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数学三角函数与三角学:从单位圆到周期模型特殊角、参考角与象限符号

特殊角、参考角与象限符号

前面几章已经把角放进标准位置,也把正弦、余弦、正切放进单位圆。现在要解决一个很实际的问题:遇到 7π6\frac{7\pi}{6}67π​、315∘315^\circ315∘、−5π3-\frac{5\pi}{3}−35π​ 这样的角,能不能不按计算器,直接判断它的三角函数值和符号?

答案是可以。方法不是把整张单位圆硬背下来,而是抓住三件事:特殊角的大小来自两个直角三角形,符号来自单位圆上的坐标,超过一圈或负角先化成同终边角。只要这三件事连起来,大多数常见角都能现场复原。


特殊角来自两个直角三角形

常见特殊角主要是 30∘30^\circ30∘、45∘45^\circ45∘、60∘60^\circ60∘,对应弧度分别是 π6\frac{\pi}{6}6π​、π4\frac{\pi}{4}4π​、π3\frac{\pi}{3}3π​。它们的三角函数值不是凭空规定的,而是来自两个熟悉的直角三角形。

特殊角来自两个三角形,左侧为 30°-60°-90° 直角三角形,边长比为 1、√3、2;右侧为 45°-45°-90° 直角三角形,边长比为 1、1、√2。

图:两类特殊直角三角形给出 π6\frac{\pi}{6}6π​、π4\frac{\pi}{4}4π​、π3\frac{\pi}{3}3π​ 的精确值。

在 30∘30^\circ30∘-60∘60^\circ60∘-90∘90^\circ90∘ 三角形中,三边比例是

1:3:21:\sqrt{3}:21:3​:2

如果把斜边放在单位圆半径上,斜边长度就是 111,所以比例整体除以 222,短直角边变成 12\frac{1}{2}21​,长直角边变成 32\frac{\sqrt{3}}{2}23​​。

因此第一象限中,

sin⁡π6=12,cos⁡π6=32,tan⁡π6=33\sin\frac{\pi}{6}=\frac{1}{2},\quad \cos\frac{\pi}{6}=\frac{\sqrt{3}}{2},\quad \tan\frac{\pi}{6}=\frac{\sqrt{3}}{3}sin6π​=21​,cos6π​=23​​,tan6π​=33​​ sin⁡π3=32,cos⁡π3=12,tan⁡π3=3\sin\frac{\pi}{3}=\frac{\sqrt{3}}{2},\quad \cos\frac{\pi}{3}=\frac{1}{2},\quad \tan\frac{\pi}{3}=\sqrt{3}sin3π​=23​​,cos3π​=21​,tan3π​=3​

在 45∘45^\circ45∘-45∘45^\circ45∘-90∘90^\circ90∘ 三角形中,两条直角边相等,三边比例是

1:1:21:1:\sqrt{2}1:1:2​

把斜边缩放到 111 后,两条直角边都变成 12=22\frac{1}{\sqrt{2}}=\frac{\sqrt{2}}{2}2​1​=22​​,所以

sin⁡π4=cos⁡π4=22,tan⁡π4=1\sin\frac{\pi}{4}=\cos\frac{\pi}{4}=\frac{\sqrt{2}}{2},\quad \tan\frac{\pi}{4}=1sin4π​=cos4π​=22​​,tan4π​=1

特殊角表的核心只有三列:30∘30^\circ30∘、45∘45^\circ45∘、60∘60^\circ60∘。记住它们来自边长比例,就算忘了表,也可以用三角形重新推出来。

把第一象限的特殊值整理成表:

角度弧度sin⁡\sinsincos⁡\coscostan⁡\tantan
30∘30^\circ30∘π6\frac{\pi}{6}6π​12\frac{1}{2}21​32\frac{\sqrt{3}}{2}23​​33\frac{\sqrt{3}}{3}33​​
45∘45^\circ45∘π4\frac{\pi}{4}4π​22\frac{\sqrt{2}}{2}22​​22\frac{\sqrt{2}}{2}22​​111
60∘60^\circ60∘π3\frac{\pi}{3}3π​32\frac{\sqrt{3}}{2}23​​12\frac{1}{2}21​3\sqrt{3}3​

