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第30章 三角函数(2)

正割及余割这两个概念由阿布尔—威发首先引入。sec这个略号是1626年荷兰数基拉德(1595—1630年)在他的《三角学》中首先使用,后经欧拉采用才得以通行。正割、余割函数的现代定义亦是由欧拉给出的。欧洲的“文艺复兴时期”,(14世纪—16世纪)伟大的天文学家哥白尼提倡地动学说,他的学生利提克斯见到当时天文观测日益精密,认为推算更精确的三角函数值表刻不容缓。于是他定圆的半径为1015,以制作每隔10″的正弦、正切及正割值表。当时还没有对数,更没有计算器。全靠笔算,任务十分繁重。利提克斯和他的助手们以坚忍不拔的意志,勤奋工作达12年之久,遗憾的是,他生前没能完成这项工作,直到1596年,才由他的学生鄂图完成并公布于世,1613年海得堡的彼提克斯又修订了利提克斯的三角函数表,重新再版。后来英国数学家纳皮尔发现了对数,这就大大地简化了三角计算,为进一步造出更精确的三角函数表创造了条件。

三角函数符号

毛罗利科早于1558年已采用三角函数符号,但当时并无函数概念,于是只称作三角线(trigonometriclines)。他以sinus1marcus表示正弦,以sinus2marcus表示余弦。而首个真正使用简化符号表示三角线的人是T芬克。他于1583年创立以“tangent”(正切)及“secant”(正割)表示相应之概念,其后他分别以符号“sin”、“tan”、“sec”、“sincom”、“tancom”、“seccom”表示正弦、正切、正割、余弦、余切、余割,首三个符号与现代之符号相同。后来的符号多有变化。

我国现在采用I类三角函数符号。

1729年,丹尼尔·伯努利是先以符号表示反三角函数,如以AS表示反正弦。1736年欧拉以At表示反正切,一年后又以Asinbc表示于单位圆上正弦值相等于cb的弧。1772年,C申费尔以arctang表示反正切;同年,拉格朗日采以arc·sin11+α表示反正弦函数。1776年,兰伯特则以arcsin表示同样意思。1794年,鲍利以Arcsin表示反正弦函数。其后这些记法逐渐得到普及,去掉符号中之小点,便成现今通用之符号,如arcsinx,arccosx等。于三角函数前加arc表示反三角函数,而有时则改以于三角函数前加大写字母开头Arc,以表示反三角函数之主值。

另一较常用之反三角函数符号如sin—1x,tan—1x等,是赫谢尔于1813年开始采用的,把反三角函数符号与反函数符号统一起来,至今亦有应用。三角函数的和差化积公式:

下列公式:

cosA—cosB=—2sinA+B2sinA—B2,

sinA—sinB=2cosA+B2sinA—B2,

cosA+cosB=2cosA+B2cosA—B2,

sinA+sinB=2sinA+B2cosA—B2,

称为三角函数的和差化积公式。

法国著名数学家韦达(1540—1603年)在他的著名的三角学著作《标准数学》中收集并整理了有关三角公式并给予补充,其中就有他给出的恒等式:

sinA—sinB=2cosA+B2sinA—B2

三角函数名称的由来和补充

想知道为何三角函数要叫做sin、cos这些名字吗?请看下图:

(1)正弦(sine)sinθ=MP

(2)余弦(cosine)cosθ=OM

(3)正切(tangent)tanθ=AT

(4)余切(cotangent)cotθ=BS

(5)正割(secant)secθ=OT

(6)余割(cosecant)cscθ=OS

(7)正矢(versine)versθ=MA

(8)余矢(versedcosines)coversθNB

(9)外割(exsecant)exescθ=PT

上面这个图称为三角圆(半径=1),是用图形的方式表达各函数。其中我们可以看到,sinθ为PM线段,也就是圆中一条弦(对2θ圆周角)的一半,所以称为“正弦”。而cosθ是OM线段,但OM=NP,故我们也可以将cosθ视为∠NOP(90°—θ)的正弦值,也就是θ的余角的正弦值,故称之为“余弦”。其余类推。

另外,除了课本中的六种三角函数外,还曾存在其他的三角函数,如上图中的versθ、coversθ和exsecθ。事实上,在历史上曾出现过的三角函数种类超过十种呢!但最后只剩下这六种常用的。其他的还有如半正矢(havθ)、古德曼函数和反古德曼函数等。

为什么弧度比角度难理解?

弧度比角度难理解,有不少人会赞同这个说法,说弧度是“糊涂”,这是为什么呢?

