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* Geophysical Computational Tools & Library (GCTL)
*
* Copyright (c) 2023 Yi Zhang (yizhang-geo@zju.edu.cn)
*
* GCTL is distributed under a dual licensing scheme. You can redistribute
* it and/or modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
* License as published by the Free Software Foundation, either version 2
* of the License, or (at your option) any later version. You should have
* received a copy of the GNU Lesser General Public License along with this
* program. If not, see .
*
* If the terms and conditions of the LGPL v.2. would prevent you from using
* the GCTL, please consider the option to obtain a commercial license for a
* fee. These licenses are offered by the GCTL's original author. As a rule,
* licenses are provided "as-is", unlimited in time for a one time fee. Please
* send corresponding requests to: yizhang-geo@zju.edu.cn. Please do not forget
* to include some description of your company and the realm of its activities.
* Also add information on how to contact you by electronic and paper mail.
******************************************************/
#ifndef _GCTL_MATHFUNC_H
#define _GCTL_MATHFUNC_H
// library's head files
#include "../core/macro.h"
#include "../core/spmat.h"
#include "mathfunc_t.h"
// system's head files
#include "cmath"
#include "random"
#include "vector"
namespace gctl
{
/**
* @brief Return a random number in the range [low, hig]
*
* @note Call srand(seed) to initiate the random squence before using this function.
*
* @param low Lower bound
* @param hig Higher bound
* @return Random value
*/
int random(int low, int hig);
/**
* @brief Return a random number in the range [low, hig]
*
* @note Call srand(seed) to initiate the random squence before using this function.
*
* @param low Lower bound
* @param hig Higher bound
* @return Random value
*/
double random(double low, double hig);
/**
* @brief Return a random number in the range [low, hig]
*
* @note Call srand(seed) to initiate the random squence before using this function.
*
* @param low Lower bound
* @param hig Higher bound
* @return Random value
*/
std::complex random(std::complex low, std::complex hig);
/**
* @brief 比较两个浮点数。注意比较的精度为 eps 减一位,比如 eps 为1e-10则比较的精度为小数点后9位。
*
* @param f 第一个浮点数
* @param v 第二个浮点数
* @param eps 比较的精度
* @return true 两个浮点数相等
* @return false 两个浮点数不相等
*/
bool isequal(double f, double v, double eps = GCTL_ZERO);
/**
* @brief 符号函数
*
* @param[in] a 输入值
*
* @return 大于零返回1 否则返回-1 等于0则返回0
*/
double sign(double a);
/**
* @brief 二分法求一个正数的n次方根
*
* @param[in] val 输入值
* @param[in] order 开方次数
* @param[in] eps 终止精度
*
* @return 开方值
*/
double sqrtn(double val, int order, double eps = 1e-5);
/**
* @brief 计算经纬度网格的面积
*
* @param lon1 经度起点
* @param lon2 经度终点
* @param lat1 纬度起点
* @param lat2 纬度终点
* @param R 半径
* @return 面积
*/
double geographic_area(double lon1, double lon2, double lat1, double lat2, double R);
/**
* @brief 计算两个经纬度点之间的距离
*
* @param lon1 经度起点
* @param lon2 经度终点
* @param lat1 纬度起点
* @param lat2 纬度终点
* @param R 半径
* @return 面积
*/
double geographic_distance(double lon1, double lon2, double lat1, double lat2, double R);
/**
* @brief 计算一个椭圆在不同位置的半径
*
* @param[in] x_len x方向半径
* @param[in] y_len y方向半径
* @param[in] arc 计算方向与x轴正方向的夹角(弧度) 逆时针为正
* @param[in] x_arc x轴正方向绕原点逆时针旋转的角度 (弧度)
*
* @return 半径值
*/
double ellipse_radius_2d(double x_len, double y_len, double arc, double x_arc = 0.0);
/**
* @brief 计算已椭圆为基准面的高程数据的绝对坐标位置。
*
* 假设高程数据的测量方向(如大地水准面)为椭圆切线的垂直方向(与切点与坐标原点的连线方向不一致)
* 则高程点的绝对空间位置的维度值与切点的维度值也不一致。此函数可以计算校正后的维度值与球心半径。
*
* @param x_len 椭圆的x方向半径(一般为长轴)
* @param y_len 椭圆的y方向半径(一般为短轴)
* @param arc 计算方向与x轴正方向的夹角(弧度) 逆时针为正(等于纬度)
* @param elev 切点的高程值
* @param out_arc 校正后的维度值
* @param out_rad 校正后高程点的球心半径
* @param x_arc x轴正方向绕原点逆时针旋转的角度 (弧度),默认为0
*/
void ellipse_plus_elevation_2d(double x_len, double y_len, double arc, double elev,
double &out_arc, double &out_rad, double x_arc = 0.0);
/**
* @brief 椭球或者球在不同球面位置的半径
*
* @param[in] x_len x方向半径
* @param[in] y_len y方向半径
* @param[in] z_len z方向半径
* @param[in] phi 计算方向与x轴正方向的夹角(弧度) 逆时针为正
* @param[in] theta 计算方向与z轴正方向的夹角(弧度) 逆时针为正
*
* @return 半径值
*/
double ellipsoid_radius(double x_len, double y_len, double z_len, double phi, double theta);
/**
* @brief 使用牛顿迭代法计算一个矩阵的近似逆
*
* 此方法适合用于对角占优的方阵求逆。
*
* @param[in] in_mat 输入矩阵
* @param inverse_mat 逆矩阵
* @param[in] epsilon 迭代的终止精度
* @param[in] iter_times 迭代的次数。默认为10
* @param[in] initiate 对逆矩阵进行初始化
*
* @return 最终的迭代精度
*/
double newton_inverse(const _2d_matrix &in_mat, _2d_matrix &inverse_mat,
double epsilon = 1e-8, int iter_times = 10, bool initiate = true);
/**
* @brief 使用牛顿迭代法计算一个矩阵的近似逆
*
* 此方法适合用于对角占优的方阵求逆。
*
* @param[in] in_mat 输入矩阵(稀疏的)
* @param inverse_mat 逆矩阵
* @param[in] epsilon 迭代的终止精度
* @param[in] iter_times 迭代的次数。默认为10
* @param[in] initiate 对逆矩阵进行初始化
*
* @return 最终的迭代精度
*/
double newton_inverse(const spmat &in_mat, _2d_matrix &inverse_mat,
double epsilon = 1e-8, int iter_times = 10, bool initiate = true);
/**
* @brief 使用施密特正交化将线性无关的向量组a转换为标准正交向量组e
*
* @note 经过正交变化的向量组中任意两个向量正交。
*
* @param[in] a 个数为a_s的线性无关的向量组的指针(这里将向量组保存为一个连续的一维数组)
* @param e 输出的转换后的标准正交向量组(保存为一个连续的一维数组)
* @param[in] a_s 向量的个数
*/
void schmidt_orthogonal(const array &a, array &e, int a_s);
}
#endif // _GCTL_MATHFUNC_H