home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Australian Personal Computer 2002 November / CD 1 / APC0211D1.ISO / workshop / prog / files / ActivePerl-5.6.1.633-MSWin32.msi / _8cbbce3566ed49e35feeddd8f679c860 < prev    next >
Encoding:
Text File  |  2001-09-04  |  13.1 KB  |  457 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 }
  40. sub pip2 () { pi / 2 }
  41.  
  42. sub DR  () { pi2/360 }
  43. sub RD  () { 360/pi2 }
  44. sub DG  () { 400/360 }
  45. sub GD  () { 360/400 }
  46. sub RG  () { 400/pi2 }
  47. sub 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] / $_[1]);
  56. }
  57.  
  58. #
  59. # Angle conversions.
  60. #
  61.  
  62. sub rad2rad($)     { remt($_[0], pi2) }
  63.  
  64. sub deg2deg($)     { remt($_[0], 360) }
  65.  
  66. sub grad2grad($)   { remt($_[0], 400) }
  67.  
  68. sub rad2deg ($;$)  { my $d = RD * $_[0]; $_[1] ? $d : deg2deg($d) }
  69.  
  70. sub deg2rad ($;$)  { my $d = DR * $_[0]; $_[1] ? $d : rad2rad($d) }
  71.  
  72. sub grad2deg ($;$) { my $d = GD * $_[0]; $_[1] ? $d : deg2deg($d) }
  73.  
  74. sub deg2grad ($;$) { my $d = DG * $_[0]; $_[1] ? $d : grad2grad($d) }
  75.  
  76. sub rad2grad ($;$) { my $d = RG * $_[0]; $_[1] ? $d : grad2grad($d) }
  77.  
  78. sub grad2rad ($;$) { my $d = GR * $_[0]; $_[1] ? $d : rad2rad($d) }
  79.  
  80. sub cartesian_to_spherical {
  81.     my ( $x, $y, $z ) = @_;
  82.  
  83.     my $rho = sqrt( $x * $x + $y * $y + $z * $z );
  84.  
  85.     return ( $rho,
  86.              atan2( $y, $x ),
  87.              $rho ? acos( $z / $rho ) : 0 );
  88. }
  89.  
  90. sub spherical_to_cartesian {
  91.     my ( $rho, $theta, $phi ) = @_;
  92.  
  93.     return ( $rho * cos( $theta ) * sin( $phi ),
  94.              $rho * sin( $theta ) * sin( $phi ),
  95.              $rho * cos( $phi   ) );
  96. }
  97.  
  98. sub spherical_to_cylindrical {
  99.     my ( $x, $y, $z ) = spherical_to_cartesian( @_ );
  100.  
  101.     return ( sqrt( $x * $x + $y * $y ), $_[1], $z );
  102. }
  103.  
  104. sub cartesian_to_cylindrical {
  105.     my ( $x, $y, $z ) = @_;
  106.  
  107.     return ( sqrt( $x * $x + $y * $y ), atan2( $y, $x ), $z );
  108. }
  109.  
  110. sub cylindrical_to_cartesian {
  111.     my ( $rho, $theta, $z ) = @_;
  112.  
  113.     return ( $rho * cos( $theta ), $rho * sin( $theta ), $z );
  114. }
  115.  
  116. sub cylindrical_to_spherical {
  117.     return ( cartesian_to_spherical( cylindrical_to_cartesian( @_ ) ) );
  118. }
  119.  
  120. sub great_circle_distance {
  121.     my ( $theta0, $phi0, $theta1, $phi1, $rho ) = @_;
  122.  
  123.     $rho = 1 unless defined $rho; # Default to the unit sphere.
  124.  
  125.     my $lat0 = pip2 - $phi0;
  126.     my $lat1 = pip2 - $phi1;
  127.  
  128.     return $rho *
  129.         acos(cos( $lat0 ) * cos( $lat1 ) * cos( $theta0 - $theta1 ) +
  130.              sin( $lat0 ) * sin( $lat1 ) );
  131. }
  132.  
  133. =pod
  134.  
  135. =head1 NAME
  136.  
  137. Math::Trig - trigonometric functions
  138.  
  139. =head1 SYNOPSIS
  140.  
  141.     use Math::Trig;
  142.  
  143.     $x = tan(0.9);
  144.     $y = acos(3.7);
  145.     $z = asin(2.4);
  146.  
  147.     $halfpi = pi/2;
  148.  
  149.     $rad = deg2rad(120);
  150.  
  151. =head1 DESCRIPTION
  152.  
