REPOSTING: PowerTower extended to real exponents
- To: mathgroup at smc.vnet.net
- Subject: [mg72033] REPOSTING: PowerTower extended to real exponents
- From: "Ingolf Dahl" <ingolf.dahl at telia.com>
- Date: Sat, 9 Dec 2006 06:09:40 -0500 (EST)
- Organization: Goteborg University
I am reposting this (probably lost mail due to some problems with our mailserver), with some small corrections in the definition of PowerTower: This is a continuation of the thread [mg71764] Functional decomposition (solving f[f[x]] = g[x] for given g), but I wanted a new title. The function PowerTower gives x to the power x to the power x ... n times, and is in the Mathematica Help (for Power) defined as PowerTower[(x_)?NumericQ, (n_Integer)?Positive] := Nest[x^#1 & , x, n - 1] This operation is also known as tetration (good Google search word), iterated exponentials and hyperpowers. I have extended the definition of PowerTower to cover values Log[x] > 0.55 and real values of n >= -2. (Smaller values of x demand a slightly different algorithm, which has not been coded yet.) Some results from this morning: e tetrated to pi: Timing[PowerTower[N[E, 50], N[Pi, 50]]] {2.4530000000000003*Second, 3.7150463906547139171107134916520886913907197951098502328119`46.532680501112 68*^10} pi tetrated to e: Timing[PowerTower[N[Pi, 50], N[E, 50]]] {2.625000000000001*Second, 1.885451906681809677772360465630708697760585825573061664`36.29506406979924*^ 6} 10 tetrated to 2.390797847503886227: Timing[PowerTower[10., 2.390797847503886227`18.378542856155452]] {0.516*Second, 1.0000000000003806*^100} 2 tetrated to 0.5: Timing[PowerTower[SetAccuracy[2, 50], 0.5]] {0.031000000000000583*Second, 1.458798141958706268157503723664793362303661625817509512716`47.9503312794002 24} Code is below. Best regards Ingolf Dahl ingolf.dahl at telia.com PowerTower[(x_)?NumericQ, (n_Integer)?Positive] := Nest[x^#1 & , x, n - 1] PowerTower[ x_?NumericQ,0]:=1; PowerTower[ x_?NumericQ/; x!=0, -1]:=0; PowerTower[ x_?NumericQ/; x>1, -2]:= -Infinity; PowerTower[ x_?NumericQ/; 0 < x < 1, -2]:= Infinity; PowerTower[(x_)?NumericQ /; Log[x] > 0.55, n_Real /; n >= -2] := fexpk[PowerTower[x, Floor[n]], Log[x]*SetAccuracy[1, 100], n - Floor[n]] fexpk[(x_)?NumericQ, (k_)?NumericQ /; k > 0.55, p_ /; 0 <= p && p < 1] := Module[{y, steps}, y = If[MachineNumberQ[x], SetAccuracy[x, 24], x]; steps = 0; While[k*y < Log[Log[1.`15.954589770191005*^646456887]/k], steps = steps + 1; y = Exp[k*y]]; While[k*y > Log[1.