C语言标准库函数之三角函数详解

C语言标准库函数之三角函数详解

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/weixin_37800531/article/details/145461606

C语言标准库提供了丰富的三角函数，包括正弦、余弦、正切及其反函数，这些函数在科学计算、工程应用和游戏开发等领域有着广泛的应用。本文将详细介绍这些函数的使用方法、参数要求、返回值以及一些使用注意事项，并通过示例代码帮助读者快速上手。

在C语言标准库中，提供了一系列用于处理三角函数运算的函数，这些函数位于<math.h>头文件中。

一、头文件

C语言中的三角函数定义在math.h（或C++中的cmath）头文件中。因此，在使用这些函数之前，需要包含这个头文件：

#include <math.h>

二、函数简介

以下是C语言标准库中常见的三角函数。

2.1. 正弦函数：sin(double angle)

• 功能：计算给定弧度角的正弦值。
• 参数：angle表示以弧度为单位的角。
• 返回值：返回角的正弦值，类型为double。

2.2. 余弦函数：cos(double angle)

• 功能：计算给定弧度角的余弦值。
• 参数：angle表示以弧度为单位的角。
• 返回值：返回角的余弦值，类型为double。

2.3. 正切函数：tan(double angle)

• 功能：计算给定弧度角的正切值。
• 参数：angle表示以弧度为单位的角。
• 返回值：返回角的正切值，类型为double。

2.4. 反正弦函数：asin(double value)

• 功能：计算给定正弦值的反正弦值（以弧度为单位）。
• 参数：value表示正弦值，范围在-1到1之间。
• 返回值：返回对应的角度的反正弦值，类型为double，范围在-π/2到π/2之间。

2.5. 反余弦函数：acos(double value)

• 功能：计算给定余弦值的反余弦值（以弧度为单位）。
• 参数：value表示余弦值，范围在-1到1之间。
• 返回值：返回对应的角度的反余弦值，类型为double，范围在0到π之间。

2.6. 反正切函数：atan(double value)

• 功能：计算给定正切值的反正切值（以弧度为单位）。
• 参数：value表示正切值。
• 返回值：返回对应的角度的反正切值，类型为double，范围在-π/2到π/2之间。

2.7. atan2函数：atan2(double y, double x)

• 功能：计算y/x的反正切值，但考虑x和y的符号来确定正确的象限。
• 参数：y是点的y坐标，x是点的x坐标。
• 返回值：返回的角度范围在-π到π之间，类型为double。这个函数特别有用，因为它可以自动处理四个象限的情况。

三、函数实现

C标准库中的三角函数（如sin()、cos()、tan()、asin()、acos()、atan()、atan2()）是由编译器的实现者提供的，它们通常基于复杂的数学算法（如CORDIC算法、泰勒级数、查找表等）来优化性能和精度。直接给出这些函数的完整实现可能会非常复杂且冗长。不过，我们可以提供一些伪代码或简化的概念来解释这些函数是如何工作的，特别是从算法的角度。但请注意，这些伪代码并不是实际可用的C代码，而是用于说明目的。

3.1. sin()、cos()、tan() 的伪代码（基于泰勒级数）

泰勒级数是一种将函数表示为无限项和的方法，对于三角函数，我们可以使用它们的泰勒级数来近似计算它们的值。但请注意，实际实现可能会使用更高效的算法。

function sin(x in radians):
    # 泰勒级数的一个非常简化的版本
    # 注意：实际实现会使用更多的项，并考虑精度和性能
    sum = 0
    term = x
    n = 1
    while |term| > epsilon:  # epsilon 是某个很小的数，用于控制精度
        sum += term
        term = -term * x * x / ((2 * n) * (2 * n + 1))
        n += 1
    return sum

# cos() 和 tan() 的泰勒级数也可以类似地定义，但它们的系数和项的结构不同

# 注意：以上伪代码仅用于说明目的，并不准确，因为：
# 1. 泰勒级数需要更多的项才能达到合理的精度。
# 2. 对于tan(x)，直接使用泰勒级数可能会遇到除以零的问题（当x=k*π, k为整数时）。
# 3. 实际实现可能会使用CORDIC算法、查找表或其他更高效的方法。

3.2. asin()、acos()、atan() 的伪代码

这些函数通常通过某种形式的迭代或查找表来近似计算。但它们的直接实现比sin()、cos()、tan()更复杂，因为它们需要解决非线性方程。

function asin(x):
    # 伪代码，实际实现会更复杂
    # 可能会使用牛顿迭代法或其他数值方法来逼近解
    # 这里只是概念上的说明
    result = 0  # 初始猜测
    # 迭代过程（伪代码）
    while not_converged(result, x):
        # 计算新的迭代值，这里省略了具体的迭代公式
        new_result = iterate(result, x)
        result = new_result
    return result

