Существует несколько связанных функций, наиболее примечательными из которых являются coverine и haversine . Последняя, половина версина, имеет особое значение в формуле гаверсинуса навигации.
Обзор
Версинус [3] [4] [5] [6] [7] или версус синус [8] [9] [10] [11] [ 12] — тригонометрическая функция , уже появляющаяся в некоторых из самых ранних тригонометрических таблиц. В формулах она обозначается сокращениями versin , sinver , [13] [14] vers , ver [15] или siv . [16] [17] На латыни она известна как sinus versus (перевернутый синус), versinus , versus или sagitta (стрелка). [18]
Существует несколько связанных функций, соответствующих версину:
Обратный косинус , [19] [nb 1] или веркосинус , сокращенно vercosin , vercos или vcs .
Покрытый синус или coversine [ 20] (на латыни cosinus versus или coversinus ), сокращенно coversin , [21] covers , [22] [23] [24] cosiv или cvs [25]
Покрытый косинус [ 26] или коверкосинус , сокращенно коверкосин , коверкос или cvc
В полной аналогии с вышеупомянутыми четырьмя функциями существует еще один набор из четырех функций «полузначения»:
Гаверсный синус [27] или гаверсинус (лат. semiversus ), [28] [29] сокращенно haversin , semiversin , semiversinus , havers , hav , [30] [31] hvs , [nb 2] sem или hv , [32] наиболее известная из формулы гаверсинуса, которая исторически использовалась в навигации.
Хаверскосин [33] или хаверкосин , сокращенно хаверкосин , хаверкос , hac или hvc
Хаковерсин , хаковерсин , [21] или кохаверсин , сокращенно хаковерсин , полуковерсин , хаковер , хаков [34] или hcv
Хаковеркосин , [35] хаковеркозин или кохаверкозин , сокращенно хаковеркозин , хаковеркос или hcc
История и применение
Версин и каверсин
Обычную функцию синуса ( см. примечание об этимологии ) иногда исторически называли sinus rectus («прямой синус»), чтобы противопоставить ее обращенному синусу ( sinus versus ). [37] Значение этих терминов становится очевидным, если взглянуть на функции в исходном контексте для их определения, единичной окружности :
Для вертикальной хорды AB единичной окружности синус угла θ (представляющий половину противолежащего угла Δ ) является расстоянием AC (половина хорды). С другой стороны, обратный синус θ является расстоянием CD от центра хорды до центра дуги. Таким образом, сумма cos( θ ) (равная длине линии OC ) и versin( θ ) (равная длине линии CD ) является радиусом OD (длиной 1). Проиллюстрированный таким образом, синус является вертикальным ( rectus , буквально «прямой»), в то время как versine является горизонтальным ( versus , буквально «повернутый против, не на своем месте»); оба являются расстояниями от C до окружности.
Этот рисунок также иллюстрирует причину, по которой версин иногда называли sagitta , что на латыни означает «стрела » . [18] [36] Если дугу ADB двойного угла Δ = 2 θ рассматривать как « лук », а хорду AB — как его «тетиву», то версин CD , очевидно, является «древком стрелы».
В соответствии с интерпретацией синуса как «вертикального», а обратного синуса как «горизонтального», сагитта также является устаревшим синонимом абсциссы ( горизонтальной оси графика). [36]
В 1821 году Коши использовал термины синус против ( siv ) для версинуса и косинус против ( cosiv ) для коверсинуса. [16] [17] [nb 1]
Исторически обратный синус считался одной из важнейших тригонометрических функций. [12] [37] [38]
Когда θ стремится к нулю, versin( θ ) представляет собой разницу между двумя почти равными величинами, поэтому пользователю тригонометрической таблицы только для косинуса потребуется очень высокая точность для получения версина, чтобы избежать катастрофического сокращения , что делает отдельные таблицы для последнего удобными. [12] Даже при использовании калькулятора или компьютера ошибки округления делают целесообразным использование формулы sin 2 для малых θ .