(1)角的大小是一个量,就像长度,重量,速度,温度等等量一样。物理中,我们知道,一个量的度量常常用不同的方法来测量,不同的测量方法最基本的差异是使用不同的测量单位。例如,温度有两种我们熟悉的度量单位,摄氏和华氏,中国人习惯使用摄氏温度,西方则习惯使用华氏温度,很多人甚至并不知道摄氏温度和华氏温度的单位是如何确定的。

“角度”容易被接受的原因之一是用“自己”测量“自己”,并且日常生活中我们经常用这个单位,久而久之,就不太容易接受其他的角度单位了。

(2)用“弧度”来度量角,需要一个过程。首先,需要确定长度单位,用这个长度单位做一个圆,我们知道圆弧是有长度的,例如,整个圆周的长度是2。接着用长度单位来测量弧的长,我们把长度为1的弧所对应的角作为角的弧度单位,称为一弧度角,这样我们就确定了度量角的新的单位。最后,我们还必须说明:选择的长度单位不同,但得到的一弧度角都是相同的,弧度指的是一个比值,它不依赖于圆半径的大小,这需要用到相似的概念。即,需要证明任何两个圆是相似的,这要用到极限的思想。

(3)“弧度”与角度的区别在于,角度是“自己”量“自己”,弧度是用“其他的东西”量角,用“长度”量角,这是容易造成不习惯的地方。也正是由于这一点,弧度给我们带来了很多好处。

当我们用三角函数刻画很多自然现象时,例如,y=sinx,在这里,x不仅可以是角度,也可以是时间,或是其他什么量。

在计算上也可以带来很大的方便,比如,当x趋于0时,y=1,我们知道这是非常重要的一个极限,它确保了三角函数的可导性。这个结果成立是由于我们使用了弧度,弧度把长度的单位和角度的单位统一起来。

中国π的一页沧桑

1.实用的中国π

古代中国的数学研究概以实用为依归,在圆周率π的逼近估计工作上,当然也不例外。比方说,在朝廷上,历法家利用圆周率来推算历书,而地方上的小官吏,也必须懂得如何去计算(圆形)谷仓的容积。随着仓储数量的增加,容器的度量被迫必须做得更精确,而π的精密估计也就变成一种很紧要很实用的事务了。再者,π值估计得不够理想,对小地方吏治的影响不大。但是,在一个农业社会中,何时降雨,雨量多少等等,件件都是皇帝庶民一体关心的大事,所以,中国历代朝廷之重视历法之修订,是可以想见的。在这种情形下,π值的估计如果害了历书无法预知四季雨露,则风不调雨不顺事小,碰上饥民造反,摇撼了江山基业可就不是闹着玩的了。传说,刘邦认为秦朝的覆亡与秦历有关,因而他上台后,就立刻找来当代的历法大家张苍重订历法。六朝朝代,何承天(生于公元370年,死于公元447年)就是一个宫廷天文师,著有《元嘉历》一书。在讨论浑天象体时,他说:“周天(即天体的一周长)三百六十五度三百四分之七十五。天常西转,一日一夜,过周一度。南北两极,相距一百一十六度三百四分之六十五分强,就是天径(天体的直径)。”由此可知:他所估计的π值为:

π=圆周率直径=3657530411665304=11103535329=3.1428。

2.中国π的历史

中国最早有π近似值的书籍是《周髀算经》与《九章算经》,所谓的“径一周三”就是出自《周髀算经》,当时所取的值是3。直到公元一至五年,刘歆替王莽制作嘉量斛标准量器时,发觉有估计得更精密的必要,才算出3.154之值,后世称为“歆率”。张衡,后汉南阳人(约公元130年),是中国古代最伟大的天文学家,设计浑天仪和地动仪,算定圆周率为9229或10。公元300年左右,魏朝的刘徽从圆内接正六边形着手,推至九十六边形(当时称做“割圆术”),算出近似值3.14,后人称为“徽率”。刘徽后来受到同行的刺激,继续割圆下去,居然割成一个圆内接正三千零七十二边形,求得更精密的值3.14159。无独有偶地,一千年之后,又出现了一位“疯子”——赵友钦,把边数增加到一万六千三百八十四边,验证了祖冲之的密率355113是一项很杰出的估计。

3.杰出的355/113

祖冲之,南齐范阳人,生于公元429年,死于公元500年,是当时杰出的数学家、天文学家与工程师。相传他用“割圆术”求得圆周率π的正确数值,介于3.1415927和3.1415926之间,并且定227为“疏率”,355113为“密率”(近似于3.1415929203),这个“密率”当世无人能出其右,直到一千一百多年后,才由德国人鄂图算出一个相同的数值来。祖冲之的计算法,应该会记载在他的《缀术》之中的,可惜,这部书失传了,使得这个准确到小数点第六位的“密率”,平添了不少的神秘色彩。这是不足为奇的,因为密率与连分数(繁分数)的最佳近似理论有关,所以,后世的数学史家莫不异口同赞为一项非凡的成就。

4.连分数的计算

取π值的近似值3.14159265,这个数值准确到小数点第八位数。规定[α]表示α的整数部分,即[α]=3。设p=314159265,q=100000000,则α=pq是一个有理数。

