Радиан , обозначаемый символом рад , является единицей измерения угла в Международной системе единиц (СИ) и является стандартной единицей измерения угла, используемой во многих областях математики . Он определяется таким образом, что один радиан — это угол, опирающийся на дугу в центре окружности, длина которой равна радиусу. [2] Ранее эта единица была дополнительной единицей СИ , а в настоящее время является безразмерной производной единицей СИ , [2] определяемой в СИ как 1 рад = 1 [3] и выражаемой через базовую единицу СИ метр (м) как рад = м/м . [4] Углы без явно указанных единиц обычно считаются измеряемыми в радианах, особенно в математических записях. [5]
Один радиан определяется как угол в центре окружности, который стягивает дугу, длина которой равна радиусу окружности. [6] В более общем смысле, величина в радианах стягиваемого угла равна отношению длины дуги к радиусу окружности; то есть, , где θ — величина в радианах стягиваемого угла, s — длина дуги, а r — радиус. Прямой угол равен точно радианам. [7]
Один полный оборот , выраженный как угол в радианах, равен длине окружности, деленной на радиус, который равен , или 2 π . Таким образом, 2 π радиан равно 360 градусам. Соотношение 2 π рад = 360° можно вывести с помощью формулы для длины дуги , . Поскольку радиан является мерой угла, который опирается на дугу длиной, равной радиусу окружности, . Это можно упростить до . Умножение обеих сторон на 360° дает 360° = 2 π рад .
Международное бюро мер и весов [7] и Международная организация по стандартизации [8] указывают рад в качестве символа радиана. Альтернативными символами, которые использовались в 1909 году, являются c (надстрочная буква c, для «круговой меры»), буква r или надстрочный индекс R , [1] но эти варианты используются редко, так как их можно ошибочно принять за символ градуса (°) или радиуса (r). Таким образом, угол в 1,2 радиана сегодня будет записан как 1,2 рад; архаичные обозначения включают 1,2 r, 1,2 рад , 1,2 c или 1,2 R .
В математической записи символ «рад» часто опускается. При количественном обозначении угла в случае отсутствия какого-либо символа предполагаются радианы, а когда имеются в виду градусы, используется знак градуса ° .
Плоский угол можно определить как θ = s / r , где θ — величина противолежащего угла в радианах, s — длина дуги окружности, а r — радиус. Один радиан СИ соответствует величине угла в радианах, для которого s = r , следовательно, 1 радиан СИ = 1 м/м = 1. [9] Однако рад следует использовать только для выражения углов, а не для выражения отношений длин в целом. [7] Аналогичный расчет с использованием площади кругового сектора θ = 2 A / r 2 дает 1 радиан СИ как 1 м 2 /м 2 = 1. [10] Ключевым фактом является то, что радиан СИ — это безразмерная единица , равная 1 . В СИ 2019 радиан СИ определяется соответственно как 1 рад = 1 . [11] В математике и во всех областях науки давно принято использовать рад = 1 . [4] [12]
Джакомо Прандо пишет: «Нынешнее положение дел неизбежно приводит к призрачным появлениям и исчезновениям радиана в размерном анализе физических уравнений». [13] Например, объект, подвешенный на веревке к блоку, поднимется или опустится на y = rθ сантиметров, где r — величина радиуса блока в сантиметрах, а θ — величина угла, на который блок поворачивается в радианах. При умножении r на θ в произведении не появляется ни единица радиан, ни единица сантиметр, поскольку оба множителя являются величинами (числами). Аналогично в формуле для угловой скорости катящегося колеса, ω = v / r , радианы появляются в единицах ω, но не в правой части. [14] Энтони Френч называет это явление «вечной проблемой в преподавании механики». [15] Оберхофер говорит, что типичный совет игнорировать радианы во время размерного анализа и добавлять или удалять радианы в единицах в соответствии с соглашением и контекстными знаниями является «педагогически неудовлетворительным». [16]
В 1993 году Метрический комитет Американской ассоциации учителей физики указал, что радиан должен явно появляться в величинах только тогда, когда при использовании других мер угла будут получены другие числовые значения, например, в величинах меры угла (рад), угловой скорости (рад/с), углового ускорения (рад/с2 ) и крутильной жесткости (Н⋅м/рад), а не в величинах крутящего момента (Н⋅м) и углового момента (кг⋅м2 / с). [17]
По крайней мере, дюжина ученых между 1936 и 2022 годами вносили предложения рассматривать радиан как базовую единицу измерения для базовой величины (и размерности) «плоского угла». [18] [19] [20] Обзор предложений Куинси выделяет два класса предложений. Первый вариант изменяет единицу радиуса на метры на радиан, но это несовместимо с размерным анализом для площади круга , π r 2 . Другой вариант — ввести размерную константу. По словам Куинси, этот подход «логически строг» по сравнению с СИ, но требует «модификации многих знакомых математических и физических уравнений». [21] Размерная константа для угла «довольно странная», и сложность модификации уравнений для добавления размерной константы, вероятно, исключит ее широкое использование. [20]
