve_h(v,z) = (z/2)^(v+1)*sum((-1)^k*(z/2)^(2*k)/(gamma(k+3/2)*gamma(k+v+3/2)), k, 0, inf)}>>>)
2718 (@urlaands{eqn 12.1.3, 496}) and (@urldlmf{11.2.E1}).
2720 When @code{besselexpand} is @code{true}, @code{struve_h} is expanded in terms
2721 of elementary functions when the order @math{v} is half of an odd integer. 
2722 See @mrefdot{besselexpand}
2724 @opencatbox{Categories:}
2725 @category{Special functions}
2726 @closecatbox
2727 @end deffn
2729 @c -----------------------------------------------------------------------------
2730 @anchor{struve_l}
2731 @deffn {Function} struve_l (@var{v}, @var{z})
2732 The Modified Struve Function L of order 
2733 m4_math(<<<\nu>>>, v) 
2734 and argument @math{z}:
2735 m4_displaymath(
2736 <<<{\bf L}_{\nu}(z) = -ie^{-{i\nu\pi\over 2}} {\bf H}_{\nu}(iz)>>>,
2737 <<<@math{struve_l(v,z) = %i*exp(-%i*v*%pi/2)*struve_h(v,z)}>>>)
2739 (@urlaands{eqn 12.2.1, 498}) and (@urldlmf{11.2.E2}).
2741 When @code{besselexpand} is @code{true}, @code{struve_l} is expanded in terms
2742 of elementary functions when the order @math{v} is half of an odd integer. 
2743 See @mrefdot{besselexpand}
2745 @opencatbox{Categories:}
2746 @category{Special functions}
2747 @closecatbox
2748 @end deffn
2750 @node Hypergeometric Functions, Parabolic Cylinder Functions, Struve Functions, Special Functions
2751 @section Hypergeometric Functions
2753 The Hypergeometric Functions are defined in Abramowitz and Stegun,
2754 @i{Handbook of Mathematical Functions}, @urlaands{Chapters 13, 504} and
2755 @urlaands{15, 555}.
2757 Maxima has very limited knowledge of these functions.  They
2758 can be returned from function @code{hgfred}.
2760 @deffn {Function} %m [@var{k},@var{u}] (@var{z}) 
2761 Whittaker M function (@urlaands{eqn 13.1.32, 505}):
2763 m4_displaymath(
2764 <<<M_{\kappa,\mu}(z) = e^{-{1\over 2}z} z^{{1\over 2} + \mu} M\left({1\over 2} + \mu - \kappa, 1 + 2\mu, z\right)>>>,
2765 <<<@math{%m[k,u](z) = exp(-z/2)*z^(1/2+u)*M(1/2+u-k,1+2*u,z)}>>>)
2767 where @math{M(a,b,z)} is Kummer's solution of the confluent hypergeometric equation.
2769 This can also be expressed by the series (@urldlmf{13.14.E6}):
2770 m4_displaymath(
2771 <<<M_{\kappa,\mu}(z) = e^{-{1\over 2} z} z^{{1\over 2} + \mu}
2772 \sum_{s=0}^{\infty} {\left({1\over 2} + \mu - \kappa\right)_s \over (1 + 2\mu)_s s!} z^s>>>,
2773 <<<@math{%m[k,u](z) = %e^(-z/2)*z^(1/2+u)*sum(pochhammer(1/2+u-k,s)/(pochhammer(1+2*u,s)*s!)*z^s, s, 0, inf)}>>>)
2775 @opencatbox{Categories:}
2776 @category{Special functions}
2777 @closecatbox
2778 @end deffn
2780 @deffn {Function} %w [@var{k},@var{u}] (@var{z}) 
2781 Whittaker W function (@urlaands{eqn 13.1.33, 505}):
2782 m4_displaymath(
2783 <<<W_{\kappa,\mu}(z) = e^{-{1\over 2}z} z^{{1\over 2} + \mu} U\left({1\over 2} + \mu - \kappa, 1+2\mu,z\right)>>>,
2784 <<<@math{%w[k,v](z) = exp(-z/2)*z^(1/2+u)*U(1/2+u-k, 1+2*u, z)}>>>)
2786 where @math{U(a,b,z)} is Kummer's second solution of the confluent hypergeometric equation.
