§ 4. Малые углы

В принципе можно было бы мерить все углы в радианах. На практике широко используется и градусное измерение углов, хотя с чисто математической точки зрения оно неестественно. При этом для малых углов используются специальные единицы: угловая минута и угловая секунда. Угловая минута — это 1/60 часть градуса; угловая секунда — это 1/60 часть угловой минуты. Если, например, величина угла равна 129 градусам, 34 минутам и 16 секундам, то пишут: 129◦3401600.

Задача 4.1. На какой угол поворачивается за одну секунду:

а) часовая стрелка часов;

б) минутная стрелка часов;

в) секундная стрелка часов?

Решение. Разберем только пункт а). Полный оборот часовая стрелка делает за 12 часов; стало быть, за час она поворачивается на 360/12 = 30◦. Следовательно, за минуту часовая стрелка повернется на угол, в 60 раз меньший, чем за час, то есть на 300;

всвою очередь, за секунду стрелка повернется на угол, в 60 раз меньший, чем за минуту, то есть на 3000. Теперь вы видите, на-

сколько мала угловая секунда: ведь даже угол, в тридцать раз больший (поворот часовой стрелки за секунду времени) мы не

всостоянии заметить.

Представление об угловой минуте дает такой факт: «разрешающая способность» человеческого глаза (при стопроцентном зрении и хорошем освещении) равна примерно одной угловой минуте. Это означает, что две точки, которые видны под углом 10 или меньше, на глаз воспринимаются как одна.

Посмотрим, что можно сказать о синусе, косинусе и тангенсе малых углов. Если на рис. 4.2 угол α мал, то высота BC, дуга BD и отрезок BE, перпендикулярный AB, очень близки. Их длины — это sin α, радианная мера α и tg α. Стало быть, для малых углов синус, тангенс и радианная мера приближенно равны друг другу:

15

Рис. 4.1. Разрешающая способность.

Если α — малый угол, измеренный в радианах, то sin α ≈ α; tg α ≈ α.

Задача 4.2. Запишите приближенные формулы для синуса и тангенса малых углов, считая, что угол измеряется в градусах.

Ответ. sin α◦ ≈ πα/180.

Видно, что формулы сложнее, чем для радианной меры — еще один довод в ее пользу!

Задача 4.3. Под каким углом видно дерево высотой 10 метров с расстояния в 800 метров? Дайте ответ: а) в радианах; б) в угловых минутах.

Задача 4.4. Чему равно расстояние, равное одной минуте дуги земного меридиана? Радиус Земли равен примерно 6370 .

Расстояние, о котором идет речь в этой задаче, примерно равно морской миле (именно так и появилась эта мера длины).

16

Рис. 4.3. Парсек.

Рис. 4.4. Формула тысячных.

Задача 4.5. В астрономии применяется единица измерения расстояний, называемая парсек. По определению, расстояние в 1 парсек — это расстояние с которого радиус земной орбиты1 виден под углом 100 (рис. 4.3). Сколько километров в одном парсеке? (Радиус земной орбиты равен примерно 150 миллионам километров.)

Задача 4.6. Военные пользуются единицей измерения углов, называемой «тысячная». По определению, тысячная — это 1/3000 развернутого угла. Такое измерение углов военные применяют в следующей формуле для определения расстояния до удаленных предметов: = (/) · 1000. Здесь — расстояние до предмета, — его высота, — угол, под которым он виден, измеренный в тысячных (рис. 4.4). Точна ли эта формула? Почему ей можно пользоваться на практике? Чему равно число π, по мнению военных?

Мы видим, что формулы sin α ≈ α, tg α ≈ α верны с хорошей точностью для малых углов. Посмотрим, что произойдет,

1Астрономы поправили бы нас: не радиус (орбита Земли — не круг, а эллипс), а большая полуось (половина расстояния между наиболее удаленными друг от друга точками орбиты).

17

если угол не столь мал. Для угла в 30◦ точное значение синуса равно 0,5, а радианная мера равна π/6 ≈ 0,52. Ошибка (или, как еще говорят, погрешность), которую дает формула sin α ≈ α, равна примерно 0,02, что составляет 4% от значения синуса. Можно сказать, что относительная погрешность при таком вычислении (отношение погрешности к значению синуса) составляет 4%. Для углов, меньших 10◦, относительная погрешность формулы sin α ≈ α меньше одного процента. Чем меньше угол α, тем меньше относительная погрешность формулы sin α ≈ α.

Существуют и другие формулы, позволяющие вычислять синусы и тангенсы — и не только малых углов — с хорошей точностью. Например, формула sin α ≈ α − α3/6 (напоминаем, что α измеряется в радианах!) дает относительную погрешность менее 1% уже для всех углов, не превосходящих 50◦. Позднее мы увидим, как оценить погрешность наших формул.

Задача 4.7. Пусть α — острый угол, измеренный в радианах. Докажите неравенство cos α > 1 − α2.

Задача 4.8. Для косинусов малых углов в качестве приближенного значения можно брать 1. Докажите, что при величине угла менее 5◦ относительная погрешность этого приближения будет менее 1%.

18