人教 A 版学生用书不含答案,教师用书与全解不在本站语料里——因此本节习题的解答无官方答案可核,它们是本站写的。每一道都过了独立 verifier 的 refute 优先复核(默认它有问题,找不出问题才放行),但那不等于官方标准答案:拿它对思路,别拿它对分。
本节页面覆盖第 189–194 页,课本习题共 28 道:第 189 页「练习」5 道(课本给 §5.2.1
「三角函数的概念」配的那一组,题面印在本节的首页上)、第 191 页「练习」5 道、
第 191–193 页「习题 5.2」18 道(复习巩固 6 道、综合运用 9 道、拓广探索 3 道)。
其中「习题 5.2」第 17 题不收 ——它问”你能利用同角三角函数的基本关系推导出更多的关系式吗”,
是开放式的探索题,可写的关系式有无穷多条、没有唯一解答。其余 27 道逐题全做 。
下文反复用到的两条基本关系是
sin 2 α + cos 2 α = 1 ( 对一切 α ) , sin α cos α = tan α ( α ≠ π 2 + k π , k ∈ Z ) , \sin^2\alpha + \cos^2\alpha = 1 \quad (\text{对一切 } \alpha), \qquad
\frac{\sin\alpha}{\cos\alpha} = \tan\alpha \quad \left(\alpha \neq \frac{\pi}{2}+k\pi,\ k \in \mathbf{Z}\right), sin 2 α + cos 2 α = 1 ( 对一切 α ) , cos α sin α = tan α ( α = 2 π + k π , k ∈ Z ) ,
以及上一小节的定义与公式一(终边相同的角,同一三角函数值相等)。
每道题先逐字引课本的题面(引用块),再写解答。
练习(第 189 页)第 1 题
填表:
α \alpha α 2 π 2\pi 2 π 13 π 6 \frac{13\pi}{6} 6 13 π − π -\pi − π − 4 π 3 -\frac{4\pi}{3} − 3 4 π 15 π 4 \frac{15\pi}{4} 4 15 π sin α \sin\alpha sin α cos α \cos\alpha cos α tan α \tan\alpha tan α
题面的整张表就在上面的引文里。 这张表在原书里是表格图,最初的 OCR 转写整块丢了
(只剩”1. 填表:“一行),现已照第 189 页扫描图经校订层 page-0189-fix.md 补回规范化转写。
表头一行是五个角,下面三行分别要填 sin α \sin\alpha sin α 、cos α \cos\alpha cos α 、tan α \tan\alpha tan α ,
一共 3 × 5 = 15 3 \times 5 = 15 3 × 5 = 15 个格子。以下解答只用”这五个角”这一条读数,不再另加条件。
(这一组「练习」是课本给 §5.2.1「三角函数的概念」配的,印在第 189 页、也就是本节的首页上,
故收在这一份里。它考的是定义与公式一,同角关系只在末尾当校验用。)
做法统一:先用公式一把角化到 [ 0 , 2 π ) [0, 2\pi) [ 0 , 2 π ) 里,再写出终边与单位圆的交点,照定义读值。
α = 2 π \alpha = 2\pi α = 2 π :2 π = 0 + 2 π 2\pi = 0 + 2\pi 2 π = 0 + 2 π ,终边与 0 0 0 相同,交点 ( 1 , 0 ) (1,0) ( 1 , 0 ) ,
故 sin = 0 \sin = 0 sin = 0 ,cos = 1 \cos = 1 cos = 1 ,tan = 0 1 = 0 \tan = \frac{0}{1} = 0 tan = 1 0 = 0 。
α = 13 π 6 \alpha = \frac{13\pi}{6} α = 6 13 π :13 π 6 = π 6 + 2 π \frac{13\pi}{6} = \frac{\pi}{6} + 2\pi 6 13 π = 6 π + 2 π ,交点 ( 3 2 , 1 2 ) \left(\frac{\sqrt3}{2}, \frac12\right) ( 2 3 , 2 1 ) ,
故 sin = 1 2 \sin = \frac12 sin = 2 1 ,cos = 3 2 \cos = \frac{\sqrt3}{2} cos = 2 3 ,tan = 3 3 \tan = \frac{\sqrt3}{3} tan = 3 3 。
α = − π \alpha = -\pi α = − π :− π = π − 2 π -\pi = \pi - 2\pi − π = π − 2 π ,终边与 π \pi π 相同,交点 ( − 1 , 0 ) (-1, 0) ( − 1 , 0 ) ,
故 sin = 0 \sin = 0 sin = 0 ,cos = − 1 \cos = -1 cos = − 1 ,tan = 0 − 1 = 0 \tan = \frac{0}{-1} = 0 tan = − 1 0 = 0 。
α = − 4 π 3 \alpha = -\frac{4\pi}{3} α = − 3 4 π :− 4 π 3 + 2 π = 2 π 3 -\frac{4\pi}{3} + 2\pi = \frac{2\pi}{3} − 3 4 π + 2 π = 3 2 π ,第二象限,交点 ( − 1 2 , 3 2 ) \left(-\frac12, \frac{\sqrt3}{2}\right) ( − 2 1 , 2 3 ) ,
故 sin = 3 2 \sin = \frac{\sqrt3}{2} sin = 2 3 ,cos = − 1 2 \cos = -\frac12 cos = − 2 1 ,tan = 3 2 − 1 2 = − 3 \tan = \frac{\frac{\sqrt3}{2}}{-\frac12} = -\sqrt3 tan = − 2 1 2 3 = − 3 。
α = 15 π 4 \alpha = \frac{15\pi}{4} α = 4 15 π :15 π 4 − 2 π = 7 π 4 \frac{15\pi}{4} - 2\pi = \frac{7\pi}{4} 4 15 π − 2 π = 4 7 π ,第四象限,交点 ( 2 2 , − 2 2 ) \left(\frac{\sqrt2}{2}, -\frac{\sqrt2}{2}\right) ( 2 2 , − 2 2 ) ,
故 sin = − 2 2 \sin = -\frac{\sqrt2}{2} sin = − 2 2 ,cos = 2 2 \cos = \frac{\sqrt2}{2} cos = 2 2 ,tan = − 1 \tan = -1 tan = − 1 。
填成表就是:
α \alpha α 2 π 2\pi 2 π 13 π 6 \dfrac{13\pi}{6} 6 13 π − π -\pi − π − 4 π 3 -\dfrac{4\pi}{3} − 3 4 π 15 π 4 \dfrac{15\pi}{4} 4 15 π sin α \sin\alpha sin α 0 0 0 1 2 \dfrac12 2 1 0 0 0 3 2 \dfrac{\sqrt3}{2} 2 3 − 2 2 -\dfrac{\sqrt2}{2} − 2 2 cos α \cos\alpha cos α 1 1 1 3 2 \dfrac{\sqrt3}{2} 2 3 − 1 -1 − 1 − 1 2 -\dfrac12 − 2 1 2 2 \dfrac{\sqrt2}{2} 2 2 tan α \tan\alpha tan α 0 0 0 3 3 \dfrac{\sqrt3}{3} 3 3 0 0 0 − 3 -\sqrt3 − 3 − 1 -1 − 1
核一遍平方关系 :每一列的 sin 2 + cos 2 \sin^2+\cos^2 sin 2 + cos 2 依次是 0 + 1 0+1 0 + 1 、1 4 + 3 4 \frac14+\frac34 4 1 + 4 3 、0 + 1 0+1 0 + 1 、
3 4 + 1 4 \frac34+\frac14 4 3 + 4 1 、1 2 + 1 2 \frac12+\frac12 2 1 + 2 1 ,全是 1 1 1 ✓。
练习(第 189 页)第 2 题
2.(口答)设 α \alpha α 是三角形的一个内角,在 sin α , cos α , tan α , tan α 2 \sin \alpha, \cos \alpha, \tan \alpha, \tan \frac{\alpha}{2} sin α , cos α , tan α , tan 2 α 中,哪些有可能取负值?
答案:cos α \cos\alpha cos α 与 tan α \tan\alpha tan α 有可能取负值。
三角形的内角满足 0 < α < π 0 < \alpha < \pi 0 < α < π ,先把这个范围记牢,再逐个判断。
sin α \sin\alpha sin α 不可能为负。 0 < α < π 0<\alpha<\pi 0 < α < π 时终边落在第一或第二象限,或与 y y y 轴正半轴重合,
纵坐标恒为正,故 sin α > 0 \sin\alpha > 0 sin α > 0 。
cos α \cos\alpha cos α 可能为负。 α \alpha α 为钝角(π 2 < α < π \frac{\pi}{2} < \alpha < \pi 2 π < α < π )时终边在第二象限,
横坐标为负,cos α < 0 \cos\alpha<0 cos α < 0 。例如 α = 2 π 3 \alpha = \frac{2\pi}{3} α = 3 2 π 时 cos α = − 1 2 \cos\alpha = -\frac12 cos α = − 2 1 。
tan α \tan\alpha tan α 可能为负。 同样在钝角时 tan α = sin α cos α < 0 \tan\alpha = \frac{\sin\alpha}{\cos\alpha} < 0 tan α = c o s α s i n α < 0
(分子正、分母负)。例如 α = 2 π 3 \alpha = \frac{2\pi}{3} α = 3 2 π 时 tan α = − 3 \tan\alpha = -\sqrt3 tan α = − 3 。
(α = π 2 \alpha = \frac{\pi}{2} α = 2 π 时 tan α \tan\alpha tan α 无意义,不影响”有可能为负”这个结论。)
tan α 2 \tan\frac{\alpha}{2} tan 2 α 不可能为负。 由 0 < α < π 0<\alpha<\pi 0 < α < π 得 0 < α 2 < π 2 0 < \frac{\alpha}{2} < \frac{\pi}{2} 0 < 2 α < 2 π ,
即半角是锐角,终边在第一象限,横、纵坐标都为正,故 tan α 2 > 0 \tan\frac{\alpha}{2} > 0 tan 2 α > 0 。
这道题的关键动作 :先把”三角形内角”翻译成不等式 0 < α < π 0<\alpha<\pi 0 < α < π ,再对每一个式子各自的角
(注意第四个是 α 2 \frac{\alpha}{2} 2 α ,范围要跟着折半)定象限。
练习(第 189 页)第 3 题
3.确定下列三角函数值的符号:(1)sin 156 ∘ \sin 156^{\circ} sin 15 6 ∘ ;(2)cos 16 5 π \cos \frac{16}{5}\pi cos 5 16 π ;(3)cos ( − 450 ∘ ) \cos (-450^{\circ}) cos ( − 45 0 ∘ ) ;(4)tan ( − 17 8 π ) \tan \left(-\frac{17}{8}\pi\right) tan ( − 8 17 π ) ;(5)sin ( − 4 π 3 ) \sin \left(-\frac{4\pi}{3}\right) sin ( − 3 4 π ) ;(6)tan 556 ∘ \tan 556^{\circ} tan 55 6 ∘ .
统一做法:先用公式一化到 [ 0 , 2 π ) [0,2\pi) [ 0 , 2 π ) 或 [ 0 ∘ , 360 ∘ ) [0^\circ,360^\circ) [ 0 ∘ , 36 0 ∘ ) ,判出终边在哪个象限,再按”一全正、二正弦、三正切、四余弦”读符号。
(1) 156 ∘ 156^\circ 15 6 ∘ 在 ( 90 ∘ , 180 ∘ ) (90^\circ, 180^\circ) ( 9 0 ∘ , 18 0 ∘ ) 内,是第二象限角 ,故 sin 156 ∘ > 0 \sin 156^\circ > 0 sin 15 6 ∘ > 0 。
(2) 16 5 π − 2 π = 6 5 π \frac{16}{5}\pi - 2\pi = \frac{6}{5}\pi 5 16 π − 2 π = 5 6 π ,而 π < 6 π 5 < 3 π 2 \pi < \frac{6\pi}{5} < \frac{3\pi}{2} π < 5 6 π < 2 3 π ,
是第三象限角 ,故 cos 16 5 π < 0 \cos\frac{16}{5}\pi < 0 cos 5 16 π < 0 。
(3) − 450 ∘ + 360 ∘ = − 90 ∘ -450^\circ + 360^\circ = -90^\circ − 45 0 ∘ + 36 0 ∘ = − 9 0 ∘ ,终边落在 y y y 轴负半轴 上(不属于任何象限),
交点是 ( 0 , − 1 ) (0,-1) ( 0 , − 1 ) ,横坐标为 0 0 0 ,所以
cos ( − 450 ∘ ) = 0. \cos(-450^\circ) = 0. cos ( − 45 0 ∘ ) = 0.
