Περίληψη
Αυτό το μάθημα ορίζει τις προσανατολισμένες γωνίες, που μετρούν μια στροφή μαζί με τη φορά της και μπορούν να ξεπερνούν την πλήρη στροφή, καθώς και τα δύο συνήθη μέτρα τους: την εξηκονταδική μοίρα, που καθορίστηκε από μια αρχαία σύμβαση, και το ακτίνιο, που είναι το μήκος του τόξου στο οποίο βαίνει η γωνία πάνω στον μοναδιαίο κύκλο. Δέχεται το μήκος του κύκλου, την αναλογία των τόξων προς τις ακτίνες και τη διατήρηση των μηκών από τις ανακλάσεις, ορίζει τον αριθμό ως το μισό του μήκους του μοναδιαίου κύκλου και διατυπώνει το αξίωμα της διαδρομής κατά μήκος τόξου, που αντιστοιχίζει σε κάθε πραγματικό αριθμό ένα σημείο αυτού του κύκλου· από αυτά συνάγει τη συμπεριφορά της διαδρομής στη δεύτερη μισή στροφή της, τον κανόνα μετατροπής ανάμεσα σε μοίρες και ακτίνια, το μήκος ενός τόξου, το εμβαδόν ενός τομέα και το θεώρημα της εγγεγραμμένης γωνίας. Στη συνέχεια τοποθετεί τις γωνίες σε κανονική θέση, αποδεικνύει ότι κάθε γωνία ανάγεται με έναν μόνο τρόπο σε μια γωνία του πρώτου κύκλου και ότι μια στροφή δεν περνά δύο φορές από το ίδιο σημείο, χαρακτηρίζει τις γωνίες με κοινή τελική πλευρά και συνδέει τη γωνιακή ταχύτητα με τη γραμμική. Τα προβλήματα μετρούν τη Γη όπως ο Ερατοσθένης, υπολογίζουν ένα κυκλικό τμήμα, μεταδίδουν μια στροφή μέσω αλυσίδας, μεγιστοποιούν το εμβαδόν ενός τομέα με σταθερή περίμετρο και μετρούν πόσες φορές συμπίπτουν οι δείκτες ενός ρολογιού.
Μαθησιακοί στόχοι
- Να διακρίνει την αρχική και την τελική πλευρά μιας προσανατολισμένης γωνίας, να τη μετρά σε μοίρες, πρώτα λεπτά και δεύτερα λεπτά, και να αναγνωρίζει το πρόσημό της από τη φορά της στροφής.
- Να διατυπώνει το αξίωμα της διαδρομής κατά μήκος τόξου, να ορίζει με αυτό το ακτίνιο και να μετατρέπει μέτρα από μοίρες σε ακτίνια και αντίστροφα, ιδίως εκείνα των αξιοσημείωτων γωνιών.
- Να αποδεικνύει και να εφαρμόζει τους τύπους του μήκους ενός τόξου και του εμβαδού ενός τομέα, το θεώρημα της εγγεγραμμένης γωνίας και τη σχέση γωνιακής και γραμμικής ταχύτητας.
- Να ανάγει οποιαδήποτε γωνία σε μια γωνία του πρώτου κύκλου, αποδεικνύοντας την ύπαρξη και τη μοναδικότητα της αναγωγής, και να κρίνει αν δύο γωνίες έχουν κοινή τελική πλευρά.
Προσανατολισμένες γωνίες
Στη στοιχειώδη γεωμετρία, γωνία είναι το σχήμα που σχηματίζουν δύο ημιευθείες με κοινή αρχή, και το μέτρο της βρίσκεται μεταξύ και . Για να μελετήσουμε τις στροφές, όπως τη στροφή ενός τροχού, των δεικτών ενός ρολογιού ή της Γης γύρω από τον άξονά της, αυτή η έννοια δεν αρκεί: ενδιαφέρει πόσο έχει γίνει η στροφή και με ποια φορά, και μια στροφή μπορεί να κάνει πολλούς γύρους. Γι’ αυτό η γωνία θεωρείται ως το αποτέλεσμα μιας στροφής.
Μια προσανατολισμένη γωνία καθορίζεται από μια ημιευθεία, που λέγεται αρχική πλευρά, η οποία στρέφεται γύρω από την αρχή της, που λέγεται κορυφή, μέχρι να πάρει μια τελική θέση, που λέγεται τελική πλευρά, μαζί με τη στροφή που έγινε. Η γωνία είναι θετική αν η στροφή γίνεται αντίθετα προς τη φορά των δεικτών του ρολογιού (αντίθετη φορά των δεικτών του ρολογιού), και αρνητική αν γίνεται κατά τη φορά των δεικτών του ρολογιού (φορά των δεικτών του ρολογιού). Η μηδενική γωνία είναι εκείνη που δεν στρέφεται.
Το ίδιο ζεύγος πλευρών μπορεί να αντιστοιχεί σε πολλές προσανατολισμένες γωνίες: η τελική πλευρά παίρνει την ίδια θέση αν στραφεί κατά ένα τέταρτο της στροφής με αντίθετη φορά των δεικτών του ρολογιού, κατά τρία τέταρτα της στροφής με τη φορά των δεικτών του ρολογιού ή κατά ένα τέταρτο της στροφής συν μία πλήρη στροφή. Αυτές οι γωνίες είναι διαφορετικές, επειδή περιγράφουν διαφορετικές στροφές, αν και καταλήγουν στην ίδια πλευρά· η τρίτη παράγραφος διευκρινίζει πώς συνδέονται.
Το εξηκονταδικό σύστημα
Το αρχαιότερο μέτρο των γωνιών διαιρεί την πλήρη στροφή σε ίσα τόξα και ονομάζει μοίρα τη γωνία που βαίνει σε καθένα από αυτά: μια γωνία μετρά μοίρες αν το τόξο της είναι φορές το τόξο μιας μοίρας, οπότε το μέτρο σε μοίρες είναι ανάλογο του μήκους του τόξου. Κάθε μοίρα διαιρείται σε πρώτα λεπτά, και κάθε πρώτο λεπτό σε δεύτερα λεπτά. Το σύστημα προέρχεται από τη βαβυλωνιακή αστρονομία, που μετρούσε με βάση το εξήντα, όπως εξηγείται στο μάθημα του πρώτου κύκλου μαθημάτων για τα θεσιακά συστήματα αρίθμησης· ο αριθμός έχει το πλεονέκτημα ότι διαιρείται με τα , , , , , , , και , μεταξύ άλλων. Μια ορθή γωνία μετρά , μια ευθεία γωνία μετρά και μια πλήρης στροφή · μια αρνητική γωνία μετριέται με το πρόσημο μείον, οπότε ένα τέταρτο της στροφής με τη φορά των δεικτών του ρολογιού μετρά . Η γωνία των 40 μοιρών, 15 πρώτων λεπτών και 36 δεύτερων λεπτών, που γράφεται συντομευμένα με το σύμβολο της μοίρας μετά από κάθε αριθμό, έναν απόστροφο για τα πρώτα λεπτά και δύο για τα δεύτερα, μετρά σε μοίρες ό,τι δίνεται παρακάτω, δηλαδή 40,26 μοίρες:
Ο αριθμός είναι, ωστόσο, μια σύμβαση: τίποτα στη γεωμετρία του κύκλου δεν τον ξεχωρίζει από άλλον αριθμό. Οι τύποι του μήκους ενός τόξου και του εμβαδού ενός τομέα, και αργότερα εκείνοι των τριγωνομετρικών συναρτήσεων, απλουστεύονται αν οι γωνίες μετρηθούν με έναν τρόπο που γεννιέται από τον ίδιο τον κύκλο.
Το ακτίνιο
Η ιδέα είναι να μετρηθεί μια γωνία με το μήκος του τόξου στο οποίο βαίνει σε έναν κύκλο ακτίνας με κέντρο την κορυφή της. Αυτό απαιτεί να ξέρουμε τι είναι το μήκος ενός τόξου, και εκεί εμφανίζεται μια δυσκολία: ένα τόξο δεν είναι ένωση ευθύγραμμων τμημάτων, και το μήκος του ορίζεται ως η τιμή που προσεγγίζουν τα μήκη των εγγεγραμμένων σε αυτό πολυγωνικών γραμμών όταν οι πλευρές τους γίνονται όλο και πιο μικρές, δηλαδή με ένα όριο. Η μελέτη του ανήκει στον κύκλο μαθημάτων Λογισμός II, όπου υπολογίζονται μήκη καμπυλών και εμβαδά περιοχών που περικλείονται από καμπύλες. Εδώ δεχόμαστε τα γεγονότα που ακολουθούν.
Γεγονός που δεχόμαστε χωρίς απόδειξη (μήκη και εμβαδά στον κύκλο). Κάθε τόξο κύκλου έχει μήκος, και κάθε περιοχή που περικλείεται από ευθύγραμμα τμήματα και τόξα έχει εμβαδόν. Τα ίσα σχήματα έχουν το ίδιο μήκος ή το ίδιο εμβαδόν· αν ένα σχήμα αναλύεται σε δύο που δεν επικαλύπτονται, το μέτρο του είναι το άθροισμα των μέτρων των μερών του· και αν μια περιοχή περιέχει μια άλλη, το εμβαδόν της δεν είναι μικρότερο, και είναι μεγαλύτερο αν η διαφορά περιέχει κάποιον δίσκο. Επιπλέον, αν δύο κύκλοι έχουν ακτίνες και , τα τόξα στα οποία βαίνει πάνω τους η ίδια επίκεντρη γωνία είναι ανάλογα των ακτίνων, και το εμβαδόν ενός δίσκου ακτίνας είναι .
