跳至内容
Topos Uranos

摘要

本课定义有向角,它度量一次带有方向的旋转,并且可以超过一周;还定义它的两种常用度量:由一个古老约定确定的六十进制的度,以及弧度,即该角在单位圆上所对的弧的长度。本课承认圆的周长、弧与半径成比例以及反射保持长度,把数 π\pi 定义为单位圆周长的一半,并陈述按弧长行进的公理,它给每个实数指定该圆上的一个点;由此推出行进在第二个半周中的性态、度与弧度之间的换算法则、弧长、扇形面积以及圆周角定理。随后本课把角放到标准位置,证明每个角都可以唯一地化到第一周内的一个角,并且一周不会两次经过同一点,刻画终边相同的角,并把角速度与线速度联系起来。例题像埃拉托斯特尼那样测量地球,计算一个弓形,用链条传递旋转,使周长固定的扇形面积最大,并数出钟表的两根指针重合的次数。

学习目标

  1. 区分有向角的始边与终边,用度、分、秒度量它,并根据旋转方向判断它的正负。
  2. 陈述按弧长行进的公理,用它定义弧度,并在度与弧度之间换算度量,特别是特殊角的度量。
  3. 证明并应用弧长公式与扇形面积公式、圆周角定理以及角速度与线速度之间的关系。
  4. 把任意角化到第一周内的一个角,证明这种化归的存在性与唯一性,并判断两个角的终边是否相同。

有向角

在初等几何中,角是由具有公共端点的两条射线组成的图形,其度量介于 0∘0^\circ 与 180∘180^\circ 之间。为了研究旋转,例如车轮的旋转、钟表指针的旋转或地球绕其轴的旋转,这个概念是不够的:我们关心的是转过了多少以及朝哪个方向转,而且一次旋转可以转好几圈。因此,角被看作一次旋转的结果。

有向角由一条射线及其完成的旋转确定:这条射线叫做始边,它绕其端点旋转,这个端点叫做顶点,直到占据一个最终位置,这个位置叫做终边。如果旋转方向与钟表指针的转向相反(逆时针方向),角是正角;如果旋转方向与钟表指针的转向相同(顺时针方向),角是负角。零角是不旋转的角。

同一对边可以对应许多有向角:逆时针方向转四分之一周、顺时针方向转四分之三周,或者转四分之一周再加一整周,终边都占据同一位置。这些角是不同的,因为它们描述不同的旋转,尽管终止于同一条边;本课第三部分将说明它们之间的关系。

角度制

最古老的角的度量把一整周分成 360360 条相等的弧,并把每条弧所对的角叫做度:说一个角为 gg 度,是指它的弧等于一度之弧的 gg 倍,因此以度为单位的度量与弧长成正比。每度分为 6060 分,每分又分为 6060 秒。这个制度源于以六十为基数计数的巴比伦天文学,正如课程 I 中关于进位记数制的课所解释的那样;数 360360 的优点是能被 22、33、44、55、66、88、99、1010 和 1212 等数整除。直角为 90∘90^\circ,平角为 180∘180^\circ,一整周为 360∘360^\circ;负角带负号度量,因此顺时针方向的四分之一周为 −90∘-90^\circ。40 度 15 分 36 秒的角,简写时在每个数字后面依次写上度的符号、表示分的一撇和表示秒的两撇,以度为单位等于下式,即 40.26 度:

40+1560+363600=40+14+1100=20135040 + \frac{15}{60} + \frac{36}{3600} = 40 + \frac{1}{4} + \frac{1}{100} = \frac{2013}{50}

然而,数 360360 只是一种约定:圆的几何中没有任何东西使它区别于别的数。如果用一种源于圆本身的方式来度量角,那么弧长公式和扇形面积公式,以及以后的三角函数公式,都会变得更简单。

弧度

想法是用角在以其顶点为圆心、半径为 11 的圆上所对的弧的长度来度量这个角。这就要求知道弧长是什么,而这里出现一个困难:弧不是线段的并,它的长度定义为内接于它的折线的长度在其边越来越短时所趋近的值,也就是说,借助极限来定义。对它的研究属于微积分 II课程,那里要计算曲线的长度和由曲线围成的区域的面积。这里承认下面的事实。

不加证明的事实(圆中的长度与面积)。圆的每条弧都有长度,由线段和弧围成的每个区域都有面积。全等的图形有相同的长度或相同的面积;如果一个图形分解成两个不重叠的图形,它的度量等于这两部分度量之和;如果一个区域包含另一个区域,它的面积不小于后者,而当差集包含某个圆盘时则大于后者。此外,若两个圆的半径为 rr 和 RR,同一个圆心角在这两个圆中所对的弧与半径成正比,并且半径为 rr 的圆盘的面积是 πr2\pi r^2。

这个事实不加证明地承认,因为弧长和曲边区域的面积要借助极限来定义,并用积分来计算,这在微积分 II课程中进行。它的最后一部分假定数 π\pi 已知,现在就来定义它:数 π\pi 是单位圆周长的一半,也就是半径为 11 的圆的周长的一半。把弧与半径的比例关系用于一整周的角,可知半径为 rr 的圆的周长为 2πr2\pi r,并且任意圆的周长与其直径之比总是 π\pi。还承认 π\pi 是无理数,且它的小数表示以 3.14159 开头;特别地,3<π<43 < \pi < 4。

此外,为了度量角,还需要沿圆按弧长行进:从一点出发,沿着圆朝一个方向或另一个方向前进给定的长度,并知道到达哪一点。本单元关于角和三角函数所说的一切都建立在这种行进之上,因此应当准确地陈述对它承认了什么。陈述在笛卡儿平面上进行,针对单位圆 x2+y2=1x^2 + y^2 = 1 及其上的点 A=(1,0)A = (1, 0);由于移动图形时长度不变,它同样适用于任何半径为 11 的圆和任何出发点。

公理(按弧长行进)。对每个实数 ss,存在唯一的点 P(s)P(s)(在单位圆上),使得从 A=(1,0)A = (1, 0) 出发,沿圆行进长度 ∣s∣\abs{s},当 s>0s > 0 时按逆时针方向,当 s<0s < 0 时按顺时针方向,需要转几圈就转几圈,便到达这一点;当 s=0s = 0 时,P(0)=AP(0) = A。这种行进具有下面四条性质。
  1. 接续:如果从点 P(s)P(s) 出发按逆时针方向行进长度 t≥0t \geq 0,就到达 P(s+t)P(s + t);如果按顺时针方向行进,就到达 P(s−t)P(s - t)。
  2. 周期性:沿任一方向转一整周,行进的是圆的长度 2π2\pi,并回到出发点;也就是说,P(s+2π)=P(s)P(s + 2\pi) = P(s) 对每个实数 ss 成立。
  3. 半周:逆时针方向的行进先经过上半圆,从右到左。确切地说,P(π)=(−1,0)P(\pi) = (-1, 0),并且若 0≤s<t≤π0 \leq s < t \leq \pi,则点 P(s)P(s) 与 P(t)P(t) 的纵坐标非负,且 P(s)P(s) 的横坐标大于 P(t)P(t) 的横坐标。
  4. 覆盖:单位圆上的每一点都是 P(s)P(s),这里 ss 是某个实数。

这条公理不加证明地承认,理由与前面的事实相同:弧长借助极限来定义,其性质在微积分 II课程中证明;覆盖性断言沿圆行进时不会跳过任何一点,它还依赖于连续函数的介值性质,后者在微积分 I课程中证明。半周性质有一个简单的几何解释。若 (x,y)(x, y) 在单位圆上,则它到点 AA 的距离的平方如下:

(x−1)2+y2=x2+y2−2x+1=2−2x(x - 1)^2 + y^2 = x^2 + y^2 - 2x + 1 = 2 - 2x

因此,说横坐标沿上半圆严格递减,等价于说连接 AA 与行进所到之点的弦随弧严格增大,直到半周结束时成为一条直径。当在关于三角比的课中,把 ss 的余弦定义为 P(s)P(s) 的横坐标时,这条性质就是说余弦在 [0,π]\icc{0}{\pi} 上严格递减:这种单调性不是推出来的,而正是用坐标读出的半周条款本身。不过,由这条公理、关于长度与面积的事实以及紧接着承认的关于反射的事实,可以推出关于行进所用到的其余一切:在本课中,是第二个半周的性态以及一周不会两次经过同一点;在关于反三角函数的课中,是正弦与正切的单调性。

