Logaritmo de um BigDecimal

StackOverflow https://stackoverflow.com/questions/739532

  •  09-09-2019
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Pergunta

Como posso calcular o logaritmo de um BigDecimal? Alguém sabe de quaisquer algoritmos posso usar?

O meu googling até agora surgiu com a idéia (inútil) de apenas converter para um casal e usando Math.log.

I irá fornecer a precisão da resposta exigida.

edit: qualquer base vai fazer. Se é mais fácil na base x, eu vou fazer isso.

Foi útil?

Solução

Java triturador de número: O Guia do programador Java para numérica Computing fornece uma solução usando Newton Método . O código-fonte do livro está disponível aqui . O seguinte foi tomada a partir do capítulo 12,5 Funções Big Decmial (P330 e P331): 

/**
 * Compute the natural logarithm of x to a given scale, x > 0.
 */
public static BigDecimal ln(BigDecimal x, int scale)
{
    // Check that x > 0.
    if (x.signum() <= 0) {
        throw new IllegalArgumentException("x <= 0");
    }

    // The number of digits to the left of the decimal point.
    int magnitude = x.toString().length() - x.scale() - 1;

    if (magnitude < 3) {
        return lnNewton(x, scale);
    }

    // Compute magnitude*ln(x^(1/magnitude)).
    else {

        // x^(1/magnitude)
        BigDecimal root = intRoot(x, magnitude, scale);

        // ln(x^(1/magnitude))
        BigDecimal lnRoot = lnNewton(root, scale);

        // magnitude*ln(x^(1/magnitude))
        return BigDecimal.valueOf(magnitude).multiply(lnRoot)
                    .setScale(scale, BigDecimal.ROUND_HALF_EVEN);
    }
}

/**
 * Compute the natural logarithm of x to a given scale, x > 0.
 * Use Newton's algorithm.
 */
private static BigDecimal lnNewton(BigDecimal x, int scale)
{
    int        sp1 = scale + 1;
    BigDecimal n   = x;
    BigDecimal term;

    // Convergence tolerance = 5*(10^-(scale+1))
    BigDecimal tolerance = BigDecimal.valueOf(5)
                                        .movePointLeft(sp1);

    // Loop until the approximations converge
    // (two successive approximations are within the tolerance).
    do {

        // e^x
        BigDecimal eToX = exp(x, sp1);

        // (e^x - n)/e^x
        term = eToX.subtract(n)
                    .divide(eToX, sp1, BigDecimal.ROUND_DOWN);

        // x - (e^x - n)/e^x
        x = x.subtract(term);

        Thread.yield();
    } while (term.compareTo(tolerance) > 0);

    return x.setScale(scale, BigDecimal.ROUND_HALF_EVEN);
}

/**
 * Compute the integral root of x to a given scale, x >= 0.
 * Use Newton's algorithm.
 * @param x the value of x
 * @param index the integral root value
 * @param scale the desired scale of the result
 * @return the result value
 */
public static BigDecimal intRoot(BigDecimal x, long index,
                                 int scale)
{
    // Check that x >= 0.
    if (x.signum() < 0) {
        throw new IllegalArgumentException("x < 0");
    }

    int        sp1 = scale + 1;
    BigDecimal n   = x;
    BigDecimal i   = BigDecimal.valueOf(index);
    BigDecimal im1 = BigDecimal.valueOf(index-1);
    BigDecimal tolerance = BigDecimal.valueOf(5)
                                        .movePointLeft(sp1);
    BigDecimal xPrev;

    // The initial approximation is x/index.
    x = x.divide(i, scale, BigDecimal.ROUND_HALF_EVEN);

    // Loop until the approximations converge
    // (two successive approximations are equal after rounding).
    do {
        // x^(index-1)
        BigDecimal xToIm1 = intPower(x, index-1, sp1);

        // x^index
        BigDecimal xToI =
                x.multiply(xToIm1)
                    .setScale(sp1, BigDecimal.ROUND_HALF_EVEN);

        // n + (index-1)*(x^index)
        BigDecimal numerator =
                n.add(im1.multiply(xToI))
                    .setScale(sp1, BigDecimal.ROUND_HALF_EVEN);

        // (index*(x^(index-1))
        BigDecimal denominator =
                i.multiply(xToIm1)
                    .setScale(sp1, BigDecimal.ROUND_HALF_EVEN);

        // x = (n + (index-1)*(x^index)) / (index*(x^(index-1)))
        xPrev = x;
        x = numerator
                .divide(denominator, sp1, BigDecimal.ROUND_DOWN);