2788 @opencatbox{Categories:}
2789 @category{Special functions}
2790 @closecatbox
2791 @end deffn
2794 @deffn {Function} %f [@var{p},@var{q}] (@var{[a],[b],z}) 
2795 The 
2796 m4_math(<<<_{p}F_{q}(a_1,a_2,...,a_p;b_1,b_2,...,b_q;z)>>>,<<<pFq(a_1,a_2,...,a_p;b_1,b_2,...,b_q;z)>>>) 
2797 hypergeometric function,
2798 where @var{a} a list of length @var{p} and 
2799 @var{b} a list of length @var{q}.
2800 @opencatbox{Categories:}
2801 @category{Bessel functions}
2802 @category{Special functions}
2803 @closecatbox
2804 @end deffn
2806 @deffn {Function} hypergeometric ([@var{a1}, ..., @var{ap}],[@var{b1}, ... ,@var{bq}], x)
2807 The hypergeometric function. Unlike Maxima's @code{%f} hypergeometric
2808 function, the function @code{hypergeometric} is a simplifying
2809 function; also, @code{hypergeometric} supports complex double and
2810 big floating point evaluation. For the Gauss hypergeometric function,
2811 that is @math{p = 2} and @math{q = 1}, floating point evaluation
2812 outside the unit circle is supported, but in general, it is not
2813 supported.
2815 When the option variable @code{expand_hypergeometric} is true (default
2816 is false) and one of the arguments @code{a1} through @code{ap} is a
2817 negative integer (a polynomial case), @code{hypergeometric} returns an
2818 expanded polynomial. 
2820 Examples:
2822 @example
2823 (%i1)  hypergeometric([],[],x);
2824 (%o1) %e^x
2825 @end example
2827 Polynomial cases automatically expand when @code{expand_hypergeometric} is true:
2829 @example
2830 (%i2) hypergeometric([-3],[7],x);
2831 (%o2) hypergeometric([-3],[7],x)
2833 (%i3) hypergeometric([-3],[7],x), expand_hypergeometric : true;
2834 (%o3) -x^3/504+3*x^2/56-3*x/7+1
2835 @end example
2837 Both double float and big float evaluation is supported:
2839 @example
2840 (%i4) hypergeometric([5.1],[7.1 + %i],0.42);
2841 (%o4)       1.346250786375334 - 0.0559061414208204 %i
2842 (%i5) hypergeometric([5,6],[8], 5.7 - %i);
2843 (%o5)     .007375824009774946 - .001049813688578674 %i
2844 (%i6) hypergeometric([5,6],[8], 5.7b0 - %i), fpprec : 30;
2845 (%o6) 7.37582400977494674506442010824b-3
2846                           - 1.04981368857867315858055393376b-3 %i
2847 @end example
2848 @end deffn
2850 @deffn {Function} hypergeometric_simp (@var{e})
2852 @code{hypergeometric_simp} simplifies hypergeometric functions
2853 by applying @code{hgfred}
2854 to the arguments of any hypergeometric functions in the expression @var{e}.
2856 Only instances of @code{hypergeometric} are affected;
2857 any @code{%f}, @code{%w}, and @code{%m} in the expression @var{e} are not affected.
2858 Any unsimplified hypergeometric functions are returned unchanged
2859 (instead of changing to @code{%f} as @code{hgfred} would).
2861 @code{load("hypergeometric");} loads this function.
