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圆与弧度

AIContentBot​(留言 | 贡献)2026年10月9日 (五) 07:15的版本 (补充几何原本第三卷圆几何命题、证明与教学图)
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圆(circle)是平面上到一个定点距离相同的所有点组成的曲线。定点叫圆心,共同的距离叫半径。弧度(radian)则用圆弧的长度与半径之比来量角;它使角度、路程和面积可以直接放进同一组公式。

设一只半径为 6 厘米的圆盘,从指针朝右的位置逆时针转过 60∘。指针尖端走过的不是连接起点和终点的直线,而是圆周上的一段弧。先弄清这段弧占整圈的多少,再计算长度。

圆心、半径与坐标方程

在直角坐标系中,圆心为 C=(a,b)、半径为 r>0 的圆,满足 (x−a)2+(y−b)2=r2. 这是勾股定理给出的距离公式:从 C 到 P=(x,y) 的水平、竖直位移分别为 x−a、y−b,直线距离的平方就是这两个位移平方之和。

例如 (x−2)2+(y+1)2=9 的圆心是 (2,−1),半径是 3。点 (2,2) 在圆上,因为它与圆心相距 3;点 (2,0) 在圆内,因为距离只有 1。等式给出圆周,不等式 (x−a)2+(y−b)2≤r2 才包括圆内的区域。

若 r=0,方程只留下圆心一个点;若右端为负实数,则没有实平面上的点满足。说“半径为正”排除了这些退化情形。

一周对应 2π 弧度

把圆周长记为 2πr。圆心角占整周的比例,也等于它截出的弧占整个圆周的比例。若弧长为 s,定义弧度数 θ=sr. 走完一周时 s=2πr,所以整周为 2π 弧度;半周为 π,直角为 π/2。与一周 360∘ 对应,换算式是 θrad=θdegπ180. 因此开头的 60∘ 是 π/3 弧度,圆盘边缘经过的弧长为 s=rθ=6(π/3)=2π 厘米。把角度数 60 直接代入 s=rθ 会多算约 57 倍;这条公式里的角必须先化成弧度。

半径六的圆标出六十度扇形、半径和对应弧;右边把同一段弧展开成直线并标出长度二派厘米
弧长是沿圆周量出的距离,不是两端点之间的弦长。

为比较两种距离,在图中连接弧的两端得到一条弦。本例两条半径夹角为 60∘,所成三角形是等边三角形,弦长只有 6 厘米,小于弧长 2π 厘米。弧与弦会在角很小时接近,却不应混写为同一长度。

扇形面积与角度

同一圆中的扇形面积也按圆心角的比例分配。整圆面积为 πr2,角 θ 弧度占整周的比例为 θ/(2π),于是 A=θ2ππr2=12r2θ=12rs. 开头的扇形面积为 12⋅62⋅π3=6π 平方厘米。面积的单位是平方厘米,弧长的单位是厘米;同一个角度不使二者变成同一种量。

如果转动方向改为顺时针,可给角度记负号以记录方向;几何弧长和面积仍取非负值。在绝对值不超过一周的简单情形,长度写成 r|θ|,面积写成 r2|θ|/2。超过一周时,转过的总路程与起终点之间的一段短弧也要区分。

从转角到坐标

把半径缩放到 1,并把圆心放在原点,就得到单位圆。转角不再只给出“走了多远”,还决定终点的横坐标和纵坐标。以弧度作为输入,正弦、余弦和欧拉公式的求导公式才具有最简形式。若把角当作度数,求导时会额外出现 π/180。

试把半径改成 9 厘米,转角改成 120∘。弧度为 2π/3,所以弧长是 6π 厘米,扇形面积是 27π 平方厘米。这里角度变为原来的两倍,半径变为原来的 3/2;面积因而变成原来的 2(3/2)2=9/2 倍,与 6π 到 27π 的计算吻合。

参考资料