托勒密 (Ptolemy, 100--178) 是希臘文明末期的天文學家, 他的宇宙觀大約主宰了西方人 1500 年的看法。 雖然與今天所知的事實不相符,但是他的觀察和假說, 在當時的確可以解釋所有的天文現象,並能用以預測星體的運行。 為了天文學的研究,托勒密需要三角函數來做計算。 當時並不存在足夠精密的三角函數值,於是他自己計算了一張三角函數的數值表格。 嚴格地說,他是計算了從 0 度開始,以 1/2 度為間隔,到 180 度為止的弦長表: Crd(x):x 度的弦長。 它就是單位圓 (半徑為 1 的圓) 之 x 度圓心角所對應的弦長。 見下圖
在我們開始之前,要特別提醒讀者,當時托勒密使用的是 60 進位的非對位記數系統。 他不但沒有小數的觀念,更沒有直式計算法。 而所有的三角函數公式推導,全部要用純粹的平面幾何知識。
首先,利用圓的內接正多邊形的邊長,可以知道某些特殊角的弦長。 例如邊數是 3、4、5、6、10 的時候,得知 120 度、90 度、72 度、60 度和 36 度的弦長。 其他的角度,就不容易由這種方法求得了。 完全用幾何知識,托勒密發現了一些我們今天熟知的和 (差) 公式與半角公式:
就這樣千辛萬苦地,托勒密估計了 Crd(1/2) 的值。 因為他沒有小數點可用,就令圓的半徑是 60 (他用的數是 60 進位的), 使得計算的結果是 60*Crd(x),然後取整數和近似的分數。 可見,即使這樣辛苦地計算,到頭來的相對數值誤差還是頗高。
這份擴編教材只是要讓讀者體驗先民的創造性工作、欣賞他們所突破的困難, 並瞭解在微積分之前,要製造更精確的三角函數表的困難程度。 我們無意在此重現完整的數學 (特別是平面幾何) 推理過程。 欲知詳情,請看課外讀物。
課外讀物:
[1] 蔡聰明,星空燦爛的數學---托勒密如何編製弦表,數學傳播
90(1999),57--67。
單維彰 (00/03/12) --- 00/03/25