Еще одним историческим преимуществом версина является то, что он всегда неотрицателен, поэтому его логарифм определен везде, за исключением одного угла ( θ = 0, 2 π , …), где он равен нулю — таким образом, можно использовать логарифмические таблицы для умножения в формулах, включающих версины.
Фактически, самая ранняя сохранившаяся таблица значений синуса (полухорды ) (в отличие от хорд, табулированных Птолемеем и другими греческими авторами), рассчитанная по индийскому трактату «Сурья-сиддханта» , датируемому 3 веком до н. э., представляла собой таблицу значений синуса и обратного синуса (с шагом 3,75° от 0 до 90°). [37]
Версинус появляется как промежуточный шаг в применении формулы половинного угла sin 2 ( θ/2 ) = 1/2 versin( θ ), выведенный Птолемеем , который использовался для построения таких таблиц.
Гаверсин
Гаверсинус, в частности, был важен в навигации , поскольку он появляется в формуле гаверсинуса , которая используется для достаточно точного вычисления расстояний на астрономическом сфероиде (см. вопросы с радиусом Земли по сравнению со сферой ) с учетом угловых положений (например, долготы и широты ). Можно также использовать sin 2 ( θ/2 ) напрямую, но наличие таблицы гаверсинуса устраняет необходимость вычисления квадратов и квадратных корней. [12]
Раннее использование Хосе де Мендоса-и-Риос того, что позже будет названо хаверсинес, задокументировано в 1801 году. [14] [39]
Первый известный английский эквивалент таблицы гаверсинусов был опубликован Джеймсом Эндрю в 1805 году под названием «Квадраты натуральных полухордов». [40] [41] [18]
В 1835 году термин гаверсинус (записываемый в естественном виде как hav. или логарифмически по основанию 10 как лог. гаверсинус или лог. havers. ) был придуман [42] Джеймсом Инманом [14] [43] [44] в третьем издании его работы «Навигация и морская астрономия: для использования британскими моряками» для упрощения расчета расстояний между двумя точками на поверхности Земли с использованием сферической тригонометрии для приложений в навигации. [3] [42] Инман также использовал термины нат. версус и нат. верс. для версусов. [3]
Другие высоко оцененные таблицы гаверсинов были составлены Ричардом Фарли в 1856 году [40] [45] и Джоном Колфилдом Ханнингтоном в 1876 году. [40] [46]
Гаверсинус продолжает использоваться в навигации и в последние десятилетия находит новые применения, как в методе Брюса Д. Старка для определения лунных расстояний с использованием гауссовых логарифмов с 1995 года [47] [48] или в более компактном методе снижения видимости с 2014 года. [32]
Современное использование
В то время как использование версина, коверсина и гаверсинуса, а также их обратных функций можно проследить на протяжении столетий, названия остальных пяти софункций, по-видимому, имеют гораздо более молодое происхождение.
Когда версинус v мал по сравнению с радиусом r , его можно аппроксимировать из длины полухорды L (расстояние AC, показанное выше) по формуле [59]
В качестве альтернативы, если версус мал, а версус, радиус и длина полухорды известны, их можно использовать для оценки длины дуги s ( AD на рисунке выше) по формуле
Эта формула была известна китайскому математику Шэнь Ко , а более точная формула, также включающая стрелку, была разработана два столетия спустя Го Шоуцзином . [60]
Более точное приближение, используемое в инженерии [61], это
Произвольные кривые и хорды
Термин версинус также иногда используется для описания отклонений от прямолинейности в произвольной плоской кривой, частным случаем которой является приведенная выше окружность. При наличии хорды между двумя точками кривой перпендикулярное расстояние v от хорды до кривой (обычно в середине хорды) называется измерением версинуса . Для прямой линии версинус любой хорды равен нулю, поэтому это измерение характеризует прямолинейность кривой. В пределе , когда длина хорды L стремится к нулю, отношение 8 в/Л 2 переходит к мгновенной кривизне . Такое использование особенно распространено в железнодорожном транспорте , где оно описывает измерения прямолинейности рельсовых путей [62] и является основой метода Халлада для обследования рельсов .
