最早已知的弦函数表由喜帕恰斯 编制,其列出了每7+ 1 / 2 度的弦函数值 。
在公元二世纪,亚历山大的托勒密 在他的天文学书《天文学大成 》中编制了弦函数的函数表——托勒密全弦表 ,其给出了从1 / 2 度到180度的角度的弦函数值,表中的每行以1 / 2 度为单位。
但其并非是直接以单位圆列出弦函数值,其列出的数值,参考的圆形直径为120,弦长精确到整数部分后两位60进位的数字,[ 10]
也就是说,托勒密全弦表 所列出的值是弦函数的60倍,例如
crd
60
∘
=
1
{\displaystyle \operatorname {crd} 60^{\circ }=1}
,而在托勒密全弦表中,60度角所记录的值为弦的全长——60。[ 12]
弦函数与现代常用的正弦函数之关系可以看做是正弦函数代入半角公式 的结果。
crd
θ
=
2
sin
(
θ
2
)
{\displaystyle \operatorname {crd} \ \theta =2\sin \left({\frac {\theta }{2}}\right)}
[ 13] [ 注 1]
上述等式只成立于0 < θ ≤ π (以弧度为单位,或0 < θ ≤ 180 度)。
正如现代三角学是建立在正弦函数的基础上一样,古代三角学也是建立在和弦函数的基础上。
据说喜帕恰斯写了一本十二卷的关于弦函数的著作,虽然现在全部都失传了,但想必人们对弦函数有一定的了解。[ 15]
托勒密所建立的托勒密全弦表 是纪录特定圆心角θ ° 在直径120(半径60)的圆形上所对应的弦之长度,换句话说,这个函数表所对应的函数
chord
(
θ
)
{\displaystyle \operatorname {chord} (\theta )}
与正弦函数的关系为:[ 16] [ 17]
chord
(
θ
)
=
120
sin
(
θ
∘
2
)
=
60
⋅
(
2
sin
(
π
θ
∘
360
radians
)
)
.
{\displaystyle {\begin{aligned}&\operatorname {chord} (\theta )=120\sin \left({\frac {\theta ^{\circ }}{2}}\right)\\={}&60\cdot \left(2\,\sin \left({\frac {\pi \theta ^{\circ }}{360}}{\text{ radians}}\right)\right).\end{aligned}}}
d
d
θ
crd
(
θ
)
=
cos
(
θ
2
)
{\displaystyle {\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} \theta }}\operatorname {crd} (\theta )=\cos \left({\frac {\theta }{2}}\right)}
,(0 < θ ≤ π )[ 注 2]
d
d
θ
crd
(
θ
)
=
sin
(
θ
)
2
−
2
cos
(
θ
)
=
2
sin
(
θ
)
(
1
−
cos
(
θ
)
)
+
2
sin
(
θ
)
cos
(
θ
)
2
sin
2
(
θ
)
+
(
1
−
cos
(
θ
)
)
2
{\displaystyle {\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} \theta }}\operatorname {crd} (\theta )={\frac {\sin(\theta )}{\sqrt {2-2\cos(\theta )}}}={\frac {2\sin(\theta )(1-\cos(\theta ))+2\sin(\theta )\cos(\theta )}{2{\sqrt {\sin ^{2}(\theta )+(1-\cos(\theta ))^{2}}}}}}
∫
crd
(
θ
)
d
θ
=
−
4
cos
(
θ
2
)
+
C
{\displaystyle \int \operatorname {crd} (\theta )\,\mathrm {d} \theta =-4\cos \left({\frac {\theta }{2}}\right)+C}
,(0 < θ ≤ π )[ 注 2]
∫
crd
(
θ
)
d
θ
=
−
2
2
−
2
cos
(
θ
)
cot
(
θ
2
)
+
C
{\displaystyle \int \operatorname {crd} (\theta )\,\mathrm {d} \theta =-2{\sqrt {2-2\cos(\theta )}}\cot \left({\frac {\theta }{2}}\right)+C}
crd
(
0
)
=
0
{\displaystyle \operatorname {crd} \left(0\right)=0}
crd
(
π
15
)
=
crd
(
12
∘
)
=
30
−
6
5
−
6
+
2
5
4
{\displaystyle \operatorname {crd} \left({\frac {\pi }{15}}\right)=\operatorname {crd} \left(12^{\circ }\right)={\frac {{\sqrt {30-6{\sqrt {5}}}}-{\sqrt {6+2{\sqrt {5}}}}}{4}}}
[ 13]
crd
(
π
5
)
=
crd
(
36
∘
)
=
5
−
1
2
{\displaystyle \operatorname {crd} \left({\frac {\pi }{5}}\right)=\operatorname {crd} \left(36^{\circ }\right)={\frac {{\sqrt {5}}-1}{2}}}
[ 13]
crd
(
π
3
)
=
crd
(
60
∘
)
=
1
{\displaystyle \operatorname {crd} \left({\frac {\pi }{3}}\right)=\operatorname {crd} \left(60^{\circ }\right)=1}
[ 13]
crd
(
2
π
5
)
=
crd
(
72
∘
)
=
10
−
2
5
2
{\displaystyle \operatorname {crd} \left({\frac {2\pi }{5}}\right)=\operatorname {crd} \left(72^{\circ }\right)={\frac {10-2{\sqrt {5}}}{2}}}