В частности, Куинси идентифицирует предложение Торренса ввести константу η, равную 1 обратному радиану (1 рад −1 ), аналогично введению константы ε0 . [21] [a] С этим изменением формула для угла, противолежащего центру окружности, s = rθ , изменяется так, чтобы стать s = ηrθ , а ряд Тейлора для синуса угла θ становится : [20] [22] где — угол в радианах. Заглавная функция Sin — это «полная» функция, которая принимает аргумент с размерностью угла и не зависит от выраженных единиц, [22] в то время как sin — это традиционная функция на чистых числах , которая предполагает, что ее аргумент — безразмерное число в радианах. [23] Заглавный символ может быть обозначен, если ясно, что подразумевается полная форма. [20] [24]
Текущую систему СИ можно рассматривать относительно этой структуры как естественную систему единиц , где предполагается, что выполняется уравнение η = 1 , или, аналогично, 1 рад = 1. Это соглашение о радианах позволяет опускать η в математических формулах. [25]
Определение радиана в качестве базовой единицы может быть полезным для программного обеспечения, где недостаток длинных уравнений минимален. [26] Например, библиотека единиц Boost определяет единицы измерения угла с plane_angle
размерностью, [27] и система единиц Mathematica аналогичным образом рассматривает углы как имеющие размерность угла. [28] [29]
Как уже говорилось, один радиан равен . Таким образом, чтобы перевести радианы в градусы, умножьте на .
Например:
И наоборот, чтобы перевести градусы в радианы, умножьте на .
Например:
Радианы можно преобразовать в обороты (один оборот — это угол, соответствующий одному обороту), разделив число радиан на 2π .
Один оборот равен радианам, что равно одному обороту , который по определению равен 400 градианам (400 гонам или 400 г ). Для перевода из радиан в градианы умножьте на , а для перевода из градиан в радианы умножьте на . Например,
В исчислении и большинстве других разделов математики за пределами практической геометрии углы измеряются в радианах. Это потому, что радианы обладают математической естественностью, которая приводит к более элегантной формулировке некоторых важных результатов.
Результаты анализа , включающего тригонометрические функции, могут быть элегантно изложены, когда аргументы функций выражены в радианах. Например, использование радиан приводит к простой предельной формуле
которая является основой многих других тождеств в математике, включая
Из-за этих и других свойств тригонометрические функции появляются в решениях математических задач, которые не связаны очевидным образом с геометрическим значением функций (например, решения дифференциального уравнения , оценка интеграла и т. д.). Во всех таких случаях уместно, чтобы аргументы функций рассматривались как (безразмерные) числа — без какой-либо ссылки на углы.
Тригонометрические функции углов также имеют простые и элегантные ряды разложения, когда используются радианы. Например, когда x — угол, выраженный в радианах, ряд Тейлора для sin x становится:
Если бы y был углом x, но выраженным в градусах, т.е. y = π x / 180 , то ряд содержал бы беспорядочные множители, включающие степени π / 180:
В том же духе, если задействованы углы, математически важные соотношения между функциями синуса и косинуса и показательной функцией (см., например, формулу Эйлера ) могут быть изящно сформулированы, когда аргументы функций являются углами, выраженными в радианах (и беспорядочны в противном случае). В более общем смысле, в теории комплексных чисел аргументы этих функций являются (безразмерными, возможно, комплексными) числами — без какой-либо ссылки на физические углы вообще.
Радиан широко используется в физике , когда требуются угловые измерения. Например, угловая скорость обычно выражается в единице радиан в секунду (рад/с). Один оборот в секунду соответствует 2 π радиан в секунду.
Аналогично, единицей измерения углового ускорения часто является радиан в секунду за секунду (рад/с 2 ).
Для целей размерного анализа единицами измерения угловой скорости и углового ускорения являются с −1 и с −2 соответственно.
Аналогично, разность фазовых углов двух волн также может быть выражена с использованием радиан в качестве единицы. Например, если разность фазовых углов двух волн составляет ( n ⋅2 π ) радиан, где n — целое число, они считаются находящимися в фазе , в то время как если разность фазовых углов двух волн составляет ( n ⋅2 π + π ) радиан, где n — целое число, они считаются находящимися в противофазе.
Единица измерения обратный радиан (рад -1 ) используется в производных единицах, таких как метр на радиан (для угловой длины волны ) или ньютон-метр на радиан (для крутильной жесткости).
