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定义一:正弦(sine),数学术语,在直角三角形中,任意一锐角∠A的对边与斜边的比称为∠A的正弦,记作sinA(由英语sine一词缩写而来),即sinA=∠A的对边/斜边。
然而,这个定义存在局限性。虽然其解释直观且适合初学者,但仅限于角的取值范围在0°至90°之间,且不包括0°和90°。这种表述方式无法涵盖自变量的全部取值范围。
一个更为高级的定义:在直角坐标系中,设定单位圆,对于任意角α,使角α的顶点与原点重合,始边与x轴非负半轴重合,终边与单位圆交于点P(u,v),那么点P的纵坐标v即为角α的正弦函数,记作v=sinα。
这个定义克服了上述限制。
在计算器或其他电子计算工具普及之前,人们常通过三角函数对照表来计算三角函数值。
三角函数对照表
然而,三角函数对照表提供的数值为近似值,在一些对计算精度要求极高的场景中,可能无法满足需求。
以正弦函数值的计算为例,通过求得正弦函数值,可以进一步推导出其他三角函数的解析值。这里的解析值指的是精确解(如√2/2),而非近似解(如1.41421356237)。
从后续内容可以看出,1°至90°的三角函数值(如正弦函数值)均具有解析解,均可通过正整数的加减乘除、开根号(二次根号、三次根号等)、负号等构成的式子精确表达,而非三角函数表中的近似值。
通过计算1°~90°角的三角函数值,再结合三角函数的诱导公式,便可以推导出91°-360°角的三角函数解析值。
基于正弦函数的定义,可以得出以下推论:
道生无,无即0。“道”(Tao)即前文所述的正弦函数定义。
因此,我们从0出发,探讨如何给出所有1°到89°的正弦函数的解析值(注意,此处指的是精确的解析值,而非小数的近似值)。
∵ sin(30°) = 1/2,所以 sin(15°) = sin(30°)/2 = 1/4。
∴ sin(15°) = √(1 – cos²(15°))。
根据正弦函数的半角公式,可以推导出:
根据正弦函数的三倍角公式,得到 sin(45°) = 3sin(15°) – 4sin³(15°),也即 1/√2 = 3sin(15°) – 4sin³(15°)。这是一个关于 sin(15°) 的一元三次方程。解该方程,得到 sin(15°) 的精确值。
15°角的三角函数值的几何求法:
sin(15°) = sin(45° – 30°) = sin(45°)cos(30°) – cos(45°)sin(30°) = (√2/2)(√3/2) – (√2/2)(1/2) = (√6 – √2)/4。
也可以根据三倍角公式求得 sin(15°) = sin(45°)/3 – 4sin³(45°)/3。这是一个关于 sin(45°) 的一元三次方程。根据一元三次方程的求根公式,解该方程,得到 sin(45°) 的精确值。
18°角的三角函数值:
1)几何方法:构建一个等腰三角形,并添加辅助线,设为∠BAC的角平分线,且 AB = AC。设 AD = x,BD = y。通过几何关系,可以推导出 sin(18°) = x/(x+y)。
2)代数方法:利用两倍角公式和三倍角公式,结合 sin(18°) 是方程的一个根,而该方程有三个根(舍去负根和大于1的根),可以推导出 sin(18°) 的精确值。
验算一下,将 sin(18°) 代入三倍角公式,得到
不难排除两个不合理解,而是合理解,即 sin(18°) = (√5 – 1)/4。
道家:无生有!
只要算出了 sin(18°) 的值,其他任何整数度数的三角函数值就迎刃而解了。正所谓“有生万物”!
(一生二)
sin(36°) = sin(2×18°) = 2sin(18°)cos(18°) = 2(√5 – 1)/4 * √(1 – (√5 – 1)/4)² = (√10 + 2 – √5)/4。
sin(54°) = sin(90° – 36°) = cos(36°) = √(1 – sin²(36°)) = √(1 – ((√10 + 2 – √5)/4)²) = (√5 + 1)/4。
sin(72°) = sin(2×36°) = 2sin(36°)cos(36°) = 2((√10 + 2 – √5)/4) * (√5 + 1)/4 = (√15 + √3)/4。
sin(90°) = 1。
通过上述计算,我们实际上已经证明了一个结论:当角度为整数时,函数值是一个代数数。
1°、2°、3°、4°、5°、6°、7°、8°、9°、10°、
11°、12°、13°、14°、15°、16°、17°、18°、19°、20°、
21°、22°、23°、24°、25°、26°、27°、28°、29°、30°、
31°、32°、33°、34°、35°、36°、37°、38°、39°、40°、
41°、42°、43°、44°、45°的正弦函数值都是有精确解,在此基础上可以计算出他们的余弦函数值,再根据三角函数的诱导公式,计算出46°-90°的正弦函数,进而求出其他任意整数度数的三角函数精确值表达。
求得精确值后,在实际工程应用中,可以根据具体场景需要,计算到任意精度。
当然,随着人类计算手段的不断发展,实际工程中,多半会采用三角函数的泰勒级数展开,如
正弦函数的连分数表示:
这两个公式中的自变量是弧度,而非度数。如果是弧度,级数展开公式变为: