Why do imaginary number calculations behave differently for exponents up to 100 and above 100?

The imaginary number i, or j in Python, means the square root of -1. So, i to the 4th or any multiple of 4 should be positive 1.

>>> (1j)**4
(1+0j)
>>> (1j)**96
(1+0j)
>>> (1j)**100
(1+0j)

Up until this point all is good, but once we get past 100, Python just bugs out. For example:

>>> (1j)**104
(1+7.842691359635767e-15j)

This messed up my calculations so much in an unexpected way. What explains this? I’m using Python 3.8.19.

5

See the code, for integer exponents up to 100 it uses a different algorithm:

complex_pow(PyObject *v, PyObject *w, PyObject *z)
{
    ...
    // Check whether the exponent has a small integer value, and if so use
    // a faster and more accurate algorithm.
    if (b.imag == 0.0 && b.real == floor(b.real) && fabs(b.real) <= 100.0) {
        p = c_powi(a, (long)b.real);
    }
    else {
        p = _Py_c_pow(a, b);
    }
    ...

The special algorithm for the small exponents uses exponentiation by squaring, just multiplying 1j with itself and with the multiplication results, which is accurate:

c_powu(Py_complex x, long n)
{
    Py_complex r, p;
    long mask = 1;
    r = c_1;
    p = x;
    while (mask > 0 && n >= mask) {
        if (n & mask)
            r = _Py_c_prod(r,p);
        mask <<= 1;
        p = _Py_c_prod(p,p);
    }
    return r;
}

The general algorithm for exponents larger than 100 and non-integer exponents uses trigonometry and ends up involving inaccurate floats:

_Py_c_pow(Py_complex a, Py_complex b)
{
    ...
        vabs = hypot(a.real,a.imag);
        len = pow(vabs,b.real);
        at = atan2(a.imag, a.real);
        phase = at*b.real;
        if (b.imag != 0.0) {
            len /= exp(at*b.imag);
            phase += b.imag*log(vabs);
        }
        r.real = len*cos(phase);
        r.imag = len*sin(phase);
    ...

The at value for 1j mathematically is π/2, which isn’t representable exactly as float. And then the phase and sin and thus the imaginary party of the result become inaccurate as well. See Why does math.cos(math.pi/2) not return zero? for more about that.

(I just noticed you mentioned using Python 3.8.19, while I looked up the current version, 3.12.6. The code slightly differs, but irrelevantly so, and the explanation is correct for both.)

2

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