home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ OS/2 Shareware BBS: 10 Tools / 10-Tools.zip / perl560.zip / lib / Math / Trig.pm < prev   
Text File  |  2000-03-03  |  13KB  |  442 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 5.005_64;
  11. use strict;
  12.  
  13. use Math::Complex qw(:trig);
  14.  
  15. our($VERSION, $PACKAGE, @ISA, @EXPORT, @EXPORT_OK, %EXPORT_TAGS);
  16.  
  17. @ISA = qw(Exporter);
  18.  
  19. $VERSION = 1.00;
  20.  
  21. my @angcnv = qw(rad2deg rad2grad
  22.          deg2rad deg2grad
  23.          grad2rad grad2deg);
  24.  
  25. @EXPORT = (@{$Math::Complex::EXPORT_TAGS{'trig'}},
  26.        @angcnv);
  27.  
  28. my @rdlcnv = qw(cartesian_to_cylindrical
  29.         cartesian_to_spherical
  30.         cylindrical_to_cartesian
  31.         cylindrical_to_spherical
  32.         spherical_to_cartesian
  33.         spherical_to_cylindrical);
  34.  
  35. @EXPORT_OK = (@rdlcnv, 'great_circle_distance');
  36.  
  37. %EXPORT_TAGS = ('radial' => [ @rdlcnv ]);
  38.  
  39. sub pi2 () { 2 * pi }        # use constant generates warning
  40. sub pip2 () { pi / 2 }        # use constant generates warning
  41. use constant DR   => pi2/360;
  42. use constant RD   => 360/pi2;
  43. use constant DG   => 400/360;
  44. use constant GD   => 360/400;
  45. use constant RG   => 400/pi2;
  46. use constant GR   => pi2/400;
  47.  
  48. #
  49. # Truncating remainder.
  50. #
  51.  
  52. sub remt ($$) {
  53.     # Oh yes, POSIX::fmod() would be faster. Possibly. If it is available.
  54.     $_[0] - $_[1] * int($_[0] / $_[1]);
  55. }
  56.  
  57. #
  58. # Angle conversions.
  59. #
  60.  
  61. sub rad2deg ($)  { remt(RD * $_[0], 360) }
  62.  
  63. sub deg2rad ($)  { remt(DR * $_[0], pi2) }
  64.  
  65. sub grad2deg ($) { remt(GD * $_[0], 360) }
  66.  
  67. sub deg2grad ($) { remt(DG * $_[0], 400) }
  68.  
  69. sub rad2grad ($) { remt(RG * $_[0], 400) }
  70.  
  71. sub grad2rad ($) { remt(GR * $_[0], pi2) }
  72.  
  73. sub cartesian_to_spherical {
  74.     my ( $x, $y, $z ) = @_;
  75.  
  76.     my $rho = sqrt( $x * $x + $y * $y + $z * $z );
  77.  
  78.     return ( $rho,
  79.              atan2( $y, $x ),
  80.              $rho ? acos( $z / $rho ) : 0 );
  81. }
  82.  
  83. sub spherical_to_cartesian {
  84.     my ( $rho, $theta, $phi ) = @_;
  85.  
  86.     return ( $rho * cos( $theta ) * sin( $phi ),
  87.              $rho * sin( $theta ) * sin( $phi ),
  88.              $rho * cos( $phi   ) );
  89. }
  90.  
  91. sub spherical_to_cylindrical {
  92.     my ( $x, $y, $z ) = spherical_to_cartesian( @_ );
  93.  
  94.     return ( sqrt( $x * $x + $y * $y ), $_[1], $z );
  95. }
  96.  
  97. sub cartesian_to_cylindrical {
  98.     my ( $x, $y, $z ) = @_;
  99.  
  100.     return ( sqrt( $x * $x + $y * $y ), atan2( $y, $x ), $z );
  101. }
  102.  
  103. sub cylindrical_to_cartesian {
  104.     my ( $rho, $theta, $z ) = @_;
  105.  
  106.     return ( $rho * cos( $theta ), $rho * sin( $theta ), $z );
  107. }
  108.  
  109. sub cylindrical_to_spherical {
  110.     return ( cartesian_to_spherical( cylindrical_to_cartesian( @_ ) ) );
  111. }
  112.  
  113. sub great_circle_distance {
  114.     my ( $theta0, $phi0, $theta1, $phi1, $rho ) = @_;
  115.  
  116.     $rho = 1 unless defined $rho; # Default to the unit sphere.
  117.  
  118.     my $lat0 = pip2 - $phi0;
  119.     my $lat1 = pip2 - $phi1;
  120.  
