三角函数

title: 历史.
content: 早期对于三角函数的研究可以追溯到古代。例如古埃及数学家在鉴别尼罗河泛滥后的土地边界、保持金字塔每边斜度相同,都使用了三角术,只是他们可能还没有对这种方式定名而已。古希腊三角术的奠基人是公元前2世纪的喜帕恰斯。他按照古巴比伦人的做法,将圆周分为360等份(即圆周的弧度为360度,与现代的弧度制不同)。对于给定的弧度,他给出了对应的弦的长度数值,这个记法和现代的正弦函数是等价的。喜帕恰斯实际上给出了最早的三角函数数值表。然而古希腊的三角学基本是球面三角学。这与古希腊人研究的主体是天文学有关。梅涅劳斯在他的著作《球面学》中使用了正弦来描述球面的梅涅劳斯定理。古希腊三角学与其天文学的应用在埃及的托勒密时代达到了高峰,托勒密在《数学汇编》(英语:"Syntaxis Mathematica")中计算了36度角和72度角的正弦值,还给出了计算和角公式和半角公式的方法。托勒密还给出了所有0到180度的所有整数和半整数弧度对应的正弦值。  希腊文化传播到古印度后,印度人对三角术进行了进一步的研究。公元5世纪末的数学家阿耶波多提出用弧对应的弦长的一半来对应半弧的正弦,这个做法被后来的古印度数学家使用,和现代的正弦定义一致了。阿耶波多的计算中也使用了余弦和正割。他在计算弦长时使用了不同的单位,重新计算了0到90度中间隔三又四分之三度(3.75°)的三角函数值表。然而古印度的数学与当时的中国一样,停留在计算方面,缺乏系统的定义和演绎的证明。阿拉伯人也采用了古印度人的正弦定义,但他们的三角学是直接继承于古希腊。阿拉伯天文学家引入了正切和余切、正割和余割的概念,并计算了间隔10分(10′)的正弦和正切数值表。到了公元14世纪,阿拉伯人将三角计算重新以算术方式代数化(古希腊人采用的是建立在几何上的推导方式)的努力为后来三角学从天文学中独立出来,成为了有更广泛应用的学科奠定了基础。  进入15世纪后,阿拉伯数学文化开始传入欧洲。随着欧洲商业的兴盛,航行、历法测定和地理测绘中出现了对三角学的需求。在翻译阿拉伯数学著作的同时,欧洲数学家开始制作更详细精确的三角函数值表。哥白尼的学生乔治·约阿希姆·瑞提克斯制作了间隔10秒(10′′)的正弦表,有9位精确值。瑞提克斯还改变了正弦的定义,原来称弧对应的弦长是正弦,瑞提克斯则将角度对应的弦长称为正弦。16世纪后,数学家开始将古希腊有关球面三角的结果和定理转化为平面三角定理。弗朗索瓦·韦达给出了托勒密的不少结果对应的平面三角形式。他还尝试计算了多倍角正弦的表达方式。  18世纪开始,随着解析几何等分析学工具的引进,数学家们开始对三角函数进行分析学上的研究。牛顿在1669年的《分析学》一书中给出了正弦和余弦函数的无穷级数表示。英语:Collins将牛顿的结果告诉了詹姆斯·格列高里,后者进一步给出了正切等三角函数的无穷级数。莱布尼兹在1673年左右也独立得到了这一结果。欧拉的《无穷小量分析引论》(英语:"Introductio in Analysin Infinitorum",1748年)对建立三角函数的分析处理做了最主要的贡献,他定义三角函数为无穷级数,并表述了欧拉公式,还有使用接近现代的简写英语:"sin."、英语:"cos."、英语:"tang."、英语:"cot."、英语:"sec."和英语:"cosec."。  1631年徐光启与邓玉函、汤若望合撰《大测》首次将三角函数引入中国并确立了正弦、余弦等译名。
title: 几何定义.
title: 直角三角形中的定义.
content: 在直角三角形中仅有锐角(大小在0到90度之间的角)三角函数的定义。给定一个锐角formula_9,可以做出一个直角三角形,使得其中的一个内角是formula_9。设这个三角形中,formula_9的对边、邻边和斜边长度分别是formula_12,那么
title: 直角坐标系中的定义.
