摘要
本课开启代数与几何 II 课程及其第一单元,该单元专门讨论三角函数与极坐标。本课提供一次入门测评,测量学习者在本单元六节课上以及在本单元默认已从课程 I 掌握的内容上的起点。本课汇总课程 I 已经确立的内容,按学习顺序介绍本单元的六节课,从角的度量到极坐标曲线以及焦点在极点的圆锥曲线,并说明每节课证明了什么、为什么重要。接着本课重构历史背景:希腊天文学需要测量无法到达之处,于是把弧所对的弦制成了表;印度天文学家把二倍弧所对弦的一半置于计算的中心,它经由阿拉伯文和拉丁文的翻译得到了“正弦”之名;三角学成为独立的学科,并在 18 世纪转变为对实变量函数的研究。本课借萨摩斯的阿里斯塔克斯的三角形,表述催生这一学科的问题,即由角计算距离的问题,最后指出这些思想在本课程其余部分、本站其他课程以及科学与技术中的用处。
学习目标
- 描述本单元的内容,把它的每一节课放进一条从角的度量通向极坐标曲线的脉络之中。
- 说明三角学和极坐标在天文学和大地测量学中的起源,并认识它们的主要发展时期,从弦表直到实变量函数。
- 用半弧的正弦表示一条弧所对的弦,并把阿里斯塔克斯的问题表述为由一个角计算两个距离之比的问题。
- 指出本课程、其他课程以及科学与技术中使用三角函数和极坐标的地方。
入门测评
在学习本单元之前,先测一测自己的起点是有益的,这里不计任何分数。前十道题涉及本单元的六节内容课:反三角函数两道,解三角形两道,这两节课是本课程其余部分最为倚重的;三角函数及其图像两道,其中一道是需要自己建立数学表述的情境问题;极坐标两道,其中一道关于圆锥曲线的极坐标方程;其余两节课各一道。同样的技能会在最后的总结课中再次测量。最后六道题检查本课程默认已从课程 I 掌握的内容:实数的完备性,函数的反函数,圆的切线与数量积,椭圆的离心率,通过双曲余弦考查的指数与对数,以及代数形式下两个复数的商。答错其中某一道的人,就会知道开始之前应当回到课程 I 的哪一节课;答错前十道中某一道的人,就会知道应当在本单元的哪一节课多停留。
开始本单元之前,先测一测你的起点。这是一次简短的自我测评:不计分,结果只保存在你的浏览器中。
第 1 题在半径为 的圆中,圆心角 所对的弧长是多少?
这里把半径乘以了角度数。公式 只在角用弧度表示时成立:应先把 乘以 。这是扇形的面积 ,而不是弧长;弧长为 。这是角的弧度数,它只在半径为 的圆中才与弧长相等;这里还要乘以半径。用弧度表示,这个角为 ,由公式 ,弧长为 。复习: 角及其度量:角度制与弧度制
第 2 题若 ,且 是第二象限角,求 。
第 3 题函数 的最小正周期是多少?
这里把 乘以了 。系数为 的水平压缩会缩短周期: 是 的周期,当且仅当 是正弦的周期。这是正弦的周期,但自变量的系数 把它除以 ;只有振幅和竖直平移不改变周期。这是该正弦型曲线的相移,它平移图像而不改变周期。把它写成 ,这是一条正弦型曲线,其中 ;它的最小正周期为 。振幅、相移和竖直平移都不影响周期。复习: 三角函数及其图像
第 4 题挂在弹簧上的一个重物沿竖直方向振动。它离地面的高度随时间按正弦型曲线变化,在 到 厘米之间,周期为 秒,并在时刻 到达最高点。每次振动中,它有多少秒处在离地面高于 厘米的位置?
正确答案:
由拟合引理,振幅为 ,平衡轴为 ,系数为 ,相移为 :高度为 。条件 等价于 ,其中 ;在一周内,它恰好在 时成立,这是长为 的弧;除以 后,时间区间从 到 ,持续 秒,即周期的三分之一。得到 的人取了半个周期,仿佛阈值就是平衡轴;得到 的人在正弦的变量中量出了弧长,却没有除以 。复习: 三角函数及其图像
第 5 题 的值是多少?
