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基本方程

令$f$和$g$为变量$x$的两个三角函数。求解方程$f(x) = g(x)$就是确定数字$r$的集合$S$,其中$f(r) = g(r)$是一个真实的句子。该集合是方程的解集(或真值集)。 故事 三角方程早在三角方程这个名字出现之前就已经出现了:希腊、印度和阿拉伯天文学家需要找到具有给定正弦的弧,以将观测结果转换为天空中的位置。其中最著名的是开普勒方程,发表于Astronomia nova (1609): $$M = E - e\operatorname{sen} E,$$根据经过的时间 ($M$) 和轨道偏心率 $e$ 给出行星在其椭圆轨道上的位置 $E$。这个问题无法用代数运算来解决,开普勒经过多次尝试,向几何学家发起挑战,要求他们找到一种方法。他自己暂时解决了。在 18 世纪欧拉开始将正弦和余弦视为实数的函数之后,用整数 $k$ 将方程的所有解写在一个公式中的想法才变得自然,定义为任何弧 - 正、负或大于一圈。 约翰尼斯·开普勒是谁 约翰内斯·开普勒(1571–1630)出生于德国南部Weil der Stadt的一个贫困家庭,童年时差点死于天花,这导致他的视力很弱——这对天文学家来说很奇怪。格拉茨的数学教授,他成为布拉格第谷·布拉赫的1600助理,一年后第谷去世,他继承了帝国数学家的职位和火星观测。经过六年的计算得出结论,火星的轨道不是圆形,而是一个椭圆——开普勒的前两条定律,发表于1609。他的个人生活很困难:他失去了第一任妻子和几个孩子,在 1615 和 1621 之间,他必须为自己的母亲凯瑟琳娜辩护,她被指控巫术。她被监禁了一年多,并受到酷刑威胁,但由于儿子的辩护,最终被无罪释放。 约翰内斯·开普勒 (1571–1630)。奥古斯特·科勒 · 维基共享资源 · 公共领域 开普勒方程。给定时间 $M$,我们寻找给出行星在椭圆中位置的角度 $E$(绿色);太阳保持焦点。 Ative o JavaScript para ver esta figura interativa. ◀ 上一站 沿路线走一遍 下一站 ▶ 1571 Weil der StadtNasce numa família pobre. A varíola, na infância, lhe deixa a vista fraca. 1589–1594 TübingenEstuda teologia na universidade, onde o professor Michael Mästlin lhe apresenta, em aulas particulares, a teoria de Copérnico. 1594–1600 GrazProfessor de matemática. Publica o Mysterium cosmographicum (1596). 1600–1612 PragaAssistente e depois sucessor de Tycho Brahe. Na Astronomia nova (1609) publica as duas primeiras leis e a equação $M = E - e\operatorname{sen}E$. 1612–1626 LinzMatemático da província. Publica a terceira lei (1619) e defende a mãe, acusada de bruxaria em Leonberg. 1630 RatisbonaMorre durante uma viagem para cobrar salários atrasados. 请启用 JavaScript 以查看地图。各站列在下方。 As cidades de Johannes Kepler. Clique numa etapa ou use Percorrer a viagem. 地图:© OpenStreetMap 贡献者

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阅读:Poncelet,监狱里写的几何

进一步阅读 Leitura Poncelet,在监狱里写下的几何 Jean-Victor Poncelet (1788–1867) 出生于法国东部的梅斯。他曾就读于巴黎理工学院,是画法几何创始人加斯帕德·蒙日 (Gaspard Monge) 的学生,后来又在梅斯军事工程学校学习。在1812中,他作为一名工程中尉,随拿破仑军队入侵俄罗斯。 让-维克多·蓬塞莱。史密森尼图书馆 · 维基共享资源 · 公共领域 在从莫斯科撤退期间,他被认为在克拉斯诺伊战役中阵亡,并最终成为一名俘虏。冬天,他步行前往伏尔加河畔的萨拉托夫,被囚禁了大约十八个月。在没有书籍的情况下,他凭记忆重建了从蒙日那里学到的东西,并走得更远:他开始发展射影几何,研究图形从一个平面投影到另一个平面时不会改变的属性 - 与笛沙格和帕斯卡在 17 世纪开始探索的属性相同。 他于 1814 发布,返回法国并开始发表他的结果,首先是关于圆锥曲线外接的内接多边形的结果。这部伟大的著作,Traité des propriétésprojectives desfigures(“关于图形投影属性的论文”)发表于 1822。在其中,Poncelet 展示了通过投影保留了点的对齐或相切等属性,并系统地使用了二次曲线的极点与极之间的关系,这是对偶原理的基础:在平面射影几何中,当“点”和“线”一词互换时,关于点和线的每个定理仍然成立。 这些想法为射影不变量的研究铺平了道路,例如由莫比乌斯和查斯开发的四点的双比(或非调和),以及Felix Klein的程序,该程序在1872中通过保留几何的变换组对几何进行分类。庞塞莱也是一位重要的工程师:他设计了液压轮并教授应用力学。于1867在巴黎去世。 来源: Poncelet (MacTutor) · J.-V. Poncelet,图形的属性投影 (1822)。