  121.     return $rho *
  122.         acos(cos( $lat0 ) * cos( $lat1 ) * cos( $theta0 - $theta1 ) +
  123.              sin( $lat0 ) * sin( $lat1 ) );
  124. }
  125.  
  126. =pod
  127.  
  128. =head1 NAME
  129.  
  130. Math::Trig - trigonometric functions
  131.  
  132. =head1 SYNOPSIS
  133.  
  134.     use Math::Trig;
  135.  
  136.     $x = tan(0.9);
  137.     $y = acos(3.7);
  138.     $z = asin(2.4);
  139.  
  140.     $halfpi = pi/2;
  141.  
  142.     $rad = deg2rad(120);
  143.  
  144. =head1 DESCRIPTION
  145.  
  146. C<Math::Trig> defines many trigonometric functions not defined by the
  147. core Perl which defines only the C<sin()> and C<cos()>.  The constant
  148. B<pi> is also defined as are a few convenience functions for angle
  149. conversions.
  150.  
  151. =head1 TRIGONOMETRIC FUNCTIONS
  152.  
  153. The tangent
  154.  
  155. =over 4
  156.  
  157. =item B<tan>
  158.  
  159. =back
  160.  
  161. The cofunctions of the sine, cosine, and tangent (cosec/csc and cotan/cot
  162. are aliases)
  163.  
  164. B<csc>, B<cosec>, B<sec>, B<sec>, B<cot>, B<cotan>
  165.  
  166. The arcus (also known as the inverse) functions of the sine, cosine,
  167. and tangent
  168.  
  169. B<asin>, B<acos>, B<atan>
  170.  
  171. The principal value of the arc tangent of y/x
  172.  
  173. B<atan2>(y, x)
  174.  
  175. The arcus cofunctions of the sine, cosine, and tangent (acosec/acsc
  176. and acotan/acot are aliases)
  177.  
  178. B<acsc>, B<acosec>, B<asec>, B<acot>, B<acotan>
  179.  
  180. The hyperbolic sine, cosine, and tangent
  181.  
  182. B<sinh>, B<cosh>, B<tanh>
  183.  
  184. The cofunctions of the hyperbolic sine, cosine, and tangent (cosech/csch
  185. and cotanh/coth are aliases)
  186.  
  187. B<csch>, B<cosech>, B<sech>, B<coth>, B<cotanh>
  188.  
  189. The arcus (also known as the inverse) functions of the hyperbolic
  190. sine, cosine, and tangent
  191.  
  192. B<asinh>, B<acosh>, B<atanh>
  193.  
  194. The arcus cofunctions of the hyperbolic sine, cosine, and tangent
  195. (acsch/acosech and acoth/acotanh are aliases)
  196.  
  197. B<acsch>, B<acosech>, B<asech>, B<acoth>, B<acotanh>
  198.  
  199. The trigonometric constant B<pi> is also defined.
  200.  
  201. $pi2 = 2 * B<pi>;
  202.  
  203. =head2 ERRORS DUE TO DIVISION BY ZERO
  204.  
  205. The following functions
  206.  
  207.     acoth
  208.     acsc
  209.     acsch
  210.     asec
  211.     asech
  212.     atanh
  213.     cot
  214.     coth
  215.     csc
  216.     csch
  217.     sec
  218.     sech
  219.     tan
  220.     tanh
  221.  
  222. cannot be computed for all arguments because that would mean dividing
  223. by zero or taking logarithm of zero. These situations cause fatal
  224. runtime errors looking like this
  225.  
  226.     cot(0): Division by zero.
  227.     (Because in the definition of cot(0), the divisor sin(0) is 0)
  228.     Died at ...
  229.  
  230. or
  231.  
  232.     atanh(-1): Logarithm of zero.
  233.     Died at...
  234.  
  235. For the C<csc>, C<cot>, C<asec>, C<acsc>, C<acot>, C<csch>, C<coth>,
  236. C<asech>, C<acsch>, the argument cannot be C<0> (zero).  For the
  237. C<atanh>, C<acoth>, the argument cannot be C<1> (one).  For the
  238. C<atanh>, C<acoth>, the argument cannot be C<-1> (minus one).  For the
  239. C<tan>, C<sec>, C<tanh>, C<sech>, the argument cannot be I<pi/2 + k *
  240. pi>, where I<k> is any integer.
  241.  
  242. =head2 SIMPLE (REAL) ARGUMENTS, COMPLEX RESULTS
  243.  
  244. Please note that some of the trigonometric functions can break out
  245. from the B<real axis> into the B<complex plane>. For example
  246. C<asin(2)> has no definition for plain real numbers but it has
  247. definition for complex numbers.
  248.  