Термин «сагитта» (часто сокращенно « sag ») используется аналогичным образом в оптике для описания поверхностей линз и зеркал .
^ абНекоторые английские источники путают обращенный косинус с покрытым синусом. Исторически (например, в Cauchy, 1821) синус против (versine) определялся как siv( θ ) = 1−cos( θ ), косинус против (то, что сейчас также известно как coversine) как cosiv( θ ) = 1−sin( θ ), а веркосинус как vcs θ = 1+cos( θ ). Однако в своем английском переводе работы Коши 2009 года Брэдли и Сэндифер связывают косинус против (и cosiv) с обращенным косинусом (то, что сейчас также известно как vercosine), а не с покрытым синусом . Аналогично, в своей работе 1968/2000 годов Корн и Корн связывают функцию cover( θ ) с обращенным косинусом вместо обращенного синуса .
^ ab Сокращение hvs , иногда используемое для функции гаверсинуса при обработке и фильтрации сигналов, также иногда используется для несвязанной ступенчатой функции Хевисайда .
Ссылки
^
Арьябхатийа Арьябхаты
^ Хаслетт, Чарльз (сентябрь 1855 г.). Хэкли, Чарльз У. (ред.). Практическая справочная книга механика, машиниста, инженера: Содержит таблицы и формулы для использования в поверхностных и твердых измерениях; прочность и вес материалов; механика; машины; гидравлика, гидродинамика; морские двигатели, химия; и разные рецепты. Адаптировано для использования всеми классами практической механики. Вместе с полевой книгой инженера: Содержит формулы для различных бегущих и изменяющихся линий, определения местоположения боковых путей и стрелок и т. д., и т. д. Таблицы радиусов и их логарифмов, натуральных и логарифмических обратных синусов и внешних секущих, натуральных синусов и тангенсов для каждого градуса и минуты квадранта и логарифмы от натуральных чисел от 1 до 10 000. Нью-Йорк, США: Джеймс Г. Грегори, преемник WA Townsend & Co. (Stringer & Townsend) . Получено 13 августа 2017 г. [ …] Тем не менее, можно сэкономить много вычислительного труда, используя таблицы внешних секущих и обратных синусов, которые с большим успехом применялись в последнее время инженерами на железной дороге Огайо и Миссисипи и которые вместе с формулами и правилами, необходимыми для их применения при построении кривых, составленными г-ном Хаслеттом, одним из инженеров этой дороги, теперь впервые предоставляются публике. […] Представляя эту работу публике, автор заявляет, что она представляет собой адаптацию нового принципа в тригонометрическом анализе формул, обычно используемых в полевых расчетах. Опыт показал, что обратные синусы и внешние секущие так же часто входят в расчеты на кривых, как синусы и тангенсы; и благодаря их использованию, как показано в примерах, приведенных в этой работе, считается, что многие из правил общего пользования значительно упрощены, и многие вычисления, касающиеся кривых и бегущих линий, стали менее сложными, а результаты получены с большей точностью и гораздо меньшими трудностями, чем любыми методами, изложенными в работах такого рода. Все приведенные примеры были предложены реальной практикой и объяснят себя сами. […] Как книга для практического использования в полевых работах, можно с уверенностью полагать, что она более прямая в применении правил и легкости вычислений, чем любая работа, используемая в настоящее время. В дополнение к таблицам, обычно встречающимся в книгах такого рода, автор подготовил, с большим трудом, Таблицу натуральных и логарифмических обратных синусов и внешних секущих, вычисленных в градусах, для каждой минуты; также Таблицу радиусов и их логарифмов, от 1° до 60°. […]Издание 1856 года
^ abc Инман, Джеймс (1835) [1821]. Навигация и морская астрономия: для использования британскими моряками (3-е изд.). Лондон, Великобритания: W. Woodward, C. & J. Rivington . Получено 2015-11-09 .(Четвертое издание: [1].)
