home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ IRIX Base Documentation 2002 November / SGI IRIX Base Documentation 2002 November.iso / usr / share / catman / p_man / cat3 / perl5 / Math::Complex.z / Math::Complex
Encoding:
Text File  |  2002-10-03  |  20.0 KB  |  595 lines

  1.  
  2.  
  3.  
  4. MMMMaaaatttthhhh::::::::CCCCoooommmmpppplllleeeexxxx((((3333))))                                              MMMMaaaatttthhhh::::::::CCCCoooommmmpppplllleeeexxxx((((3333))))
  5.  
  6.  
  7.  
  8. NNNNAAAAMMMMEEEE
  9.      Math::Complex - complex numbers and associated mathematical functions
  10.  
  11. SSSSYYYYNNNNOOOOPPPPSSSSIIIISSSS
  12.              use Math::Complex;
  13.  
  14.              $z = Math::Complex->make(5, 6);
  15.              $t = 4 - 3*i + $z;
  16.              $j = cplxe(1, 2*pi/3);
  17.  
  18.  
  19. DDDDEEEESSSSCCCCRRRRIIIIPPPPTTTTIIIIOOOONNNN
  20.      This package lets you create and manipulate complex numbers. By default,
  21.      _P_e_r_l limits itself to real numbers, but an extra use statement brings
  22.      full complex support, along with a full set of mathematical functions
  23.      typically associated with and/or extended to complex numbers.
  24.  
  25.      If you wonder what complex numbers are, they were invented to be able to
  26.      solve the following equation:
  27.  
  28.              x*x = -1
  29.  
  30.      and by definition, the solution is noted _i (engineers use _j instead since
  31.      _i usually denotes an intensity, but the name does not matter). The number
  32.      _i is a pure _i_m_a_g_i_n_a_r_y number.
  33.  
  34.      The arithmetics with pure imaginary numbers works just like you would
  35.      expect it with real numbers... you just have to remember that
  36.  
  37.              i*i = -1
  38.  
  39.      so you have:
  40.  
  41.              5i + 7i = i * (5 + 7) = 12i
  42.              4i - 3i = i * (4 - 3) = i
  43.              4i * 2i = -8
  44.              6i / 2i = 3
  45.              1 / i = -i
  46.  
  47.      Complex numbers are numbers that have both a real part and an imaginary
  48.      part, and are usually noted:
  49.  
  50.              a + bi
  51.  
  52.      where a is the _r_e_a_l part and b is the _i_m_a_g_i_n_a_r_y part. The arithmetic with
  53.      complex numbers is straightforward. You have to keep track of the real
  54.      and the imaginary parts, but otherwise the rules used for real numbers
  55.      just apply:
  56.  
  57.              (4 + 3i) + (5 - 2i) = (4 + 5) + i(3 - 2) = 9 + i
  58.              (2 + i) * (4 - i) = 2*4 + 4i -2i -i*i = 8 + 2i + 1 = 9 + 2i
  59.  
  60.  
  61.  
  62.  
  63.                                                                         PPPPaaaaggggeeee 1111
  64.  
  65.  
  66.  
  67.  
  68.  
  69.  
  70. MMMMaaaatttthhhh::::::::CCCCoooommmmpppplllleeeexxxx((((3333))))                                              MMMMaaaatttthhhh::::::::CCCCoooommmmpppplllleeeexxxx((((3333))))
  71.  
  72.  
  73.  
  74.      A graphical representation of complex numbers is possible in a plane
  75.      (also called the _c_o_m_p_l_e_x _p_l_a_n_e, but it's really a 2D plane).  The number
  76.  
  77.              z = a + bi
  78.  
  79.      is the point whose coordinates are (a, b). Actually, it would be the
  80.      vector originating from (0, 0) to (a, b). It follows that the addition of
  81.      two complex numbers is a vectorial addition.
  82.  
  83.      Since there is a bijection between a point in the 2D plane and a complex
  84.      number (i.e. the mapping is unique and reciprocal), a complex number can
  85.      also be uniquely identified with polar coordinates:
  86.  
  87.              [rho, theta]
  88.  
  89.      where rho is the distance to the origin, and theta the angle between the
  90.      vector and the _x axis. There is a notation for this using the exponential
  91.      form, which is:
  92.  
