]> git.sesse.net Git - wloh/blobdiff - ziggurat.cpp
Add a Monte Carlo simulator.
[wloh] / ziggurat.cpp
diff --git a/ziggurat.cpp b/ziggurat.cpp
new file mode 100644 (file)
index 0000000..dbf21aa
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,488 @@
+# include <cstdlib>
+# include <iostream>
+# include <iomanip>
+# include <cmath>
+# include <ctime>
+
+using namespace std;
+
+# include "ziggurat.hpp"
+
+//****************************************************************************80
+
+float r4_exp ( unsigned long int *jsr, int ke[256], float fe[256], 
+  float we[256] )
+
+//****************************************************************************80
+//
+//  Purpose:
+//
+//    R4_EXP returns an exponentially distributed single precision real value.
+//
+//  Discussion:
+//
+//    The underlying algorithm is the ziggurat method.
+//
+//    Before the first call to this function, the user must call R4_EXP_SETUP
+//    to determine the values of KE, FE and WE.
+//
+//  Licensing:
+//
+//    This code is distributed under the GNU LGPL license. 
+//
+//  Modified:
+//
+//    08 December 20080
+//
+//  Author:
+//
+//    John Burkardt
+//
+//  Reference:
+//
+//    George Marsaglia, Wai Wan Tsang,
+//    The Ziggurat Method for Generating Random Variables,
+//    Journal of Statistical Software,
+//    Volume 5, Number 8, October 2000, seven pages.
+//
+//  Parameters:
+//
+//    Input/output, unsigned long int *JSR, the seed.
+//
+//    Input, int KE[256], data computed by R4_EXP_SETUP.
+//
+//    Input, float FE[256], WE[256], data computed by R4_EXP_SETUP.
+//
+//    Output, float R4_EXP, an exponentially distributed random value.
+//
+{
+  int iz;
+  int jz;
+  float value;
+  float x;
+
+  jz = shr3 ( jsr );
+  iz = ( jz & 255 );
+
+  if ( abs ( jz  ) < ke[iz] )
+  {
+    value = ( float ) ( abs ( jz ) ) * we[iz];
+  }
+  else
+  {
+    for ( ; ; )
+    {
+      if ( iz == 0 )
+      {
+        value = 7.69711 - log ( r4_uni ( jsr ) );
+        break;
+      }
+
+      x = ( float ) ( abs ( jz ) ) * we[iz];
+
+      if ( fe[iz] + r4_uni ( jsr ) * ( fe[iz-1] - fe[iz] ) < exp ( - x ) )
+      {
+        value = x;
+        break;
+      }
+
+      jz = shr3 ( jsr );
+      iz = ( jz & 255 );
+
+      if ( abs ( jz ) < ke[iz] )
+      {
+        value = ( float ) ( abs ( jz ) ) * we[iz];
+        break;
+      }
+    }
+  }
+  return value;
+}
+//****************************************************************************80
+
+void r4_exp_setup ( int ke[256], float fe[256], float we[256] )
+
+//****************************************************************************80
+//
+//  Purpose:
+//
+//    R4_EXP_SETUP sets data needed by R4_EXP.
+//
+//  Licensing:
+//
+//    This code is distributed under the GNU LGPL license. 
+//
+//  Modified:
+//
+//    08 December 2008
+//
+//  Author:
+//
+//    John Burkardt
+//
+//  Reference:
+//
+//    George Marsaglia, Wai Wan Tsang,
+//    The Ziggurat Method for Generating Random Variables,
+//    Journal of Statistical Software,
+//    Volume 5, Number 8, October 2000, seven pages.
+//
+//  Parameters:
+//
+//    Output, int KE[256], data needed by R4_EXP.
+//
+//    Output, float FE[256], WE[256], data needed by R4_EXP.
+//
+{
+  double de = 7.697117470131487;
+  int i;
+  const double m2 = 2147483648.0;
+  double q;
+  double te = 7.697117470131487;
+  const double ve = 3.949659822581572E-03;
+
+  q = ve / exp ( - de );
+
+  ke[0] = ( int ) ( ( de / q ) * m2 );
+  ke[1] = 0;
+
+  we[0] = ( float ) ( q / m2 );
+  we[255] = ( float ) ( de / m2 );
+
+  fe[0] = 1.0;
+  fe[255] = ( float ) ( exp ( - de ) );
+
+  for ( i = 254; 1 <= i; i-- )
+  {
+    de = - log ( ve / de + exp ( - de ) );
+    ke[i+1] = ( int ) ( ( de / te ) * m2 );
+    te = de;
+    fe[i] = ( float ) ( exp ( - de ) );
+    we[i] = ( float ) ( de / m2 );
+  }
+  return;
+}
+//****************************************************************************80
+
+float r4_nor ( unsigned long int *jsr, int kn[128], float fn[128], 
+  float wn[128] )
+
+//****************************************************************************80
+//
+//  Purpose:
+//
+//    R4_NOR returns a normally distributed single precision real value.