Το γεγονός αυτό γίνεται δεκτό χωρίς απόδειξη, επειδή τα μήκη των τόξων και τα εμβαδά των καμπυλόγραμμων περιοχών ορίζονται με όρια και υπολογίζονται με το ολοκλήρωμα, στον κύκλο μαθημάτων Λογισμός II. Το τελευταίο του μέρος προϋποθέτει γνωστό τον αριθμό , που ορίζεται τώρα: ο αριθμός είναι το μισό του μήκους του μοναδιαίου κύκλου, δηλαδή του κύκλου ακτίνας . Από την αναλογία των τόξων προς τις ακτίνες, εφαρμοσμένη στη γωνία μιας πλήρους στροφής, ο κύκλος ακτίνας έχει μήκος , και ο λόγος του μήκους οποιουδήποτε κύκλου προς τη διάμετρό του είναι πάντα . Δεχόμαστε επίσης ότι ο είναι άρρητος και ότι η δεκαδική του παράσταση αρχίζει με 3,14159· ειδικότερα, .
Για να μετρήσουμε τις γωνίες χρειάζεται, επιπλέον, να διατρέχουμε τον κύκλο κατά μήκος τόξου: να ξεκινάμε από ένα σημείο και να προχωρούμε πάνω του ένα δοσμένο μήκος, με τη μία ή με την άλλη φορά, και να ξέρουμε σε ποιο σημείο φτάνουμε. Όλα όσα λέει αυτή η ενότητα για τις γωνίες και για τις τριγωνομετρικές συναρτήσεις στηρίζονται σε αυτή τη διαδρομή, γι’ αυτό αξίζει να διατυπωθεί με ακρίβεια τι δεχόμαστε γι’ αυτήν. Διατυπώνεται στο καρτεσιανό επίπεδο, για τον μοναδιαίο κύκλο και το σημείο του · επειδή τα μήκη δεν αλλάζουν όταν μετακινούνται τα σχήματα, ισχύει εξίσου για κάθε κύκλο ακτίνας και για κάθε σημείο εκκίνησης.
Αξίωμα (διαδρομή κατά μήκος τόξου). Για κάθε πραγματικό αριθμό υπάρχει ένα μοναδικό σημείο του μοναδιαίου κύκλου στο οποίο φτάνουμε ξεκινώντας από το και διανύοντας πάνω του μήκος , με αντίθετη φορά των δεικτών του ρολογιού αν και με τη φορά των δεικτών του ρολογιού αν , κάνοντας όσους γύρους χρειάζεται· για είναι . Η διαδρομή αυτή έχει τις τέσσερις ιδιότητες που ακολουθούν.
- Διαδοχή: αν από το σημείο διανυθεί μήκος με αντίθετη φορά των δεικτών του ρολογιού, φτάνουμε στο · αν διανυθεί με τη φορά των δεικτών του ρολογιού, φτάνουμε στο .
- Περιοδικότητα: μια πλήρης στροφή, με οποιαδήποτε φορά, διανύει το μήκος του κύκλου και επιστρέφει στο σημείο εκκίνησης· δηλαδή για κάθε πραγματικό αριθμό .
- Μισή στροφή: η διαδρομή με αντίθετη φορά των δεικτών του ρολογιού περνά πρώτα από το άνω ημικύκλιο, από δεξιά προς τα αριστερά. Συγκεκριμένα, , και αν , τα σημεία και έχουν μη αρνητική τεταγμένη και η τετμημένη του είναι μεγαλύτερη από εκείνη του .
- Κάλυψη: κάθε σημείο του μοναδιαίου κύκλου είναι το για κάποιον πραγματικό αριθμό .
Το αξίωμα γίνεται δεκτό χωρίς απόδειξη για τον ίδιο λόγο με το γεγονός που προηγήθηκε: το μήκος ενός τόξου ορίζεται με ένα όριο, και οι ιδιότητές του αποδεικνύονται στον κύκλο μαθημάτων Λογισμός II· η κάλυψη, που βεβαιώνει ότι διατρέχοντας τον κύκλο δεν παραλείπεται κανένα σημείο, στηρίζεται επιπλέον στην ιδιότητα της ενδιάμεσης τιμής των συνεχών συναρτήσεων, που αποδεικνύεται στον κύκλο μαθημάτων Λογισμός I. Η ιδιότητα της μισής στροφής έχει μια απλή γεωμετρική ανάγνωση. Αν το βρίσκεται στον μοναδιαίο κύκλο, το τετράγωνο της απόστασής του από το σημείο είναι το εξής:
Συνεπώς, το να πούμε ότι η τετμημένη φθίνει γνησίως κατά μήκος του άνω ημικυκλίου ισοδυναμεί με το να πούμε ότι η χορδή που ενώνει το με το σημείο της διαδρομής αυξάνει γνησίως μαζί με το τόξο, ώσπου να γίνει διάμετρος στο τέλος της μισής στροφής. Όταν, στο μάθημα για τους τριγωνομετρικούς αριθμούς, το συνημίτονο του οριστεί ως η τετμημένη του , η ιδιότητα αυτή θα πει ότι το συνημίτονο είναι γνησίως φθίνον στο : αυτή η μονοτονία δεν συνάγεται, αλλά είναι η ίδια η πρόταση της μισής στροφής διαβασμένη σε συντεταγμένες. Ωστόσο, από αυτό το αξίωμα, από τα γεγονότα για τα μήκη και τα εμβαδά και από το γεγονός για τις ανακλάσεις που δεχόμαστε αμέσως μετά συνάγονται όλα τα υπόλοιπα που χρησιμοποιούνται για τη διαδρομή: σε αυτό το μάθημα, η συμπεριφορά της δεύτερης μισής στροφής και ότι μια στροφή δεν περνά δύο φορές από το ίδιο σημείο· στο μάθημα για τις αντίστροφες τριγωνομετρικές συναρτήσεις, η μονοτονία του ημιτόνου και της εφαπτομένης.
Γεγονός που δεχόμαστε χωρίς απόδειξη (ανακλάσεις και στροφή κατά μισή στροφή). Μια ανάκλαση ως προς μια ευθεία διατηρεί τις αποστάσεις και, μαζί τους, τα μήκη των τόξων, αλλά αντιστρέφει τη φορά περιστροφής: μετασχηματίζει μια διαδρομή με αντίθετη φορά των δεικτών του ρολογιού πάνω σε κύκλο με κέντρο ένα σημείο αυτής της ευθείας σε διαδρομή με τη φορά των δεικτών του ρολογιού του ίδιου μήκους, και αντίστροφα. Η στροφή κατά μισή στροφή γύρω από ένα σημείο, που είναι η σύνθεση των ανακλάσεων ως προς δύο κάθετες ευθείες που περνούν από αυτό, διατηρεί τις αποστάσεις, τα μήκη και επίσης τη φορά περιστροφής.
Το γεγονός αυτό ανήκει στη στοιχειώδη γεωμετρία των κινήσεων του επιπέδου, που αυτός ο κύκλος μαθημάτων δεν αναπτύσσει. Σε συντεταγμένες, η ανάκλαση ως προς τον άξονα είναι ο μετασχηματισμός · απεικονίζει τον μοναδιαίο κύκλο στον εαυτό του, επειδή , και αφήνει σταθερό το σημείο . Με αυτήν, η δεύτερη μισή στροφή της διαδρομής προκύπτει από την πρώτη.
Για κάθε πραγματικό αριθμό , το σημείο είναι το συμμετρικό του ως προς τον άξονα . Επιπλέον, αν , τα σημεία και έχουν μη θετική τεταγμένη και η τετμημένη του είναι μικρότερη από εκείνη του : στη δεύτερη μισή στροφή της, η διαδρομή με αντίθετη φορά των δεικτών του ρολογιού περνά από το κάτω ημικύκλιο, από αριστερά προς τα δεξιά.
Ανακλάται η διαδρομή ως προς τον άξονα , και η περιοδικότητα μεταφέρει την πρώτη μισή στροφή, διανυσμένη προς τα πίσω, στη δεύτερη. Γράφουμε για τις συντεταγμένες του , και για την ανάκλαση ως προς τον άξονα .
Απόδειξη
Η ανάκλαση αλλάζει το πρόσημο της τεταγμένης, απεικονίζει τον μοναδιαίο κύκλο στον εαυτό του και αφήνει σταθερό το σημείο .
Έστω . Από το γεγονός που δεχτήκαμε, η μετασχηματίζει τη διαδρομή με αντίθετη φορά των δεικτών του ρολογιού μήκους που ξεκινά από το και καταλήγει στο σε διαδρομή με τη φορά των δεικτών του ρολογιού του ίδιου μήκους που ξεκινά από το · από τη μοναδικότητα του σημείου στο αξίωμα, η διαδρομή αυτή καταλήγει στο . Αν , εφαρμόζουμε τα παραπάνω στο και ανακλούμε ξανά, επειδή η εφαρμοσμένη δύο φορές αφήνει κάθε σημείο στη θέση του.
Έστω , και έστω και , που ικανοποιούν τη σχέση . Από την περιοδικότητα, , που είναι το συμμετρικό του · με τον ίδιο τρόπο, το είναι το συμμετρικό του .