  93.              rho * exp(i * theta)
  94.  
  95.      where _i is the famous imaginary number introduced above. Conversion
  96.      between this form and the cartesian form a + bi is immediate:
  97.  
  98.              a = rho * cos(theta)
  99.              b = rho * sin(theta)
  100.  
  101.      which is also expressed by this formula:
  102.  
  103.              z = rho * exp(i * theta) = rho * (cos theta + i * sin theta)
  104.  
  105.      In other words, it's the projection of the vector onto the _x and _y axes.
  106.      Mathematicians call _r_h_o the _n_o_r_m or _m_o_d_u_l_u_s and _t_h_e_t_a the _a_r_g_u_m_e_n_t of the
  107.      complex number. The _n_o_r_m of z will be noted abs(z).
  108.  
  109.      The polar notation (also known as the trigonometric representation) is
  110.      much more handy for performing multiplications and divisions of complex
  111.      numbers, whilst the cartesian notation is better suited for additions and
  112.      subtractions. Real numbers are on the _x axis, and therefore _t_h_e_t_a is zero
  113.      or _p_i.
  114.  
  115.      All the common operations that can be performed on a real number have
  116.      been defined to work on complex numbers as well, and are merely
  117.      _e_x_t_e_n_s_i_o_n_s of the operations defined on real numbers. This means they
  118.      keep their natural meaning when there is no imaginary part, provided the
  119.      number is within their definition set.
  120.  
  121.      For instance, the sqrt routine which computes the square root of its
  122.      argument is only defined for non-negative real numbers and yields a non-
  123.      negative real number (it is an application from RRRR++++ to RRRR++++).  If we allow
  124.      it to return a complex number, then it can be extended to negative real
  125.      numbers to become an application from RRRR to CCCC (the set of complex
  126.  
  127.  
  128.  
  129.                                                                         PPPPaaaaggggeeee 2222
  130.  
  131.  
  132.  
  133.  
  134.  
  135.  
  136. MMMMaaaatttthhhh::::::::CCCCoooommmmpppplllleeeexxxx((((3333))))                                              MMMMaaaatttthhhh::::::::CCCCoooommmmpppplllleeeexxxx((((3333))))
  137.  
  138.  
  139.  
  140.      numbers):
  141.  
  142.              sqrt(x) = x >= 0 ? sqrt(x) : sqrt(-x)*i
  143.  
  144.      It can also be extended to be an application from CCCC to CCCC, whilst its
  145.      restriction to RRRR behaves as defined above by using the following
  146.      definition:
  147.  
  148.              sqrt(z = [r,t]) = sqrt(r) * exp(i * t/2)
  149.  
  150.      Indeed, a negative real number can be noted [x,pi] (the modulus _x is
  151.      always non-negative, so [x,pi] is really -x, a negative number) and the
  152.      above definition states that
  153.  
  154.              sqrt([x,pi]) = sqrt(x) * exp(i*pi/2) = [sqrt(x),pi/2] = sqrt(x)*i
  155.  
  156.      which is exactly what we had defined for negative real numbers above.
  157.      The sqrt returns only one of the solutions: if you want the both, use the
  158.      root function.
  159.  
  160.      All the common mathematical functions defined on real numbers that are
  161.      extended to complex numbers share that same property of working _a_s _u_s_u_a_l
  162.      when the imaginary part is zero (otherwise, it would not be called an
  163.      extension, would it?).
  164.  
  165.      A _n_e_w operation possible on a complex number that is the identity for
  166.      real numbers is called the _c_o_n_j_u_g_a_t_e, and is noted with an horizontal bar
  167.      above the number, or ~z here.
  168.  
  169.               z = a + bi
  170.              ~z = a - bi
  171.  
  172.      Simple... Now look:
  173.  
  174.              z * ~z = (a + bi) * (a - bi) = a*a + b*b
  175.  
  176.      We saw that the norm of z was noted abs(z) and was defined as the
  177.      distance to the origin, also known as:
  178.  
  179.              rho = abs(z) = sqrt(a*a + b*b)
  180.  
  181.      so
  182.  
  183.              z * ~z = abs(z) ** 2
  184.  
  185.      If z is a pure real number (i.e. b == 0), then the above yields:
  186.  
