home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ PC World 2005 December (Special) / PCWorld_2005-12_Special_cd.bin / Bezpecnost / lsti / lsti.exe / framework-2.5.exe / Trig.pm < prev    next >
Text File  |  2005-01-27  |  14KB  |  503 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 5.006;
  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. $VERSION = 1.02;
  20.  
  21. my @angcnv = qw(rad2deg rad2grad
  22.         deg2rad deg2grad
  23.         grad2rad grad2deg);
  24.  
  25. @EXPORT = (@{$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', 'great_circle_direction');
  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. sub great_circle_direction {
  134.     my ( $theta0, $phi0, $theta1, $phi1 ) = @_;
  135.  
  136.     my $distance = &great_circle_distance;
  137.  
  138.     my $lat0 = pip2 - $phi0;
  139.     my $lat1 = pip2 - $phi1;
  140.  
  141.     my $direction =
  142.     acos((sin($lat1) - sin($lat0) * cos($distance)) /
  143.          (cos($lat0) * sin($distance)));
  144.  
  145.     $direction = pi2 - $direction
  146.     if sin($theta1 - $theta0) < 0;
  147.  
  148.     return rad2rad($direction);
  149. }
  150.  
  151. 1;
  152.  
  153. __END__
  154. =pod
  155.  
  156. =head1 NAME
  157.  
  158. Math::Trig - trigonometric functions
  159.  
  160. =head1 SYNOPSIS
  161.  
  162.     use Math::Trig;
  163.  
  164.     $x = tan(0.9);
  165.     $y = acos(3.7);
  166.     $z = asin(2.4);
  167.  
  168.     $halfpi = pi/2;
  169.  
  170.     $rad = deg2rad(120);
  171.  
  172. =head1 DESCRIPTION
  173.  
  174. C<Math::Trig> defines many trigonometric functions not defined by the
  175. core Perl which defines only the C<sin()> and C<cos()>.  The constant
  176. B<pi> is also defined as are a few convenience functions for angle
  177. conversions.
  178.  
  179. =head1 TRIGONOMETRIC FUNCTIONS
  180.  
  181. The tangent
  182.  
  183. =over 4
  184.  
  185. =item B<tan>
  186.  
  187. =back
  188.  
  189. The cofunctions of the sine, cosine, and tangent (cosec/csc and cotan/cot
  190. are aliases)
  191.  
  192. B<csc>, B<cosec>, B<sec>, B<sec>, B<cot>, B<cotan>
  193.  
  194. The arcus (also known as the inverse) functions of the sine, cosine,
  195. and tangent
  196.  
  197. B<asin>, B<acos>, B<atan>
  198.  
  199. The principal value of the arc tangent of y/x
  200.  
  201. B<atan2>(y, x)
  202.  
  203. The arcus cofunctions of the sine, cosine, and tangent (acosec/acsc
  204. and acotan/acot are aliases)
  205.  
  206. B<acsc>, B<acosec>, B<asec>, B<acot>, B<acotan>
  207.  
  208. The hyperbolic sine, cosine, and tangent
  209.  
  210. B<sinh>, B<cosh>, B<tanh>
  211.  
  212. The cofunctions of the hyperbolic sine, cosine, and tangent (cosech/csch
  213. and cotanh/coth are aliases)
  214.  
  215. B<csch>, B<cosech>, B<sech>, B<coth>, B<cotanh>
  216.  
  217. The arcus (also known as the inverse) functions of the hyperbolic
  218. sine, cosine, and tangent
  219.  
  220. B<asinh>, B<acosh>, B<atanh>
  221.  
  222. The arcus cofunctions of the hyperbolic sine, cosine, and tangent
  223. (acsch/acosech and acoth/acotanh are aliases)
  224.  
  225. B<acsch>, B<acosech>, B<asech>, B<acoth>, B<acotanh>
  226.  
  227. The trigonometric constant B<pi> is also defined.
  228.  
  229. $pi2 = 2 * B<pi>;
  230.  
  231. =head2 ERRORS DUE TO DIVISION BY ZERO
  232.  
  233. The following functions
  234.  