Από την ιδιότητα της μισής στροφής, εφαρμοσμένη στη σχέση στο , οι τεταγμένες του και του δεν είναι αρνητικές και η τετμημένη του είναι μεγαλύτερη από εκείνη του . Η ανάκλαση διατηρεί τις τετμημένες και αλλάζει το πρόσημο των τεταγμένων: προκύπτει ο ισχυρισμός.
Έστω μια προσανατολισμένη γωνία με κορυφή το κέντρο του μοναδιαίου κύκλου, και έστω το σημείο όπου η αρχική πλευρά τέμνει αυτόν τον κύκλο. Όταν η πλευρά στρέφεται, το σημείο διατρέχει ένα τόξο του κύκλου, όπως στο αξίωμα που διατυπώθηκε παραπάνω. Το μέτρο σε ακτίνια της γωνίας είναι το μήκος αυτού του τόξου, με θετικό πρόσημο αν η στροφή έχει αντίθετη φορά των δεικτών του ρολογιού και αρνητικό αν έχει τη φορά των δεικτών του ρολογιού· αν η στροφή κάνει πολλούς γύρους, κάθε πλήρης στροφή προσθέτει το μήκος του κύκλου.
Ο ορισμός επιτρέπει να μετρήσουμε αμέσως τις γωνίες που είναι απλά κλάσματα της πλήρους στροφής.
Απόδειξη
Ο μοναδιαίος κύκλος έχει κέντρο την κορυφή και ακτίνα · από τον ορισμό του , το μήκος του είναι . Η αρχική πλευρά τον τέμνει στο σημείο .
Όταν η πλευρά στρέφεται με αντίθετη φορά των δεικτών του ρολογιού, το σημείο διατρέχει ένα τόξο· το μήκος αυτού του τόξου είναι το μέτρο της γωνίας.
Ένα ακτίνιο είναι η γωνία της οποίας το τόξο έχει το ίδιο μήκος με την ακτίνα. Επειδή το είναι λίγο μεγαλύτερο από το , ένα ακτίνιο είναι λίγο λιγότερο από το ένα έκτο της στροφής.
Ένα τέταρτο της στροφής διανύει το ένα τέταρτο του κύκλου: η ορθή γωνία μετρά ακτίνια.
Μισή στροφή διανύει το μισό του κύκλου, του οποίου το μήκος είναι εξ ορισμού· η πλήρης στροφή μετρά .
Αν η πλευρά στραφεί κατά ένα τέταρτο της στροφής με τη φορά των δεικτών του ρολογιού, το τόξο που διανύεται έχει το ίδιο μήκος, αλλά η γωνία είναι αρνητική.
Μια γωνία μετρημένη σε ακτίνια είναι ένας πραγματικός αριθμός χωρίς μονάδες: είναι ο λόγος ενός μήκους τόξου προς το μήκος της ακτίνας, που ισούται με . Γι’ αυτό γράφουμε απλώς για μια γωνία δύο ακτινίων· όταν θέλουμε να τονίσουμε τη μονάδα, γράφουμε 2 rad. Αντίθετα, το μέτρο σε μοίρες δηλώνεται πάντα με το σύμβολό του, όπως στο . Αντίστροφα, κάθε πραγματικός αριθμός είναι το μέτρο κάποιας προσανατολισμένης γωνίας: από το αξίωμα της διαδρομής, για κάθε το σημείο μπορεί να διατρέξει τον κύκλο σε μήκος με τη φορά που δείχνει το πρόσημο του , κάνοντας όσες πλήρεις στροφές χρειάζεται, και η ημιευθεία που πηγαίνει από την κορυφή στο σημείο όπου φτάσαμε είναι η τελική πλευρά.
Η μετατροπή ανάμεσα σε μοίρες και ακτίνια
Επειδή η πλήρης στροφή μετρά και επίσης ακτίνια, και επειδή τα δύο μέτρα είναι ανάλογα του μήκους του τόξου στο οποίο βαίνει η γωνία στον μοναδιαίο κύκλο (το μέτρο σε μοίρες από τον ορισμό της μοίρας, και το μέτρο σε ακτίνια επειδή είναι αυτό το μήκος), τα δύο μέτρα μιας γωνίας είναι ανάλογα.
Αν μια γωνία μετρά μοίρες και ακτίνια, τότε και .
Ο κανόνας προκύπτει από την αναλογία ανάμεσα στη γωνία και την πλήρη στροφή, και εφαρμόζεται στη συνέχεια στα αξιοσημείωτα σημεία του κύκλου, τις γωνίες που εμφανίζονται στα στοιχειώδη σχήματα.
Απόδειξη
Μια πλήρης στροφή μετρά μοίρες και ακτίνια.
Ο λόγος μιας γωνίας προς την πλήρη στροφή είναι ο ίδιος και στα δύο μέτρα, επειδή και τα δύο είναι ανάλογα του μήκους του τόξου· κάθε επιπλέον στροφή προσθέτει στο ένα και στο άλλο. Λύνοντας ως προς προκύπτει ο κανόνας.
Με και με : μια μοίρα είναι ένα μικρό κλάσμα του ακτινίου, και ένα ακτίνιο μετρά λίγο περισσότερο από μοίρες, επειδή το είναι περίπου 57,3.
Οι γωνίες των , και μοιρών, που εμφανίζονται στο ισόπλευρο τρίγωνο και στο τετράγωνο, μετατρέπονται απλοποιώντας το κλάσμα.
Η ορθή γωνία, η ευθεία γωνία και τα τρία τέταρτα της στροφής σημαδεύουν τους ημιάξονες.
Οι υπόλοιπες αξιοσημείωτες γωνίες της στροφής προκύπτουν με πρόσθεση ή αφαίρεση· για παράδειγμα, η είναι η μείον .
Στην πράξη, για να περάσουμε από μοίρες σε ακτίνια πολλαπλασιάζουμε με , και για να περάσουμε από ακτίνια σε μοίρες, με . Έτσι, , και · η γωνία των ακτινίων μετρά μοίρες, περίπου 114,6 μοίρες.
Μήκος τόξου και εμβαδόν τομέα
Σε κύκλο ακτίνας , μια επίκεντρη γωνία βαίνει σε ένα τόξο, και οι δύο πλευρές της γωνίας, μαζί με αυτό το τόξο, περικλείουν έναν κυκλικό τομέα. Το μέτρο σε ακτίνια δίνει στους τύπους του μια ιδιαίτερα απλή μορφή.
Σε κύκλο ακτίνας , μια επίκεντρη γωνία ακτινίων, με , βαίνει σε τόξο μήκους , και ο τομέας που ορίζει έχει εμβαδόν .
Το μήκος του τόξου προκύπτει από την αναλογία που δεχτήκαμε. Για το εμβαδόν αποδεικνύεται πρώτα ο τύπος όταν η γωνία είναι ρητό κλάσμα της στροφής, και έπειτα επεκτείνεται σε κάθε γωνία με την πυκνότητα των ρητών, που αποδείχθηκε στο μάθημα του πρώτου κύκλου μαθημάτων για την πραγματική ευθεία.
Απόδειξη
Στον μοναδιαίο κύκλο με το ίδιο κέντρο, η γωνία βαίνει σε τόξο μήκους , από τον ορισμό του ακτινίου.
Από την αναλογία των τόξων προς τις ακτίνες, το αντίστοιχο τόξο στον κύκλο ακτίνας είναι φορές μεγαλύτερο.
Αν , με και φυσικούς και , ο δίσκος χωρίζεται σε ίσους τομείς γωνίας , καθένας με εμβαδόν , και ο τομέας γωνίας είναι η ένωση από αυτούς.
Έστω τώρα οποιαδήποτε, και ας υποθέσουμε ότι το εμβαδόν του τομέα της ήταν μικρότερο από . Από την πυκνότητα των ρητών υπάρχει μια γωνία , ρητό κλάσμα της στροφής, μεταξύ και . Ο τομέας της περιέχεται στον τομέα της , και το εμβαδόν του δίνεται από τον τύπο που βρέθηκε παραπάνω: καταλήγουμε σε άτοπο.
Με τον ίδιο τρόπο, με μια μεταξύ και , που δεν υπερβαίνει τη στροφή επειδή ο τομέας δεν ξεπερνά τον δίσκο, αποκλείεται να είναι το μεγαλύτερο από . Συνεπώς, το εμβαδόν είναι το αναφερόμενο, και με προκύπτει ένας τύπος ανάλογος με εκείνον του εμβαδού τριγώνου με βάση και ύψος .
Αν η γωνία μετριόταν σε μοίρες, οι τύποι θα περιείχαν τον συντελεστή μετατροπής: το τόξο θα ήταν και το εμβαδόν του τομέα . Η απλότητα του είναι ο κύριος λόγος για να προτιμάται το ακτίνιο. Επιπλέον, ο τύπος δίνει το μέτρο μιας γωνίας σε οποιονδήποτε κύκλο, όχι μόνο στον μοναδιαίο: το είναι ο λόγος του τόξου προς την ακτίνα, και δεν εξαρτάται από την ακτίνα που επιλέγεται.
