Existen varias funciones relacionadas, entre las que destacan la coversina y la haversina . Esta última, la mitad de una versina, es de particular importancia en la fórmula haversina de navegación.
Descripción general
La versina [3] [4] [5] [6] [7] o seno versado [8] [9] [10] [11] [12] es una función trigonométrica que ya aparece en algunas de las primeras tablas trigonométricas. Se simboliza en las fórmulas utilizando las abreviaturas versin , sinver , [13] [14] vers , ver [15] o siv . [16] [17] En latín , se conoce como seno versus (seno invertido), versinus , versus o sagitta (flecha). [18]
Expresado en términos de funciones trigonométricas comunes seno, coseno y tangente, el verseno es igual a
Existen varias funciones relacionadas correspondientes a la versina:
El coseno versado , [19] [nb 1] o vercoseno , abreviado vercosin , vercos o vcs .
El seno cubierto o coversine [20] (en latín, cosinus versus o coversinus ), abreviado coversin , [21] covers , [22] [23] [24] cosiv , o cvs [25]
El coseno cubierto [26] o covercosine , abreviado covercosin , covercos o cvc
En completa analogía con las cuatro funciones mencionadas anteriormente, existe también otro conjunto de cuatro funciones de "valor medio":
El seno haversed [27] o haversine (del latín semiversus ), [28] [29] abreviado haversin , semiversin , semiversinus , havers , hav , [30] [31] hvs , [nb 2] sem o hv , [32] más famoso de la fórmula haversine utilizada históricamente en navegación.
El coseno haversed [33] o havercosine , abreviado havercosin , havercos , hac o hvc
El seno hacoversado , hacoversina , [21] o cohaversina , abreviado hacoversina , semicoversina , hacovers , hacov [34] o hcv
El coseno hacoversado , [35] hacovercoseno , o cohavercoseno , abreviado hacovercosin , hacovercos o hcc
Historia y aplicaciones
Versine y coversine
La función seno ordinaria ( ver nota sobre etimología ) a veces se llamaba históricamente seno recto ("seno recto"), para contrastarlo con el seno versado ( seno versus ). [37] El significado de estos términos es evidente si uno mira las funciones en el contexto original para su definición, un círculo unitario :
Para una cuerda vertical AB del círculo unitario, el seno del ángulo θ (que representa la mitad del ángulo subtendido Δ ) es la distancia AC (la mitad de la cuerda). Por otra parte, el seno versado de θ es la distancia CD desde el centro de la cuerda hasta el centro del arco. Por lo tanto, la suma de cos( θ ) (igual a la longitud de la línea OC ) y versin( θ ) (igual a la longitud de la línea CD ) es el radio OD (con longitud 1). Ilustrado de esta manera, el seno es vertical ( rectus , literalmente "recto") mientras que el verseno es horizontal ( versus , literalmente "volteado en contra, fuera de lugar"); ambos son distancias desde C hasta el círculo.
Esta figura también ilustra la razón por la cual la versina a veces era llamada sagitta , que en latín significa flecha . [18] [36] Si el arco ADB del ángulo doble Δ = 2 θ se considera como un " arco " y la cuerda AB como su "cuerda", entonces la versina CD es claramente el "eje de la flecha".
En consonancia con la interpretación del seno como "vertical" y del seno versado como "horizontal", sagitta también es un sinónimo obsoleto de la abscisa (el eje horizontal de un gráfico). [36]
En 1821, Cauchy utilizó los términos seno versus ( siv ) para el verseno y coseno versus ( cosiv ) para el coverseno. [16] [17] [nb 1]
Históricamente, el seno versado se consideraba una de las funciones trigonométricas más importantes. [12] [37] [38]
A medida que θ tiende a cero, versin( θ ) es la diferencia entre dos cantidades casi iguales, por lo que un usuario de una tabla trigonométrica solo para el coseno necesitaría una precisión muy alta para obtener el verseno con el fin de evitar una cancelación catastrófica , lo que hace que las tablas separadas para este último sean convenientes. [12] Incluso con una calculadora o computadora, los errores de redondeo hacen que sea recomendable utilizar la fórmula sen 2 para θ pequeños .
