This is a live mirror of the Perl 5 development currently hosted at https://github.com/perl/perl5
Comply with the 0x80th commandment
[perl5.git] / lib / Math / Trig.pm
index d987b5c..cd17356 100644 (file)
@@ -7,21 +7,21 @@
 require Exporter;
 package Math::Trig;
 
+use 5.006;
 use strict;
 
+use Math::Complex 1.35;
 use Math::Complex qw(:trig);
 
-use vars qw($VERSION $PACKAGE
-           @ISA
-           @EXPORT @EXPORT_OK %EXPORT_TAGS);
+our($VERSION, $PACKAGE, @ISA, @EXPORT, @EXPORT_OK, %EXPORT_TAGS);
 
 @ISA = qw(Exporter);
 
-$VERSION = 1.00;
+$VERSION = 1.03;
 
 my @angcnv = qw(rad2deg rad2grad
-            deg2rad deg2grad
-            grad2rad grad2deg);
+               deg2rad deg2grad
+               grad2rad grad2deg);
 
 @EXPORT = (@{$Math::Complex::EXPORT_TAGS{'trig'}},
           @angcnv);
@@ -33,18 +33,37 @@ my @rdlcnv = qw(cartesian_to_cylindrical
                spherical_to_cartesian
                spherical_to_cylindrical);
 
-@EXPORT_OK = (@rdlcnv, 'great_circle_distance');
+my @greatcircle = qw(
+                    great_circle_distance
+                    great_circle_direction
+                    great_circle_bearing
+                    great_circle_waypoint
+                    great_circle_midpoint
+                    great_circle_destination
+                   );
 
-%EXPORT_TAGS = ('radial' => [ @rdlcnv ]);
+my @pi = qw(pi2 pip2 pip4);
 
-use constant pi2  => 2 * pi;
-use constant pip2 => pi / 2;
-use constant DR   => pi2/360;
-use constant RD   => 360/pi2;
-use constant DG   => 400/360;
-use constant GD   => 360/400;
-use constant RG   => 400/pi2;
-use constant GR   => pi2/400;
+@EXPORT_OK = (@rdlcnv, @greatcircle, @pi);
+
+# See e.g. the following pages:
+# http://www.movable-type.co.uk/scripts/LatLong.html
+# http://williams.best.vwh.net/avform.htm
+
+%EXPORT_TAGS = ('radial' => [ @rdlcnv ],
+               'great_circle' => [ @greatcircle ],
+               'pi'     => [ @pi ]);
+
+sub pi2  () { 2 * pi }
+sub pip2 () { pi / 2 }
+sub pip4 () { pi / 4 }
+
+sub DR  () { pi2/360 }
+sub RD  () { 360/pi2 }
+sub DG  () { 400/360 }
+sub GD  () { 360/400 }
+sub RG  () { 400/pi2 }
+sub GR  () { pi2/400 }
 
 #
 # Truncating remainder.
@@ -59,17 +78,23 @@ sub remt ($$) {
 # Angle conversions.
 #
 
-sub rad2deg ($)  { remt(RD * $_[0], 360) }
+sub rad2rad($)     { remt($_[0], pi2) }
+
+sub deg2deg($)     { remt($_[0], 360) }
 
-sub deg2rad ($)  { remt(DR * $_[0], pi2) }
+sub grad2grad($)   { remt($_[0], 400) }
 
-sub grad2deg ($) { remt(GD * $_[0], 360) }
+sub rad2deg ($;$)  { my $d = RD * $_[0]; $_[1] ? $d : deg2deg($d) }
 
-sub deg2grad ($) { remt(DG * $_[0], 400) }
+sub deg2rad ($;$)  { my $d = DR * $_[0]; $_[1] ? $d : rad2rad($d) }
 
-sub rad2grad ($) { remt(RG * $_[0], 400) }
+sub grad2deg ($;$) { my $d = GD * $_[0]; $_[1] ? $d : deg2deg($d) }
 