这张表只给第一象限的正值。其他象限的值大小仍然由这些参考角决定,正负号要另外看单位圆坐标。


把特殊角放回单位圆

单位圆上一点的坐标是

(cos⁡θ,sin⁡θ)(\cos\theta,\sin\theta)(cosθ,sinθ)

也就是说,余弦看横坐标,正弦看纵坐标。正切由二者的比值给出:

tan⁡θ=sin⁡θcos⁡θ\tan\theta=\frac{\sin\theta}{\cos\theta}tanθ=cosθsinθ​

特殊角单位圆地图,展示常见特殊角在单位圆上的位置与坐标。

图:特殊角的坐标并不是一张孤立表,而是单位圆上对称分布的点。

观察这张图时,不要从 7π6\frac{7\pi}{6}67π​ 这种角开始背。先看第一象限的三点:

π6→(32,12)\frac{\pi}{6}\rightarrow\left(\frac{\sqrt{3}}{2},\frac{1}{2}\right)6π​→(23​​,21​) π4→(22,22)\frac{\pi}{4}\rightarrow\left(\frac{\sqrt{2}}{2},\frac{\sqrt{2}}{2}\right)4π​→(22​​,22​​) π3→(12,32)\frac{\pi}{3}\rightarrow\left(\frac{1}{2},\frac{\sqrt{3}}{2}\right)3π​→(21​,23​​)

然后再用对称关系复制到其他象限。复制时,绝对值保持不变,只有坐标符号变。

下面的交互可以直接选择特殊角,观察它在单位圆上的终边、坐标和三角函数值。先随便点几个第二、第三、第四象限的角,看看它们是不是都能追溯到第一象限的 30∘30^\circ30∘、45∘45^\circ45∘、60∘60^\circ60∘。

轴上角要单独处理

有些常见角的终边正好落在坐标轴上,例如 000、π2\frac{\pi}{2}2π​、π\piπ、3π2\frac{3\pi}{2}23π​、2π2\pi2π。这些角没有第一象限参考三角形,因为终边没有形成非退化的直角三角形。它们直接从单位圆坐标读取。

例如 π2\frac{\pi}{2}2π​ 对应点 (0,1)(0,1)(0,1),所以

sin⁡π2=1,cos⁡π2=0\sin\frac{\pi}{2}=1,\quad \cos\frac{\pi}{2}=0sin2π​=1,cos2π​=0

但是

tan⁡π2=sin⁡π2cos⁡π2=10\tan\frac{\pi}{2}=\frac{\sin\frac{\pi}{2}}{\cos\frac{\pi}{2}}=\frac{1}{0}tan2π​=cos2π​sin2π​​=01​

分母为 000,所以正切无定义。

参考角只用于终边落在象限内部的角。终边在坐标轴上时,直接读单位圆坐标;不要强行说它的参考角是 000 或 π2\frac{\pi}{2}2π​ 后继续套表。


参考角:把问题拉回第一象限

参考角是角的终边与横轴之间形成的锐角。它总是在 000 到 π2\frac{\pi}{2}2π​ 之间。参考角的作用很直接:先用它找到三角函数值的绝对值,再用象限决定正负号。

四个坐标图展示 150 度、210 度、315 度和 5π/3 的参考角,彩色弧线标出终边到横轴的锐角。

图:参考角始终是终边到横轴的锐角,它把非第一象限问题拉回特殊三角形。

如果角 θ\thetaθ 已经化到 000 到 2π2\pi2π 之间,并且不在坐标轴上,可以这样找参考角 α\alphaα:

终边位置参考角
第一象限α=θ\alpha=\thetaα=θ
第二象限α=π−θ\alpha=\pi-\thetaα=π−θ
第三象限α=θ−π\alpha=\theta-\piα=θ−π
第四象限α=2π−θ\alpha=2\pi-\thetaα=2π−θ

例题:用参考角求值

求 sin⁡7π6\sin\frac{7\pi}{6}sin67π​、cos⁡7π6\cos\frac{7\pi}{6}cos67π​、tan⁡7π6\tan\frac{7\pi}{6}tan67π​。