这里假定反余弦像反正弦一样是奇函数。反余弦在 中取值,从不取负值,并满足 。它的余弦也是 ,但它不在主值区间 内,而反余弦只在这个区间中取值。这是 的反余弦:丢掉了自变量的符号,而正是这个符号把角带到第二象限。由反余弦的对称性,,所以其值为 ,它在主值区间 内,且余弦为 。复习: 反三角函数
第 6 题 的值是多少?
等式 只在 属于主值区间 时成立,而 大于 。它的正弦为负,而 为正;正确的角是补角 ,而不是它的相反数。数 不在 中;由补角的对称性,,而 在主值区间内,所以它就是所求的反正弦。复习: 反三角函数
第 7 题在一个三角形中,,,且两边的夹角为 。求边 。
第 8 题满足 、 和 的三角形有几个?
这是只取满足 的锐角时正弦定理给出的结果。它的补角有相同的正弦,并且由于 ,也能构成三角形。当 小于高 时不存在三角形;这里 超过了它。从顶点 引出的高为 ,且 :边 与对面的直线交于 同侧的两个点,于是有一个三角形中角 为锐角,另一个三角形中角 为钝角,二者正弦相等。复习: 解三角形:正弦定理与余弦定理
第 9 题在 且 属于 的条件下,笛卡儿坐标为 的点的极坐标是什么?
这是未经修正的 的反正切:这个角指向第四象限,指向相反的点 。若 ,须加上或减去 。它对应点 :丢掉了横坐标的符号。角是对的,但极径是 的平方根,而不是未开方的值。极径为 。由于 且 ,点在第二象限; 的反正切为 ,再加上 :。复习: 极坐标与极坐标曲线
第 10 题极坐标方程为 的曲线有一个焦点在极点。它是什么曲线?
这里没有先除以 就在分母中读出了离心率:形式 要求分母的常数项为 ,这时 。这里把两顶点到极点的距离相减了。两顶点位于相反方向 和 上,分居焦点两侧,长轴是二者之和 。这是极点到较近顶点距离的两倍,仿佛极点是椭圆的中心;极点是焦点,中心在两顶点的中点。把分子和分母都除以 ,得到形式 ,其中 :这是椭圆。它的顶点在极轴上,一个在 处,与极点的距离为 ,另一个在 处,距离为 ,分居焦点两侧:长轴长为 。复习: 极坐标与极坐标曲线
第 11 题来自前面的单元集合 的上确界是什么?
上确界是最小上界,它可以不属于该集合;由实数的完备性,每个非空且有上界的集合都有上确界。这是集合的最小值,在 时取到;上确界是从上方界住集合的。的每个元素都小于 ,所以 是一个上界。若 是另一个上界,则由阿基米德性质,存在自然数 使 ,而元素 将超过 。因此最小上界是 ,集合达不到它。复习: 实数轴:序、区间与绝对值
第 12 题来自前面的单元函数 的下列限制中,哪一个有反函数?
它不是单射,因为 ;一个函数有反函数当且仅当它是双射。它仍然不是单射,因为 ;区间必须整个位于抛物线顶点的一侧。在这个区间上函数严格增大,因而是单射,并取遍 中的所有值;它的反函数是平方根。这正是本单元对正弦、余弦和正切所用的方法。复习: 函数的运算、反函数与图像变换
第 13 题来自前面的单元圆 在其上的点 处的切线方程是什么?
这是包含半径的直线,即过圆心和切点的直线;切线与它垂直。它过点 ,但它的法向量 与半径 不平行:坐标被对调了,这条直线与圆交于另一点。方向是对的,但它不过 ,因为 :右边应是半径与自身的数量积 ,而不是半径的长度。切线垂直于半径,半径的向量为 :切线上的点 满足 ,即 。复习: 圆:切线、位置关系与点的幂
第 14 题来自前面的单元椭圆 的离心率是多少?
第 15 题来自前面的单元若 且 , 等于多少?
这是另一个根,它是负的:双曲余弦是偶函数,在 和 处取相同的值,条件 选出正的那个。这是 的双曲正弦,由恒等式 得到;它不是 的值。这是 的值:还差取自然对数。令 ,方程 等价于 ,其根为 和 。由于 ,有 ,所以 ,。复习: 双曲函数
第 16 题来自前面的单元商 等于多少?
