什么是正弦函数(正弦函数周期)
读初中的时候,有一个问题一直困扰着我,那就是为什么“正弦”叫做“正弦”呢?我们都知道“正弦”指的是:在RT△ABC中,对边与斜边的比值,即sinA=a/c. 但这与“弦”有什么关系呢?
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到了高中,角度从360°推广到了任意角,三角函数的范围也因此拓展了,想了解这个问题变得更加困难 。直到大学的某一天,我在图书馆翻阅数学史书籍时,偶然间找到了答案 。这一切让我们从古希腊的两位著名数学家开始 。
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喜帕恰斯Hipparchus是公元前2世纪古希腊著名数学家,托勒密Ptolemy则生活在公元2世纪左右的埃及,尽管生存年份跨度近3个世纪,但我们不能分开来描述他们,因为我们所知道的关于Hipparchus的成就与生平,主要来自于Ptolemy的著作,反过来,Ptolemy的很多工作都是在Hipparchus工作上的继承与创新 。
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Ptolemy
一个简单的例子是,地理学上绘制地图所常用的“经度与纬度”,首先由Hipparchus提出并倡导用于确定地球某点的位置,而Ptolemy通过《地理学指南》一书,充分地解释了怎样从数学上确定它们.
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Ptolemy的地图
Ptolemy的工作的确有继承,但更多的是创新 。Ptolemy最主要的著作是《天文学大成》(Almagest),此书在天文学上地位是亘古未有的,在中世纪,如果你要学习“天文学”,Almagest必然会是的枕边书,这部天文学上百科全书式的著作要直到17世纪“日心说”的兴起才开始受到“冷落” 。
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哥白尼
Almagest继承了古希腊、尤其是Hipparchus的成就,对当时遇到的问题:如描述天体运行的“地心说”、太阳及月球相关问题、恒星的位置以及三角学计算等作了详细描述 。其中一项工作——“弦表”——直接来源于Hipparchus 。
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Almagest中的“弦表”
【什么是正弦函数(正弦函数周期)】上图是经由Ptolemy改进后的Hipparchus的弦表,要理解为什么“正弦”之所以为“弦”,我们简单介绍一下这张表中数据的意思 。
“弦表”左边三列为希腊文,右边三列为译文,Ptolemy在计算中取周角为360°,直径为120 。由第八行知,当Arcs=4°时,chords在60进制下等于4;11.16,转换为10进制,即4+11/60+16/3600≈4.187778. 换句话说,4°弧所对应的弦长值约为4.187778,我们用符号ch( 4°)≈4.187778表示 。
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没错,ch(4°)就是sin(2°)的“前身”,“弦表”中的“正弦值”指的就是4°弧对应的弦长|BC|.其实不止在Ptolemy时代,往后的印度、阿拉伯时期,甚至是到了18世纪,“正弦”都是指的“几何线段”长 。其中,比较有影响力的是阿耶波多(āryabha?a)使用的“半弦”、Wafa使用“半弦长”与半径的比值、以及欧拉使用的单位圆中的“正弦线” 。
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而我们现在初中教材中的“正弦函数”的建立在直角三角形上的定义,要直到16世纪的奥地利数学家雷提库斯Rhaeticus给出 。高中教材中的“终边定义法”则更是在19世纪开始成型,最终在20世纪普及的 。
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现在不用我揭晓答案,大家也应该知道了,“正弦”之所以叫做“正弦”,并非一时的定义,而是历史发展的结果 。在相当长的一段时间里,正弦指的是“圆”中弧所对的“弦长”、“半弦长” 。但是随着“正弦函数”定义的一步步“进化”,它的原有的“弦长”定义也逐步的退出历史舞台 。这也是让我们的疑惑迟迟不能解开的原因 。
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最后表达一下我对学习数学的一些看法 。作为一名高中数学教师,我能深刻的体会到很多学生对于数学的功利性态度 。基于考试的原因,他们不得不学,但是数学中太多的公式、定理、概念、应用,让学生应接不暇,毅力和领悟力好的、数学自然学好了,但是更多的学生,对数学是有恐惧感的,学好数学也就变得很困难了 。
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而且即使是数学成绩好的学生,因为兴趣而学习数学的也很少见 。数学就真的这么难学?回答这个问题不容易,但是可以肯定的是,尽管抽象性是数学的特点,公式、定理、概念是理解数学的基础,但是数学不仅仅只是它们 。数学也应该有它简单、朴素、有趣的一面 。
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教材上的“数学”是高度提炼后的数学,学生初学就接受的是“完美化”后的概念、定理等,跳跃感比较严重,所以学起来困难 。但是如果结合数学的历史发展,从数学的发生出发,经历并克服数学家们遇到的同样问题,顺便了解数学家们的趣事,自然而然学习的兴趣起来了、学习的难关也在这一系列的过程中消化了 。
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