This is a live mirror of the Perl 5 development currently hosted at https://github.com/perl/perl5
Warn about small spherical distances.
[perl5.git] / lib / Math / Trig.pm
index a1cbb07..d987b5c 100644 (file)
@@ -1,6 +1,6 @@
 #
 # Trigonometric functions, mostly inherited from Math::Complex.
-# -- Jarkko Hietaniemi, April 1997
+# -- Jarkko Hietaniemi, since April 1997
 # -- Raphael Manfredi, September 1996 (indirectly: because of Math::Complex)
 #
 
@@ -13,7 +13,7 @@ use Math::Complex qw(:trig);
 
 use vars qw($VERSION $PACKAGE
            @ISA
-           @EXPORT);
+           @EXPORT @EXPORT_OK %EXPORT_TAGS);
 
 @ISA = qw(Exporter);
 
@@ -26,13 +26,25 @@ my @angcnv = qw(rad2deg rad2grad
 @EXPORT = (@{$Math::Complex::EXPORT_TAGS{'trig'}},
           @angcnv);
 
-use constant pi2 => 2 * pi;
-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;
+my @rdlcnv = qw(cartesian_to_cylindrical
+               cartesian_to_spherical
+               cylindrical_to_cartesian
+               cylindrical_to_spherical
+               spherical_to_cartesian
+               spherical_to_cylindrical);
+
+@EXPORT_OK = (@rdlcnv, 'great_circle_distance');
+
+%EXPORT_TAGS = ('radial' => [ @rdlcnv ]);
+
+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;
 
 #
 # Truncating remainder.
@@ -59,6 +71,61 @@ sub rad2grad ($) { remt(RG * $_[0], 400) }
 
 sub grad2rad ($) { remt(GR * $_[0], pi2) }
 
+sub cartesian_to_spherical {
+    my ( $x, $y, $z ) = @_;
+
+    my $rho = sqrt( $x * $x + $y * $y + $z * $z );
+
+    return ( $rho,
+             atan2( $y, $x ),
+             $rho ? acos( $z / $rho ) : 0 );
+}
+
+sub spherical_to_cartesian {
+    my ( $rho, $theta, $phi ) = @_;
+
+    return ( $rho * cos( $theta ) * sin( $phi ),
+             $rho * sin( $theta ) * sin( $phi ),
+             $rho * cos( $phi   ) );
+}
+
+sub spherical_to_cylindrical {
+    my ( $x, $y, $z ) = spherical_to_cartesian( @_ );
+
+    return ( sqrt( $x * $x + $y * $y ), $_[1], $z );
+}
+
+sub cartesian_to_cylindrical {
+    my ( $x, $y, $z ) = @_;
+
+    return ( sqrt( $x * $x + $y * $y ), atan2( $y, $x ), $z );
+}
+
+sub cylindrical_to_cartesian {
+    my ( $rho, $theta, $z ) = @_;
+
+    return ( $rho * cos( $theta ), $rho * sin( $theta ), $z );
+}
+
+sub cylindrical_to_spherical {
+    return ( cartesian_to_spherical( cylindrical_to_cartesian( @_ ) ) );
+}
+
+sub great_circle_distance {
+    my ( $theta0, $phi0, $theta1, $phi1, $rho ) = @_;
+
+    $rho = 1 unless defined $rho; # Default to the unit sphere.
+
+    my $lat0 = pip2 - $phi0;
+    my $lat1 = pip2 - $phi1;
+
+    return $rho *
+        acos(cos( $lat0 ) * cos( $lat1 ) * cos( $theta0 - $theta1 ) +
+             sin( $lat0 ) * sin( $lat1 ) );
+}
+
+=pod
+
 =head1 NAME
 
 Math::Trig - trigonometric functions
@@ -86,68 +153,72 @@ conversions.
 
 The tangent
 
-       tan
+=over 4
+
+=item B<tan>
+
+=back
 
 The cofunctions of the sine, cosine, and tangent (cosec/csc and cotan/cot
 are aliases)
 
-       csc cosec sec cot cotan
+B<csc>, B<cosec>, B<sec>, B<sec>, B<cot>, B<cotan>
 
 The arcus (also known as the inverse) functions of the sine, cosine,
 and tangent
 
-       asin acos atan
+B<asin>, B<acos>, B<atan>
 
 The principal value of the arc tangent of y/x
 
-       atan2(y, x)
+B<atan2>(y, x)
 
 The arcus cofunctions of the sine, cosine, and tangent (acosec/acsc
 and acotan/acot are aliases)
 
-       acsc acosec asec acot acotan
+B<acsc>, B<acosec>, B<asec>, B<acot>, B<acotan>
 
 The hyperbolic sine, cosine, and tangent
 
-       sinh cosh tanh
+B<sinh>, B<cosh>, B<tanh>
 
 The cofunctions of the hyperbolic sine, cosine, and tangent (cosech/csch
 and cotanh/coth are aliases)
 
-       csch cosech sech coth cotanh
+B<csch>, B<cosech>, B<sech>, B<coth>, B<cotanh>
 
 The arcus (also known as the inverse) functions of the hyperbolic
 sine, cosine, and tangent
 
-       asinh acosh atanh
+B<asinh>, B<acosh>, B<atanh>
 
 The arcus cofunctions of the hyperbolic sine, cosine, and tangent
 (acsch/acosech and acoth/acotanh are aliases)
 
-       acsch acosech asech acoth acotanh
+B<acsch>, B<acosech>, B<asech>, B<acoth>, B<acotanh>
 
 The trigonometric constant B<pi> is also defined.
 
-       $pi2 = 2 * pi;
+$pi2 = 2 * B<pi>;
 
 =head2 ERRORS DUE TO DIVISION BY ZERO
 
 The following functions
 
-       tan
-       sec
-       csc
-       cot
-       asec
+       acoth
        acsc
-       tanh
-       sech
-       csch
-       coth
-       atanh
-       asech
        acsch
-       acoth
+       asec
+       asech
+       atanh
+       cot
+       coth
+       csc
+       csch
+       sec
+       sech
+       tan
+       tanh
 
 cannot be computed for all arguments because that would mean dividing
 by zero or taking logarithm of zero. These situations cause fatal
@@ -196,7 +267,7 @@ should produce something like this (take or leave few last decimals):
 That is, a complex number with the real part of approximately C<1.571>
 and the imaginary part of approximately C<-1.317>.
 
-=head1 ANGLE CONVERSIONS
+=head1 PLANE ANGLE CONVERSIONS
 
 (Plane, 2-dimensional) angles may be converted with the following functions.
 
@@ -211,6 +282,144 @@ and the imaginary part of approximately C<-1.317>.
 
 The full circle is 2 I<pi> radians or I<360> degrees or I<400> gradians.
 
