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Trigonometry · real student question

求 arcsin(0.375) 的精確值,或說明為何不存在,並給出弧度與度的十進位值。

Question

求 arcsin⁡(0.375)\arcsin(0.375) 的精確值,並給出它的弧度值與度數值。

Step-by-step solution

  1. 先把小數寫成分數。 0.375=380.375 = \tfrac{3}{8},所以問題就是找出滿足

    sin⁡θ=38,θ∈[−π2, π2]\sin\theta = \frac{3}{8}, \qquad \theta \in \left[-\tfrac{\pi}{2},\ \tfrac{\pi}{2}\right]

    的 θ\theta。正是這個受限的值域讓 arcsin⁡\arcsin 成為函數:正弦值相同的角有無窮多個,落在這個區間裡的恰好只有一個。

  2. 拿可作圖的正弦值清單來比對。 學校裡會用到、正弦值具有封閉形式的角是 0, π6, π4, π3, π20,\ \tfrac{\pi}{6},\ \tfrac{\pi}{4},\ \tfrac{\pi}{3},\ \tfrac{\pi}{2},對應的正弦值為 0, 12, 22, 32, 10,\ \tfrac12,\ \tfrac{\sqrt2}{2},\ \tfrac{\sqrt3}{2},\ 1。而 38=0.375\tfrac38 = 0.375 都不是——它落在 00 與 12\tfrac12 之間,比較靠近 12\tfrac12。

  3. 釐清這裡的「精確值」是什麼意思。 沒有任何由有理數開根號組成的式子會等於這個角,所以精確值就是符號本身:

    arcsin⁡ ⁣(38)\arcsin\!\left(\frac{3}{8}\right)

    這不是技巧不夠,而是和 ln⁡2\ln 2 或 2\sqrt2 本身就已經是精確答案,屬於同一種意思。

  4. 計算十進位值。 用馬克勞林級數 arcsin⁡u=u+u36+3u540+15u7336+⋯\arcsin u = u + \tfrac{u^3}{6} + \tfrac{3u^5}{40} + \tfrac{15u^7}{336} + \cdots,代入 u=0.375u = 0.375:0.375+0.008789+0.000556+0.000047+0.000004=0.3843960.375 + 0.008789 + 0.000556 + 0.000047 + 0.000004 = 0.384396,再把後面的項加進去會推到

    arcsin⁡(0.375)≈0.3843968 弧度\arcsin(0.375) \approx 0.3843968\ \text{弧度}

  5. 換算成度並檢查。 乘上 180π\tfrac{180}{\pi}:

    0.3843968×57.295780≈22.0243∘0.3843968 \times 57.295780 \approx 22.0243^{\circ}

    合理性檢查:sin⁡(22.0243∘)=0.375000\sin(22.0243^{\circ}) = 0.375000,而且 22.0243∘22.0243^{\circ} 略小於正弦值達到 0.50.5 的 30∘30^{\circ},很合理。

Answer

arcsin⁡(0.375)=arcsin⁡ ⁣(38)≈0.384397 弧度≈22.0243∘\arcsin(0.375) = \arcsin\!\left(\tfrac{3}{8}\right) \approx 0.384397\ \text{弧度} \approx 22.0243^{\circ}

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