content: 设formula_13是平面直角坐标系formula_14中的一个点,formula_9是横轴正向formula_16逆时针旋转到formula_17方向所形成的角,formula_18是formula_19到原点formula_20的距离,则formula_9的六个三角函数定义为:  这样可以对0到360度的角度定义三角函数。要注意的是以上的定义都只在定义式有意义的时候成立。比如说当formula_22 的时候,formula_23和formula_24都没有意义,这说明对于90度角和270度角,正切和正割没有定义。同样地,对于0度角和180度角,余切和余割没有定义。
title: 单位圆定义.
content: 三角函数也可以依据直角坐标系formula_14中半径为1,圆心为原点formula_20的单位圆来定义。给定一个角度formula_9,设formula_28为起始点,如果formula_29则将formula_30逆时针转动,如果formula_31则顺时针移动,直到转过的角度等于formula_9为止。设最终点转到的位置为formula_13,那么: 这个定义和坐标系的定义类似,但角度可以是任何的数值。对于大于360°或小于-360°的角度,可以认为是逆时针(顺时针)旋转了不止一圈。而多转或少转了整数圈不会影响三角函数的取值。如果按弧度制的方式记录角度,将弧长作为三角函数的输入值(360°等于formula_34),那么三角函数就是取值为全体实数R,周期为formula_34的周期函数。比如:  周期函数的最小正周期叫做这个函数的基本周期。正弦、余弦、正割或余割的基本周期是formula_34弧度或360°;正切或余切的基本周期是formula_39弧度或180°。
title: 基本性质.
content: 从几何定义中可以推导出很多三角函数的性质。比如说,正弦函数、正切函数、余切函数和余割函数是奇函数,余弦函数和正割函数是偶函数。正弦和余弦函数的图像形状一样(见右图),可以看作是沿坐标横轴平移得到的两个函数。正弦和余弦函数关于formula_40轴对称。正切函数和余切函数、正割函数和余割函数也分别如此。
title: 三角恒等式.
content: 不同的三角函数之间存在很多对任意的角度取值都成立的等式,被称为三角恒等式。其中最著名的是毕达哥拉斯恒等式,它说明对于任何角,正弦的平方加上余弦的平方总是1。这可从斜边为1的直角三角形应用勾股定理得出。用符号形式表示,毕达哥拉斯恒等式为: 因此可推导出:  另一个关键的联系是和差公式,它根据两个角度自身的正弦和余弦而给出它们的和与差的正弦和余弦。它们可以用几何的方法使用托勒密的论证方法推导出来;还可以用代数方法使用欧拉公式得出。  当两个角相同的时候,和角公式简化为更简单的等式,称为二倍角公式(或倍角公式)。  这些等式还可以用来推导积化和差恒等式,以前曾用它把两个数的积变换成两个数的和而像对数那样使运算更加快速。(利用制好的三角函数表)
title: 微积分.
content: 三角函数的积分和导数可参见导数表、积分表和三角函数积分表。下面是六个基本三角函数的导数和积分的列表。
title: 分析学定义.
title: 级数定义.
content: 几何学中,三角函数的定义是建立在几何直观上的,只用几何和极限的性质,就可直接获知正弦和余弦的导数。分析学中,三角函数是解析函数,数学家用泰勒级数给出了不依赖几何直观的代数定义: 可以证明以上的无穷级数对任意实数formula_50都是收敛的,所以很好地定义了正弦和余弦函数。  三角函数的级数定义经常被用做三角函数的严格处理和应用的起点(比如,在傅立叶级数中),因为无穷级数的理论可从实数系的基础上发展而来,不需要任何几何方面的考虑。这样,这些函数的可微性和连续性便可以单独从级数定义来确立。  其他三角函数的级数定义: 其中formula_55是伯努利数,formula_56是欧拉数。  这些定义也可以看作是每个三角函数作为实函数的泰勒级数。从复分析的一个定理得出,这个实函数到复数有一个唯一的解析扩展。它们有同样的泰勒级数,所以复数上的三角函数是使用上述级数来定义的。
title: 与指数函数和复数的联系.