不加证明的事实(反射与半周旋转)。关于一条直线的反射保持距离,从而保持弧长,但改变旋转方向:它把圆心在该直线上一点的圆上的逆时针方向行进变为同样长度的顺时针方向行进,反之亦然。绕一点的半周旋转,即关于过该点的两条互相垂直的直线的反射的复合,保持距离、长度,也保持旋转方向。

这个事实属于平面运动的初等几何,本课程不展开这部分内容。在坐标中,关于 xx 轴的反射是变换 (x,y)↦(x,−y)(x, y) \mapsto (x, -y);它把单位圆变为自身,因为 x2+(−y)2=x2+y2x^2 + (-y)^2 = x^2 + y^2,并且保持点 A=(1,0)A = (1, 0) 不动。借助它,行进的第二个半周可以由第一个半周得到。

命题第二个半周

对每个实数 uu,点 P(−u)P(-u) 是 P(u)P(u) 关于 xx 轴的反射。此外,若 π≤s<t≤2π\pi \leq s < t \leq 2\pi,则点 P(s)P(s) 与 P(t)P(t) 的纵坐标非正,且 P(s)P(s) 的横坐标小于 P(t)P(t) 的横坐标:在第二个半周中,逆时针方向的行进经过下半圆,从左到右。

把行进关于 xx 轴作反射,周期性再把反向走过的第一个半周移到第二个半周。记 (xw,yw)(x_w, y_w) 为 P(w)P(w) 的坐标,记 σ\sigma 为关于 xx 轴的反射。

证明

  1. σ(x,y)=(x,−y),σ(A)=A\sigma(x, y) = (x, \resaltar{-y}), \quad \sigma(A) = A

    反射 σ\sigma 改变纵坐标的符号,把单位圆变为自身,并保持点 AA 不动。

  2. P(−u)=σ(P(u))=(xu,−yu)\dato{r}{P(-u) = \resaltar{\sigma(P(u))} = \left( x_u, -y_u \right)}

    设 u≥0u \geq 0。由承认的事实,σ\sigma 把长为 uu、从 AA 出发并终止于 P(u)P(u) 的逆时针方向行进,变为同样长度、从 AA 出发的顺时针方向行进;由公理中点的唯一性,这次行进终止于 P(−u)P(-u)。若 u<0u < 0,则把上面的结论用于 −u-u,再作一次反射,因为 σ\sigma 作用两次使每一点回到原位。

  3. P(s)=P(−u)=(xu,−yu),P(t)=(xv,−yv)P(s) = P(\resaltar{-u}) = \dato{st}{\resaltar{\left( x_u, -y_u \right)}}, \quad P(t) = \left( x_v, -y_v \right)

    设 π≤s<t≤2π\pi \leq s < t \leq 2\pi,并设 u=2π−su = 2\pi - s 与 v=2π−tv = 2\pi - t,它们满足 0≤v<u≤π0 \leq v < u \leq \pi。由周期性,P(s)=P(s−2π)=P(−u)P(s) = P(s - 2\pi) = P(-u),它是 P(u)P(u) 的反射;同样,P(t)P(t) 是 P(v)P(v) 的反射。

  4. xs=xu<xv=xt,ys=−yu≤0,yt=−yv≤0x_s = \resaltar{x_u < x_v} = x_t, \quad y_s = -y_u \leq 0, \quad y_t = -y_v \leq 0

    由半周性质,把它用于 v<uv < u(在 [0,π]\icc{0}{\pi} 中),可知 P(u)P(u) 与 P(v)P(v) 的纵坐标不是负的,且 P(v)P(v) 的横坐标大于 P(u)P(u) 的横坐标。反射保持横坐标而改变纵坐标的符号:于是得到所述结论。

设有一个有向角,其顶点为单位圆的圆心 OO,并设 AA 是始边与该圆的交点。当这条边旋转时,点 AA 沿圆走过一条弧,就像在前面的公理中那样。角的弧度数就是这条弧的长度,旋转为逆时针方向时取正号,为顺时针方向时取负号;如果旋转转了好几圈,每转一整周就加上圆的长度 2π2\pi。
例题一些用弧度度量的角

这个定义使我们可以立即度量那些是一周的简单分数的角。

证明

  1. L=2πL = 2\pi

    单位圆以顶点 OO 为圆心,半径为 11;由 π\pi 的定义,它的长度是 2π2\pi。始边与它交于点 AA。

  2. θ=s\theta = s

    当这条边按逆时针方向旋转时,点 AA 走过一条弧;这条弧的长度 ss 就是角的度量。

  3. s=1→θ=1s = 1 \rightarrow \theta = 1

    一弧度是所对弧的长度等于半径的角。由于 2π2\pi 比 66 稍大,一弧度比一周的六分之一稍小。

  4. θ=2π4=π2\theta = \frac{\resaltar{2\pi}}{4} = \resaltar{\frac{\pi}{2}}

    四分之一周走过圆的四分之一:直角为 π2\frac{\pi}{2} 弧度。

  5. θ=π,θ=2π\theta = \pi, \quad \theta = 2\pi

    半周走过圆的一半,按定义其长度为 π\pi;一整周为 2π2\pi。

  6. θ=−π2\theta = -\frac{\pi}{2}

    如果这条边按顺时针方向转四分之一周,走过的弧长度相同,但角是负的。

用弧度度量的角是一个没有单位的实数:它是弧长与半径长度之比,而半径长度等于 11。因此,对于两弧度的角,直接写 θ=2\theta = 2;需要强调单位时,写成 2 rad。相反,以度为单位的度量总要标明其符号,如 30∘30^\circ。反过来,每个实数都是某个有向角的度量:由行进公理,对每个 θ\theta,点 AA 可以沿圆行进长度 ∣θ∣\abs{\theta},方向由 θ\theta 的符号指示,需要转几整周就转几整周,而从顶点到所到达之点的射线就是终边。

度与弧度的换算

由于一整周为 360∘360^\circ,也为 2π2\pi 弧度,并且两种度量都与角在单位圆上所对弧的长度成正比(度数由度的定义而成正比,弧度数则因为它就是这个长度),所以一个角的两种度量成正比。

定理度与弧度的换算

若一个角为 gg 度,又为 θ\theta 弧度,则 θ=πg180\theta = \frac{\pi g}{180},且 g=180θπg = \frac{180 \theta}{\pi}。

这个法则由角与一整周之比得到,然后应用于圆上的特殊刻度,也就是初等图形中出现的角。

证明

  1. 360∘=2π\dato{v}{360^\circ = 2\pi}

    一整周为 360360 度,也为 2π2\pi 弧度。

  2. θ2π=g360→θ=2πg360=πg180\frac{\theta}{2\pi} = \frac{g}{360} \rightarrow \dato{c}{\theta = \resaltar{\frac{2\pi g}{360}} = \resaltar{\frac{\pi g}{180}}}

    一个角与一整周之比在两种度量中相同,因为两者都与弧长成正比;每多转一周,一种度量增加 360∘360^\circ,另一种增加 2π2\pi。解出 θ\theta 即得法则。

  3. 1∘=π180,1=(180π)∘1^\circ = \frac{\pi}{180}, \quad 1 = \left( \frac{180}{\pi} \right)^\circ

    取 g=1g = 1 和 θ=1\theta = 1:一度是弧度的一个很小的分数,而一弧度比 5757 度稍多,因为 180π\frac{180}{\pi} 约为 57.3。

  4. 30∘=30π180=π6,45∘=π4,60∘=π330^\circ = \resaltar{\frac{30\pi}{180}} = \resaltar{\frac{\pi}{6}}, \quad 45^\circ = \frac{\pi}{4}, \quad 60^\circ = \frac{\pi}{3}