  235.     acoth
  236.     acsc
  237.     acsch
  238.     asec
  239.     asech
  240.     atanh
  241.     cot
  242.     coth
  243.     csc
  244.     csch
  245.     sec
  246.     sech
  247.     tan
  248.     tanh
  249.  
  250. cannot be computed for all arguments because that would mean dividing
  251. by zero or taking logarithm of zero. These situations cause fatal
  252. runtime errors looking like this
  253.  
  254.     cot(0): Division by zero.
  255.     (Because in the definition of cot(0), the divisor sin(0) is 0)
  256.     Died at ...
  257.  
  258. or
  259.  
  260.     atanh(-1): Logarithm of zero.
  261.     Died at...
  262.  
  263. For the C<csc>, C<cot>, C<asec>, C<acsc>, C<acot>, C<csch>, C<coth>,
  264. C<asech>, C<acsch>, the argument cannot be C<0> (zero).  For the
  265. C<atanh>, C<acoth>, the argument cannot be C<1> (one).  For the
  266. C<atanh>, C<acoth>, the argument cannot be C<-1> (minus one).  For the
  267. C<tan>, C<sec>, C<tanh>, C<sech>, the argument cannot be I<pi/2 + k *
  268. pi>, where I<k> is any integer.
  269.  
  270. =head2 SIMPLE (REAL) ARGUMENTS, COMPLEX RESULTS
  271.  
  272. Please note that some of the trigonometric functions can break out
  273. from the B<real axis> into the B<complex plane>. For example
  274. C<asin(2)> has no definition for plain real numbers but it has
  275. definition for complex numbers.
  276.  
  277. In Perl terms this means that supplying the usual Perl numbers (also
  278. known as scalars, please see L<perldata>) as input for the
  279. trigonometric functions might produce as output results that no more
  280. are simple real numbers: instead they are complex numbers.
  281.  
  282. The C<Math::Trig> handles this by using the C<Math::Complex> package
  283. which knows how to handle complex numbers, please see L<Math::Complex>
  284. for more information. In practice you need not to worry about getting
  285. complex numbers as results because the C<Math::Complex> takes care of
  286. details like for example how to display complex numbers. For example:
  287.  
  288.     print asin(2), "\n";
  289.  
  290. should produce something like this (take or leave few last decimals):
  291.  
  292.     1.5707963267949-1.31695789692482i
  293.  
  294. That is, a complex number with the real part of approximately C<1.571>
  295. and the imaginary part of approximately C<-1.317>.
  296.  
  297. =head1 PLANE ANGLE CONVERSIONS
  298.  
  299. (Plane, 2-dimensional) angles may be converted with the following functions.
  300.  
  301.     $radians  = deg2rad($degrees);
  302.     $radians  = grad2rad($gradians);
  303.  
  304.     $degrees  = rad2deg($radians);
  305.     $degrees  = grad2deg($gradians);
  306.  
  307.     $gradians = deg2grad($degrees);
  308.     $gradians = rad2grad($radians);
  309.  
  310. The full circle is 2 I<pi> radians or I<360> degrees or I<400> gradians.
  311. The result is by default wrapped to be inside the [0, {2pi,360,400}[ circle.
  312. If you don't want this, supply a true second argument:
  313.  
  314.     $zillions_of_radians  = deg2rad($zillions_of_degrees, 1);
  315.     $negative_degrees     = rad2deg($negative_radians, 1);
  316.  
  317. You can also do the wrapping explicitly by rad2rad(), deg2deg(), and
  318. grad2grad().
  319.  
  320. =head1 RADIAL COORDINATE CONVERSIONS
  321.  
  322. B<Radial coordinate systems> are the B<spherical> and the B<cylindrical>
  323. systems, explained shortly in more detail.
  324.  
  325. You can import radial coordinate conversion functions by using the
  326. C<:radial> tag:
  327.  
  328.     use Math::Trig ':radial';
  329.  