# acos() 和 atan() 类似，但它们的迭代公式和初始猜测可能不同

3.3. atan2() 的伪代码

atan2()函数特别用于处理两个坐标值（y, x），并返回从x轴正方向到点(x, y)的向量与x轴正方向之间的角度（以弧度为单位），考虑了所有四个象限。

function atan2(y, x):
    if x > 0:
        return atan(y / x)
    elif x < 0 and y >= 0:
        return atan(y / x) + π
    elif x < 0 and y < 0:
        return atan(y / x) - π
    elif x == 0 and y > 0:
        return π / 2
    elif x == 0 and y < 0:
        return -π / 2
    else:  # x == 0 and y == 0
        # 在数学上未定义，但在C标准中返回0
        return 0

# 注意：实际实现中，atan2() 会直接计算而不需要分支，以提高性能和精度。
# 它可能使用CORDIC算法或其他技术来直接得出结果。

上面的伪代码仅用于说明目的，并且与实际的C标准库实现有很大不同。在实际应用中，应该直接使用C标准库提供的这些函数。

四、注意事项

C标准库中的三角函数（如sin()、cos()、tan()、asin()、acos()、atan()、atan2()）是编程中常用的数学工具，但在使用时需要注意以下几点。

4.1. 包含头文件

• 使用这些函数之前，必须包含<math.h>头文件，因为三角函数的声明和宏定义都位于该头文件中。

4.2. 参数类型与单位

• 参数类型：这些函数通常接受double类型的参数。
• 单位：三角函数（sin()、cos()、tan()）的参数是以弧度为单位的。如果有一个以度数为单位的角，需要先将其转换为弧度。转换公式为：弧度 = 度数 * (π / 180)。

4.3. 返回值

• 这些函数返回一个double类型的值，表示计算结果。
• 对于asin()、acos()、atan()函数，返回值也是以弧度为单位的。

4.4. 精度问题

• 由于浮点数的表示和计算存在精度限制，这些函数的结果可能与理论上的精确值存在微小的差别。
• 在比较函数返回值时，应考虑使用一个足够小的容差来判断两个浮点数是否相等。

4.5. 特殊值处理

• 当输入参数为NaN（不是一个数字）或无穷大时，这些函数可能返回NaN或特殊值（如acos()和asin()在输入超出范围时返回NaN）。
• 某些函数在特定输入下可能有定义好的行为，如atan2(0, 0)在C标准中未定义，但许多实现会返回0。

4.6. 链接数学库

• 在编译使用这些函数的程序时，需要链接数学库。对于GCC编译器，通常使用-lm选项来链接数学库。

4.7. 函数范围

• asin()和acos()函数的参数必须在-1到1之间，超出这个范围将返回NaN。
• atan()和atan2()函数没有这样的参数范围限制，但atan()的返回值范围限制在-π/2到π/2之间。
• atan2()函数通过考虑两个参数的符号来确定正确的象限，返回值的范围在-π到π之间。

五、示例代码

#include <stdio.h>
#include <math.h>

int main() {
    double radians = M_PI / 4; // 45度的弧度值
    double sine, cosine, tangent, arcsine, arccosine, arctangent;

    sine = sin(radians);
    cosine = cos(radians);
    tangent = tan(radians);

    arcsine = asin(sine);
    arccosine = acos(cosine);
    arctangent = atan(tangent);

    // atan2示例
    double y = 1.0, x = 1.0;
    double angle = atan2(y, x); // 45度或π/4弧度

    printf("sin(%f) = %f\n", radians, sine);
    printf("cos(%f) = %f\n", radians, cosine);
    printf("tan(%f) = %f\n", radians, tangent);
    printf("asin(%f) = %f\n", sine, arcsine);
    printf("acos(%f) = %f\n", cosine, arccosine);
    printf("atan(%f) = %f\n", tangent, arctangent);
    printf("atan2(%f, %f) = %f radians (%f degrees)\n", y, x, angle, angle * (180.0 / M_PI));

    return 0;
}

我们计算了45度（π/4弧度）的正弦、余弦、正切值，以及它们的反正弦、反余弦、反正切值。我们还展示了如何使用atan2()函数来计算两个坐标点之间的角度。注意，我们使用了M_PI来表示π的值，它在math.h中定义。