^ abcde Zucker, Ruth (1983) [июнь 1964]. "Глава 4.3.147: Элементарные трансцендентные функции - Круговые функции". В Abramowitz, Milton ; Stegun, Irene Ann (ред.). Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables . Applied Mathematics Series. Vol. 55 (Девятое переиздание с дополнительными исправлениями десятого оригинального издания с исправлениями (декабрь 1972 г.); первое изд.). Вашингтон, округ Колумбия; Нью-Йорк: Министерство торговли США, Национальное бюро стандартов; Dover Publications. стр. 78. ISBN978-0-486-61272-0. LCCN 64-60036. MR 0167642. LCCN 65-12253.
^ Tapson, Frank (2004). "Background Notes on Measures: Angles". 1.4. Cleave Books. Архивировано из оригинала 2007-02-09 . Получено 2015-11-12 .
^ Oldham, Keith B.; Myland, Jan C.; Spanier, Jerome (2009) [1987]. "32.13. Функции Cosine cos(x) и Sine sin(x) - Cognate functions". Атлас функций: с Equator, Atlas Function Calculator (2-е изд.). Springer Science+Business Media, LLC . стр. 322. doi :10.1007/978-0-387-48807-3. ISBN978-0-387-48806-6. LCCN 2008937525.
^ Beebe, Nelson HF (2017-08-22). "Глава 11.1. Свойства синуса и косинуса". Справочник по вычислению математических функций - Программирование с использованием библиотеки переносимого программного обеспечения MathCW (1-е изд.). Солт-Лейк-Сити, Юта, США: Springer International Publishing AG . стр. 301. doi :10.1007/978-3-319-64110-2. ISBN978-3-319-64109-6. LCCN 2017947446. S2CID 30244721.
^ abcde Холл, Артур Грэм; Фринк, Фред Гудрич (январь 1909 г.). «Обзорные упражнения [100] Вторичные тригонометрические функции». Написано в Энн-Арбор, Мичиган, США. Тригонометрия. Том. Часть I: Плоская тригонометрия. Нью-Йорк, США: Henry Holt and Company / Norwood Press / JS Cushing Co. - Berwick & Smith Co., Норвуд, Массачусетс, США. стр. 125–127 . Получено 12 августа 2017 г.
^ Бойер, Карл Бенджамин (1969) [1959]. "5: Комментарий к статье Э. Дж. Дейкстерхейса (Истоки классической механики от Аристотеля до Ньютона)". В Клэгетт, Маршалл (ред.). Критические проблемы в истории науки (3-е изд.). Мэдисон, Милуоки и Лондон: University of Wisconsin Press, Ltd. стр. 185–190. ISBN0-299-01874-1. LCCN 59-5304. 9780299018740 . Получено 16.11.2015 .
^ Swanson, Todd; Andersen, Janet; Keeley, Robert (1999). "5 (Тригонометрические функции)" (PDF) . Precalculus: A Study of Functions and Their Applications . Harcourt Brace & Company . стр. 344. Архивировано (PDF) из оригинала 2003-06-17 . Получено 2015-11-12 .
^Корн, Грандино Артур; Корн, Тереза М. (2000) [1961]. "Приложение B: B9. Плоская и сферическая тригонометрия: формулы, выраженные в терминах функции гаверсина". Математический справочник для ученых и инженеров: Определения, теоремы и формуляры для справки и обзора (3-е изд.). Минеола, Нью-Йорк, США: Dover Publications, Inc. стр. 892–893. ISBN 978-0-486-41147-7.(См. список исправлений.)
^ abcd Calvert, James B. (2007-09-14) [2004-01-10]. "Тригонометрия". Архивировано из оригинала 2007-10-02 . Получено 2015-11-08 .
^ Эдлер фон Браунмюль, Антон (1903). Vorlesungen über Geschichte der Trigonometrie - Von der Erfindung der Logarithmen bis auf die Gegenwart [ Лекции по истории тригонометрии - от изобретения логарифмов до наших дней ] (на немецком языке). Том. 2. Лейпциг, Германия: Б. Г. Тойбнер . п. 231 . Проверено 9 декабря 2015 г.