它既不是正数也不是负数 ——这一小问考的正是”终边落在坐标轴上”这个特例。
(4) − 17 8 π + 2 π = − π 8 -\frac{17}{8}\pi + 2\pi = -\frac{\pi}{8} − 8 17 π + 2 π = − 8 π ,而 − π 2 < − π 8 < 0 -\frac{\pi}{2} < -\frac{\pi}{8} < 0 − 2 π < − 8 π < 0 ,
是第四象限角 ,故 tan ( − 17 8 π ) < 0 \tan\left(-\frac{17}{8}\pi\right) < 0 tan ( − 8 17 π ) < 0 。
(5) − 4 π 3 + 2 π = 2 π 3 -\frac{4\pi}{3} + 2\pi = \frac{2\pi}{3} − 3 4 π + 2 π = 3 2 π ,而 π 2 < 2 π 3 < π \frac{\pi}{2} < \frac{2\pi}{3} < \pi 2 π < 3 2 π < π ,
是第二象限角 ,故 sin ( − 4 π 3 ) > 0 \sin\left(-\frac{4\pi}{3}\right) > 0 sin ( − 3 4 π ) > 0 。
(6) 556 ∘ − 360 ∘ = 196 ∘ 556^\circ - 360^\circ = 196^\circ 55 6 ∘ − 36 0 ∘ = 19 6 ∘ ,而 180 ∘ < 196 ∘ < 270 ∘ 180^\circ < 196^\circ < 270^\circ 18 0 ∘ < 19 6 ∘ < 27 0 ∘ ,
是第三象限角 ,故 tan 556 ∘ > 0 \tan 556^\circ > 0 tan 55 6 ∘ > 0 。
练习(第 189 页)第 4 题
对于 ① sin θ > 0 \sin \theta > 0 sin θ > 0 ,② sin θ < 0 \sin \theta < 0 sin θ < 0 ,③ cos θ > 0 \cos \theta > 0 cos θ > 0 ,④ cos θ < 0 \cos \theta < 0 cos θ < 0 ,⑤ tan θ > 0 \tan \theta > 0 tan θ > 0 与 ⑥ tan θ < 0 \tan \theta < 0 tan θ < 0 ,选择恰当的关系式序号填空:
(1) 角 θ \theta θ 为第一象限角的充要条件是 ____ ;
(2) 角 θ \theta θ 为第二象限角的充要条件是 ____ ;
(3) 角 θ \theta θ 为第三象限角的充要条件是 ____ ;
(4) 角 θ \theta θ 为第四象限角的充要条件是 ____ .
设 θ \theta θ 的终边与单位圆交于 P ( x , y ) P(x,y) P ( x , y ) ,则 sin θ = y \sin\theta = y sin θ = y 、cos θ = x \cos\theta = x cos θ = x 、
tan θ = y x \tan\theta = \frac yx tan θ = x y 。”θ \theta θ 为第 k k k 象限角”就是”x x x 、y y y 的正负按第 k k k 象限”。
答案(各取一对) :
( 1 ) 1 ◯ 3 ◯ , ( 2 ) 1 ◯ 4 ◯ , ( 3 ) 2 ◯ 4 ◯ , ( 4 ) 2 ◯ 3 ◯ . (1)\ \text{\textcircled{1}\textcircled{3}}, \qquad (2)\ \text{\textcircled{1}\textcircled{4}}, \qquad (3)\ \text{\textcircled{2}\textcircled{4}}, \qquad (4)\ \text{\textcircled{2}\textcircled{3}}. ( 1 ) 1 ◯ 3 ◯ , ( 2 ) 1 ◯ 4 ◯ , ( 3 ) 2 ◯ 4 ◯ , ( 4 ) 2 ◯ 3 ◯ .
为什么是充要的 ,以 (1) 为例:θ \theta θ 是第一象限角 ⟺ x > 0 \iff x>0 ⟺ x > 0 且 y > 0 y>0 y > 0
⟺ cos θ > 0 \iff \cos\theta>0 ⟺ cos θ > 0 且 sin θ > 0 \sin\theta>0 sin θ > 0 ,即③与①同时成立。两个方向都由这一串等价直接得到。
(2)(3)(4) 同理:
第二象限 ⟺ x < 0 , y > 0 ⟺ \iff x<0,\ y>0 \iff ⟺ x < 0 , y > 0 ⟺ ④且①;
第三象限 ⟺ x < 0 , y < 0 ⟺ \iff x<0,\ y<0 \iff ⟺ x < 0 , y < 0 ⟺ ④且②;
第四象限 ⟺ x > 0 , y < 0 ⟺ \iff x>0,\ y<0 \iff ⟺ x > 0 , y < 0 ⟺ ③且②。
答案不唯一 :因为 tan θ = y x \tan\theta = \frac yx tan θ = x y 的符号由 x x x 、y y y 是否同号决定,
所以每一问还可以换成含⑤或⑥的写法——
(1) 也可写作①⑤或③⑤;(2) 也可写作①⑥或④⑥;
(3) 也可写作②⑤或④⑤;(4) 也可写作②⑥或③⑥。
但不能只填一个 :单独一条只能把终边限制到两个象限(如②只给出第三或第四象限),
必须两条取交集才是充要条件。
练习(第 189 页)第 5 题
求下列三角函数值(可用计算工具,第(1)题精确到0.0001):
(1) cos 1109 ∘ \cos 1109^{\circ} cos 110 9 ∘ ; (2) tan 19 π 3 \tan \frac{19\pi}{3} tan 3 19 π ; (3) sin ( − 1050 ∘ ) \sin(-1050^{\circ}) sin ( − 105 0 ∘ ) ; (4) tan ( − 31 π 4 ) \tan\left(-\frac{31\pi}{4}\right) tan ( − 4 31 π ) .
统一做法:用公式一减去(或加上)整数个周期,把角化到熟悉的范围内再算。
(1) 1109 ∘ − 3 × 360 ∘ = 1109 ∘ − 1080 ∘ = 29 ∘ 1109^\circ - 3 \times 360^\circ = 1109^\circ - 1080^\circ = 29^\circ 110 9 ∘ − 3 × 36 0 ∘ = 110 9 ∘ − 108 0 ∘ = 2 9 ∘ ,故
cos 1109 ∘ = cos 29 ∘ ≈ 0.8746. \cos 1109^\circ = \cos 29^\circ \approx 0.8746. cos 110 9 ∘ = cos 2 9 ∘ ≈ 0.8746.
(29 ∘ 29^\circ 2 9 ∘ 不是特殊角,按题目要求用计算工具,精确到 0.0001 0.0001 0.0001 。)
(2) 19 π 3 − 6 π = 19 π 3 − 18 π 3 = π 3 \frac{19\pi}{3} - 6\pi = \frac{19\pi}{3} - \frac{18\pi}{3} = \frac{\pi}{3} 3 19 π − 6 π = 3 19 π − 3 18 π = 3 π ,故
tan 19 π 3 = tan π 3 = 3 . \tan\frac{19\pi}{3} = \tan\frac{\pi}{3} = \sqrt3. tan 3 19 π = tan 3 π = 3 .
(3) − 1050 ∘ + 3 × 360 ∘ = − 1050 ∘ + 1080 ∘ = 30 ∘ -1050^\circ + 3 \times 360^\circ = -1050^\circ + 1080^\circ = 30^\circ − 105 0 ∘ + 3 × 36 0 ∘ = − 105 0 ∘ + 108 0 ∘ = 3 0 ∘ ,故
sin ( − 1050 ∘ ) = sin 30 ∘ = 1 2 . \sin(-1050^\circ) = \sin 30^\circ = \frac12. sin ( − 105 0 ∘ ) = sin 3 0 ∘ = 2 1 .
(4) − 31 π 4 + 8 π = − 31 π 4 + 32 π 4 = π 4 -\frac{31\pi}{4} + 8\pi = -\frac{31\pi}{4} + \frac{32\pi}{4} = \frac{\pi}{4} − 4 31 π + 8 π = − 4 31 π + 4 32 π = 4 π ,故
tan ( − 31 π 4 ) = tan π 4 = 1. \tan\left(-\frac{31\pi}{4}\right) = \tan\frac{\pi}{4} = 1. tan ( − 4 31 π ) = tan 4 π = 1.
减几个周期怎么定 :用角除以 2 π 2\pi 2 π (或 360 ∘ 360^\circ 36 0 ∘ )取整即可。第 (4) 问要加 4 4 4 个周期
(8 π 8\pi 8 π )才化到第一象限,少加一个就落到 − 7 π 4 -\frac{7\pi}{4} − 4 7 π ,虽然终边相同、结果一样,
但不如化到 π 4 \frac{\pi}{4} 4 π 直观。
练习(第 191 页)第 1 题
已知 cos α = − 4 5 \cos \alpha = -\frac{4}{5} cos α = − 5 4 ,且 α \alpha α 为第三象限角,求 sin α \sin \alpha sin α ,tan α \tan \alpha tan α 的值.
象限题目已经给了,直接进第二步。
由平方关系 sin 2 α = 1 − cos 2 α = 1 − ( − 4 5 ) 2 = 1 − 16 25 = 9 25 \sin^2\alpha = 1 - \cos^2\alpha = 1 - \left(-\frac45\right)^2 = 1 - \frac{16}{25} = \frac{9}{25} sin 2 α = 1 − cos 2 α = 1 − ( − 5 4 ) 2 = 1 − 25 16 = 25 9 ,
故 sin α = ± 3 5 \sin\alpha = \pm\frac35 sin α = ± 5 3 。
定号 :α \alpha α 是第三象限角,终边上点的纵坐标为负,故 sin α < 0 \sin\alpha < 0 sin α < 0 ,取
sin α = − 3 5 . \sin\alpha = -\frac35. sin α = − 5 3 .
再由商数关系(cos α = − 4 5 ≠ 0 \cos\alpha = -\frac45 \neq 0 cos α = − 5 4 = 0 ,可用):
tan α = sin α cos α = − 3 5 − 4 5 = 3 4 . \tan\alpha = \frac{\sin\alpha}{\cos\alpha} = \frac{-\frac35}{-\frac45} = \frac34. tan α = c o s α s i n α = − 5 4 − 5 3 = 4 3 .
核一遍 :( − 3 5 ) 2 + ( − 4 5 ) 2 = 9 25 + 16 25 = 1 \left(-\frac35\right)^2 + \left(-\frac45\right)^2 = \frac{9}{25}+\frac{16}{25} = 1 ( − 5 3 ) 2 + ( − 5 4 ) 2 = 25 9 + 25 16 = 1 ✓;
第三象限里 tan > 0 \tan>0 tan > 0 ,而算得 3 4 > 0 \frac34>0 4 3 > 0 ✓。
练习(第 191 页)第 2 题
已知 tan φ = − 3 \tan \varphi = -\sqrt{3} tan φ = − 3 ,求 sin φ , cos φ \sin \varphi, \cos \varphi sin φ , cos φ 的值.