  249. In Perl terms this means that supplying the usual Perl numbers (also
  250. known as scalars, please see L<perldata>) as input for the
  251. trigonometric functions might produce as output results that no more
  252. are simple real numbers: instead they are complex numbers.
  253.  
  254. The C<Math::Trig> handles this by using the C<Math::Complex> package
  255. which knows how to handle complex numbers, please see L<Math::Complex>
  256. for more information. In practice you need not to worry about getting
  257. complex numbers as results because the C<Math::Complex> takes care of
  258. details like for example how to display complex numbers. For example:
  259.  
  260.     print asin(2), "\n";
  261.  
  262. should produce something like this (take or leave few last decimals):
  263.  
  264.     1.5707963267949-1.31695789692482i
  265.  
  266. That is, a complex number with the real part of approximately C<1.571>
  267. and the imaginary part of approximately C<-1.317>.
  268.  
  269. =head1 PLANE ANGLE CONVERSIONS
  270.  
  271. (Plane, 2-dimensional) angles may be converted with the following functions.
  272.  
  273.     $radians  = deg2rad($degrees);
  274.     $radians  = grad2rad($gradians);
  275.  
  276.     $degrees  = rad2deg($radians);
  277.     $degrees  = grad2deg($gradians);
  278.  
  279.     $gradians = deg2grad($degrees);
  280.     $gradians = rad2grad($radians);
  281.  
  282. The full circle is 2 I<pi> radians or I<360> degrees or I<400> gradians.
  283.  
  284. =head1 RADIAL COORDINATE CONVERSIONS
  285.  
  286. B<Radial coordinate systems> are the B<spherical> and the B<cylindrical>
  287. systems, explained shortly in more detail.
  288.  
  289. You can import radial coordinate conversion functions by using the
  290. C<:radial> tag:
  291.  
  292.     use Math::Trig ':radial';
  293.  
  294.     ($rho, $theta, $z)     = cartesian_to_cylindrical($x, $y, $z);
  295.     ($rho, $theta, $phi)   = cartesian_to_spherical($x, $y, $z);
  296.     ($x, $y, $z)           = cylindrical_to_cartesian($rho, $theta, $z);
  297.     ($rho_s, $theta, $phi) = cylindrical_to_spherical($rho_c, $theta, $z);
  298.     ($x, $y, $z)           = spherical_to_cartesian($rho, $theta, $phi);
  299.     ($rho_c, $theta, $z)   = spherical_to_cylindrical($rho_s, $theta, $phi);
  300.  
  301. B<All angles are in radians>.
  302.  
  303. =head2 COORDINATE SYSTEMS
  304.  
  305. B<Cartesian> coordinates are the usual rectangular I<(x, y,
  306. z)>-coordinates.
  307.  
  308. Spherical coordinates, I<(rho, theta, pi)>, are three-dimensional
  309. coordinates which define a point in three-dimensional space.  They are
  310. based on a sphere surface.  The radius of the sphere is B<rho>, also
  311. known as the I<radial> coordinate.  The angle in the I<xy>-plane
  312. (around the I<z>-axis) is B<theta>, also known as the I<azimuthal>
  313. coordinate.  The angle from the I<z>-axis is B<phi>, also known as the
  314. I<polar> coordinate.  The `North Pole' is therefore I<0, 0, rho>, and
  315. the `Bay of Guinea' (think of the missing big chunk of Africa) I<0,
  316. pi/2, rho>.  In geographical terms I<phi> is latitude (northward
  317. positive, southward negative) and I<theta> is longitude (eastward
  318. positive, westward negative).
  319.  
  320. B<BEWARE>: some texts define I<theta> and I<phi> the other way round,
  321. some texts define the I<phi> to start from the horizontal plane, some
  322. texts use I<r> in place of I<rho>.
  323.  
  324. Cylindrical coordinates, I<(rho, theta, z)>, are three-dimensional
  325. coordinates which define a point in three-dimensional space.  They are
  326. based on a cylinder surface.  The radius of the cylinder is B<rho>,
  327. also known as the I<radial> coordinate.  The angle in the I<xy>-plane
  328. (around the I<z>-axis) is B<theta>, also known as the I<azimuthal>
  329. coordinate.  The third coordinate is the I<z>, pointing up from the
  330. B<theta>-plane.
  331.  
  332. =head2 3-D ANGLE CONVERSIONS
  333.  
  334. Conversions to and from spherical and cylindrical coordinates are
  335. available.  Please notice that the conversions are not necessarily
  336. reversible because of the equalities like I<pi> angles being equal to
  337. I<-pi> angles.
  338.  
  339. =over 4
  340.  
