symplex 0.17.0

Exact symbolic mathematics for Rust: calculus, summation, solving, linear algebra, transforms, compile-time dimensional analysis, and Rust/C code generation
Documentation 
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274

//! Tests for combinatorial functions (Wave R).
//!
//! Each test verifies exact evaluation of a named combinatorial function
//! at known integer arguments.

use symplex::prelude::*;

// ─── Helper ────────────────────────────────────────────────────────────────

fn check(expr: &Ex, expected: &str) {
    let s = format!("{expr}");
    assert_eq!(s, expected, "expected '{expected}', got '{s}'");
}

// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════
// 1. Double factorial  n!!
// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════

#[test]
fn factorial2_zero() {
    let ctx = Context::new();
    check(&ctx.int(0).factorial2().eval(), "1");
}

#[test]
fn factorial2_one() {
    let ctx = Context::new();
    check(&ctx.int(1).factorial2().eval(), "1");
}

#[test]
fn factorial2_neg_one() {
    let ctx = Context::new();
    check(&ctx.int(-1).factorial2().eval(), "1");
}

#[test]
fn factorial2_small_odd() {
    let ctx = Context::new();
    // 5!! = 5 * 3 * 1 = 15
    check(&ctx.int(5).factorial2().eval(), "15");
}

#[test]
fn factorial2_small_even() {
    let ctx = Context::new();
    // 6!! = 6 * 4 * 2 = 48
    check(&ctx.int(6).factorial2().eval(), "48");
}

#[test]
fn factorial2_ten() {
    let ctx = Context::new();
    // 10!! = 10 * 8 * 6 * 4 * 2 = 3840
    check(&ctx.int(10).factorial2().eval(), "3840");
}

// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════
// 2. Subfactorial  !n  (derangements)
// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════

#[test]
fn subfactorial_known_values() {
    let ctx = Context::new();
    check(&ctx.int(0).subfactorial().eval(), "1");
    check(&ctx.int(1).subfactorial().eval(), "0");
    check(&ctx.int(2).subfactorial().eval(), "1");
    check(&ctx.int(3).subfactorial().eval(), "2");
    check(&ctx.int(4).subfactorial().eval(), "9");
    check(&ctx.int(5).subfactorial().eval(), "44");
}

// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════
// 3. Rising factorial  (x)_n
// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════

#[test]
fn rising_factorial_known_values() {
    let ctx = Context::new();
    let n0 = ctx.int(0);
    let n3 = ctx.int(3);
    let n4 = ctx.int(4);
    let n5 = ctx.int(5);

    // (x)_0 = 1 for any x
    check(&n5.rising_factorial(&n0).eval(), "1");

    // (1)_4 = 1 * 2 * 3 * 4 = 24
    check(&ctx.int(1).rising_factorial(&n4).eval(), "24");

    // (3)_3 = 3 * 4 * 5 = 60
    check(&n3.rising_factorial(&n3).eval(), "60");

    // (5)_3 = 5 * 6 * 7 = 210
    check(&n5.rising_factorial(&n3).eval(), "210");
}

// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════
// 4. Falling factorial  x^(n)
// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════

#[test]
fn falling_factorial_known_values() {
    let ctx = Context::new();
    let n0 = ctx.int(0);
    let n3 = ctx.int(3);
    let n5 = ctx.int(5);

    // x^(0) = 1 for any x
    check(&n5.falling_factorial(&n0).eval(), "1");

    // 5^(3) = 5 * 4 * 3 = 60
    check(&n5.falling_factorial(&n3).eval(), "60");

    // 3^(3) = 3 * 2 * 1 = 6
    check(&n3.falling_factorial(&n3).eval(), "6");

    // 7^(4) = 7 * 6 * 5 * 4 = 840
    check(&ctx.int(7).falling_factorial(&ctx.int(4)).eval(), "840");
}

// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════
// 5. Fibonacci  F(n)
// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════

#[test]
fn fibonacci_known_values() {
    let ctx = Context::new();
    check(&ctx.int(0).fibonacci().eval(), "0");
    check(&ctx.int(1).fibonacci().eval(), "1");
    check(&ctx.int(2).fibonacci().eval(), "1");
    check(&ctx.int(3).fibonacci().eval(), "2");
    check(&ctx.int(4).fibonacci().eval(), "3");
    check(&ctx.int(5).fibonacci().eval(), "5");
    check(&ctx.int(10).fibonacci().eval(), "55");
    check(&ctx.int(20).fibonacci().eval(), "6765");
}

// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════
// 6. Lucas  L(n)
// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════