先判断终边位置。7π6\frac{7\pi}{6}67π​ 比 π\piπ 多 π6\frac{\pi}{6}6π​,所以终边在第三象限。

第三象限的参考角是 7π6−π=π6\frac{7\pi}{6}-\pi=\frac{\pi}{6}67π​−π=6π​。因此三个函数的绝对值来自 π6\frac{\pi}{6}6π​。

第三象限中横坐标和纵坐标都为负,所以 sin⁡\sinsin 和 cos⁡\coscos 都为负;正切是 yx\frac{y}{x}xy​,负数除以负数为正。

因此 sin⁡7π6=−12\sin\frac{7\pi}{6}=-\frac{1}{2}sin67π​=−21​,cos⁡7π6=−32\cos\frac{7\pi}{6}=-\frac{\sqrt{3}}{2}cos67π​=−23​​,tan⁡7π6=33\tan\frac{7\pi}{6}=\frac{\sqrt{3}}{3}tan67π​=33​​。

遇到负角或超过一圈的角,先化成同终边角,再找参考角。下面的工具可以输入度数,也可以输入含 π\piπ 的分数式,观察这个过程。


象限符号来自坐标

很多教材会给象限符号口诀。口诀可以帮忙回忆,但最好先知道它为什么成立。在单位圆中,

sin⁡θ=y,cos⁡θ=x,tan⁡θ=yx\sin\theta=y,\quad \cos\theta=x,\quad \tan\theta=\frac{y}{x}sinθ=y,cosθ=x,tanθ=xy​

所以符号只看点 (x,y)(x,y)(x,y) 在哪个象限。

四象限单位圆坐标图,标出各象限正弦、余弦、正切的正负,并说明正弦等于 y、余弦等于 x、正切等于 y/x。

图:正弦看纵坐标,余弦看横坐标,正切看纵横坐标的比值。

整理成表就是:

象限xxx 符号yyy 符号sin⁡\sinsincos⁡\coscostan⁡\tantan
第一象限+++++++++++++++
第二象限−-−++++++−-−−-−
第三象限−-−−-−−-−−-−+++
第四象限+++−-−−-−+++−-−

判断符号时先问“终边在哪个象限”,再问“我要的是 xxx、yyy,还是 yx\frac{y}{x}xy​”。这样比单独背口诀更稳,也能解释正切为什么在第三象限为正。

例题:先大小,后符号

不使用计算器,求 cos⁡5π6\cos\frac{5\pi}{6}cos65π​。

5π6\frac{5\pi}{6}65π​ 在第二象限,参考角是 π−5π6=π6\pi-\frac{5\pi}{6}=\frac{\pi}{6}π−65π​=6π​。

cos⁡π6=32\cos\frac{\pi}{6}=\frac{\sqrt{3}}{2}cos6π​=23​​,所以原角的余弦绝对值是 32\frac{\sqrt{3}}{2}23​​。

第二象限横坐标为负,余弦看横坐标,所以 cos⁡5π6=−32\cos\frac{5\pi}{6}=-\frac{\sqrt{3}}{2}cos65π​=−23​​。

再看正切:求 tan⁡11π6\tan\frac{11\pi}{6}tan611π​。

11π6\frac{11\pi}{6}611π​ 在第四象限,参考角是 2π−11π6=π62\pi-\frac{11\pi}{6}=\frac{\pi}{6}2π−611π​=6π​。

tan⁡π6=33\tan\frac{\pi}{6}=\frac{\sqrt{3}}{3}tan6π​=33​​。

第四象限中 y<0y<0y<0、x>0x>0x>0,所以 yx<0\frac{y}{x}<0xy​<0,正切为负。

因此 tan⁡11π6=−33\tan\frac{11\pi}{6}=-\frac{\sqrt{3}}{3}tan611π​=−33​​。

下面的训练器会随机给出角和函数。不要直接猜,先在脑中走三步:化到一圈内,找终边位置,按坐标符号判断。


同终边角让特殊值重复出现

三角函数有周期性,是因为单位圆会重复。角 θ\thetaθ 和 θ+2π\theta+2\piθ+2π 终边相同,对应同一个单位圆点,所以正弦、余弦、正切值也相同;正切本身还有更短的周期 π\piπ,但在本章先用 2π2\pi2π 处理所有三角函数最稳。