-sub grad2rad ($) { remt(GR * $_[0], pi2) }
+sub deg2grad ($;$) { my $d = DG * $_[0]; $_[1] ? $d : grad2grad($d) }
+
+sub rad2grad ($;$) { my $d = RG * $_[0]; $_[1] ? $d : grad2grad($d) }
+
+sub grad2rad ($;$) { my $d = GR * $_[0]; $_[1] ? $d : rad2rad($d) }
 
 sub cartesian_to_spherical {
     my ( $x, $y, $z ) = @_;
@@ -124,6 +149,78 @@ sub great_circle_distance {
              sin( $lat0 ) * sin( $lat1 ) );
 }
 
+sub great_circle_direction {
+    my ( $theta0, $phi0, $theta1, $phi1 ) = @_;
+
+    my $distance = &great_circle_distance;
+
+    my $lat0 = pip2 - $phi0;
+    my $lat1 = pip2 - $phi1;
+
+    my $direction =
+       acos((sin($lat1) - sin($lat0) * cos($distance)) /
+            (cos($lat0) * sin($distance)));
+
+    $direction = pi2 - $direction
+       if sin($theta1 - $theta0) < 0;
+
+    return rad2rad($direction);
+}
+
+*great_circle_bearing = \&great_circle_direction;
+
+sub great_circle_waypoint {
+    my ( $theta0, $phi0, $theta1, $phi1, $point ) = @_;
+
+    $point = 0.5 unless defined $point;
+
+    my $d = great_circle_distance( $theta0, $phi0, $theta1, $phi1 );
+
+    return undef if $d == pi;
+
+    my $sd = sin($d);
+
+    return ($theta0, $phi0) if $sd == 0;
+
+    my $A = sin((1 - $point) * $d) / $sd;
+    my $B = sin(     $point  * $d) / $sd;
+
+    my $lat0 = pip2 - $phi0;
+    my $lat1 = pip2 - $phi1;
+
+    my $x = $A * cos($lat0) * cos($theta0) + $B * cos($lat1) * cos($theta1);
+    my $y = $A * cos($lat0) * sin($theta0) + $B * cos($lat1) * sin($theta1);
+    my $z = $A * sin($lat0)                + $B * sin($lat1);
+
+    my $theta = atan2($y, $x);
+    my $phi   = atan2($z, sqrt($x*$x + $y*$y));
+    
+    return ($theta, $phi);
+}
+
+sub great_circle_midpoint {
+    great_circle_waypoint(@_[0..3], 0.5);
+}
+
+sub great_circle_destination {
+    my ( $theta0, $phi0, $dir0, $dst ) = @_;
+
+    my $lat0 = pip2 - $phi0;
+
+    my $phi1   = asin(sin($lat0)*cos($dst)+cos($lat0)*sin($dst)*cos($dir0));
+    my $theta1 = $theta0 + atan2(sin($dir0)*sin($dst)*cos($lat0),
+                                cos($dst)-sin($lat0)*sin($phi1));
+
+    my $dir1 = great_circle_bearing($theta1, $phi1, $theta0, $phi0) + pi;
+
+    $dir1 -= pi2 if $dir1 > pi2;
+
+    return ($theta1, $phi1, $dir1);
+}
+
+1;
+
+__END__
 =pod
 
 =head1 NAME
@@ -133,21 +230,30 @@ Math::Trig - trigonometric functions
 =head1 SYNOPSIS
 
        use Math::Trig;
-       
+
        $x = tan(0.9);
        $y = acos(3.7);
        $z = asin(2.4);
-       
+
        $halfpi = pi/2;
 
        $rad = deg2rad(120);
 
+        # Import constants pi2, pip2, pip4 (2*pi, pi/2, pi/4).
+       use Math::Trig ':pi';
+
+        # Import the conversions between cartesian/spherical/cylindrical.
+       use Math::Trig ':radial';
+
+        # Import the great circle formulas.
+       use Math::Trig ':great_circle';
+
 =head1 DESCRIPTION
 
 C<Math::Trig> defines many trigonometric functions not defined by the
 core Perl which defines only the C<sin()> and C<cos()>.  The constant
 B<pi> is also defined as are a few convenience functions for angle
-conversions.
+conversions, and I<great circle formulas> for spherical movement.
 
 =head1 TRIGONOMETRIC FUNCTIONS
 
@@ -238,7 +344,7 @@ C<asech>, C<acsch>, the argument cannot be C<0> (zero).  For the
 C<atanh>, C<acoth>, the argument cannot be C<1> (one).  For the
 C<atanh>, C<acoth>, the argument cannot be C<-1> (minus one).  For the
 C<tan>, C<sec>, C<tanh>, C<sech>, the argument cannot be I<pi/2 + k *
-pi>, where I<k> is any integer.
+pi>, where I<k> is any integer.  atan2(0, 0) is undefined.
 