Otra ventaja histórica de la versina es que siempre es no negativa, por lo que su logaritmo está definido en todas partes excepto en el ángulo único ( θ = 0, 2 π , …) donde es cero; por lo tanto, se podrían usar tablas logarítmicas para multiplicaciones en fórmulas que involucran versinas.
De hecho, la tabla de valores de seno (semicuerda) más antigua que se conserva ( a diferencia de las cuerdas tabuladas por Ptolomeo y otros autores griegos), calculada a partir del Surya Siddhantha de la India que data del siglo III a. C., era una tabla de valores para el seno y el seno versado (en incrementos de 3,75° desde 0 a 90°). [37]
La versina aparece como un paso intermedio en la aplicación de la fórmula del medio ángulo sen 2 ( θ/2 ) = 1/2 versin( θ ), derivada por Ptolomeo , que se utilizó para construir dichas tablas.
Haversina
El haverseno, en particular, era importante en la navegación porque aparece en la fórmula haverseno , que se utiliza para calcular con razonable precisión distancias en un esferoide astronómico (ver problemas con el radio de la Tierra frente a la esfera ) dadas posiciones angulares (por ejemplo, longitud y latitud ). También se podría utilizar sen 2 ( θ/2) directamente, pero tener una tabla del haverseno eliminó la necesidad de calcular cuadrados y raíces cuadradas. [ 12]
Una utilización temprana por parte de José de Mendoza y Ríos de lo que más tarde se denominaría haversines está documentada en 1801. [14] [39]
El primer equivalente inglés conocido de una tabla de haversines fue publicado por James Andrew en 1805, bajo el nombre de "Cuadrados de semicordes naturales". [40] [41] [18]
En 1835, el término haversine (anotado naturalmente como hav. o logarítmicamente en base 10 como log. haversine o log. havers. ) fue acuñado [42] por James Inman [14] [43] [44] en la tercera edición de su obra Navigation and Nautical Astronomy: For the Use of British Seamen para simplificar el cálculo de distancias entre dos puntos en la superficie de la Tierra usando trigonometría esférica para aplicaciones en navegación. [3] [42] Inman también usó los términos nat. versine y nat. vers. para versines. [3]
Otras tablas de haversines de gran prestigio fueron las de Richard Farley en 1856 [40] [45] y John Caulfield Hannyngton en 1876. [40] [46]
La haversina continúa utilizándose en navegación y ha encontrado nuevas aplicaciones en las últimas décadas, como en el método de Bruce D. Stark para despejar distancias lunares utilizando logaritmos gaussianos desde 1995 [47] [48] o en un método más compacto para la reducción de la visibilidad desde 2014. [32]
Usos modernos
Aunque el uso de la versina, coversina y haversina, así como sus funciones inversas, se remonta a siglos atrás, los nombres de las otras cinco cofunciones parecen tener un origen mucho más reciente.
Cuando la versina v es pequeña en comparación con el radio r , se puede aproximar a partir de la longitud de la semicuerda L (la distancia AC mostrada arriba) mediante la fórmula [59]
Como alternativa, si la versina es pequeña y se conocen la versina, el radio y la longitud de la semicuerda, se pueden utilizar para estimar la longitud del arco s ( AD en la figura anterior) mediante la fórmula
Esta fórmula era conocida por el matemático chino Shen Kuo , y dos siglos más tarde Guo Shoujing desarrolló una fórmula más precisa que también involucraba la sagita . [60]
Una aproximación más precisa utilizada en ingeniería [61] es
Curvas y cuerdas arbitrarias
El término versina también se utiliza a veces para describir desviaciones de la rectitud en una curva plana arbitraria, de la que el círculo anterior es un caso especial. Dada una cuerda entre dos puntos de una curva, la distancia perpendicular v desde la cuerda hasta la curva (normalmente en el punto medio de la cuerda) se denomina medida versina . Para una línea recta, la versina de cualquier cuerda es cero, por lo que esta medida caracteriza la rectitud de la curva. En el límite , cuando la longitud de la cuerda L tiende a cero, la relación 8v/L 2 se refiere a la curvatura instantánea . Este uso es especialmente común en el transporte ferroviario , donde describe mediciones de la rectitud de las vías del tren [62] y es la base del método Hallade para el estudio de vías .
El término sagitta (a menudo abreviado como sag ) se utiliza de forma similar en óptica , para describir las superficies de lentes y espejos .
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Referencias
^
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