植物百科网
当前位置: 首页 农业百科

高中数学三角函数的概念和性质(高中数学中三角函数的前世今生)

时间:2023-06-05 作者: 小编 阅读量: 1 栏目名: 农业百科

现在,三角学的研究范围已不限于三角形,成为数理分析的基础和研究实用科学的必备工具。此人名字甚多,据我所知,有希帕霍斯,喜帕恰斯,希巴克斯、依巴谷、伊巴谷等,一般来说在天文上多称之为依巴谷,而数学上称为喜帕恰斯。韦达就是这样在我国被家喻户晓的,韦达简直要成了“方程”的代言人。导致比利时大使装X失败!对于斜三角形,韦达效仿古人,将其化为直角三角形解决。

sin对 cos说:“世界上最遥远的距离,不是生与死的距离,而是在π/2那里!”

“三角学”,陌生或不陌生,它就在那里!英文trigonometry,法文trigonométrie,德文 Trigonometria,都来自拉丁文trigonometria。原意是三角形的测量,目的是研究平面三角形和球面三角形的边和角的关系,达到测量的目的。早期的三角学仅仅是天文学的一部分,后来研究范围逐渐扩大,经过几代人的努力,变成独立的数学科目。现在,三角学的研究范围已不限于三角形,成为数理分析的基础和研究实用科学的必备工具。

为研究天文学,创立了三角学

众所周知,古希腊时期的数学家多投身于平面几何的研究,数学的灵魂是其美妙的逻辑性,比如以欧几里得一派最为典型。而天文学家更需要的是测量和算学,当时“天球”的理论比较盛行,也就是说宇宙中地球是中心,天上的太阳,月亮,星星,在地球的外面,它们都镶嵌在巨大的球面上,而地球的就理所应当的充当了“球心”的位置。

地心说示意图

地球或者其他天体总是会周期性的转动,在运动过程中,总是需要知道天体相对于地球的弧长和角度的问题,在众多天文学家之中,始终占据C位的,就是我们今天的主角之一,因为他的出现,“三角学”应运而生!

喜帕恰斯--三角学之父

Hipparchus(约公元前180年-公元前125年),希腊天文学家,数学家。此人名字甚多,据我所知,有希帕霍斯,喜帕恰斯,希巴克斯、依巴谷、伊巴谷等,一般来说在天文上多称之为依巴谷,而数学上称为喜帕恰斯。

身为天文学家,例行工作便是要仰望星空,那么有一套好装备是很必要的,咱们喜帕恰斯定是一个“强迫症”患者,观象台的建造必须完美,结果是“强迫症”胜利了,他在爱琴海的罗得建立了观象台,并且这些仪器沿用了1700多年,因为简直太好用了!喜帕恰斯在这个观象台做了一件后人难以望其项背的事情,就是测量地球和月亮的距离。测量方法是视差法。

我们先了解一下什么是视差法?视差法是一种利用不同视点对同一物体的视差来测定距离的方法。

右眼观察物体的视觉效果


左眼观察物体的视觉效果

大家应该看过抗战电视剧中的狙击手测距离的方法,经常对着敌人点个赞(伸出一只大拇指),然后距离就算出来了,狙击手就准备射击了。事实上,这就是利用了视差的计算方法。

电视剧中的视差法截图

由于我们成年人两瞳孔的间隔约为自己臂长的十分之一,这时候只需要面对鬼子,伸出右手大拇处于两眼之间,先闭上左眼,用右眼通过拇指的一侧对准鬼子,然后闭上右眼,用左眼通过拇指同一侧观察,记住左眼视线对准的物体(比如一扇窗),估算出这个窗与鬼子之间的距离,然后乘以10,便是要测出的距离。

当然喜帕恰斯的观测和计算方法要精准很多,他利用月亮视差测量地月距离,认为地月距离是地球直径的三十倍,而之后的一千九百年间,月亮就是人们所知离地球有多远的唯一天体,直到天文望远镜的发明,人们才直到第二颗星球与地球的距离。