  153. C<Math::Trig> defines many trigonometric functions not defined by the
  154. core Perl which defines only the C<sin()> and C<cos()>.  The constant
  155. B<pi> is also defined as are a few convenience functions for angle
  156. conversions.
  157.  
  158. =head1 TRIGONOMETRIC FUNCTIONS
  159.  
  160. The tangent
  161.  
  162. =over 4
  163.  
  164. =item B<tan>
  165.  
  166. =back
  167.  
  168. The cofunctions of the sine, cosine, and tangent (cosec/csc and cotan/cot
  169. are aliases)
  170.  
  171. B<csc>, B<cosec>, B<sec>, B<sec>, B<cot>, B<cotan>
  172.  
  173. The arcus (also known as the inverse) functions of the sine, cosine,
  174. and tangent
  175.  
  176. B<asin>, B<acos>, B<atan>
  177.  
  178. The principal value of the arc tangent of y/x
  179.  
  180. B<atan2>(y, x)
  181.  
  182. The arcus cofunctions of the sine, cosine, and tangent (acosec/acsc
  183. and acotan/acot are aliases)
  184.  
  185. B<acsc>, B<acosec>, B<asec>, B<acot>, B<acotan>
  186.  
  187. The hyperbolic sine, cosine, and tangent
  188.  
  189. B<sinh>, B<cosh>, B<tanh>
  190.  
  191. The cofunctions of the hyperbolic sine, cosine, and tangent (cosech/csch
  192. and cotanh/coth are aliases)
  193.  
  194. B<csch>, B<cosech>, B<sech>, B<coth>, B<cotanh>
  195.  
  196. The arcus (also known as the inverse) functions of the hyperbolic
  197. sine, cosine, and tangent
  198.  
  199. B<asinh>, B<acosh>, B<atanh>
  200.  
  201. The arcus cofunctions of the hyperbolic sine, cosine, and tangent
  202. (acsch/acosech and acoth/acotanh are aliases)
  203.  
  204. B<acsch>, B<acosech>, B<asech>, B<acoth>, B<acotanh>
  205.  
  206. The trigonometric constant B<pi> is also defined.
  207.  
  208. $pi2 = 2 * B<pi>;
  209.  
  210. =head2 ERRORS DUE TO DIVISION BY ZERO
  211.  
  212. The following functions
  213.  
  214.     acoth
  215.     acsc
  216.     acsch
  217.     asec
  218.     asech
  219.     atanh
  220.     cot
  221.     coth
  222.     csc
  223.     csch
  224.     sec
  225.     sech
  226.     tan
  227.     tanh
  228.  
  229. cannot be computed for all arguments because that would mean dividing
  230. by zero or taking logarithm of zero. These situations cause fatal
  231. runtime errors looking like this
  232.  
  233.     cot(0): Division by zero.
  234.     (Because in the definition of cot(0), the divisor sin(0) is 0)
  235.     Died at ...
  236.  
  237. or
  238.  
  239.     atanh(-1): Logarithm of zero.
  240.     Died at...
  241.  
  242. For the C<csc>, C<cot>, C<asec>, C<acsc>, C<acot>, C<csch>, C<coth>,
  243. C<asech>, C<acsch>, the argument cannot be C<0> (zero).  For the
  244. C<atanh>, C<acoth>, the argument cannot be C<1> (one).  For the
  245. C<atanh>, C<acoth>, the argument cannot be C<-1> (minus one).  For the
  246. C<tan>, C<sec>, C<tanh>, C<sech>, the argument cannot be I<pi/2 + k *
  247. pi>, where I<k> is any integer.
  248.  
  249. =head2 SIMPLE (REAL) ARGUMENTS, COMPLEX RESULTS
  250.  
  251. Please note that some of the trigonometric functions can break out
  252. from the B<real axis> into the B<complex plane>. For example
  253. C<asin(2)> has no definition for plain real numbers but it has
  254. definition for complex numbers.
  255.  
  256. In Perl terms this means that supplying the usual Perl numbers (also
  257. known as scalars, please see L<perldata>) as input for the
  258. trigonometric functions might produce as output results that no more
  259. are simple real numbers: instead they are complex numbers.
  260.  
  261. The C<Math::Trig> handles this by using the C<Math::Complex> package
  262. which knows how to handle complex numbers, please see L<Math::Complex>
  263. for more information. In practice you need not to worry about getting
  264. complex numbers as results because the C<Math::Complex> takes care of
  265. details like for example how to display complex numbers. For example:
  266.  
  267.     print asin(2), "\n";
  268.  
