]> gitweb.michael.orlitzky.com - numerical-analysis.git/blobdiff - src/Roots/Simple.hs
src/Roots/Simple.hs: fix monomorphism restriction warning.
[numerical-analysis.git] / src / Roots / Simple.hs
index 0a1debff0a0b1db653efabdf2be00ce9a4b91ed4..2906d95839c69daab27580863d8d61bb5f14ccc6 100644 (file)
@@ -1,4 +1,5 @@
 {-# LANGUAGE RebindableSyntax #-}
+{-# LANGUAGE ScopedTypeVariables #-}
 
 -- | The Roots.Simple module contains root-finding algorithms. That
 --   is, procedures to (numerically) find solutions to the equation,
@@ -8,21 +9,34 @@
 --   where f is assumed to be continuous on the interval of interest.
 --
 
-module Roots.Simple
+module Roots.Simple (
+  bisect,
+  fixed_point,
+  fixed_point_error_ratios,
+  fixed_point_iteration_count,
+  has_root,
+  newtons_method,
+  secant_method,
+  trisect )
 where
 
 import Data.List (find)
+import NumericPrelude hiding ( abs )
+import Algebra.Absolute ( abs )
+import qualified Algebra.Additive as Additive ( C )
+import qualified Algebra.Algebraic as Algebraic ( C )
+import qualified Algebra.Field as Field ( C )
+import qualified Algebra.RealField as RealField ( C )
+import qualified Algebra.RealRing as RealRing ( C )
 
-import Normed
+import Normed ( Normed(..) )
+import qualified Roots.Fast as F (
+  bisect,
+  fixed_point_iterations,
+  fixed_point_with_iterations,
+  has_root,
+  trisect )
 
-import qualified Roots.Fast as F
-
-import NumericPrelude hiding (abs)
-import qualified Algebra.Absolute as Absolute
-import Algebra.Absolute (abs)
-import qualified Algebra.Field as Field
-import qualified Algebra.RealField as RealField
-import qualified Algebra.RealRing as RealRing
 
 -- | Does the (continuous) function @f@ have a root on the interval
 --   [a,b]? If f(a) <] 0 and f(b) ]> 0, we know that there's a root in
@@ -55,7 +69,7 @@ has_root f a b epsilon =
 
 
 -- | We are given a function @f@ and an interval [a,b]. The bisection
---   method checks finds a root by splitting [a,b] in half repeatedly.
+--   method finds a root by splitting [a,b] in half repeatedly.
 --
 --   If one is found within some prescribed tolerance @epsilon@, it is
 --   returned. Otherwise, the interval [a,b] is split into two
@@ -67,8 +81,12 @@ has_root f a b epsilon =
 --
 --   Examples:
 --
---   >>> bisect cos 1 2 0.001
---   Just 1.5712890625
+--   >>> let actual = 1.5707963267948966
+--   >>> let Just root = bisect cos 1 2 0.001
+--   >>> root
+--   1.5712890625
+--   >>> abs (root - actual) < 0.001
+--   True
 --
 --   >>> bisect sin (-1) 1 0.001
 --   Just 0.0
@@ -83,11 +101,45 @@ bisect f a b epsilon =
   F.bisect f a b epsilon Nothing Nothing
 
