Accurate computation of the negative branch of the real-valued Lambert W function in standard C

This is a self-answered question, as encouraged on Stackoverflow for sharing knowledge. As such, it is a follow-on to my previous self-answered question regarding accurate computation of the principal branch of the Lambert W function, W0. For some general background on the Lambert W function, please see there. When I initially looked at the Lambert W function, the negative branch W-1 did not seem particularly useful to me, but I have since come across a number of publications that make practical use of it, for example [1], [2], [3], [4].

The input domain for the negative branch W-1 of the real-valued Lambert-W function is very narrow: [-1/e, 0]. It is a somewhat challenging to compute accurately due to the branch point at -1/e and the asymptotic behavior near zero. How can one accurately computed the negative branch of the real-valued Lambert W function, W-1, using the ISO-C99 standard math library?

Accurate computation shall be defined as maximum error not exceeding 4 ulps, which is the same error bound that applies to the LA profile of the Intel math library, and which I have found to be a reasonable error bound for non-trivial transcendental functions in practical use. Support for IEEE-754 (2008) binary floating-point arithmetic and functionally-correct support for fused multiply-add (FMA) operations, accessible via the fma() and fmaf() standard library functions, can be assumed.


[1] A. C. Gormaz-Matamala, et al. “New Hydrodynamic Solutions for Line-driven Winds of Hot Massive Stars Using the Lambert W-function” The Astrophysical Journal, 920:64 (30pp), Oct. 2021

[2] Santiago Pindado, et al., “Simplified lambert w-function math equations when applied to photovoltaic systems modeling.” IEEE Transactions on industry applications, Vol. 57, No. 2, Jan. 2021, pp. 1779-1788

[3] Joaquín F. Pedrayes. et al., “Lambert W function based closed-form expressions of supercapacitor electrical variables in constant power applications.” Energy, Mar. 2021, 218:119364

[4] Armengol Gasull, et. al, “Maxima of Weibull-like distributions and the Lambert W function.” Test 24 (2015): 714-733

I will first present a single-precision implementation lambert_wm1f() for float mapped to IEEE-754 binary32.

As in the computation of the principal branch, functional iteration is not numerically stable near the branch point at -1/e. Therefore, a polynomial minimax approximation p(t) with t=√(x+1/e) is used which was generated with the Remez algorithm.

For functional iteration, a starting approximation with a maximum relative error of 1.488e-4 from the literature is used. Just one iteration with quadratic convergence is required to reach full single-precision accuracy. I determined experimentally that the Newton iteration works best near zero, while use of the Iacono-Boyd iteration is advantageous over the balance of the input domain.

When built against Intel’s implementation of the standard C math library, the maximum error of the ISO C-99 implementation below is less than 2.5 ulp in an exhaustive test; a similar error bound should be achievable with any other high-quality implementation of the standard C math library. For an overview of the accuracy of commonly-used implementations see:

Brian Gladman, Vincenzo Innocente, John Mather, Paul Zimmermann, “Accuracy of Mathematical Functions in Single, Double, Double Extended, and Quadruple Precision.” HAL preprint hal-03141101v6, Feb. 2024

/*
  Compute the negative branch of the real-valued Lambert W function, W_(-1). Maximum 
  error when built against the Intel MKL: 2.41426181 ulps @ -7.32652619e-2
*/
float lambert_wm1f (float x)
{
    const float c0 =  1.68090820e-1f; //  0x1.584000p-3
    const float c1 = -2.96497345e-3f; // -0x1.84a000p-9
    const float c2 = -2.87322998e-2f; // -0x1.d6c000p-6
    const float c3 =  7.07275391e-1f; //  0x1.6a2000p-1
    const float ln2 = 0.69314718f;
    const float l2e = 1.44269504f;
    const float em1_fact_0 = 0.625529587f; // exp(-1)_factor_0
    const float em1_fact_1 = 0.588108778f; // exp(-1)_factor_1
    float redx, r, s, t, w, e, num, den, rden;