+=head1 RADIAL COORDINATE CONVERSIONS
+
+B<Radial coordinate systems> are the B<spherical> and the B<cylindrical>
+systems, explained shortly in more detail.
+
+You can import radial coordinate conversion functions by using the
+C<:radial> tag:
+
+    use Math::Trig ':radial';
+
+    ($rho, $theta, $z)     = cartesian_to_cylindrical($x, $y, $z);
+    ($rho, $theta, $phi)   = cartesian_to_spherical($x, $y, $z);
+    ($x, $y, $z)           = cylindrical_to_cartesian($rho, $theta, $z);
+    ($rho_s, $theta, $phi) = cylindrical_to_spherical($rho_c, $theta, $z);
+    ($x, $y, $z)           = spherical_to_cartesian($rho, $theta, $phi);
+    ($rho_c, $theta, $z)   = spherical_to_cylindrical($rho_s, $theta, $phi);
+
+B<All angles are in radians>.
+
+=head2 COORDINATE SYSTEMS
+
+B<Cartesian> coordinates are the usual rectangular I<(x, y,
+z)>-coordinates.
+
+Spherical coordinates, I<(rho, theta, pi)>, are three-dimensional
+coordinates which define a point in three-dimensional space.  They are
+based on a sphere surface.  The radius of the sphere is B<rho>, also
+known as the I<radial> coordinate.  The angle in the I<xy>-plane
+(around the I<z>-axis) is B<theta>, also known as the I<azimuthal>
+coordinate.  The angle from the I<z>-axis is B<phi>, also known as the
+I<polar> coordinate.  The `North Pole' is therefore I<0, 0, rho>, and
+the `Bay of Guinea' (think of the missing big chunk of Africa) I<0,
+pi/2, rho>.  In geographical terms I<phi> is latitude (northward
+positive, southward negative) and I<theta> is longitude (eastward
+positive, westward negative).
+
+B<BEWARE>: some texts define I<theta> and I<phi> the other way round,
+some texts define the I<phi> to start from the horizontal plane, some
+texts use I<r> in place of I<rho>.
+
+Cylindrical coordinates, I<(rho, theta, z)>, are three-dimensional
+coordinates which define a point in three-dimensional space.  They are
+based on a cylinder surface.  The radius of the cylinder is B<rho>,
+also known as the I<radial> coordinate.  The angle in the I<xy>-plane
+(around the I<z>-axis) is B<theta>, also known as the I<azimuthal>
+coordinate.  The third coordinate is the I<z>, pointing up from the
+B<theta>-plane.
+
+=head2 3-D ANGLE CONVERSIONS
+
+Conversions to and from spherical and cylindrical coordinates are
+available.  Please notice that the conversions are not necessarily
+reversible because of the equalities like I<pi> angles being equal to
+I<-pi> angles.
+
+=over 4
+
+=item cartesian_to_cylindrical
+
+        ($rho, $theta, $z) = cartesian_to_cylindrical($x, $y, $z);
+
+=item cartesian_to_spherical
+
+        ($rho, $theta, $phi) = cartesian_to_spherical($x, $y, $z);
+
+=item cylindrical_to_cartesian
+
+        ($x, $y, $z) = cylindrical_to_cartesian($rho, $theta, $z);
+
+=item cylindrical_to_spherical
+
+        ($rho_s, $theta, $phi) = cylindrical_to_spherical($rho_c, $theta, $z);
+
+Notice that when C<$z> is not 0 C<$rho_s> is not equal to C<$rho_c>.
+
+=item spherical_to_cartesian
+
+        ($x, $y, $z) = spherical_to_cartesian($rho, $theta, $phi);
+
+=item spherical_to_cylindrical
+
+        ($rho_c, $theta, $z) = spherical_to_cylindrical($rho_s, $theta, $phi);
+
+Notice that when C<$z> is not 0 C<$rho_c> is not equal to C<$rho_s>.
+
+=back
+
+=head1 GREAT CIRCLE DISTANCES
+
+You can compute spherical distances, called B<great circle distances>,
+by importing the C<great_circle_distance> function:
+
+       use Math::Trig 'great_circle_distance'
+
+  $distance = great_circle_distance($theta0, $phi0, $theta1, $phi1, [, $rho]);
+
+The I<great circle distance> is the shortest distance between two
+points on a sphere.  The distance is in C<$rho> units.  The C<$rho> is
+optional, it defaults to 1 (the unit sphere), therefore the distance
+defaults to radians.
+
+If you think geographically the I<theta> are longitudes: zero at the
+Greenwhich meridian, eastward positive, westward negative--and the
+I<phi> are latitudes: zero at the North Pole, northward positive,
+southward negative.  B<NOTE>: this formula thinks in mathematics, not
+geographically: the I<phi> zero is at the North Pole, not at the
+Equator on the west coast of Africa (Bay of Guinea).  You need to
+subtract your geographical coordinates from I<pi/2> (also known as 90
+degrees).
+
+  $distance = great_circle_distance($lon0, pi/2 - $lat0,
+                                    $lon1, pi/2 - $lat1, $rho);
+
+=head1 EXAMPLES
+
+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));
+
+        $km = great_circle_distance(@L, @T, 6378);
+
+The answer may be off by few percentages because of the irregular
+(slightly aspherical) form of the Earth.  The used formula
+
+       lat0 = 90 degrees - phi0
+       lat1 = 90 degrees - phi1
+       d = R * arccos(cos(lat0) * cos(lat1) * cos(lon1 - lon01) +
+                       sin(lat0) * sin(lat1))
+
+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.
+
 =head1 BUGS
 
 Saying C<use Math::Trig;> exports many mathematical routines in the