^ абвКаджори, Флориан (1952) [март 1929]. История математических обозначений. Т. 2 (2 (3-е исправленное издание выпуска 1929 года) изд.). Чикаго, США: Open court publishing company . стр. 172. ISBN 978-1-60206-714-1. 1602067147 . Получено 11.11.2015 . Гаверсинус впервые появляется в таблицах логарифмических версусов Хосе де Мендосы и Риоса (Мадрид, 1801, также 1805, 1809), а затем в трактате по навигации Джеймса Инмана (1821). См. JD White в Nautical Magazine (февраль и июль 1926).(Примечание. ISBN и ссылка на переиздание 2-го издания Cosimo, Inc., Нью-Йорк, США, 2013 г.)
^ Shaneyfelt, Ted V. "Заметки о кругах, треугольниках и костях: Что такое гаверкосинус?". Хило, Гавайи: Гавайский университет . Архивировано из оригинала 2015-09-19 . Получено 2015-11-08 .
^ абБрэдли, Роберт Э.; Сэндифер, Чарльз Эдвард (14.01.2010) [2009]. Бухвальд, Дж. З. (ред.). Курс анализа Коши: аннотированный перевод. Источники и исследования по истории математики и физических наук. Коши, Огюстен-Луи . Springer Science+Business Media, LLC . стр. 10, 285. doi :10.1007/978-1-4419-0549-9. ISBN 978-1-4419-0548-2. LCCN 2009932254. 1441905499, 978-1-4419-0549-9 . Получено 2015-11-09 .(См. список исправлений.)
^ Ладлоу, Генри Хант; Басс, Эдгар Уэйлс (1891). Элементы тригонометрии с логарифмическими и другими таблицами (3-е изд.). Бостон, США: John Wiley & Sons . стр. 33. Получено 08.12.2015 .
^ Вентворт, Джордж Альберт (1903) [1887]. Плоская тригонометрия (2-е изд.). Бостон, США: Ginn and Company . стр. 5.
^ Кеньон, Альфред Монро; Ингольд, Луис (1913). Тригонометрия. Нью-Йорк, США: The Macmillan Company . С. 8–9 . Получено 08.12.2015 .
^ Андерегг, Фредерик; Роу, Эдвард Дрейк (1896). Тригонометрия: для школ и колледжей. Бостон, США: Ginn and Company . стр. 10. Получено 08.12.2015 .
^ Зауэр, Франк (2015) [2004]. «Semiversus-Verfahren: Logarithmische Berechnung der Höhe» (на немецком языке). Хотхайм-ам-Таунус, Германия: Astrosail. Архивировано из оригинала 17 сентября 2013 г. Проверено 12 ноября 2015 г.
^ Райдер, Пол Рис; Дэвис, Альфред (1923). Плоская тригонометрия. Нью-Йорк, США: D. Van Nostrand Company . стр. 42. Получено 08.12.2015 .
^ "Haversine". Wolfram Language & System: Documentation Center . 7.0. 2008. Архивировано из оригинала 2014-09-01 . Получено 2015-11-06 .
^ abcdefghijk ван Влеймен, Оскар (28 декабря 2005 г.) [2003]. «Гониология». Eenheden, постоянные разговоры . Архивировано из оригинала 28 октября 2009 г. Проверено 28 ноября 2015 г.
^ Миллер, Джефф (2007-09-10). "Самые ранние известные применения некоторых слов математики (V)". Нью-Порт-Ричи, Флорида, США. Архивировано из оригинала 2015-09-05 . Получено 2015-11-10 .
^ де Мендоса-и-Риос, Джозеф (1795). Запоминание новых методов расчета долготы по лунным расстояниям: и применение вашей теории для решения других проблем с навигацией (на испанском языке). Мадрид, Испания: Имрента Реал.
↑ Эндрю, Джеймс (1805). Астрономические и морские таблицы с указаниями для определения широты и долготы мест . Т. XIII. Лондон. С. 29–148.(Таблица гаверсинусов из 7 знаков от 0° до 120° с интервалом 10".)
^Уайт, Дж. Д. (февраль 1926 г.). "(неизвестное название)". Nautical Magazine .(Примечание. Согласно Каджори, 1929, в этом журнале обсуждается происхождение гаверсинов.)
