角和圆在数学领域中,可能没有其他分支学科能像三角学一样始终占据着中心位置。—— 赫伯特
➣ 角代表了什么?
在纸上随便画出个角,很容易就发现角是由两条射线确定的,或者说是由一条射线转动形成的。转动的幅度就是角度。
➣你有没有想起一个几何图形?
圆是怎么定义的呢?线段转 1 圈,轨迹就是圆。
角和圆关系很大,都是转动形成的,只不过形成圆的线长度是固定的;形成角,只要是线就可以。
➣ 圆和角有什么关系呢?
圆是角的特殊情况,但增加了三个限制条件:
- 转动主体是线段,而不是射线。也就是说转动的主体长度是有限的,是收敛的。
- 在转动的过程中,线段的长度是不变的。
- 转动幅度有限制,当转回原点时停止,也就是转了一圈。
➣ 第 1 个限制产生了什么作用?
这会让转动的过程形成曲线轨迹。
这个限制产生了一种“收敛”的作用,角和圆弧的关系,就好像射线和线段的关系一样,“弧”是在角上增加均匀的距离限制产生的。
所以,很容易就会想到“弧”和“角”是对应的,“弧”只不过是把“角”这个发散的形状收敛了。
➣ 第 2 个限制产生了什么作用?
这会让转动的过程形成优美简洁的“圆弧”曲线。圆给人一种简洁优美的感觉,因为它是均匀的,上面的每一个点到中心的距离都是一致的。如果没有这个限制,那么运动轨迹可能是一团乱麻。
➣ 第 3 个限制产生了什么作用?
刚好转了一圈,如果从静止角度来看,平面上最大的角就是圆所对应的角,任何其他的角都可以表示在圆中。
自然而然的就要把“周角” 平均分割 来作为“角度”的单位;又因为圆是均匀变化的简洁优美的图案,所以研究角的时候经常要放到圆形中去研究。
所以说,“圆”是一个研究“角”的平台,早期的三角学是建立在“单位圆”基础上的。习惯上把“圆”这种特殊的角叫做“周角”。
➣怎么样度量角的?
最常见的单位就是“度”,在右上角有一个小圆圈 °。把一个周角等分 360 等份,其中的每一份就叫做 1 。
其实仔细想一下就觉得很奇怪,因为其他公制单位都不是 360 进制的,唯独角度是 360 进制。这到底是怎么回事呢?具体的缘由已不可考,但可以知道的是这种表示方法是古巴比伦人最先使用的,他们的计量进制正好是 60 进制,也许与此有关吧。[3]
➣ 弧度是怎么出现的?有什么好处呢?
在数学和物理中,我们最常用的其实是弧度而不是角度;国际单位制中就是用的弧度(rad)。
之所以用弧度,是因为“弧线”它是个两面派,从度量角度来说,它是“线”,可以用公制度量“长度”来描述,但是从性质上来说属于转动,因为弧是角限制距离形成的,几乎就是一回事。
所以就直接用单位圆(r=1)的弧长来描述角度,这和国际单位兼容得很好,在弧度制下,公式变得非常简洁,所以弧度制这才是数学和科学中最主流的。
比如,用弧度描述半径为 r 的圆的周长 s 就是:s=rθ,因为弧度 θ 就是单位圆的弧长,我们要描述的是半径为 r 的圆,自然就是 r ×θ ;如果用角度来描述就麻烦多了,s= πrθ/180 。
➣ 为什么会这么麻烦呢?
单位圆的周长是 2π,所以 2π=360°,1 弧度就是 180°/π,故