        Thread.yield();
    } while (x.subtract(xPrev).abs().compareTo(tolerance) > 0);

    return x;
}

/**
 * Compute e^x to a given scale.
 * Break x into its whole and fraction parts and
 * compute (e^(1 + fraction/whole))^whole using Taylor's formula.
 * @param x the value of x
 * @param scale the desired scale of the result
 * @return the result value
 */
public static BigDecimal exp(BigDecimal x, int scale)
{
    // e^0 = 1
    if (x.signum() == 0) {
        return BigDecimal.valueOf(1);
    }

    // If x is negative, return 1/(e^-x).
    else if (x.signum() == -1) {
        return BigDecimal.valueOf(1)
                    .divide(exp(x.negate(), scale), scale,
                            BigDecimal.ROUND_HALF_EVEN);
    }

    // Compute the whole part of x.
    BigDecimal xWhole = x.setScale(0, BigDecimal.ROUND_DOWN);

    // If there isn't a whole part, compute and return e^x.
    if (xWhole.signum() == 0) return expTaylor(x, scale);

    // Compute the fraction part of x.
    BigDecimal xFraction = x.subtract(xWhole);

    // z = 1 + fraction/whole
    BigDecimal z = BigDecimal.valueOf(1)
                        .add(xFraction.divide(
                                xWhole, scale,
                                BigDecimal.ROUND_HALF_EVEN));

    // t = e^z
    BigDecimal t = expTaylor(z, scale);

    BigDecimal maxLong = BigDecimal.valueOf(Long.MAX_VALUE);
    BigDecimal result  = BigDecimal.valueOf(1);

    // Compute and return t^whole using intPower().
    // If whole > Long.MAX_VALUE, then first compute products
    // of e^Long.MAX_VALUE.
    while (xWhole.compareTo(maxLong) >= 0) {
        result = result.multiply(
                            intPower(t, Long.MAX_VALUE, scale))
                    .setScale(scale, BigDecimal.ROUND_HALF_EVEN);
        xWhole = xWhole.subtract(maxLong);

        Thread.yield();
    }
    return result.multiply(intPower(t, xWhole.longValue(), scale))
                    .setScale(scale, BigDecimal.ROUND_HALF_EVEN);
}

Outras dicas

Um pouco algoritmo hacky que funciona muito bem para um grande número utiliza a log(AB) = log(A) + log(B) relação. Aqui está como fazê-lo na base 10 (que você pode trivialmente converter para qualquer outro logaritmo base):

  1. Contar o número de dígitos decimais na resposta. Essa é a parte integrante do seu logaritmo, mais um . Exemplo:. floor(log10(123456)) + 1 é de 6, uma vez que tem 123456 6 dígitos

  2. Você pode parar aqui se tudo que você precisa é a parte inteira do logaritmo:. Apenas subtraia 1 do resultado da etapa 1

  3. Para obter a parte fracionária do logaritmo, divida o número por 10^(number of digits), em seguida, calcular o log de que o uso de math.log10() (ou o que quer; usar uma aproximação simples série se nada mais está disponível), e adicioná-lo à parte inteira. Exemplo: para obter a parte fracionária do log10(123456), math.log10(0.123456) = -0.908... computação, e adicioná-lo ao resultado da etapa 1: 6 + -0.908 = 5.092, que é log10(123456). Note-se que você está basicamente apenas aderência em um ponto decimal à frente do grande número; há provavelmente uma boa maneira de otimizar isso no seu caso de uso, e de números realmente grandes que você não precisa nem se preocupar com agarrando todos os dígitos -. log10(0.123) é uma grande aproximação à log10(0.123456789)

Este é super rápido, porque:

  • No toString()
  • No BigInteger matemática (fração de Newton / Continuação)
  • Nem mesmo instanciar um novo BigInteger
  • Apenas usa um número fixo de operações muito rápidas

Uma chamada leva cerca de 20 microssegundos (cerca de 50k chamadas por segundo)

Mas:

  • Apenas funciona para BigInteger

Solução para BigDecimal (não testado para a velocidade):

  • mudar o ponto decimal até que o valor é> 2 ^ 53
  • Use toBigInteger() (usa um div internamente)

Este algoritmo faz uso do fato de que o registro pode ser calculada como a soma do expoente e o log da mantissa. por exemplo:

12345 tem 5 dígitos, de modo que o logaritmo na base 10 é entre 4 e 5. log (12345) = 4 + log (1.2345) = 4,09149 ... (log base 10)

Esta função calcula basear 2 log porque encontrar o número de bits ocupados é trivial. 

public double log(BigInteger val)
{
    // Get the minimum number of bits necessary to hold this value.
    int n = val.bitLength();

    // Calculate the double-precision fraction of this number; as if the
    // binary point was left of the most significant '1' bit.
    // (Get the most significant 53 bits and divide by 2^53)
    long mask = 1L << 52; // mantissa is 53 bits (including hidden bit)
    long mantissa = 0;
    int j = 0;
    for (int i = 1; i < 54; i++)
    {
        j = n - i;
        if (j < 0) break;

        if (val.testBit(j)) mantissa |= mask;
        mask >>>= 1;
    }
    // Round up if next bit is 1.
    if (j > 0 && val.testBit(j - 1)) mantissa++;

    double f = mantissa / (double)(1L << 52);

