最早已知的弦函數表由喜帕恰斯 編制,其列出了每7+ 1 / 2 度的弦函數值 。
在公元二世紀,亞歷山大的托勒密 在他的天文學書《天文學大成 》中編制了弦函數的函數表——托勒密全弦表 ,其給出了從1 / 2 度到180度的角度的弦函數值,表中的每行以1 / 2 度為單位。
但其並非是直接以單位圓列出弦函數值,其列出的數值,參考的圓形直徑為120,弦長精確到整數部分後兩位60進位的數字,[ 10]
也就是說,托勒密全弦表 所列出的值是弦函數的60倍,例如
crd
60
∘
=
1
{\displaystyle \operatorname {crd} 60^{\circ }=1}
,而在托勒密全弦表中,60度角所記錄的值為弦的全長——60。[ 12]
弦函數與現代常用的正弦函數之關係可以看做是正弦函數代入半角公式 的結果。
crd
θ
=
2
sin
(
θ
2
)
{\displaystyle \operatorname {crd} \ \theta =2\sin \left({\frac {\theta }{2}}\right)}
[ 13] [ 註 1]
上述等式只成立於0 < θ ≤ π (以弧度為單位,或0 < θ ≤ 180 度)。
正如現代三角學是建立在正弦函數的基礎上一樣,古代三角學也是建立在和弦函數的基礎上。
據說喜帕恰斯寫了一本十二卷的關於弦函數的著作,雖然現在全部都失傳了,但想必人們對弦函數有一定的了解。[ 15]
托勒密所建立的托勒密全弦表 是紀錄特定圓心角θ ° 在直徑120(半徑60)的圓形上所對應的弦之長度,換句話說,這個函數表所對應的函數
chord
(
θ
)
{\displaystyle \operatorname {chord} (\theta )}
與正弦函數的關係為:[ 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 )[ 註 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 )[ 註 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}
弦函數的反函數
弦函數的反函數可以定義如下:
crd
−
1
y
=
2
arcsin
y
2
{\displaystyle \operatorname {crd} ^{-1}\ y=2\arcsin {\frac {y}{2}}}
在這定義下只有0 ≤ y ≤ 2 是有意義的(弦長沒有負值、單位圓的弦長不會超過兩倍半徑)。
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}}}
反弦函數有時會簡稱為acrd[ 6] 。
因此已知弦長 可以回推圓心角的角度:
[ 21]
θ
=
2
arcsin
c
2
r
{\displaystyle \theta =2\arcsin {\frac {c}{2r}}}
其中,其中c是弦長、r是圓的半徑。
正弦(sin)、餘弦(cos)、全弦(crd)、正矢(versin)、和半正矢(haversin)函數的函數圖形
弦函數的值域 範圍在0到2之間,類似的函數還有正矢函數 (versin),值域範圍也在0到2之間,但函數圖形 略有差異。
弦函數在範圍0到π (180度)之間的圖形與正弦函數 0到π / 2 (90度)的形狀類似,但邊長差了1倍的縮放倍率。弦函數與其他「正」的三角函數(正弦 、正切 、正割 、正矢 )同樣是從零開始遞增的函數。
弧長(arc θ )、弦長(crd θ )和正弦(sin θ )關係
與弦函數(crd θ )類似的還有另一個符號——arc θ ,用於表達指定角θ 對應的圓弧 之弧長 [ 5] ,這個概念有時稱為正弧 [ 22] ,對應於割圓八線 中正角的弧 。
早期為了計算天文學上的球面幾何問題,例如計算球面三角形和四邊形。
因此需要找出arc θ 和crd θ 的對應關係。[ 5] 在單位圓上,arc θ 以黑色較粗的線標示在下圖上。
arc θ (黑色較粗之弧線)和crd θ (灰色)、在單位圓上的位置
在單位圓上,arc θ 的值在範圍0到2π (360度)之間與θ 相等,在2π 以上時,則為最小正同界角 的弧度值。
割圓八線 。正角對應的弧為正弧(乙丙)、餘角對應的弧為餘弧(乙庚)
相同的概念在割圓八線 中也存在。
arc θ 在割圓八線中對應「正弧 」,即正角(θ )對應的弧。在這概念下,除了正弧(arc θ )外,也存在對應的餘弧(coarc θ ),即餘角對應的弧,等價於直角 與正角之差所對應的弧[ 23] (coarc θ = arc(π / 2 − θ ) ) 。
正弧與餘弧的概念早在清代就已經記載於梅文鼎的著作《平三角舉要》中了[ 22] [ 24] ,
並且正弧和餘弧的概念與正弦、餘弦、正切、餘切、正割、餘割、正矢和餘矢並列列出,同時也給角「正角」和「餘角」的概念。[ 24]
事實上,將crd函數定義為
crd
θ
=
2
sin
(
θ
2
)
{\displaystyle \operatorname {crd} \ \theta =2\sin \left({\frac {\theta }{2}}\right)}
並不完全正確。
因為弦函數的定義是弦長,長度不會有負值,然而
2
sin
(
θ
2
)
{\displaystyle 2\sin \left({\frac {\theta }{2}}\right)}
會有負值,因此此等式不完全正確,僅在0 < θ ≤ π (以弧度為單位,或0 < θ ≤ 180 度)時成立。
此等式是使用
crd
θ
=
2
sin
(
θ
2
)
{\displaystyle \operatorname {crd} \ \theta =2\sin \left({\frac {\theta }{2}}\right)}
計算的[ 註 1] ,因此只適用於0 < θ ≤ π (以弧度為單位,或0 < θ ≤ 180 度)的區間。
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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