Η εγγεγραμμένη γωνία
Μια γωνία με κορυφή το κέντρο ενός κύκλου λέγεται επίκεντρη γωνία. Αν τα , και είναι τρία διαφορετικά σημεία ενός κύκλου, η γωνία που σχηματίζουν στο οι χορδές και λέγεται εγγεγραμμένη γωνία, και λέμε ότι βαίνει στο τόξο με άκρα τα και που δεν περιέχει το . Από το θεώρημα που προηγήθηκε, σε ένα τόξο μήκους κύκλου ακτίνας αντιστοιχεί η επίκεντρη γωνία των ακτινίων, ακόμη κι αν ο αριθμός αυτός υπερβαίνει τον . Για να συγκρίνουμε την εγγεγραμμένη γωνία με την επίκεντρη δεχόμαστε τα γεγονότα της στοιχειώδους γεωμετρίας που ακολουθούν, τα οποία αυτός ο κύκλος μαθημάτων δεν αποδεικνύει επειδή δεν αναπτύσσει τη συνθετική γεωμετρία. Τα δύο πρώτα μετρούν τις γωνίες ενός τριγώνου· τα δύο τελευταία είναι γεγονότα θέσης, που λένε πώς μοιράζονται οι γωνίες και τα τόξα όταν μια ημιευθεία περνά από το εσωτερικό μιας γωνίας.
Γεγονός που δεχόμαστε χωρίς απόδειξη (γωνίες του τριγώνου και θέσεις στον κύκλο). Δεχόμαστε τους τέσσερις ισχυρισμούς που ακολουθούν, στους οποίους οι μη προσανατολισμένες γωνίες μετρώνται σε ακτίνια, μεταξύ και .
- Άθροισμα των γωνιών: οι τρεις γωνίες ενός τριγώνου έχουν άθροισμα μια ευθεία γωνία, δηλαδή ακτίνια.
- Ισοσκελές τρίγωνο: σε ένα τρίγωνο με δύο ίσες πλευρές, οι γωνίες που βρίσκονται απέναντι από αυτές τις πλευρές είναι ίσες.
- Άθροισμα εφεξής γωνιών: αν μια ημιευθεία που ξεκινά από την κορυφή μιας γωνίας περνά από το εσωτερικό της, τη χωρίζει σε δύο γωνίες των οποίων τα μέτρα έχουν άθροισμα το μέτρο της δοσμένης γωνίας.
- Θέση του κέντρου: έστω , και τρία διαφορετικά σημεία ενός κύκλου με κέντρο , και έστω το άλλο άκρο της διαμέτρου που ξεκινά από το . Αν το δεν βρίσκεται ούτε στη χορδή ούτε στη , συμβαίνει ένα από τα δύο. Είτε το βρίσκεται στο εσωτερικό της γωνίας που σχηματίζουν στο αυτές οι χορδές, και τότε η ημιευθεία που πηγαίνει από το στο περνά από αυτό το εσωτερικό και το βρίσκεται στο τόξο με άκρα τα και που δεν περιέχει το . Είτε το βρίσκεται έξω από αυτή τη γωνία, και τότε ένα από τα σημεία και , που μπορεί να ονομαστεί , βρίσκεται στο τόξο με άκρα τα και που δεν περιέχει το , και η ημιευθεία που πηγαίνει από το στο περνά από το εσωτερικό της γωνίας που σχηματίζουν στο οι χορδές και .
Έστω , και τρία διαφορετικά σημεία ενός κύκλου με κέντρο και ακτίνα , και έστω το μήκος του τόξου με άκρα τα και που δεν περιέχει το . Η εγγεγραμμένη γωνία που σχηματίζουν στο οι χορδές και είναι το μισό της επίκεντρης γωνίας που αντιστοιχεί σε αυτό το τόξο.
Η απόδειξη εξετάζει πρώτα την περίπτωση όπου μια πλευρά της εγγεγραμμένης γωνίας περνά από το κέντρο, και ανάγει σε αυτήν τις άλλες δύο περιπτώσεις του γεγονότος για τη θέση του κέντρου μέσω της διαμέτρου που ξεκινά από το .
Απόδειξη
Ας υποθέσουμε πρώτα ότι το κέντρο βρίσκεται στη χορδή , που τότε είναι διάμετρος (η περίπτωση όπου βρίσκεται στη χορδή είναι ίδια). Έστω η γωνία στο του τριγώνου με κορυφές τα , και , που είναι γνήσιο τρίγωνο επειδή το , διαφορετικό από το και από το , δεν βρίσκεται στην ευθεία που τα ενώνει· το τρίγωνο αυτό είναι ισοσκελές, επειδή οι και είναι ακτίνες, και οι γωνίες του στο και στο είναι ίσες.
Έστω η επίκεντρη γωνία που σχηματίζουν οι ακτίνες και . Επειδή τα , και είναι συνευθειακά, η και η γωνία στο του τριγώνου έχουν άθροισμα · επειδή και οι τρεις γωνίες του τριγώνου έχουν άθροισμα , η είναι το άθροισμα των δύο άλλων. Επιπλέον, η γωνία στο είναι θετική, οπότε το είναι μικρότερο από , και το ίδιο ισχύει για τη .
Οι ακτίνες και χωρίζουν τον κύκλο σε δύο τόξα· επειδή , από το θεώρημα του τόξου, εκείνο στο οποίο βαίνει η έχει μήκος , μικρότερο από το ημικύκλιο, και το άλλο μεγαλύτερο. Το σημείο , αντιδιαμετρικό του , απέχει ένα ημικύκλιο από το και προς τις δύο φορές, οπότε δεν βρίσκεται στο μικρότερο τόξο: αυτό είναι το τόξο στο οποίο βαίνει η , και .
Αν το κέντρο βρίσκεται στο εσωτερικό της γωνίας, έστω το άλλο άκρο της διαμέτρου που ξεκινά από το . Από το γεγονός για τη θέση του κέντρου που δεχτήκαμε, η ημιευθεία από το στο χωρίζει τη γωνία σε δύο, καθεμία με μια πλευρά που περνά από το κέντρο, των οποίων τα μέτρα έχουν άθροισμα από το άθροισμα εφεξής γωνιών· και το χωρίζει το τόξο στο οποίο βαίνει η γωνία σε δύο τόξα, με μήκη και , που έχουν άθροισμα . Από την περίπτωση που προηγήθηκε, εφαρμοσμένη σε καθεμία από τις δύο γωνίες, προκύπτει το εξής.
Αν το κέντρο βρίσκεται έξω από τη γωνία, έστω πάλι το άλλο άκρο της διαμέτρου που ξεκινά από το . Από το γεγονός για τη θέση του κέντρου που δεχτήκαμε, μπορούμε να υποθέσουμε ότι το βρίσκεται στο τόξο που πηγαίνει από το στο χωρίς να περνά από το , και ότι η ημιευθεία από το στο χωρίζει τη γωνία με πλευρές και στη γωνία με πλευρές και και στη . Αυτό το τόξο, μήκους , αποτελείται από το τόξο που πηγαίνει από το στο , μήκους , και από το τόξο στο οποίο βαίνει η · και η είναι η διαφορά δύο γωνιών με μια πλευρά που περνά από το κέντρο.
Δύο εγγεγραμμένες γωνίες με τα ίδια άκρα και είναι ίσες αν οι κορυφές τους βρίσκονται στο ίδιο από τα δύο τόξα που ορίζει η χορδή , και παραπληρωματικές αν βρίσκονται σε διαφορετικά τόξα. Ειδικότερα, κάθε γωνία εγγεγραμμένη σε ημικύκλιο, δηλαδή με άκρα και τα άκρα μιας διαμέτρου, είναι ορθή.
Αρκεί να διαβάσουμε, σε κάθε περίπτωση, σε ποιο τόξο βαίνει κάθε γωνία, και να εφαρμόσουμε το θεώρημα. Έστω και οι κορυφές, και οι γωνίες, και το μήκος του τόξου με άκρα τα και που δεν περιέχει το .
Απόδειξη
Αν το βρίσκεται στο ίδιο τόξο με το , οι δύο γωνίες βαίνουν στο άλλο τόξο, μήκους , και από το θεώρημα έχουν το ίδιο μέτρο.
Αν το βρίσκεται στο άλλο τόξο, η γωνία του βαίνει στο τόξο που περιέχει το , του οποίου το μήκος είναι ό,τι λείπει από το για να συμπληρωθεί ο κύκλος· τα δύο μέτρα έχουν άθροισμα μια ευθεία γωνία.
Αν η είναι διάμετρος, τα δύο τόξα είναι ημικύκλια, μήκους , και η γωνία είναι ορθή· αυτή η ειδική περίπτωση είναι γνωστή ως θεώρημα του Θαλή.
Τα σημεία που δεν βρίσκονται στον κύκλο βλέπουν τη χορδή υπό άλλες γωνίες. Το αποτέλεσμα που ακολουθεί το δεχόμαστε επίσης από τη στοιχειώδη γεωμετρία: προκύπτει από το θεώρημα που προηγήθηκε και από την πρόταση 21 του βιβλίου I των «Στοιχείων» του Ευκλείδη, σύμφωνα με την οποία ένα σημείο εσωτερικό ενός τριγώνου βλέπει μία από τις πλευρές του υπό γωνία μεγαλύτερη από ό,τι η απέναντι κορυφή· η απόδειξή του όμως απαιτεί να ξέρουμε πού τέμνουν τον κύκλο τα ευθύγραμμα τμήματα που ξεκινούν από το σημείο, ένα ζήτημα θέσης που αυτός ο κύκλος μαθημάτων δεν αναπτύσσει. Θα χρησιμοποιηθεί στο τελευταίο λυμένο πρόβλημα του μαθήματος για τις αντίστροφες τριγωνομετρικές συναρτήσεις.
