home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Acorn User 10 / AU_CD10.iso / Updates / Perl / Non-RPC / !Perl / lib / zip / Math / Trig.pm < prev   
Text File  |  1999-04-02  |  12KB  |  434 lines

  1. #
  2. # Trigonometric functions, mostly inherited from Math::Complex.
  3. # -- Jarkko Hietaniemi, since April 1997
  4. # -- Raphael Manfredi, September 1996 (indirectly: because of Math::Complex)
  5. #
  6.  
  7. require Exporter;
  8. package Math::Trig;
  9.  
  10. use strict;
  11.  
  12. use Math::Complex qw(:trig);
  13.  
  14. use vars qw($VERSION $PACKAGE
  15.         @ISA
  16.         @EXPORT @EXPORT_OK %EXPORT_TAGS);
  17.  
  18. @ISA = qw(Exporter);
  19.  
  20. $VERSION = 1.00;
  21.  
  22. my @angcnv = qw(rad2deg rad2grad
  23.          deg2rad deg2grad
  24.          grad2rad grad2deg);
  25.  
  26. @EXPORT = (@{$Math::Complex::EXPORT_TAGS{'trig'}},
  27.        @angcnv);
  28.  
  29. my @rdlcnv = qw(cartesian_to_cylindrical
  30.         cartesian_to_spherical
  31.         cylindrical_to_cartesian
  32.         cylindrical_to_spherical
  33.         spherical_to_cartesian
  34.         spherical_to_cylindrical);
  35.  
  36. @EXPORT_OK = (@rdlcnv, 'great_circle_distance');
  37.  
  38. %EXPORT_TAGS = ('radial' => [ @rdlcnv ]);
  39.  
  40. use constant pi2  => 2 * pi;
  41. use constant pip2 => pi / 2;
  42. use constant DR   => pi2/360;
  43. use constant RD   => 360/pi2;
  44. use constant DG   => 400/360;
  45. use constant GD   => 360/400;
  46. use constant RG   => 400/pi2;
  47. use constant GR   => pi2/400;
  48.  
  49. #
  50. # Truncating remainder.
  51. #
  52.  
  53. sub remt ($$) {
  54.     # Oh yes, POSIX::fmod() would be faster. Possibly. If it is available.
  55.     $_[0] - $_[1] * int($_[0] / $_[1]);
  56. }
  57.  
  58. #
  59. # Angle conversions.
  60. #
  61.  
  62. sub rad2deg ($)  { remt(RD * $_[0], 360) }
  63.  
  64. sub deg2rad ($)  { remt(DR * $_[0], pi2) }
  65.  
  66. sub grad2deg ($) { remt(GD * $_[0], 360) }
  67.  
  68. sub deg2grad ($) { remt(DG * $_[0], 400) }
  69.  
  70. sub rad2grad ($) { remt(RG * $_[0], 400) }
  71.  
  72. sub grad2rad ($) { remt(GR * $_[0], pi2) }
  73.  
  74. sub cartesian_to_spherical {
  75.     my ( $x, $y, $z ) = @_;
  76.  
  77.     my $rho = sqrt( $x * $x + $y * $y + $z * $z );
  78.  
  79.     return ( $rho,
  80.              atan2( $y, $x ),
  81.              $rho ? acos( $z / $rho ) : 0 );
  82. }
  83.  
  84. sub spherical_to_cartesian {
  85.     my ( $rho, $theta, $phi ) = @_;
  86.  
  87.     return ( $rho * cos( $theta ) * sin( $phi ),
  88.              $rho * sin( $theta ) * sin( $phi ),
  89.              $rho * cos( $phi   ) );
  90. }
  91.  
  92. sub spherical_to_cylindrical {
  93.     my ( $x, $y, $z ) = spherical_to_cartesian( @_ );
  94.  
  95.     return ( sqrt( $x * $x + $y * $y ), $_[1], $z );
  96. }
  97.  
  98. sub cartesian_to_cylindrical {
  99.     my ( $x, $y, $z ) = @_;
  100.  
  101.     return ( sqrt( $x * $x + $y * $y ), atan2( $y, $x ), $z );
  102. }
  103.  
  104. sub cylindrical_to_cartesian {
  105.     my ( $rho, $theta, $z ) = @_;
  106.  
  107.     return ( $rho * cos( $theta ), $rho * sin( $theta ), $z );
  108. }
  109.  
  110. sub cylindrical_to_spherical {
  111.     return ( cartesian_to_spherical( cylindrical_to_cartesian( @_ ) ) );
  112. }
  113.  