    3030 度、4545 度和 6060 度的角出现在等边三角形和正方形中,通过约分即可换算。

  5. 90∘=π2,180∘=π,270∘=3π290^\circ = \frac{\pi}{2}, \quad 180^\circ = \pi, \quad 270^\circ = \frac{3\pi}{2}

    直角、平角和四分之三周标出各条半轴。

  6. 120∘=2π3,135∘=3π4,150∘=π−π6=5π6120^\circ = \frac{2\pi}{3}, \quad 135^\circ = \frac{3\pi}{4}, \quad 150^\circ = \resaltar{\pi - \frac{\pi}{6}} = \resaltar{\frac{5\pi}{6}}

    一周中其余的特殊角通过加减得到;例如,150∘150^\circ 是 180∘180^\circ 减去 30∘30^\circ。

实际上,从度化为弧度时乘以 π180\frac{\pi}{180},从弧度化为度时乘以 180π\frac{180}{\pi}。于是,225∘=5π4225^\circ = \frac{5\pi}{4},−60∘=−π3-60^\circ = -\frac{\pi}{3},7π6=210∘\frac{7\pi}{6} = 210^\circ;22 弧度的角为 360π\frac{360}{\pi} 度,约为 114.6 度。

弧长与扇形面积

在半径为 rr 的圆中,圆心角 θ\theta 所对的是一条弧,角的两边与这条弧围成一个扇形。弧度数使扇形的公式具有特别简单的形式。

定理弧长与扇形面积

在半径为 rr 的圆中,一个 θ\theta 弧度的圆心角(其中 0<θ≤2π0 < \theta \leq 2\pi)所对的弧长为 s=rθs = r\theta,它所确定的扇形面积为 A=12r2θ=12rsA = \frac{1}{2} r^2 \theta = \frac{1}{2} rs。

弧长由承认的比例关系得出。对于面积,先在角为一周的有理分数时证明公式,再利用有理数的稠密性把它推广到任意角,稠密性已在课程 I 中关于实数轴的课里证明。

证明

  1. s1=θs_1 = \theta

    在同一圆心的单位圆中,由弧度的定义,这个角所对的弧长为 θ\theta。

  2. s=rs1=rθs = r \resaltar{s_1} = \dato{s}{\resaltar{r\theta}}

    由弧与半径成比例,在半径为 rr 的圆中,对应的弧是它的 rr 倍。

  3. A=pqπr2=12r2θA = \resaltar{\frac{p}{q} \pi r^2} = \dato{f}{\resaltar{\frac{1}{2} r^2 \theta}}

    若 θ=2πpq\theta = \frac{2\pi p}{q},其中 pp 与 qq 是自然数且 p≤qp \leq q,则圆盘被分成 qq 个全等的扇形,每个扇形的角为 2πq\frac{2\pi}{q},面积为 πr2q\frac{\pi r^2}{q},而角为 θ\theta 的扇形是其中 pp 个的并。

  4. 2Ar2<φ<θ→A<12r2φ=Aφ≤A\frac{2A}{r^2} < \varphi < \theta \rightarrow A < \resaltar{\frac{1}{2} r^2 \varphi} = A_\varphi \leq A

    现在设 θ\theta 任意,并假设其扇形的面积 AA 小于 12r2θ\frac{1}{2} r^2 \theta。由有理数的稠密性,存在一个角 φ\varphi(一周的有理分数),介于 2Ar2\frac{2A}{r^2} 与 θ\theta 之间。它的扇形包含在 θ\theta 的扇形之中,而它的面积由上面得到的公式给出:于是导致矛盾。

  5. A=12r2θ=12rsA = \frac{1}{2} r^2 \theta = \frac{1}{2} r \resaltar{s}

    同样地,取一个 φ\varphi 介于 θ\theta 与 2Ar2\frac{2A}{r^2} 之间,它不超过一周,因为扇形不超过圆盘,便可排除 AA 大于 12r2θ\frac{1}{2} r^2 \theta 的情形。因此,面积就是所说的值,再由 rθ=sr\theta = s 得到一个类似于三角形面积的公式,其底为 ss,高为 rr。

如果用度来度量角,公式中就会带有换算因子:弧长会是 πrg180\frac{\pi r g}{180},扇形面积会是 πr2g360\frac{\pi r^2 g}{360}。s=rθs = r\theta 的简洁是偏爱弧度的主要理由。此外,这个公式给出任意圆中而不只是单位圆中角的度量:θ=sr\theta = \frac{s}{r} 是弧与半径之比,与所选的半径无关。

圆周角

顶点在圆心的角叫做圆心角。若 AA、BB 和 CC 是圆上三个不同的点,则在 CC 处由弦 CACA 与 CBCB 所成的角叫做圆周角,并说它所对的弧是端点为 AA 与 BB、不含 CC 的那条弧。由前面的定理,长为 ss 的弧(在半径为 rr 的圆上)对应 sr\frac{s}{r} 弧度的圆心角,即使这个数超过 π\pi。为了比较圆周角与圆心角,承认下面这些初等几何的事实,本课程不证明它们,因为本课程不展开综合几何。前两条度量三角形的角;后两条是关于位置的事实,说明一条射线经过一个角的内部时,角与弧如何分配。

不加证明的事实(三角形的角与圆上的位置)。承认下面四条断言,其中无向角用弧度度量,介于 00 与 π\pi 之间。
  1. 角的和:三角形的三个角之和为一个平角,即 π\pi 弧度。
  2. 等腰三角形:在有两条边相等的三角形中,这两条边所对的角相等。
  3. 相邻角的和:如果从一个角的顶点出发的一条射线经过这个角的内部,它就把这个角分成两个角,其度量之和等于原角的度量。
  4. 圆心的位置:设 AA、BB 与 CC 是圆心为 OO 的圆上三个不同的点,并设 DD 是从 CC 出发的直径的另一个端点。若 OO 既不在弦 CACA 上,也不在弦 CBCB 上,则两种情形必居其一。或者 OO 在这两条弦于 CC 处所成角的内部,这时从 CC 到 DD 的射线经过该内部,并且 DD 在端点为 AA 与 BB、不含 CC 的弧上。或者 OO 在该角的外部,这时点 AA 与 BB 中有一个(可以把它叫做 AA)在端点为 DD 与 BB、不含 CC 的弧上,并且从 CC 到 AA 的射线经过在 CC 处由弦 CDCD 与 CBCB 所成角的内部。
定理圆周角等于它所对弧的一半

设 AA、BB 与 CC 是圆心为 OO、半径为 rr 的圆上三个不同的点,并设 ss 是端点为 AA 与 BB、不含 CC 的弧的长度。圆周角 γ\gamma,即在 CC 处由弦 CACA 与 CBCB 所成的角,等于这条弧所对应的圆心角的一半。

γ=s2r\gamma = \frac{s}{2r}

证明先处理圆周角的一边经过圆心的情形,再借助从 CC 出发的直径,把关于圆心位置的承认事实中的另外两种情形化归为这种情形。

证明

  1. α=γ\dato{i}{\alpha = \gamma}

    先设圆心 OO 在弦 CBCB 上,这时这条弦是一条直径(圆心在弦 CACA 上的情形相同)。设 α\alpha 是在 AA 处的角,所在三角形的顶点为 OO、CC 与 AA;这是一个真正的三角形,因为 AA 不同于 CC 和 BB,不在连接它们的直线上。这个三角形是等腰的,因为 OAOA 与 OCOC 都是半径,所以它在 CC 处与 AA 处的角相等。

  2. δ=π−(π−α−γ)=α+γ=2γ<π\delta = \pi - \left( \pi - \alpha - \gamma \right) = \resaltar{\alpha + \gamma} = \dato{d}{\resaltar{2\gamma}} < \pi

    设 δ\delta 是半径 OAOA 与 OBOB 所成的圆心角。由于 CC、OO 与 BB 共线,δ\delta 与三角形在 OO 处的角之和为 π\pi;又由于三角形的三个角之和也为 π\pi,所以 δ\delta 等于另外两个角之和。此外,在 OO 处的角是正的,所以 α+γ\alpha + \gamma 小于 π\pi,δ\delta 也是如此。

  3. s=rδ=2rγ→γ=s2rs = r \resaltar{\delta} = \resaltar{2r\gamma} \rightarrow \dato{c}{\gamma = \frac{s}{2r}}

    半径 OAOA 与 OBOB 把圆分成两条弧;由于 δ<π\delta < \pi,由弧长定理,δ\delta 所对的那条弧长为 rδr\delta,小于半圆,另一条则大于半圆。点 CC 是直径上与 BB 相对的端点,沿两个方向与 BB 都相隔半个圆周,所以它不在较小的弧上:这条弧就是 γ\gamma 所对的弧,且 s=rδs = r\delta。

  4. γ=s12r+s22r=s1+s22r=s2r\gamma = \frac{s_1}{2r} + \frac{s_2}{2r} = \frac{\resaltar{s_1 + s_2}}{2r} = \frac{\resaltar{s}}{2r}

    若圆心在角的内部,设 DD 是从 CC 出发的直径的另一个端点。由关于圆心位置的承认事实,从 CC 到 DD 的射线把这个角分成两个角,每个角都有一边经过圆心,由相邻角的和,它们的度量之和为 γ\gamma;而 DD 把所对的弧分成两条弧,长度分别为 s1s_1 和 s2s_2,其和为 ss。把上面的情形分别用于这两个角,得到下式。

  5. γ=s22r−s12r=s2−s12r=s2r\gamma = \frac{s_2}{2r} - \frac{s_1}{2r} = \frac{\resaltar{s_2 - s_1}}{2r} = \frac{\resaltar{s}}{2r}

    若圆心在角的外部,仍设 DD 是从 CC 出发的直径的另一个端点。由关于圆心位置的承认事实,可以假设 AA 在从 DD 到 BB、不经过 CC 的弧上,并且从 CC 到 AA 的射线把以 CDCD 与 CBCB 为边的角分成以 CDCD 与 CACA 为边的角和 γ\gamma。这条弧长为 s2s_2,它由从 DD 到 AA 的弧(长为 s1s_1)和 γ\gamma 所对的弧组成;而 γ\gamma 是两个各有一边经过圆心的角之差。

推论同一条弦上的圆周角

两个端点同为 AA 与 BB 的圆周角,如果它们的顶点在弦 ABAB 所确定的两条弧中的同一条上,则相等;如果在不同的弧上,则互补。特别地,半圆上的每个圆周角,即端点 AA 与 BB 是一条直径两端的圆周角,都是直角。

只需在每种情形中看清每个角所对的是哪条弧,再应用定理。设 CC 与 C′C' 为顶点,γ\gamma 与 γ′\gamma' 为角,ss 为端点为 AA 与 BB、不含 CC 的弧的长度。

证明

  1. γ=s2r=γ′\dato{g}{\gamma = \frac{s}{2r}} = \gamma'

    若 C′C' 与 CC 在同一条弧上,两个角都对着另一条弧,其长为 ss,由定理,它们相等。

  2. γ+γ′=s2r+2πr−s2r=π\gamma + \gamma' = \frac{s}{2r} + \frac{\resaltar{2\pi r - s}}{2r} = \resaltar{\pi}

    若 C′C' 在另一条弧上,它所对的是包含 CC 的弧,这条弧的长度是 ss 补足整个圆周所缺的部分;两个度量之和为一个平角。

  3. s=πr→γ=πr2r=π2s = \pi r \rightarrow \gamma = \frac{\resaltar{\pi r}}{2r} = \resaltar{\frac{\pi}{2}}

    若 ABAB 是直径,两条弧都是半圆,长为 πr\pi r,角是直角;这个特殊情形称为泰勒斯定理。

不在圆上的点以别的角度看这条弦。下面的结果也从初等几何中承认:它由前面的定理和欧几里得《几何原本》第 I 卷命题 21 得出,按照这个命题,三角形内部的一点看它的一条边所成的角,大于对顶点看这条边所成的角;但它的证明需要知道从该点出发的线段在哪里与圆相交,这是本课程不展开的位置问题。它将用于关于反三角函数的课的最后一道例题。

不加证明的事实(从内点与外点看的角)。设 AA 与 BB 是圆上的两点,γ\gamma 是端点为 AA 与 BB、顶点在这两点所确定的两条弧之一上的圆周角的公共度量。若 QQ 是不在圆上的一点,与这条弧位于直线 ABAB 的同侧,则在 QQ 处由线段 QAQA 与 QBQB 所成的角小于 γ\gamma(若 QQ 在圆外),大于 γ\gamma(若它在圆内)。

标准位置与终边相同的角

在课程 I 中关于直线的方程的课里研究过的笛卡儿平面上,每个角都有一个特优的位置。

若一个有向角的顶点是原点,始边是 xx 轴的正半轴,则称它处于标准位置。这时它的终边是从原点出发、经过行进公理中的点 P(θ)P(\theta) 的射线,也就是单位圆 x2+y2=1x^2 + y^2 = 1 上这样一点:从 (1,0)(1, 0) 出发走过一条弧,弧长为 ∣θ∣\abs{\theta},方向由 θ\theta 的符号指示,便到达该点。如果两个角在标准位置下有相同的终边,就称它们是终边相同的角。

两条坐标轴把平面分成四个象限,从包含坐标为正的点的那个象限开始,按逆时针方向编号。处于标准位置的角,其终边在哪个象限,就说这个角是第几象限角;若终边落在坐标轴上,这个角叫做象限界角。点 P(θ)P(\theta) 的坐标是 θ\theta 的余弦与正弦,将在下一课,即关于三角比的课中研究。

沿任一方向转一整周,由行进的周期性,使边回到原位:角 θ+2π\theta + 2\pi 与 θ\theta 终边相同,θ−2π\theta - 2\pi、θ+4π\theta + 4\pi 也是如此,一般地,θ+2kπ\theta + 2k\pi(其中 kk 为整数)也是如此。因此,要知道任意角终止于何处,只需去掉整周,正如在课程 I 中关于整除与带余除法的课里去掉除数的倍数那样。下面的定理是那种除法的实数版本:除数是 2π2\pi,商是周数,余数是剩下的角。

定理化到第一周

对每个实数 θ\theta,存在唯一的整数 kk 和唯一的实数 θ0\theta_0,使得 θ=θ0+2kπ\theta = \theta_0 + 2k\pi 且 0≤θ0<2π0 \leq \theta_0 < 2\pi。

存在性依赖于阿基米德性质,它已在课程 I 中关于有理数的小数表示的课里证明;唯一性则依赖于严格介于 −1-1 与 11 之间的整数为零。

证明

  1. k≤θ2π<k+1\dato{k}{k \leq \frac{\theta}{2\pi} < k + 1}

    设 θ\theta 是实数。由阿基米德性质和良序原理,如同关于实数轴的课中证明有理数稠密性那样,存在最小的整数 mm(大于 θ2π\frac{\theta}{2\pi});令 k=m−1k = m - 1,它已不大于这个数。

  2. 2kπ≤θ<2kπ+2π→0≤θ−2kπ<2π\resaltar{2k\pi \leq \theta < 2k\pi + 2\pi} \rightarrow \resaltar{0 \leq \theta - 2k\pi < 2\pi}

    乘以正数 2π2\pi,并在三个部分中都减去 2kπ2k\pi。

  3. θ=θ0+2kπ,θ0∈[0,2π)\dato{e}{\theta = \theta_0 + 2k\pi, \quad \theta_0 \in \ico{0}{2\pi}}

    令 θ0=θ−2kπ\theta_0 = \theta - 2k\pi。于是 θ\theta 由 kk 个整周再接上角 θ0\theta_0 组成,这个角在第一周内:θ\theta 与 θ0\theta_0 终边相同。

  4. 2π(k−j)=θ1−θ0,−2π<θ1−θ0<2π\dato{d}{2\pi(k - j) = \theta_1 - \theta_0}, \quad -2\pi < \theta_1 - \theta_0 < 2\pi