Γεγονός που δεχόμαστε χωρίς απόδειξη (γωνίες από εσωτερικά και εξωτερικά σημεία). Έστω και δύο σημεία ενός κύκλου, και το κοινό μέτρο των εγγεγραμμένων γωνιών με άκρα και των οποίων η κορυφή βρίσκεται σε ένα από τα δύο τόξα που αυτά ορίζουν. Αν το είναι ένα σημείο που δεν βρίσκεται στον κύκλο, στο ίδιο μέρος της ευθείας με εκείνο το τόξο, η γωνία που σχηματίζουν στο τα ευθύγραμμα τμήματα και είναι μικρότερη από αν το είναι εξωτερικό του κυκλικού δίσκου, και μεγαλύτερη από αν είναι εσωτερικό.
Κανονική θέση και γωνίες με κοινή τελική πλευρά
Στο καρτεσιανό επίπεδο, που μελετήθηκε στο μάθημα του πρώτου κύκλου μαθημάτων για την εξίσωση της ευθείας και τα καρτεσιανά συστήματα, κάθε γωνία έχει μια προνομιακή θέση.
Μια προσανατολισμένη γωνία βρίσκεται σε κανονική θέση αν η κορυφή της είναι η αρχή των αξόνων και η αρχική της πλευρά είναι ο θετικός ημιάξονας . Η τελική της πλευρά είναι τότε η ημιευθεία που ξεκινά από την αρχή των αξόνων και περνά από το σημείο του αξιώματος της διαδρομής, δηλαδή το σημείο του μοναδιαίου κύκλου στο οποίο φτάνουμε διανύοντας, από το , ένα τόξο μήκους με τη φορά που δείχνει το πρόσημο του . Δύο γωνίες είναι γωνίες με κοινή τελική πλευρά αν, σε κανονική θέση, έχουν την ίδια τελική πλευρά.
Οι άξονες χωρίζουν το επίπεδο σε τέσσερα τεταρτημόρια, αριθμημένα με αντίθετη φορά των δεικτών του ρολογιού ξεκινώντας από εκείνο που περιέχει τα σημεία με θετικές συντεταγμένες. Μια γωνία σε κανονική θέση βρίσκεται στο τεταρτημόριο που περιέχει την τελική της πλευρά· αν αυτή πέφτει πάνω σε άξονα, η γωνία λέγεται γωνία πολλαπλάσια της ορθής. Οι συντεταγμένες του σημείου είναι το συνημίτονο και το ημίτονο του , που θα μελετηθούν στο μάθημα που ακολουθεί, για τους τριγωνομετρικούς αριθμούς.
Μια πλήρης στροφή, με οποιαδήποτε φορά, επαναφέρει την πλευρά στη θέση της, λόγω της περιοδικότητας της διαδρομής: η γωνία έχει κοινή τελική πλευρά με την , και το ίδιο ισχύει για τις , και, γενικά, με ακέραιο. Για να μάθουμε πού καταλήγει μια οποιαδήποτε γωνία αρκεί, λοιπόν, να αφαιρέσουμε τις πλήρεις στροφές, όπως αφαιρούνται τα πολλαπλάσια του διαιρέτη στο μάθημα του πρώτου κύκλου μαθημάτων για τη διαιρετότητα και τη διαίρεση με υπόλοιπο. Το θεώρημα που ακολουθεί είναι η πραγματική εκδοχή εκείνης της διαίρεσης: ο διαιρέτης είναι το , το πηλίκο είναι ο αριθμός των στροφών και το υπόλοιπο η γωνία που απομένει.
Για κάθε πραγματικό αριθμό υπάρχουν ένας μοναδικός ακέραιος και ένας μοναδικός πραγματικός τέτοιοι ώστε και .
Η ύπαρξη στηρίζεται στην αρχιμήδεια ιδιότητα, που αποδείχθηκε στο μάθημα του πρώτου κύκλου μαθημάτων για τη δεκαδική παράσταση των ρητών αριθμών, και η μοναδικότητα στο ότι ένας ακέραιος που βρίσκεται γνησίως μεταξύ και είναι μηδέν.
Απόδειξη
Έστω ένας πραγματικός αριθμός. Από την αρχιμήδεια ιδιότητα και την αρχή της καλής διάταξης, όπως στην απόδειξη της πυκνότητας των ρητών στο μάθημα για την πραγματική ευθεία, υπάρχει ο μικρότερος ακέραιος που είναι μεγαλύτερος από · έστω , που δεν είναι πια μεγαλύτερος από αυτόν τον αριθμό.
Πολλαπλασιάζουμε με , που είναι θετικός, και αφαιρούμε από τα τρία μέλη.
Έστω . Τότε η αποτελείται από πλήρεις στροφές ακολουθούμενες από τη γωνία , που βρίσκεται στον πρώτο κύκλο: οι και έχουν κοινή τελική πλευρά.
Για τη μοναδικότητα, ας υποθέσουμε ότι επίσης , με ακέραιο και . Αφαιρώντας τις δύο γραφές, η διαφορά είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του · και επειδή οι δύο αριθμοί βρίσκονται στο διάστημα , η διαφορά αυτή βρίσκεται μεταξύ και .
Διαιρώντας με , ο ακέραιος βρίσκεται γνησίως μεταξύ και : είναι μηδέν. Συνεπώς, και, από την ισότητα που προηγήθηκε, .
Για παράδειγμα, για έχουμε , που βρίσκεται μεταξύ και : είναι , και η γωνία κάνει σχεδόν δύο στροφές με τη φορά των δεικτών του ρολογιού για να καταλήξει στην πλευρά της .
Ο αριθμός λέγεται αναγωγή της στον πρώτο κύκλο. Σε μοίρες, ο ίδιος συλλογισμός, με στη θέση του , ανάγει οποιαδήποτε γωνία σε μια γωνία μεταξύ και , χωρίς την τελευταία: για παράδειγμα, . Με την αναγωγή αναγνωρίζονται όλες οι γωνίες που καταλήγουν στην ίδια πλευρά· πριν από αυτό χρειάζεται να ξέρουμε ότι μια στροφή δεν περνά δύο φορές από το ίδιο σημείο, πράγμα που συνάγεται από το αξίωμα της διαδρομής.
Αν , τότε .
Χωρίζουμε τις περιπτώσεις ανάλογα με τη μισή στροφή στην οποία βρίσκονται τα και : σε καθεμία, η τετμημένη είναι γνησίως μονότονη· από τη μία στην άλλη, αλλάζει το πρόσημο της τεταγμένης. Γράφουμε για τις συντεταγμένες του .
Απόδειξη
Από την ιδιότητα της μισής στροφής, όταν το αυξάνει από έως η τετμημένη του φθίνει γνησίως από έως · από την πρόταση της δεύτερης μισής στροφής, όταν το αυξάνει από έως αυξάνει γνησίως από έως την τετμημένη του , που από την περιοδικότητα είναι .
Σε αυτές τις περιπτώσεις η τεταγμένη δεν είναι μηδέν, επειδή το τετράγωνό της είναι : είναι θετική στην πρώτη μισή στροφή, επειδή δεν είναι αρνητική, και αρνητική στη δεύτερη, επειδή δεν είναι θετική.
Αν τα και βρίσκονται και τα δύο στο , ή και τα δύο στο , τα δύο σημεία έχουν διαφορετικές τετμημένες, λόγω της γνήσιας μονοτονίας σε κάθε μισή στροφή.
Αν , το σημείο έχει αρνητική τεταγμένη, ενώ η τεταγμένη του , στην πρώτη μισή στροφή, δεν είναι αρνητική. Σε όλες τις περιπτώσεις τα δύο σημεία είναι διαφορετικά.
Δύο γωνίες και έχουν κοινή τελική πλευρά αν και μόνο αν η διαφορά τους είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του , δηλαδή αν υπάρχει ακέραιος τέτοιος ώστε . Ειδικότερα, έχουν κοινή τελική πλευρά αν και μόνο αν έχουν την ίδια αναγωγή στον πρώτο κύκλο.
Κάθε γωνία αντικαθίσταται από την αναγωγή της, και το λήμμα που προηγήθηκε συγκρίνει τις αναγωγές.
Απόδειξη
Από το θεώρημα της αναγωγής, και , με τα και στο · από την περιοδικότητα της διαδρομής, οι πλήρεις στροφές δεν αλλάζουν το σημείο, και η τελική πλευρά κάθε γωνίας είναι εκείνη της αναγωγής της.
Αν , από το λήμμα που προηγήθηκε τα σημεία και είναι διαφορετικά, και επίσης οι τελικές πλευρές· αν είναι ίσες, οι πλευρές συμπίπτουν. Συνεπώς, οι γωνίες έχουν κοινή τελική πλευρά αν και μόνο αν έχουν την ίδια αναγωγή.
Αν οι αναγωγές είναι ίσες, η διαφορά είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του . Αντίστροφα, αν , τότε , και από τη μοναδικότητα της αναγωγής, .
Από αυτό προκύπτει ότι οι γωνίες με κοινή τελική πλευρά με την είναι ακριβώς εκείνες της μορφής , με ακέραιο, και ότι το τεταρτημόριο μιας γωνίας το καθορίζει η αναγωγή της: βρίσκεται στο πρώτο τεταρτημόριο αν , στο δεύτερο αν , στο τρίτο αν και στο τέταρτο αν · είναι γωνία πολλαπλάσια της ορθής αν η είναι , , ή . Έτσι, η βρίσκεται στο πρώτο τεταρτημόριο, και η , της οποίας η αναγωγή είναι , στο τέταρτο.