单位圆上三条不同颜色弧线表示 π/6、13π/6 和 -11π/6 到达同一条第一象限终边,说明同终边角与 θ + 2πk 的周期关系。

图:同终边角相差 2π2\pi2π 的整数倍,终边和单位圆坐标相同。

所有与 θ\thetaθ 同终边的角可以写成

θ+2πk\theta+2\pi kθ+2πk

其中 kkk 是整数。用度数表示时,是

θ+360∘k\theta+360^\circ kθ+360∘k

例题:先化同终边,再求值

求 sin⁡25π6\sin\frac{25\pi}{6}sin625π​。

先减去整圈。因为 2π=12π62\pi=\frac{12\pi}{6}2π=612π​,所以 25π6−12π6=13π6\frac{25\pi}{6}-\frac{12\pi}{6}=\frac{13\pi}{6}625π​−612π​=613π​。

还超过 2π2\pi2π,继续减去一圈:13π6−12π6=π6\frac{13\pi}{6}-\frac{12\pi}{6}=\frac{\pi}{6}613π​−612π​=6π​。

所以 25π6\frac{25\pi}{6}625π​ 与 π6\frac{\pi}{6}6π​ 同终边,正弦值相同。

因此 sin⁡25π6=sin⁡π6=12\sin\frac{25\pi}{6}=\sin\frac{\pi}{6}=\frac{1}{2}sin625π​=sin6π​=21​。

再求 cos⁡(−585∘)\cos(-585^\circ)cos(−585∘)。

负角先加整圈:−585∘+360∘=−225∘-585^\circ+360^\circ=-225^\circ−585∘+360∘=−225∘,仍然是负角,再加一圈得到 135∘135^\circ135∘。

135∘135^\circ135∘ 在第二象限,参考角是 180∘−135∘=45∘180^\circ-135^\circ=45^\circ180∘−135∘=45∘。

cos⁡45∘=22\cos45^\circ=\frac{\sqrt{2}}{2}cos45∘=22​​,第二象限余弦为负。

因此 cos⁡(−585∘)=−22\cos(-585^\circ)=-\frac{\sqrt{2}}{2}cos(−585∘)=−22​​。

化同终边角时,不要改变函数。sin⁡25π6\sin\frac{25\pi}{6}sin625π​ 只是变成 sin⁡π6\sin\frac{\pi}{6}sin6π​,不是把正弦“消掉”。你改变的是输入角的表示,不是函数关系。


对称关系快速换角

单位圆对称关系能把很多角写成“第一象限角的变形”。设第一象限角 θ\thetaθ 对应点

(cos⁡θ,sin⁡θ)=(x,y)(\cos\theta,\sin\theta)=(x,y)(cosθ,sinθ)=(x,y)

那么另外三个常见对称角的坐标是:

π−θ→(−x,y)\pi-\theta\rightarrow(-x,y)π−θ→(−x,y) π+θ→(−x,−y)\pi+\theta\rightarrow(-x,-y)π+θ→(−x,−y) 2π−θ→(x,−y)2\pi-\theta\rightarrow(x,-y)2π−θ→(x,−y)

单位圆上从第一象限角 θ 出发,展示 θ、π-θ、π+θ、2π-θ 四个对称角及其坐标符号变化。

图:关于 yyy 轴、原点、xxx 轴的对称,会改变坐标符号。

把坐标变化翻译成函数,就得到:

sin⁡(π−θ)=sin⁡θ,cos⁡(π−θ)=−cos⁡θ,tan⁡(π−θ)=−tan⁡θ\sin(\pi-\theta)=\sin\theta,\quad \cos(\pi-\theta)=-\cos\theta,\quad \tan(\pi-\theta)=-\tan\thetasin(π−θ)=sinθ,cos(π−θ)=−cosθ,tan(π−θ)=−tanθ sin⁡(π+θ)=−sin⁡θ,cos⁡(π+θ)=−cos⁡θ,tan⁡(π+θ)=tan⁡θ\sin(\pi+\theta)=-\sin\theta,\quad \cos(\pi+\theta)=-\cos\theta,\quad \tan(\pi+\theta)=\tan\thetasin(π+θ)=−sinθ,cos(π+θ)=−cosθ,tan(π+θ)=tanθ sin⁡(2π−θ)=−sin⁡θ,cos⁡(2π−θ)=cos⁡θ,tan⁡(2π−θ)=−tan⁡θ\sin(2\pi-\theta)=-\sin\theta,\quad \cos(2\pi-\theta)=\cos\theta,\quad \tan(2\pi-\theta)=-\tan\thetasin(2π−θ)=−sinθ,cos(2π−θ)=cosθ,tan(2π−θ)=−tanθ

