相容幷包 兼收幷蓄--三角函式的兩種定義方法淺析

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相容幷包 兼收幷蓄--三角函式的兩種定義方法淺析
        "單位圓定義法"與"終邊定義法"本質上是一致的,採用哪一種定義方法是一個取捨問題,沒有對錯之分.三角函式的兩種定義方法都是可行的,我們沒必要非要分出孰優孰劣,我們大可以採取"相容幷包 兼收幷蓄"的態度來提高對三角函式定義及三角函式的認識。從對映的角度來開展三角函式定義的教學,可以有效培養學生的邏輯思維能力。在具體的教學實踐中它可以很好的幫助學生解決已知一個角的中邊上的一點的座標來求這個角的的三角函式值的問題,和理解引數方程。從這一點來看,利用角的終邊上任意一點的座標出發來定義三角函式更好一些。為什麼要學習利用單位圓來定義三角函式?用單位圓上點的座標定義任意角的三角函式有許多優點,可以使抽象的問題變得直觀,使學生能夠深入淺出地理解三角函式的一些性質,主要體現以下方面。
        1、簡單、清楚,突出三角函式最重要的性質──週期性.採用"單位圓定義法",對於任意角?,它的終邊與單位圓交點P(x,y)唯一確定,這樣,正弦、餘弦函式中自變數與函式值之間的對應關係,即角 (弧度)對應於點P的縱座標y──正弦;角 (弧度)對應於點P的橫座標x──餘弦。可以得到非常清楚、明確的表示,而且這種表示也是簡單的。另外,"x= cos ?,y= sin ?是單位圓的自然的動態(解析)描述,由此可以想到,正弦、餘弦函式的基本性質就是圓的幾何性質(主要是對稱性)的解析表述",其中,單位圓上點的座標隨著角?每隔2π(圓周長)而重複出現(點繞圓周一圈而回到原來的位置),非常直觀地顯示了這兩個函式的週期性。
        "終邊定義法"需要經過"取點──求距離──求比值"等步驟,對應關係不夠簡潔;"比值"作為三角函式值,其意義(幾何含義)不夠清晰; "從角的集合到比值的集合"的對應關係與學生熟悉的一般函式概念中的"數集到數集"的對應關係不一致,而且"比值"需要通過運算才能得到,任意一個角所對應的比值的唯一性(即與點的選取無關)也需要證明;"比值"的週期性變化規律也需要經過推理才能得到.以往的教學實踐表明,許多學生在結束了三角函式的學習後還對三角函式的對應關係不甚了了,與"終邊定義法"的這些問題不無關係。
        2、有利於構建任意角的三角函式的知識結構。"單位圓定義法"以單位圓為載體,自變數?與函式值x,y的意義非常直觀而具體,單位圓中的三角函式線與定義有了直接聯絡,從而使我們能方便地採用數形結合的思想討論三角函式的定義域、值域、函式值符號的變化規律、同角三角函式的基本關係式、誘導公式、週期性、單調性、最大值、最小值等。
        在學習弧度制時,學生對引進弧度制的必要性較難理解。
"單位圓定義法"可以啟發學生反思:採用弧度制度量角,就是用單位圓的半徑來度量角,這時角度和半徑長度的單位一致,這樣,三角函式就是以實數(弧度數)為自變數,以單位圓上點的座標(也是實數)為函式值的函式,這就與函式的一般定義一致了。另外,我們還可以這樣來理解三角函式中自變數與函式值之間的對應關係:把實數軸想象為一條柔軟的細線,原點固定在單位點A(1,0),數軸的正半軸逆時針纏繞在單位圓上,負半軸順時針纏繞在單位圓上,那麼數軸上的任意一個實數(點) 被纏繞到單位圓上的點P(cos ,sin )。       3、符合三角函式的發展歷史。三角函式發展史表明,任意角的三角函式是因研究圓周運動的需要而產生的,數學史上,三角函式曾經被稱為"圓函式"。所以,採用"單位圓定義法"能更真實地反映三角函式的發展程序。
        早在古希臘時代,人們就知道"相似三角形的對應邊成比例",這是三角函式的根源,也是其本質所在,所以三角函式起源於幾何中的邊角關係。三角函式的本質是任意角的集合與一個比值的集合的變數之間的對映。通常的三角函式是在平面直角座標系中定義的,其定義域為整個實數域。到了近代,人們將三角函式作為一般的.函式來研究它們的代數性質。現代數學把它們描述成無窮無窮級數或微分方程的解,將其定義擴充套件到複數系。對映也是貫穿高中數學的一條主線,是人們思考問題時一種非常重要的對應關係。
        4、有利於後續學習。前已述及,"單位圓定義法"使三角函式反映的數形關係更直接,為後面討論三角函式的性質和影象奠定了很好的直觀基礎。不僅如此,這一定義還能為"兩角和與差的三角函式"的學習帶來方便,因為和(差)角公式實際上是"圓的旋轉對稱性"的解析表述,和(差)化積公式也是圓的反射對稱性的解析表述。另外,這一定義中角的度量直接採用了弧度制,能為微積分的學習帶來方便。例如,重要極限 幾乎就是定義的一個"推論"。
        "單位圓定義法"與"終邊定義法"都能很好的體現三角函式值在各象限的符號,誘導公式的研究實質上是通過直角座標系中點的對稱性來進行的,而對三角函式的性質的研究最好還是利用三角函式的影象來進行,它體現了研究函式性質的一般程式方法,同時能使學生回顧複習研究函式的性質的方法,加深對它的理解。這才是性質教學的根本。在教學中,我們要重視單位圓的直觀,又不忽視比值定義的意義,注重函式影象在研究函式性質中的作用--代數問題用幾何方法來解決,是我們需要掌握的一種重要方法--數形結合。硬要用單位圓來研究一些有函式的影象就可以直觀的體現出來的性質,是不妥的。
        通過以上幾點的分析,可以看出三角函式的兩種等價定義方法有著各自的優點。我們只有努力探索、虛心求教;才能相容幷包,兼收幷蓄;以成其大。在教學中我們應不斷總結改進,避難就易,提高我們駕馭課堂、駕馭教材的能力。