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Unicode中的角符號,Unicode碼位為U+2220

几何学中,(拼音:【jiǎo】注音:【ㄐㄧㄠˇ】) 是由两条有公共端点的射线组成的几何对象。这两条射线叫做角的,它们的公共端点叫做角的顶点。一般的角會假設在欧几里得平面上,但在非欧几里得几何中也可以定義角,特別是在球面幾何學中的球面角英语spherical angle是用大圓的圓弧代替射线。角在几何学三角学中有着广泛的应用。

几何之父欧几里得曾定义角为在平面中两条不平行直线的相对斜度。普罗克鲁斯英语Proclus認為角可能是一種特質、一種可量化的量、或是一種關係。歐德謨英语Eudemus認為角是相對一直線的偏差,安提阿的卡布斯英语Carpus of Antioch認為角是二條相交直線之間的空間。欧几里得認為角是一種關係,不過他對直角、銳角或鈍角的定義都是量化的[1]

平面角的大小定义是以两射线交点为圆心的被射线所截的弧长半径之比,单位包括弧度等。[2]

表示方法[编辑]

角通常用三个字母表示:两条边上的点的字母写在两旁,顶点上的字母写在中间。图中的角用∠AOB表示。但若在不會產生混淆的情形下,也會直接用顶点的字母表示,例如角∠O。

在數學式中,一般會用希臘字母α, β, γ, θ, φ, ...)表示角的大小。為避免混淆,符號π一般不用來表示角度。

角的測量[编辑]

常見测量单位[编辑]

以角的端点为圆心圆弧。由于圆弧的半径和弧长成正比,而角是长度的比例,所以圆的大小不会影响角的测量。

  • 弧度:用角在圆上所切出的圆弧的长度除以圆的半径,一般记作rad。弧度国际单位制中规定的角的度量,但却不是中国法定计量单位,角度则是角在中国的法定计量单位。此外,弧度在数学三角学中有广泛的应用。
  • 角度:由角在圆上所切出的圆弧的长度除以圆的周长再乘以360的结果,一般用°来标记,读作“度”。一度可以继续分为60“分”或3600“秒”。角度天文学全球定位系统中有重要应用。
  • 梯度:是角在圆上所切出的圆弧的长度除以圆的周长再乘以400的结果。

其他测量单位[编辑]

角度的量測可以視為弧長s和半徑r的比例,再依選用單位乘以一比例係數\frac{2\pi}{n}

 \theta = \frac{n}{2\pi} \frac{s}{r}.

例如以上的弧度、角度和梯度,其轉換係數n分別為2\pi、360和400。

以下是一些其他的测量单位,對應不同的n值。

  • 圈數或轉數n = 1):是指完整旋轉一圈,依應用的不同,會簡寫為cycrevrot,不過在每分鐘轉速(RPM)的單位中,只用一個字母r表示。
  • 直角n = 4):是1/4圈,是幾何原本中用的角度單位,直角 = 90° = π/2 rad = 1/4 turn = 100 grad。在德文中曾用表示直角。
  • 時角n = 24):常用在天文學中,是1/24圈。此系統是用在一天一個週期的循環(例如星星的相對位置),其六十進制下的子單位稱為「時間分角」及「時間秒角」,這兩個單位和角度的角分角秒不同,前者大小為後者的十五倍。1 時角 = 15° = π/12 rad = 1/6 quad. = 1/24 turn ≈ 16.667 grad.。
  • 米位英语Miln = 6000–6400):此單位是指一個單位大約等於毫弧度的角度,有許多不同的定義,其數值從0.05625度到0.06度(3.375至3.6角分),而毫弧度約為0.05729578度(3.43775角分)。在北大西洋公約組織的國家中,米位定義為圓的1/6400。其數值大約等於一個角度的弧長為一公尺,其半徑為一公里的角度(2π / 6400 = 0.0009817… ≒ 1/1000)。
  • 角分n = 21,600):定義為一度的1/60,是1/21600圈,會用 ′ 表示,例如3° 30′ 等於 3 + 30/60 度,也就是3.5度,有時也會出現小數,例如3° 5.72′ = 3 + 5.72/60度。海里曾定義為在地球的大圓上一角分的弧長。
  • 角秒n = 1,296,000):定義為一角分的1/60,會用 ″ 表示,例如3° 7′ 30″等於3 + 7/60 + 30/3600 度,或是3.125 度。