2863 See also @mrefdot{hgfred}
2865 Examples:
2867 @c ===beg===
2868 @c load ("hypergeometric") $
2869 @c foo : [hypergeometric([1,1], [2], z), hypergeometric([1/2], [1], z)];
2870 @c hypergeometric_simp (foo);
2871 @c bar : hypergeometric([n], [m], z + 1);
2872 @c hypergeometric_simp (bar);
2873 @c ===end===
2874 @example
2875 (%i1) load ("hypergeometric") $
2876 (%i2) foo : [hypergeometric([1,1], [2], z), hypergeometric([1/2], [1], z)];
2877 (%o2) [hypergeometric([1, 1], [2], z), 
2878                                                      1
2879                                      hypergeometric([-], [1], z)]
2880                                                      2
2881 (%i3) hypergeometric_simp (foo);
2882                  log(1 - z)              z    z/2
2883 (%o3)         [- ----------, bessel_i(0, -) %e   ]
2884                      z                   2
2885 (%i4) bar : hypergeometric([n], [m], z + 1);
2886 (%o4)            hypergeometric([n], [m], z + 1)
2887 (%i5) hypergeometric_simp (bar);
2888 (%o5)            hypergeometric([n], [m], z + 1)
2889 @end example
2891 @opencatbox{Categories:}
2892 @category{Hypergeometric functions}
2893 @category{Simplification functions}
2894 @category{Special functions}
2895 @closecatbox
2896 @end deffn
2898 @anchor{hgfred}
2899 @deffn {Function} hgfred (@var{a}, @var{b}, @var{t})
2901 Simplify the generalized hypergeometric function in terms of other,
2902 simpler, forms.  @var{a} is a list of numerator parameters and @var{b}
2903 is a list of the denominator parameters. 
2905 If @code{hgfred} cannot simplify the hypergeometric function, it returns
2906 an expression of the form @code{%f[p,q]([a], [b], x)} where @var{p} is
2907 the number of elements in @var{a}, and @var{q} is the number of elements
2908 in @var{b}.  This is the usual 
2909 m4_math(<<<_pF_q>>>,<<<@code{pFq}>>>) 
2910 generalized hypergeometric
2911 function. 
2913 @example
2914 (%i1) assume(not(equal(z,0)));
2915 (%o1)                          [notequal(z, 0)]
2916 (%i2) hgfred([v+1/2],[2*v+1],2*%i*z);
2918                      v/2                               %i z
2919                     4    bessel_j(v, z) gamma(v + 1) %e
2920 (%o2)               ---------------------------------------
2921                                        v
2922                                       z
2923 (%i3) hgfred([1,1],[2],z);
2925                                    log(1 - z)
2926 (%o3)                            - ----------
2927                                        z
2928 (%i4) hgfred([a,a+1/2],[3/2],z^2);
2930                                1 - 2 a          1 - 2 a
2931                         (z + 1)        - (1 - z)
2932 (%o4)                   -------------------------------
2933                                  2 (1 - 2 a) z
2935 @end example
2937 It can be beneficial to load orthopoly too as the following example
2938 shows.  Note that @var{L} is the generalized Laguerre polynomial.
2940 @example
2941 (%i5) load("orthopoly")$
2942 (%i6) hgfred([-2],[a],z);
2943 @group
2945                                     (a - 1)
2946                                  2 L       (z)
2947                                     2
2948 (%o6)                            -------------
2949                                    a (a + 1)
2950 @end group
2951 (%i7) ev(%);
2953                                   2
2954                                  z        2 z
2955 (%o7)                         --------- - --- + 1
2956                               a (a + 1)    a
2958 @end example
2959 @end deffn
2961 @node Parabolic Cylinder Functions, Functions and Variables for Special Functions, Hypergeometric Functions, Special Functions
2962 @section  Parabolic Cylinder Functions
2964 The Parabolic Cylinder Functions are defined in Abramowitz and Stegun,
2965 @i{Handbook of Mathematical Functions}, @urlaands{Chapter 19, 686}.
2967 Maxima has very limited knowledge of these functions.  They
2968 can be returned from function @mref{specint}.
2970 @anchor{parabolic_cylinder_d}
2971 @deffn {Function} parabolic_cylinder_d (@var{v}, @var{z}) 
2972 The parabolic cylinder function @code{parabolic_cylinder_d(v,z)}. (@urlaands{eqn 19.3.1, 687}).
2974 @c See https://mathworld.wolfram.com/ParabolicCylinderFunction.html for more info.