    if (isnan (x)) return x + x;
    if (x == 0.0f) return -INFINITY;
    if (x > 0.0f) return INFINITY / INFINITY; // NaN
    redx = fmaf (em1_fact_0, em1_fact_1, x); // x + exp(-1)
    if (redx <= 0.09765625f) { // expansion at -(exp(-1))
        r = sqrtf (redx);
        w =             -3.30250000e+2f;  // -0x1.4a4000p+8
        w = fmaf (w, r,  3.53563141e+2f); //  0x1.61902ap+8
        w = fmaf (w, r, -1.91617889e+2f); // -0x1.7f3c5cp+7
        w = fmaf (w, r,  4.94172478e+1f); //  0x1.8b5686p+5
        w = fmaf (w, r, -1.23464909e+1f); // -0x1.8b1674p+3
        w = fmaf (w, r, -1.38704872e+0f); // -0x1.6315a0p+0
        w = fmaf (w, r, -1.99431837e+0f); // -0x1.fe8ba6p+0
        w = fmaf (w, r, -1.81044364e+0f); // -0x1.cf793cp+0
        w = fmaf (w, r, -2.33166337e+0f); // -0x1.2a73f2p+1
        w = fmaf (w, r, -1.00000000e+0f); // -0x1.000000p+0
    } else {
        /* Initial approximation based on: D. A. Barry, L. Li, and D.-S. Jeng, 
           "Comments on 'Numerical Evaluation of the Lambert Function and 
           Application to Generation of Generalized Gaussian Noise with 
           Exponent 1/2'", IEEE Transactions on Signal Processing, Vol. 52, 
           No. 5, May 2004, pp. 1456-1457
        */
        s = fmaf (log2f (-x), -ln2, -1.0f);
        t = sqrtf (s);
        w = -1.0f - s - (1.0f / fmaf (exp2f (c2 * t), c1 * t, 
                                      fmaf (1.0f / t, c3, c0)));
        if (x > -0x1.0p-116f) {
            /* Newton iteration, for arguments near zero */
            e = exp2f (fmaf (w, l2e, 32));
            num = fmaf (w, e, -0x1.0p32 * x);
            den = fmaf (w, e, e);
            rden = 1.0f / den;
            w = fmaf (-num, rden, w);
        } else {
            /* Roberto Iacono and John Philip Boyd, "New approximations to the 
               principal real-valued branch of the Lambert W function", 
               Advances in Computational Mathematics, Vol. 43, No. 6, 
               December 2017, pp. 1403-1436
            */
            t = w / (1.0f + w);
            w = fmaf (logf (x / w), t, t);
        } 
    }
    return w;
}

The double-precision implementation lambert_wm1() for double mapped to IEEE-754 binary64 is structurally very similar to the single-precision implementation. A minimax polynomial approximation is used near the branch point, and the balance of the input domain is covered via three rounds of Newton iteration. A custom exponentiation function with built-in scaling by powers of two is used, as well as a custom logarithm function, thus largely isolating this code from differences in standard C math library implementations. It is not feasible to test the double-precision implementation exhaustively; in one billion random trials all errors found were < 2.6 ulps.

double exp_scale_pos_normal (double a, int scale);
double log_pos_normal (double a);

/*
  Compute the negative branch of the real-valued Lambert W function, W_(-1). 
  Max. err. found across 1B random trials: 2.56233 ulps @ -0.3678692378632617
*/
double lambert_wm1 (double z) 
{
    const double c0 =  1.6729676723480225e-1; //  0x1.569fbp-3;
    const double c1 = -2.7966443449258804e-3; // -0x1.6e8fdp-9;
    const double c2 = -2.1342277526855469e-2; // -0x1.5dac0p-6;
    const double c3 =  7.0781660079956055e-1; //  0x1.6a66fp-1;
    const double ln2 = 0.6931471805599453094172;
    const double exp2_64 = 1.8446744073709552e+19; // 0x1.0p64;
    const double em1_fact_0 = 0.57086272525975246; // 0x1.24481e7efdfcep-1 // exp(-1)_factor_0
    const double em1_fact_1 = 0.64442715366299452; // 0x1.49f25b1b461b7p-1 // exp(-1)_factor_1
    double redz, r, s, t, w, e, num, den, rden;
    int i;
    