 
+-- | We are given a function @f@ and an interval [a,b]. The trisection
+--   method finds a root by splitting [a,b] into three
+--   subintervals repeatedly.
+--
+--   If one is found within some prescribed tolerance @epsilon@, it is
+--   returned. Otherwise, the interval [a,b] is split into two
+--   subintervals [a,c] and [c,b] of equal length which are then both
+--   checked via the same process.
+--
+--   Returns 'Just' the value x for which f(x) == 0 if one is found,
+--   or Nothing if one of the preconditions is violated.
+--
+--   Examples:
+--
+--   >>> let actual = 1.5707963267948966
+--   >>> let Just root = trisect cos 1 2 0.001
+--   >>> root
+--   1.5713305898491083
+--   >>> abs (root - actual) < 0.001
+--   True
+--
+--   >>> trisect sin (-1) 1 0.001
+--   Just 0.0
+--
+trisect :: (RealField.C a, RealRing.C b)
+       => (a -> b) -- ^ The function @f@ whose root we seek
+       -> a       -- ^ The \"left\" endpoint of the interval, @a@
+       -> a       -- ^ The \"right\" endpoint of the interval, @b@
+       -> a       -- ^ The tolerance, @epsilon@
+       -> Maybe a
+trisect f a b epsilon =
+  F.trisect f a b epsilon Nothing Nothing
+
+
 -- | Find a fixed point of the function @f@ with the search starting
 --   at x0. We delegate to the version that returns the number of
 --   iterations and simply discard the number of iterations.
 --
-fixed_point :: (Normed a, RealField.C b)
+fixed_point :: (Normed a, Additive.C a, Algebraic.C b, RealField.C b)
             => (a -> a) -- ^ The function @f@ to iterate.
             -> b       -- ^ The tolerance, @epsilon@.
             -> a       -- ^ The initial value @x0@.
@@ -100,7 +152,10 @@ fixed_point f epsilon x0 =
 --   the function @f@ with the search starting at x0 and tolerance
 --   @epsilon@. We delegate to the version that returns the number of
 --   iterations and simply discard the fixed point.
-fixed_point_iteration_count :: (Normed a, RealField.C b)
+fixed_point_iteration_count :: (Normed a,
+                                Additive.C a,
+                                RealField.C b,
+                                Algebraic.C b)
                             => (a -> a) -- ^ The function @f@ to iterate.
                             -> b       -- ^ The tolerance, @epsilon@.
                             -> a       -- ^ The initial value @x0@.
@@ -118,7 +173,10 @@ fixed_point_iteration_count f epsilon x0 =
 --
 --   This is used to determine the rate of convergence.
 --
-fixed_point_error_ratios :: (Normed a, RealField.C b)
+fixed_point_error_ratios :: forall a b. (Normed a,
+                             Additive.C a,
+                             RealField.C b,
+                             Algebraic.C b)
                    => (a -> a) -- ^ The function @f@ to iterate.
                    -> a       -- ^ The initial value @x0@.
                    -> a       -- ^ The true solution, @x_star@.
@@ -128,7 +186,7 @@ fixed_point_error_ratios f x0 x_star p =
   zipWith (/) en_plus_one en_exp
   where
     xn = F.fixed_point_iterations f x0
-    en = map (\x -> norm (x_star - x)) xn
+    en = map (\x -> norm (x_star - x)) xn :: [b]
     en_plus_one = tail en
     en_exp = map (^p) en
 
@@ -140,6 +198,7 @@ fixed_point_error_ratios f x0 x_star p =
 --   Examples:
 --
 --   Atkinson, p. 60.
+--
 --   >>> let f x = x^6 - x - 1
 --   >>> let f' x = 6*x^5 - 1
 --   >>> tail $ take 4 $ newton_iterations f f' 2
@@ -150,8 +209,8 @@ newton_iterations :: (Field.C a)
                     -> (a -> a) -- ^ The derivative of @f@
                     -> a       -- ^ Initial guess, x-naught
                     -> [a]
-newton_iterations f f' x0 =
-  iterate next x0
+newton_iterations f f' =
+  iterate next
   where
   next xn =
     xn - ( (f xn) / (f' xn) )
@@ -226,6 +285,7 @@ iterate2 f x0 x1 =
 --   Examples:
 --
 --   Atkinson, p. 67.
+--
 --   >>> let f x = x^6 - x - 1
 --   >>> take 4 $ secant_iterations f 2 1
 --   [2.0,1.0,1.0161290322580645,1.190577768676638]
@@ -235,8 +295,8 @@ secant_iterations :: (Field.C a)
                     -> a       -- ^ Initial guess, x-naught
                     -> a       -- ^ Second initial guess, x-one
                     -> [a]
-secant_iterations f x0 x1 =
-  iterate2 g x0 x1
+secant_iterations f =
+  iterate2 g
   where
   g prev2 prev1 =
     let x_change = prev1 - prev2
@@ -251,6 +311,7 @@ secant_iterations f x0 x1 =
 --   Examples:
 --
 --   Atkinson, p. 67.
+--
 --   >>> let f x = x^6 - x - 1
 --   >>> let Just root = secant_method f (1/10^9) 2 1
 --   >>> root