第一步:定象限。 tan φ = − 3 < 0 \tan\varphi = -\sqrt3 < 0 tan φ = − 3 < 0 ,即 y x < 0 \frac{y}{x}<0 x y < 0 ,x x x 与 y y y 异号,
所以 φ \varphi φ 是第二象限角或第四象限角 ——必须分两类 。
第二步:联立求解。 由商数关系 sin φ = tan φ cos φ = − 3 cos φ \sin\varphi = \tan\varphi\cos\varphi = -\sqrt3\cos\varphi sin φ = tan φ cos φ = − 3 cos φ ,
代入平方关系:
( − 3 cos φ ) 2 + cos 2 φ = 1 ⟹ 4 cos 2 φ = 1 ⟹ cos 2 φ = 1 4 , (-\sqrt3\cos\varphi)^2 + \cos^2\varphi = 1 \quad \Longrightarrow \quad 4\cos^2\varphi = 1
\quad \Longrightarrow \quad \cos^2\varphi = \frac14, ( − 3 cos φ ) 2 + cos 2 φ = 1 ⟹ 4 cos 2 φ = 1 ⟹ cos 2 φ = 4 1 ,
故 cos φ = ± 1 2 \cos\varphi = \pm\frac12 cos φ = ± 2 1 。
第三步:按象限定号。
φ \varphi φ 是第二象限角时 :cos φ < 0 \cos\varphi<0 cos φ < 0 ,取 cos φ = − 1 2 \cos\varphi = -\frac12 cos φ = − 2 1 ,
于是 sin φ = − 3 × ( − 1 2 ) = 3 2 \sin\varphi = -\sqrt3 \times \left(-\frac12\right) = \frac{\sqrt3}{2} sin φ = − 3 × ( − 2 1 ) = 2 3 。
核一下:sin > 0 \sin>0 sin > 0 、cos < 0 \cos<0 cos < 0 ,与第二象限相符 ✓。
φ \varphi φ 是第四象限角时 :cos φ > 0 \cos\varphi>0 cos φ > 0 ,取 cos φ = 1 2 \cos\varphi = \frac12 cos φ = 2 1 ,
于是 sin φ = − 3 × 1 2 = − 3 2 \sin\varphi = -\sqrt3 \times \frac12 = -\frac{\sqrt3}{2} sin φ = − 3 × 2 1 = − 2 3 。
核一下:sin < 0 \sin<0 sin < 0 、cos > 0 \cos>0 cos > 0 ,与第四象限相符 ✓。
答案 :
sin φ = 3 2 , cos φ = − 1 2 或 sin φ = − 3 2 , cos φ = 1 2 . \sin\varphi = \frac{\sqrt3}{2},\ \cos\varphi = -\frac12 \quad\text{或}\quad
\sin\varphi = -\frac{\sqrt3}{2},\ \cos\varphi = \frac12. sin φ = 2 3 , cos φ = − 2 1 或 sin φ = − 2 3 , cos φ = 2 1 .
两组都要写 ——只给一组就是漏了一半。
练习(第 191 页)第 3 题
已知 sin θ = 0.35 \sin \theta = 0.35 sin θ = 0.35 ,求 cos θ \cos \theta cos θ ,tan θ \tan \theta tan θ 的值(精确到 0.01).
第一步:定象限。 sin θ = 0.35 > 0 \sin\theta = 0.35 > 0 sin θ = 0.35 > 0 ,纵坐标为正,故 θ \theta θ 是第一象限角或第二象限角
(sin θ = 0.35 ≠ 1 \sin\theta = 0.35 \neq 1 sin θ = 0.35 = 1 ,所以终边不会落在 y y y 轴正半轴上)。分两类。
第二步:用平方关系。
cos 2 θ = 1 − sin 2 θ = 1 − 0.35 2 = 1 − 0.1225 = 0.8775 , \cos^2\theta = 1 - \sin^2\theta = 1 - 0.35^2 = 1 - 0.1225 = 0.8775, cos 2 θ = 1 − sin 2 θ = 1 − 0.3 5 2 = 1 − 0.1225 = 0.8775 ,
故 cos θ = ± 0.8775 ≈ ± 0.9368 \cos\theta = \pm\sqrt{0.8775} \approx \pm 0.9368 cos θ = ± 0.8775 ≈ ± 0.9368 。
第三步:分类定号并求 tan θ \tan\theta tan θ 。
第一象限 :cos θ ≈ 0.9368 ≈ 0.94 \cos\theta \approx 0.9368 \approx 0.94 cos θ ≈ 0.9368 ≈ 0.94 ,
tan θ = sin θ cos θ ≈ 0.35 0.9368 ≈ 0.3736 ≈ 0.37. \tan\theta = \frac{\sin\theta}{\cos\theta} \approx \frac{0.35}{0.9368} \approx 0.3736 \approx 0.37. tan θ = c o s θ s i n θ ≈ 0.9368 0.35 ≈ 0.3736 ≈ 0.37.
第二象限 :cos θ ≈ − 0.9368 ≈ − 0.94 \cos\theta \approx -0.9368 \approx -0.94 cos θ ≈ − 0.9368 ≈ − 0.94 ,
tan θ ≈ 0.35 − 0.9368 ≈ − 0.37. \tan\theta \approx \frac{0.35}{-0.9368} \approx -0.37. tan θ ≈ − 0.9368 0.35 ≈ − 0.37.
答案(精确到 0.01 0.01 0.01 ) :cos θ ≈ 0.94 \cos\theta \approx 0.94 cos θ ≈ 0.94 、tan θ ≈ 0.37 \tan\theta \approx 0.37 tan θ ≈ 0.37 ,
或 cos θ ≈ − 0.94 \cos\theta \approx -0.94 cos θ ≈ − 0.94 、tan θ ≈ − 0.37 \tan\theta \approx -0.37 tan θ ≈ − 0.37 。
注意求 tan θ \tan\theta tan θ 时用的是未取整的 0.9368 0.9368 0.9368 :若先把 cos θ \cos\theta cos θ 取成 0.94 0.94 0.94 再去除,
得 0.35 / 0.94 ≈ 0.3723 0.35/0.94 \approx 0.3723 0.35/0.94 ≈ 0.3723 ,四舍五入仍是 0.37 0.37 0.37 ,本题没差别;但养成”中间量多留几位”的习惯 ,
换一道题就可能差在末位上。
练习(第 191 页)第 4 题
化简:
(1) cos θ tan θ ; \cos \theta \tan \theta; cos θ tan θ ;
2 cos 2 α − 1 1 − 2 sin 2 α ; \frac {2 \cos^ {2} \alpha - 1}{1 - 2 \sin^ {2} \alpha}; 1 − 2 s i n 2 α 2 c o s 2 α − 1 ;
(3) ( 1 + tan 2 α ) cos 2 α (1 + \tan^2\alpha)\cos^2\alpha ( 1 + tan 2 α ) cos 2 α .
(题面里第二个式子的编号”(2)“在转写中掉了,按课本它是第 (2) 小问。)
三小问都按”切化弦 + 用 1 = sin 2 + cos 2 1 = \sin^2+\cos^2 1 = sin 2 + cos 2 “两个方向走。
(1) 出现 tan \tan tan ,先切化弦(此处要求 cos θ ≠ 0 \cos\theta \neq 0 cos θ = 0 ,否则 tan θ \tan\theta tan θ 无意义):
cos θ tan θ = cos θ ⋅ sin θ cos θ = sin θ . \cos\theta\tan\theta = \cos\theta \cdot \frac{\sin\theta}{\cos\theta} = \sin\theta. cos θ tan θ = cos θ ⋅ c o s θ s i n θ = sin θ .
(2) 分子、分母里各有一个孤零零的 1 1 1 ,把它换成 sin 2 α + cos 2 α \sin^2\alpha+\cos^2\alpha sin 2 α + cos 2 α :
2 cos 2 α − 1 = 2 cos 2 α − ( sin 2 α + cos 2 α ) = cos 2 α − sin 2 α ; 2\cos^2\alpha - 1 = 2\cos^2\alpha - (\sin^2\alpha+\cos^2\alpha) = \cos^2\alpha - \sin^2\alpha; 2 cos 2 α − 1 = 2 cos 2 α − ( sin 2 α + cos 2 α ) = cos 2 α − sin 2 α ;
1 − 2 sin 2 α = ( sin 2 α + cos 2 α ) − 2 sin 2 α = cos 2 α − sin 2 α . 1 - 2\sin^2\alpha = (\sin^2\alpha+\cos^2\alpha) - 2\sin^2\alpha = \cos^2\alpha - \sin^2\alpha. 1 − 2 sin 2 α = ( sin 2 α + cos 2 α ) − 2 sin 2 α = cos 2 α − sin 2 α .
分子与分母是同一个式子 ,故(在分母不为零即 cos 2 α ≠ sin 2 α \cos^2\alpha \neq \sin^2\alpha cos 2 α = sin 2 α 时)
2 cos 2 α − 1 1 − 2 sin 2 α = 1. \frac{2\cos^2\alpha-1}{1-2\sin^2\alpha} = 1. 1 − 2 s i n 2 α 2 c o s 2 α − 1 = 1.
(3) 先切化弦(要求 cos α ≠ 0 \cos\alpha \neq 0 cos α = 0 ),再用平方关系:
( 1 + tan 2 α ) cos 2 α = ( 1 + sin 2 α cos 2 α ) cos 2 α = cos 2 α + sin 2 α = 1. (1+\tan^2\alpha)\cos^2\alpha = \left(1 + \frac{\sin^2\alpha}{\cos^2\alpha}\right)\cos^2\alpha
= \cos^2\alpha + \sin^2\alpha = 1. ( 1 + tan 2 α ) cos 2 α = ( 1 + cos 2 α sin 2 α ) cos 2 α = cos 2 α + sin 2 α = 1.
顺带记住 (3) 的副产品 :由它可得 1 + tan 2 α = 1 cos 2 α 1+\tan^2\alpha = \frac{1}{\cos^2\alpha} 1 + tan 2 α = c o s 2 α 1 ,
这是”已知 tan \tan tan 求 cos \cos cos “最快的一条路。
练习(第 191 页)第 5 题
求证:sin 4 α + sin 2 α cos 2 α + cos 2 α = 1 \sin^4\alpha + \sin^2\alpha \cos^2\alpha + \cos^2\alpha = 1 sin 4 α + sin 2 α cos 2 α + cos 2 α = 1 .
从左边推到右边。左边前两项有公因式 sin 2 α \sin^2\alpha sin 2 α ,提出来:
sin 4 α + sin 2 α cos 2 α + cos 2 α = sin 2 α ( sin 2 α + cos 2 α ) + cos 2 α . \sin^4\alpha + \sin^2\alpha\cos^2\alpha + \cos^2\alpha
= \sin^2\alpha\left(\sin^2\alpha + \cos^2\alpha\right) + \cos^2\alpha. sin 4 α + sin 2 α cos 2 α + cos 2 α = sin 2 α ( sin 2 α + cos 2 α ) + cos 2 α .
由平方关系,括号里等于 1 1 1 ,故上式
= sin 2 α ⋅ 1 + cos 2 α = sin 2 α + cos 2 α = 1 = 右边 . = \sin^2\alpha \cdot 1 + \cos^2\alpha = \sin^2\alpha + \cos^2\alpha = 1 = \text{右边}. = sin 2 α ⋅ 1 + cos 2 α = sin 2 α + cos 2 α = 1 = 右边 .
等式对一切实数 α \alpha α 成立(全程只用了平方关系,没有除法,也没有用到 tan \tan tan )。
这道题的关键动作:看到 sin 4 \sin^4 sin 4 就找公因式 sin 2 \sin^2 sin 2 ,提完之后括号里往往正好是 sin 2 + cos 2 \sin^2+\cos^2 sin 2 + cos 2 。
习题 5.2 第 1 题
用定义法、公式一求下列角的三个三角函数值(可用计算工具):
(1) − 17 π 3 -\frac{17\pi}{3} − 3 17 π ; (2) 21 π 4 \frac{21\pi}{4} 4 21 π ; (3) − 23 π 6 -\frac{23\pi}{6} − 6 23 π ; (4) 1500 ∘ 1500^{\circ} 150 0 ∘ .
统一做法:公式一化到 [ 0 , 2 π ) [0,2\pi) [ 0 , 2 π ) ,写出终边与单位圆的交点,照定义读三个值。
(1) − 17 π 3 + 6 π = − 17 π 3 + 18 π 3 = π 3 -\frac{17\pi}{3} + 6\pi = -\frac{17\pi}{3} + \frac{18\pi}{3} = \frac{\pi}{3} − 3 17 π + 6 π = − 3 17 π + 3 18 π = 3 π ,
交点 ( 1 2 , 3 2 ) \left(\frac12, \frac{\sqrt3}{2}\right) ( 2 1 , 2 3 ) :
sin ( − 17 π 3 ) = 3 2 , cos ( − 17 π 3 ) = 1 2 , tan ( − 17 π 3 ) = 3 . \sin\left(-\frac{17\pi}{3}\right) = \frac{\sqrt3}{2}, \quad
\cos\left(-\frac{17\pi}{3}\right) = \frac12, \quad
\tan\left(-\frac{17\pi}{3}\right) = \sqrt3. sin ( − 3 17 π ) = 2 3 , cos ( − 3 17 π ) = 2 1 , tan ( − 3 17 π ) = 3 .
(2) 21 π 4 − 4 π = 21 π 4 − 16 π 4 = 5 π 4 \frac{21\pi}{4} - 4\pi = \frac{21\pi}{4} - \frac{16\pi}{4} = \frac{5\pi}{4} 4 21 π − 4 π = 4 21 π − 4 16 π = 4 5 π (第三象限),
交点 ( − 2 2 , − 2 2 ) \left(-\frac{\sqrt2}{2}, -\frac{\sqrt2}{2}\right) ( − 2 2 , − 2 2 ) :
sin 21 π 4 = − 2 2 , cos 21 π 4 = − 2 2 , tan 21 π 4 = 1. \sin\frac{21\pi}{4} = -\frac{\sqrt2}{2}, \quad
\cos\frac{21\pi}{4} = -\frac{\sqrt2}{2}, \quad
\tan\frac{21\pi}{4} = 1. sin 4 21 π = − 2 2 , cos 4 21 π = − 2 2 , tan 4 21 π = 1.
(3) − 23 π 6 + 4 π = − 23 π 6 + 24 π 6 = π 6 -\frac{23\pi}{6} + 4\pi = -\frac{23\pi}{6} + \frac{24\pi}{6} = \frac{\pi}{6} − 6 23 π + 4 π = − 6 23 π + 6 24 π = 6 π ,
交点 ( 3 2 , 1 2 ) \left(\frac{\sqrt3}{2}, \frac12\right) ( 2 3 , 2 1 ) :
sin ( − 23 π 6 ) = 1 2 , cos ( − 23 π 6 ) = 3 2 , tan ( − 23 π 6 ) = 3 3 . \sin\left(-\frac{23\pi}{6}\right) = \frac12, \quad
\cos\left(-\frac{23\pi}{6}\right) = \frac{\sqrt3}{2}, \quad
\tan\left(-\frac{23\pi}{6}\right) = \frac{\sqrt3}{3}. sin ( − 6 23 π ) = 2 1 , cos ( − 6 23 π ) = 2 3 , tan ( − 6 23 π ) = 3 3 .
(4) 1500 ∘ − 4 × 360 ∘ = 1500 ∘ − 1440 ∘ = 60 ∘ 1500^\circ - 4 \times 360^\circ = 1500^\circ - 1440^\circ = 60^\circ 150 0 ∘ − 4 × 36 0 ∘ = 150 0 ∘ − 144 0 ∘ = 6 0 ∘ ,
交点 ( 1 2 , 3 2 ) \left(\frac12, \frac{\sqrt3}{2}\right) ( 2 1 , 2 3 ) :
sin 1500 ∘ = 3 2 , cos 1500 ∘ = 1 2 , tan 1500 ∘ = 3 . \sin 1500^\circ = \frac{\sqrt3}{2}, \quad \cos 1500^\circ = \frac12, \quad \tan 1500^\circ = \sqrt3. sin 150 0 ∘ = 2 3 , cos 150 0 ∘ = 2 1 , tan 150 0 ∘ = 3 .
核一遍 :四小问的 sin 2 + cos 2 \sin^2+\cos^2 sin 2 + cos 2 依次是 3 4 + 1 4 \frac34+\frac14 4 3 + 4 1 、1 2 + 1 2 \frac12+\frac12 2 1 + 2 1 、
1 4 + 3 4 \frac14+\frac34 4 1 + 4 3 、3 4 + 1 4 \frac34+\frac14 4 3 + 4 1 ,全是 1 1 1 ✓。
习题 5.2 第 2 题
已知角 α \alpha α 的终边上有一点 P P P 的坐标是 ( 3 a , 4 a ) (3a, 4a) ( 3 a , 4 a ) ,其中 a ≠ 0 a \neq 0 a = 0 ,求 sin α , cos α , tan α \sin \alpha, \cos \alpha, \tan \alpha sin α , cos α , tan α 的值.
用终边上一点的公式,先算 r = ∣ O P ∣ r = |OP| r = ∣ O P ∣ :
r = ( 3 a ) 2 + ( 4 a ) 2 = 9 a 2 + 16 a 2 = 25 a 2 = 5 ∣ a ∣ . r = \sqrt{(3a)^2 + (4a)^2} = \sqrt{9a^2+16a^2} = \sqrt{25a^2} = 5|a|. r = ( 3 a ) 2 + ( 4 a ) 2 = 9 a 2 + 16 a 2 = 25 a 2 = 5∣ a ∣.
注意这里必须写绝对值 :a 2 = ∣ a ∣ \sqrt{a^2} = |a| a 2 = ∣ a ∣ ,而 a a a 的正负题目没给,所以要分两类 。
情形一:a > 0 a > 0 a > 0 。 此时 ∣ a ∣ = a |a| = a ∣ a ∣ = a ,r = 5 a r = 5a r = 5 a ,且 P ( 3 a , 4 a ) P(3a,4a) P ( 3 a , 4 a ) 的两个坐标都为正,α \alpha α 是第一象限角。
sin α = 4 a 5 a = 4 5 , cos α = 3 a 5 a = 3 5 , tan α = 4 a 3 a = 4 3 . \sin\alpha = \frac{4a}{5a} = \frac45, \qquad \cos\alpha = \frac{3a}{5a} = \frac35, \qquad
\tan\alpha = \frac{4a}{3a} = \frac43. sin α = 5 a 4 a = 5 4 , cos α = 5 a 3 a = 5 3 , tan α = 3 a 4 a = 3 4 .
情形二:a < 0 a < 0 a < 0 。 此时 ∣ a ∣ = − a |a| = -a ∣ a ∣ = − a ,r = − 5 a r = -5a r = − 5 a (这是一个正数),
且 P P P 的两个坐标都为负,α \alpha α 是第三象限角。
sin α = 4 a − 5 a = − 4 5 , cos α = 3 a − 5 a = − 3 5 , tan α = 4 a 3 a = 4 3 . \sin\alpha = \frac{4a}{-5a} = -\frac45, \qquad \cos\alpha = \frac{3a}{-5a} = -\frac35, \qquad
\tan\alpha = \frac{4a}{3a} = \frac43. sin α = − 5 a 4 a = − 5 4 , cos α = − 5 a 3 a = − 5 3 , tan α = 3 a 4 a = 3 4 .
两种情形下 tan α \tan\alpha tan α 都是 4 3 \frac43 3 4 ,因为 tan α = y x \tan\alpha = \frac yx tan α = x y 里 a a a 自动约掉,
与 r r r 无关;而 sin \sin sin 、cos \cos cos 要除以 r r r ,就带上了 a a a 的符号。
这道题考的就是 a 2 = ∣ a ∣ \sqrt{a^2} = |a| a 2 = ∣ a ∣ 那一步。
习题 5.2 第 3 题
计算:
(1) 6 sin ( − 90 ∘ ) + 3 sin 0 ∘ − 8 sin 270 ∘ + 12 cos 180 ∘ 6\sin(-90^{\circ})+3\sin0^{\circ}-8\sin270^{\circ}+12\cos180^{\circ} 6 sin ( − 9 0 ∘ ) + 3 sin 0 ∘ − 8 sin 27 0 ∘ + 12 cos 18 0 ∘ ;
(2) 10 cos 270 ∘ + 4 sin 0 ∘ + 9 tan 0 ∘ + 15 cos 360 ∘ 10\cos 270^{\circ} + 4\sin 0^{\circ} + 9\tan 0^{\circ} + 15\cos 360^{\circ} 10 cos 27 0 ∘ + 4 sin 0 ∘ + 9 tan 0 ∘ + 15 cos 36 0 ∘ ;
(3) 2 cos π 2 − tan π 4 + 3 4 tan 2 π 6 − sin π 6 + cos 2 π 6 + sin 3 π 2 2\cos \frac{\pi}{2} - \tan \frac{\pi}{4} + \frac{3}{4}\tan^2 \frac{\pi}{6} - \sin \frac{\pi}{6} + \cos^2 \frac{\pi}{6} + \sin \frac{3\pi}{2} 2 cos 2 π − tan 4 π + 4 3 tan 2 6 π − sin 6 π + cos 2 6 π + sin 2 3 π ;
(4) sin 2 π 3 + cos 4 3 π 2 − tan 2 π 3 . \sin^{2}\frac{\pi}{3}+\cos^{4}\frac{3\pi}{2}-\tan^{2}\frac{\pi}{3}. sin 2 3 π + cos 4 2 3 π − tan 2 3 π .
把每个特殊角的值先写出来,再代入。
(1) sin ( − 90 ∘ ) = − 1 \sin(-90^\circ) = -1 sin ( − 9 0 ∘ ) = − 1 (终边是 y y y 轴负半轴),sin 0 ∘ = 0 \sin 0^\circ = 0 sin 0 ∘ = 0 ,
sin 270 ∘ = − 1 \sin 270^\circ = -1 sin 27 0 ∘ = − 1 ,cos 180 ∘ = − 1 \cos 180^\circ = -1 cos 18 0 ∘ = − 1 。故
6 ( − 1 ) + 3 × 0 − 8 ( − 1 ) + 12 ( − 1 ) = − 6 + 0 + 8 − 12 = − 10. 6(-1) + 3 \times 0 - 8(-1) + 12(-1) = -6 + 0 + 8 - 12 = -10. 6 ( − 1 ) + 3 × 0 − 8 ( − 1 ) + 12 ( − 1 ) = − 6 + 0 + 8 − 12 = − 10.
(2) cos 270 ∘ = 0 \cos 270^\circ = 0 cos 27 0 ∘ = 0 ,sin 0 ∘ = 0 \sin 0^\circ = 0 sin 0 ∘ = 0 ,tan 0 ∘ = 0 \tan 0^\circ = 0 tan 0 ∘ = 0 ,cos 360 ∘ = 1 \cos 360^\circ = 1 cos 36 0 ∘ = 1 。故
10 × 0 + 4 × 0 + 9 × 0 + 15 × 1 = 15. 10 \times 0 + 4 \times 0 + 9 \times 0 + 15 \times 1 = 15. 10 × 0 + 4 × 0 + 9 × 0 + 15 × 1 = 15.
(3) 逐项:cos π 2 = 0 \cos\frac{\pi}{2} = 0 cos 2 π = 0 ;tan π 4 = 1 \tan\frac{\pi}{4} = 1 tan 4 π = 1 ;
tan π 6 = 3 3 \tan\frac{\pi}{6} = \frac{\sqrt3}{3} tan 6 π = 3 3 故 tan 2 π 6 = 1 3 \tan^2\frac{\pi}{6} = \frac13 tan 2 6 π = 3 1 ;
sin π 6 = 1 2 \sin\frac{\pi}{6} = \frac12 sin 6 π = 2 1 ;cos π 6 = 3 2 \cos\frac{\pi}{6} = \frac{\sqrt3}{2} cos 6 π = 2 3 故 cos 2 π 6 = 3 4 \cos^2\frac{\pi}{6} = \frac34 cos 2 6 π = 4 3 ;
sin 3 π 2 = − 1 \sin\frac{3\pi}{2} = -1 sin 2 3 π = − 1 。于是
2 × 0 − 1 + 3 4 × 1 3 − 1 2 + 3 4 + ( − 1 ) = 0 − 1 + 1 4 − 1 2 + 3 4 − 1. 2 \times 0 - 1 + \frac34 \times \frac13 - \frac12 + \frac34 + (-1)
= 0 - 1 + \frac14 - \frac12 + \frac34 - 1. 2 × 0 − 1 + 4 3 × 3 1 − 2 1 + 4 3 + ( − 1 ) = 0 − 1 + 4 1 − 2 1 + 4 3 − 1.
分数部分:1 4 − 1 2 + 3 4 = 1 − 2 + 3 4 = 1 2 \frac14 - \frac12 + \frac34 = \frac{1-2+3}{4} = \frac12 4 1 − 2 1 + 4 3 = 4 1 − 2 + 3 = 2 1 ;整数部分:− 1 − 1 = − 2 -1-1 = -2 − 1 − 1 = − 2 。故
= − 2 + 1 2 = − 3 2 . = -2 + \frac12 = -\frac32. = − 2 + 2 1 = − 2 3 .