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乘法和除法公式

通过加法公式中的$b = a$,我们得到双弧函数;反转这些公式,就是拱形一半的公式。例如,这些工具允许从 $\cos\frac{\pi}{4}$ 计算 $\operatorname{sen}\frac{\pi}{8}$。 故事 在 1593 中,比利时数学家 Adriaan van Roomen 向欧洲数学家发起挑战,要求他们求解度方程 45。法国国王亨利四世的律师兼顾问François Viète意识到这是$\operatorname{sen} 45\theta$对$\operatorname{sen}\theta$函数的表达式,并用他自己系统化的多重弧公式解决了这个问题。 半弓公式甚至更古老:托勒密在他的平板电脑的构造中使用它们从 $12^\circ$ 字符串传递到 $6^\circ$、$3^\circ$、$1{,}5^\circ$ 和 $0{,}75^\circ$ 字符串。 弗朗索瓦·维埃特是谁 François Viète (1540–1603) 从来都不是一名职业数学家:他是一名来自法国西部丰特奈勒孔特的律师,并为国王亨利三世和亨利四世服务。数学是留给他的空闲时间的——尽管如此,他还是改变了代数,使用字母来表示未知数(元音)和已知数字(辅音)。在宗教战争期间,他破译了西班牙国王菲利普二世发送给法国盟友的加密信件。该密码有数百个符号,菲利普二世确信它是不可侵犯的,并向教皇抱怨法国人只能使用黑魔法。在荷兰大使表示没有法国人能够解决这个问题之后,范·鲁门的挑战是由亨利四世亲自向他提出的。 Viète 立即给出了解决方案,第二天又给出了其他解决方案 22。 弗朗索瓦·维特 (1540–1603)。作者身份不明 · 维基共享资源 · 公共领域 来源: Viète (MacTutor) · Van Roomen (MacTutor)。 在日常生活中 **踢和投掷。**在没有空气阻力的情况下,以速度 $v$ 和角度 $\theta$ 投出的球到达 $\frac{v^2\operatorname{sen} 2\theta}{g}$。最大范围在$45^\circ$处,因为$\operatorname{sen} 2\theta$在$2\theta = 90^\circ$处最大;若为 $v = 20$ m/s,则约为 40,8 m。 角度范围相同。 $30^\circ$ 和 $60^\circ$ 处的发射落在同一位置,因为 $\operatorname{sen} 60^\circ = \operatorname{sen} 120^\circ$ — 一个较低,另一个较高。 计算机绘图。 CAD程序使用$t = \operatorname{tg}\frac{\theta}{2}$参数绘制圆周圆弧,该参数将正弦和余弦转换为易于计算的多项式分数。 范围取决于 $\operatorname{sen}2\theta$:在 $45^\circ$ 处最大,并且互补角落在同一位置。 Ative o JavaScript para ver esta figura interativa.

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加法公式

我们来推导计算任意两个实数$a$和$b$的和$(a + b)$与差$(a - b)$的三角函数的公式,称为$a$和$b$的循环函数。 故事 节点 天文学大成, 托勒密 证明,在内接四边形中,对角线的乘积等于对边乘积之和—— 托勒密定理。应用于边长等于直径的四边形时,它精确地给出了两条弧的和与差的弦公式,托勒密用它来组装他的半度数表。波斯天文学家的公式以正弦形式出现 阿布·瓦法 (十世纪),我们在第二章中已经知道了。我们将要做的演示——基于两点之间的距离——使用笛卡尔的解析几何,并且是更新的。 托勒密如何计算 1° 的弦 利用正多边形以及和、差和半公式,托勒密可以达到 $72^\circ$、$60^\circ$、$12^\circ$、$6^\circ$、$3^\circ$、$1\frac{1}{2}^\circ$ 和 $\frac{3}{4}^\circ$ 的弦,但不能达到 $1^\circ$ 的弦,因为不可能将一个角分成三部分:尺子和指南针。结果是不等式:对于小弓,弦的生长速度比弓慢一点,所以 $$\tfrac{2}{3}\,\text{crd}\,1\tfrac{1}{2}^\circ < \text{crd}\,1^\circ < \tfrac{4}{3}\,\text{crd}\,\tfrac{3}{4}^\circ.$$根据60计算,在半径为60的圆内,两个极值重合达到表格精度:$1;2,50$,即$1 + \frac{2}{60} + \frac{50}{3600} \approx 1{,}04722$。现代值为 $120\operatorname{sen} 0{,}5^\circ \approx 1{,}04718$。 克劳狄斯·托勒密(Claudius Ptolemy,c. 100–170),后来的艺术表现,带有浑天仪。Justus van Gent 或 Pedro Berruguete · 维基共享资源 · 公共领域 托勒密定理:在内接四边形中,对角线的乘积是对边乘积之和。拖动顶点;然后将 $AD$ 放在直径上。 Ative o JavaScript para ver esta figura interativa.

