39.1 เรเดียนและวงกลมหนึ่งหน่วย
ในบทที่ 31 เรานิยาม เป็นด้านตรงข้ามมุมหารด้วยด้านตรงข้ามมุมฉาก นิยามนี้ใช้ได้ดีกับมุมแหลม แต่ถ้าถามว่า เท่ากับเท่าไร จะเริ่มติดขัดทันที สามเหลี่ยมมุมฉากมีมุมอีกสองมุมรวมกันได้ จึงไม่มีมุมไหนกาง ได้ แต่เครื่องคิดเลขกลับตอบ ได้หน้าตาเฉย แปลว่าต้องมีนิยามที่กว้างกว่าสามเหลี่ยม
ชีวิตจริงก็มีมุมที่เกิน อยู่ทั่วไป ล้อจักรยานหมุนไปหลายรอบ ชิงช้าสวรรค์หมุนวนไม่หยุด เข็มนาฬิกาหมุนทวนกลับไม่ได้แต่หมุนเกินรอบได้ หน้านี้จะเปลี่ยนวิธีมองมุมสองเรื่อง เรื่องแรกคือหน่วยวัดมุมแบบใหม่ที่ผูกกับความยาวส่วนโค้ง เรื่องที่สองคือวงกลมที่ทำให้ไซน์และโคไซน์มีความหมายกับมุมทุกขนาด
เรเดียนวัดมุมด้วยความยาวส่วนโค้ง
หน่วยองศามาจากการแบ่งหนึ่งรอบเป็น ส่วน ตัวเลข เป็นตัวเลขที่คนเลือกขึ้นมาเอง ไม่ได้ผูกกับขนาดของวงกลม ถ้าอยากรู้ว่าจุดบนขอบล้อเคลื่อนไปไกลเท่าไร ต้องแปลงองศาเป็นสัดส่วนของรอบก่อนทุกครั้ง
ลองคิดอีกแบบ ล้อจักรยานรัศมี เซนติเมตร ถ้าจักรยานเดินหน้าไป เมตร ล้อหมุนไปเท่าไร จุดที่แตะพื้นเปลี่ยนไปตามขอบล้อยาว เซนติเมตร ความยาวนี้เทียบกับรัศมีได้ เท่า ตัวเลข บอกว่าล้อหมุนไปมากแค่ไหน โดยไม่ขึ้นกับว่าวัดความยาวเป็นเซนติเมตรหรือเมตร เพราะหน่วยตัดกันหมด แนวคิดนี้คือมุมแบบเรเดียน
นิยาม
มุมที่จุดศูนย์กลางของวงกลมรัศมี รองรับส่วนโค้งยาว มีขนาด เรเดียน มุมหนึ่งเรเดียนจึงรองรับส่วนโค้งยาวเท่ารัศมีพอดี
จากนิยามได้สูตร ทันที สูตรนี้ใช้ได้เมื่อ เป็นเรเดียนเท่านั้น หนึ่งรอบมีส่วนโค้งยาวเท่าเส้นรอบวง มุมหนึ่งรอบจึงเป็น เรเดียน เทียบกับ ได้ เรเดียน นี่คือสะพานเดียวที่ต้องจำ คูณด้วย เพื่อเปลี่ยนองศาเป็นเรเดียน และคูณด้วย เพื่อเปลี่ยนกลับ
| องศา | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| เรเดียน |
เวลาเขียนมุมเป็นเรเดียน มักไม่เขียนหน่วยกำกับ ถ้าเห็นมุม เฉยๆ ให้อ่านว่า เรเดียน ถ้าเป็นองศาต้องมีเครื่องหมาย เสมอ
ตัวอย่าง 1
เปลี่ยน เป็นเรเดียน และ เป็นองศา
- ครึ่งรอบคือ เรเดียน หนึ่งองศาจึงเท่ากับ เรเดียน คูณ เข้าไปได้ เรเดียน
- ขากลับใช้ว่า เรเดียนเท่ากับ แทน ด้วย ได้
- ตรวจด้วยความรู้สึก น้อยกว่า อยู่นิดเดียว จึงควรน้อยกว่า นิดเดียว ส่วน เกิน ไปอีก คือ ตรงกัน
ตัวอย่าง 2
ล้อจักรยานรัศมี เซนติเมตร จักรยานเดินหน้าไป เมตรโดยล้อไม่ลื่นไถล ล้อหมุนไปกี่เรเดียน และประมาณกี่องศา