  269. should produce something like this (take or leave few last decimals):
  270.  
  271.     1.5707963267949-1.31695789692482i
  272.  
  273. That is, a complex number with the real part of approximately C<1.571>
  274. and the imaginary part of approximately C<-1.317>.
  275.  
  276. =head1 PLANE ANGLE CONVERSIONS
  277.  
  278. (Plane, 2-dimensional) angles may be converted with the following functions.
  279.  
  280.     $radians  = deg2rad($degrees);
  281.     $radians  = grad2rad($gradians);
  282.  
  283.     $degrees  = rad2deg($radians);
  284.     $degrees  = grad2deg($gradians);
  285.  
  286.     $gradians = deg2grad($degrees);
  287.     $gradians = rad2grad($radians);
  288.  
  289. The full circle is 2 I<pi> radians or I<360> degrees or I<400> gradians.
  290. The result is by default wrapped to be inside the [0, {2pi,360,400}[ circle.
  291. If you don't want this, supply a true second argument:
  292.  
  293.     $zillions_of_radians  = deg2rad($zillions_of_degrees, 1);
  294.     $negative_degrees     = rad2deg($negative_radians, 1);
  295.  
  296. You can also do the wrapping explicitly by rad2rad(), deg2deg(), and
  297. grad2grad().
  298.  
  299. =head1 RADIAL COORDINATE CONVERSIONS
  300.  
  301. B<Radial coordinate systems> are the B<spherical> and the B<cylindrical>
  302. systems, explained shortly in more detail.
  303.  
  304. You can import radial coordinate conversion functions by using the
  305. C<:radial> tag:
  306.  
  307.     use Math::Trig ':radial';
  308.  
  309.     ($rho, $theta, $z)     = cartesian_to_cylindrical($x, $y, $z);
  310.     ($rho, $theta, $phi)   = cartesian_to_spherical($x, $y, $z);
  311.     ($x, $y, $z)           = cylindrical_to_cartesian($rho, $theta, $z);
  312.     ($rho_s, $theta, $phi) = cylindrical_to_spherical($rho_c, $theta, $z);
  313.     ($x, $y, $z)           = spherical_to_cartesian($rho, $theta, $phi);
  314.     ($rho_c, $theta, $z)   = spherical_to_cylindrical($rho_s, $theta, $phi);
  315.  
  316. B<All angles are in radians>.
  317.  
  318. =head2 COORDINATE SYSTEMS
  319.  
  320. B<Cartesian> coordinates are the usual rectangular I<(x, y,
  321. z)>-coordinates.
  322.  
  323. Spherical coordinates, I<(rho, theta, pi)>, are three-dimensional
  324. coordinates which define a point in three-dimensional space.  They are
  325. based on a sphere surface.  The radius of the sphere is B<rho>, also
  326. known as the I<radial> coordinate.  The angle in the I<xy>-plane
  327. (around the I<z>-axis) is B<theta>, also known as the I<azimuthal>
  328. coordinate.  The angle from the I<z>-axis is B<phi>, also known as the
  329. I<polar> coordinate.  The `North Pole' is therefore I<0, 0, rho>, and
  330. the `Bay of Guinea' (think of the missing big chunk of Africa) I<0,
  331. pi/2, rho>.  In geographical terms I<phi> is latitude (northward
  332. positive, southward negative) and I<theta> is longitude (eastward
  333. positive, westward negative).
  334.  
  335. B<BEWARE>: some texts define I<theta> and I<phi> the other way round,
  336. some texts define the I<phi> to start from the horizontal plane, some
  337. texts use I<r> in place of I<rho>.
  338.  
  339. Cylindrical coordinates, I<(rho, theta, z)>, are three-dimensional
  340. coordinates which define a point in three-dimensional space.  They are
  341. based on a cylinder surface.  The radius of the cylinder is B<rho>,
  342. also known as the I<radial> coordinate.  The angle in the I<xy>-plane
  343. (around the I<z>-axis) is B<theta>, also known as the I<azimuthal>
  344. coordinate.  The third coordinate is the I<z>, pointing up from the
  345. B<theta>-plane.
  346.  
  347. =head2 3-D ANGLE CONVERSIONS
  348.  
  349. Conversions to and from spherical and cylindrical coordinates are
  350. available.  Please notice that the conversions are not necessarily
  351. reversible because of the equalities like I<pi> angles being equal to
  352. I<-pi> angles.
  353.  
  354. =over 4
  355.  
  356. =item cartesian_to_cylindrical
  357.  
  358.         ($rho, $theta, $z) = cartesian_to_cylindrical($x, $y, $z);
  359.  