    // Add the logarithm to the number of bits, and subtract 1 because the
    // number of bits is always higher than necessary for a number
    // (ie. log2(val)<n for every val).
    return (n - 1 + Math.log(f) * 1.44269504088896340735992468100189213742664595415298D);
    // Magic number converts from base e to base 2 before adding. For other
    // bases, correct the result, NOT this number!
}

Você poderia decompor-lo usando 

log(a * 10^b) = log(a) + b * log(10)

Basicamente b+1 vai ser o número de dígitos no número, e a será um valor entre 0 e 1 que você poderia calcular o logaritmo da usando aritmética double regular.

Ou existem truques matemáticos que você pode usar - por exemplo, logaritmos de números perto de 1 pode ser computadas por uma expansão da série 

ln(x + 1) = x - x^2/2 + x^3/3 - x^4/4 + ...

Dependendo do tipo de número que você está tentando tirar o logaritmo, pode haver algo como isso, você pode usar.

Editar :. Para obter o logaritmo na base 10, você pode dividir o logaritmo natural por ln(10), ou semelhante para qualquer outra base

Este é o que eu vim acima com: 

//http://everything2.com/index.pl?node_id=946812        
public BigDecimal log10(BigDecimal b, int dp)
{
    final int NUM_OF_DIGITS = dp+2; // need to add one to get the right number of dp
                                    //  and then add one again to get the next number
                                    //  so I can round it correctly.

    MathContext mc = new MathContext(NUM_OF_DIGITS, RoundingMode.HALF_EVEN);

    //special conditions:
    // log(-x) -> exception
    // log(1) == 0 exactly;
    // log of a number lessthan one = -log(1/x)
    if(b.signum() <= 0)
        throw new ArithmeticException("log of a negative number! (or zero)");
    else if(b.compareTo(BigDecimal.ONE) == 0)
        return BigDecimal.ZERO;
    else if(b.compareTo(BigDecimal.ONE) < 0)
        return (log10((BigDecimal.ONE).divide(b,mc),dp)).negate();

    StringBuffer sb = new StringBuffer();
    //number of digits on the left of the decimal point
    int leftDigits = b.precision() - b.scale();

    //so, the first digits of the log10 are:
    sb.append(leftDigits - 1).append(".");

    //this is the algorithm outlined in the webpage
    int n = 0;
    while(n < NUM_OF_DIGITS)
    {
        b = (b.movePointLeft(leftDigits - 1)).pow(10, mc);
        leftDigits = b.precision() - b.scale();
        sb.append(leftDigits - 1);
        n++;
    }

    BigDecimal ans = new BigDecimal(sb.toString());

    //Round the number to the correct number of decimal places.
    ans = ans.round(new MathContext(ans.precision() - ans.scale() + dp, RoundingMode.HALF_EVEN));
    return ans;
}

Uma implementação Java de Meower68 pseudcode que eu testei com alguns números: 

public static BigDecimal log(int base_int, BigDecimal x) {
        BigDecimal result = BigDecimal.ZERO;

        BigDecimal input = new BigDecimal(x.toString());
        int decimalPlaces = 100;
        int scale = input.precision() + decimalPlaces;

        int maxite = 10000;
        int ite = 0;
        BigDecimal maxError_BigDecimal = new BigDecimal(BigInteger.ONE,decimalPlaces + 1);
        System.out.println("maxError_BigDecimal " + maxError_BigDecimal);
        System.out.println("scale " + scale);

        RoundingMode a_RoundingMode = RoundingMode.UP;

        BigDecimal two_BigDecimal = new BigDecimal("2");
        BigDecimal base_BigDecimal = new BigDecimal(base_int);

        while (input.compareTo(base_BigDecimal) == 1) {
            result = result.add(BigDecimal.ONE);
            input = input.divide(base_BigDecimal, scale, a_RoundingMode);
        }

        BigDecimal fraction = new BigDecimal("0.5");
        input = input.multiply(input);
        BigDecimal resultplusfraction = result.add(fraction);
        while (((resultplusfraction).compareTo(result) == 1)
                && (input.compareTo(BigDecimal.ONE) == 1)) {
            if (input.compareTo(base_BigDecimal) == 1) {
                input = input.divide(base_BigDecimal, scale, a_RoundingMode);
                result = result.add(fraction);
            }
            input = input.multiply(input);
            fraction = fraction.divide(two_BigDecimal, scale, a_RoundingMode);
            resultplusfraction = result.add(fraction);
            if (fraction.abs().compareTo(maxError_BigDecimal) == -1){
                break;
            }
            if (maxite == ite){
                break;
            }
            ite ++;
        }

        MathContext a_MathContext = new MathContext(((decimalPlaces - 1) + (result.precision() - result.scale())),RoundingMode.HALF_UP);
        BigDecimal roundedResult = result.round(a_MathContext);
        BigDecimal strippedRoundedResult = roundedResult.stripTrailingZeros();
        //return result;
        //return result.round(a_MathContext);
        return strippedRoundedResult;
    }

Se tudo que você precisa é encontrar as potências de 10 o número que você pode usar: 

public int calculatePowersOf10(BigDecimal value)
{
    return value.round(new MathContext(1)).scale() * -1;
}

Pseudocódigo algoritmo para fazer um logaritmo.