  330.     ($rho, $theta, $z)     = cartesian_to_cylindrical($x, $y, $z);
  331.     ($rho, $theta, $phi)   = cartesian_to_spherical($x, $y, $z);
  332.     ($x, $y, $z)           = cylindrical_to_cartesian($rho, $theta, $z);
  333.     ($rho_s, $theta, $phi) = cylindrical_to_spherical($rho_c, $theta, $z);
  334.     ($x, $y, $z)           = spherical_to_cartesian($rho, $theta, $phi);
  335.     ($rho_c, $theta, $z)   = spherical_to_cylindrical($rho_s, $theta, $phi);
  336.  
  337. B<All angles are in radians>.
  338.  
  339. =head2 COORDINATE SYSTEMS
  340.  
  341. B<Cartesian> coordinates are the usual rectangular I<(x, y,
  342. z)>-coordinates.
  343.  
  344. Spherical coordinates, I<(rho, theta, pi)>, are three-dimensional
  345. coordinates which define a point in three-dimensional space.  They are
  346. based on a sphere surface.  The radius of the sphere is B<rho>, also
  347. known as the I<radial> coordinate.  The angle in the I<xy>-plane
  348. (around the I<z>-axis) is B<theta>, also known as the I<azimuthal>
  349. coordinate.  The angle from the I<z>-axis is B<phi>, also known as the
  350. I<polar> coordinate.  The `North Pole' is therefore I<0, 0, rho>, and
  351. the `Bay of Guinea' (think of the missing big chunk of Africa) I<0,
  352. pi/2, rho>.  In geographical terms I<phi> is latitude (northward
  353. positive, southward negative) and I<theta> is longitude (eastward
  354. positive, westward negative).
  355.  
  356. B<BEWARE>: some texts define I<theta> and I<phi> the other way round,
  357. some texts define the I<phi> to start from the horizontal plane, some
  358. texts use I<r> in place of I<rho>.
  359.  
  360. Cylindrical coordinates, I<(rho, theta, z)>, are three-dimensional
  361. coordinates which define a point in three-dimensional space.  They are
  362. based on a cylinder surface.  The radius of the cylinder is B<rho>,
  363. also known as the I<radial> coordinate.  The angle in the I<xy>-plane
  364. (around the I<z>-axis) is B<theta>, also known as the I<azimuthal>
  365. coordinate.  The third coordinate is the I<z>, pointing up from the
  366. B<theta>-plane.
  367.  
  368. =head2 3-D ANGLE CONVERSIONS
  369.  
  370. Conversions to and from spherical and cylindrical coordinates are
  371. available.  Please notice that the conversions are not necessarily
  372. reversible because of the equalities like I<pi> angles being equal to
  373. I<-pi> angles.
  374.  
  375. =over 4
  376.  
  377. =item cartesian_to_cylindrical
  378.  
  379.         ($rho, $theta, $z) = cartesian_to_cylindrical($x, $y, $z);
  380.  
  381. =item cartesian_to_spherical
  382.  
  383.         ($rho, $theta, $phi) = cartesian_to_spherical($x, $y, $z);
  384.  
  385. =item cylindrical_to_cartesian
  386.  
  387.         ($x, $y, $z) = cylindrical_to_cartesian($rho, $theta, $z);
  388.  
  389. =item cylindrical_to_spherical
  390.  
  391.         ($rho_s, $theta, $phi) = cylindrical_to_spherical($rho_c, $theta, $z);
  392.  
  393. Notice that when C<$z> is not 0 C<$rho_s> is not equal to C<$rho_c>.
  394.  
  395. =item spherical_to_cartesian
  396.  
  397.         ($x, $y, $z) = spherical_to_cartesian($rho, $theta, $phi);
  398.  
  399. =item spherical_to_cylindrical
  400.  
  401.         ($rho_c, $theta, $z) = spherical_to_cylindrical($rho_s, $theta, $phi);
  402.  
  403. Notice that when C<$z> is not 0 C<$rho_c> is not equal to C<$rho_s>.
  404.  
  405. =back
  406.  
  407. =head1 GREAT CIRCLE DISTANCES AND DIRECTIONS
  408.  
  409. You can compute spherical distances, called B<great circle distances>,
  410. by importing the great_circle_distance() function:
  411.  
  412.   use Math::Trig 'great_circle_distance';
  413.  
