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三角座  诞生于天文学中的三角函数

(2012-05-12 21:27:33)
标签:

三角函数

正弦

正切

正割

词源来历

天文学

托勒密

阿耶波多

数学家

文化

分类: 星座起源


到今天为止,我们已经分析了托勒密星座体系中的47个星座,今天要讲的则是托勒密星座体系中最后的一个星座三角座Triangulum了。托勒密在其著作《至大论》中,将当时已知的恒星划分为48个星座。因为古希腊人活动范围的限制,很多只在南半球才能观察到的星座在当时是未知的,直到15世纪以后航海大时代兴起时,才开始被人们发现和记录。到了1922年,国际天文学联合会大会重新整理了托勒密星座体系中的48个星座,并加上近代发现的,特别是在南半球新发现的40个新的星座,确认了至今国际通用的88个星座的说法[]

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一般认为Triangulum这一星座也是古希腊天文学家伊巴谷所增的,另一些学者则认为由托勒密所加。这两个说法有一个共同点,即Triangulum是由天文学家而定义和命名的,而不是民间传说中就有的星座。后者往往与古老的神话故事有着密切的联系,并一般为神话人物、英雄或者怪兽或者与之相关的事物(比如南船座Argo Navis虽然不是英雄或怪兽,但却是传说中阿尔戈英雄们所乘的航船),并且往往有一大堆相关的神话渊源。而三角座显然没有神话时代的任何记忆,相反,三角形似乎是纯粹的天文学家或几何学家的专属物品。很有趣的是,几何尤其是三角几何其本身也源自古老的天文学。这大概解释了为什么这么多学者认为Triangulum乃是由古希腊天文学家所创造的原因。

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后来伊巴谷的著作都遗失了,人们说托勒密的天文体系继承和发扬了伊巴谷的学说。托勒密在《至大论》一书中,将这个星座称为Τριγωνον【三角形】,因为这个星座由三个比较亮的星构成,其基本形状就是一个简单的三角形。Τριγωνον一词由τρεις‘(词干为τρι-)和γωνια‘(词干为γων-)构成,字面意思即【三角形】。希腊语中的τρεις和拉丁语中的tres、梵语的trayas、德语的 drei、英语的three同源,意思都表示γωνια一词与希腊语的γονυ‘膝盖同源,因为膝盖上下构成一个活动的,希腊语的γονυ和拉丁语的genu、德语的Knie、英语的knee同源,都表示膝盖Τριγωνον一名被拉丁语意译为Triangulum,由tres‘angulus‘构成,字面意思也是【三角形】。拉丁语的angulus演变为英语中的angleTriangulum一词则变为现代英语的triangle,意思也是【三角形】。

现代意义下的三角学一词,亦由古希腊天文学家伊巴谷所创。他将这个学问称为τριγωνον μετρον【三角度量】[] ,英语中的三角学trigonometry就由此而来。伊巴谷一生几乎都在地中海的罗德岛Rhodes上渡过,在那里,他建了一个天文台,并使用自己发明和改进的仪器,测量计算并确定出了一千多颗恒星在天空中的精确位置,他将这些星星都标示在一张有着经纬度的地图上,这是人类史上第一张精确的恒星图。

想要精确获知每颗星的经纬度,涉及到非常复杂的坐标转换运算,需要解三角比率,从现代数学来看,就是要解三角函数。伊巴谷因此创立了三角学。他把每一个三角形(无论是平面三角形或者球面三角形)都当做圆内的一个内接三角形,这样三角形的每一个边都变成了一个弦,为了计算三角形的各个部分,我们必须把弦长作为圆心角的函数,而这就成了三角学在接下来几个世纪中的主要任务。据说伊巴谷一共写了12本关于弦长计算的书,但是后来都失传了。而托勒密《至大论》中的正弦函数表[] 和弦长的计算方法或许直接来自伊巴谷的著作。毕竟早在公元前二世纪时,伊巴谷就将自己所推知的正弦函数大量应用在实际计算中了。

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关于正弦函数的计算,托勒密在《至大论》中将该角内接于圆。

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于是从几何上看,这个函数就非常清楚了,半角值之函数的两倍与弦长的一半成正比,其比例系数为圆的半径,用现代三角函数表示就是:

Corda=2Rsina/2

或许我们把这个弧度和对应的弦单独拿出来,如下如所示。

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a 即下图的DOE,弦长Corda)即图中的线段DE。从这个形象来看,弧DAE非常像一只弓,而线段DE无疑就是这弓上之弦了。此时,DC部分无疑就是半弦。如果们考虑DOE的正弦函数值,会发现其正好是这个弓箭之弓弦长度的一半。于是古印度数学家阿耶波多Aryabhata[] 最初研究正弦函数时,就将该函数非常形象的命名为ardha-jya【半只弓弦】。这真是一个非常传神的定义。这个名称一般简写为jiva。阿拉伯人继承和发扬了印度的数学成就[] ,并将该词转写为jiba(请不要笑)。由于早期的阿拉伯文中没有元音符号,jiba一词大致相当于拉丁拼写中的jb。当欧洲学者翻译阿拉伯数学著作时,他们将这个表示正弦的jb错认为是阿拉伯语中表示弯曲意义的jaib[] ,于是将其意译为拉丁语的sinus【弯曲】。正弦的简写sin是英国天文学教授冈特Edmund Gunter所率先使用的,他还率先将余弦写作cosinus,后者是对拉丁语comlementi sinus【正弦的补】的简写[]

正切函数起源于古代的日影测量,其主要作用是天文计时。早先人们用日晷的投影和晷长之比来判定时间[] ,而这个比值即为正切函数的雏形。人们将直立杆在地面的投影称之为umbra recta【直立杆之投影】,将垂直于墙面的水平杆在墙面的投影称为umbra versa【倒杆之投影】,这二者分别演变成后来的余弦函数和正弦函数[]

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现代的正弦函数是1573年丹麦数学家芬克Thomas Fincke命名的,他将这个函数称为tangens,后者是拉丁语动词tangere‘to touch’的现在分词形式,字面意思为【touching】。英语的tangent由该词演变而来。要理解这个名称,我们还需要将这个函数置于圆中来考虑。如下图所示,先做一个半径为1的单位圆 O,然后以此圆心为原心建立直角坐标系,由单位圆与任意角θ的交点D向横坐标引垂线,交OA也就是横坐标于点C。同时,我们在横坐标右侧与单位圆交点A处作圆的切线,与θ角相交于B点。

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于是我们知道, sinθ就是线段CD之长,也就是上文所说的ardha-jya【半只弓弦】。而角θ的正切值tanθ则为线段AB之长, 正切值secθ为线段OB之长。

注意到角θ的正弦值对应线段AB,而AB所在直线与这个圆正好紧紧的挨着,这形象的说明正切tangenstouching】一名的来历。而正割函数在拉丁语中称为拉丁语的secans,该词为拉丁语动词secare的现在分词形式,字母意思为【cutting】。我们看到图中正割函数所对应的线段OB正像一把刀一样,将圆O割裂成为了两部分,这不也是对正割函数secans非常形象的解释么!



[] 因此,像《圣斗士》中的“88个星座圣衣是从古希腊神话时代就流传下来的,这样的说法可以认为是该漫画设计中的一个小bug

[]μετρον一词与英语的measure同源,更广泛的说,μετρον一词衍生出了英语中的-metry的测量】,和-meter测量器】词根,比如英语中的:几何geometry【土地丈量】、天象学astrometry【天体测量】、听力测量audiometry【听力的测量】;气压计barometer【气压测量器】、听力计audiometer 【听力测量器】、万用表multimeter【多用测量器】等。μετρον意为测量,其也导致了最常见的测量单位meter的产生,字面上可以理解为【用于测量的单位】,中文取首音翻译为;在米的基础上又产生了千米kilometer【一千米】、分米decimeter【十分之一米】、厘米centimeter【百分之一米】。

[] 在托勒密《至大论》中,他将弦长表示为对应的圆心角的函数,并从几何上给出了角度对应的正弦函数算法,列出了一张非常精确的正弦函数值表。

[] 阿耶波多(476550 A.D, 古典印度最著名的数学家及天文学家。阿耶波多改进了希腊托勒密的工作,对正弦函数进行了进一步的研究,在三角学史上占有重要地位。1976年,为纪念阿耶波多诞生1500周年,印度发射了以阿耶波多命名的第一颗人造卫星。

[] 值得一提的是,所谓的阿拉伯数字事实上也是印度人发明的。

[]这个词写出来也是jb,说起来jb相当于汉语的一个多音字。

[]相似的道理,余切cotangent是正切tangent的补,符号为cot;余割cosecant是正割secant的补,符号位csc。之所以是补,因为他们每对之间角度和都是直角。

[] 对比汉语中的一寸光阴,汉语中时间的也有着类似的意思,这是一个会意字,字面意思是【寸长的日光】。

[] 据说早在古希腊时期,智者泰勒斯Thales就曾经用直立杆倒影与杆长成固定比例(即相当于现在所说的余切函数),为埃及法老巧妙测量金字塔的高度。


                           

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