    为证唯一性,假设也有 θ=θ1+2jπ\theta = \theta_1 + 2j\pi,其中 jj 为整数且 0≤θ1<2π0 \leq \theta_1 < 2\pi。两式相减,差 θ1−θ0\theta_1 - \theta_0 是 2π2\pi 的整数倍;又由于两个数都在区间 [0,2π)\ico{0}{2\pi} 中,这个差介于 −2π-2\pi 与 2π2\pi 之间。

  5. ∣k−j∣<1→k=j→θ1=θ0\abs{k - j} < 1 \rightarrow k = j \rightarrow \theta_1 = \theta_0

    除以 2π2\pi,整数 k−jk - j 严格介于 −1-1 与 11 之间:它为零。因此 j=kj = k,并由上面的等式得 θ1=θ0\theta_1 = \theta_0。

  6. θ0=−23π6+4π=π6\theta_0 = \resaltar{-\frac{23\pi}{6} + 4\pi} = \resaltar{\frac{\pi}{6}}

    例如,对 θ=−23π6\theta = -\frac{23\pi}{6} 有 θ2π=−2312\frac{\theta}{2\pi} = -\frac{23}{12},它介于 −2-2 与 −1-1 之间:于是 k=−2k = -2,这个角沿顺时针方向转了将近两周,终止于 π6\frac{\pi}{6} 的终边上。

数 θ0\theta_0 叫做 θ\theta 到第一周的化归。用度时,同样的推理(以 360360 代替 2π2\pi)把任意角化为 0∘0^\circ 与 360∘360^\circ 之间的一个角,后者除外:例如,1000∘=280∘+2⋅360∘1000^\circ = 280^\circ + 2 \cdot 360^\circ。借助化归可以识别终止于同一条边的所有角;在此之前需要知道一周不会两次经过同一点,这可由行进公理推出。

引理一周不重复经过点

若 0≤α<β<2π0 \leq \alpha < \beta < 2\pi,则 P(α)≠P(β)P(\alpha) \neq P(\beta)。

按 α\alpha 与 β\beta 所在的半周分情形:在每个半周中,横坐标严格单调;从一个半周到另一个半周,纵坐标改变符号。记 (xs,ys)(x_s, y_s) 为 P(s)P(s) 的坐标。

证明

  1. 0<s<π∨π<s<2π→−1<xs<10 < s < \pi \vee \pi < s < 2\pi \rightarrow \dato{x}{-1 < x_s < 1}

    由半周性质,当 ss 从 00 增加到 π\pi 时,P(s)P(s) 的横坐标从 11 严格减小到 −1-1;由第二个半周的命题,当 ss 从 π\pi 增加到 2π2\pi 时,它从 −1-1 严格增大到 P(2π)P(2\pi) 的横坐标,由周期性,后者为 P(0)=(1,0)P(0) = (1, 0)。

  2. ys2=1−xs2>0→π<s<2π→ys<0y_s^2 = \resaltar{1 - x_s^2} > 0 \rightarrow \dato{y}{\pi < s < 2\pi \rightarrow y_s < 0}

    在这些情形中纵坐标不为零,因为它的平方是 1−xs2>01 - x_s^2 > 0:它在第一个半周中为正,因为不是负的;在第二个半周中为负,因为不是正的。

  3. xα≠xβ→P(α)≠P(β)x_\alpha \neq x_\beta \rightarrow P(\alpha) \neq P(\beta)

    若 α\alpha 与 β\beta 都在 [0,π]\icc{0}{\pi} 中,或都在 [π,2π)\ico{\pi}{2\pi} 中,则由每个半周中的严格单调性,两个点的横坐标不同。

  4. yβ<0≤yα→P(α)≠P(β)\resaltar{y_\beta < 0 \leq y_\alpha} \rightarrow P(\alpha) \neq P(\beta)

    若 α<π<β\alpha < \pi < \beta,点 P(β)P(\beta) 的纵坐标为负,而在第一个半周中的 P(α)P(\alpha) 的纵坐标不是负的。在所有情形中,两个点都不同。

引理终边相同的角

两个角 θ\theta 与 φ\varphi 终边相同,当且仅当它们的差是 2π2\pi 的整数倍,即存在整数 kk 使得 θ−φ=2kπ\theta - \varphi = 2k\pi。特别地,它们终边相同,当且仅当它们到第一周的化归相同。

把每个角换成它的化归,再用前面的引理比较这些化归。

证明

  1. P(θ)=P(θ0),P(φ)=P(φ0)\dato{p}{P(\theta) = P(\resaltar{\theta_0}), \quad P(\varphi) = P(\resaltar{\varphi_0})}

    由化归定理,θ=θ0+2kπ\theta = \theta_0 + 2k\pi,φ=φ0+2jπ\varphi = \varphi_0 + 2j\pi,其中 θ0\theta_0 与 φ0\varphi_0 在 [0,2π)\ico{0}{2\pi} 中;由行进的周期性,整周不改变点,每个角的终边就是其化归的终边。

  2. P(θ)=P(φ)↔θ0=φ0\dato{c}{P(\theta) = P(\varphi) \leftrightarrow \theta_0 = \varphi_0}

    若 θ0≠φ0\theta_0 \neq \varphi_0,由前面的引理,点 P(θ0)P(\theta_0) 与 P(φ0)P(\varphi_0) 不同,终边也不同;若两者相等,则边重合。因此,两个角终边相同,当且仅当它们的化归相同。

  3. θ0=φ0→θ−φ=2(k−j)π,θ−φ=2mπ→θ=φ0+2(j+m)π→θ0=φ0\theta_0 = \varphi_0 \rightarrow \theta - \varphi = \resaltar{2(k - j)\pi}, \qquad \theta - \varphi = 2m\pi \rightarrow \theta = \varphi_0 + \resaltar{2(j + m)\pi} \rightarrow \theta_0 = \varphi_0

    若化归相等,则差是 2π2\pi 的整数倍。反之,若 θ−φ=2mπ\theta - \varphi = 2m\pi,则 θ=φ0+2(j+m)π\theta = \varphi_0 + 2(j + m)\pi,再由化归的唯一性得 θ0=φ0\theta_0 = \varphi_0。

由此可知,与 θ\theta 终边相同的角恰好是形如 θ+2kπ\theta + 2k\pi 的角,其中 kk 为整数;并且角所在的象限由其化归决定:若 0<θ0<π20 < \theta_0 < \frac{\pi}{2},它是第一象限角;若 π2<θ0<π\frac{\pi}{2} < \theta_0 < \pi,是第二象限角;若 π<θ0<3π2\pi < \theta_0 < \frac{3\pi}{2},是第三象限角;若 3π2<θ0<2π\frac{3\pi}{2} < \theta_0 < 2\pi,是第四象限角;若 θ0\theta_0 是 00、π2\frac{\pi}{2}、π\pi 或 3π2\frac{3\pi}{2},它是象限界角。于是,−23π6-\frac{23\pi}{6} 是第一象限角,而 1000∘1000^\circ(其化归为 280∘280^\circ)是第四象限角。

最后,单位圆上的每一点都是某个角的点 P(θ)P(\theta):这是行进公理的覆盖性质,它说从 (1,0)(1, 0) 出发沿圆行进会经过圆上所有的点。既然如此,由化到第一周、周期性以及终边相同的角的引理,单位圆上的每一点都是 P(θ)P(\theta),这里的 θ\theta 是 [0,2π)\ico{0}{2\pi} 中唯一的一个,而与该点对应的角恰好是与这个 θ\theta 终边相同的角。

角速度与线速度

当物体绕一根轴旋转时,它的所有点都描出圆心在轴上的圆弧,并且在相同的时间内都转过相同的角。若在时间 tt 内物体以恒定速率转过角 θ\theta,则它的角速度是比值 ω=θt\omega = \frac{\theta}{t},以弧度每秒为单位;也可以用每分钟转数表示,由于一转是 2π2\pi 弧度,一分钟是 6060 秒,每分钟一转相当于每秒 π30\frac{\pi}{30} 弧度。

