普林斯顿微积分读本(修订版)(16):三角学回顾 2.2

阅读数:7 2019 年 11 月 24 日 22:50

普林斯顿微积分读本(修订版)(16):三角学回顾 2.2

(扩展三角函数定义域)

内容简介
本书是作者多年来给普林斯顿大学本科一年级学生开设微积分的每周复习课。本书专注于讲述解题技巧,目的是帮助读者学习一元微积分的主要概念。深入处理一些基本内容,还复习一些主题。本书不仅可以作为参考书,也可以作为教材,定会成为任何一位需要微积分知识人学习一元微积分的非常好的指导书。

上表 (你背熟了吗?) 仅仅包括介于 0 到 π/2 的一些角. 但事实上, 我们可以取任意角的正弦或者余弦, 哪怕这个角是负的. 对于正切函数, 我们则不得不小心些. 例如, 上面我们看到的 tan (π/2) 是无定义的. 尽管如此, 我们还是能够对几乎每一个角取正切.

让我们首先来看看介于 0 到 2π (记住, 2π 就是 360°) 的角吧. 假设你想要计算 sin (θ) (或 cos (θ) 或 tan (θ)), 其中 θ 是介于 0 到 π/2 的角. 为了看得更清楚, 我们先来画一个带有一点古怪标记的坐标平面, 如图 2-5 所示.

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图 2-5

注意到坐标轴将平面分成了四个象限, 标记为Ⅰ到Ⅳ, 且标记的走向为逆时针方向. 这些象限分别被称为第一象限、第二象限、第三象限和第四象限. 下一步是要画一条始于原点的射线 (就是半直线). 那么究竟是哪一条射线呢?这取决于角 θ. 来想象一下, 你自己站在原点上, 面向 x 轴的正半轴. 现在沿着逆时针方向转动角 θ, 然后你沿着一条直线向前走. 你的足迹就是你要找的那条射线了.

现在, 图 2-5 (以及图 2-2) 中的其他标记就说得通了. 事实上, 如果你转动了角 π/2, 你将正面向上并且你的足迹将是 y 轴的正半轴. 如果你转动了角 π, 你将得到 x 轴的负半轴. 如果你转动了角 3π/2, 你将得到 y 轴的负半轴. 最后, 如果你转动了角 2π, 那么就又会回到了你起始的那个位置, 即面向 x 轴的正半轴. 这就好像你根本没转动过! 这就是为什么图中会有 0 ≡ 2π. 对于角度而言, 0 和 2π 是等价的.

好了, 让我们取某个角 θ 并以恰当的方式画出它. 或许它就在第三象限的某个地方, 如图 2-6 所示.

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图 2-6

注意到我们将这条射线标记为 θ, 而不是这个角本身. 不管怎样, 现在在这条射线上选取某个点并从该点画一条垂线至 x 轴. 我们对三个量感兴趣:该点的 x 坐标和 y 坐标 (当然它们被称为 xy), 以及该点到原点的距离, 我们称为 r. 注意, xy 可能会同时为负 (事实上, 在图 2-7 中它们均为负). 然而, r 总是正的, 因为它是距离. 事实上, 根据毕达哥拉斯定理 (即勾股定理), 不管 xy 是正还是负, 我们总会有 r=x2+y2. (平方会消除任何负号.)

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图 2-7

有了这三个量, 我们就可以定义如下的三个三角函数了:

sin(θ)=yr,cos(θ)=xr,tan(θ)=yx.

将量 xyr 分别解释为邻边、对边和斜边, 这些函数恰好就是 2.1 节中的固定公式了. 不过等一下, 如果你在那条射线上选取了另外一个点, 那会是什么样子呢? 这不要紧, 因为你得到的新的三角形和原来的那个三角形是相似的, 而上述比值不会受到任何影响. 事实上, 为方便起见, 我们常常假设 r = 1, 这样得到的点 (x, y) 会落在所谓的单位圆 (就是以原点为中心, 半径为 1 的圆) 上.

现在来看一个例子. 假设, 我们想求 sin (7π/6). 首先, 7π/6 会在第几象限呢? 我们需要决定 7π/6 会出现在列表 0, π/2, π, 3π/2, 2π 的哪个地方. 事实上, 7/6 大于 1 但小于 3/2, 故 7π/6 在 π 和 3π/2 之间. 事实上, 图 2-8 看起来很像前面的例子.

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图 2-8

因此, 角 7π/6 在第三象限. 然后, 我们选取了该射线上的一点, 该点至原点的距离 r = 1, 并从该点至 x 轴做了一条垂线. 由前述公式可知, sin (θ) = y/r = y (因为 r = 1), 因此, 我们还是要求出 y. 好吧, 那个小角, 就是在 7π/6 处的射线和 x 轴的负半轴 (其为 π) 之间的角一定是这两个角的差, 即 π/6. 这个小角被称为参考角. 一般来说, θ 的参考角是在表示角 θ 的射线和 x 轴之间的最小的角, 它必定介于 0 到 π/2. 在我们的例子中, 到 x 轴的最短路径是向上, 所以参考角如图 2-9 所示. 因此, 在那个小三角形中, 我们知道 r = 1, 以及角为 π/6. 似乎答案就是 y = sin (π/6) = 1/2, 但这是错的! 由于在 x 轴的下方, y 一定为负值. 也就是说, y = -1/2. 因为 sin (θ) = y, 我们也就证明了 sin (7π/6) = -1/2. 对于余弦来说, 也可以重复这个过程, 求出 x=cos(π/6)=3/2. 毕竟, 由于点 (x, y) 在 y 轴的左侧, 因此 x 必须为负. 这样就证明了 cos(7π/6)=3/2, 并且识别出点 (x, y) 即为点 (3/2, 1/2).

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图 2-9

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图灵地址 http://www.ituring.com.cn/book/1623

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