Элементы истории математики при преподавании темы "Тригонометрия" в общеобразовательной школе

«XV. Если в каком-либо сферическом треугольнике даны три стороны, то можно найти и углы.»

«XVI. Если в каком-либо сферическом треугольнике даны три угла, то можно найти стороны.»

Полная аналогия между этими двумя предложениями указывает на то, что Виету была совершенно ясна связь между обеими теоремами косинусов и, весьма возможно, он знал, что вторая из них может быть получена из перво

й с помощью полярного треугольника. Он вывел среди многих других тригонометрических формул, выражения для синусов и косинусов кратных дуг. С тех пор установление связей между тригонометрией и алгеброй посредством взаимных интерпретаций прочно вошло в практику математических исследований.

Следующий этап обогащения содержания тригонометрии состоял в установлении более общей трактовки тригонометрических функций на базе математического анализа. Содержание тригонометрии, равно как и средства ее аналитического выражения, достигли состояния, близкого к современному, более 200 лет тому назад, во второй половине XVIII в. Сущность произведенных в то время преобразований состояла в радикальной перестройке тригонометрии на алгебраическо-аналитической основе, позволяющей ей сделаться важной частью математического анализа. Решающая роль в этом принадлежит Леонарду Эйлеру (1707—1783).

Свой современный вид сферическая тригонометрия, как и тригонометрия, приняла в трудах великого Леонарда Эйлера, уроженца Базеля, работавшего в Петербурге и Берлине. Если до Эйлера тригонометрия имела дело со значениями тригонометрических функций, то тригонометрия Эйлера имеет дело с тригонометрическими функциями, которые он связал с помощью известной формулы, носящей его имя, с экспоненциальной функцией благодаря этому из тригонометрических формул исчез sinus totus полный (наибольший) синус, т. е. радиус круга, место которого в этих формулах теперь заняла единица. Он создал тригонометрию как науку о функциях, дал ей аналитическое выражение.

Эйлеру принадлежит мысль рассматривать тригонометрические функции как безмерные числа, называя их общим термином: «трансцендентные количества, получающиеся из круга». Эйлер ввел в тригонометрию символику, практически совпадающую с привычной для нас, получил ряд новых соотношений, установил связь тригонометрических функций с показательными, дал правило знаков функций для всех четвертей, получил обобщенную формулу приведения и освободил тригонометрию от многих ошибок, которые допускались почти во всех европейских учебниках математики (тупые углы не имеют функций и т.п.). Тем самым в развитии тригонометрии был сделан очень важный шаг. Тригонометрические функции оказались просто одним из классов аналитических функций.

Примерно в то же время, в 1770 г., появился и удержался до нашего времени термин «тригонометрические функции». Его ввел Г.С. Клюгель в работе «Аналитическая тригонометрия» Эти функции сразу получили широкое применение и стали важной частью аппарата математического анализа. Почти одновременно тригонометрия стала применяться в традиционной области ее использования, в геометрии. Таким образом, к XIX в. тригонометрия, не теряя теоретической целостности, приобрела разнообразные интерпретации, проникла во многие разделы математики.

В современной структуре математических наук тригонометрия определяется как та их часть, где исследуют один из классов аналитических функций, называемых тригонометрическими, а также их приложения. Эти функции чаще всего вводятся с помощью специальной конструкции - порождающей окружности. В качестве своих аргументов они могут иметь как действительные, так и комплексные величины, что придает им высокую степень общности. Их специфические свойства: периодичность, четность или нечетность и др. позволяют с помощью формул (например, формул приведения) существенно упрощать и облегчать операции с ними.

Проблема преподавания тригонометрии, как и математики в целом, могла быть решена лишь при условии освоения достижений мировой математической науки. В России этому немало способствовал Л. Эйлер, являясь почетным членом Санкт- Петербургской Академии Наук. Тригонометрические исследования Эйлера явились основой первого русского учебника по тригонометрии, коим являлась книга М.Е. Головина «Плоская и сферическая тригонометрия с алгебраическими доказательствами» (1789г.).

Однако согласно программам 1804г., которые своим названием «Математика чистая и прикладная, и физика» подчеркивали направление преподавания, перед тригонометрией ставилась определенная цель - решение треугольников. Ярым противником формальной школы был М.В. Остроградский. В своем конспекте по тригонометрии он выступает как сторонник определения тригонометрических функций на первом этапе их изучения как отношения сторон в прямоугольном треугольнике, но с последующим обобщением их определения и распространением его на углы любой величины.

Реформы графа Д. Толстого (см. приложение) отражаются и на изложении тригонометрии. 3-е издание учебника Ф. Семашко появляется в 1886 г., в момент рассвета «толстовской» школы. В предисловии автор пишет: «В настоящее время программы всех учебных заведений требуют рассмотрения тригонометрических величин из круга; согласно этим программам я переделал теоретическую часть науки». Комиссия преподавателей средних школ высказалась по этому вопросу следующим образом:

«1. В курсе тригонометрии необходимо изучать теорию круговых функций с применением ее к решению треугольников; ни в коем случае не ограничивать курс решением треугольников.

2. Приложения тригонометрии к геодезии не считать необходимым».

Министерство народного просвещения очень быстро откликнулось на это постановление. Но, таким образом, тригонометрия вступила на путь формального изложения, которое характеризуется следующими особенностями: отсутствием пропедевтического курса; определением тригонометрических функций как отношений «тригонометрических линий» к радиусу; недостаточным использованием понятия функциональной зависимости и, в частности, изучением изменений тригонометрических функций в без применения их графиков неудовлетворительным развитием теории функций.

Под влиянием общественного мнения в 1906 г. изменена программа курса тригонометрии, основная идея которой используется и в наши дни. Тригонометрия была разделена на два концентра. Первый концентр (6 кл.) содержал материал, необходимый для решения прямоугольных и косоугольных треугольников с помощью таблиц тригонометрических величин. Второй концентр (7 кл.) давал теорию гониометрических функций (включая понятия об обратных функциях), тригонометрические уравнения и неравенства, необходимые для приближенного вычисления значений тригонометрических функций.

В связи с построением пропедевтического курса пересматривается вопрос об определениях тригонометрических функций. На первом этапе вводятся определения синуса, косинуса и тангенса через стороны прямоугольного треугольника. Во второй части широко используются графики тригонометрических функций, подробно рассматривается вопрос о вычислении приближенных значений функций и о составлении таблиц. Таким образом, преподавание тригонометрии приобретало новое направление, теоретически более обоснованное и рассчитанное на более широкое использование приложений.