 =head2 SIMPLE (REAL) ARGUMENTS, COMPLEX RESULTS
 
@@ -259,7 +365,7 @@ complex numbers as results because the C<Math::Complex> takes care of
 details like for example how to display complex numbers. For example:
 
        print asin(2), "\n";
-    
+
 should produce something like this (take or leave few last decimals):
 
        1.5707963267949-1.31695789692482i
@@ -273,14 +379,22 @@ and the imaginary part of approximately C<-1.317>.
 
        $radians  = deg2rad($degrees);
        $radians  = grad2rad($gradians);
-       
+
        $degrees  = rad2deg($radians);
        $degrees  = grad2deg($gradians);
-       
+
        $gradians = deg2grad($degrees);
        $gradians = rad2grad($radians);
 
 The full circle is 2 I<pi> radians or I<360> degrees or I<400> gradians.
+The result is by default wrapped to be inside the [0, {2pi,360,400}[ circle.
+If you don't want this, supply a true second argument:
+
+       $zillions_of_radians  = deg2rad($zillions_of_degrees, 1);
+       $negative_degrees     = rad2deg($negative_radians, 1);
+
+You can also do the wrapping explicitly by rad2rad(), deg2deg(), and
+grad2grad().
 
 =head1 RADIAL COORDINATE CONVERSIONS
 
@@ -303,8 +417,7 @@ B<All angles are in radians>.
 
 =head2 COORDINATE SYSTEMS
 
-B<Cartesian> coordinates are the usual rectangular I<(x, y,
-z)>-coordinates.
+B<Cartesian> coordinates are the usual rectangular I<(x, y, z)>-coordinates.
 
 Spherical coordinates, I<(rho, theta, pi)>, are three-dimensional
 coordinates which define a point in three-dimensional space.  They are
@@ -312,8 +425,8 @@ based on a sphere surface.  The radius of the sphere is B<rho>, also
 known as the I<radial> coordinate.  The angle in the I<xy>-plane
 (around the I<z>-axis) is B<theta>, also known as the I<azimuthal>
 coordinate.  The angle from the I<z>-axis is B<phi>, also known as the
-I<polar> coordinate.  The `North Pole' is therefore I<0, 0, rho>, and
-the `Bay of Guinea' (think of the missing big chunk of Africa) I<0,
+I<polar> coordinate.  The North Pole is therefore I<0, 0, rho>, and
+the Gulf of Guinea (think of the missing big chunk of Africa) I<0,
 pi/2, rho>.  In geographical terms I<phi> is latitude (northward
 positive, southward negative) and I<theta> is longitude (eastward
 positive, westward negative).
@@ -369,12 +482,12 @@ Notice that when C<$z> is not 0 C<$rho_c> is not equal to C<$rho_s>.
 
 =back
 
-=head1 GREAT CIRCLE DISTANCES
+=head1 GREAT CIRCLE DISTANCES AND DIRECTIONS
 
 You can compute spherical distances, called B<great circle distances>,
-by importing the C<great_circle_distance> function:
+by importing the great_circle_distance() function:
 
-       use Math::Trig 'great_circle_distance'
+  use Math::Trig 'great_circle_distance';
 
   $distance = great_circle_distance($theta0, $phi0, $theta1, $phi1, [, $rho]);
 
@@ -395,30 +508,95 @@ degrees).
   $distance = great_circle_distance($lon0, pi/2 - $lat0,
                                     $lon1, pi/2 - $lat1, $rho);
 
