High-precision computation of uniform asymptotic expansions for special functions

Abstract

In this dissertation, we investigate new methods to obtain uniform asymptotic expansions for the numerical evaluation of special functions to high-precision. We shall first present the theoretical and computational fundamental aspects required for the development and ultimately implementation of such methods. Applying some of these methods, we obtain efficient new convergent and uniform expansions for numerically evaluating the confluent hypergeometric functions and the Lerch transcendent at high-precision. In addition, we also investigate a new scheme of computation for the generalized exponential integral, obtaining on the fastest and most robust implementations in double-precision floating-point arithmetic. In this work, we aim to combine new developments in asymptotic analysis with fast and effective open-source implementations. These implementations are comparable and often faster than current open-source and commercial stateof-the-art software for the evaluation of special functions.

Esta tesis presenta nuevos métodos para obtener expansiones uniformes asintóticas, para la evaluación numérica de funciones especiales en alta precisión. En primer lugar, se introducen fundamentos teóricos y de carácter computacional necesarios para el desarrollado y posterior implementación de tales métodos. Aplicando varios de dichos métodos, se obtienen nuevas expansiones uniformes convergentes para la evaluación numérica de las funciones hipergeométricas confluentes y de la función transcendental de Lerch. Por otro lado, se estudian nuevos esquemas de computo para evaluar la integral exponencial generalizada, desarrollando una de las implementaciones más eficientes y robustas en aritmética de punto flotante de doble precisión. En este trabajo, se combinan nuevos desarrollos en análisis asintótico con implementaciones rigurosas, distribuidas en código abierto. Las implementaciones resultantes son comparables, y en ocasiones superiores, a las soluciones comerciales y de código abierto actuales, que representan el estado de la técnica en el campo de la evaluación de funciones especiales.