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π/n 的正弦和值得注意的弧

我们将验证实数 $x = \dfrac{\pi}{n}$ 以及 $n \in \mathbb{N}$ 和 $n \ge 3$ 的圆函数可以从 $\ell_n$ 计算,即正多边形的边,$n$ 边内接在循环中。 故事 在第一本书中 天文学大成, 托勒密 他完全按照这样的方式构建了他的弦表:他从欧几里得几何知道如何计算的内接正多边形——三角形、正方形、五边形、六边形和十边形——的边开始,并通过弧的和、差和一半的公式获得其他弧,我们将在第六章中看到这些公式。弓的弦 $2\alpha$ 在一个半径的圆内 $R$ 和 $2R\operatorname{sen}\alpha$:本章中的定理是这一思想的现代翻译。 托勒密是谁 的 克劳狄斯·托勒密 (约 100-170)除了这部作品之外,几乎一无所知:他住在罗马埃及的亚历山大,他记录的观测范围从 127 到 141。他伟大的天文学论文被称为 数学作文;崇拜他的阿拉伯天文学家称他为 议会,“最伟大的”,从那里而来 天文学大成。在其中,托勒密描述了一个以地球为中心、行星一圈又一圈的宇宙——这是一个有缺陷的模型,但它在预测天空位置方面非常准确,以至于它被使用了近 1400 年,直到哥白尼和开普勒。托勒密还写过一篇 地理,具有数千个地点的坐标,以及 光学,其中他研究光的折射。 克劳狄斯·托勒密(Claudius Ptolemy,c. 100–170),后来的艺术表现,带有浑天仪。Justus van Gent 或 Pedro Berruguete · 维基共享资源 · 公共领域 圆弧 $2\alpha$ 的弦 $AB$ 由半径 $OM$ 一分为二:每一半测量 $R\operatorname{sen}\alpha$,然后测量 $\text{crd}\,2\alpha = 2R\operatorname{sen}\alpha$。托勒密的木板提供了绳索;印第安人,半绳。 Ative o JavaScript para ver esta figura interativa.

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互补弧和数值表

通过上一主题的简化,了解第一象限的函数就足够了。最终的对称性(在第一象限的 角平分线 中)进一步减少了工作量:知道从 $0$ 到 $\frac{\pi}{4}$(即从 $0^\circ$ 到 $45^\circ$)的弧就足够了。 故事 第一个三角表是弦:喜帕恰斯和托勒密将每张弓的弦制成表格,半度乘半。印度人开始将半弦(正弦)制成表格,阿拉伯天文学家添加了正切和余切,与日晷上阴影的长度相关。在 15 世纪,Regiomontanus 用 7 位数字计算正弦,而在 1596 中,由 Valentin Otho 完成的 Rheticus 的遗作,在 10 角秒内带来了 10 的六个函数,最多具有 10 个数字——这项长达数十年的工作虽然被计算器变得不必要,但却支撑了几个世纪的导航和天文学。这个题目的对称性是组装板的第一招:计算正弦到$45^\circ$,剩下的就免费了。 雷蒂克斯是谁 格奥尔格·约阿希姆·雷蒂克斯 (1514-1574)出生于奥地利,具有另一个姓氏。当他14岁时,他的父亲是一名医生,被判犯有巫术并被斩首,家人不得不放弃这个名字;年轻人开始自称 雷蒂库斯,因为雷西亚,他来自的地区。 1539 年,他前往波兰的弗龙博克 (Frombork) 参观维滕贝格 (Wittenberg) 教授。 哥白尼几十年来,他一直坚持地球绕太阳旋转的理论。雷蒂克斯是他唯一的弟子:他跟随他两年并发表了该理论的第一个总结(主要叙事,1540)并说服他打印 从 革命巴士 (1543)。在三角学中,他是第一个直接用三角函数的边定义六个函数的人。 直角三角形,而不是圆弧。他将余生奉献给了他的庞大董事会 白金作品,这本书直到他去世22年后才问世。 c. 140 a.C.Hiparchus 制造了第一个已知的弦板。 c. 150托勒密:半度和弦,底数为 60。 499Aryabhata:24 半弦(正弦),从 $3^\circ 45'$ 到 $3^\circ 45'$。 世纪。 XAbu al-Wafa:从 $15'$ 到 $15'$ 的正弦,有八个位置。 c. 1464Regiomontanus:具有 7 位的正弦。 1596Rheticus和Otho:从$10''$到$10''$的六个函数,最多10位。 1614Napier 发布了正弦对数表。 1972袖珍科学计算器使主板退役。 来源: Regiomontanus (MacTutor) · Rheticus (MacTutor)。