(4) sin π 3 = 3 2 \sin\frac{\pi}{3} = \frac{\sqrt3}{2} sin 3 π = 2 3 故 sin 2 π 3 = 3 4 \sin^2\frac{\pi}{3} = \frac34 sin 2 3 π = 4 3 ;
cos 3 π 2 = 0 \cos\frac{3\pi}{2} = 0 cos 2 3 π = 0 故 cos 4 3 π 2 = 0 \cos^4\frac{3\pi}{2} = 0 cos 4 2 3 π = 0 ;
tan π 3 = 3 \tan\frac{\pi}{3} = \sqrt3 tan 3 π = 3 故 tan 2 π 3 = 3 \tan^2\frac{\pi}{3} = 3 tan 2 3 π = 3 。于是
3 4 + 0 − 3 = − 9 4 . \frac34 + 0 - 3 = -\frac94. 4 3 + 0 − 3 = − 4 9 .
习题 5.2 第 4 题
化简:
(1) a sin 0 ∘ + b cos 90 ∘ + c tan 180 ∘ a \sin 0^{\circ} + b \cos 90^{\circ} + c \tan 180^{\circ} a sin 0 ∘ + b cos 9 0 ∘ + c tan 18 0 ∘ ;
(2) − p 2 cos 180 ∘ + q 2 sin 90 ∘ − 2 p q cos 0 ∘ ; -p^{2}\cos180^{\circ}+q^{2}\sin90^{\circ}-2pq\cos0^{\circ}; − p 2 cos 18 0 ∘ + q 2 sin 9 0 ∘ − 2 pq cos 0 ∘ ;
(3) a 2 cos 2 π − b 2 sin 3 π 2 + a b cos π − a b sin π 2 a^2\cos 2\pi - b^2\sin \frac{3\pi}{2} + ab\cos \pi - ab\sin \frac{\pi}{2} a 2 cos 2 π − b 2 sin 2 3 π + ab cos π − ab sin 2 π ;
(4) m tan 0 + n cos 1 2 π − p sin π − q cos 3 2 π − r sin 2 π m\tan 0 + n\cos \frac{1}{2}\pi - p\sin \pi - q\cos \frac{3}{2}\pi - r\sin 2\pi m tan 0 + n cos 2 1 π − p sin π − q cos 2 3 π − r sin 2 π .
四小问的字母都只是系数,真正要做的是把每个三角函数值算出来 。
(1) sin 0 ∘ = 0 \sin 0^\circ = 0 sin 0 ∘ = 0 ,cos 90 ∘ = 0 \cos 90^\circ = 0 cos 9 0 ∘ = 0 ,tan 180 ∘ = 0 \tan 180^\circ = 0 tan 18 0 ∘ = 0 ,故
a × 0 + b × 0 + c × 0 = 0. a \times 0 + b \times 0 + c \times 0 = 0. a × 0 + b × 0 + c × 0 = 0.
(2) cos 180 ∘ = − 1 \cos 180^\circ = -1 cos 18 0 ∘ = − 1 ,sin 90 ∘ = 1 \sin 90^\circ = 1 sin 9 0 ∘ = 1 ,cos 0 ∘ = 1 \cos 0^\circ = 1 cos 0 ∘ = 1 ,故
− p 2 ( − 1 ) + q 2 ( 1 ) − 2 p q ( 1 ) = p 2 + q 2 − 2 p q = ( p − q ) 2 . -p^2(-1) + q^2(1) - 2pq(1) = p^2 + q^2 - 2pq = (p-q)^2. − p 2 ( − 1 ) + q 2 ( 1 ) − 2 pq ( 1 ) = p 2 + q 2 − 2 pq = ( p − q ) 2 .
(3) cos 2 π = 1 \cos 2\pi = 1 cos 2 π = 1 ,sin 3 π 2 = − 1 \sin\frac{3\pi}{2} = -1 sin 2 3 π = − 1 ,cos π = − 1 \cos\pi = -1 cos π = − 1 ,sin π 2 = 1 \sin\frac{\pi}{2} = 1 sin 2 π = 1 ,故
a 2 ( 1 ) − b 2 ( − 1 ) + a b ( − 1 ) − a b ( 1 ) = a 2 + b 2 − a b − a b = a 2 − 2 a b + b 2 = ( a − b ) 2 . a^2(1) - b^2(-1) + ab(-1) - ab(1) = a^2 + b^2 - ab - ab = a^2 - 2ab + b^2 = (a-b)^2. a 2 ( 1 ) − b 2 ( − 1 ) + ab ( − 1 ) − ab ( 1 ) = a 2 + b 2 − ab − ab = a 2 − 2 ab + b 2 = ( a − b ) 2 .
(4) tan 0 = 0 \tan 0 = 0 tan 0 = 0 ,cos π 2 = 0 \cos\frac{\pi}{2} = 0 cos 2 π = 0 ,sin π = 0 \sin\pi = 0 sin π = 0 ,cos 3 π 2 = 0 \cos\frac{3\pi}{2} = 0 cos 2 3 π = 0 ,sin 2 π = 0 \sin 2\pi = 0 sin 2 π = 0 ,
五项全为零,故
m × 0 + n × 0 − p × 0 − q × 0 − r × 0 = 0. m \times 0 + n \times 0 - p \times 0 - q \times 0 - r \times 0 = 0. m × 0 + n × 0 − p × 0 − q × 0 − r × 0 = 0.
(2)(3) 两问的结果都是完全平方 ,这不是巧合:题目故意把 ± 1 \pm1 ± 1 配成了 x 2 + y 2 − 2 x y x^2+y^2-2xy x 2 + y 2 − 2 x y 的样子。
习题 5.2 第 5 题
确定下列三角函数值的符号:
(1) sin 186 ∘ \sin 186^{\circ} sin 18 6 ∘ ; (2) tan 505 ∘ \tan 505^{\circ} tan 50 5 ∘ ; (3) sin 7.6 π \sin 7.6\pi sin 7.6 π ;
(4) tan ( − 23 π 4 ) \tan\left(-\frac{23\pi}{4}\right) tan ( − 4 23 π ) ; (5) cos 940 ∘ \cos 940^{\circ} cos 94 0 ∘ ; (6) cos ( − 59 π 17 ) \cos\left(-\frac{59\pi}{17}\right) cos ( − 17 59 π ) .
仍是”化到一圈内 → 判象限 → 读符号”。
(1) 186 ∘ ∈ ( 180 ∘ , 270 ∘ ) 186^\circ \in (180^\circ, 270^\circ) 18 6 ∘ ∈ ( 18 0 ∘ , 27 0 ∘ ) ,第三象限 ,故 sin 186 ∘ < 0 \sin 186^\circ < 0 sin 18 6 ∘ < 0 。
(2) 505 ∘ − 360 ∘ = 145 ∘ ∈ ( 90 ∘ , 180 ∘ ) 505^\circ - 360^\circ = 145^\circ \in (90^\circ,180^\circ) 50 5 ∘ − 36 0 ∘ = 14 5 ∘ ∈ ( 9 0 ∘ , 18 0 ∘ ) ,第二象限 ,故 tan 505 ∘ < 0 \tan 505^\circ < 0 tan 50 5 ∘ < 0 。
(3) 7.6 π − 6 π = 1.6 π 7.6\pi - 6\pi = 1.6\pi 7.6 π − 6 π = 1.6 π ,而 1.5 π < 1.6 π < 2 π 1.5\pi < 1.6\pi < 2\pi 1.5 π < 1.6 π < 2 π ,第四象限 ,故 sin 7.6 π < 0 \sin 7.6\pi < 0 sin 7.6 π < 0 。
(4) − 23 π 4 + 6 π = − 23 π 4 + 24 π 4 = π 4 -\frac{23\pi}{4} + 6\pi = -\frac{23\pi}{4} + \frac{24\pi}{4} = \frac{\pi}{4} − 4 23 π + 6 π = − 4 23 π + 4 24 π = 4 π ,
第一象限 ,故 tan ( − 23 π 4 ) > 0 \tan\left(-\frac{23\pi}{4}\right) > 0 tan ( − 4 23 π ) > 0 。
(5) 940 ∘ − 2 × 360 ∘ = 940 ∘ − 720 ∘ = 220 ∘ ∈ ( 180 ∘ , 270 ∘ ) 940^\circ - 2\times360^\circ = 940^\circ - 720^\circ = 220^\circ \in (180^\circ,270^\circ) 94 0 ∘ − 2 × 36 0 ∘ = 94 0 ∘ − 72 0 ∘ = 22 0 ∘ ∈ ( 18 0 ∘ , 27 0 ∘ ) ,
第三象限 ,故 cos 940 ∘ < 0 \cos 940^\circ < 0 cos 94 0 ∘ < 0 。
(6) − 59 π 17 + 4 π = − 59 π 17 + 68 π 17 = 9 π 17 -\frac{59\pi}{17} + 4\pi = -\frac{59\pi}{17} + \frac{68\pi}{17} = \frac{9\pi}{17} − 17 59 π + 4 π = − 17 59 π + 17 68 π = 17 9 π 。
比较它与 π 2 = 8.5 π 17 \frac{\pi}{2} = \frac{8.5\pi}{17} 2 π = 17 8.5 π :9 π 17 > 8.5 π 17 \frac{9\pi}{17} > \frac{8.5\pi}{17} 17 9 π > 17 8.5 π ,
又 9 π 17 < π \frac{9\pi}{17} < \pi 17 9 π < π ,所以是第二象限 角,故 cos ( − 59 π 17 ) < 0 \cos\left(-\frac{59\pi}{17}\right) < 0 cos ( − 17 59 π ) < 0 。
第 (6) 问的比较技巧 :把 π 2 \frac{\pi}{2} 2 π 通分成 8.5 π 17 \frac{8.5\pi}{17} 17 8.5 π 直接比分子,
比化成小数快也不容易错。
习题 5.2 第 6 题
(1) 已知 sin α = − 3 2 \sin \alpha = -\frac{\sqrt{3}}{2} sin α = − 2 3 , 且 α \alpha α 为第四象限角, 求 cos α \cos \alpha cos α , tan α \tan \alpha tan α 的值; (2) 已知 cos α = − 5 13 \cos \alpha = -\frac{5}{13} cos α = − 13 5 , 且 α \alpha α 为第二象限角, 求 sin α \sin \alpha sin α , tan α \tan \alpha tan α 的值; (3) 已知 tan α = − 3 4 \tan \alpha = -\frac{3}{4} tan α = − 4 3 , 求 sin α \sin \alpha sin α , cos α \cos \alpha cos α 的值; (4) 已知 cos α = 0.68 \cos \alpha = 0.68 cos α = 0.68 , 求 sin α \sin \alpha sin α , tan α \tan \alpha tan α 的值 (精确到 0.01).
(1) 由平方关系 cos 2 α = 1 − 3 4 = 1 4 \cos^2\alpha = 1 - \frac34 = \frac14 cos 2 α = 1 − 4 3 = 4 1 ,故 cos α = ± 1 2 \cos\alpha = \pm\frac12 cos α = ± 2 1 ;
第四象限里 cos > 0 \cos>0 cos > 0 ,取
cos α = 1 2 , tan α = − 3 2 1 2 = − 3 . \cos\alpha = \frac12, \qquad \tan\alpha = \frac{-\frac{\sqrt3}{2}}{\frac12} = -\sqrt3. cos α = 2 1 , tan α = 2 1 − 2 3 = − 3 .
核:第四象限 tan < 0 \tan<0 tan < 0 ✓。
(2) sin 2 α = 1 − ( − 5 13 ) 2 = 1 − 25 169 = 144 169 \sin^2\alpha = 1 - \left(-\frac5{13}\right)^2 = 1 - \frac{25}{169} = \frac{144}{169} sin 2 α = 1 − ( − 13 5 ) 2 = 1 − 169 25 = 169 144 ,
故 sin α = ± 12 13 \sin\alpha = \pm\frac{12}{13} sin α = ± 13 12 ;第二象限里 sin > 0 \sin>0 sin > 0 ,取
sin α = 12 13 , tan α = 12 13 − 5 13 = − 12 5 . \sin\alpha = \frac{12}{13}, \qquad \tan\alpha = \frac{\frac{12}{13}}{-\frac5{13}} = -\frac{12}{5}. sin α = 13 12 , tan α = − 13 5 13 12 = − 5 12 .