Метрические префиксы для дольных единиц используются с радианами. Миллирадиан (мрад) — это тысячная часть радиана (0,001 рад), т. е. 1 рад = 10 3 мрад . В окружности 2 π × 1000 миллирадиан (≈ 6283,185 мрад). Таким образом, миллирадиан — это чуть меньше 1/6283 угла, охватываемого полной окружностью. Эта единица углового измерения окружности широко используется производителями оптических прицелов, использующих (стадиометрическую) дальномерность в сетках . Расхождение лазерных лучей также обычно измеряется в миллирадианах.
Угловой мил — это приближение миллирадиана, используемого НАТО и другими военными организациями в артиллерии и наведении . Каждый угловой мил представляет 1/6400 круга и является 15/8 % или 1,875% меньше миллирадиана. Для малых углов, обычно встречающихся в работе по наведению, удобство использования числа 6400 в расчетах перевешивает небольшие математические ошибки, которые оно вносит. В прошлом другие артиллерийские системы использовали различные приближения к 1/2000 π ; например, Швеция использовала 1/6300 стрек и СССР использовали 1/6000 . Будучи основанным на миллирадиане, натовский мил охватывает примерно 1 м на расстоянии 1000 м (при таких малых углах кривизна пренебрежимо мала).
Префиксы меньше милли- полезны при измерении очень малых углов. Микрорадианы (мкрад,10 −6 рад ) и нанорадианы (нрад,10−9 рад ) используются в астрономии, а также могут быть использованы для измерения качества луча лазеров с ультранизкой расходимостью. Более распространенной является угловая секунда , которая π/648,000 рад (около 4,8481 микрорадиан).
Идея измерения углов по длине дуги использовалась математиками довольно рано. Например, аль-Каши (ок. 1400) использовал так называемые части диаметра в качестве единиц, где одна часть диаметра была 1/60 радиан. Они также использовали шестидесятеричные субъединицы диаметральной части. [30] Ньютон в 1672 году говорил об «угловой величине кругового движения тела», но использовал ее только как относительную меру для разработки астрономического алгоритма. [31]
Концепция радианной меры обычно приписывается Роджеру Котесу , который умер в 1716 году. К 1722 году его двоюродный брат Роберт Смит собрал и опубликовал математические труды Котеса в книге Harmonia mensurarum . [32] В главе редакционных комментариев Смит дал то, что, вероятно, является первым опубликованным расчетом одного радиана в градусах, сославшись на заметку Котеса, которая не сохранилась. Смит описал радиан во всем, кроме названия – «Теперь это число равно 180 градусам, как радиус круга к полуокружности , это как 1 к 3,141592653589» – и признал его естественность как единицы угловой меры. [33] [34]
В 1765 году Леонард Эйлер неявно принял радиан в качестве единицы измерения угла. [31] В частности, Эйлер определил угловую скорость как «Угловая скорость во вращательном движении — это скорость той точки, расстояние которой от оси вращения выражается единицей». [35] Эйлер был, вероятно, первым, кто принял это соглашение, называемое соглашением о радианах, которое дает простую формулу для угловой скорости ω = v / r . Как обсуждалось в § Анализ размерностей , соглашение о радианах было широко принято, в то время как размерно согласованные формулировки требуют вставки размерной константы, например ω = v /( ηr ) . [25]
До того, как термин радиан стал широко распространенным, единица обычно называлась круговой мерой угла. [36] Термин радиан впервые появился в печати 5 июня 1873 года в экзаменационных вопросах, заданных Джеймсом Томсоном (братом лорда Кельвина ) в Королевском колледже в Белфасте . Он использовал этот термин еще в 1871 году, в то время как в 1869 году Томас Мьюир , тогда работавший в Университете Сент-Эндрюс , колебался между терминами рад , радиал и радиан . В 1874 году, после консультации с Джеймсом Томсоном, Мьюир принял радиан . [37] [38] [39] Название радиан не было общепринятым в течение некоторого времени после этого. Школа тригонометрии Лонгмана все еще называла круговую меру радианом , когда она была опубликована в 1890 году. [40]
В 1893 году Александр Макфарлейн написал: «истинный аналитический аргумент для круговых отношений — это не отношение дуги к радиусу, а отношение удвоенной площади сектора к квадрату на радиусе». [41] Однако статья была изъята из опубликованных трудов математического конгресса, проведенного в связи с Всемирной Колумбийской выставкой в Чикаго (признано на странице 167), и опубликована в частном порядке в его «Документах по анализу пространства» (1894). Макфарлейн пришел к этой идее или отношениям площадей, рассматривая основу для гиперболического угла , который определяется аналогично. [42]