  414.   $distance = great_circle_distance($theta0, $phi0, $theta1, $phi1, [, $rho]);
  415.  
  416. The I<great circle distance> is the shortest distance between two
  417. points on a sphere.  The distance is in C<$rho> units.  The C<$rho> is
  418. optional, it defaults to 1 (the unit sphere), therefore the distance
  419. defaults to radians.
  420.  
  421. If you think geographically the I<theta> are longitudes: zero at the
  422. Greenwhich meridian, eastward positive, westward negative--and the
  423. I<phi> are latitudes: zero at the North Pole, northward positive,
  424. southward negative.  B<NOTE>: this formula thinks in mathematics, not
  425. geographically: the I<phi> zero is at the North Pole, not at the
  426. Equator on the west coast of Africa (Bay of Guinea).  You need to
  427. subtract your geographical coordinates from I<pi/2> (also known as 90
  428. degrees).
  429.  
  430.   $distance = great_circle_distance($lon0, pi/2 - $lat0,
  431.                                     $lon1, pi/2 - $lat1, $rho);
  432.  
  433. The direction you must follow the great circle can be computed by the
  434. great_circle_direction() function:
  435.  
  436.   use Math::Trig 'great_circle_direction';
  437.  
  438.   $direction = great_circle_direction($theta0, $phi0, $theta1, $phi1);
  439.  
  440. The result is in radians, zero indicating straight north, pi or -pi
  441. straight south, pi/2 straight west, and -pi/2 straight east.
  442.  
  443. Notice that the resulting directions might be somewhat surprising if
  444. you are looking at a flat worldmap: in such map projections the great
  445. circles quite often do not look like the shortest routes-- but for
  446. example the shortest possible routes from Europe or North America to
  447. Asia do often cross the polar regions.
  448.  
  449. =head1 EXAMPLES
  450.  
  451. To calculate the distance between London (51.3N 0.5W) and Tokyo
  452. (35.7N 139.8E) in kilometers:
  453.  
  454.         use Math::Trig qw(great_circle_distance deg2rad);
  455.  
  456.         # Notice the 90 - latitude: phi zero is at the North Pole.
  457.     @L = (deg2rad(-0.5), deg2rad(90 - 51.3));
  458.         @T = (deg2rad(139.8),deg2rad(90 - 35.7));
  459.  
  460.         $km = great_circle_distance(@L, @T, 6378);
  461.  
  462. The direction you would have to go from London to Tokyo
  463.  
  464.         use Math::Trig qw(great_circle_direction);
  465.  
  466.         $rad = great_circle_direction(@L, @T);
  467.  
  468. =head2 CAVEAT FOR GREAT CIRCLE FORMULAS
  469.  
  470. The answers may be off by few percentages because of the irregular
  471. (slightly aspherical) form of the Earth.  The formula used for
  472. grear circle distances
  473.  
  474.     lat0 = 90 degrees - phi0
  475.     lat1 = 90 degrees - phi1
  476.     d = R * arccos(cos(lat0) * cos(lat1) * cos(lon1 - lon01) +
  477.                        sin(lat0) * sin(lat1))
  478.  
  479. is also somewhat unreliable for small distances (for locations
  480. separated less than about five degrees) because it uses arc cosine
  481. which is rather ill-conditioned for values close to zero.
  482.  
  483. =head1 BUGS
  484.  
  485. Saying C<use Math::Trig;> exports many mathematical routines in the
  486. caller environment and even overrides some (C<sin>, C<cos>).  This is
  487. construed as a feature by the Authors, actually... ;-)
  488.  
  489. The code is not optimized for speed, especially because we use
  490. C<Math::Complex> and thus go quite near complex numbers while doing
  491. the computations even when the arguments are not. This, however,
  492. cannot be completely avoided if we want things like C<asin(2)> to give
  493. an answer instead of giving a fatal runtime error.
  494.  
  495. =head1 AUTHORS
  496.  
  497. Jarkko Hietaniemi <F<jhi@iki.fi>> and 
  498. Raphael Manfredi <F<Raphael_Manfredi@pobox.com>>.
  499.  
  500. =cut
  501.  
  502. # eof
  503.