这些关系看起来像公式,其实只是坐标符号变化。例如 5π6=π−π6\frac{5\pi}{6}=\pi-\frac{\pi}{6}65π​=π−6π​,所以

sin⁡5π6=sin⁡π6=12\sin\frac{5\pi}{6}=\sin\frac{\pi}{6}=\frac{1}{2}sin65π​=sin6π​=21​ cos⁡5π6=−cos⁡π6=−32\cos\frac{5\pi}{6}=-\cos\frac{\pi}{6}=-\frac{\sqrt{3}}{2}cos65π​=−cos6π​=−23​​

再如 7π6=π+π6\frac{7\pi}{6}=\pi+\frac{\pi}{6}67π​=π+6π​,所以

tan⁡7π6=tan⁡π6=33\tan\frac{7\pi}{6}=\tan\frac{\pi}{6}=\frac{\sqrt{3}}{3}tan67π​=tan6π​=33​​

综合策略:四步判断法

不靠计算器判断特殊角三角函数值时,可以按这四步走。

先把角化到熟悉范围。如果角超过一圈或是负角,先加减 2π2\pi2π 或 360∘360^\circ360∘,找到同终边角。

判断终边位置。看它在第一、第二、第三、第四象限,还是正好在坐标轴上。

如果在象限内部,找参考角。参考角通常是 π6\frac{\pi}{6}6π​、π4\frac{\pi}{4}4π​、π3\frac{\pi}{3}3π​ 之一,然后用特殊三角形给出绝对值。

最后按坐标符号给正负号。正弦看 yyy,余弦看 xxx,正切看 yx\frac{y}{x}xy​,轴上角还要检查正切是否无定义。

例题:一次处理多个值

不使用计算器,求下面三个值:

sin⁡4π3,cos⁡(−π4),tan⁡3π2\sin\frac{4\pi}{3},\quad \cos\left(-\frac{\pi}{4}\right),\quad \tan\frac{3\pi}{2}sin34π​,cos(−4π​),tan23π​

4π3\frac{4\pi}{3}34π​ 在第三象限,参考角是 4π3−π=π3\frac{4\pi}{3}-\pi=\frac{\pi}{3}34π​−π=3π​。第三象限正弦为负,所以 sin⁡4π3=−32\sin\frac{4\pi}{3}=-\frac{\sqrt{3}}{2}sin34π​=−23​​。

−π4-\frac{\pi}{4}−4π​ 与 7π4\frac{7\pi}{4}47π​ 同终边,在第四象限,参考角是 π4\frac{\pi}{4}4π​。第四象限余弦为正,所以 cos⁡(−π4)=22\cos\left(-\frac{\pi}{4}\right)=\frac{\sqrt{2}}{2}cos(−4π​)=22​​。

3π2\frac{3\pi}{2}23π​ 是轴上角,对应点 (0,−1)(0,-1)(0,−1)。此时 cos⁡3π2=0\cos\frac{3\pi}{2}=0cos23π​=0,所以 tan⁡3π2\tan\frac{3\pi}{2}tan23π​ 无定义。


练习

  1. 不使用计算器,求 sin⁡2π3\sin\frac{2\pi}{3}sin32π​。

参考角是 π3\frac{\pi}{3}3π​,原角在第二象限。第二象限正弦为正,所以 sin⁡2π3=32\sin\frac{2\pi}{3}=\frac{\sqrt{3}}{2}sin32π​=23​​。

  1. 不使用计算器,求 cos⁡5π4\cos\frac{5\pi}{4}cos45π​。

5π4\frac{5\pi}{4}45π​ 在第三象限,参考角是 π4\frac{\pi}{4}4π​。第三象限余弦为负,所以 cos⁡5π4=−22\cos\frac{5\pi}{4}=-\frac{\sqrt{2}}{2}cos45π​=−22​​。