`15.954589770191005*^646456887], steps = steps - 1; y = Log[y]/k]; y = f2sinhk[y, k, p]*(1 + SetAccuracy[0., k*(y/1.15)]); If[steps >= 0, (If[MachineNumberQ[x], N[#1], #1] & )[Nest[Log[#1]/k & , y, steps]], (If[MachineNumberQ[x], N[#1], #1] & )[Nest[Exp[k*#1] & , y, -steps]]]] f2sinhk[(x_)?NumericQ, (k_)?NumericQ /; k > 0.55, p_ /; 0 <= p && p < 1] := Module[{steps, bitlist}, bitlist = RealDigits[p, 2]; bitlist = Join[Table[0, {-bitlist[[2]]}], bitlist[[1]]] //. {{a1__, 0} :> {a1}}; fnip[xx_] := 2*Sinh[k*xx]; y = If[MachineNumberQ[x], SetAccuracy[x, 24], x]; steps = 0; While[Abs[y] > 0.05, steps = steps + 1; y = ArcSinh[y/2]/k]; While[Length[bitlist] > 0, fnip[xx_] = FractionalOddSeries[fnip[xx], xx]; If[bitlist[[1]] == 1, y = fnip[y]]; bitlist = Drop[bitlist, 1]]; (If[MachineNumberQ[x], N[#1], #1] & )[Nest[2*Sinh[k*#1] & , y, steps]]] FractionalOddSeries[ func_,x_]:= Module[ { a,funcs,b}, funcs= Series[ func, { x,0,29}]; Do[ b[i]= SeriesCoefficient[ funcs,i], { i,1,29,2}]; a[1]= Sqrt[ b[1]]; a[3]= b[3]/ ( a[1]* ( 1+ a[1]^2)); a[5]= ( -3* a[1]^2* a[3]^2+ b[5])/ ( a[1]* ( 1+ a[1]^4)); a[7]= ( -3* a[1]* a[3]^3- 3* a[1]^2* a[3]* a[5]- 5* a[1]^4* a[3]* a[5]+ b[7])/ ( a[1]* ( 1+ a[1]^6)); a[9]= ( 1/ ( a[1]* ( 1+ a[1]^8)))* ( - a[3]^4- 6* a[1]* a[3]^2* a[5]- 10* a[1]^3* a[3]^2* a[5]- 5* a[1]^4* a[5]^2- 3* a[1]^2* a[3]* a[7]- 7* a[1]^6* a[3]* a[7]+ b[9]); a[11]= ( 1/ ( a[1]* ( 1+ a[1]^10)))* ( -3* a[3]^3* a[5]- 10* a[1]^2* a[3]^3* a[5]- 3* a[1]* a[3]* a[5]^2- 20* a[1]^3* a[3]* a[5]^2- 6* a[1]* a[3]^2* a[7]- 21* a[1]^5* a[3]^2* a[7]- 5* a[1]^4* a[5]* a[7]- 7* a[1]^6* a[5]* a[7]- 3* a[1]^2* a[3]* a[9]- 9* a[1]^8* a[3]* a[9]+ b[11]); a[13]= ( 1/ ( a[1]* ( 1+ a[1]^12)))* ( -5* a[1]* a[3]^4* a[5]- 3* a[3]^2* a[5]^2- 30* a[1]^2* a[3]^2* a[5]^2- 10* a[1]^3* a[5]^3- 3* a[3]^3* a[7]- 35* a[1]^4* a[3]^3* a[7]- 6* a[1]* a[3]* a[5]* a[7]- 20* a[1]^3* a[3]* a[5]* a[7]- 42* a[1]^5* a[3]* a[5]* a[7]- 7* a[1]^6* a[7]^2- 6* a[1]* a[3]^2* a[9]- 36* a[1]^7* a[3]^2* a[9]- 5* a[1]^4* a[5]* a[9]- 9* a[1]^8* a[5]* a[9]- 3* a[1]^2* a[3]* a[11]- 11* a[1]^10* a[3]* a[11]+ b[13]); a[15]= ( 1/ ( a[1]+ a[1]^15))* ( ( - a[3]^5)* a[5]- 20* a[1]* a[3]^3* a[5]^2- a[3]* a[5]^3- 30* a[1]^2* a[3]* a[5]^3- 35* a[1]^3* a[3]^4* a[7]- 6* a[3]^2* a[5]* a[7]- 30* a[1]^2* a[3]^2* a[5]* a[7]- 105* a[1]^4* a[3]^2* a[5]* a[7]- 20* a[1]^3* a[5]^2* a[7]- 21* a[1]^5* a[5]^2* a[7]- 3* a[1]* a[3]* a[7]^2- 42* a[1]^5* a[3]* a[7]^2- 3* a[3]^3* a[9]- 