content: 可以从上述的级数定义证明正弦和余弦函数分别是复指数函数在它的自变量为纯虚数时候的虚数和实数部分:  这个关系式首先被欧拉注意到,因此叫做欧拉公式 。从中可推出,对实数, 进一步还可以定义对复自变量的三角函数:
title: 较少见的三角函数.
content: 除了上述六个基本函数,历史上还有下列几个较少见的三角函数:
title: 微分方程定义.
content: 三角函数在物理学中是研究振动和波的不可或缺的工具。例如简谐振动满足以下微分方程,正弦和余弦函数都满足  就是说,它们加上自己的二阶导数都等于0函数。在由所有这个方程的解的二维向量空间formula_65中,正弦函数是满足初始条件formula_66和formula_67的唯一解,而余弦函数是满足初始条件formula_68和formula_69的唯一解。因为正弦和余弦函数是线性无关的,它们在一起形成了formula_65的基。这种定义正弦和余弦函数的方法本质上等价于使用欧拉公式。(参见线性微分方程)。很明显这个微分方程不只用来定义正弦和余弦函数,还可用来证明正弦和余弦函数的三角恒等式。进一步的,观察到正弦和余弦函数满足formula_71,这意味着它们是二阶导数算子的特征函数。  正切函数是非线性微分方程  满足初始条件formula_66的唯一解。有一个非常有趣的形象证明,证明了正切函数满足这个微分方程;参见英语:Needham的"Visual Complex Analysis"。
title: 弧度的重要性.
content: 弧度通过测量沿着单位圆的路径的长度而指定一个角,并构成正弦和余弦函数的特定辐角。特别是,只有映射弧度到比率的那些正弦和余弦函数才满足描述它们的经典微分方程。如果正弦和余弦函数的弧度辐角是正比于频率的 则导数将正比于“振幅”。  这里的"k"是表示在单位之间映射的常数。如果"x"是度,则  如果"x"是圈(转,formula_34弧度,formula_78度),则  这意味着使用度(或圈)的正弦的二阶导数不满足微分方程 但满足 对余弦也是类似的。  这意味着这些正弦和余弦是不同的函数,因此只有它的辐角是弧度的条件下,正弦的四阶导数才再次是正弦。因为凡是作为函数意义上的正弦、余弦、正切,都只用弧度定义,而不用360度的角度定义。
title: 利用函数方程定义三角函数.
content: 在数学分析中,可以利用基于和差公式这样的性质的函数方程来定义三角函数。例如,取用给定此种公式和毕达哥拉斯恒等式,可以证明只有两个实函数满足这些条件。即存在唯一的一对实函数formula_1和formula_2使得对于所有实数formula_50和formula_85,下列方程成立: 并满足附加条件 从其他函数方程开始的推导也是可能的,这种推导可以扩展到复数。作为例子,这个推导可以用来定义伽罗瓦域中的三角学。
title: 计算.
content: 三角函数的计算是个复杂的主题,由于计算机和提供对任何角度的内置三角函数的科学计算器的广泛使用,现在大多数人都不需要了。本节中将描述它在三个重要背景下的计算详情:历史上三角函数表的使用,计算机使用的现代技术,以及容易找到简单精确值的一些“重要”角度。(下面只考虑一个角度小范围,比如0到formula_90,因为通过三角函数的周期性和对称性,所有其他角度可以化简到这个范围内。) 有计算机之前,人们通常通过对计算到多个有效数字的三角函数表的内插来计算三角函数的值。这种表格在人们刚刚产生三角函数的概念的时候就已经有了,它们通常是通过从已知值(比如formula_91)开始并重复应用半角和和差公式而生成。  现代计算机使用了各种技术。一个常见的方式,特别是在有浮点单元的高端处理器上,是组合多项式或有理式逼近(比如切比雪夫逼近、最佳一致逼近和Padé逼近,和典型用于更高或可变精度的泰勒级数和罗朗级数)和范围简约与表查找—首先在一个较小的表中查找最接近的角度,然后使用多项式来计算修正。在缺乏硬件乘法器的简单设备上,有叫做CORDIC算法的一个更有效算法(和相关技术),因为它只用了移位和加法。出于性能的原因,所有这些方法通常都用硬件来实现。  对于非常高精度的运算,在级数展开收敛变得太慢的时候,可以用算术几何平均来逼近三角函数,它自身通过复数椭圆积分来逼近三角函数。
title: 三角函数的特殊值.
