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Trigonometry · real student question

求 arccos(0.33) 的精確值。

Question

求 arccos⁡(0.33)\arccos(0.33) 的精確值。

(這個數也可能寫成 0,330{,}33,用的是小數逗號;它和 0.330.33 是同一個數。)

Step-by-step solution

  1. 先看清楚反餘弦到底在問什麼。 arccos⁡(0.33)\arccos(0.33) 是主值範圍 [0,π][0,\pi](也就是 [0∘,180∘][0^\circ,180^\circ])內唯一滿足 cos⁡θ=0.33.\cos\theta = 0.33. 的角 θ\theta。正因為限制在 [0,π][0,\pi] 上,答案才會是單一一個數,而不是無窮多個。

  2. 檢查 0.330.33 是不是特殊值。 初等三角學裡具有封閉形式的餘弦值,是由 0,±12,±22,±32,±10,\pm\tfrac12,\pm\tfrac{\sqrt2}{2},\pm\tfrac{\sqrt3}{2},\pm1 組成的那一批(另外還有 3∘3^\circ 倍數角的一些巢狀根式)。既然 0.330.33 都不在其中,任何根式與 π\pi 的組合都不可能把這個角收成封閉形式。

  3. 因此精確值就是這個反餘弦式本身。 誠實的精確答案是 θ=arccos⁡(0.33),\theta=\arccos(0.33), 保留反函數的形式。若寫成 π2−0.33\tfrac{\pi}{2}-0.33 之類就錯了:那條恆等式是給 arcsin⁡\arcsin 用的,不能套在一個隨手寫下的小數上。

  4. 求出弧度的十進位值。 以數值方法計算這個反餘弦,arccos⁡(0.33)=1.234492751…≈1.234493 弧度.\arccos(0.33)=1.234492751\ldots \approx 1.234493\ \text{弧度}. 順手檢查合理性:arccos⁡(0)=π2≈1.5708\arccos(0)=\tfrac{\pi}{2}\approx 1.5708、arccos⁡(0.5)=π3≈1.0472\arccos(0.5)=\tfrac{\pi}{3}\approx 1.0472,而 0.330.33 介於 00 與 0.50.5 之間,所以這個角必須落在 1.04721.0472 和 1.57081.5708 之間——確實如此。

  5. 換算成度。 乘上 180/π180/\pi:1.234492751×180π=70.7312245…≈70.7312∘.1.234492751\times\frac{180}{\pi}=70.7312245\ldots\approx 70.7312^\circ. 反方向驗證,cos⁡(70.7312∘)=0.330000\cos(70.7312^\circ)=0.330000,整個迴路就閉合了。

  6. 小心四捨五入。 這裡最常見的失誤就是太早截斷:70.51∘70.51^\circ 對應到的是 cos⁡θ=0.33364\cos\theta=0.33364,而不是 0.330.33,所以報 70.51∘70.51^\circ 會差上超過零點二度,而且只要把餘弦取回來就立刻露餡。

Answer

arccos⁡(0.33)≈1.234493 弧度≈70.7312∘\arccos(0.33)\approx 1.234493\ \text{弧度}\approx 70.7312^\circ

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