^Уайт, Дж. Д. (июль 1926 г.). "(неизвестное название)". Nautical Magazine .(Примечание. Согласно Каджори, 1929, в этом журнале обсуждается происхождение гаверсинов.)
↑ Фарли, Ричард (1856). Натуральные обращенные синусы от 0 до 125° и логарифмические обращенные синусы от 0 до 135° . Лондон.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)( Таблица гаверсинусов от 0° до 125°/135°.)
^ Ханнингтон, Джон Колфилд (1876). Гаверсины, натуральные и логарифмические, используемые при вычислении лунных расстояний для Морского альманаха . Лондон.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)(Таблица гаверсинусов из 7 знаков от 0° до 180°, логарифмические гаверсинусы с интервалом 15", нат. гаверсинусы с интервалом 10".)
^ Старк, Брюс Д. (1997) [1995]. Таблицы Старка для определения расстояния до Луны и поиска всемирного времени с помощью секстанта, включая удобный способ оттачивания навыков навигации по небесным объектам на суше (2-е изд.). Starpath Publications. ISBN978-0914025214. 091402521X . Получено 2015-12-02 .(Примечание. Содержит таблицу гауссовых логарифмов lg (1+10 −x ).)
^ Каливода, Ян (2003-07-30). "Брюс Старк - Таблицы для определения расстояния от Луны и поиска GMT с помощью наблюдения секстанта (1995, 1997)" (Обзор). Прага, Чешская Республика. Архивировано из оригинала 2004-01-12 . Получено 2015-12-02 .[2][3]
^ Wildberger, Norman John (2005). Божественные пропорции: от рациональной тригонометрии до универсальной геометрии (1-е изд.). Австралия: Wild Egg Pty Ltd. ISBN0-9757492-0-X. Получено 01.12.2015 .
^ abcdef Симпсон, Дэвид Г. (2001-11-08). "AUXTRIG" ( исходный код Fortran 90 ). Гринбелт, Мэриленд, США: NASA Goddard Space Flight Center . Архивировано из оригинала 2008-06-16 . Получено 2015-10-26 .
^ abcdef van den Doel, Kees (2010-01-25). "jass.utils Class Fmath". JASS - Java Audio Synthesis System . 1.25. Архивировано из оригинала 2007-09-02 . Получено 2015-10-26 .
^ ab mf344 (2014-07-04). "Lost but lovely: The haversine". Plus magazine . maths.org. Архивировано из оригинала 2014-07-18 . Получено 2015-11-05 .{{cite news}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)
^ ab Skvarc, Jure (1999-03-01). "identify.py: Клиент asteroid_server, который идентифицирует измерения в формате MPC". Fitsblink ( исходный код Python ). Архивировано из оригинала 20-11-2008 . Получено 28-11-2015 .
^ ab Skvarc, Jure (2014-10-27). "astrotrig.py: Функции, связанные с астрономической тригонометрией" ( исходный код Python ). Любляна, Словения: Телескоп Vega, Университет Любляны . Архивировано из оригинала 2015-11-28 . Получено 2015-11-28 .
^ Ballew, Pat (2007-02-08) [2003]. "Versine". Math Words, страница 4. Versine. Архивировано из оригинала 2007-02-08 . Получено 2015-11-28 .
^ Бордман, Гарри (1930). Таблица для использования в вычислении дуг, хорд и версинов . Chicago Bridge and Iron Company . стр. 32.
^ Наир, П. Н. Бхаскаран (1972). «Системы измерения пути — концепции и методы». Rail International . 3 (3). Международная ассоциация железнодорожных конгрессов, Международный союз железных дорог : 159–166. ISSN 0020-8442. OCLC 751627806.
Дальнейшее чтение
Хокинг, Стивен Уильям , ред. (2002). На плечах гигантов: Великие труды физики и астрономии . Филадельфия, США: Running Press . ISBN 0-7624-1698-X. LCCN 2002100441 . Получено 31 июля 2017 г. .