最終更新日時: 2025年06月28日 11時55分48秒 (JST)
suomesta が更新

履歴 編集

function
<cmath>

# std::tgamma(C++11)

    namespace std {
      float tgamma(float x);              // (1) C++11からC++20まで
      double tgamma(double x);            // (2) C++11からC++20まで
      long double tgamma(long double x);  // (3) C++11からC++20まで

      floating-point-type
        tgamma(floating-point-type x);    // (4) C++23
      constexpr floating-point-type
        tgamma(floating-point-type x);    // (4) C++26

      double
        tgamma(Integral x);               // (5) C++11
      constexpr double
        tgamma(Integral x);               // (5) C++26

      float
        tgammaf(float x);                 // (6) C++17
      constexpr float
        tgammaf(float x);                 // (6) C++26

      long double
        tgammal(long double x);           // (7) C++17
      constexpr long double
        tgammal(long double x);           // (7) C++26
    }

## 概要

ガンマ関数を求める。

- (1) : `float`に対するオーバーロード
- (2) : `double`に対するオーバーロード
- (3) : `long double`に対するオーバーロード
- (4) : 浮動小数点数型に対するオーバーロード
- (5) : 整数型に対するオーバーロード (`double`にキャストして計算される)
- (6) : `float`型規定
- (7) : `long double`型規定

## 戻り値

引数 `x` のガンマ関数 $\Gamma(x)$ を返す。

$$ \Gamma (x) = \int_0^\infty t^{x-1} e^{-t} dt $$

## 備考

- ガンマ関数は階乗の一般化である。階乗はガンマ関数を用いて $n! = \Gamma(n + 1)$ で計算できる。
- C++11 以降では、処理系が IEC 60559 に準拠している場合（`std::numeric_limits<T>::is_iec559() != false`）、以下の規定が追加される。
  - `x = ±0` の場合、戻り値は `±∞` となり、 `FE_DIVBYZERO`（ゼロ除算浮動小数点例外）が発生する。
  - `x` が負の整数の場合、戻り値は NaN となり、 `FE_INVALID`（無効演算浮動小数点例外）が発生する。
  - `x = -∞` の場合、戻り値は NaN となり、 `FE_INVALID`（無効演算浮動小数点例外）が発生する。
  - `x = +∞` の場合、戻り値は `+∞` となる。
- `gamma` という関数は既にあったが処理系によって定義が違ったため、本当の (true) ガンマ関数 `tgamma` と名付けられた。
- C++23では、(1), (2), (3)が(4)に統合され、拡張浮動小数点数型を含む浮動小数点数型へのオーバーロードとして定義された

### lgamma との使い分け

ガンマ関数は急激に増加し容易にオーバーフローするので、代わりにガンマ関数の結果を自然対数で返す関数 `lgamma` を用いた方が良いことが多くある。 例えばガンマ関数の比を計算する場合には、 ガンマ関数の対数の差を取ってから指数関数 `std::exp` を適用するのが賢明である。

$$ \frac{\Gamma(2026)}{\Gamma(2025)} = \exp[\ln\Gamma(2026) - \ln\Gamma(2025)] $$

    #include <cmath>
    #include <iostream>
    int main() {
      std::cout << std::tgamma(2026.0) / std::tgamma(2025.0) << std::endl;
      std::cout << std::exp(std::lgamma(2026.0) - std::lgamma(2025.0)) << std::endl;
    }

出力例

    -nan
    2025

上の結果では、直接ガンマ関数を計算した場合はオーバーフローによって inf / inf となり最終結果が -nan になっているが、`lgamma` を使った場合には正しい値が計算できている。 ただし、`lgamma` は飽くまでガンマ関数の「絶対値」の対数であることに注意する。 ガンマ関数の引数が負になる場合はガンマ関数が負の値を取りうるので符号は別に求める必要がある。

## 例

    #include <cmath>
    #include <iostream>
    #include <limits>

    int main() {
      std::cout << std::fixed;
      std::cout << "tgamma(-∞)  = " << std::tgamma(-std::numeric_limits<double>::infinity()) << std::endl;
      std::cout << "tgamma(-1)  = " << std::tgamma(-1.0) << std::endl;
      std::cout << "tgamma(0)   = " << std::tgamma(0.0) << std::endl;
      std::cout << "tgamma(0.5) = " << std::tgamma(0.5) << std::endl; // sqrt(pi)
      std::cout << "tgamma(1)   = " << std::tgamma(1.0) << std::endl; // 0!
      std::cout << "tgamma(+∞)  = " << std::tgamma(std::numeric_limits<double>::infinity()) << std::endl;
    }

### 出力例

    tgamma(-∞)  = nan
    tgamma(-1)  = nan
    tgamma(0)   = inf
    tgamma(0.5) = 1.772454
    tgamma(2)   = 1.000000
    tgamma(+∞)  = inf

## バージョン

### 言語

- C++11

### 処理系

- Clang: 3.0 ✅
- GCC: 4.3.6 ✅
- ICC: ??
- Visual C++: ??

#### 備考

特定の環境では、早期に `constexpr` 対応されている場合がある：

- GCC 4.6.1 以上

## 関連項目

- ガンマ関数の絶対値の自然対数 `lgamma`

## 参照

- P1467R9 Extended floating-point types and standard names
  - C++23で導入された拡張浮動小数点数型への対応として、`float`、`double`、`long double`のオーバーロードを`floating-point-type`のオーバーロードに統合し、拡張浮動小数点数型も扱えるようにした
- P1383R2 More constexpr for `<cmath>` and `<complex>`
  - C++26で`constexpr`対応した