content: 对于一些简单的角度,使用毕达哥拉斯定理(也就是勾股定理)可以很容易手工计算三角函数的值。事实上,formula_92 弧度(3°)的任何整数倍的正弦、余弦和正切都可以手工计算。以下是一些常用的特殊函数值。 注:有时候formula_93会被写作无定义(不存在)。
title: 反三角函数.
content: 由于三角函数属于周期函数,而不是单射函数,所以严格来说并没有反函数。因此要定义其反函数必须先限制三角函数的定义域,使得三角函数成为双射函数。基本的反三角函数定义为:  对于反三角函数,符号formula_94和formula_95经常用于formula_96和formula_97。使用这种符号的时候,反函数可能跟三角函数的倒数混淆。使用“formula_98”前缀的符号避免了这种混淆,尽管“formula_99”可能偶尔跟“arcsecond”混淆。  正如正弦和余弦那样,反三角函数也可以根据无穷级数来定义。例如, 这些函数也可以通过证明它们是其他函数的原函数来定义。例如反正弦函数,可以写为如下积分: 可以在反三角函数条目中找到类似的公式。使用复对数,可以把这些函数推广到复数辐角上:
title: 相关定理.
content: 三角函数,正如其名称那样,在三角学中是十分重要的。在三角学研究中,数学家们发现了许多利用三角函数来刻画三角形、圆形或多边形的定理。
title: 正弦定理.
content: 正弦定理声称对于边长为formula_105, formula_106和formula_107而相应角为formula_108, formula_109和formula_110的三角形,有: 其中formula_112是三角形的外接圆半径。正弦定理用于在一个三角形的两个角和一个边已知时计算未知边的长度。这是三角测量中常见情况。
title: 余弦定理.
content: 余弦定理(也叫做余弦公式)是托勒密定理的推广: 也可表示为:
title: 正切定理.
content: 还有一个正切定理:
title: 余切定理.
content: formula_116  其中 formula_117为三角形的内切圆半径, formula_118为三角形的半周长。
title: 周期函数.
content: 三角函数在物理中也是重要的。例如,正弦和余弦函数被用来描述简谐运动,它描述了很多自然现象,比如附着在弹簧上的物体的振动,挂在绳子上物体的小角度摆动。正弦和余弦函数是圆周运动的一维投影。  三角函数在一般周期函数的研究中也很有用。这些函数有作为图像的特征波模式,在描述循环现象比如声波或光波的时候是很有用的。每一个信号都可以记为不同频率的正弦和余弦函数的(通常是无限的)和;这是傅立叶分析的基础想法,这里的三角级数可以用来解微分方程的各种边值问题。例如,方波可以写为傅立叶级数  在右边的动画中,可以看到只用少数的项就已经形成了非常准确的估计。

Summary: 三角函数(英语:Trigonometric functions)是数学中常见的一类关于角度的函数。三角函数将直角三角形的内角和它的两个边的比值相关联,也可以等价地用与单位圆有关的各种线段的长度来定义。三角函数在研究三角形和圆等几何形状的性质时有重要作用,也是研究振动、波、天体运动以及各种周期性现象的基础数学工具。在数学分析中,三角函数也被定义为无穷级数或特定微分方程的解,允许它们的取值扩展到任意实数值,甚至是复数值。 常见的三角函数包括正弦函数(formula_1)、余弦函数(formula_2)和正切函数(formula_3或者formula_4);在航海学、测绘学、工程学等其他学科中,还会用到如余切函数(formula_5或者formula_6)、正割函数(formula_7)、余割函数(formula_8)、正矢函数、半正矢函数等其他的三角函数。不同的三角函数之间的关系可以通过几何直观或者计算得出,称为三角恒等式。