- ล้อไม่ลื่นไถล ระยะที่จักรยานเคลื่อนจึงเท่ากับความยาวส่วนโค้งที่ขอบล้อแตะพื้นไป ให้หน่วยตรงกันก่อน เซนติเมตร และ เซนติเมตร
- ใช้นิยาม เรเดียน ประมาณ เรเดียน
- แปลงเป็นองศา ประมาณ ล้อหมุนเกินครึ่งรอบไปเล็กน้อย สอดคล้องกับที่ มากกว่า ประมาณ อยู่นิดหน่อย
ตัวอย่าง 3
ล้อรัศมี เซนติเมตรหมุนมุม เรเดียน จุดบนขอบเคลื่อนตามส่วนโค้งเท่าไร
- มุมให้มาเป็นเรเดียนแล้ว จึงใช้ ได้ทันทีโดยไม่ต้องแปลง
- เซนติเมตร ประมาณ เซนติเมตร
ลองคิดก่อน
โจทย์ให้ล้อรัศมี เซนติเมตรหมุน เพื่อนแทน ในสูตร ได้ เซนติเมตร คำตอบนี้สมเหตุสมผลไหม
ดูคำตอบ
ไม่สมเหตุสมผล ล้อหมุนแค่หนึ่งในสี่รอบ แต่ได้ระยะยาวกว่าเส้นรอบวงทั้งวงที่ประมาณ เซนติเมตรเสียอีก สูตร มาจากนิยาม ซึ่งเป็นเรเดียน ต้องแปลง เป็น ก่อน จะได้ ประมาณ เซนติเมตร
พื้นที่เซกเตอร์
เซกเตอร์คือส่วนของวงกลมที่ล้อมด้วยรัศมีสองเส้นกับส่วนโค้ง เหมือนพิซซ่าหนึ่งชิ้น มุม เรเดียนคิดเป็นสัดส่วน ของหนึ่งรอบ พื้นที่เซกเตอร์จึงเป็นสัดส่วนเดียวกันของพื้นที่วงกลม
สูตรนี้ก็ใช้มุมเรเดียนเหมือน ถ้าเขียนรวมกันจะได้ ซึ่งคล้ายพื้นที่สามเหลี่ยมที่มีฐานยาว และสูง
ตัวอย่าง 4
พิซซ่ารัศมี เซนติเมตรตัดเป็น ชิ้นเท่ากัน หาความยาวขอบโค้งและพื้นที่ของหนึ่งชิ้น
- แปดชิ้นเท่ากันแบ่งหนึ่งรอบ เป็นแปดส่วน หนึ่งชิ้นจึงมีมุม เรเดียน
- ขอบโค้ง ประมาณ เซนติเมตร
- พื้นที่ ประมาณ ตารางเซนติเมตร
- ตรวจอีกทาง พื้นที่ทั้งถาด แบ่งแปดได้ ตรงกัน
วงกลมหนึ่งหน่วยให้นิยามที่ใช้ได้กับทุกมุม
วาดวงกลมรัศมี หน่วยที่มีจุดศูนย์กลางที่จุดกำเนิด เรียกว่าวงกลมหนึ่งหน่วย เริ่มวัดมุมจากแกน ทางบวก หมุนทวนเข็มนาฬิกาได้มุมบวก หมุนตามเข็มนาฬิกาได้มุมลบ ปลายของมุม ไปตกที่จุดหนึ่งบนวงกลม เรียกว่าจุดปลายของมุม
ถ้า เป็นมุมแหลม ลากเส้นตั้งฉากจากจุดปลาย ลงแกน จะได้สามเหลี่ยมมุมฉากที่มีด้านตรงข้ามมุมฉากยาว ด้านประชิดยาว และด้านตรงข้ามยาว นิยามจากบทที่ 31 ให้ และ ข้อสังเกตนี้คือหัวใจของบท
นิยาม
ถ้าจุดปลายของมุม บนวงกลมหนึ่งหน่วยคือ แล้ว และ
นิยามใหม่ไม่ต้องใช้สามเหลี่ยมอีกต่อไป มุม ก็มีจุดปลายบนวงกลมเหมือนมุมอื่น จึงมีไซน์และโคไซน์ และเมื่อ เป็นมุมแหลม นิยามใหม่ให้ค่าเท่าเดิมทุกประการ ไม่ได้ขัดกับสิ่งที่เรียนมา จุดปลายอยู่บนวงกลม จึงได้ ทุกมุม