这里把实部与实部相除、虚部与虚部相除了;两个复数的商不能按分量计算,而要乘以分母的共轭复数。展开与共轭复数的乘积时取了 ;按 ,项 等于 ,而不是 。这是 :乘的是 而不是它的共轭复数,结果不是商。分子和分母同乘以共轭复数 :分子为 ,分母为 ,商为 。事实上,。复习: 复数:运算与方程
本单元的内容
代数与几何 II 课程从本单元开始,它以学完课程 代数与几何 I 为前提。本课程从中带来五样东西,在这里直接使用,不再重新证明。第一是作为完备有序域的实数,连同阿基米德性质和有理数的稠密性,它们使我们能够把任何角化到第一周,并把对有理数所证的结论推广到所有的角。第二是对函数的研究:定义域、值域、复合、双射函数的反函数和图像的变换,以及符号表和多项式的因式分解。第三是平面解析几何:距离、直线的笛卡儿形式与参数形式、带有数量积的向量、圆以及带有焦点和准线的圆锥曲线。第四是指数函数、对数函数和双曲函数,其中双曲线的参数化预示了圆的参数化。第五是代数形式的复数,它们表示为平面上的点,本单元让它们准备好用一个模和一个角来书写。
然而,这些工具都回答不了一个非常古老的问题:给定一个角,含有这个角的直角三角形的各边之比是多少?本单元回答这个问题,由这个回答产生了六个实变量函数、它们的反函数、一切三角形的求解,以及命名平面上的点的第二种方式。各课依次如下。
- 角及其度量一课定义有向角,它们连同方向一起度量旋转,并且可以超过一周;陈述整个单元所依托的按弧长行进的公理,并用它把弧度定义为单位圆的弧长;证明弧长公式和扇形公式、圆周角定理以及把任何角化到第一周,这就是实数除以 的带余除法。它之所以重要,是因为弧度这种度量使后面所有的公式都变得简单。
- 三角比与单位圆一课先在直角三角形中定义正弦、余弦和正切,用相似证明它们与三角形的选取无关,然后对每个实数定义它们,作为单位圆上的一个点的坐标;证明平方关系、特殊角的值和对称性。这是本单元的关键转折:它把一个几何比值变成对任何角都有定义的量。
- 三角函数及其图像一课把正弦、余弦和正切作为函数来研究,证明它们的最小正周期,作出它们的图像,并通过比较面积证明不等式 。借助正弦型曲线,它为一切周期现象提供了模型。
- 反三角函数一课由行进公理推出余弦和正弦在某些区间上严格单调,把函数限制在这些区间上,定义反正弦、反余弦和反正切,并在一周内解最简三角方程。它让人能走相反的路:从已知的比值回到产生这个比值的角。
- 解三角形一课证明用两边及其夹角表示的面积公式、正弦定理、余弦定理和海伦公式,并讨论歧义情形。它把直角三角形的三角学推广到一切三角形,并用数量积度量两向量的夹角。
- 极坐标与极坐标曲线一课用一点到极点的距离和一个角来命名该点,推导到笛卡儿坐标的互化公式,描绘心形线、玫瑰线、螺线和蜗线,并求出焦点在极点的圆锥曲线的极坐标方程。它为复数的极坐标形式和轨道的描述作准备。
本单元以总结与挑战一课结束,这一课汇总已证明的内容,用一次结业测评衡量相对于本课入门测评所取得的进展,并提出十道难度更高的题目。
历史背景
三角学并不是作为代数的一章诞生的,而是作为天文学的一种技术诞生的。为了预测天体的位置并测量无法走过的距离,天文学家需要从可以观测的角过渡到需要计算的长度;而希腊几何学虽然会用直尺和圆规作图,却没有提供任何办法,能在给定任意一个角时算出三角形两边之比。
弦表