Assumindo que queremos log_n de x 

double fraction, input;
int base;
double result;

result = 0;
base = n;
input = x;

while (input > base){
  result++;
  input /= base;
}
fraction = 1/2;
input *= input;   

while (((result + fraction) > result) && (input > 1)){
  if (input > base){
    input /= base;
    result += fraction;
  }
  input *= input;
  fraction /= 2.0;
 }

O loop while grande pode parecer um pouco confuso.

Em cada passagem, você pode enquadrar sua entrada ou você pode tomar a raiz quadrada da sua base; de qualquer forma, você deve dividir sua fração por 2. I encontrar a quadratura do input, e deixando a base sozinho, para ser mais preciso.

Se a entrada vai para 1, nós estamos completamente. O log de 1, para qualquer base, é 0, o que significa que não precisa adicionar mais.

if (+ fração resultado) não é maior do que o resultado, então nós batemos os limites da precisão para o nosso sistema de numeração. Nós podemos parar.

Obviamente, se você está trabalhando com um sistema que tem arbitrariamente muitos dígitos de precisão, você vai querer colocar outra coisa lá dentro para limitar o loop.

Eu estava procurando essa coisa exata e, eventualmente, fui com uma abordagem continuada fração. A fracção contínua pode ser encontrado em aqui ou aqui

Código: 

import java.math.BigDecimal;
import java.math.MathContext;

public static long ITER = 1000;
public static MathContext context = new MathContext( 100 );
public static BigDecimal ln(BigDecimal x) {
    if (x.equals(BigDecimal.ONE)) {
        return BigDecimal.ZERO;
    }

    x = x.subtract(BigDecimal.ONE);
    BigDecimal ret = new BigDecimal(ITER + 1);
    for (long i = ITER; i >= 0; i--) {
    BigDecimal N = new BigDecimal(i / 2 + 1).pow(2);
        N = N.multiply(x, context);
        ret = N.divide(ret, context);

        N = new BigDecimal(i + 1);
        ret = ret.add(N, context);

    }

    ret = x.divide(ret, context);
    return ret;
}

velha questão, mas eu realmente acho que essa resposta é preferível. Ele tem boa precisão e suporta argumentos de praticamente qualquer tamanho. 

private static final double LOG10 = Math.log(10.0);

/**
 * Computes the natural logarithm of a BigDecimal 
 * 
 * @param val Argument: a positive BigDecimal
 * @return Natural logarithm, as in Math.log()
 */
public static double logBigDecimal(BigDecimal val) {
    return logBigInteger(val.unscaledValue()) + val.scale() * Math.log(10.0);
}

private static final double LOG2 = Math.log(2.0);

/**
 * Computes the natural logarithm of a BigInteger. Works for really big
 * integers (practically unlimited)
 * 
 * @param val Argument, positive integer
 * @return Natural logarithm, as in <tt>Math.log()</tt>
 */
public static double logBigInteger(BigInteger val) {
    int blex = val.bitLength() - 1022; // any value in 60..1023 is ok
    if (blex > 0)
        val = val.shiftRight(blex);
    double res = Math.log(val.doubleValue());
    return blex > 0 ? res + blex * LOG2 : res;
}

A lógica do núcleo (método logBigInteger) é copiado do esta outra resposta da mina .

Eu criei uma função para BigInteger mas pode ser facilmente modificado para BigDecimal. Decompondo o log e usando algumas propriedades do log é o que eu faço, mas eu recebo apenas o dobro de precisão. Mas ele funciona para qualquer base. :) 

public double BigIntLog(BigInteger bi, double base) {
    // Convert the BigInteger to BigDecimal
    BigDecimal bd = new BigDecimal(bi);
    // Calculate the exponent 10^exp
    BigDecimal diviser = new BigDecimal(10);
    diviser = diviser.pow(bi.toString().length()-1);
    // Convert the BigDecimal from Integer to a decimal value
    bd = bd.divide(diviser);
    // Convert the BigDecimal to double
    double bd_dbl = bd.doubleValue();
    // return the log value
    return (Math.log10(bd_dbl)+bi.toString().length()-1)/Math.log10(base);
}
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