Τέλος, κάθε σημείο του μοναδιαίου κύκλου είναι το σημείο κάποιας γωνίας: αυτή είναι η ιδιότητα της κάλυψης του αξιώματος της διαδρομής, που λέει ότι διατρέχοντας τον κύκλο από το περνάμε από όλα τα σημεία του. Αν είναι έτσι, από την αναγωγή στον πρώτο κύκλο, την περιοδικότητα και το λήμμα των γωνιών με κοινή τελική πλευρά, κάθε σημείο του μοναδιαίου κύκλου είναι το για μία μόνο στο , και οι γωνίες που του αντιστοιχούν είναι ακριβώς εκείνες που έχουν κοινή τελική πλευρά με αυτή τη .
Γωνιακή ταχύτητα και γραμμική ταχύτητα
Όταν ένα σώμα στρέφεται γύρω από έναν άξονα, όλα τα σημεία του διαγράφουν τόξα κύκλων με κέντρο πάνω στον άξονα, και όλα στρέφονται κατά την ίδια γωνία στον ίδιο χρόνο. Αν σε χρόνο το σώμα στρέφεται, με σταθερό ρυθμό, κατά γωνία , η γωνιακή του ταχύτητα είναι ο λόγος , που μετριέται σε ακτίνια ανά δευτερόλεπτο· εκφράζεται επίσης σε στροφές ανά λεπτό, και επειδή μια στροφή είναι ακτίνια και ένα λεπτό δευτερόλεπτα, μία στροφή ανά λεπτό ισοδυναμεί με ακτίνια ανά δευτερόλεπτο.
Ένα σημείο που απέχει από τον άξονα διανύει, σε αυτόν τον χρόνο, τόξο μήκους , από το θεώρημα του μήκους τόξου. Η γραμμική του ταχύτητα, ο λόγος της απόστασης που διανύθηκε προς τον χρόνο, είναι συνεπώς το γινόμενο της ακτίνας επί τη γωνιακή ταχύτητα:
Από αυτό προκύπτει ότι, σε ένα σώμα που στρέφεται, η γωνιακή ταχύτητα είναι η ίδια για όλα τα σημεία, ενώ η γραμμική αυξάνει αναλογικά με την απόσταση από τον άξονα: το χείλος ενός δίσκου που γυρίζει κινείται πιο γρήγορα από τα σημεία κοντά στο κέντρο. Αυτή η σχέση, που ισχύει μόνο αν οι γωνίες μετρώνται σε ακτίνια, είναι το σημείο εκκίνησης της μελέτης της κυκλικής κίνησης στον κύκλο μαθημάτων Βασικές αρχές της μηχανικής. Δύο τροχοί που συνδέονται με ιμάντα ή με αλυσίδα που δεν γλιστρά, ή που εμπλέκονται μεταξύ τους, έχουν στο σημείο επαφής την ίδια γραμμική ταχύτητα· συνεπώς, , και ο μικρότερος τροχός γυρίζει πιο γρήγορα, όπως θα φανεί στο λυμένο πρόβλημα 3.
Λυμένα προβλήματα
Τα προβλήματα μετρούν τη Γη από μια γωνία, υπολογίζουν το εμβαδόν ενός κυκλικού τμήματος, μεταδίδουν μια στροφή μέσω αλυσίδας, αναζητούν τον τομέα με το μεγαλύτερο εμβαδόν για δοσμένη περίμετρο και μετρούν τις συμπτώσεις των δεικτών ενός ρολογιού. Καθένα απαιτεί μια δική του ιδέα, που αξίζει να αναζητηθεί πριν διαβαστεί η λύση.
Γύρω στο 240 πριν από την εποχή μας, ο Ερατοσθένης παρατήρησε ότι το μεσημέρι του θερινού ηλιοστασίου ο Ήλιος φώτιζε τον πάτο των πηγαδιών της Συήνης, ενώ στην Αλεξάνδρεια, που βρίσκεται βόρεια και, όπως υπέθεσε, στον ίδιο μεσημβρινό, οι ακτίνες σχημάτιζαν με την κατακόρυφο γωνία 7 μοιρών και 12 πρώτων λεπτών. Παίρνοντας ως απόσταση των δύο πόλεων τα 800 km, να υπολογιστούν η ακτίνα της Γης και το μήκος του μεσημβρινού, το μήκος του τόξου του μεσημβρινού που αντιστοιχεί σε ένα πρώτο λεπτό και η απόσταση, κατά μήκος του μεσημβρινού, από τον ισημερινό έως ένα σημείο με γεωγραφικό πλάτος .
Λύση
Η γωνία, εκφρασμένη σε μοίρες, είναι συν δώδεκα εξηκοστά· είναι το ένα πεντηκοστό της στροφής, επειδή .
Επειδή οι ακτίνες του Ήλιου φτάνουν παράλληλες και στη Συήνη πέφτουν στη διεύθυνση της ακτίνας της Γης, η γωνία στην Αλεξάνδρεια ανάμεσα στην ακτίνα του Ήλιου και την κατακόρυφο είναι ίση με εκείνη που σχηματίζουν στο κέντρο της Γης οι ακτίνες των δύο πόλεων: είναι εντός εναλλάξ γωνίες παραλλήλων. Σε ακτίνια, από τον κανόνα μετατροπής, είναι η εξής.
Τα 800 km είναι το τόξο του μεσημβρινού στο οποίο βαίνει αυτή η επίκεντρη γωνία. Από τη σχέση λύνουμε ως προς την ακτίνα, περίπου 6366 km.
Το μήκος του μεσημβρινού είναι το μήκος του κύκλου ακτίνας · είναι επίσης φορές η απόσταση των δύο πόλεων.
Ένα πρώτο λεπτό είναι το ένα εξηκοστό της μοίρας, δηλαδή ακτίνια. Το τόξο του έχει μήκος περίπου 1,852 km: είναι το ναυτικό μίλι, που ορίστηκε ακριβώς έτσι.
Το γεωγραφικό πλάτος ενός σημείου είναι η γωνία που σχηματίζει η ακτίνα του με το επίπεδο του ισημερινού· οι είναι ακτίνια. Η ζητούμενη απόσταση είναι περίπου 3667 km.
Ο Ερατοσθένης εξέφρασε την απόσταση σε στάδια, των οποίων η ακριβής τιμή συζητείται· με τον αριθμό που υιοθετήθηκε εδώ, ο μεσημβρινός έχει μήκος 40000 km, και όχι τυχαία: στα τέλη του 18ου αιώνα το μέτρο ορίστηκε ως το ένα δεκάκις εκατομμυριοστό του τεταρτημορίου του μεσημβρινού. Από την άλλη πλευρά, η Αλεξάνδρεια δεν βρίσκεται ακριβώς βόρεια της Συήνης, αλλά περίπου τρεις μοίρες δυτικότερα, οπότε το τόξο που τις ενώνει δεν είναι εντελώς τόξο μεσημβρινού.
Μια χορδή με άκρα και , σε κύκλο με κέντρο και ακτίνα , βαίνει σε επίκεντρη γωνία . Να υπολογιστεί το εμβαδόν του κυκλικού τμήματος που περικλείεται από τη χορδή και το μικρότερο τόξο με άκρα και , και το κλάσμα του δίσκου που καταλαμβάνει.
Λύση
Το κυκλικό τμήμα είναι ό,τι απομένει από τον τομέα με κορυφή και άκρα και όταν αφαιρεθεί το τρίγωνο με κορυφές , και . Το εμβαδόν του τομέα το δίνει το θεώρημα του τομέα.
Το τρίγωνο αυτό έχει δύο πλευρές ίσες με την ακτίνα: είναι ισοσκελές, και οι γωνίες του στο και στο είναι ίσες. Επειδή οι τρεις γωνίες ενός τριγώνου έχουν άθροισμα , από το γεγονός που δεχτήκαμε σε αυτό το μάθημα, καθεμία από αυτές μετρά , και το τρίγωνο είναι ισόπλευρο, με πλευρά .
Το ύψος από το τέμνει τη βάση στο μέσο της· από το πυθαγόρειο θεώρημα, το τετράγωνό του είναι . Το εμβαδόν του τριγώνου είναι το μισό της βάσης επί το ύψος.
Το εμβαδόν του κυκλικού τμήματος είναι η διαφορά, με κοινό παρονομαστή · είναι θετικό, επειδή .
Διαιρώντας με το εμβαδόν του δίσκου, το κυκλικό τμήμα καταλαμβάνει περίπου το 2,9 τοις εκατό του δίσκου· ο τομέας καταλαμβάνει το ένα έκτο, και το τρίγωνο γεμίζει περίπου το 83 τοις εκατό του τομέα.
Σε ένα ποδήλατο, η αλυσίδα συνδέει το μπροστινό γρανάζι, ακτίνας cm, που κινούν τα πετάλια, με το πίσω γρανάζι, ακτίνας cm, στερεωμένο στον άξονα του πίσω τροχού, του οποίου η ακτίνα είναι cm. Αν ο ποδηλάτης κάνει μία περιστροφή του πεταλιού ανά δευτερόλεπτο, να υπολογιστούν η γωνιακή ταχύτητα του τροχού και η ταχύτητα του ποδηλάτου, με την υπόθεση ότι η αλυσίδα δεν γλιστρά και ότι ο τροχός κυλίεται χωρίς να ολισθαίνει.