核:第二象限 tan < 0 \tan<0 tan < 0 ✓。
(3) 象限没给:tan α = − 3 4 < 0 \tan\alpha = -\frac34 < 0 tan α = − 4 3 < 0 ,故 α \alpha α 是第二或第四象限角 ,分两类。
由 sin α = tan α cos α = − 3 4 cos α \sin\alpha = \tan\alpha\cos\alpha = -\frac34\cos\alpha sin α = tan α cos α = − 4 3 cos α 代入平方关系:
9 16 cos 2 α + cos 2 α = 1 ⟹ 25 16 cos 2 α = 1 ⟹ cos 2 α = 16 25 , \frac{9}{16}\cos^2\alpha + \cos^2\alpha = 1 \ \Longrightarrow\ \frac{25}{16}\cos^2\alpha = 1
\ \Longrightarrow\ \cos^2\alpha = \frac{16}{25}, 16 9 cos 2 α + cos 2 α = 1 ⟹ 16 25 cos 2 α = 1 ⟹ cos 2 α = 25 16 ,
故 cos α = ± 4 5 \cos\alpha = \pm\frac45 cos α = ± 5 4 。
第二象限:cos α = − 4 5 \cos\alpha = -\frac45 cos α = − 5 4 ,sin α = − 3 4 × ( − 4 5 ) = 3 5 \sin\alpha = -\frac34 \times \left(-\frac45\right) = \frac35 sin α = − 4 3 × ( − 5 4 ) = 5 3 ;
第四象限:cos α = 4 5 \cos\alpha = \frac45 cos α = 5 4 ,sin α = − 3 4 × 4 5 = − 3 5 \sin\alpha = -\frac34 \times \frac45 = -\frac35 sin α = − 4 3 × 5 4 = − 5 3 。
两组都要写。
(4) cos α = 0.68 > 0 \cos\alpha = 0.68 > 0 cos α = 0.68 > 0 ,故 α \alpha α 是第一或第四象限角 ,分两类。
sin 2 α = 1 − 0.68 2 = 1 − 0.4624 = 0.5376 , sin α = ± 0.5376 ≈ ± 0.7332. \sin^2\alpha = 1 - 0.68^2 = 1 - 0.4624 = 0.5376, \qquad \sin\alpha = \pm\sqrt{0.5376} \approx \pm 0.7332. sin 2 α = 1 − 0.6 8 2 = 1 − 0.4624 = 0.5376 , sin α = ± 0.5376 ≈ ± 0.7332.
第一象限:sin α ≈ 0.73 \sin\alpha \approx 0.73 sin α ≈ 0.73 ,tan α ≈ 0.7332 0.68 ≈ 1.0782 ≈ 1.08 \tan\alpha \approx \frac{0.7332}{0.68} \approx 1.0782 \approx 1.08 tan α ≈ 0.68 0.7332 ≈ 1.0782 ≈ 1.08 ;
第四象限:sin α ≈ − 0.73 \sin\alpha \approx -0.73 sin α ≈ − 0.73 ,tan α ≈ − 1.08 \tan\alpha \approx -1.08 tan α ≈ − 1.08 。
习题 5.2 第 7 题
根据下列条件求函数 f ( x ) = sin ( x + π 4 ) + 2 sin ( x − π 4 ) − 4 cos 2 x + 3 cos ( x + 3 π 4 ) f(x)=\sin\left(x+\frac{\pi}{4}\right)+2\sin\left(x-\frac{\pi}{4}\right)-4\cos2x+3\cos\left(x+\frac{3\pi}{4}\right) f ( x ) = sin ( x + 4 π ) + 2 sin ( x − 4 π ) − 4 cos 2 x + 3 cos ( x + 4 3 π ) 的值:
(1) x = π 4 x=\frac{\pi}{4} x = 4 π ;
(2) x = 3 π 4 x=\frac{3\pi}{4} x = 4 3 π .
直接代入求值即可——每一项的角先算出来,再查特殊角的值 ,不必展开任何和角公式。
(1) x = π 4 x = \frac{\pi}{4} x = 4 π 。 四项的角依次是
x + π 4 = π 2 , x − π 4 = 0 , 2 x = π 2 , x + 3 π 4 = π . x+\frac{\pi}{4} = \frac{\pi}{2}, \qquad x-\frac{\pi}{4} = 0, \qquad 2x = \frac{\pi}{2},
\qquad x+\frac{3\pi}{4} = \pi. x + 4 π = 2 π , x − 4 π = 0 , 2 x = 2 π , x + 4 3 π = π .
于是
f ( π 4 ) = sin π 2 + 2 sin 0 − 4 cos π 2 + 3 cos π = 1 + 0 − 0 + 3 ( − 1 ) = − 2. f\left(\frac{\pi}{4}\right) = \sin\frac{\pi}{2} + 2\sin 0 - 4\cos\frac{\pi}{2} + 3\cos\pi
= 1 + 0 - 0 + 3(-1) = -2. f ( 4 π ) = sin 2 π + 2 sin 0 − 4 cos 2 π + 3 cos π = 1 + 0 − 0 + 3 ( − 1 ) = − 2.
(2) x = 3 π 4 x = \frac{3\pi}{4} x = 4 3 π 。 四项的角依次是
x + π 4 = π , x − π 4 = π 2 , 2 x = 3 π 2 , x + 3 π 4 = 3 π 2 . x+\frac{\pi}{4} = \pi, \qquad x-\frac{\pi}{4} = \frac{\pi}{2}, \qquad 2x = \frac{3\pi}{2},
\qquad x+\frac{3\pi}{4} = \frac{3\pi}{2}. x + 4 π = π , x − 4 π = 2 π , 2 x = 2 3 π , x + 4 3 π = 2 3 π .
于是
f ( 3 π 4 ) = sin π + 2 sin π 2 − 4 cos 3 π 2 + 3 cos 3 π 2 = 0 + 2 × 1 − 4 × 0 + 3 × 0 = 2. f\left(\frac{3\pi}{4}\right) = \sin\pi + 2\sin\frac{\pi}{2} - 4\cos\frac{3\pi}{2} + 3\cos\frac{3\pi}{2}
= 0 + 2 \times 1 - 4 \times 0 + 3 \times 0 = 2. f ( 4 3 π ) = sin π + 2 sin 2 π − 4 cos 2 3 π + 3 cos 2 3 π = 0 + 2 × 1 − 4 × 0 + 3 × 0 = 2.
这道题看着吓人,其实每一项的角都落在坐标轴上 ——题目就是这么设计的。
求值题先算角,别先展开公式。
习题 5.2 第 8 题
确定下列式子的符号:
(1) tan 125 ∘ sin 273 ∘ \tan 125^{\circ}\sin 273^{\circ} tan 12 5 ∘ sin 27 3 ∘ ;
(2) tan 108 ∘ cos 305 ∘ \frac{\tan 108^{\circ}}{\cos 305^{\circ}} c o s 30 5 ∘ t a n 10 8 ∘ ;
(3) sin 5 π 4 cos 4 π 5 tan 11 π 6 \sin \frac{5\pi}{4} \cos \frac{4\pi}{5} \tan \frac{11\pi}{6} sin 4 5 π cos 5 4 π tan 6 11 π ;
(4) cos 5 π 6 tan 11 π 6 sin 2 π 3 \frac{\cos \frac{5\pi}{6} \tan \frac{11\pi}{6}}{\sin \frac{2\pi}{3}} s i n 3 2 π c o s 6 5 π t a n 6 11 π .
做法:逐个因式定符号,再按乘除法的符号法则合成 (负因式的个数是偶数则积为正,奇数则为负)。
(1) 125 ∘ 125^\circ 12 5 ∘ 是第二象限角,tan 125 ∘ < 0 \tan 125^\circ < 0 tan 12 5 ∘ < 0 ;273 ∘ 273^\circ 27 3 ∘ 是第四象限角(270 ∘ < 273 ∘ < 360 ∘ 270^\circ<273^\circ<360^\circ 27 0 ∘ < 27 3 ∘ < 36 0 ∘ ),
sin 273 ∘ < 0 \sin 273^\circ < 0 sin 27 3 ∘ < 0 。两负相乘,故
tan 125 ∘ sin 273 ∘ > 0. \tan 125^\circ \sin 273^\circ > 0. tan 12 5 ∘ sin 27 3 ∘ > 0.
(2) 108 ∘ 108^\circ 10 8 ∘ 第二象限,tan 108 ∘ < 0 \tan 108^\circ < 0 tan 10 8 ∘ < 0 ;305 ∘ 305^\circ 30 5 ∘ 第四象限,cos 305 ∘ > 0 \cos 305^\circ > 0 cos 30 5 ∘ > 0 。
负除以正,故
tan 108 ∘ cos 305 ∘ < 0. \frac{\tan 108^\circ}{\cos 305^\circ} < 0. c o s 30 5 ∘ t a n 10 8 ∘ < 0.
(3) 5 π 4 \frac{5\pi}{4} 4 5 π 第三象限,sin < 0 \sin < 0 sin < 0 ;4 π 5 \frac{4\pi}{5} 5 4 π 第二象限(π 2 < 4 π 5 < π \frac{\pi}{2} < \frac{4\pi}{5} < \pi 2 π < 5 4 π < π ),
cos < 0 \cos < 0 cos < 0 ;11 π 6 \frac{11\pi}{6} 6 11 π 第四象限,tan < 0 \tan < 0 tan < 0 。三个负因式相乘,故
sin 5 π 4 cos 4 π 5 tan 11 π 6 < 0. \sin\frac{5\pi}{4}\cos\frac{4\pi}{5}\tan\frac{11\pi}{6} < 0. sin 4 5 π cos 5 4 π tan 6 11 π < 0.
(4) 5 π 6 \frac{5\pi}{6} 6 5 π 第二象限,cos < 0 \cos < 0 cos < 0 ;11 π 6 \frac{11\pi}{6} 6 11 π 第四象限,tan < 0 \tan < 0 tan < 0 ;
2 π 3 \frac{2\pi}{3} 3 2 π 第二象限,sin > 0 \sin > 0 sin > 0 。分子是两负相乘为正,分母为正,故
cos 5 π 6 tan 11 π 6 sin 2 π 3 > 0. \frac{\cos\frac{5\pi}{6}\tan\frac{11\pi}{6}}{\sin\frac{2\pi}{3}} > 0. s i n 3 2 π c o s 6 5 π t a n 6 11 π > 0.
习题 5.2 第 9 题
求下列三角函数值(可用计算工具,第(1)(3)(4)题精确到0.0001):
(1) sin ( − 67 π 12 ) \sin\left(-\frac{67\pi}{12}\right) sin ( − 12 67 π ) ; (2) tan ( − 15 π 4 ) \tan\left(-\frac{15\pi}{4}\right) tan ( − 4 15 π ) ;
(3) cos 398 ∘ 13 ′ \cos 398^{\circ}13' cos 39 8 ∘ 1 3 ′ ; (4) tan 766 ∘ 15 ′ \tan 766^{\circ}15' tan 76 6 ∘ 1 5 ′ .
(1) − 67 π 12 + 6 π = − 67 π 12 + 72 π 12 = 5 π 12 -\frac{67\pi}{12} + 6\pi = -\frac{67\pi}{12} + \frac{72\pi}{12} = \frac{5\pi}{12} − 12 67 π + 6 π = − 12 67 π + 12 72 π = 12 5 π ,故
sin ( − 67 π 12 ) = sin 5 π 12 = sin 75 ∘ ≈ 0.9659. \sin\left(-\frac{67\pi}{12}\right) = \sin\frac{5\pi}{12} = \sin 75^\circ \approx 0.9659. sin ( − 12 67 π ) = sin 12 5 π = sin 7 5 ∘ ≈ 0.9659.