  187.              a * a = abs(a) ** 2
  188.  
  189.      which is true (abs has the regular meaning for real number, i.e. stands
  190.      for the absolute value). This example explains why the norm of z is noted
  191.      abs(z): it extends the abs function to complex numbers, yet is the
  192.  
  193.  
  194.  
  195.                                                                         PPPPaaaaggggeeee 3333
  196.  
  197.  
  198.  
  199.  
  200.  
  201.  
  202. MMMMaaaatttthhhh::::::::CCCCoooommmmpppplllleeeexxxx((((3333))))                                              MMMMaaaatttthhhh::::::::CCCCoooommmmpppplllleeeexxxx((((3333))))
  203.  
  204.  
  205.  
  206.      regular abs we know when the complex number actually has no imaginary
  207.      part... This justifies _a _p_o_s_t_e_r_i_o_r_i our use of the abs notation for the
  208.      norm.
  209.  
  210. OOOOPPPPEEEERRRRAAAATTTTIIIIOOOONNNNSSSS
  211.      Given the following notations:
  212.  
  213.              z1 = a + bi = r1 * exp(i * t1)
  214.              z2 = c + di = r2 * exp(i * t2)
  215.              z = <any complex or real number>
  216.  
  217.      the following (overloaded) operations are supported on complex numbers:
  218.  
  219.              z1 + z2 = (a + c) + i(b + d)
  220.              z1 - z2 = (a - c) + i(b - d)
  221.              z1 * z2 = (r1 * r2) * exp(i * (t1 + t2))
  222.              z1 / z2 = (r1 / r2) * exp(i * (t1 - t2))
  223.              z1 ** z2 = exp(z2 * log z1)
  224.              ~z = a - bi
  225.              abs(z) = r1 = sqrt(a*a + b*b)
  226.              sqrt(z) = sqrt(r1) * exp(i * t/2)
  227.              exp(z) = exp(a) * exp(i * b)
  228.              log(z) = log(r1) + i*t
  229.              sin(z) = 1/2i (exp(i * z1) - exp(-i * z))
  230.              cos(z) = 1/2 (exp(i * z1) + exp(-i * z))
  231.              atan2(z1, z2) = atan(z1/z2)
  232.  
  233.      The following extra operations are supported on both real and complex
  234.      numbers:
  235.  
  236.              Re(z) = a
  237.              Im(z) = b
  238.              arg(z) = t
  239.              abs(z) = r
  240.  
  241.              cbrt(z) = z ** (1/3)
  242.              log10(z) = log(z) / log(10)
  243.              logn(z, n) = log(z) / log(n)
  244.  
  245.              tan(z) = sin(z) / cos(z)
  246.  
  247.              csc(z) = 1 / sin(z)
  248.              sec(z) = 1 / cos(z)
  249.              cot(z) = 1 / tan(z)
  250.  
  251.              asin(z) = -i * log(i*z + sqrt(1-z*z))
  252.              acos(z) = -i * log(z + i*sqrt(1-z*z))
  253.              atan(z) = i/2 * log((i+z) / (i-z))
  254.  
  255.              acsc(z) = asin(1 / z)
  256.              asec(z) = acos(1 / z)
  257.              acot(z) = atan(1 / z) = -i/2 * log((i+z) / (z-i))
  258.  
  259.  
  260.  
  261.                                                                         PPPPaaaaggggeeee 4444
  262.  
  263.  
  264.  
  265.  
  266.  
  267.  
  268. MMMMaaaatttthhhh::::::::CCCCoooommmmpppplllleeeexxxx((((3333))))                                              MMMMaaaatttthhhh::::::::CCCCoooommmmpppplllleeeexxxx((((3333))))
  269.  
  270.  
  271.  
  272.              sinh(z) = 1/2 (exp(z) - exp(-z))
  273.              cosh(z) = 1/2 (exp(z) + exp(-z))
  274.              tanh(z) = sinh(z) / cosh(z) = (exp(z) - exp(-z)) / (exp(z) + exp(-z))
  275.  
  276.              csch(z) = 1 / sinh(z)
  277.              sech(z) = 1 / cosh(z)
  278.              coth(z) = 1 / tanh(z)
  279.  