Как пишут Пол Куинси и др., «статус углов в Международной системе единиц (СИ) долгое время был источником споров и путаницы». [43] В 1960 году CGPM создала СИ, и радиан был классифицирован как «дополнительная единица» вместе со стерадианом . Этот специальный класс официально считался «либо основными единицами, либо производными единицами», поскольку CGPM не могла прийти к решению о том, является ли радиан основной или производной единицей. [44] Ричард Нельсон пишет: «Эта неоднозначность [в классификации дополнительных единиц] вызвала оживленную дискуссию по поводу их правильной интерпретации». [45] В мае 1980 года Консультативный комитет по единицам (CCU) рассмотрел предложение сделать радиан основной единицей СИ, используя константу α 0 = 1 рад , [46] [25] но отклонил его, чтобы избежать потрясений в текущей практике. [25]
В октябре 1980 года CGPM постановила, что дополнительные единицы являются безразмерными производными единицами, для которых CGPM допускает свободу использования или не использования их в выражениях для производных единиц СИ, [45] на основании того, что «[не существует формализма], который был бы одновременно последовательным и удобным и в котором величины плоский угол и телесный угол могли бы рассматриваться как основные величины» и что «[возможность трактовать радиан и стерадиан как основные единицы СИ] ставит под угрозу внутреннюю согласованность СИ, основанную только на семи основных единицах». [47] В 1995 году CGPM устранила класс дополнительных единиц и определила радиан и стерадиан как «безразмерные производные единицы, названия и символы которых могут, но не обязательно, использоваться в выражениях для других производных единиц СИ, как это удобно». [48] Михаил Калинин в своей статье от 2019 года раскритиковал решение CGPM 1980 года как «необоснованное» и заявил, что решение CGPM 1995 года содержало непоследовательные аргументы и внесло «многочисленные несоответствия, непоследовательности и противоречия в формулировки SI». [49]
На заседании CCU в 2013 году Питер Мор выступил с докладом о предполагаемых несоответствиях, возникающих из-за определения радиана как безразмерной единицы, а не как базовой единицы. Президент CCU Ян М. Миллс заявил, что это «огромная проблема», и была создана рабочая группа CCU по углам и безразмерным величинам в СИ . [50] CCU собрался в 2021 году, но не достиг консенсуса. Небольшое количество членов решительно утверждали, что радиан должен быть базовой единицей, но большинство посчитало, что статус-кво приемлем или что изменение вызовет больше проблем, чем решит. Была создана целевая группа для «анализа исторического использования дополнительных единиц СИ и рассмотрения вопроса о том, принесет ли повторное введение пользу», среди прочего. [51] [52]
Угловая амплитуда качания [...] Нет размерностей.
Углы рассматриваются как единицы измерения
В Canone Logarithmico exhibetur Systema quoddam menfurarum numeralium, quæ Logarithmi dicuntur: atque hujus systematis Modulus - это логарифм, который соответствует Rationem Modularem в Corol. 6. определенность. Аналогично в Canone Trigonometrico Finuum & Tangentium, exhibetur Systema quoddam menfurarum numeralium, quæ Gradus appellantur: atque hujus systematis Modulus is est Numerus Graduum, qui metitur Angulum Modularem modo definitun, hoc est, qui continetur in arcu Radio æquali. Eft autem hic Numerus ad Gradus 180 ut Circuli Radius ad Semicircuinferentiam, hoc eft ut 1 ad 3.141592653589 и т. д. Unde Modulus Canonis Trigonometrici prodibit 57,2957795130 и т. д. Cujus Reciprocus eft 0,0174532925 и т. д. Hujus moduli subdio (quem in chartula quadam Auctoris manu descriptum inveni) commodissime computabis mensuras angulares, queinadmodum oftendam in Nota III.[В Логарифмическом каноне представлена определенная система числовых мер, называемых Логарифмами: и Модуль этой системы есть Логарифм , который измеряет модульное отношение, как определено в следствии 6. Аналогично, в тригонометрическом каноне синусов и тангенсов представлена определенная система числовых мер, называемая градусами: и модуль этой системы - это число градусов, которое измеряет модульное отношение. Угол, определенный указанным способом, то есть, который содержится в равной дуге радиуса. Теперь это число равно 180 градусам, как радиус круга к полуокружности, это как 1 к 3,141592653589 и т. д. Следовательно, модуль тригонометрического канона будет 57,2957795130 &c. Обратная величина которого равна 0,0174532925 &c. С помощью этого модуля (описание которого я нашел в записке, написанной рукой автора) вам будет удобнее всего вычислить угловые меры, как уже упоминалось. в примечании III.]
Для того, чтобы объединить международные системы, Генеральная конференция ни разу ни ни разу не приняла решение о том, чтобы действовать в рамках объединения базовых или дружественных объединений.[Для некоторых единиц СИ ГКМВ до сих пор не решила, являются ли они базовыми или производными единицами.]