(2) − 15 π 4 + 4 π = − 15 π 4 + 16 π 4 = π 4 -\frac{15\pi}{4} + 4\pi = -\frac{15\pi}{4} + \frac{16\pi}{4} = \frac{\pi}{4} − 4 15 π + 4 π = − 4 15 π + 4 16 π = 4 π ,故
tan ( − 15 π 4 ) = tan π 4 = 1. \tan\left(-\frac{15\pi}{4}\right) = \tan\frac{\pi}{4} = 1. tan ( − 4 15 π ) = tan 4 π = 1.
(这一小问是特殊角,得精确值,所以题目没要求取近似。)
(3) 398 ∘ 13 ′ − 360 ∘ = 38 ∘ 13 ′ 398^\circ13' - 360^\circ = 38^\circ13' 39 8 ∘ 1 3 ′ − 36 0 ∘ = 3 8 ∘ 1 3 ′ ,故
cos 398 ∘ 13 ′ = cos 38 ∘ 13 ′ ≈ 0.7857. \cos 398^\circ13' = \cos 38^\circ13' \approx 0.7857. cos 39 8 ∘ 1 3 ′ = cos 3 8 ∘ 1 3 ′ ≈ 0.7857.
(4) 766 ∘ 15 ′ − 2 × 360 ∘ = 766 ∘ 15 ′ − 720 ∘ = 46 ∘ 15 ′ 766^\circ15' - 2\times360^\circ = 766^\circ15' - 720^\circ = 46^\circ15' 76 6 ∘ 1 5 ′ − 2 × 36 0 ∘ = 76 6 ∘ 1 5 ′ − 72 0 ∘ = 4 6 ∘ 1 5 ′ ,故
tan 766 ∘ 15 ′ = tan 46 ∘ 15 ′ ≈ 1.0446. \tan 766^\circ15' = \tan 46^\circ15' \approx 1.0446. tan 76 6 ∘ 1 5 ′ = tan 4 6 ∘ 1 5 ′ ≈ 1.0446.
度分要先看清 :38 ∘ 13 ′ 38^\circ13' 3 8 ∘ 1 3 ′ 换成十进制是 38 + 13 60 ≈ 38.2167 ∘ 38 + \frac{13}{60} \approx 38.2167^\circ 38 + 60 13 ≈ 38.216 7 ∘ ,
46 ∘ 15 ′ = 46.25 ∘ 46^\circ15' = 46.25^\circ 4 6 ∘ 1 5 ′ = 46.2 5 ∘ 。用计算工具时要设成度分秒或先换算,别把 13 ′ 13' 1 3 ′ 当成 0.13 ∘ 0.13^\circ 0.1 3 ∘ 。
习题 5.2 第 10 题
求证:
(1) 角 θ \theta θ 为第二或第三象限角的充要条件是 sin θ tan θ < 0 \sin \theta \tan \theta < 0 sin θ tan θ < 0 ;
(2) 角 θ \theta θ 为第三或第四象限角的充要条件是 cos θ tan θ < 0 \cos \theta \tan \theta < 0 cos θ tan θ < 0 ;
(3) 角 θ \theta θ 为第一或第四象限角的充要条件是 sin θ tan θ > 0 \frac{\sin \theta}{\tan \theta} > 0 t a n θ s i n θ > 0 ;
(4) 角 θ \theta θ 为第一或第三象限角的充要条件是 sin θ cos θ > 0 \sin \theta \cos \theta > 0 sin θ cos θ > 0 .
设 θ \theta θ 的终边与单位圆交于 P ( x , y ) P(x,y) P ( x , y ) ,则 sin θ = y \sin\theta = y sin θ = y 、cos θ = x \cos\theta = x cos θ = x 、
tan θ = y x \tan\theta = \frac yx tan θ = x y (要求 x ≠ 0 x \neq 0 x = 0 )。四小问都用同一条思路:把式子化简成只含 x x x 或 y y y 的形状,再翻译成终边的位置 。注意”θ \theta θ 是第 k k k 象限角”等价于 x x x 、y y y 都不为零且符号按第 k k k 象限。
(1) 式子 sin θ tan θ \sin\theta\tan\theta sin θ tan θ 有意义就已经要求 x ≠ 0 x \neq 0 x = 0 。此时
sin θ tan θ = y ⋅ y x = y 2 x . \sin\theta\tan\theta = y \cdot \frac{y}{x} = \frac{y^2}{x}. sin θ tan θ = y ⋅ x y = x y 2 .
因为 y 2 ⩾ 0 y^2 \geqslant 0 y 2 ⩾ 0 ,所以
y 2 x < 0 ⟺ y 2 > 0 且 x < 0 ⟺ y ≠ 0 且 x < 0. \frac{y^2}{x} < 0 \iff y^2 > 0 \text{ 且 } x < 0 \iff y \neq 0 \text{ 且 } x<0. x y 2 < 0 ⟺ y 2 > 0 且 x < 0 ⟺ y = 0 且 x < 0.
而”x < 0 x<0 x < 0 且 y ≠ 0 y \neq 0 y = 0 “正是”终边落在第二象限或第三象限”(x < 0 x<0 x < 0 把终边限制在左半平面,
y ≠ 0 y \neq 0 y = 0 排除了 x x x 轴负半轴)。两个方向由这一串等价同时得到,故充要条件成立。
(2) 同样先有 x ≠ 0 x \neq 0 x = 0 。此时
cos θ tan θ = x ⋅ y x = y = sin θ . \cos\theta\tan\theta = x \cdot \frac{y}{x} = y = \sin\theta. cos θ tan θ = x ⋅ x y = y = sin θ .
于是
cos θ tan θ < 0 ⟺ y < 0 且 x ≠ 0 , \cos\theta\tan\theta < 0 \iff y<0 \text{ 且 } x \neq 0, cos θ tan θ < 0 ⟺ y < 0 且 x = 0 ,
而”y < 0 y<0 y < 0 且 x ≠ 0 x \neq 0 x = 0 “正是”终边在第三象限或第四象限”(y < 0 y<0 y < 0 限制在下半平面,
x ≠ 0 x \neq 0 x = 0 排除 y y y 轴负半轴)。故充要条件成立。
(3) 式子 sin θ tan θ \frac{\sin\theta}{\tan\theta} t a n θ s i n θ 有意义要求 x ≠ 0 x \neq 0 x = 0 (tan θ \tan\theta tan θ 要存在)
且 tan θ ≠ 0 \tan\theta \neq 0 tan θ = 0 (作分母),后者即 y ≠ 0 y \neq 0 y = 0 。此时
sin θ tan θ = y ÷ y x = y ⋅ x y = x = cos θ . \frac{\sin\theta}{\tan\theta} = y \div \frac{y}{x} = y \cdot \frac{x}{y} = x = \cos\theta. t a n θ s i n θ = y ÷ x y = y ⋅ y x = x = cos θ .
于是
sin θ tan θ > 0 ⟺ x > 0 且 y ≠ 0 , \frac{\sin\theta}{\tan\theta} > 0 \iff x>0 \text{ 且 } y \neq 0, t a n θ s i n θ > 0 ⟺ x > 0 且 y = 0 ,
而”x > 0 x>0 x > 0 且 y ≠ 0 y \neq 0 y = 0 “正是”终边在第一象限或第四象限”。故充要条件成立。
(4) sin θ cos θ = x y \sin\theta\cos\theta = xy sin θ cos θ = x y ,且
x y > 0 ⟺ x , y 同号且都不为零 ⟺ 终边在第一象限或第三象限 . xy > 0 \iff x,y \text{ 同号且都不为零} \iff \text{终边在第一象限或第三象限}. x y > 0 ⟺ x , y 同号且都不为零 ⟺ 终边在第一象限或第三象限 .
故充要条件成立。
四小问的共同套路 :把三角函数换回坐标 x x x 、y y y ,符号问题就变成了”点在哪个区域”。
另外要留意每个式子自带的定义域限制(x ≠ 0 x \neq 0 x = 0 、y ≠ 0 y \neq 0 y = 0 ),
它们正好把坐标轴上的那些角排除掉——这一步不交代,“充要”就站不住 。
习题 5.2 第 11 题
已知 sin x = − 1 3 \sin x = -\frac{1}{3} sin x = − 3 1 , 求 cos x \cos x cos x , tan x \tan x tan x 的值.
定象限 :sin x = − 1 3 < 0 \sin x = -\frac13 < 0 sin x = − 3 1 < 0 且 sin x ≠ − 1 \sin x \neq -1 sin x = − 1 ,故终边在第三象限或第四象限 ,分两类。
平方关系 :
cos 2 x = 1 − ( − 1 3 ) 2 = 1 − 1 9 = 8 9 , cos x = ± 2 2 3 \cos^2 x = 1 - \left(-\frac13\right)^2 = 1 - \frac19 = \frac89,
\qquad \cos x = \pm\frac{2\sqrt2}{3} cos 2 x = 1 − ( − 3 1 ) 2 = 1 − 9 1 = 9 8 , cos x = ± 3 2 2
(因为 8 9 = 2 2 3 \sqrt{\frac89} = \frac{2\sqrt2}{3} 9 8 = 3 2 2 )。
第三象限 :cos x < 0 \cos x < 0 cos x < 0 ,取 cos x = − 2 2 3 \cos x = -\frac{2\sqrt2}{3} cos x = − 3 2 2 ,于是
tan x = − 1 3 − 2 2 3 = 1 2 2 = 2 4 . \tan x = \frac{-\frac13}{-\frac{2\sqrt2}{3}} = \frac{1}{2\sqrt2} = \frac{\sqrt2}{4}. tan x = − 3 2 2 − 3 1 = 2 2 1 = 4 2 .
第四象限 :cos x > 0 \cos x > 0 cos x > 0 ,取 cos x = 2 2 3 \cos x = \frac{2\sqrt2}{3} cos x = 3 2 2 ,于是
tan x = − 1 3 2 2 3 = − 2 4 . \tan x = \frac{-\frac13}{\frac{2\sqrt2}{3}} = -\frac{\sqrt2}{4}. tan x = 3 2 2 − 3 1 = − 4 2 .
核符号 :第三象限 tan > 0 \tan>0 tan > 0 、第四象限 tan < 0 \tan<0 tan < 0 ,与两组结果一致 ✓。
习题 5.2 第 12 题
已知 tan α = 3 \tan \alpha = \sqrt{3} tan α = 3 , π < α < 3 2 π \pi < \alpha < \frac{3}{2}\pi π < α < 2 3 π , 求 cos α − sin α \cos \alpha - \sin \alpha cos α − sin α 的值.
定象限 :条件 π < α < 3 π 2 \pi < \alpha < \frac{3\pi}{2} π < α < 2 3 π 直接说明 α \alpha α 是第三象限角 ,
所以 cos α < 0 \cos\alpha<0 cos α < 0 、sin α < 0 \sin\alpha<0 sin α < 0 。象限唯一,不必分类。
求两个函数值 :由商数关系 sin α = 3 cos α \sin\alpha = \sqrt3\cos\alpha sin α = 3 cos α ,代入平方关系:
3 cos 2 α + cos 2 α = 1 ⟹ cos 2 α = 1 4 ⟹ cos α = ± 1 2 . 3\cos^2\alpha + \cos^2\alpha = 1 \ \Longrightarrow\ \cos^2\alpha = \frac14
\ \Longrightarrow\ \cos\alpha = \pm\frac12. 3 cos 2 α + cos 2 α = 1 ⟹ cos 2 α = 4 1 ⟹ cos α = ± 2 1 .
第三象限里 cos α < 0 \cos\alpha<0 cos α < 0 ,故
cos α = − 1 2 , sin α = 3 × ( − 1 2 ) = − 3 2 . \cos\alpha = -\frac12, \qquad \sin\alpha = \sqrt3 \times \left(-\frac12\right) = -\frac{\sqrt3}{2}. cos α = − 2 1 , sin α = 3 × ( − 2 1 ) = − 2 3 .
所求 :
cos α − sin α = − 1 2 − ( − 3 2 ) = 3 − 1 2 . \cos\alpha - \sin\alpha = -\frac12 - \left(-\frac{\sqrt3}{2}\right) = \frac{\sqrt3-1}{2}. cos α − sin α = − 2 1 − ( − 2 3 ) = 2 3 − 1 .