希腊天文学从巴比伦天文学那里继承了把圆周分为 度的做法和六十进制的计算。约公元前 3 世纪,萨摩斯的阿里斯塔克斯用几何论证估计了太阳与月球距离之比,埃拉托斯特尼则由一个角测出了地球的周长,这将在关于角及其度量的课中看到。尼西亚的喜帕恰斯在公元前 2 世纪被认为编出了第一张弦表:对每个圆心角,给出它在固定半径的圆中所对的弦长。流传下来的是克劳狄乌斯·托勒密的弦表,他在公元 2 世纪的《天文学大成》中,给出了半径为 的圆中每隔半度的弧所对的弦。亚历山大的梅涅劳斯约在公元 100 年已把这种计算推广到画在天球上的三角形。
弦与正弦是用两种方式写出的同一信息。下面的命题把这一点说得更精确,并表明从弦过渡到正弦为什么不只是换了个名称:正弦是二倍弧所对弦的一半,而且是一个直角三角形的直角边。
在半径为 、圆心为 的圆中,设 为弦长,这条弦连接一条弧的两端 和 ,该弧的圆心角为 ,其中 。那么 。
证明
弦是角 的对边,所在三角形的顶点为 、 和 ,其另外两边都是半径。
三角形是等腰的;从 向弦作的垂线交弦于其中点 ,并把圆心角分成两个相等的角,因为顶点为 、、 和 、、 的两个三角形在 处是直角,在 和 处的角相等(因为原三角形是等腰的),并且有公共边 :由两角相似判定,它们相似,相似比为 。
在顶点为 、 和 的直角三角形中,斜边长为 ,角 的对边是弦的一半;由正弦的定义,这条直角边就是 。
把这个等式倒过来读,并令 ,它说的是:一个角的正弦是二倍角所对弦的一半;在托勒密的半径为 的圆中,所有长度都乘以 。
从半弧到正弦
印度天文学家,如约公元 500 年的阿耶波多,直接把二倍弧所对弦的一半制成表,称之为 jya,从而把直角三角形的一条直角边而不是一条弦置于计算的中心。这个词以 jiba 的形式进入阿拉伯文,在不写元音的书写中与 jaib(衣服的“褶”或“怀”)相混,12 世纪的拉丁译者把它译作 sinus,今天的名称即由此而来。9 世纪至 11 世纪间伊斯兰世界的天文学家,其中有巴塔尼和阿布·瓦法,增添了正切表和余切表,它们源于对日晷影子的研究;13 世纪,纳西尔丁·图西把三角学阐述为独立于天文学的学科。
作为学科的三角学
在欧洲,雷格蒙塔努斯约于 1464 年写成一部论各类三角形的著作,1533 年付印,书中汇集了平面三角形和球面三角形的解法;trigonometria(“三角形的测量”)一词出现在巴托洛梅乌斯·皮蒂斯库斯 1595 年一部著作的书名中。余弦定理的历史更长:欧几里得在《几何原本》第二卷中,已借助一个矩形的两倍(这个矩形由一边和另一边在它上面的投影构成)修正了锐角三角形和钝角三角形的毕达哥拉斯定理,这个量今天写作 (不计符号),15 世纪卡西又赋予它适于计算的形式。海伦公式则见于亚历山大的希罗于公元 1 世纪所著的《测量术》。
从比到函数
几个世纪里,一个角的正弦是在约定半径的圆中的一个长度,半径按所用的表取六十或几百万。17 世纪的微积分表明,如果半径为 ,并用弧长度量角,公式就会简化;莱昂哈德·欧拉在 1748 年的 Introductio in analysin infinitorum 中,把正弦和余弦看作定义在单位圆上的实变量函数,这正是本单元的观点;对应的度量单位的名称 弧度 在 19 世纪后半叶才出现。19 世纪初,约瑟夫·傅里叶在 1822 年发表的热的解析理论中主张,一个非常一般的周期函数可以写成正弦与余弦之和,三角函数于是成为一切周期现象的语言。
极坐标
用到中心的距离和一个角来描述一个点,这个想法和天文学一样古老;公元前 3 世纪,阿基米德正是这样定义他的螺线的:一个点以恒定速度离开中心,同时带着它的射线以恒定速度旋转。然而,作为坐标系,它出现于 17 世纪:博纳文图拉·卡瓦列里和格雷瓜尔·德·圣文森特用它研究螺线,艾萨克·牛顿把它列入他用来描述曲线的坐标系之中,雅各布·伯努利在那个世纪末的著作中使用了它;欧拉在 18 世纪把它系统化。在此期间,约翰内斯·开普勒于 1609 年发表了火星的轨道是一个椭圆、太阳位于它的一个焦点上的结论,而作为本单元结尾的焦点在极点的圆锥曲线的极坐标方程,正是这一定律的自然形式。