+//
+//  Discussion:
+//
+//    The value returned is generated from a distribution with mean 0 and 
+//    variance 1.
+//
+//    The underlying algorithm is the ziggurat method.
+//
+//    Before the first call to this function, the user must call R4_NOR_SETUP
+//    to determine the values of KN, FN and WN.
+//
+//  Licensing:
+//
+//    This code is distributed under the GNU LGPL license. 
+//
+//  Modified:
+//
+//    08 December 2008
+//
+//  Author:
+//
+//    John Burkardt
+//
+//  Reference:
+//
+//    George Marsaglia, Wai Wan Tsang,
+//    The Ziggurat Method for Generating Random Variables,
+//    Journal of Statistical Software,
+//    Volume 5, Number 8, October 2000, seven pages.
+//
+//  Parameters:
+//
+//    Input/output, unsigned long int *JSR, the seed.
+//
+//    Input, int KN[128], data computed by R4_NOR_SETUP.
+//
+//    Input, float FN[128], WN[128], data computed by R4_NOR_SETUP.
+//
+//    Output, float R4_NOR, a normally distributed random value.
+//
+{
+  int hz;
+  int iz;
+  const float r = 3.442620;
+  float value;
+  float x;
+  float y;
+
+  hz = shr3 ( jsr );
+  iz = ( hz & 127 );
+
+  if ( abs ( hz ) < kn[iz] )
+  {
+    value = ( float ) ( hz ) * wn[iz];
+  }
+  else
+  {
+    for ( ; ; )
+    {
+      if ( iz == 0 )
+      {
+        for ( ; ; )
+        {
+          x = - 0.2904764 * log ( r4_uni ( jsr ) );
+          y = - log ( r4_uni ( jsr ) );
+          if ( x * x <= y + y );
+          {
+            break;
+          }
+        }
+
+        if ( hz <= 0 )
+        {
+          value = - r - x;
+        }
+        else
+        {
+          value = + r + x;
+        }
+        break;
+      }
+
+      x = ( float ) ( hz ) * wn[iz];
+
+      if ( fn[iz] + r4_uni ( jsr ) * ( fn[iz-1] - fn[iz] ) < exp ( - 0.5 * x * x ) )
+      {
+        value = x;
+        break;
+      }
+
+      hz = shr3 ( jsr );
+      iz = ( hz & 127 );
+
+      if ( abs ( hz ) < kn[iz] )
+      {
+        value = ( float ) ( hz ) * wn[iz];
+        break;
+      }
+    }
+  }
+
+  return value;
+}
+//****************************************************************************80
+
+void r4_nor_setup ( int kn[128], float fn[128], float wn[128] )
+
+//****************************************************************************80
+//
+//  Purpose:
+//
+//    R4_NOR_SETUP sets data needed by R4_NOR.
+//
+//  Licensing:
+//
+//    This code is distributed under the GNU LGPL license. 
+//
+//  Modified:
+//
+//    04 May 2008
+//
+//  Author:
+//
+//    John Burkardt
+//
+//  Reference:
+//
+//    George Marsaglia, Wai Wan Tsang,
+//    The Ziggurat Method for Generating Random Variables,
+//    Journal of Statistical Software,
+//    Volume 5, Number 8, October 2000, seven pages.
+//
+//  Parameters:
+//
+//    Output, int KN[128], data needed by R4_NOR.
+//
+//    Output, float FN[128], WN[128], data needed by R4_NOR.