Λύση
Μία περιστροφή ανά δευτερόλεπτο είναι ακτίνια ανά δευτερόλεπτο: αυτή είναι η γωνιακή ταχύτητα του μπροστινού γραναζιού.
Όλα τα σημεία της αλυσίδας κινούνται με την ίδια ταχύτητα, που είναι η γραμμική ταχύτητα του χείλους του μπροστινού γραναζιού, σε εκατοστά ανά δευτερόλεπτο.
Η αλυσίδα σέρνει το χείλος του πίσω γραναζιού με την ίδια γραμμική ταχύτητα· από τη σχέση προκύπτει η γωνιακή ταχύτητα του πίσω γραναζιού: δυόμισι στροφές ανά δευτερόλεπτο.
Ο τροχός είναι στερεωμένος στον άξονα του πίσω γραναζιού και στρέφεται με την ίδια γωνιακή ταχύτητα, αλλά το χείλος του βρίσκεται πολύ πιο μακριά από τον άξονα, και η γραμμική του ταχύτητα είναι πολύ μεγαλύτερη, σε εκατοστά ανά δευτερόλεπτο.
Αν ο τροχός δεν ολισθαίνει, σε κάθε στροφή το ποδήλατο προχωρεί όσο το μήκος της περιφέρειας του τροχού, που ακουμπά διαδοχικά στο έδαφος: η ταχύτητά του είναι η ταχύτητα του χείλους του τροχού. Ένα εκατοστό ανά δευτερόλεπτο είναι χιλιόμετρα ανά ώρα, οπότε το ποδήλατο κινείται με περίπου 19,8 χιλιόμετρα ανά ώρα.
Με ένα σύρμα μήκους σχηματίζεται το περίγραμμα ενός κυκλικού τομέα: δύο ακτίνες και το τόξο που τις ενώνει. Να βρεθούν η ακτίνα και η γωνία του τομέα με το μεγαλύτερο εμβαδόν, και η τιμή αυτού του εμβαδού.
Λύση
Αν η ακτίνα είναι και η γωνία , το περίγραμμα αποτελείται από δύο ακτίνες και ένα τόξο μήκους .
Από το θεώρημα του τομέα, το εμβαδόν είναι το μισό της ακτίνας επί το τόξο: είναι τετραγωνική συνάρτηση της ακτίνας.
Το τόξο πρέπει να είναι θετικό και όχι μεγαλύτερο από ολόκληρο τον κύκλο, δηλαδή · από τις και προκύπτει το διάστημα των δυνατών ακτίνων.
Συμπληρώνοντας το τετράγωνο, το εμβαδόν είναι ένας σταθερός αριθμός μείον ένα τετράγωνο. Η γραφική του παράσταση, ως συνάρτηση του , είναι η παραβολή , που ανοίγει προς τα κάτω· από το θεώρημα της κορυφής του μαθήματος του πρώτου κύκλου μαθημάτων για τον χαρακτηρισμό των παραβολών, το υψηλότερο σημείο της είναι η κορυφή.
Η τετμημένη της κορυφής, , ανήκει στο διάστημα των δυνατών ακτίνων, επειδή . Συνεπώς, το μέγιστο εμβαδόν επιτυγχάνεται ακριβώς με αυτή την ακτίνα.
Το αντίστοιχο τόξο έχει μήκος , και η γωνία είναι ο λόγος του τόξου προς την ακτίνα: ακτίνια, περίπου 114,6 μοίρες, όποιο κι αν είναι το . Περιέργως, το μέγιστο εμβαδόν είναι εκείνο του τετραγώνου με περίμετρο .
Να υπολογιστεί η γωνία που σχηματίζουν οι δείκτες ενός ρολογιού στις 3:40. Να αποδειχθεί έπειτα ότι, από τις 12:00 έως τις 12:00 που ακολουθούν (χωρίς αυτές τις τελευταίες), οι δείκτες συμπίπτουν ακριβώς έντεκα φορές, σε ίσα χρονικά διαστήματα των ωρών.
Λύση
Μετράμε τη θέση κάθε δείκτη με τη γωνία, σε μοίρες και με τη φορά των δεικτών του ρολογιού, κατά την οποία έχει στραφεί από τις 12:00. Ύστερα από ώρες, ο λεπτοδείκτης έχει κάνει στροφές, και ο ωροδείκτης, που κάνει μία στροφή κάθε 12 ώρες, έχει στραφεί κατά ανά ώρα.
Στις 3:40 έχουν περάσει ώρες. Ο λεπτοδείκτης έχει κάνει τρεις πλήρεις στροφές, που δεν αλλάζουν τη θέση του, και βρίσκεται στην αναγωγή της γωνίας του.
Ο ωροδείκτης δεν έχει συμπληρώσει καμία στροφή.
Η διαφορά των ανηγμένων θέσεων είναι μικρότερη από , οπότε είναι η γωνία που σχηματίζουν οι δείκτες, σε μοίρες και σε ακτίνια.
Οι δείκτες συμπίπτουν όταν οι γωνίες τους έχουν κοινή τελική πλευρά, δηλαδή, από το λήμμα των γωνιών με κοινή τελική πλευρά, όταν η διαφορά τους είναι ακέραιο πολλαπλάσιο μιας στροφής.
Η συνθήκη ισοδυναμεί με : υπάρχουν ακριβώς έντεκα συμπτώσεις, για , και δύο διαδοχικές απέχουν ώρες, δηλαδή περίπου μία ώρα, 5 λεπτά και 27 δευτερόλεπτα. Οι θέσεις του ωροδείκτη, μοίρες, είναι οι κορυφές ενός κανονικού ενδεκαγώνου.
Προτεινόμενα προβλήματα
Τα προβλήματα ακολουθούν τις ιδέες του μαθήματος: να μετατραπεί ένας τομέας σε κώνο, να εκτιμηθεί το μήκος μιας σπείρας αθροίζοντας κύκλους, να αναλυθεί μια ταινία σε ευθύγραμμα κομμάτια και τόξα των οποίων οι επίκεντρες γωνίες αθροίζονται, και να αναχθούν οι γωνίες στον πρώτο κύκλο μέσω των γωνιών με κοινή τελική πλευρά για να μετρηθούν θέσεις και χρονικές στιγμές. Το καθένα έχει μια υπόδειξη, που αξίζει να ανοιχτεί μόνο αφού έχει γίνει προσπάθεια· όσα ζητούν απόδειξη έχουν, επιπλέον, μια αναλυτική λύση.
Από ένα φύλλο χαρτί κόβεται ένας κυκλικός τομέας ακτίνας cm και γωνίας , και κολλιούνται οι δύο ακτίνες του ώστε να σχηματιστεί η παράπλευρη επιφάνεια ενός κώνου. Να υπολογιστούν η ακτίνα της βάσης και το ύψος του κώνου.
Υπόδειξη
Το τόξο του τομέα γίνεται ο κύκλος της βάσης, και η ακτίνα του τομέα γίνεται η απόσταση της κορυφής του κώνου από οποιοδήποτε σημείο αυτού του κύκλου. Το ύψος προκύπτει έπειτα με το πυθαγόρειο θεώρημα.
Απάντηση
Η ακτίνα της βάσης είναι cm και το ύψος cm.
Σε έναν ψηφιακό δίσκο, η πληροφορία είναι εγγεγραμμένη κατά μήκος μίας μόνο σπειροειδούς τροχιάς, που αρχίζει σε απόσταση 2,3 cm από το κέντρο και τελειώνει στα 5,8 cm· δύο διαδοχικές σπείρες της απέχουν 1,6 μικρόμετρα. Η κεφαλή ανάγνωσης διατρέχει την τροχιά με σταθερή γραμμική ταχύτητα 1,2 μέτρων ανά δευτερόλεπτο. Να εκτιμηθούν το μήκος της τροχιάς και η διάρκεια μιας πλήρους ανάγνωσης, προσεγγίζοντας κάθε σπείρα με έναν κύκλο με κέντρο στον άξονα του δίσκου.
Υπόδειξη
Αν και είναι η αρχική και η τελική ακτίνα και η απόσταση ανάμεσα στις σπείρες, υπάρχουν σπείρες, με ακτίνες , , , και ούτω καθεξής. Τα μήκη τους σχηματίζουν αριθμητική πρόοδο, της οποίας το άθροισμα υπολογίστηκε στο μάθημα του πρώτου κύκλου μαθημάτων για τα αθροίσματα, τις προόδους και την επαγωγή· το αποτέλεσμα είναι πολύ κοντά στο εμβαδόν του κυκλικού δακτυλίου διαιρεμένο με την απόσταση των σπειρών. Πρόσεξε τις μονάδες.
Απάντηση
Η σπείρα κάνει γύρους, και το μήκος της είναι περίπου το εξής, περίπου 5,57 km· η πλήρης ανάγνωση διαρκεί περίπου 4640 δευτερόλεπτα, δηλαδή περίπου 77 λεπτά.
Τρεις ίσοι κυλινδρικοί σωλήνες, ακτίνας , τοποθετούνται παράλληλα, καθένας ακουμπώντας στους άλλους δύο, και δένονται με μια τεντωμένη ταινία που τους περιβάλλει. Να αποδειχθεί ότι η ταινία έχει μήκος , και να υπολογιστεί το μήκος της για σωλήνες ακτίνας 5 cm.