#[test]
fn lucas_known_values() {
    let ctx = Context::new();
    check(&ctx.int(0).lucas().eval(), "2");
    check(&ctx.int(1).lucas().eval(), "1");
    check(&ctx.int(2).lucas().eval(), "3");
    check(&ctx.int(3).lucas().eval(), "4");
    check(&ctx.int(4).lucas().eval(), "7");
    check(&ctx.int(5).lucas().eval(), "11");
    check(&ctx.int(10).lucas().eval(), "123");
}

// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════
// 7. Bernoulli  B(n)
// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════

#[test]
fn bernoulli_known_values() {
    let ctx = Context::new();
    check(&ctx.int(0).bernoulli_number().eval(), "1");
    check(&ctx.int(1).bernoulli_number().eval(), "-1/2");
    check(&ctx.int(2).bernoulli_number().eval(), "1/6");
    check(&ctx.int(3).bernoulli_number().eval(), "0");
    check(&ctx.int(4).bernoulli_number().eval(), "-1/30");
    check(&ctx.int(6).bernoulli_number().eval(), "1/42");
    check(&ctx.int(8).bernoulli_number().eval(), "-1/30");
}

// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════
// 8. Harmonic  H(n)
// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════

#[test]
fn harmonic_known_values() {
    let ctx = Context::new();
    check(&ctx.int(0).harmonic().eval(), "0");
    check(&ctx.int(1).harmonic().eval(), "1");
    // H(2) = 1 + 1/2 = 3/2
    check(&ctx.int(2).harmonic().eval(), "3/2");
    // H(3) = 1 + 1/2 + 1/3 = 11/6
    check(&ctx.int(3).harmonic().eval(), "11/6");
    // H(4) = 1 + 1/2 + 1/3 + 1/4 = 25/12
    check(&ctx.int(4).harmonic().eval(), "25/12");
}

// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════
// 9. Catalan  C(n)
// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════

#[test]
fn catalan_known_values() {
    let ctx = Context::new();
    check(&ctx.int(0).catalan_number().eval(), "1");
    check(&ctx.int(1).catalan_number().eval(), "1");
    check(&ctx.int(2).catalan_number().eval(), "2");
    check(&ctx.int(3).catalan_number().eval(), "5");
    check(&ctx.int(4).catalan_number().eval(), "14");
    check(&ctx.int(5).catalan_number().eval(), "42");
    check(&ctx.int(10).catalan_number().eval(), "16796");
}

// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════
// 10. Bell  B(n)
// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════

#[test]
fn bell_known_values() {
    let ctx = Context::new();
    check(&ctx.int(0).bell().eval(), "1");
    check(&ctx.int(1).bell().eval(), "1");
    check(&ctx.int(2).bell().eval(), "2");
    check(&ctx.int(3).bell().eval(), "5");
    check(&ctx.int(4).bell().eval(), "15");
    check(&ctx.int(5).bell().eval(), "52");
    check(&ctx.int(6).bell().eval(), "203");
}

// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════
// 11. Euler number  E(n)
// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════

#[test]
fn euler_number_known_values() {
    let ctx = Context::new();
    check(&ctx.int(0).euler_number().eval(), "1");
    check(&ctx.int(1).euler_number().eval(), "0");
    check(&ctx.int(2).euler_number().eval(), "-1");
    check(&ctx.int(3).euler_number().eval(), "0");
    check(&ctx.int(4).euler_number().eval(), "5");
    check(&ctx.int(6).euler_number().eval(), "-61");
    check(&ctx.int(8).euler_number().eval(), "1385");
}

// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════
// Symbolic arguments remain unevaluated
// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════

#[test]
fn combinatorial_symbolic_unchanged() {
    let ctx = Context::new();
    let x = ctx.symbol("x");
    // These should remain unevaluated since x is symbolic
    let fib = x.fibonacci().eval();
    let s = format!("{fib}");
    assert!(
        s.contains("fibonacci"),
        "expected unevaluated fibonacci, got: {s}"
    );

    let cat = x.catalan_number().eval();
    let s = format!("{cat}");
    assert!(
        s.contains("catalan"),
        "expected unevaluated catalan, got: {s}"
    );
}

// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════
// Rising factorial equals factorial for x = 1
// ═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════

#[test]
fn rising_factorial_from_one_is_factorial() {
    let ctx = Context::new();
    // (1)_n = n!
    let one = ctx.int(1);
    for n in 0..=7 {
        let rf = one.rising_factorial(&ctx.int(n)).eval();
        let f = ctx.int(n).factorial().eval();
        assert_eq!(format!("{rf}"), format!("{f}"), "(1)_{n} should equal {n}!");
    }
}