离轴距离为 rr 的一点,在这条时间内走过长为 s=rθs = r\theta 的弧,这由弧长定理得出。因此,它的线速度,即所走距离与时间之比,等于半径与角速度的乘积:

v=st=rθt=rωv = \frac{s}{t} = \frac{r\theta}{t} = r\omega

由此可知,在旋转的物体中,所有点的角速度相同,而线速度与到轴的距离成正比地增大:旋转圆盘的边缘比靠近圆心的点运动得更快。这个关系只在角用弧度度量时成立,它是力学基础课程中研究圆周运动的出发点。用不打滑的皮带或链条连接的两个轮子,或者彼此啮合的两个轮子,在接触点处具有相同的线速度;因此 ω1r1=ω2r2\omega_1 r_1 = \omega_2 r_2,较小的轮子转得更快,这将在例题 3 中看到。

例题

这些例题从一个角出发测量地球,计算一个弓形的面积,用链条传递旋转,寻找周长给定时面积最大的扇形,并数出钟表指针重合的次数。每道题都需要一个独特的想法,最好在阅读解答之前先去寻找。

例题 1埃拉托斯特尼测量地球

约在公元前 240 年,埃拉托斯特尼观察到,夏至正午时,太阳照亮了赛伊尼的井底,而在位于其北方、并且按他的假设在同一条子午线上的亚历山大,阳光与铅垂线成 7 度 12 分的角。取两城之间的距离为 800 km,计算地球的半径与子午线的长度、一分所对应的子午线弧长,以及沿子午线从赤道到纬度为 33∘33^\circ 的一点的距离。

解答

  1. α=7∘+(1260)∘=(365)∘\alpha = 7^\circ + \resaltar{\left( \frac{12}{60} \right)^\circ} = \resaltar{\left( \frac{36}{5} \right)^\circ}

    这个角用度表示是 77 加六十分之十二;它是一周的五十分之一,因为 365⋅50=360\frac{36}{5} \cdot 50 = 360。

  2. θ=365π180=π25\theta = \frac{\resaltar{\frac{36}{5}} \pi}{180} = \dato{t}{\resaltar{\frac{\pi}{25}}}

    由于太阳光线平行射来,并且在赛伊尼沿地球半径的方向落下,亚历山大处光线与铅垂线所成的角等于两城的半径在地心所成的角:它们是平行线间的内错角。用弧度表示,由换算法则,它如下。

  3. R=sθ=800π25=20000πR = \frac{s}{\theta} = \frac{\resaltar{800}}{\resaltar{\frac{\pi}{25}}} = \dato{r}{\resaltar{\frac{20000}{\pi}}}

    这 800 km 是该圆心角所对的子午线弧。由 s=Rθs = R\theta 解出半径,约为 6366 km。

  4. 2πR=2π⋅20000π=400002\pi R = 2\pi \cdot \resaltar{\frac{20000}{\pi}} = \resaltar{40000}

    子午线的长度是半径为 RR 的圆的周长;它也是两城之间距离的 5050 倍。

  5. s=20000π⋅π10800=5027s = \frac{20000}{\pi} \cdot \resaltar{\frac{\pi}{10800}} = \resaltar{\frac{50}{27}}

    一分是一度的六十分之一,即 π10800\frac{\pi}{10800} 弧度。它所对的弧长约为 1.852 km:这就是海里,它正是这样定义的。

  6. s=20000π⋅11π60=110003s = \frac{20000}{\pi} \cdot \resaltar{\frac{11\pi}{60}} = \resaltar{\frac{11000}{3}}

    一点的纬度是其半径与赤道平面所成的角;33∘33^\circ 是 11π60\frac{11\pi}{60} 弧度。所求的距离约为 3667 km。

埃拉托斯特尼用斯塔迪昂表示距离,其确切数值尚有争议;按这里采用的数值,子午线长 40000 km,这并非巧合:18 世纪末,米被定义为四分之一子午线的一千万分之一。另一方面,亚历山大并不恰好在赛伊尼的正北,而是偏西约三度,所以连接两城的弧并不完全是子午线弧。

例题 2六十度的弓形

一条弦的端点为 AA 与 BB,它在圆心为 OO、半径为 rr 的圆中所对的圆心角为 π3\frac{\pi}{3}。计算由这条弦与端点为 AA 与 BB 的劣弧所围成的弓形的面积,以及它占圆盘的比例。

解答

  1. As=12r2⋅π3=πr26A_s = \frac{1}{2} r^2 \cdot \resaltar{\frac{\pi}{3}} = \dato{s}{\resaltar{\frac{\pi r^2}{6}}}

    弓形是从顶点为 OO、端点为 AA 与 BB 的扇形中去掉顶点为 OO、AA 与 BB 的三角形后剩下的部分。扇形的面积由扇形定理给出。

  2. π−π32=π3\frac{\resaltar{\pi - \frac{\pi}{3}}}{2} = \resaltar{\frac{\pi}{3}}

    这个三角形有两条边等于半径:它是等腰三角形,在 AA 处与 BB 处的角相等。由本课承认的事实,三角形的三个角之和为 π\pi,所以每个角都等于 π3\frac{\pi}{3},三角形是等边三角形,边长为 rr。

  3. h=32r,At=12r⋅32r=34r2h = \frac{\sqrt{3}}{2} r, \quad A_t = \frac{1}{2} r \cdot \resaltar{\frac{\sqrt{3}}{2} r} = \dato{t}{\resaltar{\frac{\sqrt{3}}{4} r^2}}

    从 OO 出发的高平分底边;由毕达哥拉斯定理,它的平方是 r2−r24r^2 - \frac{r^2}{4}。三角形的面积是底的一半乘以高。

  4. A=πr26−34r2=2π−3312r2A = \resaltar{\frac{\pi r^2}{6} - \frac{\sqrt{3}}{4} r^2} = \dato{a}{\resaltar{\frac{2\pi - 3\sqrt{3}}{12} r^2}}

    弓形的面积是两者之差,公分母为 1212;它是正的,因为 2π>6>332\pi > 6 > 3\sqrt{3}。

  5. Aπr2=2π−3312π\frac{A}{\pi r^2} = \frac{2\pi - 3\sqrt{3}}{12\pi}

    除以圆盘的面积,弓形约占圆盘的百分之 2.9;扇形占六分之一,而三角形约占扇形的百分之 83。

例题 3自行车的链条

在一辆自行车上,链条把由脚踏板带动的、半径为 1010 cm 的牙盘,与固定在后轮轴上、半径为 44 cm 的飞轮连接起来,后轮的半径为 3535 cm。如果骑车人每秒踩一圈,计算后轮的角速度和自行车的速度,假设链条不打滑,车轮滚动而不滑动。

解答

  1. ω1=2π\omega_1 = \dato{w}{2\pi}

    每秒一圈就是每秒 2π2\pi 弧度:这是牙盘的角速度。

  2. v=r1ω1=10⋅2π=20πv = r_1 \omega_1 = 10 \cdot \resaltar{2\pi} = \dato{v}{\resaltar{20\pi}}

    链条上所有的点都以相同的快慢运动,这就是牙盘边缘的线速度,单位为厘米每秒。

  3. ω2=vr2=20π4=5π\omega_2 = \frac{v}{r_2} = \frac{\resaltar{20\pi}}{\resaltar{4}} = \dato{p}{\resaltar{5\pi}}

    链条以相同的线速度带动飞轮的边缘;由 ω1r1=ω2r2\omega_1 r_1 = \omega_2 r_2 得到飞轮的角速度:每秒两圈半。

  4. vr=35⋅5π=175πv_r = 35 \cdot \resaltar{5\pi} = \dato{b}{\resaltar{175\pi}}

    后轮固定在飞轮的轴上,以相同的角速度转动,但它的边缘离轴远得多,线速度也大得多,单位为厘米每秒。

  5. 175π⋅3600100000=63π10175\pi \cdot \resaltar{\frac{3600}{100000}} = \resaltar{\frac{63\pi}{10}}

    如果车轮不滑动,自行车每转一圈前进的距离等于车轮的周长,这个周长依次贴在地面上:自行车的速度就是车轮边缘的速度。每秒一厘米等于每小时 3600100000\frac{3600}{100000} 千米,所以自行车以每小时约 19.8 千米的速度前进。