有人会有疑问,视差法观测人的时候总是其他的参照物(我们刚才说的一扇窗),那么观测月亮的时候如何找到“那扇窗”呢?当然有了,喜帕恰斯找的参照物是天上的星星。在适当的变化条件下,通过测量月亮相对于星星的位置,就能测定月亮的视差,并算出其距离,喜帕恰斯就是抓住了一次月食的机会,搞定了地月之间的距离。

我们在惊叹喜帕恰斯的惊人计算力的时候,不得不佩服他的好视力,没有错,喜帕恰斯的视力非常好,他认为《夜空中最亮的星》的歌词是有问题的,因为夜空中最亮的星不是一颗,而一共有20颗,它们叫一等星,亮度次之的叫二等星,然后是三等星,四等星,五等星,肉眼刚刚可见的是六等星。这种星体的排列体系一直沿用到今天!

无论是计算距离时,还是计算“天球”运动时,球面上的圆心角对应的弦长是十分必要的,喜帕恰斯对球面上的角度和距离进行计算,制作了一个和现今三角函数表相仿的“弦表”,即在固定的圆内,不同的圆心角所对应的弦长(相当于现在圆心角一半的正弦线的两倍)的表。对于一定度数的圆弧,可以得到相应弦的长度。虽然目前还没有直接的文献载有喜帕恰斯的“弦表”,但通过后人的资料记载,他已经算出了0°到90°之间,每隔半度的正弦值,并且传说中在他的计算方法中,有三角函数半角公式的影子。

“三角学之父”的著作现如今均已失传,但是在喜帕恰斯之后的300年,另一个人的出现,完美继承和发扬了三角学,并且著作保留至今!他就是劳蒂乌斯·托勒密!

托勒密--发扬光大

希腊天文学家,数学家克劳蒂乌斯·托勒密(约100-170年),相信很多小朋友是由于“托勒密定理”才知晓这个人的,事实上,托勒密最享盛名的著作是《大成》,该书是古希腊天文学的光辉顶点,对宇宙模型给出了完整的数学描述,包括有太阳,月亮和行星的各种运动参数,它取代了这一课题的所有早期的著作。换句话说,如果我们穿越到古希腊时期,要想研究天文学,一本《大成》就够了!

在三角函数上,托勒密继承了喜帕恰斯的思路,创造出比喜帕恰斯的更完整的“弦表”。列出了从(1/2)°到180°,且以半度为间隔的弦表,并且找出了一种能在已算好的两个值之间的插值方法。

拥有更科学,更详尽的“弦表”,就可以在一定已知的条件下来解任意三角形。同时,托勒密创新的应用“托勒密定理”,应用该定理在解圆的内接四边形的时候,能够推出正弦和余弦的和差角公式。

三角学的发展越来越丰富,三角形中的奥秘被挖掘的越来越深入,纵观世界,由于信息不发达,全世界各地的对三角学都有所贡献,比如印度地区的《阿耶波多历数书》、《太阳的知识》;阿拉伯地区的巴塔尼与《星的科学》、比鲁尼和《测影通论》、艾布·瓦法与《天文学大全》等等。

文艺复兴以后,人类摆脱了中世纪束缚思想的精神枷锁,一个新时代的到来,各方面科学文化都取得突破性进展,三角学也不例外,发展成相当成熟的独立科目。但是三角函数公式却是杂乱无章的,这时候我们期待下一个天才的出现,16世纪中叶,他出生了,他的名字在中学数学课堂上翻来覆去被提到,是学霸心中的“神器”,是学渣心中的“魔鬼”,他就是韦达!

韦达--三角公式集大成者

弗朗索瓦·韦达(1540-1603年),法国数学家,被誉为“代数学之父”。在我国,无论您的数学考多少分,您都必须要知道“韦达定理”,这简直是二次方程的神器。韦达就是这样在我国被家喻户晓的,韦达简直要成了“方程”的代言人。

相传,在比利时有位数学家叫罗芒乌斯,他在《数学思想》一书中有一个变态的方程求根问题,用现代的符号写出来就是:

比利时的大使曾向法国国王亨利四世“嘚瑟”,这么难的问题你们国家有能能解么?