    if (isnan (z)) return z + z;
    if (z == 0.0) return -INFINITY;
    if (z > 0.0) return INFINITY / INFINITY; // NaN
    redz = fma (em1_fact_0, em1_fact_1, z); // z + exp(-1)
    if (redz < 0.04296875) { // expansion at -(exp(-1))
        r = sqrt (redz);
        w =            -3.1102051749530146e+3;
        w = fma (w, r,  3.3514583413659661e+3);
        w = fma (w, r, -2.0376505203571792e+3);
        w = fma (w, r,  6.6470674321336662e+2);
        w = fma (w, r, -1.9891092047488328e+2);
        w = fma (w, r,  1.1792563777850908e+1);
        w = fma (w, r, -1.6044530625408662e+1);
        w = fma (w, r, -8.0468700837359766e+0);
        w = fma (w, r, -5.8822749101364442e+0);
        w = fma (w, r, -4.1741334842726321e+0);
        w = fma (w, r, -3.0669009628894104e+0);
        w = fma (w, r, -2.3535502058947735e+0);
        w = fma (w, r, -1.9366311293653595e+0);
        w = fma (w, r, -1.8121878855163436e+0);
        w = fma (w, r, -2.3316439815975385e+0);
        w = fma (w, r, -1.0000000000000000e+0);
        return w;
    } else {
        /* Initial approximation based on: D. A. Barry, L. Li, D.-S. Jeng, 
           "Comments on 'Numerical Evaluation of the Lambert Function and 
           Application to Generation of Generalized Gaussian Noise with 
           Exponent 1/2'", IEEE Transactions on Signal Processing, Vol. 52, 
           No. 5, May 2004, pp. 1456-1457
        */
        s = - fma (ln2, -64.0, log_pos_normal (-exp2_64 * z)) - 1.0;
        t = sqrt (s);
        w = -1.0 - s - (1.0 / fma (exp_scale_pos_normal (c2 * t, 0), 
                                   c1 * t, fma (1.0 / t, c3, c0)));
        /* Newton iterations */
        for (i = 0; i < 3; i++) {
            e = exp_scale_pos_normal (w, 64);
            num = fma (w, e, -exp2_64 * z);
            den = fma (w, e, e);
            rden = 1.0 / (den);
            w = fma (-num, rden, w);
        }
    }
    return w;
}

int double2hiint (double a)
{
    unsigned long long int t;
    memcpy (&t, &a, sizeof t);
    return (int)(t >> 32);
}

int double2loint (double a)
{
    unsigned long long int t;
    memcpy (&t, &a, sizeof t);
    return (int)(unsigned int)t;
}

double hiloint2double (int hi, int lo) 
{
    double r;
    unsigned long long int t;
    t = ((unsigned long long int)(unsigned int)hi << 32) | (unsigned int)lo;
    memcpy (&r, &t, sizeof r);
    return r;
}

/* exp(a) * 2**scale; pos. normal results only! Max. err. found: 0.89028 ulp */
double exp_scale_pos_normal (double a, int scale)
{
    const double ln2_hi = 6.9314718055829871e-01; // 0x1.62e42fefa00000p-01
    const double ln2_lo = 1.6465949582897082e-12; // 0x1.cf79abc9e3b3a0p-40
    const double l2e = 1.4426950408889634; // 0x1.71547652b82fe0p+00 // log2(e)
    const double cvt = 6755399441055744.0; // 0x1.80000000000000p+52 // 3*2**51
    double f, r;
    int i;

    /* exp(a) = exp(i + f); i = rint (a / log(2)) */
    r = fma (l2e, a, cvt);
    i = double2loint (r);
    r = r - cvt;
    f = fma (r, -ln2_hi, a);
    f = fma (r, -ln2_lo, f);

    /* approximate r = exp(f) on interval [-log(2)/2,+log(2)/2] */
    r =            2.5022018235176802e-8;  // 0x1.ade0000000000p-26
    r = fma (r, f, 2.7630903497145818e-7); // 0x1.28af3fcbbf09bp-22
    r = fma (r, f, 2.7557514543490574e-6); // 0x1.71dee623774fap-19
    r = fma (r, f, 2.4801491039409158e-5); // 0x1.a01997c8b50d7p-16
    r = fma (r, f, 1.9841269589068419e-4); // 0x1.a01a01475db8cp-13
    r = fma (r, f, 1.3888888945916566e-3); // 0x1.6c16c1852b805p-10
    r = fma (r, f, 8.3333333334557735e-3); // 0x1.11111111224c7p-7
    r = fma (r, f, 4.1666666666519782e-2); // 0x1.55555555502a5p-5
    r = fma (r, f, 1.6666666666666477e-1); // 0x1.5555555555511p-3
    r = fma (r, f, 5.0000000000000122e-1); // 0x1.000000000000bp-1
    r = fma (r, f, 1.0000000000000000e+0); // 0x1.0000000000000p+0
    r = fma (r, f, 1.0000000000000000e+0); // 0x1.0000000000000p+0

    /* exp(a) = 2**(i+scale) * r */
    r = hiloint2double (double2hiint (r) + ((i + scale) << 20), 
                        double2loint (r));
    return r;
}

