三角函数的自变量选择

提出问题

有人认为使用角度作为三角函数自变量不可行,因为角度集合并非实数集。另一些人则指出,角度带单位,是常量而非实数。那么,该如何理解这一问题呢?

角度的本质

角度通常指角的大小,以度分秒表示。1°代表角的大小等于圆周的 360 分之一。1° 显然不是实数。如果单独取出 1° 中的数值 1,这个 1 就是实数。
对于任何角 α(正角、负角或 0 角),都可以用度分秒度量其大小,即 n 度。单独取出 n,可以发现 n 是实数(这个过程类似于使用弧度制表示角度时省略“弧度”一词)。反之,对于任何实数 n,我们都可以找到一个角 α,其度数为 n。
将角度集合和实数集 R 建立一一对应关系。这意味着我们可以使用角度 n 作为三角函数的自变量。

角度制带来的麻烦

必须指出的是,使用角度作为自变量的三角函数带来了无处不在的麻烦,而弧度制则处处显示其优越性。
1. 换算
度分秒制中使用十进制和六十进制。例如,角 α = 136°47’21″,其中 136、47、21 都是十进制,而度、分、秒之间是六十进制。要找出与 α 对应的实数 n,人工计算会很麻烦。
2. 运算
例如,在弧度制下,π/3 + 1 = (π + 3)/3。而在角度制下,60° + 1 怎么加?难道是 60 + 1 = 61(度)?显然不是。
3. 应用
例如,弧长公式在弧度制下为 l = αr,而在角度制下为 l = nπr/180,更加麻烦。又如,求导公式在弧度制下很简洁,而在角度制下需要全部改写。
使用角度制虽然勉强可以,但带来了不少不便,因此没有必要。

量纲问题

有人认为角度制数字带量纲,而弧度制数字不带量纲。弧度制下的三角函数问题被抽象为纯数学问题,有更广泛的应用。
通常认为角度是无量纲量(与长度不同)。如果坚持认为它有量纲,那么其量纲应为 1。量纲本质上是物理概念,其理论较为复杂,因此这里不作深究。而且,回答上述问题完全不必涉及量纲。

教材内容补充

有人认为教材已经阐明了为什么可以使用弧度定义三角函数,但没有说明为什么不使用角度制。进一步来说,教材不可能将所有可疑问题都解释清楚。关于使用角度制定义三角函数的问题,教材没有必要解释,也不好解释。

函数作图的单位问题

作函数图像时,需要 x、y 轴单位一致,否则会导致图像失真。对于实际应用问题,x、y 轴的长度单位可以不一致,需根据具体情况考虑。

角度制下作图

角度制下也可以绘制三角函数图像,但需要一些约定。例如,表示 1 度的实数 1 在横轴上描绘为 1 个单位长度,90 度的正弦值为 1,则在纵轴上描绘为 1 个单位长度。这样绘制的正弦曲线会非常平坦,看起来不美观,也不便于应用。

结语

明白角度在三角函数中的本质以及使用角度制带来的不便,有助于提高学习三角函数的积极性。