มุมที่ต่างกัน เมื่อ เป็นจำนวนเต็ม หมุนครบรอบเพิ่มแล้วกลับมาที่จุดปลายเดิม เรียกว่ามุมร่วมปลาย ค่าไซน์และโคไซน์จึงซ้ำทุก ส่วนมุมติดลบ คือภาพสะท้อนของ ข้ามแกน พิกัด เท่าเดิมแต่พิกัด เปลี่ยนเครื่องหมาย จึงได้ และ
ตัวอย่าง 5
หาพิกัดของจุดปลายของมุม บนวงกลมหนึ่งหน่วย แล้วตอบคำถามต้นหน้าว่า เท่ากับเท่าไร
- หมุนเลยแกน ไปแล้ว จุดปลายอยู่ด้านซ้ายบนของวงกลม เส้นปลายมุมทำมุมกับแกน ทางลบเป็น
- ลากเส้นตั้งฉากลงแกน ได้สามเหลี่ยมมุมฉากที่มีมุม ด้านตรงข้ามมุมฉากยาว ด้านแนวนอนยาว ด้านแนวตั้งยาว
- จุดอยู่ด้านซ้ายของแกน พิกัด จึงติดลบ อยู่เหนือแกน พิกัด จึงเป็นบวก ได้จุด ดังนั้น และ
- ทำแบบเดียวกันกับ เส้นปลายมุมทำมุม กับแกน ทางลบ จุดปลายคือ จึงได้ ตรงกับที่เครื่องคิดเลขบอก
มุมร่วมปลายกับจำนวนรอบที่หมุนจริง
มุมอาจเกินหนึ่งรอบหรือติดลบได้ การลดด้วยจำนวนรอบเต็มช่วยอ่านจุดปลาย แต่ไม่เปลี่ยนจำนวนรอบที่วัตถุหมุนจริง ถ้าโจทย์ถามระยะสะสม ต้องใช้มุมเต็ม
ตัวอย่าง 6
หา และอธิบายมุมร่วมปลายในช่วง
- แยกรอบเต็มออก จึงมีจุดปลายเดียวกับ
- ค่าไซน์อ่านจากจุดปลาย จึงเท่ากับ
- แต่ถ้าเป็นล้อรัศมี ที่หมุน จริง จุดบนขอบเคลื่อนไป ไม่ใช่ เพราะหมุนครบหนึ่งรอบไปก่อนแล้ว
ความแตกต่างนี้สำคัญในโจทย์ล้อหมุน ค่าตรีโกณมิติขึ้นกับตำแหน่งปลาย ส่วนระยะที่จุดบนขอบเคลื่อนขึ้นกับจำนวนรอบทั้งหมด จึงไม่ลดมุมก่อนคำนวณระยะสะสมโดยอัตโนมัติ
ลองคิดก่อน
เพื่อนกดเครื่องคิดเลขหา ได้ประมาณ อีกคนได้ประมาณ ใครถูก
ดูคำตอบ
ถ้าโจทย์เขียน โดยไม่มีเครื่องหมายองศา มุมคือ เรเดียน ประมาณ จุดปลายอยู่ด้านซ้ายบนของวงกลม สูงเกือบถึงยอด ค่าไซน์จึงประมาณ ส่วน คือ ซึ่งมุมเล็กมากจนจุดปลายแทบอยู่บนแกน คนแรกลืมเปลี่ยนเครื่องคิดเลขเป็นโหมดเรเดียน (RAD) ก่อนกด ตรวจโหมดทุกครั้งที่ใช้เครื่องคิดเลขกับมุม
หน้าถัดไปจะใช้ภาพจุดปลายบนวงกลมนี้อ่านเครื่องหมายของไซน์ โคไซน์ และแทนเจนต์ในแต่ละจตุภาค แล้วหาค่าของมุมใดๆ จากมุมแหลมเพียงไม่กี่มุม
สรุป
- มุม เรเดียนคือส่วนโค้งหารรัศมี หนึ่งรอบเท่ากับ และ
- ส่วนโค้ง และพื้นที่เซกเตอร์ ใช้มุมเรเดียนเท่านั้น
- จุดปลายของมุมบนวงกลมหนึ่งหน่วยคือ ใช้ได้กับมุมทุกขนาด
- มุมร่วมปลายให้ค่าตรีโกณมิติเท่ากัน แต่ระยะที่หมุนจริงต้องใช้มุมเต็ม
- มุมที่ไม่มีเครื่องหมายองศาเป็นเรเดียน ตั้งเครื่องคิดเลขให้ตรงโหมด