在公元前 570 年左右,毕达哥拉斯出生在爱琴海东部的希腊萨摩斯岛。他是一位哲学家和几何学家。我们对他的生活所知甚少,而且信息都来自很久之后的记述,其历史准确性存疑,但关键事件很可能是对的。公元前 530 年左右,他搬到古希腊殖民地克罗顿(今意大利)。他在那里创立了一个哲学宗教团体——“毕达哥拉斯学派”,他们相信宇宙是基于数字的。时至今日,其创始人的名声就来自以他的名字命名的定理。
关于毕达哥拉斯定理有一个非常流行的笑话,是一个关于“河马上的婆娘”(squaw on the hippopotamus)的糟糕的“谐音梗”。这个笑话在网上随处可见,但是真正的源头就不太可考了。还有关于毕达哥拉斯的漫画、T恤和希腊邮票
尽管说了这么多,我们并不知道毕达哥拉斯是否真的证明了他的定理。事实上,我们根本不知道这是否是他的定理。它完全有可能是毕达哥拉斯的一个仆从,或某个古巴比伦或苏美尔的抄写员发现的。但人们把它归功于毕达哥拉斯,他的名字就流传下来了。无论其起源如何,这个定理和它的结果对人类历史产生了巨大的影响。它们的的确确拓展了我们的世界。
直角三角形:三角学宇宙的起源
我们在现实生活中遇到的许多三角形都不是直角三角形,因此方程的直接应用似乎有限。但是,任何三角形都可以分割成两个直角三角形,而任何多边形都可以分割成若干三角形。因此,直角三角形是关键:它们证明了三角形的形状与其边的长度之间存在有用的关系。从这一见解中发展出来的学科是三角学——“三角形的测量”。
直角三角形是三角学的基础,特别是它决定了基本的三角函数:正弦、余弦和正切。这些名称源于阿拉伯语,而这些函数及其许多前辈的发展史,展示了今天这个版本经历了什么样的复杂路径。
直角三角形里当然有一个直角,但另外两个角是任意的,只要加起来是 90° 就行了。任何角都有三个相关的函数——函数就是用于计算相关数字的规则。对于角A,
按常规用a、b、c代表三个边的边长,我们定义正弦(sin)、余弦(cos)和正切(tan)如下:
这些量仅取决于角 A,因为给定角 A 的所有直角三角形除了缩放大小不同之外,都是一回事。
因此,我们可以为一系列角度绘制sin、cos和tan值的表格,然后用它们来计算直角三角形的特征。一个可以追溯到远古时代的典型应用,是仅使用在地面上进行的测量来计算高柱的高度。假设从 100 米开外测量,到柱顶的角度是 22°。令图 1.5 中的角 A = 22°,那么 a 就是柱的高度。然后,正切函数的定义告诉我们
所以
由于 tan 22° 是 0:404(保留小数点后三位),我们就可以得出 a=40:4 米。
一旦有了三角函数,就可以直接将毕达哥拉斯方程扩展到非直角三角形。图 1.6 展示了一个有角度 C 且边长分别为 a、b、c 的三角形。将三角形分成两个直角三角形。然后应用两次毕达哥拉斯方程和一些代数 4,就可证明
这和毕达哥拉斯方程很相似,除了多出来一项,这个“余弦定理”与毕达哥拉斯方程的作用是一样的,建立了 c 与 a 和 b 之间的联系,但现在必须给出关于角 C 的信息。
余弦定理是三角学的主要支柱之一。如果我们知道三角形的两边和它们之间的夹角,就可以计算出第三边。然后再用类似的方程解出剩下的角度。所有这些方程最终都可以追溯到直角三角形。
用三角学计算出地球的大小
测绘学的腾飞是在 1533 年, 当时的荷兰地图制作师赫马 ·弗里修斯(Gemma Frisius) 在 《地点描述小册》(Libellus de LocorumDescribendorum Ratione)中解释了如何使用三角学来获得准确的地图。关于这种方法的消息传遍了整个欧洲,也传进了丹麦贵族和天文学家第谷·布拉赫(Tycho Brahe)的耳朵里。1579 年,第谷用它绘制了其天文台所在的文岛的精确地图。到 1615 年,荷兰数学家维勒布罗德·斯内利厄斯(Willebrord Snellius,本名维勒布罗德·斯奈尔·范罗恩)将这种方法发展成了现代形式:三角测量法。这种方法用三角形网络测绘区域。通过非常仔细地测量一个初始长度和许多角度,可以计算出三角形顶点的位置,并由此计算出三角形中所有有趣的特征。斯内利厄斯使用一个由 33 个三角形构成的网络,计算出了两个荷兰城镇阿尔克马尔和贝亨奥普佐姆之间的距离。他之所以选择这两个城镇,是因为它们位于同一条经线上,并且恰好相隔一度。知道了它们之间的距离,他就可以计算出地球的大小。他于 1617 年把这个结果写在了他的《荷兰埃拉托斯特尼》(Eratosthenes Batavus)一书中。他的结果精确到了 4% 以内。他还修改了三角学方程,以反映地球表面的球形特性,这是迈向有效导航的重要一步。
来源:图灵新知