酷炫動圖:數學篇
你真的以為你懂三角函數嗎?
請聽題:三角函數既然是函數,那它的自變量和因變量都是什么?
圖片作者:LucasVB(1ucasvb)
從這張圖里可以很明顯看到,所謂正弦函數,其實就是圓上任意一點的y坐標(紅)和弧長(藍)之間的關聯。左圖的藍色弧長和右圖的藍線完全一樣。
而弧長又和弧度是完全對應的。為什么高中老師不肯用經典的 360 度角而一定要教你奇怪的“弧度”?就是因為這個對應。1 弧度就是長度為 1 個半徑的弧所對應的角,π弧度就是正好半個圓——相應的,之所以 sinπ=0,正是因為當藍線走了一個π(一個半圓)的時候,正好也走回到了 y = 0 的地方。
圖片作者:又是 LucasVB(1ucasvb)
那余弦函數呢?留給讀者作為練習——
圖片作者:還是 LucasVB(1ucasvb)
——別打了,我說還不行嗎……余弦函數就是圓上任意一點的x坐標和弧長之間的關聯,只不過在畫函數的時候,把圓上點的x坐標打了個彎,對應成了函數曲線上的y坐標,就像這張圖里的藍線那樣。
為了體現余弦函數的這個對應,我們也可以直接把函數本身豎過來,就成了這樣:
圖片來源未知,但畫得這么丑,肯定不是 LucasVB
當然,這種對應也可以用在其它幾何圖形上,只不過就不如圓那么美麗了,比如下面這個丑陋的心形。
圖片作者:當然是 LucasVB(1ucasvb)
要不為什么說圓是最完美的身材!(并不是)
極坐標的魔法
如何把直角坐標變成極坐標?看我的:
圖片作者:依然是 LucasVB(1ucasvb)……
這是什么黑魔法……
別急,聽我解釋,事情就是你看到的那樣:
首先我們需要把函數沿直線 y = x 翻轉。之所以要有這一步,是因為極坐標里我們很武斷地把 0 度定義在了朝右。如果 0 度是(更自然的)朝上,那就不需要這一步了。
然后,我們把Y軸折彎過來,直到它縮成一個點。成功!
思路是這樣的:直線在幾何上可以認為是具有無限直徑、無限曲率半徑的一個圓,永遠不向自身彎折。但如果我們逐漸降低曲率半徑,從無限一直降到 零,就等于是把Y軸變成一個逐漸縮小的圓、最后變成一個點。而原來直角坐標的“Y軸”所承載的信息,在轉換中就逐漸移交給了極坐標的“角度”。
正十七邊形尺規作圖
圖片作者:Aldoaldoz
正十七邊形可以用尺規作出來,這是高斯 1796 年 19 歲時證明的。這是正多邊形尺規作圖兩千年來頭一次有所突破——換句話說,上一次人們發現新的正多邊形尺規作圖法還是在古希臘。
但是,高斯本人實際上并不會做正十七邊形。第一個真正的正十七邊形尺規作圖法直到 1825 年才由約翰尼斯·厄欽格(Johannes Erchinger)給出,而上面的這個方法——“卡萊爾圓法”則要更晚。(猜猜這個卡萊爾是誰?托馬斯·卡萊爾。對,就是那個《法國大革命史》和《論英 雄、英雄崇拜與歷史上的英雄業績》的作者。)
那高斯怎么就知道正十七邊形是可以做出來的呢?因為他懂數學。他已經知道,如果一個正多邊形內角的三角函數能用加減乘除和開平方表達出來,那就 意味著這個正多邊形能用尺規做出來。(尺規等價于只使用圓和直線的交點作圖,直線的表達式是二元一次方程,圓的表達式是二元二次方程,所以只用到了加減乘 除和開平方。)而他又證明了,只要正多邊形的邊數n是費馬素數,那么就能這么表達。當時人們已經知道前五個費馬素數是3、5、17、257 和 65537,所以高斯等于一舉證明了這五種正多邊形都是尺規可做的。
不過,正三邊形(好吧,正三角形)和正五邊形人們早知道了,而正 257 邊形什么的做起來又太麻煩,所以最后正十七邊形成了最出名的。
那么正十七邊形的對應三角函數應該怎么表達?高斯的《算術研究》給出了結果:
參考資料
好吧你們可能發現了我是這位 LucasVB 的粉絲……他的網站見此 1ucasvb.tumblr.com。下期還會有他的動圖出場。