84* a[1]^6* a[3]^3* a[9]- 6* a[1]* a[3]* a[5]* a[9]- 20* a[1]^3* a[3]* a[5]* a[9]- 72* a[1]^7* a[3]* a[5]* a[9]- 7* a[1]^6* a[7]* a[9]- 9* a[1]^8* a[7]* a[9]- 6* a[1]* a[3]^2* a[11]- 55* a[1]^9* a[3]^2* a[11]- 5* a[1]^4* a[5]* a[11]- 11* a[1]^10* a[5]* a[11]- 3* a[1]^2* a[3]* a[13]- 13* a[1]^12* a[3]* a[13]+ b[15]); a[17]= ( 1/ ( a[1]+ a[1]^17))* ( -10* a[1]^2* a[5]^4- 21* a[1]^2* a[3]^5* a[7]- 42* a[1]^5* a[5]* a[7]^2- 36* a[1]^7* a[5]^2* a[9]- 9* a[1]^8* a[9]^2- a[3]^4* ( 5* a[5]^2+ 126* a[1]^5* a[9])- 10* a[1]^3* a[5]* ( a[7]^2+ 2* a[5]* a[9])- 7* a[1]^6* a[7]* a[11]- 11* a[1]^10* a[7]* a[11]- a[3]^3* ( 20* a[1]* a[5]* a[7]+ 140* a[1]^3* a[5]* a[7]+ 3* a[11]+ 165* a[1]^8* a[11])- 5* a[1]^4* a[5]* a[13]- 13* a[1]^12* a[5]* a[13]- 3* a[3]^2* ( 10* a[1]* a[5]^3+ a[7]^2+ 35* a[1]^4* a[7]^2+ 2* a[5]* a[9]+ 10* a[1]^2* a[5]* a[9]+ 84* a[1]^6* a[5]* a[9]+ 2* a[1]* a[13]+ 26* a[1]^11* a[13])- a[3]* ( 3* a[5]^2* a[7]+ 60* a[1]^2* a[5]^2* a[7]+ 105* a[1]^4* a[5]^2* a[7]+ 6* a[1]* a[7]* a[9]+ 42* a[1]^5* a[7]* a[9]+ 72* a[1]^7* a[7]* a[9]+ 6* a[1]* a[5]* a[11]+ 20* a[1]^3* a[5]* a[11]+ 110* a[1]^9* a[5]* a[11]+ 3* a[1]^2* a[15]+ 15* a[1]^14* a[15])+ b[17]); a[19]= ( 1/ ( a[1]+ a[1]^19))* ( -7* a[1]* a[3]^6* a[7]- 30* a[1]^2* a[5]^3* a[7]- 126* a[1]^4* a[3]^5* a[9]- 72* a[1]^7* a[5]* a[7]* a[9]- 21* a[1]^5* ( a[7]^3+ 2* a[5]* a[7]* a[9])- 55* a[1]^9* a[5]^2* a[11]- 9* a[1]^8* a[9]* a[11]- 11* a[1]^10* a[9]* a[11]- 5* a[3]^4* ( a[5]* a[7]+ 21* a[1]^2* a[5]* a[7]+ 66* a[1]^7* a[11])- 20* a[1]^3* a[5]* ( a[7]* a[9]+ a[5]* a[11])- 7* a[1]^6* a[7]* a[13]- 13* a[1]^12* a[7]* a[13]- a[3]^3* ( 10* a[5]^3+ 140* a[1]^3* a[7]^2+ 20* a[1]* a[5]* a[9]+ 504* a[1]^5* a[5]* a[9]+ 3* a[13]+ 286* a[1]^10* a[13])- 15* a[1]^14* a[5]* a[15]- 5* a[1]^4* a[5]* ( 7* a[5]^2* a[7]+ a[15])- 3* a[3]^2* ( 20* a[1]* a[5]^2* a[7]+ 70* a[1]^3* a[5]^2* a[7]+ 2* a[7]* a[9]+ 35* a[1]^4* a[7]* a[9]+ 84* a[1]^6* a[7]* a[9]+ 2* a[5]* a[11]+ 10* a[1]^2* a[5]* a[11]+ 165* a[1]^8* a[5]* a[11]+ 2* a[1]* a[15]+ 35* a[1]^13* a[15])- a[3]* ( 20* a[1]* a[5]^4+ 3* a[5]* a[7]^2+ 30* a[1]^2* a[5]* a[7]^2+ 210* a[1]^4* a[5]* a[7]^2+ 3* a[5]^2* a[9]+ 60* a[1]^2* a[5]^2* a[9]+ 252* a[1]^6* a[5]^2* a[9]+ 3* a[1]* a[9]^2+ 72* a[1]^7* a[9]^2+ 6* a[1]* a[7]* a[11]+ 42* a[1]^5* a[7]* a[11]+ 110* a[1]^9* a[7]* a[11]+ 6* a[1]* a[5]* a[13]+ 20* a[1]^3* a[5]* a[13]+ 156* a[1]^11* a[5]* a[13]+ 3* a[1]^2* a[17]+ 17* a[1]^16* a[17])+ b[19]); a[21]= ( 1/ ( a[1]+ a[1]^21))* ( -5* a[1]* a[5]^5- a[3]^7* a[7]- 84* a[1]^3* a[3]^6* a[9]- 6* a[1]^2* ( 5+ 14* a[1]^4)* a[5]^3* a[9]- 42* a[1]^5* a[7]^2* a[9]- 36* a[1]^7* a[7]^2* a[9]- 11* a[1]^10* a[11]^2- 42* a[3]^5* ( a[1]* a[5]* a[7]+ 11* a[1]^6* a[11])- 9* a[1]^8* a[9]* a[13]- 13* a[1]^12* a[9]* a[13]- a[1]^2* a[5]^2* ( 30* a[7]^2+ 105* a[1]^2* a[7]^2+ 20* a[1]* a[13]+ 78* a[1]^9* a[13])- 5* a[3]^4* ( 21* a[1]^2* a[7]^2+ a[5]* a[9]+ 126* a[1]^4* a[5]* a[9]+ 143* a[1]^9* a[13])- 7* a[1]^6* a[7]* a[15]- 15* a[1]^14* a[7]* a[15]- a[3]^3* ( 20* a[5]^2* a[7]+ 210* a[1]^2* a[5]^2* a[7]+ 140* a[1]^3* a[7]* a[9]+ 504* a[1]^5* a[7]* a[9]+ 20* a[1]* a[5]* a[11]+ 1320* a[1]^7* a[5]* a[11]+ 3* a[15]+ 455* a[1]^12* a[15])- a[1]^3* a[5]* ( 10* a[9]^2+ 72* a[1]^4* a[9]^2+ 20* a[7]* a[11]+ 42* a[1]^2* a[7]* a[11]+ 110* a[1]^6* a[7]* a[11]+ 5* a[1]* a[17]+ 17* a[1]^13* a[17])- a[3]^2* ( 10* a[5]^4+ 30* a[1]* a[5]* a[7]^2+ 420* a[1]^3* a[5]* a[7]^2+ 60* a[1]* a[5]^2* a[9]+ 756* a[1]^5* a[5]^2* a[9]+ 3* a[9]^2+ 252* a[1]^6* a[9]^2+ 6* a[7]* a[11]+ 105* a[1]^4* a[7]* a[11]+ 495* a[1]^8* a[7]* a[11]+ 6* a[5]* a[13]+ 30* a[1]^2* a[5]* a[13]+ 858* a[1]^10* a[5]* a[13]+ 6* a[1]* a[17]+ 136* a[1]^15* a[17])- a[3]* ( 60* a[1]* a[5]^3* a[7]+ 140* a[1]^3* a[5]^3* a[7]+ a[7]^3+ 105* a[1]^4* a[7]^3+ 6* a[5]* a[7]* a[9]+ 60* a[1]^2* a[5]* a[7]* a[9]+ 210* a[1]^4* a[5]* a[7]* a[9]+ 504* a[1]^6* a[5]* a[7]* a[9]+ 3* a[5]^2* a[11]+ 60* a[1]^2* a[5]^2* a[11]+ 495* a[1]^8* a[5]^2* a[11]+ 6* a[1]* a[9]* a[11]+ 72* a[1]^7* a[9]* a[11]+ 110* a[1]^9* a[9]* a[11]+ 6* a[1]* a[7]* a[13]+ 42* a[1]^5* a[7]* a[13]+ 156* a[1]^11* a[7]* a[13]+ 6* a[1]* a[5]* a[15]+ 20* a[1]^3* a[5]* a[15]+ 210* a[1]^13* a[5]* a[15]+ 3* a[1]^2* a[19]+ 19* a[1]^18* a[19])+ b[21]); a[23]= ( 1/ ( a[1]+ a[1]^23))* ( -5* a[1]* ( 4+ 7* a[1]^2)* a[5]^4* a[7]- 36* a[1]^2* a[3]^7* a[9]- 72* a[1]^7* a[7]* a[9]^2- 15* a[1]^2* ( 2+ 11* a[1]^6)* a[5]^3* a[11]- 55* a[1]^9* a[7]^2* a[11]- 7* a[3]^6* ( a[5]* a[7]+ 66* a[1]^5* a[11])- 21* a[1]^5* a[7]* ( a[9]^2+ 2* a[7]* a[11])- 11* a[1]^10* a[11]* a[13]- 13* a[1]^12* a[11]* a[13]- 3* a[3]^5* ( 14* a[1]* a[7]^2+ 168* a[1]^3* a[5]* a[9]+ 429* a[1]^8* a[13])- 9* a[1]^8* a[9]* a[15]- 15* a[1]^14* a[9]* a[15]- a[1]^2* a[5]^2* ( 60* a[7]* a[9]+ 105* a[1]^2* a[7]* a[9]+ 252* a[1]^4* a[7]* a[9]+ 20* a[1]* a[15]+ 105* a[1]^11* a[15])- 5* a[3]^4* ( 21* a[1]* a[5]^2* a[7]+ 21* a[1]^2* a[7]* a[9]+ 126* a[1]^4* a[7]* a[9]+ a[5]* 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