于是亨利四世召来了韦达,让他解决这个问题,灭对方之威风!韦达看出该方程的解依赖sin45θ和sinθ之间的关系,心想:“在方程的背景音乐下,我还没输过”,凭着优秀的数学直觉,2分钟后解出了2个根,之后又解出了21个根。导致比利时大使装X失败!

韦达在代数上最伟大的成就应该是引进了系统的“符号”,也可以被称为“符号大师”,今天我们不谈韦达其他方面的贡献,只谈三角学。

韦达第一个在平面三角和球面三角中使用了 6 个三角函数,即我们今天的sin,cos,tan,cot,sec,csc。除了总前人的成果外,还补充了自己发现的新公式。

他将这些公式总结在一个总表中,记录在《应用于三角形的数学定理》的第二部分。对于斜三角形,韦达效仿古人,将其化为直角三角形解决。对于球面三角形,韦达给出计算公式及记忆法则,比如著名的余弦定理:a²=b² c²-2bccosA。之后韦达又得到多倍角公式。韦达坚信:“没有解决不了的问题”,这句话永远激励着人们奋发向上,去探索数学未知的高峰。

至此,三角学从天文学中彻底分离出来,成为数学的一个分支,并独立发展。

欧拉--三角学分析化

每每提到数学的大事件,永远都有欧拉的身影。这一次,不仅欧拉,近代数学的大牛们纷纷登场。17世纪,一个响亮的数学名词登上历史舞台,并在之后的二百年里,它在几乎所有的数学问题中均占中心位置,无出其右,它就是“函数”。

各种三角函数是起源于圆周运动,相互之间密切配合的周期函数,它们是解析几何学和周期函数的分析学中最为基本和重要的函数;牛顿和莱布尼茨给出了三角函数的级数展开式。约翰·伯努利在和差公式的基础上推导了解析三角的一般恒等式。

欧拉在《无穷小分析引论》中把三角学作为一门关于三角函数的科学进行了研究,对三角学作解析的叙述,从不多的几个基本公式推导出全部三角公式。他引入了弧度制,从而使角和实数一一对应,计算大为简化。如果令圆的半径等于1,那么半圆周的长就是π,所对圆心角的正弦值是0,即sinπ=0 ;1/4圆的周长是π/2,所对圆心角的正弦值等于1,即sinπ/2=1。

欧拉的《无穷小分析引论》是一部划时代的著作,即使只针对三角学来说也是封神之作。它使三角学从静态的只是研究三角形解法的狭隘天地中解放出来,三角学可以去描述现实世界中一切能用三角函数反映的运动或变化,从而使三角学成为一门具有现代特征的分析学的分支。

(图片来源网络,侵删)


[1] 肖柏荣,周焕山.数学史与数学方法论[M].成都:成都科技大学出版社,1996.

[2] 胡作玄.近代数学史[M].济南:山东教育出版社,2006

[3]Eli Maor.Trigonometric Delights . Princeton University Press .1998.6

[4]吴文俊主编.世界著名科学家传记(数学家Ⅱ).科学出版社.1992.193

[5] Victor J.Katz.李文林.邹建成.胥鸣伟等译.数学史通论(第 2 版).高等教育出版社.2004.

    推荐阅读
  • 空气含量中最多的气体(空气含量中最多的气体介绍)

    空气中含量最多的气体是氮气,氮气约占空气体积分数的百分比约为78%。通过实验测定,空气的成分按体积计算,氮气大约占78%、氧气占21%、稀有气体0.94%、二氧化碳0.03%、其他气体和杂质0.03%,也就是说空气中含量最多的物质是氮气。氮气化学性质很不活泼,在高温高压及催化剂条件下才能和氢气反应生成氨气;在放电的情况下才能和氧气化合生成一氧化氮;即使Ca、Mg、Sr和Ba等活泼金属也只有在加热的情形下才能与其反应。

  • 文思豆腐羹如何做好吃(文思豆腐羹用什么豆腐)