例题 4周长固定、面积最大的扇形

用长为 PP 的铁丝围成一个扇形的轮廓:两条半径和连接它们的弧。求面积最大的扇形的半径和圆心角,以及这个面积的值。

解答

  1. P=2r+s→s=P−2rP = 2r + s \rightarrow \dato{s}{s = P - 2r}

    若半径为 rr,圆心角为 θ\theta,则轮廓由两条半径和一条长为 s=rθs = r\theta 的弧组成。

  2. A=12rs=12r(P−2r)=Pr2−r2A = \frac{1}{2} r \resaltar{s} = \frac{1}{2} r \resaltar{(P - 2r)} = \dato{a}{\frac{Pr}{2} - r^2}

    由扇形定理,面积是半径的一半乘以弧长:它是半径的二次函数。

  3. P2+2π≤r<P2\dato{d}{\frac{P}{2 + 2\pi} \leq r < \frac{P}{2}}

    弧必须为正且不大于整个圆周,即 0<θ≤2π0 < \theta \leq 2\pi;由 P−2r>0P - 2r > 0 与 P−2r≤2πrP - 2r \leq 2\pi r 得到可能的半径所在的区间。

  4. A=P216−(r−P4)2≤P216A = \resaltar{\frac{P^2}{16} - \left( r - \frac{P}{4} \right)^2} \leq \resaltar{\frac{P^2}{16}}

    配方后,面积是一个固定的数减去一个平方。它作为 rr 的函数的图像是抛物线 (r−P4)2=−(A−P216)\left( r - \frac{P}{4} \right)^2 = -\left( A - \frac{P^2}{16} \right),开口向下;由课程 I 中关于抛物线的刻画的课里的顶点定理,它的最高点是顶点。

  5. r=P4,A=P216r = \frac{P}{4}, \quad A = \frac{P^2}{16}

    顶点的横坐标 P4\frac{P}{4} 属于可能的半径所在的区间,因为 2+2π>42 + 2\pi > 4。因此,最大面积恰好在这个半径处取得。

  6. θ=sr=P−P2P4=2\theta = \frac{s}{r} = \frac{\resaltar{P - \frac{P}{2}}}{\frac{P}{4}} = \resaltar{2}

    对应的弧长为 P2\frac{P}{2},圆心角是弧与半径之比:22 弧度,约 114.6 度,不论 PP 是多少。有趣的是,最大面积等于周长为 PP 的正方形的面积。

例题 5钟表的指针

计算 3:40 时钟表两根指针所成的角。然后证明,从 12:00 到下一个 12:00(后者除外),两根指针恰好重合十一次,相邻两次之间的时间间隔都等于 1211\frac{12}{11} 小时。

解答

  1. αm=360t,αh=30t\dato{p}{\alpha_m = 360t, \quad \alpha_h = 30t}

    我们用每根指针从 12:00 起按顺时针方向转过的角(以度为单位)来度量它的位置。经过 tt 小时,分针转了 tt 圈,而时针每 12 小时转一圈,每小时转 30∘30^\circ。

  2. αm=360⋅113=1320∘=240∘+3⋅360∘\alpha_m = 360 \cdot \frac{11}{3} = \resaltar{1320^\circ} = \resaltar{240^\circ + 3 \cdot 360^\circ}

    3:40 时已经过了 3+4060=1133 + \frac{40}{60} = \frac{11}{3} 小时。分针转了三整圈,这不改变它的位置,它位于其角的化归处。

  3. αh=30⋅113=110∘\alpha_h = 30 \cdot \resaltar{\frac{11}{3}} = \resaltar{110^\circ}

    时针还没有转满一圈。

  4. 240∘−110∘=130∘=13π18240^\circ - 110^\circ = \resaltar{130^\circ} = \resaltar{\frac{13\pi}{18}}

    化归后的两个位置之差小于 180∘180^\circ,所以它就是两根指针所成的角,用度和弧度表示如下。

  5. 360t−30t=330t=360k↔t=12k11,k∈Z360t - 30t = 330t = 360k \leftrightarrow \dato{t}{t = \frac{12k}{11}}, \quad k \in \mathbb{Z}

    两根指针重合,当且仅当它们的角终边相同,也就是说,由终边相同的角的引理,当且仅当它们的差是一周的整数倍。

  6. 0≤12k11<12↔0≤k<110 \leq \frac{12k}{11} < 12 \leftrightarrow 0 \leq k < 11

    条件 0≤t<120 \leq t < 12 等价于 0≤k<110 \leq k < 11:恰好有十一次重合,对应 k=0,1,…,10k = 0, 1, \ldots, 10,相邻两次相隔 1211\frac{12}{11} 小时,约为一小时 5 分 27 秒。时针的这些位置 360k11\frac{360k}{11} 度是一个正十一边形的顶点。

练习题

这些练习题沿用本课的思路:把扇形变成圆锥,把圆周相加来估计螺线的长度,把一条带子分解成直的部分和圆心角相加的弧,以及借助终边相同的角把角化到第一周,以数出位置和时刻。每道题都有一个提示(最好在尝试之后再打开);证明题还有一个详细的解答。

练习题 1纸做的圆锥

从一张纸上剪下一个半径为 1212 cm、圆心角为 120∘120^\circ 的扇形,把它的两条半径粘在一起,形成圆锥的侧面。计算圆锥底面的半径和高。

提示

扇形的弧变成底面的圆周,扇形的半径变成圆锥顶点到这个圆周上任意一点的距离。然后用毕达哥拉斯定理求出高。

答案

底面半径为 44 cm,高为 828\sqrt{2} cm。

练习题 2光盘的轨道

在一张光盘上,信息沿着唯一一条螺旋轨道记录,轨道始于离圆心 2.3 cm 处,止于 5.8 cm 处;螺线相邻两圈相距 1.6 微米。读取头以每秒 1.2 米的恒定线速度沿轨道移动。把螺线的每一圈近似看作以光盘的轴为圆心的圆,估计轨道的长度和完整读取一遍所需的时间。

提示

若 rr 与 RR 是起始半径与终止半径,pp 是相邻两圈的间距,则共有 N=R−rpN = \frac{R - r}{p} 圈,半径依次为 rr、r+pr + p、r+2pr + 2p,依此类推。它们的长度构成等差数列,其和已在课程 I 中关于求和、数列与归纳法的课里计算过;结果非常接近两个同心圆之间区域的面积除以间距。注意单位。

答案

螺线共转 2187521875 圈,长度约为下式,即约 5.57 km;完整读取一遍约需 4640 秒,即约 77 分钟。

L≈π(R2−r2)pL \approx \frac{\pi \left( R^2 - r^2 \right)}{p}
练习题 3捆住三根管子的带子

三根相同的圆柱形管子,半径为 rr,平行放置,每根都靠在另外两根上,用一条绷紧的带子把它们捆在一起。证明带子长为 6r+2πr6r + 2\pi r,并计算管子半径为 5 cm 时带子的长度。

提示

在垂直于管子的截面上,带子的每个直的部分与引向其切点的两条半径以及中心三角形的一条边构成一个矩形。对于弧,计算带子在每根管子上所包住的圆心角,并利用三角形的内角和。

答案

带子由三个长为 2r2r 的直的部分和三条合起来构成一个整圆的弧组成。当 r=5r = 5 时,它长 30+10π30 + 10\pi cm,约 61.4 cm。

详细解答

解答

  1. d⁡(A,B)=d⁡(B,C)=d⁡(C,A)=2r\operatorname{d}(A, B) = \operatorname{d}(B, C) = \operatorname{d}(C, A) = \dato{l}{2r}

    用一个垂直于管子的平面截这捆管子:可以看到三个半径为 rr 的圆,圆心为 AA、BB 与 CC。两个外切的圆,其圆心之间的距离等于半径之和,所以中心三角形是等边三角形,边长为 2r2r。

  2. d⁡(T,T′)=d⁡(A,B)=2r→3⋅2r=6r\operatorname{d}(T, T') = \resaltar{\operatorname{d}(A, B)} = \resaltar{2r} \rightarrow \dato{t}{3 \cdot 2r = 6r}

