如何计算任意角三角函数的精确值?特殊角的三角函数精确值是怎么来的? #三角函数#

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如何计算任意角三角函数的精确值?特殊角的三角函数精确值是怎么来的? #三角函数#

2024-07-06 17:00| 来源: 网络整理| 查看: 265

我们在初中时就接触过锐角三角函数,但事实上我们完全可以定义“任意角”三角函数,当这个角小于90°时,它就退化成初中的“锐角三角函数”了。

现在就让我给出它的定义:

在平面直角坐标系xOy中设∠α的始边为x轴的正半轴,设坐标为(x,y)的点P为∠α的终边上不与原点O重合的任意一点,设r=OP,则:

图1

为什么能这样定义呢?因为直角三角形的一个角确定了,那么我们就可以据此求出另外2个角,而不论r多长,只要角度是不变的,那么这两个图形会相似,也就是对应边成比例,那么它的各个边之间的比当然也就不变。

还有一个表格,想必学过三角函数的会十分熟悉:

图2

不难发现,上面的“特殊角”的三角函数值都是精确数。

那,这些精确值是怎么求出来的呢?

我曾经有一个很滑稽的想法:我们想求∠α的三角函数值,我们就画一个∠α,然后量出点P的坐标,再根据三角函数的定义不就求出∠α的三角函数值了吗?

但是很遗憾,这只能得到一个很粗略的近似值,这样子不论如何都是不可能得出精确值的。

显然,精确值是可以求出的,不然就没有上面那张表了。

既然可以求,我们又该怎么求呢?

我们先不求“任意角”,我们先从特殊角入手。

首先来看一个简单的:∠α=45°

我们可以很容易地画出图形:

图3

我们同样可以知道这个三角形是一个等腰直角三角形,则有x=y,不妨假设x=y=1,那么根据勾股定理可以求出r=√2.那么∠α的三角函数值就可以求了,毕竟折腾来折腾去都是这三个值:x、y、r。

于是有:

图4

我们已经成功解决了其中一个特殊角,不妨再来看另外一个特殊角∠α=30°。

同样很容易画出图形:

图5

我们可以求出这个三角形的另外一个角是60°。还有一个角是30°。60°正好是30°的2倍,且三个角都是60°的三角形是等边三角形,那么就不免让人想凑一个等边三角形出来。

怎么凑?我们可以以x轴为这个三角形的对称轴,作这个三角形的轴对称图形,于是有:

图6

这个三角形的三个角都是60°,我们凑了一个等边三角形出来。等边三角形的三条边都相等,我们不难看出这个等边三角形的三条边分别是r、r、2y。

也就有:

r=r=2y

不妨假设y=1,那么可以据此求出r=2,根据勾股定理可以求出x=√(4-1)=√3.

那么我们又一次求出了∠α=30°三条边的值,那么∠α=30°的三角函数值就出来了:

图7

肯定有读者开始生气了:“标题党吧?扯了这么多,不还是简简单单的特殊角三角函数?我要的是任意角!”

别急。显然,从上面的推导我们可以得到,特殊角的三角函数精确值是可以求的,那么任意角怎么求?数学家们总不能拿尺子去挨个量吧?

实际上,如果我们知道了sinα和cosα的值,我们就可以求出tanα、secα、cscα、cotα等三角函数了。

为什么?因为如果我们知道了sinα和cosα的值,那么我们可以假设r=1,进而求出x、y的值,三个值都出来了,那么∠α的所有三角函数值都出来了,三角函数无非是在这三个值的比之间反复折腾罢了。

下面,我将展示几个求三角函数值的公式,或者也可以说它们是三角函数的其它定义。

注意,这里使用的是弧度制,不是角度制,弧度制与角度制的关系如下:

                                                       1度=π /180 弧度

任意角三角函数公式1(级数定义):

式1,“!”是阶乘符号

任意角三角函数公式2(指数表示):

式2,e为自然常数,i为虚数单位

有了上面的两个公式(定义),我们也就可以不费吹灰之力地绘制出三角函数的函数图像了。

PS:三角函数也可以拓展到整个复数域:

图8

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