    文思豆腐是一道有名的淮扬菜,需要的就是精湛的刀工,这样做出的文思豆腐会有嫩滑的口感,打造入口即化的口感。文思豆腐羹如何做好吃文思豆腐羹材料和做法步骤一、文思豆腐羹材料准备好豆腐400克,鸡脯肉,火腿还有香菇,再有准备好生菜,冬笋,调料需要准备盐和味精。

  • 结构性存款可以买理财吗(结构性存款是存款吗)

    雪球产品就是今年年初监管向信托公司进行窗口指导,要求叫停的产品。简单的说,这是一种高风险的金融衍生品,它通过持有一定结构的金融衍生品,来实现在某一特定情况下获利。这样的投资结构就能保证我不论涨,还是跌,只要在一定幅度内都可以盈利。交易期权等金融衍生品,是非常高风险的投资。

  • 正言厉色意思(正言厉色的意思)

    下面内容希望能帮助到你,我们来一起看看吧!正言厉色意思正言厉色,汉语成语,拼音是zhènɡyánlìsè,意思是形容板着脸,神情非常严厉。出自《汉书·王莽传》。宝玉突然想出一个主意,一本正经地给她讲扬州黛山林子洞耗子精偷香芋的故事,黛玉见他正言厉色,以为真有其事,后来才发现原来是在取笑她。

  • 面谈调薪酬有什么技巧(跟老板谈调薪的技巧有哪些)

    如果你在老板心目中分量很大,一般老板都会给你加薪的。和老板谈加薪时目的一定要明确,让老板知道你只是为了加薪,而不是辞职走人。和老板谈加薪后,一定要给老板一个考虑的时间,不要咄咄逼人,逼着老板加薪。老板也要有足够的思考时间,来考虑你是否值得加薪,给你加薪后对公司有没有什么影响。不仅口头上要表示感谢,工作中要更加努力,让老板觉得给你加薪是值得的。

  • 杏花有没有香味(杏花闻起来会特别香吗)

    杏树是中国著名的观赏树木,可配植于庭前、墙隅、道路旁、水边,也可群植、片植于山坡、水畔,是春季主要的观赏树种。杏花直径2至3厘米,先于叶开放。花梗短,长1至3毫米,被短柔毛。花萼紫绿色,萼筒圆筒形,外面基部被短柔毛。萼片卵形至卵状长圆形,先端急尖或圆钝,花后反折。花瓣圆形至倒卵形,白色或带红色,具短爪。

  • 减肥减肚子的方法(怎么减肚子呢)

    减肥减肚子的方法食用健康食品:酸奶与发酵的牛奶能激活消化必须的物质,有助于改善肠道微生物系统,从而防止腹部隆起。走路、喝水、按摩:走路及喝水有利腹部扁平。

  • 新坑翡翠手镯多少钱(新坑翡翠手镯的价格)

    新坑翡翠手镯多少钱?新坑翡翠手镯多少钱翡翠手镯作为大件翡翠制品,用料特别多,只有大块、质量好的翡翠原石才能打造成手镯,因此翡翠手镯的价格都比较高,商家们拿到质量比较好的原石也尽可能打造成手镯。具体到新坑种翡翠,因为大多数新坑种翡翠透明度都不高,质地也不够细腻,因此种水一般都是以糯种或豆种为主,极少出现冰种或冰种以上的种水,这样的翡翠价格价格自然不会太高,一个品质比较好的糯种翡翠手镯大概在十万以内。

  • 宁波毛蚶做法水煮几分钟(毛蚶煮多长时间可以吃)

    宁波毛蚶做法水煮几分钟毛蚬是很多人喜欢吃的食物,不过建议大家在做之前都要先用开水煮以下。强精益气,提高精液质量,增强精子活力。适用于治疗肾阳虚所致的阳痿、腰痛、小便频数及补五脏之气不足。可治疗全身水肿,小便不利等。能软化和保护血管,有降低人体中血脂和胆固醇的作用。

  • 2022洛阳湿地公园最新名单 洛阳生态公园最新消息

    国家级湿地自然保护区河南黄河湿地国家级自然保护区,面积24000公顷。国家级湿地公园嵩县陆浑湖国家湿地公园,面积4222.39公顷伊川伊河国家湿地公园,面积1384.36公顷。