  114. sub great_circle_distance {
  115.     my ( $theta0, $phi0, $theta1, $phi1, $rho ) = @_;
  116.  
  117.     $rho = 1 unless defined $rho; # Default to the unit sphere.
  118.  
  119.     my $lat0 = pip2 - $phi0;
  120.     my $lat1 = pip2 - $phi1;
  121.  
  122.     return $rho *
  123.         acos(cos( $lat0 ) * cos( $lat1 ) * cos( $theta0 - $theta1 ) +
  124.              sin( $lat0 ) * sin( $lat1 ) );
  125. }
  126.  
  127. =pod
  128.  
  129. =head1 NAME
  130.  
  131. Math::Trig - trigonometric functions
  132.  
  133. =head1 SYNOPSIS
  134.  
  135.     use Math::Trig;
  136.     
  137.     $x = tan(0.9);
  138.     $y = acos(3.7);
  139.     $z = asin(2.4);
  140.     
  141.     $halfpi = pi/2;
  142.  
  143.     $rad = deg2rad(120);
  144.  
  145. =head1 DESCRIPTION
  146.  
  147. C<Math::Trig> defines many trigonometric functions not defined by the
  148. core Perl which defines only the C<sin()> and C<cos()>.  The constant
  149. B<pi> is also defined as are a few convenience functions for angle
  150. conversions.
  151.  
  152. =head1 TRIGONOMETRIC FUNCTIONS
  153.  
  154. The tangent
  155.  
  156. =over 4
  157.  
  158. =item B<tan>
  159.  
  160. =back
  161.  
  162. The cofunctions of the sine, cosine, and tangent (cosec/csc and cotan/cot
  163. are aliases)
  164.  
  165. B<csc>, B<cosec>, B<sec>, B<sec>, B<cot>, B<cotan>
  166.  
  167. The arcus (also known as the inverse) functions of the sine, cosine,
  168. and tangent
  169.  
  170. B<asin>, B<acos>, B<atan>
  171.  
  172. The principal value of the arc tangent of y/x
  173.  
  174. B<atan2>(y, x)
  175.  
  176. The arcus cofunctions of the sine, cosine, and tangent (acosec/acsc
  177. and acotan/acot are aliases)
  178.  
  179. B<acsc>, B<acosec>, B<asec>, B<acot>, B<acotan>
  180.  
  181. The hyperbolic sine, cosine, and tangent
  182.  
  183. B<sinh>, B<cosh>, B<tanh>
  184.  
  185. The cofunctions of the hyperbolic sine, cosine, and tangent (cosech/csch
  186. and cotanh/coth are aliases)
  187.  
  188. B<csch>, B<cosech>, B<sech>, B<coth>, B<cotanh>
  189.  
  190. The arcus (also known as the inverse) functions of the hyperbolic
  191. sine, cosine, and tangent
  192.  
  193. B<asinh>, B<acosh>, B<atanh>
  194.  
  195. The arcus cofunctions of the hyperbolic sine, cosine, and tangent
  196. (acsch/acosech and acoth/acotanh are aliases)
  197.  
  198. B<acsch>, B<acosech>, B<asech>, B<acoth>, B<acotanh>
  199.  
  200. The trigonometric constant B<pi> is also defined.
  201.  
  202. $pi2 = 2 * B<pi>;
  203.  
  204. =head2 ERRORS DUE TO DIVISION BY ZERO
  205.  
  206. The following functions
  207.  
  208.     acoth
  209.     acsc
  210.     acsch
  211.     asec
  212.     asech
  213.     atanh
  214.     cot
  215.     coth
  216.     csc
  217.     csch
  218.     sec
  219.     sech
  220.     tan
  221.     tanh
  222.  
  223. cannot be computed for all arguments because that would mean dividing
  224. by zero or taking logarithm of zero. These situations cause fatal
  225. runtime errors looking like this
  226.  
  227.     cot(0): Division by zero.
  228.     (Because in the definition of cot(0), the divisor sin(0) is 0)
  229.     Died at ...
  230.  
  231. or
  232.  
  233.     atanh(-1): Logarithm of zero.
  234.     Died at...
  235.  
  236. For the C<csc>, C<cot>, C<asec>, C<acsc>, C<acot>, C<csch>, C<coth>,
  237. C<asech>, C<acsch>, the argument cannot be C<0> (zero).  For the
  238. C<atanh>, C<acoth>, the argument cannot be C<1> (one).  For the
  239. C<atanh>, C<acoth>, the argument cannot be C<-1> (minus one).  For the
  240. C<tan>, C<sec>, C<tanh>, C<sech>, the argument cannot be I<pi/2 + k *
  241. pi>, where I<k> is any integer.