  280.              asinh(z) = log(z + sqrt(z*z+1))
  281.              acosh(z) = log(z + sqrt(z*z-1))
  282.              atanh(z) = 1/2 * log((1+z) / (1-z))
  283.  
  284.              acsch(z) = asinh(1 / z)
  285.              asech(z) = acosh(1 / z)
  286.              acoth(z) = atanh(1 / z) = 1/2 * log((1+z) / (z-1))
  287.  
  288.      _a_r_g, _a_b_s, _l_o_g, _c_s_c, _c_o_t, _a_c_s_c, _a_c_o_t, _c_s_c_h, _c_o_t_h, _a_c_o_s_e_c_h, _a_c_o_t_a_n_h, have
  289.      aliases _r_h_o, _t_h_e_t_a, _l_n, _c_o_s_e_c, _c_o_t_a_n, _a_c_o_s_e_c, _a_c_o_t_a_n, _c_o_s_e_c_h, _c_o_t_a_n_h,
  290.      _a_c_o_s_e_c_h, _a_c_o_t_a_n_h, respectively.  Re, Im, arg, abs, rho, and theta can be
  291.      used also also mutators.  The cbrt returns only one of the solutions: if
  292.      you want all three, use the root function.
  293.  
  294.      The _r_o_o_t function is available to compute all the _n roots of some
  295.      complex, where _n is a strictly positive integer.  There are exactly _n
  296.      such roots, returned as a list. Getting the number mathematicians call j
  297.      such that:
  298.  
  299.              1 + j + j*j = 0;
  300.  
  301.      is a simple matter of writing:
  302.  
  303.              $j = ((root(1, 3))[1];
  304.  
  305.      The _kth root for z = [r,t] is given by:
  306.  
  307.              (root(z, n))[k] = r**(1/n) * exp(i * (t + 2*k*pi)/n)
  308.  
  309.      The _s_p_a_c_e_s_h_i_p comparison operator, <=>, is also defined. In order to
  310.      ensure its restriction to real numbers is conform to what you would
  311.      expect, the comparison is run on the real part of the complex number
  312.      first, and imaginary parts are compared only when the real parts match.
  313.  
  314. CCCCRRRREEEEAAAATTTTIIIIOOOONNNN
  315.      To create a complex number, use either:
  316.  
  317.              $z = Math::Complex->make(3, 4);
  318.              $z = cplx(3, 4);
  319.  
  320.      if you know the cartesian form of the number, or
  321.  
  322.  
  323.  
  324.  
  325.  
  326.  
  327.                                                                         PPPPaaaaggggeeee 5555
  328.  
  329.  
  330.  
  331.  
  332.  
  333.  
  334. MMMMaaaatttthhhh::::::::CCCCoooommmmpppplllleeeexxxx((((3333))))                                              MMMMaaaatttthhhh::::::::CCCCoooommmmpppplllleeeexxxx((((3333))))
  335.  
  336.  
  337.  
  338.              $z = 3 + 4*i;
  339.  
  340.      if you like. To create a number using the polar form, use either:
  341.  
  342.              $z = Math::Complex->emake(5, pi/3);
  343.              $x = cplxe(5, pi/3);
  344.  
  345.      instead. The first argument is the modulus, the second is the angle (in
  346.      radians, the full circle is 2*pi).  (Mnemonic: e is used as a notation
  347.      for complex numbers in the polar form).
  348.  
  349.      It is possible to write:
  350.  
  351.              $x = cplxe(-3, pi/4);
  352.  
  353.      but that will be silently converted into [3,-3pi/4], since the modulus
  354.      must be non-negative (it represents the distance to the origin in the
  355.      complex plane).
  356.  
  357.      It is also possible to have a complex number as either argument of either
  358.      the make or emake: the appropriate component of the argument will be
  359.      used.
  360.  
  361.              $z1 = cplx(-2,  1);
  362.              $z2 = cplx($z1, 4);
  363.  
  364.  
  365. SSSSTTTTRRRRIIIINNNNGGGGIIIIFFFFIIIICCCCAAAATTTTIIIIOOOONNNN
  366.      When printed, a complex number is usually shown under its cartesian form
  367.      _a+_b_i, but there are legitimate cases where the polar format [_r,_t] is more
  368.      appropriate.
  369.  