令α0=[α]=[pq]=3,而

pq=[pq]+1α1,0≤1α1<1

p=[pq]q+qα1(=r1),0≤r1<q(1)

r1=14159265,α1=qr1=10000000014159265。令α1=[α1]=[qr1]=7,同理可知:

qr1=[qr1]+1α2,0≤1α2<1,

q=[qr1]r1+r1α2(=r2),0≤r2<r1(2)

r2=885145,α2=r1r2=14159265885145。令α2=[α2]=[r1r2]=15,同理可知:

r1r2=[r1r2]+1α3,0≤1α3<1,

r1=[r1r2]r2+r2α3(=r3),0≤r3≤r2(3)

r3=872090,α=r2r3=872090885145。令α3=[α3]=[r2r3]=1,同理可知:

r2r3=[r2r3]+1α4,0≤1α4<1,

r2=[r2r3]r3+r3α4(=r4),0≤r4<r3(4)

r4=13055,α4=13055872090等等。由于

α=[α]+1α1(α=pq,α1=qr1)

=[α]+1[α1]+1α2(α2=r1r2)

=[α]+1[α1]+1[α2]+1α3

=[α]+1[α1]+1[α2]+1[α3]+1α4

所以

3.14159265=3+17+115+11+13055872090

马上可以得出3.14159265的渐近连分数依次是:31(径一周三),3+17=227(疏率),3+17+115=333106,3+17+115+11(密率),最后这一个近似值355113是略去13055972090所得到的,恰好是祖冲之的密率。更令人惊异的是:根据渐近分数的理论,分母不超过113的任何分数,没有一个能比355113更接近于π值。这一项漂亮的“巧合”,不知道风靡了多少近代的数学史家,为它献身!

5.π与大衍求一术

在上述的连分数计算程序(1)(2)(3)(4)中,实际上就是欧几里德辗转相除法的翻版(在把一个有理数表为一个有限小数或无限循环小数的程序中,辗转相除法也是一项不可或缺的工具)。这种辗转计算法,降生于希腊,似乎专以解决两整数的最大公因子为主;而投胎于中土,则自立门户,名曰“大衍求一术”,始终与不定方程式之解析共进退。求一术最早见之于三国时代的《孙子算经》下卷,用以解决韩信点兵问题:“物不知其数,三三数之余二,五五数之余三,七七数之余二”,是抽象代数书上“中国余数定理”之滥觞。接着,中国各朝代历法改订,都以大衍求一术求出更精确的近似值,来校正日差。也就是到了秦九韶的手上,大衍求一术才确定了它的通则与形式。在九韶先生的《数书九章》中有下列的记载:

置其右上,定居右下,立天元一于左上。先以右下除右上,所得商数与左上一相生,入左下,然后以右行上下,以少除多,递互除之,所得商数,随即递互异乘,归左行上下,须使右行上末得奇一而止。乃验左上所得,以为乘率,或奇数已,见单一者便为乘率。

试举一例,依大衍求一术解之:

以何数乘65,除以83余1?

解:可设何数为x,则原题可化为不定方程式65x—83y=1的求整数解之问题。因为65与83互质,故可用辗转相除法的横式递互代入,求得其解,这是高一数学小问题。大衍求一术的解法则如下:

(上)天元α0=1奇数65

(下)0定母83

(左)(右)q1…65除83之商

α0=165

α1=q1α0=1r1=18…65除83之余数

q2=3…18除65之商

α2=q2α1+α0=4r2=11…18除65之余数

α1r1=18

q3=1…11除18之商

α2=4r2=11

α3=q3α2+α1=5r3=7…11除18之余数

q4=1…7除11之商

α4=q4α3+α2=9r4=4…7除11之余数

α3=5r3=7

q5=1…4除7之商

α4=9r4=4

α5=q5α4+α3=14r5=3…4除7之余数

q6=1…3除4之商

α5=q6α5+α4=23r6=1…3除4之余数

α5=14r5=3

大家仔细观察,当可发现辗转相除法与大衍求一术实有貌异神同之处;利用大衍求一术,不但可以同时得知65与83互质;而且可以同时求出原方程式的一组解x=23,y=—18来(α5=23就是所谓的“乘率”)。

鉴于祖冲之的杰出,我们应该可以相信,他必然深谙“大衍求一术”之道;或许他在画了一个圆内接正一万六千多边形之后,忽然灵光显现,应用大衍求一术找到了这个355113也说不定。果真如此,则我们对中国古代数学的成就,当可再进一步地评价了。

由上面的解释,我们有α0=1,α1=q1,而αn=qnxn—1+αn—2,n≥2。同理,若令β0=0,β1=1,βn=qnβn—1+βn—2,n≥2。则证者不难发现rn=(—1)n(—83βn+65αn),n≥1。由递推公式知β6=18,αn=23。即x=23,y=—18为原方程式的一组解。

6.中国π的衰微