  360. =item cartesian_to_spherical
  361.  
  362.         ($rho, $theta, $phi) = cartesian_to_spherical($x, $y, $z);
  363.  
  364. =item cylindrical_to_cartesian
  365.  
  366.         ($x, $y, $z) = cylindrical_to_cartesian($rho, $theta, $z);
  367.  
  368. =item cylindrical_to_spherical
  369.  
  370.         ($rho_s, $theta, $phi) = cylindrical_to_spherical($rho_c, $theta, $z);
  371.  
  372. Notice that when C<$z> is not 0 C<$rho_s> is not equal to C<$rho_c>.
  373.  
  374. =item spherical_to_cartesian
  375.  
  376.         ($x, $y, $z) = spherical_to_cartesian($rho, $theta, $phi);
  377.  
  378. =item spherical_to_cylindrical
  379.  
  380.         ($rho_c, $theta, $z) = spherical_to_cylindrical($rho_s, $theta, $phi);
  381.  
  382. Notice that when C<$z> is not 0 C<$rho_c> is not equal to C<$rho_s>.
  383.  
  384. =back
  385.  
  386. =head1 GREAT CIRCLE DISTANCES
  387.  
  388. You can compute spherical distances, called B<great circle distances>,
  389. by importing the C<great_circle_distance> function:
  390.  
  391.     use Math::Trig 'great_circle_distance'
  392.  
  393.   $distance = great_circle_distance($theta0, $phi0, $theta1, $phi1, [, $rho]);
  394.  
  395. The I<great circle distance> is the shortest distance between two
  396. points on a sphere.  The distance is in C<$rho> units.  The C<$rho> is
  397. optional, it defaults to 1 (the unit sphere), therefore the distance
  398. defaults to radians.
  399.  
  400. If you think geographically the I<theta> are longitudes: zero at the
  401. Greenwhich meridian, eastward positive, westward negative--and the
  402. I<phi> are latitudes: zero at the North Pole, northward positive,
  403. southward negative.  B<NOTE>: this formula thinks in mathematics, not
  404. geographically: the I<phi> zero is at the North Pole, not at the
  405. Equator on the west coast of Africa (Bay of Guinea).  You need to
  406. subtract your geographical coordinates from I<pi/2> (also known as 90
  407. degrees).
  408.  
  409.   $distance = great_circle_distance($lon0, pi/2 - $lat0,
  410.                                     $lon1, pi/2 - $lat1, $rho);
  411.  
  412. =head1 EXAMPLES
  413.  
  414. To calculate the distance between London (51.3N 0.5W) and Tokyo (35.7N
  415. 139.8E) in kilometers:
  416.  
  417.         use Math::Trig qw(great_circle_distance deg2rad);
  418.  
  419.         # Notice the 90 - latitude: phi zero is at the North Pole.
  420.     @L = (deg2rad(-0.5), deg2rad(90 - 51.3));
  421.         @T = (deg2rad(139.8),deg2rad(90 - 35.7));
  422.  
  423.         $km = great_circle_distance(@L, @T, 6378);
  424.  
  425. The answer may be off by few percentages because of the irregular
  426. (slightly aspherical) form of the Earth.  The used formula
  427.  
  428.     lat0 = 90 degrees - phi0
  429.     lat1 = 90 degrees - phi1
  430.     d = R * arccos(cos(lat0) * cos(lat1) * cos(lon1 - lon01) +
  431.                        sin(lat0) * sin(lat1))
  432.  
  433. is also somewhat unreliable for small distances (for locations
  434. separated less than about five degrees) because it uses arc cosine
  435. which is rather ill-conditioned for values close to zero.
  436.  
  437. =head1 BUGS
  438.  
  439. Saying C<use Math::Trig;> exports many mathematical routines in the
  440. caller environment and even overrides some (C<sin>, C<cos>).  This is
  441. construed as a feature by the Authors, actually... ;-)
  442.  
  443. The code is not optimized for speed, especially because we use
  444. C<Math::Complex> and thus go quite near complex numbers while doing
  445. the computations even when the arguments are not. This, however,
  446. cannot be completely avoided if we want things like C<asin(2)> to give
  447. an answer instead of giving a fatal runtime error.
  448.  
  449. =head1 AUTHORS
  450.  
  451. Jarkko Hietaniemi <F<jhi@iki.fi>> and 
  452. Raphael Manfredi <F<Raphael_Manfredi@pobox.com>>.
  453.  
  454. =cut
  455.  
  456. # eof
  457.