角度的概念在視覺上非常直觀,但其數學定義並不是那麼簡單

2020-12-24 老胡說科學

角的概念是幾何學中最基本的概念之一。當我們研究三角形的性質時,我們自然地建立了三角形的邊和角之間的聯繫。這些聯繫是在三角學中系統地建立起來的。

角是什麼?我們如何測量它?

雖然角度的概念在視覺上很直觀,但它的數學定義卻不那麼直觀。讓我們嘗試開發一種視覺方法來理解我們如何定義一個角度。

考慮下面的圖

線條OA和OB之間的「延伸」就是我們所說的角度。即使我們選擇OC和OD這兩條線,它們之間的距離也是一樣的。所以點對的選擇是完全任意的。

接下來,我們將這個角度嵌入到上面所示的五邊形中。我們很容易看出,有5個這樣的角分別由5條邊對著中心。所有的角都相等因為邊長相等。我們應該記住,我們還不知道角是什麼,但我們仍然可以通過邏輯思維來建立它的一些屬性。

讓我們將此角度稱為θ(發音為「 Theta」)。現在,從上面的討論中可以很容易地說,θ的大小應為圍繞五邊形的整個角度的大小的五分之一。

讓我們以五邊形為中心的完整角度的量度為Ω(發音為「Omega」)。因此,我們可以寫成:

在我們繼續之前,我們需要陳述一個非常基本的幾何事實

完整角的測量與多邊形的大小和邊的數目無關。

很明顯,一個更大的五邊形(或任何其他多邊形)圍繞中心的完整角度是相同的。這意味著Ω某種幾何常數。

如果我們取一個正六邊形(6邊),那麼θ將變成:

看起來好像一個角度的大小取決於它周圍多邊形的形狀。這顯然是不可接受的,因為一個角應該與五邊形或六邊形或其他任何東西無關。它們只是兩線之間的「擴展」。所以我們想找到一個更好的方法來量化角度。

受以下事實啟發:即使對於不同的形狀,圍繞中心的角度始終為Ω,我們可以嘗試構造一個將Ω與常規正多邊形連接的量。如果我們幸運的話,這可能會導致某種我們想要的普遍性。我們寫一個n邊多邊形的周長公式

如果我們衡量任何多邊形的周長P,中心的角度認為是Ω。如果我們測量這個多邊形的邊的單位長度,角度∠必須Ω/ P。我們稱之為單位角。認為任何其他長度AB,角(θ)必須AB×單位角度。用P的表達式,我們可以寫成

這個表達式看起來很複雜,但是我們要做一些簡化。

我們問一個問題,如果n的值太大,會發生什麼?首先,多邊形有太多的邊,這些邊看起來就像一個圓。其次,1/n得值非常小。為了讓表達式更清楚一點,我們用m代替1/n,我們知道如果n變得太大,m也會變得太小。用m表示,最後一個表達式變成

現在,我們需要知道當m很小的時候分母上的這一項會怎樣。要理解這一點,考慮一個三角形ΔABC -

根據定義,我們知道:

從C點到B點會發生什麼?BC的長度變小了,∠A也變小了。如果∠A趨近於零,那麼∠BC的長度也趨近於零。我們重新整理一下上面的方程,得到

如果我們說BC趨於0,那麼我們有

公元前我們已經確定,如果為零,那麼α也變成了零。我們可以這樣寫

讓我們從上面θ-複製表達式

在我們的情況下,m幾乎變為零。現在,任何乘以m的數字也將變為零,因此mΩ/ 2是一個很小的數字。通過遵循上面討論的論點,當m → 0時,它應該意味著sinm(mΩ/ 2) →0。儘管這是相當簡單的簡化,但這是一場災難!這意味著我們將數量除以零,這在數學上是非法的。這是否意味著我們出錯了?並沒有。

讓我們確定這一明顯悖論的根源。分母中有一個數量,在某些情況下該數量等於零。消除此問題的唯方法是用分子中的某項取消該項,以便當m變為零時,分母中沒有剩餘項會造成任何損害。現在,發生這種情況的唯一方法是,如果我們遇到以下情況-

數字k是一個常數,其突然出現可能會引起混淆。k的數學上嚴格的解釋超出了本文的範圍。此時,我們只能說在方程的右側,我們必須使因子m乘以某個未知對象。原則上,這個對象可以是任何對象,但是為了簡化分析,我們假設它是一個數字。我們將在下一節中擔心此數字,但是最重要的是m將用分子取消,並且除以零的問題得以解決!

這可能看起來像作弊,但這是一種合法的數學技巧。此外,這是擺脫零分問題的唯一明智方式。事實上,這本身是一個非常基本的關係,在數學的另一個分支——微積分中有著巨大的意義。

替換後,θ的表達式變為

正如我們所看到的,分母中的0消失了!

我們已經知道當m→0時,我們處理的是一個圓而不是一個多邊形(見下圖)。我們可以確定OA圓的半徑和AB的圓弧一定長度取決於θ。

但是我們怎麼找到k的值呢?

為了回答這個問題,我們將使用書中最古老的技巧——物理測量。讓我們看看下面的圖表:

這裡我們以θ為完整的角度在圓的一半。所以它的措施是Ω/ 2。如果我們用角的定義,我們會得到:

兩邊Ω被取消了,我們只剩下一個簡單的方程k -

如果我們可以用物理方法測量給定半徑下的半圓弧的長度,我們就可以把這些值代入這個公式中,得到k的數值。結果表明,對於任意大小的圓,k的值近似為3.143。在數學文獻,這個值是表示為π。因此,我們可以在角的定義中使用k的值來得到

到目前為止,我們一直在避免談論Ω的值,因為它是一個完全任意的選擇。這類似於在公制與英制中測量棒的長度。杆的實際長度不會改變,但是相關的數字可能會改變。因此,我們可以完全自由地在特定系統中為Ω選擇一個值。通過看最後一個公式,簡單地選擇Ω=2π 很有意義。這種選擇使角度的定義非常簡單

角度測量的選擇Ω稱為弧度。如果我們選擇Ω= 360,我們稱之為度。

總結

我們發現了一個明確的角度定義(以弧度為單位),即角度=弧長/半徑。如果我們以弧度為單位來測量角度,則會得到一個非常有用的結果:當θ→0時,sinθ→θ。

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