+The direction you must follow the great circle (also known as I<bearing>)
+can be computed by the great_circle_direction() function:
+
+  use Math::Trig 'great_circle_direction';
+
+  $direction = great_circle_direction($theta0, $phi0, $theta1, $phi1);
+
+(Alias 'great_circle_bearing' is also available.)
+The result is in radians, zero indicating straight north, pi or -pi
+straight south, pi/2 straight west, and -pi/2 straight east.
+
+You can inversely compute the destination if you know the
+starting point, direction, and distance:
+
+  use Math::Trig 'great_circle_destination';
+
+  # thetad and phid are the destination coordinates,
+  # dird is the final direction at the destination.
+
+  ($thetad, $phid, $dird) =
+    great_circle_destination($theta, $phi, $direction, $distance);
+
+or the midpoint if you know the end points:
+
+  use Math::Trig 'great_circle_midpoint';
+
+  ($thetam, $phim) =
+    great_circle_midpoint($theta0, $phi0, $theta1, $phi1);
+
+The great_circle_midpoint() is just a special case of
+
+  use Math::Trig 'great_circle_waypoint';
+
+  ($thetai, $phii) =
+    great_circle_waypoint($theta0, $phi0, $theta1, $phi1, $way);
+
+Where the $way is a value from zero ($theta0, $phi0) to one ($theta1,
+$phi1).  Note that antipodal points (where their distance is I<pi>
+radians) do not have waypoints between them (they would have an an
+"equator" between them), and therefore C<undef> is returned for
+antipodal points.  If the points are the same and the distance
+therefore zero and all waypoints therefore identical, the first point
+(either point) is returned.
+
+The thetas, phis, direction, and distance in the above are all in radians.
+
+You can import all the great circle formulas by
+
+  use Math::Trig ':great_circle';
+
+Notice that the resulting directions might be somewhat surprising if
+you are looking at a flat worldmap: in such map projections the great
+circles quite often do not look like the shortest routes-- but for
+example the shortest possible routes from Europe or North America to
+Asia do often cross the polar regions.
+
 =head1 EXAMPLES
 
-To calculate the distance between London (51.3N 0.5W) and Tokyo (35.7N
-139.8E) in kilometers:
+To calculate the distance between London (51.3N 0.5W) and Tokyo
+(35.7N 139.8E) in kilometers:
 
         use Math::Trig qw(great_circle_distance deg2rad);
 
         # Notice the 90 - latitude: phi zero is at the North Pole.
-       @L = (deg2rad(-0.5), deg2rad(90 - 51.3));
-        @T = (deg2rad(139.8),deg2rad(90 - 35.7));
+       sub NESW { deg2rad($_[0]), deg2rad(90 - $_[1]) }
+       my @L = NESW( -0.5, 51.3);
+        my @T = NESW(139.8, 35.7);
+        my $km = great_circle_distance(@L, @T, 6378); # About 9600 km.
+
+The direction you would have to go from London to Tokyo (in radians,
+straight north being zero, straight east being pi/2).
+
+        use Math::Trig qw(great_circle_direction);
 
-        $km = great_circle_distance(@L, @T, 6378);
+        my $rad = great_circle_direction(@L, @T); # About 0.547 or 0.174 pi.
 
-The answer may be off by few percentages because of the irregular
-(slightly aspherical) form of the Earth.  The used formula
+The midpoint between London and Tokyo being
 
-       lat0 = 90 degrees - phi0
-       lat1 = 90 degrees - phi1
-       d = R * arccos(cos(lat0) * cos(lat1) * cos(lon1 - lon01) +
-                       sin(lat0) * sin(lat1))
+        use Math::Trig qw(great_circle_midpoint);
 
-is also somewhat unreliable for small distances (for locations
-separated less than about five degrees) because it uses arc cosine
-which is rather ill-conditioned for values close to zero.
+        my @M = great_circle_midpoint(@L, @T);
+
+or about 68.11N 24.74E, in the Finnish Lapland.
+
+=head2 CAVEAT FOR GREAT CIRCLE FORMULAS
+
+The answers may be off by few percentages because of the irregular
+(slightly aspherical) form of the Earth.  The errors are at worst
+about 0.55%, but generally below 0.3%.
 
 =head1 BUGS
 
@@ -432,10 +610,12 @@ the computations even when the arguments are not. This, however,
 cannot be completely avoided if we want things like C<asin(2)> to give
 an answer instead of giving a fatal runtime error.
 
+Do not attempt navigation using these formulas.
+
 =head1 AUTHORS
 
 Jarkko Hietaniemi <F<jhi@iki.fi>> and 
-Raphael Manfredi <F<Raphael_Manfredi@grenoble.hp.com>>.
+Raphael Manfredi <F<Raphael_Manfredi@pobox.com>>.
 
 =cut