催生它们的问题
所有这些发展所共有的问题可以这样表述:已知一个图形的某些角和某些长度,求其余的。它最简单的形式是直角三角形。由相似,两边之比只依赖于锐角 ,因此是 的函数;但这个函数不是代数函数,不能由 经过加法、乘法和开方得到,所以必须把它制成表。下面的例子是已知最早测量太阳系的尝试,它以最纯粹的形态展示了这个问题。
当月球恰好呈上弦或下弦时,其圆盘被照亮的一半从侧面看去,太阳、月球和地球构成一个在月球处为直角的三角形。阿里斯塔克斯从地球上测量了月球方向与太阳方向之间的角 ,得到 。设 、 和 分别为地球、月球和太阳。
证明
顶点为 、 和 的三角形在 处为直角:地球到太阳的距离是斜边。
角 的邻边是到月球的距离;由余弦的定义,到太阳的距离与到月球的距离之比只依赖于 。
没有余弦表,阿里斯塔克斯用几何论证给这个比值定出上下界,得出结论:太阳比月球远 到 倍。 的正割约为 19.1,在他的界限之内。
方法是对的,但数据不对:真实的角与直角相差不到一度的六分之一,真实的比值约为 。当 趋近直角时,太阳沿着过月球的直线无限远离,角的一个极小误差就会造成距离的巨大误差。
由于太阳和月球的视大小几乎相同(日全食显示了这一点),阿里斯塔克斯的推理还给出了二者直径之比,并由此得出太阳比地球大得多的结论。这个例子萌芽般地包含了整个单元:依赖于一个角的边之比,精确了解这种依赖关系的必要,以及某些函数在角的个别值附近无界增长这一观察,这就是在关于三角函数及其图像的课中研究的正割的垂直渐近线。
同一个问题还以另外两种方式出现,由此产生了本单元其余的课。第一种是反向的:已知比值求角,例如测出一条道路的坡度而想知道它的倾斜角;回答它需要对非单射的函数求逆,这正是反三角函数的任务。第二种是描述旋转的事物:绕太阳运行的行星、车轮、反复出现的波。为此,宜用点到中心的距离和方向来命名点,而不是用点到两条轴的距离,并用重复的函数来表示周期运动;极坐标和正弦型曲线就是这样诞生的。
意义
在本课程的其余部分,从关于基本三角恒等式的课开始的第 2 单元证明和角的正弦公式与余弦公式,一般地求解三角方程,并借助坐标轴的旋转对一切二元二次方程进行分类。第 3 单元专门讨论极坐标形式的复数,它用模和角来书写每个复数,如关于复数的极坐标形式的课所示,并把乘方和开方归结为模相乘、角相加;第 4 单元用元素为正弦和余弦的矩阵表示平面的旋转,见关于作为平面变换的矩阵的课;第 5 单元讨论空间解析几何,它通过余弦来度量空间中两个向量的夹角,见关于空间向量与数量积的课,并用它计算直线与平面之间的角。
在本站的其他课程中,不等式 是微积分 I课程中计算正弦导数的出发点,弧长、由极坐标曲线围成的面积以及三角代换在微积分 II课程中研究。力学基础课程借助正弦和余弦把力和速度分解为分量,并通过角速度与线速度的关系研究圆周运动。在C++ 程序设计 I课程中,该语言的数学库除了正弦、余弦和反正切之外,还提供一个双参数函数,它返回一个点的极角,取值在 与 之间,并带有本单元所证明的同样的按象限修正。
在数学之外,三角学是地形测量、航海和大地测量学的工具,它们用三角测量法测量地面;极坐标是雷达以及按距离和方位确定物体位置的系统所用的坐标;正弦型曲线则是声学、交流电、电信以及信号与图像处理的语言,这些领域遵循傅里叶的思想,把一切信号分解为简单振动。
已完成
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