  370.      By calling the routine Math::Complex::display_format and supplying either
  371.      "polar" or "cartesian", you override the default display format, which is
  372.      "cartesian". Not supplying any argument returns the current setting.
  373.  
  374.      This default can be overridden on a per-number basis by calling the
  375.      display_format method instead. As before, not supplying any argument
  376.      returns the current display format for this number. Otherwise whatever
  377.      you specify will be the new display format for _t_h_i_s particular number.
  378.  
  379.      For instance:
  380.  
  381.              use Math::Complex;
  382.  
  383.              Math::Complex::display_format('polar');
  384.              $j = ((root(1, 3))[1];
  385.              print "j = $j\n";               # Prints "j = [1,2pi/3]
  386.              $j->display_format('cartesian');
  387.              print "j = $j\n";               # Prints "j = -0.5+0.866025403784439i"
  388.  
  389.      The polar format attempts to emphasize arguments like _k*_p_i/_n (where _n is
  390.  
  391.  
  392.  
  393.                                                                         PPPPaaaaggggeeee 6666
  394.  
  395.  
  396.  
  397.  
  398.  
  399.  
  400. MMMMaaaatttthhhh::::::::CCCCoooommmmpppplllleeeexxxx((((3333))))                                              MMMMaaaatttthhhh::::::::CCCCoooommmmpppplllleeeexxxx((((3333))))
  401.  
  402.  
  403.  
  404.      a positive integer and _k an integer within [-9,+9]).
  405.  
  406. UUUUSSSSAAAAGGGGEEEE
  407.      Thanks to overloading, the handling of arithmetics with complex numbers
  408.      is simple and almost transparent.
  409.  
  410.      Here are some examples:
  411.  
  412.              use Math::Complex;
  413.  
  414.              $j = cplxe(1, 2*pi/3);  # $j ** 3 == 1
  415.              print "j = $j, j**3 = ", $j ** 3, "\n";
  416.              print "1 + j + j**2 = ", 1 + $j + $j**2, "\n";
  417.  
  418.              $z = -16 + 0*i;                 # Force it to be a complex
  419.              print "sqrt($z) = ", sqrt($z), "\n";
  420.  
  421.              $k = exp(i * 2*pi/3);
  422.              print "$j - $k = ", $j - $k, "\n";
  423.  
  424.              $z->Re(3);                      # Re, Im, arg, abs,
  425.              $j->arg(2);                     # (the last two aka rho, theta)
  426.                                              # can be used also as mutators.
  427.  
  428.  
  429. EEEERRRRRRRROOOORRRRSSSS DDDDUUUUEEEE TTTTOOOO DDDDIIIIVVVVIIIISSSSIIIIOOOONNNN BBBBYYYY ZZZZEEEERRRROOOO OOOORRRR LLLLOOOOGGGGAAAARRRRIIIITTTTHHHHMMMM OOOOFFFF ZZZZEEEERRRROOOO
  430.      The division (/) and the following functions
  431.  
  432.              log     ln      log10   logn
  433.              tan     sec     csc     cot
  434.              atan    asec    acsc    acot
  435.              tanh    sech    csch    coth
  436.              atanh   asech   acsch   acoth
  437.  
  438.      cannot be computed for all arguments because that would mean dividing by
  439.      zero or taking logarithm of zero. These situations cause fatal runtime
  440.      errors looking like this
  441.  
  442.              cot(0): Division by zero.
  443.              (Because in the definition of cot(0), the divisor sin(0) is 0)
  444.              Died at ...
  445.  
  446.      or
  447.  
  448.              atanh(-1): Logarithm of zero.
  449.              Died at...
  450.  
  451.      For the csc, cot, asec, acsc, acot, csch, coth, asech, acsch, the
  452.      argument cannot be 0 (zero).  For the the logarithmic functions and the
  453.      atanh, acoth, the argument cannot be 1 (one).  For the atanh, acoth, the
  454.      argument cannot be -1 (minus one).  For the atan, acot, the argument
  455.      cannot be i (the imaginary unit).  For the atan, acoth, the argument
  456.  
  457.  
  458.  
  459.                                                                         PPPPaaaaggggeeee 7777
  460.  
  461.  
  462.  
  463.  
  464.  
  465.  