正角和負角[编辑]

以上角的定義均未考慮數值為負的角。不過在一些應用時,會將角的數值加上正負號,以標明是相對參考物不同方向的旋轉。

在二維的笛卡兒坐標系中,角一般是以x軸的正向為基準,若往y軸的正向旋轉,則其角為正角,若往y軸的負向旋轉,則其角為負角。若二維的笛卡兒坐標系也是x軸朝右,y軸朝上,則逆時針的旋轉對應正角,順時針的旋轉對應負角。

一般而言,−θ角和一圈減去 θ所得的角等效。例如 − 45°和360° − 45°(=315°)等效,但這只適用在用角表示相對位置,不是旋轉概念時。旋轉− 45°和旋轉315°是不同的。

在三維的幾何中,順時針及逆時針沒有絕對的定義,因此定義正角及負角時均需列出其參考的基準,一般會以一個通過角的頂點,和角所在平面垂直的向量為基準。

導航時,導向是以北方為基準,正向表示順時針,因此導向45°對應東北方。導向沒有負值,西北方對應的導向為315°。

其他量測角大小的方法[编辑]

除了量測角本身的大小外.也有其他的方式,可以量測角的大小。

坡度等於一個角的正切值,常用百分比或千分比來表示。當一個角的坡度小於5%時,其坡度近似於角以弧度表示的數值。

有理幾何學英语rational geometry中,一個角的大小是以伸展度(spread)來表示,伸展度定義為角對應正弦的平方,而任一角正弦的平方和該角補角正弦的平方相等。因此任一角和其補角在有理幾何學中是等同的。

角的分类[编辑]

個別的角[编辑]

锐角
角度大于0°且小于90°,或弧度大于0且小于\pi/2的角。
直角
角度等於90°,或弧度为\pi/2的角。(亦有证明直角等于锐角 根据中华人民共和国法定计量单位标准,暂不讨论此类问题)
钝角
角度大于90°且小于180°,或弧度大于\pi/2且小于\pi的角。
平角
角度等於180°,或弧度为\pi的角。
優角或反角
角度大於180°且小於360°,或弧度大於\pi且小於2\pi的角。
周角
角度等於360°,或弧度為2\pi的角。

以下是各角度的名稱及不同單位下的數值:

Name   銳角 直角 鈍角 平角 優角 周角
單位 範圍
   (0,\tfrac{1}{4}) \tfrac{1}{4} (\tfrac{1}{4},\tfrac{1}{2}) \tfrac{1}{2} (\tfrac{1}{2},1) 1
弧度 (0,\tfrac{1}{2}\pi) \tfrac{1}{2}\pi (\tfrac{1}{2}\pi,\pi) \pi (\pi,2\pi) 2\pi\,
   (0,90)° 90° (90,180)° 180° (180,360)° 360°

角的組合[编辑]

有三種特殊角的組合,其度數和均為特殊的值:

  • 餘角:當兩個角的度數之和等於90°,即一個直角,這兩個角便是餘角。若兩個相鄰的角互為餘角,兩個非共用邊會形成直角。在欧几里得几何中,非直角的兩角即互為餘角。
若角AB互為餘角,以下的數學式會成立:
\begin{align} \sin^2A + \sin^2B &= 1\\ \cos^2A + \cos^2B &= 1\\ \tan A &= \cot B \\ \sec A &= \csc B \end{align}.
(一角的正切等於其餘角的餘切,一角的正割等於其餘角的餘割
  • 補角:當兩個角的度數之和等於180°,即一個平角,這兩個角便是互補角。若兩個相鄰的角互為餘角,兩個非共用邊會形成一直線。不過兩個不相鄰的角也可以是補角,例如平行四邊形中,任兩鄰角為互補角。圆内接四边形的對角也是互補角。
若點P為圓O外的一點,而過點P作圓的切線,切點分別在點T和點Q,則∠TPQ和∠TOQ為互補角。
兩互補角的正弦相等,其餘弦及正切(若有定義義)大小相等,但符號異號。
在欧几里得几何中,三角形兩角的和為第三角的補角。