  242.  
  243. =head2 SIMPLE (REAL) ARGUMENTS, COMPLEX RESULTS
  244.  
  245. Please note that some of the trigonometric functions can break out
  246. from the B<real axis> into the B<complex plane>. For example
  247. C<asin(2)> has no definition for plain real numbers but it has
  248. definition for complex numbers.
  249.  
  250. In Perl terms this means that supplying the usual Perl numbers (also
  251. known as scalars, please see L<perldata>) as input for the
  252. trigonometric functions might produce as output results that no more
  253. are simple real numbers: instead they are complex numbers.
  254.  
  255. The C<Math::Trig> handles this by using the C<Math::Complex> package
  256. which knows how to handle complex numbers, please see L<Math::Complex>
  257. for more information. In practice you need not to worry about getting
  258. complex numbers as results because the C<Math::Complex> takes care of
  259. details like for example how to display complex numbers. For example:
  260.  
  261.     print asin(2), "\n";
  262.     
  263. should produce something like this (take or leave few last decimals):
  264.  
  265.     1.5707963267949-1.31695789692482i
  266.  
  267. That is, a complex number with the real part of approximately C<1.571>
  268. and the imaginary part of approximately C<-1.317>.
  269.  
  270. =head1 PLANE ANGLE CONVERSIONS
  271.  
  272. (Plane, 2-dimensional) angles may be converted with the following functions.
  273.  
  274.     $radians  = deg2rad($degrees);
  275.     $radians  = grad2rad($gradians);
  276.     
  277.     $degrees  = rad2deg($radians);
  278.     $degrees  = grad2deg($gradians);
  279.     
  280.     $gradians = deg2grad($degrees);
  281.     $gradians = rad2grad($radians);
  282.  
  283. The full circle is 2 I<pi> radians or I<360> degrees or I<400> gradians.
  284.  
  285. =head1 RADIAL COORDINATE CONVERSIONS
  286.  
  287. B<Radial coordinate systems> are the B<spherical> and the B<cylindrical>
  288. systems, explained shortly in more detail.
  289.  
  290. You can import radial coordinate conversion functions by using the
  291. C<:radial> tag:
  292.  
  293.     use Math::Trig ':radial';
  294.  
  295.     ($rho, $theta, $z)     = cartesian_to_cylindrical($x, $y, $z);
  296.     ($rho, $theta, $phi)   = cartesian_to_spherical($x, $y, $z);
  297.     ($x, $y, $z)           = cylindrical_to_cartesian($rho, $theta, $z);
  298.     ($rho_s, $theta, $phi) = cylindrical_to_spherical($rho_c, $theta, $z);
  299.     ($x, $y, $z)           = spherical_to_cartesian($rho, $theta, $phi);
  300.     ($rho_c, $theta, $z)   = spherical_to_cylindrical($rho_s, $theta, $phi);
  301.  
  302. B<All angles are in radians>.
  303.  
  304. =head2 COORDINATE SYSTEMS
  305.  
  306. B<Cartesian> coordinates are the usual rectangular I<(x, y,
  307. z)>-coordinates.
  308.  
  309. Spherical coordinates, I<(rho, theta, pi)>, are three-dimensional
  310. coordinates which define a point in three-dimensional space.  They are
  311. based on a sphere surface.  The radius of the sphere is B<rho>, also
  312. known as the I<radial> coordinate.  The angle in the I<xy>-plane
  313. (around the I<z>-axis) is B<theta>, also known as the I<azimuthal>
  314. coordinate.  The angle from the I<z>-axis is B<phi>, also known as the
  315. I<polar> coordinate.  The `North Pole' is therefore I<0, 0, rho>, and
  316. the `Bay of Guinea' (think of the missing big chunk of Africa) I<0,
  317. pi/2, rho>.  In geographical terms I<phi> is latitude (northward
  318. positive, southward negative) and I<theta> is longitude (eastward
  319. positive, westward negative).
  320.  
  321. B<BEWARE>: some texts define I<theta> and I<phi> the other way round,
  322. some texts define the I<phi> to start from the horizontal plane, some
  323. texts use I<r> in place of I<rho>.
  324.  
  325. Cylindrical coordinates, I<(rho, theta, z)>, are three-dimensional
  326. coordinates which define a point in three-dimensional space.  They are
  327. based on a cylinder surface.  The radius of the cylinder is B<rho>,
  328. also known as the I<radial> coordinate.  The angle in the I<xy>-plane
  329. (around the I<z>-axis) is B<theta>, also known as the I<azimuthal>
  330. coordinate.  The third coordinate is the I<z>, pointing up from the
  331. B<theta>-plane.
  332.  