[ 13]
crd
(
π
2
)
=
crd
(
90
∘
)
=
2
{\displaystyle \operatorname {crd} \left({\frac {\pi }{2}}\right)=\operatorname {crd} \left(90^{\circ }\right)={\sqrt {2}}}
[ 13]
crd
(
3
π
5
)
=
crd
(
108
∘
)
=
6
+
2
5
2
{\displaystyle \operatorname {crd} \left({\frac {3\pi }{5}}\right)=\operatorname {crd} \left(108^{\circ }\right)={\frac {6+2{\sqrt {5}}}{2}}}
[ 13]
crd
(
2
π
3
)
=
crd
(
120
∘
)
=
3
{\displaystyle \operatorname {crd} \left({\frac {2\pi }{3}}\right)=\operatorname {crd} \left(120^{\circ }\right)={\sqrt {3}}}
[ 13]
crd
(
4
π
5
)
=
crd
(
144
∘
)
=
10
+
2
5
2
{\displaystyle \operatorname {crd} \left({\frac {4\pi }{5}}\right)=\operatorname {crd} \left(144^{\circ }\right)={\frac {10+2{\sqrt {5}}}{2}}}
[ 13]
crd
(
π
)
=
crd
(
180
∘
)
=
2
{\displaystyle \operatorname {crd} \left(\pi \right)=\operatorname {crd} \left(180^{\circ }\right)=2}
弦函数的反函数
弦函数的反函数可以定义如下:
crd
−
1
y
=
2
arcsin
y
2
{\displaystyle \operatorname {crd} ^{-1}\ y=2\arcsin {\frac {y}{2}}}
在这定义下只有0 ≤ y ≤ 2 是有意义的(弦长没有负值、单位圆的弦长不会超过两倍半径)。
或者用
crd
θ
=
2
−
2
cos
θ
{\displaystyle \operatorname {crd} \ \theta ={\sqrt {2-2\cos \theta }}}
回推得到:
crd
−
1
y
=
arccos
2
−
y
2
2
{\displaystyle \operatorname {crd} ^{-1}\ y=\arccos {\frac {2-y^{2}}{2}}}
反弦函数有时会简称为acrd[ 6] 。
因此已知弦长 可以回推圆心角的角度:
[ 21]
θ
=
2
arcsin
c
2
r
{\displaystyle \theta =2\arcsin {\frac {c}{2r}}}
其中,其中c是弦长、r是圆的半径。
正弦(sin)、馀弦(cos)、全弦(crd)、正矢(versin)、和半正矢(haversin)函数的函数图形
弦函数的值域 范围在0到2之间,类似的函数还有正矢函数 (versin),值域范围也在0到2之间,但函数图形 略有差异。
弦函数在范围0到π (180度)之间的图形与正弦函数 0到π / 2 (90度)的形状类似,但边长差了1倍的缩放倍率。弦函数与其他“正”的三角函数(正弦 、正切 、正割 、正矢 )同样是从零开始递增的函数。
弧长(arc θ )、弦长(crd θ )和正弦(sin θ )关系
与弦函数(crd θ )类似的还有另一个符号——arc θ ,用于表达指定角θ 对应的圆弧 之弧长 [ 5] ,这个概念有时称为正弧 [ 22] ,对应于割圆八线 中正角的弧 。
早期为了计算天文学上的球面几何问题,例如计算球面三角形和四边形。
因此需要找出arc θ 和crd θ 的对应关系。[ 5] 在单位圆上,arc θ 以黑色较粗的线标示在下图上。
arc θ (黑色较粗之弧线)和crd θ (灰色)、在单位圆上的位置
在单位圆上,arc θ 的值在范围0到2π (360度)之间与θ 相等,在2π 以上时,则为最小正同界角 的弧度值。
割圆八线 。正角对应的弧为正弧(乙丙)、馀角对应的弧为馀弧(乙庚)
相同的概念在割圆八线 中也存在。
arc θ 在割圆八线中对应“正弧 ”,即正角(θ )对应的弧。在这概念下,除了正弧(arc θ )外,也存在对应的馀弧(coarc θ ),即馀角对应的弧,等价于直角 与正角之差所对应的弧[ 23] (coarc θ = arc(π / 2 − θ ) ) 。
正弧与馀弧的概念早在清代就已经记载于梅文鼎的著作《平三角举要》中了[ 22] [ 24] ,
并且正弧和馀弧的概念与正弦、馀弦、正切、馀切、正割、馀割、正矢和馀矢并列列出,同时也给角“正角”和“馀角”的概念。[ 24]
事实上,将crd函数定义为
crd
θ
=
2
sin
(
θ
2
)
{\displaystyle \operatorname {crd} \ \theta =2\sin \left({\frac {\theta }{2}}\right)}
并不完全正确。
因为弦函数的定义是弦长,长度不会有负值,然而
2
sin
(
θ
2
)
{\displaystyle 2\sin \left({\frac {\theta }{2}}\right)}
会有负值,因此此等式不完全正确,仅在0 < θ ≤ π (以弧度为单位,或0 < θ ≤ 180 度)时成立。
此等式是使用
crd
θ
=
2
sin
(
θ
2
)
{\displaystyle \operatorname {crd} \ \theta =2\sin \left({\frac {\theta }{2}}\right)}
计算的[ 注 1] ,因此只适用于0 < θ ≤ π (以弧度为单位,或0 < θ ≤ 180 度)的区间。
Folkerts, Menso and Launert, Dieter and Thom, Andreas. Jost Bürgi's method for calculating sines. Historia mathematica (Elsevier). 2016, 43 (2): 133–147.
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