互為餘角的角a和角b
圖中的銳角和鈍角形成一組互補角


常用定理[编辑]

同頂角[编辑]

同頂角

a+b+c=360°

直線上的鄰角[编辑]

直線上的鄰角

a+b+c=180°

與平行線有關的定理[编辑]

與平行線有關的定理

當AE平行於BD,

由角度的關係也可以推得兩直線平行

  • 當a=c,AE平行於BD(同位角,相等)
  • 當b=d,AE平行於BD(內錯角,相等)
  • 當b+c=180°,AE平行於BD(同旁內角,互補)

二曲線的夾角[编辑]

二曲線在P點的夾角定義為二曲線在P點切線AB的夾角

曲線和直線的的夾角或是二曲線間的的夾角定義為二曲線在交點處切線的夾角。

點積及其拓展[编辑]

欧几里得空间中,二個向量uv的角和其點積及向量的長度有關:

\mathbf{u} \cdot \mathbf{v} = \cos(\theta)\ \|\mathbf{u}\|\ \|\mathbf{v}\|.

依上式可以用二個平面(或曲面)的法向量,計算二者之間的夾角,也可以根據二歪斜線的向量計算其夾角。

內積[编辑]

在一個抽象的實數内积空间中,在定義角時可以用內積 \langle\cdot,\cdot\rangle取代欧几里得空间的點積( · ):

\langle\mathbf{u},\mathbf{v}\rangle = \cos(\theta)\ \|\mathbf{u}\|\ \|\mathbf{v}\|.

在複數的内积空间中,為了使餘弦的數值仍維持實數,因此需修改為

\operatorname{Re}(\langle\mathbf{u},\mathbf{v}\rangle) = \cos(\theta)\ \|\mathbf{u}\|\ \|\mathbf{v}\|.

或者使用絕對值的標示:

 |\langle\mathbf{u},\mathbf{v}\rangle| = \cos(\theta)\ \|\mathbf{u}\|\ \|\mathbf{v}\|.

後者不考慮向量的方向,因此是描述由向量\mathbf{u}\mathbf{v}所生成的二個一維子空間\operatorname{span}(\mathbf{u})\operatorname{span}(\mathbf{v})之間的夾角。

黎曼几何中的角[编辑]

黎曼几何中,利用度量张量來定義二條切線之間的夾角,其中UV是切線向量,gij 是度量张量G的分量。


\cos \theta = \frac{g_{ij}U^iV^j}
{\sqrt{ \left| g_{ij}U^iU^j \right| \left| g_{ij}V^iV^j \right|}}.

地理學及天文學中的角[编辑]

地理的觀點,地球上任何一個位置都可以用地理座標系統來表示,此系統標示位置的經度緯度,兩者都以此點連至地球球心連線的角度來表示,經度是以格林威治子午線為參考基準,而緯度是以赤道為參考基準。

天文學中,天球的一點可以用任何一種天球坐标系统來表示,不過其基準則因坐标系统不同而不同。天文學量測二顆星星的角距離時,會假想分別有二顆星星分別和地球連成的直線,再量測這二條直線的夾角,即為角距離。

天文學家也會用角直徑量測一物體的表觀大小。例如滿月的角直徑約為0.5°。小角公式英语small-angle formula可以將上述的角測量轉換為距離和大小的比值。

相關條目[编辑]

參考資料[编辑]

  1. ^ Heiberg, Johan Ludvig. Heath, T. L., 编. Euclid. The thirteen books of Euclid's Elements. Cambridge University press. 1908: 177–178. 
  2. ^ GB 3102.1-1993:空间和时间的量和单位(代替GB 3102.1-1986).1993年12月27日公布,1994年7月1日实施.

外部链接[编辑]