角的疑惑——為什麼使用弧度?

2020-12-06 奇趣數學苑

轉自: https://spaces.ac.cn/archives/1868. [遇見] 補充部分圖形, 轉自請註明

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也許當我們從小學數學進入中學數學的過程中,讓我們最鬱悶的事情就是課本上把用的好好的角度制改為弧度制了,那個好好的

的周角無端端變成了一個無理數

,為此還多了一堆轉換公式,那時這可把我折騰了好一陣子。為什麼一個完美的

不用,反而轉向一個無理數

?這裡邊涉及到了相當多的原因,在這些原因中,重新體現了數學體系的一致與簡約。當然,文章裡的觀點只是我自己的看法,僅供大家參考。

▌弧度制:簡約的要求

如果讀者已經學過了極限理論,那麼我就可以直接說,引入弧度制,是為了在這樣的一種角的度量體制下,滿足:

不難證明,只有弧度制才滿足這一極限。假如使用角度為單位的話,我們就有

這樣就顯得不簡潔了。滿足這個極限有什麼好處呢?那是為了更進一步的簡潔:只有滿足這個條件,我們才有:

這樣的簡潔式子。也只有當有了這樣的簡潔公式後,正(餘)弦函數才能有更簡單的表達形式:

也只有在這樣的條件之下,才會有偉大的歐拉公式:

然後才會有複分析各種偉大的數學成果。如果使用角度單位,那麼

會把我們糾結死的。所以最終我們選擇了弧度制。

▌弧度制:統一的描述事實上,使用弧度制,還有另外一個原因:出於我們對角的測量的反思和推廣我們一般說的角,都是指平面角。其實角就是兩條同源射線的張開程度,我們怎麼測量這個張開程度的呢?我們先把一個周角分為

份,每一份叫做一度,然後再分細,然後用這個「量角器」來測量它。在小學我們也許就學過

這樣的變換規律。這樣很容易讓我們認為「度」是一個實在的單位,用物理的語言說,就是角度具有量綱。但事實上,角度是沒有量綱的,它不像長度、時間那樣具有實在的單位。我們所說的度、分、秒是人為給定的,不能反映其物理實在。其實,測量兩條射線的張開程度,不一定需要上面的「量角器」來度量,只需要計算長度之比就行。比如說,在一條射線上任取一點,往另外一條射線作高,構成一個直角三角形,高與斜邊之比,也就是

的值,就代表了這個張開程度的大小。但這種測量方式中,

是不隨

的勻速變化而勻速變化的(不成線性關係),這樣用起來不便。後來,數學家巧妙地構思了一種角度的定義:以角的交點為圓心,以單位長度為半徑作一個單位圓,那麼那個角所截的弧的長度就是角的大小。

這就是數學家測量角的方法!也許有的讀者會問這樣角不是具有長度的單位了?要注意這裡是單位圓,這是描述的方便,它實際上是弧長與半徑之比,既然是一個比值,自然就沒有量綱了!我們中學的時候學過在弧度制下弧長

,也許還要求我們證明。現在你該明白,這是弧度的定義!中學要求我們去證明實際上是本末倒置了(但是這也無可厚非)。就好比我問你「為什麼第一名屬於前三名?」一樣,因為「不屬於前三名就不可能是第一名!」。這個角的定義很容易讓我們將其推廣到「立體角」的概念:從一點引出三條或三條以上的射線,並且以這點為球心作單位球,這些射線在單位球上截出的球面多邊形的面積,就是這個立體角的大小。

這樣的推廣是很顯然的,也是很有用的。當然,在這裡我們並不進一步展開論述它的作用。不過,我們已經可以發現,從角度到弧度,反映了數學家追求數學整體的和諧和簡潔這一事實所在!(完)

來源《遇見數學》

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