/* compute natural logarithm of positive normals; max. err. found: 0.86902 ulp*/
double log_pos_normal (double a)
{
    const double ln2_hi = 6.9314718055994529e-01; // 0x1.62e42fefa39efp-01
    const double ln2_lo = 2.3190468138462996e-17; // 0x1.abc9e3b39803fp-56
    double m, r, i, s, t, p, q;
    int e;

    /* log(a) = log(m * 2**i) = i * log(2) + log(m) */
    e = (double2hiint (a) - double2hiint (0.70703125)) & 0xfff00000;
    m = hiloint2double (double2hiint (a) - e, double2loint (a));
    t = hiloint2double (0x41f00000, 0x80000000 ^ e);
    i = t - (hiloint2double (0x41f00000, 0x80000000));

    /* m now in [181/256, 362/256]. Compute q = (m-1) / (m+1) */
    p = m + 1.0;
    r = 1.0 / p;
    q = fma (m, r, -r);
    m = m - 1.0;

    /* Compute (2*atanh(q)/q-2*q) as p(q**2), q in [-75/437, 53/309] */
    s = q * q;
    r =            1.4794533702196025e-1;  // 0x1.2efdf700d7135p-3
    r = fma (r, s, 1.5314187748152339e-1); // 0x1.39a272db730f7p-3
    r = fma (r, s, 1.8183559141306990e-1); // 0x1.746637f2f191bp-3
    r = fma (r, s, 2.2222198669309609e-1); // 0x1.c71c522a64577p-3
    r = fma (r, s, 2.8571428741489319e-1); // 0x1.24924941c9a2fp-2
    r = fma (r, s, 3.9999999999418523e-1); // 0x1.999999998006cp-2
    r = fma (r, s, 6.6666666666667340e-1); // 0x1.5555555555592p-1
    r = r * s;

    /* log(a) = 2*atanh(q) + i*log(2) = ln2_lo*i + p(q**2)*q + 2q + ln2_hi * i.
       Use K.C. Ng's trick to improve the accuracy of the computation, like so:
       p(q**2)*q + 2q = p(q**2)*q + q*t - t + m, where t = m**2/2.
    */
    t = m * m * 0.5;
    r = fma (q, t, fma (q, r, ln2_lo * i)) - t + m;
    r = fma (ln2_hi, i, r);

    return r;
}

Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức sự kiện 5 sao Thông tin về chúng tôi Dịch vụ sinh nhật bé trai Dịch vụ sinh nhật bé gái Sự kiện trọn gói Các tiết mục giải trí Dịch vụ bổ trợ Tiệc cưới sang trọng Dịch vụ khai trương Tư vấn tổ chức sự kiện Hình ảnh sự kiện Cập nhật tin tức Liên hệ ngay Thuê chú hề chuyên nghiệp Tiệc tất niên cho công ty Trang trí tiệc cuối năm Tiệc tất niên độc đáo Sinh nhật bé Hải Đăng Sinh nhật đáng yêu bé Khánh Vân Sinh nhật sang trọng Bích Ngân Tiệc sinh nhật bé Thanh Trang Dịch vụ ông già Noel Xiếc thú vui nhộn Biểu diễn xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức tiệc uy tín Khám phá dịch vụ của chúng tôi Tiệc sinh nhật cho bé trai Trang trí tiệc cho bé gái Gói sự kiện chuyên nghiệp Chương trình giải trí hấp dẫn Dịch vụ hỗ trợ sự kiện Trang trí tiệc cưới đẹp Khởi đầu thành công với khai trương Chuyên gia tư vấn sự kiện Xem ảnh các sự kiện đẹp Tin mới về sự kiện Kết nối với đội ngũ chuyên gia Chú hề vui nhộn cho tiệc sinh nhật Ý tưởng tiệc cuối năm Tất niên độc đáo Trang trí tiệc hiện đại Tổ chức sinh nhật cho Hải Đăng Sinh nhật độc quyền Khánh Vân Phong cách tiệc Bích Ngân Trang trí tiệc bé Thanh Trang Thuê dịch vụ ông già Noel chuyên nghiệp Xem xiếc khỉ đặc sắc Xiếc quay đĩa thú vị
Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa
Thiết kế website Thiết kế website Thiết kế website Cách kháng tài khoản quảng cáo Mua bán Fanpage Facebook Dịch vụ SEO Tổ chức sinh nhật