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将第二、第三和第四象限减少到第一象限

让我们推导计算$x$的三角函数的公式,其中$x$在第一象限之外,将$x$与第一象限中的某个数字相关联。目标是从给出 $0$ 和 $\frac{\pi}{2}$ 之间实数循环函数的表中了解 $\operatorname{sen} x$、$\cos x$ 和 $\operatorname{tg} x$。 将 $P$ 拖过所有象限。第一象限的点$P'$是$P$的对称点;比较面板上的正弦和余弦值。 Ative o JavaScript para ver esta figura interativa. 故事 三角函数表总是仅覆盖圆的一部分:Aryabhata 的弧线从 $0^\circ$ 到 $90^\circ$,而对于其他弧,天文学家使用圆的对称性。缺少的是标志的规则。虽然正弦和余弦是线段长度,但它们始终为正,并且每个象限都需要单独推理。这一变化是随着人们接受负数作为具有几何意义的数字而发生的。在 1629 中,法国人 Albert Girard 写道,在几何学中,负解“表示挫折”——无论谁走 $-3$ 步,都会向后走 3 步。正是这个想法向循环中一点的坐标发出信号,从而向每个象限中的循环函数发出信号。在接下来的一个世纪,欧拉将符号规则组织成我们使用的形式。 阿尔伯特·吉拉德是谁 阿尔伯特·吉拉德 (1595–1632) 出生于洛林圣米耶尔的一个新教家庭,与许多其他人一样,由于宗教迫害而在荷兰避难。他在莱顿学习,曾一度以鲁特琴演奏家为生,最终在奥兰治王子弗雷德里克·亨利的军队中担任工程师。在 1626 中,他发布了三角函数表,其中首次出现缩写 tan 和 sec。在Invention nouvelle en l’algèbre (1629)中,他超越了他的时代:他指出,度方程$n$有$n$个根,计算负数和“不可能”的根——我们今天所说的代数基本定理,仅由高斯在1799中证明。他在37岁时去世,使他的家庭陷入贫困。 628印度的Brahmagupta给出了处理“债务”(负面)和“财富”(正面)的规则。 1545卡尔达诺仍然称负根numeri ficti,虚构数字。 1629Albert Girard:在几何学中,负数“表示挫折”。 1637笛卡尔发布了几何,它产生了坐标。 1748欧拉组织了四个象限中的循环函数的符号。 来源: Girard (MacTutor) · 三角函数 (MacTutor)。 在日常生活中 **计算器。**要计算 $\operatorname{sen} 1000^\circ$,机器首先转动 ($1000^\circ - 720^\circ = 280^\circ$),然后将其减少到第一象限:$\operatorname{sen} 280^\circ = -\operatorname{sen} 80^\circ$。 导航。 向 $225^\circ$(西南,从东测量)方向步行 10 公里,向东移动 $10\cos 225^\circ \approx -7{,}07$ 公里,向北移动 $10\operatorname{sen} 225^\circ \approx -7{,}07$ 公里:路牌上写着“西”和“南”。 游戏。 面向 $150^\circ$ 的角色朝 $(\cos 150^\circ, \operatorname{sen} 150^\circ) = \left(-\frac{\sqrt{3}}{2}, \frac{1}{2}\right)$ 方向行走:向左并向上一点。 在任何象限的航向中,余弦和正弦符号表明船是向东还是向西、向北还是向南行驶。 Ative o JavaScript para ver esta figura interativa.