  333. =head2 3-D ANGLE CONVERSIONS
  334.  
  335. Conversions to and from spherical and cylindrical coordinates are
  336. available.  Please notice that the conversions are not necessarily
  337. reversible because of the equalities like I<pi> angles being equal to
  338. I<-pi> angles.
  339.  
  340. =over 4
  341.  
  342. =item cartesian_to_cylindrical
  343.  
  344.         ($rho, $theta, $z) = cartesian_to_cylindrical($x, $y, $z);
  345.  
  346. =item cartesian_to_spherical
  347.  
  348.         ($rho, $theta, $phi) = cartesian_to_spherical($x, $y, $z);
  349.  
  350. =item cylindrical_to_cartesian
  351.  
  352.         ($x, $y, $z) = cylindrical_to_cartesian($rho, $theta, $z);
  353.  
  354. =item cylindrical_to_spherical
  355.  
  356.         ($rho_s, $theta, $phi) = cylindrical_to_spherical($rho_c, $theta, $z);
  357.  
  358. Notice that when C<$z> is not 0 C<$rho_s> is not equal to C<$rho_c>.
  359.  
  360. =item spherical_to_cartesian
  361.  
  362.         ($x, $y, $z) = spherical_to_cartesian($rho, $theta, $phi);
  363.  
  364. =item spherical_to_cylindrical
  365.  
  366.         ($rho_c, $theta, $z) = spherical_to_cylindrical($rho_s, $theta, $phi);
  367.  
  368. Notice that when C<$z> is not 0 C<$rho_c> is not equal to C<$rho_s>.
  369.  
  370. =back
  371.  
  372. =head1 GREAT CIRCLE DISTANCES
  373.  
  374. You can compute spherical distances, called B<great circle distances>,
  375. by importing the C<great_circle_distance> function:
  376.  
  377.     use Math::Trig 'great_circle_distance'
  378.  
  379.   $distance = great_circle_distance($theta0, $phi0, $theta1, $phi1, [, $rho]);
  380.  
  381. The I<great circle distance> is the shortest distance between two
  382. points on a sphere.  The distance is in C<$rho> units.  The C<$rho> is
  383. optional, it defaults to 1 (the unit sphere), therefore the distance
  384. defaults to radians.
  385.  
  386. If you think geographically the I<theta> are longitudes: zero at the
  387. Greenwhich meridian, eastward positive, westward negative--and the
  388. I<phi> are latitudes: zero at the North Pole, northward positive,
  389. southward negative.  B<NOTE>: this formula thinks in mathematics, not
  390. geographically: the I<phi> zero is at the North Pole, not at the
  391. Equator on the west coast of Africa (Bay of Guinea).  You need to
  392. subtract your geographical coordinates from I<pi/2> (also known as 90
  393. degrees).
  394.  
  395.   $distance = great_circle_distance($lon0, pi/2 - $lat0,
  396.                                     $lon1, pi/2 - $lat1, $rho);
  397.  
  398. =head1 EXAMPLES
  399.  
  400. To calculate the distance between London (51.3N 0.5W) and Tokyo (35.7N
  401. 139.8E) in kilometers:
  402.  
  403.         use Math::Trig qw(great_circle_distance deg2rad);
  404.  
  405.         # Notice the 90 - latitude: phi zero is at the North Pole.
  406.     @L = (deg2rad(-0.5), deg2rad(90 - 51.3));
  407.         @T = (deg2rad(139.8),deg2rad(90 - 35.7));
  408.  
  409.         $km = great_circle_distance(@L, @T, 6378);
  410.  
  411. The answer may be off by few percentages because of the irregular
  412. (slightly aspherical) form of the Earth.
  413.  
  414. =head1 BUGS
  415.  
  416. Saying C<use Math::Trig;> exports many mathematical routines in the
  417. caller environment and even overrides some (C<sin>, C<cos>).  This is
  418. construed as a feature by the Authors, actually... ;-)
  419.  
  420. The code is not optimized for speed, especially because we use
  421. C<Math::Complex> and thus go quite near complex numbers while doing
  422. the computations even when the arguments are not. This, however,
  423. cannot be completely avoided if we want things like C<asin(2)> to give
  424. an answer instead of giving a fatal runtime error.
  425.  
  426. =head1 AUTHORS
  427.  
  428. Jarkko Hietaniemi <F<jhi@iki.fi>> and 
  429. Raphael Manfredi <F<Raphael_Manfredi@grenoble.hp.com>>.
  430.  
  431. =cut
  432.  
  433. # eof
  434.