  466. MMMMaaaatttthhhh::::::::CCCCoooommmmpppplllleeeexxxx((((3333))))                                              MMMMaaaatttthhhh::::::::CCCCoooommmmpppplllleeeexxxx((((3333))))
  467.  
  468.  
  469.  
  470.      cannot be -i (the negative imaginary unit).  For the tan, sec, tanh, the
  471.      argument cannot be _p_i/_2 + _k * _p_i, where _k is any integer.
  472.  
  473.      Note that because we are operating on approximations of real numbers,
  474.      these errors can happen when merely `too close' to the singularities
  475.      listed above.  For example tan(2*atan2(1,1)+1e-15) will die of division
  476.      by zero.
  477.  
  478. EEEERRRRRRRROOOORRRRSSSS DDDDUUUUEEEE TTTTOOOO IIIINNNNDDDDIIIIGGGGEEEESSSSTTTTIIIIBBBBLLLLEEEE AAAARRRRGGGGUUUUMMMMEEEENNNNTTTTSSSS
  479.      The make and emake accept both real and complex arguments.  When they
  480.      cannot recognize the arguments they will die with error messages like the
  481.      following
  482.  
  483.          Math::Complex::make: Cannot take real part of ...
  484.          Math::Complex::make: Cannot take real part of ...
  485.          Math::Complex::emake: Cannot take rho of ...
  486.          Math::Complex::emake: Cannot take theta of ...
  487.  
  488.  
  489. BBBBUUUUGGGGSSSS
  490.      Saying use Math::Complex; exports many mathematical routines in the
  491.      caller environment and even overrides some (sqrt, log).  This is
  492.      construed as a feature by the Authors, actually... ;-)
  493.  
  494.      All routines expect to be given real or complex numbers. Don't attempt to
  495.      use BigFloat, since Perl has currently no rule to disambiguate a '+'
  496.      operation (for instance) between two overloaded entities.
  497.  
  498.      In Cray UNICOS there is some strange numerical instability that results
  499.      in _r_o_o_t(), _c_o_s(), _s_i_n(), _c_o_s_h(), _s_i_n_h(), losing accuracy fast.  Beware.
  500.      The bug may be in UNICOS math libs, in UNICOS C compiler, in
  501.      Math::Complex.  Whatever it is, it does not manifest itself anywhere else
  502.      where Perl runs.
  503.  
  504. AAAAUUUUTTTTHHHHOOOORRRRSSSS
  505.      Raphael Manfredi <_R_a_p_h_a_e_l__M_a_n_f_r_e_d_i@_g_r_e_n_o_b_l_e._h_p._c_o_m> and Jarkko Hietaniemi
  506.      <_j_h_i@_i_k_i._f_i>.
  507.  
  508.      Extensive patches by Daniel S. Lewart <_d-_l_e_w_a_r_t@_u_i_u_c._e_d_u>.
  509.  
  510.  
  511.  
  512.  
  513.  
  514.  
  515.  
  516.  
  517.  
  518.  
  519.  
  520.  
  521.  
  522.  
  523.  
  524.  
  525.                                                                         PPPPaaaaggggeeee 8888
  526.  
  527.  
  528.  
  529.  
  530.  
  531.  
  532. MMMMaaaatttthhhh::::::::CCCCoooommmmpppplllleeeexxxx((((3333))))                                              MMMMaaaatttthhhh::::::::CCCCoooommmmpppplllleeeexxxx((((3333))))
  533.  
  534.  
  535.  
  536.  
  537.  
  538.  
  539.  
  540.  
  541.  
  542.  
  543.  
  544.  
  545.  
  546.  
  547.  
  548.  
  549.  
  550.  
  551.  
  552.  
  553.  
  554.  
  555.  
  556.  
  557.  
  558.  
  559.  
  560.  
  561.  
  562.  
  563.  
  564.  
  565.  
  566.  
  567.  
  568.  
  569.  
  570.  
  571.  
  572.  
  573.  
  574.  
  575.  
  576.  
  577.  
  578.  
  579.  
  580.  
  581.  
  582.  
  583.  
  584.  
  585.  
  586.  
  587.  
  588.                                                                         PPPPaaaaggggeeee 9999
  589.  
  590.  
  591.  
  592.  
  593.  
  594.  
  595.