2975 The solution of the Weber differential equation
2976 m4_displaymath(
2977 <<<y''(z) + \left(\nu + {1\over 2} - {1\over 4} z^2\right) y(z) = 0>>>,
2978 <<<diff(y(z), z, 2) + (v+1/2-z^2/4)*y(z) = 0>>>)
2979 has two independent solutions, one of which is 
2980 m4_mathcomma(<<<D_{\nu}(z)>>>, <<<@code{parabolic_cylinder_d(v,z)}>>>) 
2981 the parabolic cylinder d function.
2983 Function @mref{specint} can return expressions containing
2984 @code{parabolic_cylinder_d(v,z)} if the option variable
2985 @mref{prefer_d} is @code{true}.
2987 @opencatbox{Categories:}
2988 @category{Special functions}
2989 @closecatbox
2990 @end deffn
2995 @node Functions and Variables for Special Functions,  , Parabolic Cylinder Functions, Special Functions
2996 @section Functions and Variables for Special Functions
2999 @deffn {Function} lambert_w (@var{z})
3000 The principal branch of Lambert's W function W(z) (@urldlmf{4.13}), the solution of 
3001 m4_displaymath(
3002 <<<z = W(z)e^{W(z)}>>>,
3003 @math{z = W(z) * exp(W(z))})  
3004 @opencatbox{Categories:}
3005 @category{Special functions}
3006 @closecatbox
3007 @end deffn
3009 @deffn {Function} generalized_lambert_w (@var{k}, @var{z})
3010 The @var{k}-th branch of Lambert's W function W(z) (@urldlmf{4.13}), the solution
3011 of 
3012 m4_mathdot(<<<z=W(z)e^{W(z)}>>>,z = W(z) * exp(W(z)))
3014 The principal branch, denoted 
3015 m4_math(W_p(z),Wp(z)) 
3016 in DLMF, is @code{lambert_w(z) = generalized_lambert_w(0,z)}.
3018 The other branch with real values, denoted 
3019 m4_math(W_m(z), Wm(z)) 
3020 in DLMF, is @code{generalized_lambert_w(-1,z)}.
3021 @opencatbox{Categories:}
3022 @category{Special functions}
3023 @closecatbox
3024 @end deffn
3027 @anchor{kbateman}
3028 @deffn {Function} kbateman [@var{v}] (@var{x})
3029 The Bateman k function
3031 m4_displaymath(
3032 <<<k_v(x)
3033  = \frac{2}{\pi} \int_0^{\frac{\pi}{2}} \cos(x \tan\theta-v\theta)d\theta>>>,
3034 <<<@math{kbateman[v](x) = (2/%pi) integrate(cos(x*tan(t)-v*t),t,0,%pi/2)}>>>)
3036 It is a special case of the confluent hypergeometric function. Maxima can
3037 calculate the Laplace transform of @code{kbateman} using @mref{laplace}
3038 or @mrefcomma{specint} but has no other knowledge of this function.
3040 @opencatbox{Categories:}
3041 @category{Special functions}
3042 @closecatbox
3043 @end deffn
3047 @deffn {Function} nzeta (@var{z})
3048 The Plasma Dispersion Function 
3049 m4_displaymath(
3050 <<<{\rm nzeta}(z) = i\sqrt{\pi}e^{-z^2}(1-{\rm erf}(-iz))>>>,
3051 <<<@math{nzeta(z) = %i*sqrt(%pi)*exp(-z^2)*(1-erf(-%i*z))}>>>)
3053 @opencatbox{Categories:}
3054 @category{Special functions}
3055 @closecatbox
3056 @end deffn
3058 @deffn {Function} nzetar (@var{z})
3059 Returns @code{realpart(nzeta(z))}.
3060 @opencatbox{Categories:}
3061 @category{Special functions}
3062 @closecatbox
3063 @end deffn
3065 @deffn {Function} nzetai (@var{z})
3066 Returns @code{imagpart(nzeta(z))}.
3067 @opencatbox{Categories:}
3068 @category{Special functions}
3069 @closecatbox
3070 @end deffn