+//
+{
+  double dn = 3.442619855899;
+  int i;
+  const double m1 = 2147483648.0;
+  double q;
+  double tn = 3.442619855899;
+  const double vn = 9.91256303526217E-03;
+
+  q = vn / exp ( - 0.5 * dn * dn );
+
+  kn[0] = ( int ) ( ( dn / q ) * m1 );
+  kn[1] = 0;
+
+  wn[0] = ( float ) ( q / m1 );
+  wn[127] = ( float ) ( dn / m1 );
+
+  fn[0] = 1.0;
+  fn[127] = ( float ) ( exp ( - 0.5 * dn * dn ) );
+
+  for ( i = 126; 1 <= i; i-- )
+  {
+    dn = sqrt ( - 2.0 * log ( vn / dn + exp ( - 0.5 * dn * dn ) ) );
+    kn[i+1] = ( int ) ( ( dn / tn ) * m1 );
+    tn = dn;
+    fn[i] = ( float ) ( exp ( - 0.5 * dn * dn ) );
+    wn[i] = ( float ) ( dn / m1 );
+  }
+  return;
+}
+//****************************************************************************80
+
+float r4_uni ( unsigned long int *jsr )
+
+//****************************************************************************80
+//
+//  Purpose:
+//
+//    R4_UNI returns a uniformly distributed real value.
+//
+//  Licensing:
+//
+//    This code is distributed under the GNU LGPL license. 
+//
+//  Modified:
+//
+//    20 May 2008
+//
+//  Author:
+//
+//    John Burkardt
+//
+//  Reference:
+//
+//    George Marsaglia, Wai Wan Tsang,
+//    The Ziggurat Method for Generating Random Variables,
+//    Journal of Statistical Software,
+//    Volume 5, Number 8, October 2000, seven pages.
+//
+//  Parameters:
+//
+//    Input/output, unsigned long int *JSR, the seed.
+//
+//    Output, float R4_UNI, a uniformly distributed random value in
+//    the range [0,1].
+//
+{
+  unsigned long int jsr_input;
+  float value;
+
+  jsr_input = *jsr;
+
+  *jsr = ( *jsr ^ ( *jsr <<   13 ) );
+  *jsr = ( *jsr ^ ( *jsr >>   17 ) );
+  *jsr = ( *jsr ^ ( *jsr <<    5 ) );
+
+  value = fmod ( 0.5 + ( float ) ( jsr_input + *jsr ) / 65536.0 / 65536.0, 1.0 );
+
+  return value;
+}
+//****************************************************************************80
+
+unsigned long int shr3 ( unsigned long int *jsr )
+
+//****************************************************************************80
+//
+//  Purpose:
+//
+//    SHR3 evaluates the SHR3 generator for integers.
+//
+//  Licensing:
+//
+//    This code is distributed under the GNU LGPL license. 
+//
+//  Modified:
+//
+//    08 December 2008
+//
+//  Author:
+//
+//    John Burkardt
+//
+//  Reference:
+//
+//    George Marsaglia, Wai Wan Tsang,
+//    The Ziggurat Method for Generating Random Variables,
+//    Journal of Statistical Software,
+//    Volume 5, Number 8, October 2000, seven pages.
+//
+//  Parameters:
+//
+//    Input/output, unsigned long int *JSR, the seed, which is updated 
+//    on each call.
+//
+//    Output, unsigned long int SHR3, the new value.
+//
+{
+  unsigned long int value;
+
+  value = *jsr;
+
+  *jsr = ( *jsr ^ ( *jsr <<   13 ) );
+  *jsr = ( *jsr ^ ( *jsr >>   17 ) );
+  *jsr = ( *jsr ^ ( *jsr <<    5 ) );
+
+  value = value + *jsr;
+
+  return value;
+}
+//****************************************************************************80
+
+void timestamp ( )
+
+//****************************************************************************80
+//
+//  Purpose:
+//
+//    TIMESTAMP prints the current YMDHMS date as a time stamp.
+//
+//  Example:
+//
+//    31 May 2001 09:45:54 AM
+//
+//  Licensing:
+//
+//    This code is distributed under the GNU LGPL license. 
+//
+//  Modified:
+//
+//    24 September 2003
+//
+//  Author:
+//
+//    John Burkardt
+//
+//  Parameters:
+//
+//    None
+//
+{
+# define TIME_SIZE 40
+
+  static char time_buffer[TIME_SIZE];
+  const struct tm *tm;
+  size_t len;
+  time_t now;
+
+  now = time ( NULL );
+  tm = localtime ( &now );
+
+  len = strftime ( time_buffer, TIME_SIZE, "%d %B %Y %I:%M:%S %p", tm );
+
+  cout << time_buffer << "\n";
+
+  return;
+# undef TIME_SIZE
+}