Υπόδειξη
Σε μια τομή κάθετη στους σωλήνες, κάθε ευθύγραμμο κομμάτι της ταινίας σχηματίζει ορθογώνιο με τις ακτίνες που φέρονται στα σημεία επαφής του και με μια πλευρά του τριγώνου των κέντρων. Για τα τόξα, υπολόγισε την επίκεντρη γωνία που αγκαλιάζει η ταινία σε κάθε σωλήνα, και χρησιμοποίησε το άθροισμα των γωνιών ενός τριγώνου.
Απάντηση
Η ταινία αποτελείται από τρία ευθύγραμμα κομμάτια μήκους και από τρία τόξα που μαζί σχηματίζουν έναν ολόκληρο κύκλο. Για έχει μήκος cm, περίπου 61,4 cm.
Αναλυτική λύση
Λύση
Κόβουμε τη δέσμη με ένα επίπεδο κάθετο στους σωλήνες: βλέπουμε τρεις κύκλους ακτίνας , με κέντρα , και . Δύο κύκλοι που εφάπτονται εξωτερικά έχουν τα κέντρα σε απόσταση ίση με το άθροισμα των ακτίνων, οπότε το τρίγωνο των κέντρων είναι ισόπλευρο, με πλευρά .
Κάθε ευθύγραμμο κομμάτι της ταινίας αγγίζει δύο σωλήνες, για παράδειγμα εκείνους με κέντρα και , σε δύο σημεία και . Η ακτίνα που φέρεται στο σημείο επαφής είναι κάθετη στην εφαπτομένη, σύμφωνα με το μάθημα του πρώτου κύκλου μαθημάτων για τον κύκλο· οι ακτίνες και είναι κάθετες στην ίδια ευθεία, ίσες και στο ίδιο μέρος της, και το τετράπλευρο με κορυφές , , και είναι ορθογώνιο. Κάθε ευθύγραμμο κομμάτι έχει το ίδιο μήκος με μια πλευρά του τριγώνου.
Στον σωλήνα με κέντρο , η ταινία αγκαλιάζει το τόξο ανάμεσα στα σημεία επαφής των δύο ευθύγραμμων κομματιών που φτάνουν σε αυτόν. Οι ακτίνες που φέρονται σε αυτά τα σημεία σχηματίζουν ορθές γωνίες με τις πλευρές και · μαζί με τη γωνία του τριγώνου στο και την επίκεντρη γωνία του τόξου, συμπληρώνουν μια πλήρη στροφή γύρω από το , από το άθροισμα εφεξής γωνιών.
Το ίδιο συμβαίνει στους άλλους δύο σωλήνες, με τις γωνίες και του τριγώνου. Από το θεώρημα του μήκους τόξου, τα τρία τόξα έχουν το άθροισμα που ακολουθεί, και επειδή οι γωνίες του τριγώνου έχουν άθροισμα , σχηματίζουν μαζί έναν ολόκληρο κύκλο· εδώ καθένα είναι το ένα τρίτο, επειδή .
Η ταινία έχει μήκος ίσο με το άθροισμα των ευθύγραμμων κομματιών και των τόξων. Ο υπολογισμός των τόξων δεν χρησιμοποιεί ότι το τρίγωνο είναι ισόπλευρο: το καμπύλο μέρος μιας τεντωμένης ταινίας γύρω από τρεις ίσους σωλήνες έχει πάντα άθροισμα έναν ολόκληρο κύκλο. Για , η ταινία έχει μήκος περίπου 61,4 cm.
Ένας οδοντωτός τροχός στρέφεται, σε κάθε άλμα, κατά γωνία με αντίθετη φορά των δεικτών του ρολογιού. Να αποδειχθεί ότι επιστρέφει για πρώτη φορά στην αρχική του θέση ύστερα από άλματα, και ότι σε αυτά τα άλματα παίρνει διαφορετικές θέσεις. Γενίκευση: αν κάθε άλμα είναι ένα κλάσμα της στροφής, με και πρώτους μεταξύ τους, πόσες διαφορετικές θέσεις παίρνει;
Υπόδειξη
Από το λήμμα των γωνιών με κοινή τελική πλευρά, τα άλματα και αφήνουν τον τροχό στην ίδια θέση αν και μόνο αν το είναι πολλαπλάσιο του , δηλαδή αν το διαιρεί το . Χρησιμοποίησε ότι οι και είναι πρώτοι μεταξύ τους, όπως στο μάθημα του πρώτου κύκλου μαθημάτων για τον μέγιστο κοινό διαιρέτη και το ελάχιστο κοινό πολλαπλάσιο.
Απάντηση
Δύο άλματα δίνουν την ίδια θέση αν και μόνο αν η διαφορά τους είναι πολλαπλάσιο του · γενικά, ο τροχός παίρνει διαφορετικές θέσεις, και επιστρέφει στην αρχική για πρώτη φορά στο άλμα .
Αναλυτική λύση
Λύση
Ύστερα από άλματα, ο τροχός έχει στραφεί κατά μοίρες. Από το λήμμα των γωνιών με κοινή τελική πλευρά, τα άλματα και τον αφήνουν στην ίδια θέση αν και μόνο αν η διαφορά των γωνιών είναι ακέραιο πολλαπλάσιο μιας στροφής· διαιρώντας με , η συνθήκη είναι ότι το είναι πολλαπλάσιο του .
Ο ακέραιος είναι τότε πολλαπλάσιο του και του , που είναι πρώτοι μεταξύ τους· από το λήμμα των κοινών πολλαπλασίων του μαθήματος του πρώτου κύκλου μαθημάτων για τον μέγιστο κοινό διαιρέτη, είναι πολλαπλάσιο του , και το είναι πολλαπλάσιο του . Αντίστροφα, αν , οι γωνίες διαφέρουν κατά στροφές.
Ανάμεσα στα άλματα και , καμία διαφορά δεν είναι πολλαπλάσιο του : ο τροχός παίρνει διαφορετικές θέσεις. Στο άλμα έχει στραφεί κατά , πέντε πλήρεις στροφές, και επιστρέφει για πρώτη φορά στην αρχική θέση· από εκεί και πέρα επαναλαμβάνει τις ίδιες θέσεις με την ίδια σειρά.
Γενικά, αν κάθε άλμα είναι το κλάσμα της στροφής, τα άλματα και δίνουν την ίδια θέση αν και μόνο αν το είναι ακέραιος, δηλαδή αν το διαιρεί το . Με και πρώτους μεταξύ τους, το ίδιο λήμμα δίνει ότι το διαιρεί το , και το διαιρεί το : ο τροχός παίρνει ακριβώς θέσεις και επιστρέφει στην αρχική για πρώτη φορά στο άλμα . Το κλάσμα δίνει την περίπτωση που εξετάστηκε παραπάνω.
Να αποδειχθεί ότι, από τις 12:00 έως τις 12:00 που ακολουθούν (χωρίς αυτές τις τελευταίες), οι δείκτες ενός ρολογιού σχηματίζουν ορθή γωνία ακριβώς φορές, και να βρεθούν αυτές οι χρονικές στιγμές.
Υπόδειξη
Με τους συμβολισμούς του λυμένου προβλήματος 5, οι δείκτες σχηματίζουν ορθή γωνία όταν η διαφορά έχει κοινή τελική πλευρά με την ή με την , δηλαδή όταν για κάποιον ακέραιο .
Απάντηση
Οι χρονικές στιγμές είναι οι εξής, σε ώρες μετά τις 12:00, με · η πρώτη είναι γύρω στις 12:16 και ανάμεσά τους βρίσκονται οι 3:00 και οι 9:00.
Αναλυτική λύση
Λύση
Όπως στο λυμένο πρόβλημα 5, ύστερα από ώρες ο λεπτοδείκτης έχει στραφεί κατά μοίρες και ο ωροδείκτης κατά , με τη φορά των δεικτών του ρολογιού από τις 12:00· η διαφορά των θέσεών τους είναι μοίρες.
Οι δείκτες σχηματίζουν ορθή γωνία αν και μόνο αν αυτή η διαφορά έχει κοινή τελική πλευρά με την ή με την , δηλαδή αν είναι ή για κάποιον ακέραιο . Οι δύο οικογένειες μαζί είναι οι αριθμοί : οι άρτιες τιμές του δίνουν την πρώτη και οι περιττές τη δεύτερη.
Λύνοντας ως προς και απλοποιώντας το κλάσμα με το προκύπτουν οι χρονικές στιγμές.
Η συνθήκη ισοδυναμεί με , δηλαδή με : υπάρχουν ακριβώς χρονικές στιγμές, διαφορετικές επειδή το αυξάνει μαζί με το . Με προκύπτει , περίπου 16 λεπτά και 22 δευτερόλεπτα· με και , οι 3:00 και οι 9:00. Οι αντίστοιχες θέσεις του ωροδείκτη, μοίρες, είναι κατανεμημένες κανονικά στο καντράν.
Με αυτό το μάθημα οι γωνίες έχουν μετρηθεί και τοποθετηθεί στο επίπεδο. Στο μάθημα που ακολουθεί, για τους τριγωνομετρικούς αριθμούς, οι συντεταγμένες του σημείου του μοναδιαίου κύκλου θα ορίσουν το συνημίτονο και το ημίτονο κάθε γωνίας, και η αναγωγή στον πρώτο κύκλο και οι γωνίες με κοινή τελική πλευρά θα εξηγήσουν την περιοδικότητά τους.
Ολοκληρώθηκε
Συνδεθείτε για να αποθηκεύσετε την πρόοδό σας