    带子的每个直的部分与两根管子相切,例如圆心为 AA 与 BB 的两根,切点为 TT 与 T′T'。由课程 I 中关于圆的课,引向切点的半径垂直于切线;半径 ATAT 与 BT′BT' 垂直于同一条直线,相等,并且在它的同侧,所以顶点为 AA、BB、T′T' 与 TT 的四边形是矩形。每个直的部分的长度等于三角形的一条边。

  3. π2+α+π2+φA=2π→φA=π−α\frac{\pi}{2} + \alpha + \frac{\pi}{2} + \varphi_A = 2\pi \rightarrow \dato{f}{\varphi_A = \pi - \alpha}

    在圆心为 AA 的管子上,带子包住的是到达这根管子的两个直的部分的切点之间的弧。引向这两个切点的半径与边 ABAB 和 ACAC 成直角;它们与三角形的角 α\alpha(在 AA 处)以及弧的圆心角 φA\varphi_A 合起来,由相邻角的和,构成绕 AA 的一整周。

  4. r(π−α)+r(π−β)+r(π−γ)=r(3π−(α+β+γ))=r(3π−π)=2πrr(\pi - \alpha) + r(\pi - \beta) + r(\pi - \gamma) = r\left( 3\pi - \resaltar{(\alpha + \beta + \gamma)} \right) = r\left( 3\pi - \resaltar{\pi} \right) = \dato{a}{2\pi r}

    在另外两根管子上也是如此,对应三角形的角 β\beta 与 γ\gamma。由弧长定理,三条弧之和如下;由于三角形的三个角之和为 π\pi,它们合起来构成一个整圆;这里每条弧都是三分之一,因为 α=β=γ=π3\alpha = \beta = \gamma = \frac{\pi}{3}。

  5. L=6r+2πr,r=5→L=30+10πL = \resaltar{6r} + \resaltar{2\pi r}, \qquad r = 5 \rightarrow L = 30 + 10\pi

    带子的长度是各直的部分与各条弧之和。弧的计算没有用到三角形是等边的:绷紧在三根相同管子上的带子,其弯曲部分之和总是一个整圆。当 r=5r = 5 时,带子长约 61.4 cm。

练习题 4跳动前进的轮子

一个齿轮每跳动一次,按逆时针方向转过角 150∘150^\circ。证明它在跳动 1212 次后第一次回到初始位置,并且在这些跳动中占据 1212 个不同的位置。推广:如果每次跳动是一周的 pq\frac{p}{q}(其中 pp 与 qq 互素),它占据多少个不同的位置?

提示

由终边相同的角的引理,第 jj 次与第 kk 次跳动使轮子处于同一位置,当且仅当 150(k−j)150(k - j) 是 360360 的倍数,即 1212 整除 5(k−j)5(k - j)。利用 55 与 1212 互素这一点,如同课程 I 中关于最大公因数与最小公倍数的课那样。

答案

两次跳动给出同一位置,当且仅当它们的序号之差是 1212 的倍数;一般地,轮子占据 qq 个不同的位置,并在第 qq 次跳动时第一次回到初始位置。

详细解答

解答

  1. 150(k−j)=360m↔5(k−j)=12m,m∈Z150(k - j) = 360m \leftrightarrow \dato{c}{5(k - j) = 12m}, \quad m \in \mathbb{Z}

    跳动 kk 次后,轮子转过了 150k150k 度。由终边相同的角的引理,第 jj 次与第 kk 次跳动使它处于同一位置,当且仅当两个角之差是一周的整数倍;除以 3030,条件就是 5(k−j)5(k - j) 是 1212 的倍数。

  2. 60∣5(k−j)↔12∣k−j\resaltar{60 \mid 5(k - j)} \leftrightarrow \dato{d}{\resaltar{12 \mid k - j}}

    于是整数 5(k−j)5(k - j) 是 1212 与 55 的倍数,而这两个数互素;由课程 I 中关于最大公因数的课里的公倍数引理,它是 6060 的倍数,于是 k−jk - j 是 1212 的倍数。反之,若 k−j=12tk - j = 12t,则两个角相差 5t5t 周。

  3. 0≤j<k≤11→0<k−j<12,150⋅12=5⋅3600 \leq j < k \leq 11 \rightarrow 0 < k - j < 12, \qquad 150 \cdot \resaltar{12} = \resaltar{5 \cdot 360}

    在第 00 次到第 1111 次跳动之间,没有一个差是 1212 的倍数:轮子占据 1212 个不同的位置。在第 1212 次跳动时,它转过了 1800∘1800^\circ,即五整周,第一次回到初始位置;此后它按同样的顺序重复同样的位置。

  4. q∣p(k−j)↔q∣k−jq \mid p(k - j) \leftrightarrow \resaltar{q \mid k - j}

    一般地,如果每次跳动是一周的 pq\frac{p}{q},第 jj 次与第 kk 次跳动给出同一位置,当且仅当 p(k−j)q\frac{p(k - j)}{q} 是整数,即 qq 整除 p(k−j)p(k - j)。当 pp 与 qq 互素时,同一引理给出 pqpq 整除 p(k−j)p(k - j),于是 qq 整除 k−jk - j:轮子恰好占据 qq 个位置,并在第 qq 次跳动时第一次回到初始位置。分数 150360=512\frac{150}{360} = \frac{5}{12} 给出前面的情形。

练习题 5成直角的指针

证明从 12:00 到下一个 12:00(后者除外),钟表的两根指针恰好 2222 次成直角,并求出这些时刻。

提示

用例题 5 的记号,当差 330t330t 与 90∘90^\circ 或 270∘270^\circ 终边相同时,两根指针成直角,即 330t=90+180j330t = 90 + 180j(jj 为某个整数)时。

答案

这些时刻如下,以 12:00 之后的小时数计,其中 j=0,1,…,21j = 0, 1, \ldots, 21;第一个约在 12:16,其中包括 3:00 和 9:00。

t=3(2j+1)11t = \frac{3(2j + 1)}{11}
详细解答

解答

  1. αm−αh=360t−30t=330t\alpha_m - \alpha_h = 360t - 30t = \dato{d}{330t}

    如同例题 5,经过 tt 小时,分针从 12:00 起按顺时针方向转过 360t360t 度,时针转过 30t30t;它们位置之差为 330t330t 度。

  2. 330t=90+360m∨330t=270+360m↔330t=90+180j,j∈Z330t = 90 + 360m \vee 330t = 270 + 360m \leftrightarrow \dato{e}{330t = 90 + 180j}, \quad j \in \mathbb{Z}

    两根指针成直角,当且仅当这个差与 90∘90^\circ 或 270∘270^\circ 终边相同,即它等于 90+360m90 + 360m 或 270+360m270 + 360m(mm 为某个整数)。这两族合起来就是数 90+180j90 + 180j:jj 取偶数值时给出第一族,取奇数值时给出第二族。

  3. t=90+180j330=3(2j+1)11t = \frac{\resaltar{90 + 180j}}{\resaltar{330}} = \dato{t}{\frac{3(2j + 1)}{11}}

    解出 tt 并把分数约去 3030,就得到这些时刻。

  4. 0≤3(2j+1)11<12↔0≤j≤21,j=5→t=3,j=16→t=90 \leq \frac{3(2j + 1)}{11} < 12 \leftrightarrow \resaltar{0 \leq j \leq 21}, \qquad j = 5 \rightarrow t = 3, \quad j = 16 \rightarrow t = 9

    条件 0≤t<120 \leq t < 12 等价于 0≤2j+1<440 \leq 2j + 1 < 44,即 0≤j≤210 \leq j \leq 21:恰好有 2222 个时刻,它们互不相同,因为 tt 随 jj 增大。取 j=0j = 0 得 t=311t = \frac{3}{11},约 16 分 22 秒;取 j=5j = 5 与 j=16j = 16,得 3:00 和 9:00。时针的相应位置 90(2j+1)11\frac{90(2j + 1)}{11} 度在表盘上均匀分布。

有了这一课,角就被度量并放置到平面上了。在下一课,即关于三角比的课中,单位圆上点 P(θ)P(\theta) 的坐标将定义任意角的余弦与正弦,而化到第一周和终边相同的角将解释它们的周期性。