引入

直角三角形里的 ,只能处理 的角。那 、、 的正弦是什么?

为什么 的图像会周期性地上下波动,而不是一条单调曲线?

为什么 在第二象限会变成负值,而”边长之比”永远不会是负数?

初中定义依赖”边长之比”,边长只能为正,角也只能是锐角。要把它推广到任意角,必须换一个载体——坐标。单位圆就是这个载体。

正文

单位圆定义

定义

在直角坐标系中,以原点 为圆心、半径为 的圆称为单位圆。设角 的顶点在原点,始边与 轴正半轴重合,终边与单位圆交于点 ,则定义

为什么用单位圆

问题直角三角形定义单位圆定义
角的范围仅 任意角(含负角、大于 )
正负号比值恒正由象限坐标决定
周期性无法体现终边重合即函数值相同
与坐标的联系无直接是交点坐标

单位圆的关键在于:半径固定为 ,所以坐标值就等于三角函数值,不必再除以斜边。这一步把”比值”转换成了”坐标”。

各象限的符号

象限点 的坐标
第一
第二
第三
第四

口诀”一全正、二正弦、三正切、四余弦”概括的就是这张表。它不是需要背的规则,而是坐标符号的直接结果。

单位圆定义与直角三角形定义的一致性

当 为锐角时,在单位圆中作 到 轴的垂线,垂足为 ,得到直角三角形 ,其中斜边 ,对边 ,邻边 。于是

与初中定义完全一致。所以单位圆定义不是”另一套定义”,而是原定义的推广——锐角情形下两者重合。

周期性

角 与 的终边相同,与单位圆的交点也是同一个点,因此

这就是周期性的几何来源。 是正弦、余弦的最小正周期;正切因为 ,终边旋转 时 、 同时变号、比值不变,所以最小正周期是 。

从单位圆读出性质

性质几何解释
交点的纵坐标不超过半径
交点在圆上,
关于 轴对称,纵坐标变号
关于 轴对称,横坐标不变
振幅、周期、相位匀速绕圆旋转的投影

在单位圆里就是勾股定理,这也是 三角恒等式 中”毕达哥拉斯恒等式”这个名字的由来。

三角函数线

把有向线段画进单位圆,可以直观看到函数值:

函数对应的有向线段
交点 到 轴的有向距离(正弦线)
垂足到原点的有向距离(余弦线)
过 的切线上被终边截出的有向线段(正切线)

正切线之所以画在 的切线上,是因为 ,当 时纵坐标恰为 。这也解释了为什么 时正切线无限伸长——终边趋近于与切线平行。

常见误区

错误说法问题
” 是边与边的比值”推广后是坐标值,可以为负
”单位圆定义和直角三角形定义是两套东西”锐角时完全一致
” 的最小正周期是 “是
” 与 不同”终边相同,值相同
” 一定小于 “可以等于 ,但不超过

引出

如果把”半径”从 换成任意 ,定义会变成什么形式?

为什么要用弧度而不是角度来描述角?弧度制与单位圆有什么关系?

单位圆上的匀速圆周运动,投影到坐标轴上为什么就是简谐振动?