  341. =item cartesian_to_cylindrical
  342.  
  343.         ($rho, $theta, $z) = cartesian_to_cylindrical($x, $y, $z);
  344.  
  345. =item cartesian_to_spherical
  346.  
  347.         ($rho, $theta, $phi) = cartesian_to_spherical($x, $y, $z);
  348.  
  349. =item cylindrical_to_cartesian
  350.  
  351.         ($x, $y, $z) = cylindrical_to_cartesian($rho, $theta, $z);
  352.  
  353. =item cylindrical_to_spherical
  354.  
  355.         ($rho_s, $theta, $phi) = cylindrical_to_spherical($rho_c, $theta, $z);
  356.  
  357. Notice that when C<$z> is not 0 C<$rho_s> is not equal to C<$rho_c>.
  358.  
  359. =item spherical_to_cartesian
  360.  
  361.         ($x, $y, $z) = spherical_to_cartesian($rho, $theta, $phi);
  362.  
  363. =item spherical_to_cylindrical
  364.  
  365.         ($rho_c, $theta, $z) = spherical_to_cylindrical($rho_s, $theta, $phi);
  366.  
  367. Notice that when C<$z> is not 0 C<$rho_c> is not equal to C<$rho_s>.
  368.  
  369. =back
  370.  
  371. =head1 GREAT CIRCLE DISTANCES
  372.  
  373. You can compute spherical distances, called B<great circle distances>,
  374. by importing the C<great_circle_distance> function:
  375.  
  376.     use Math::Trig 'great_circle_distance'
  377.  
  378.   $distance = great_circle_distance($theta0, $phi0, $theta1, $phi1, [, $rho]);
  379.  
  380. The I<great circle distance> is the shortest distance between two
  381. points on a sphere.  The distance is in C<$rho> units.  The C<$rho> is
  382. optional, it defaults to 1 (the unit sphere), therefore the distance
  383. defaults to radians.
  384.  
  385. If you think geographically the I<theta> are longitudes: zero at the
  386. Greenwhich meridian, eastward positive, westward negative--and the
  387. I<phi> are latitudes: zero at the North Pole, northward positive,
  388. southward negative.  B<NOTE>: this formula thinks in mathematics, not
  389. geographically: the I<phi> zero is at the North Pole, not at the
  390. Equator on the west coast of Africa (Bay of Guinea).  You need to
  391. subtract your geographical coordinates from I<pi/2> (also known as 90
  392. degrees).
  393.  
  394.   $distance = great_circle_distance($lon0, pi/2 - $lat0,
  395.                                     $lon1, pi/2 - $lat1, $rho);
  396.  
  397. =head1 EXAMPLES
  398.  
  399. To calculate the distance between London (51.3N 0.5W) and Tokyo (35.7N
  400. 139.8E) in kilometers:
  401.  
  402.         use Math::Trig qw(great_circle_distance deg2rad);
  403.  
  404.         # Notice the 90 - latitude: phi zero is at the North Pole.
  405.     @L = (deg2rad(-0.5), deg2rad(90 - 51.3));
  406.         @T = (deg2rad(139.8),deg2rad(90 - 35.7));
  407.  
  408.         $km = great_circle_distance(@L, @T, 6378);
  409.  
  410. The answer may be off by few percentages because of the irregular
  411. (slightly aspherical) form of the Earth.  The used formula
  412.  
  413.     lat0 = 90 degrees - phi0
  414.     lat1 = 90 degrees - phi1
  415.     d = R * arccos(cos(lat0) * cos(lat1) * cos(lon1 - lon01) +
  416.                        sin(lat0) * sin(lat1))
  417.  
  418. is also somewhat unreliable for small distances (for locations
  419. separated less than about five degrees) because it uses arc cosine
  420. which is rather ill-conditioned for values close to zero.
  421.  
  422. =head1 BUGS
  423.  
  424. Saying C<use Math::Trig;> exports many mathematical routines in the
  425. caller environment and even overrides some (C<sin>, C<cos>).  This is
  426. construed as a feature by the Authors, actually... ;-)
  427.  
  428. The code is not optimized for speed, especially because we use
  429. C<Math::Complex> and thus go quite near complex numbers while doing
  430. the computations even when the arguments are not. This, however,
  431. cannot be completely avoided if we want things like C<asin(2)> to give
  432. an answer instead of giving a fatal runtime error.
  433.  
  434. =head1 AUTHORS
  435.  
  436. Jarkko Hietaniemi <F<jhi@iki.fi>> and 
  437. Raphael Manfredi <F<Raphael_Manfredi@pobox.com>>.
  438.  
  439. =cut
  440.  
  441. # eof
  442.