  1. 不使用计算器,求 tan⁡(−2π3)\tan\left(-\frac{2\pi}{3}\right)tan(−32π​)。

−2π3+2π=4π3-\frac{2\pi}{3}+2\pi=\frac{4\pi}{3}−32π​+2π=34π​,终边在第三象限,参考角是 π3\frac{\pi}{3}3π​。第三象限正切为正,所以 tan⁡(−2π3)=3\tan\left(-\frac{2\pi}{3}\right)=\sqrt{3}tan(−32π​)=3​。

  1. 判断 tan⁡π2\tan\frac{\pi}{2}tan2π​ 是否有定义,并说明理由。

π2\frac{\pi}{2}2π​ 对应单位圆点 (0,1)(0,1)(0,1)。因为 tan⁡θ=sin⁡θcos⁡θ\tan\theta=\frac{\sin\theta}{\cos\theta}tanθ=cosθsinθ​,这里 cos⁡π2=0\cos\frac{\pi}{2}=0cos2π​=0,分母为 000,所以 tan⁡π2\tan\frac{\pi}{2}tan2π​ 无定义。

  1. 找出 −11π6-\frac{11\pi}{6}−611π​ 在 000 到 2π2\pi2π 之间的同终边角,并求它的正弦值。

−11π6+2π=−11π6+12π6=π6-\frac{11\pi}{6}+2\pi=-\frac{11\pi}{6}+\frac{12\pi}{6}=\frac{\pi}{6}−611π​+2π=−611π​+612π​=6π​。所以同终边角是 π6\frac{\pi}{6}6π​,正弦值是 12\frac{1}{2}21​。

  1. 用对称关系解释为什么 cos⁡(π−θ)=−cos⁡θ\cos(\pi-\theta)=-\cos\thetacos(π−θ)=−cosθ。

如果第一象限角 θ\thetaθ 对应点 (x,y)(x,y)(x,y),那么 π−θ\pi-\thetaπ−θ 是关于 yyy 轴的对称角,对应点 (−x,y)(-x,y)(−x,y)。余弦是横坐标,所以 cos⁡(π−θ)=−x=−cos⁡θ\cos(\pi-\theta)=-x=-\cos\thetacos(π−θ)=−x=−cosθ。

  1. 不使用计算器,求 sin⁡11π6\sin\frac{11\pi}{6}sin611π​ 和 cos⁡11π6\cos\frac{11\pi}{6}cos611π​。

11π6\frac{11\pi}{6}611π​ 在第四象限,参考角是 π6\frac{\pi}{6}6π​。第四象限正弦为负、余弦为正,所以 sin⁡11π6=−12\sin\frac{11\pi}{6}=-\frac{1}{2}sin611π​=−21​,cos⁡11π6=32\cos\frac{11\pi}{6}=\frac{\sqrt{3}}{2}cos611π​=23​​。

  1. 不使用计算器,求 tan⁡210∘\tan 210^\circtan210∘。

210∘210^\circ210∘ 在第三象限,参考角是 30∘30^\circ30∘。第三象限正切为正,且 tan⁡30∘=33\tan30^\circ=\frac{\sqrt{3}}{3}tan30∘=33​​,所以 tan⁡210∘=33\tan210^\circ=\frac{\sqrt{3}}{3}tan210∘=33​​。

  • 特殊角来自两个直角三角形
  • 把特殊角放回单位圆
    • 轴上角要单独处理
  • 参考角:把问题拉回第一象限
    • 例题:用参考角求值
  • 象限符号来自坐标
    • 例题:先大小,后符号
  • 同终边角让特殊值重复出现
    • 例题:先化同终边,再求值
  • 对称关系快速换角
  • 综合策略:四步判断法
    • 例题:一次处理多个值
  • 练习

目录

  • 特殊角来自两个直角三角形
  • 把特殊角放回单位圆
    • 轴上角要单独处理
  • 参考角:把问题拉回第一象限
    • 例题:用参考角求值
  • 象限符号来自坐标
    • 例题:先大小,后符号
  • 同终边角让特殊值重复出现
    • 例题:先化同终边,再求值
  • 对称关系快速换角
  • 综合策略:四步判断法
    • 例题:一次处理多个值
  • 练习