核一遍 :sin 2 + cos 2 = 3 4 + 1 4 = 1 \sin^2+\cos^2 = \frac34+\frac14 = 1 sin 2 + cos 2 = 4 3 + 4 1 = 1 ✓;sin α cos α = − 3 2 − 1 2 = 3 \frac{\sin\alpha}{\cos\alpha}
= \frac{-\frac{\sqrt3}{2}}{-\frac12} = \sqrt3 c o s α s i n α = − 2 1 − 2 3 = 3 ✓,与题设一致。
数值上 3 − 1 2 ≈ 0.732 2 ≈ 0.366 > 0 \frac{\sqrt3-1}{2} \approx \frac{0.732}{2} \approx 0.366 > 0 2 3 − 1 ≈ 2 0.732 ≈ 0.366 > 0 ,
而第三象限里 ∣ sin α ∣ > ∣ cos α ∣ |\sin\alpha| > |\cos\alpha| ∣ sin α ∣ > ∣ cos α ∣ 、两者都为负,差为正,合理 ✓。
习题 5.2 第 13 题
已知角 α \alpha α 的终边不在坐标轴上,
(1) 用 cos α \cos \alpha cos α 表示 sin α \sin \alpha sin α , tan α \tan \alpha tan α ;
(2) 用 sin α \sin \alpha sin α 表示 cos α \cos \alpha cos α , tan α \tan \alpha tan α .
“终边不在坐标轴上”是关键前提:它保证 sin α ≠ 0 \sin\alpha \neq 0 sin α = 0 且 cos α ≠ 0 \cos\alpha \neq 0 cos α = 0 ,
于是 tan α \tan\alpha tan α 有意义、分母不为零,而且四个象限都要分别给答案 (符号不同)。
(1) 用 cos α \cos\alpha cos α 表示。 由平方关系 sin 2 α = 1 − cos 2 α \sin^2\alpha = 1-\cos^2\alpha sin 2 α = 1 − cos 2 α ,故
sin α = ± 1 − cos 2 α , \sin\alpha = \pm\sqrt{1-\cos^2\alpha}, sin α = ± 1 − cos 2 α ,
符号由象限定:第一、二象限取正,第三、四象限取负。写清楚就是
sin α = { 1 − cos 2 α , α 是第一或第二象限角 , − 1 − cos 2 α , α 是第三或第四象限角 . \sin\alpha =
\begin{cases}
\sqrt{1-\cos^2\alpha}, & \alpha \text{ 是第一或第二象限角}, \\[2pt]
-\sqrt{1-\cos^2\alpha}, & \alpha \text{ 是第三或第四象限角}.
\end{cases} sin α = { 1 − cos 2 α , − 1 − cos 2 α , α 是第一或第二象限角 , α 是第三或第四象限角 .
再由商数关系
tan α = sin α cos α = { 1 − cos 2 α cos α , α 是第一或第二象限角 , − 1 − cos 2 α cos α , α 是第三或第四象限角 . \tan\alpha = \frac{\sin\alpha}{\cos\alpha} =
\begin{cases}
\dfrac{\sqrt{1-\cos^2\alpha}}{\cos\alpha}, & \alpha \text{ 是第一或第二象限角}, \\[6pt]
-\dfrac{\sqrt{1-\cos^2\alpha}}{\cos\alpha}, & \alpha \text{ 是第三或第四象限角}.
\end{cases} tan α = cos α sin α = ⎩ ⎨ ⎧ cos α 1 − cos 2 α , − cos α 1 − cos 2 α , α 是第一或第二象限角 , α 是第三或第四象限角 .
(2) 用 sin α \sin\alpha sin α 表示。 同样由平方关系 cos 2 α = 1 − sin 2 α \cos^2\alpha = 1-\sin^2\alpha cos 2 α = 1 − sin 2 α ,故
cos α = { 1 − sin 2 α , α 是第一或第四象限角 , − 1 − sin 2 α , α 是第二或第三象限角 , \cos\alpha =
\begin{cases}
\sqrt{1-\sin^2\alpha}, & \alpha \text{ 是第一或第四象限角}, \\[2pt]
-\sqrt{1-\sin^2\alpha}, & \alpha \text{ 是第二或第三象限角},
\end{cases} cos α = { 1 − sin 2 α , − 1 − sin 2 α , α 是第一或第四象限角 , α 是第二或第三象限角 ,
于是
tan α = sin α cos α = { sin α 1 − sin 2 α , α 是第一或第四象限角 , − sin α 1 − sin 2 α , α 是第二或第三象限角 . \tan\alpha = \frac{\sin\alpha}{\cos\alpha} =
\begin{cases}
\dfrac{\sin\alpha}{\sqrt{1-\sin^2\alpha}}, & \alpha \text{ 是第一或第四象限角}, \\[6pt]
-\dfrac{\sin\alpha}{\sqrt{1-\sin^2\alpha}}, & \alpha \text{ 是第二或第三象限角}.
\end{cases} tan α = cos α sin α = ⎩ ⎨ ⎧ 1 − sin 2 α sin α , − 1 − sin 2 α sin α , α 是第一或第四象限角 , α 是第二或第三象限角 .
注意 tan α \tan\alpha tan α 的符号不能只看前面那个 ± \pm ± :在 (1) 里 cos α \cos\alpha cos α 本身带符号,
在 (2) 里 sin α \sin\alpha sin α 本身带符号,所以最终 tan α \tan\alpha tan α 的正负仍要回到象限去核。
例如 (2) 的第二象限:sin α > 0 \sin\alpha>0 sin α > 0 、分母前带负号,得 tan α < 0 \tan\alpha<0 tan α < 0 ✓。
习题 5.2 第 14 题
求证:
(1) 1 − 2 sin x cos x cos 2 x − sin 2 x = 1 − tan x 1 + tan x \frac{1 - 2\sin x\cos x}{\cos^2x - \sin^2x} = \frac{1 - \tan x}{1 + \tan x} c o s 2 x − s i n 2 x 1 − 2 s i n x c o s x = 1 + t a n x 1 − t a n x ;
(2) tan 2 α − sin 2 α = tan 2 α sin 2 α \tan^2\alpha - \sin^2\alpha = \tan^2\alpha \sin^2\alpha tan 2 α − sin 2 α = tan 2 α sin 2 α ;
(3) ( cos β − 1 ) 2 + sin 2 β = 2 − 2 cos β (\cos \beta - 1)^2 + \sin^2 \beta = 2 - 2 \cos \beta ( cos β − 1 ) 2 + sin 2 β = 2 − 2 cos β ;
(4) sin 4 x + cos 4 x = 1 − 2 sin 2 x cos 2 x \sin^4 x + \cos^4 x = 1 - 2\sin^2 x\cos^2 x sin 4 x + cos 4 x = 1 − 2 sin 2 x cos 2 x .
按课本的约定,以下等式都是在使两边都有意义 的前提下成立的。
(1) 左右两边分别化简,化到同一个式子。
左边:分子里的 1 1 1 换成 sin 2 x + cos 2 x \sin^2x+\cos^2x sin 2 x + cos 2 x ,正好配成完全平方;分母是平方差:
左边 = sin 2 x + cos 2 x − 2 sin x cos x ( cos x − sin x ) ( cos x + sin x ) = ( cos x − sin x ) 2 ( cos x − sin x ) ( cos x + sin x ) = cos x − sin x cos x + sin x \text{左边} = \frac{\sin^2x+\cos^2x - 2\sin x\cos x}{(\cos x-\sin x)(\cos x+\sin x)}
= \frac{(\cos x - \sin x)^2}{(\cos x-\sin x)(\cos x+\sin x)}
= \frac{\cos x-\sin x}{\cos x+\sin x} 左边 = ( cos x − sin x ) ( cos x + sin x ) sin 2 x + cos 2 x − 2 sin x cos x = ( cos x − sin x ) ( cos x + sin x ) ( cos x − sin x ) 2 = cos x + sin x cos x − sin x
(约掉 cos x − sin x \cos x - \sin x cos x − sin x 用到了分母不为零,即 cos x ≠ sin x \cos x \neq \sin x cos x = sin x ;分母整体不为零还要求
cos x ≠ − sin x \cos x \neq -\sin x cos x = − sin x )。
右边:切化弦,分子分母同乘 cos x \cos x cos x (要求 cos x ≠ 0 \cos x \neq 0 cos x = 0 ,否则 tan x \tan x tan x 不存在):
右边 = 1 − sin x cos x 1 + sin x cos x = cos x − sin x cos x + sin x . \text{右边} = \frac{1-\frac{\sin x}{\cos x}}{1+\frac{\sin x}{\cos x}}
= \frac{\cos x - \sin x}{\cos x + \sin x}. 右边 = 1 + c o s x s i n x 1 − c o s x s i n x = cos x + sin x cos x − sin x .
两边都等于 cos x − sin x cos x + sin x \frac{\cos x-\sin x}{\cos x+\sin x} c o s x + s i n x c o s x − s i n x ,故等式成立。
(2) 从左边推到右边,提公因式 sin 2 α \sin^2\alpha sin 2 α 之前先切化弦:
tan 2 α − sin 2 α = sin 2 α cos 2 α − sin 2 α = sin 2 α ( 1 cos 2 α − 1 ) = sin 2 α ⋅ 1 − cos 2 α cos 2 α . \tan^2\alpha - \sin^2\alpha = \frac{\sin^2\alpha}{\cos^2\alpha} - \sin^2\alpha
= \sin^2\alpha\left(\frac{1}{\cos^2\alpha} - 1\right)
= \sin^2\alpha \cdot \frac{1-\cos^2\alpha}{\cos^2\alpha}. tan 2 α − sin 2 α = cos 2 α sin 2 α − sin 2 α = sin 2 α ( cos 2 α 1 − 1 ) = sin 2 α ⋅ cos 2 α 1 − cos 2 α .
再用平方关系把分子的 1 − cos 2 α 1-\cos^2\alpha 1 − cos 2 α 换成 sin 2 α \sin^2\alpha sin 2 α :
= sin 2 α ⋅ sin 2 α cos 2 α = sin 2 α tan 2 α = 右边 . = \sin^2\alpha \cdot \frac{\sin^2\alpha}{\cos^2\alpha} = \sin^2\alpha\tan^2\alpha = \text{右边}. = sin 2 α ⋅ cos 2 α sin 2 α = sin 2 α tan 2 α = 右边 .
(全程要求 cos α ≠ 0 \cos\alpha \neq 0 cos α = 0 ,这正是 tan α \tan\alpha tan α 有意义的条件。)
(3) 从左边展开:
( cos β − 1 ) 2 + sin 2 β = cos 2 β − 2 cos β + 1 + sin 2 β . (\cos\beta-1)^2 + \sin^2\beta = \cos^2\beta - 2\cos\beta + 1 + \sin^2\beta. ( cos β − 1 ) 2 + sin 2 β = cos 2 β − 2 cos β + 1 + sin 2 β .
把 cos 2 β + sin 2 β \cos^2\beta + \sin^2\beta cos 2 β + sin 2 β 合成 1 1 1 :
= 1 − 2 cos β + 1 = 2 − 2 cos β = 右边 . = 1 - 2\cos\beta + 1 = 2 - 2\cos\beta = \text{右边}. = 1 − 2 cos β + 1 = 2 − 2 cos β = 右边 .
(这一条对一切实数 β \beta β 成立。)
(4) 从左边配方:
sin 4 x + cos 4 x = ( sin 2 x + cos 2 x ) 2 − 2 sin 2 x cos 2 x = 1 2 − 2 sin 2 x cos 2 x = 1 − 2 sin 2 x cos 2 x = 右边 . \sin^4x + \cos^4x = (\sin^2x + \cos^2x)^2 - 2\sin^2x\cos^2x = 1^2 - 2\sin^2x\cos^2x
= 1 - 2\sin^2x\cos^2x = \text{右边}. sin 4 x + cos 4 x = ( sin 2 x + cos 2 x ) 2 − 2 sin 2 x cos 2 x = 1 2 − 2 sin 2 x cos 2 x = 1 − 2 sin 2 x cos 2 x = 右边 .
(这一条也对一切实数 x x x 成立。)
四小问各示范了一个方向 :(1) 两边分别化;(2) 切化弦 + 提公因式;
(3) 展开 + 用 sin 2 + cos 2 = 1 \sin^2+\cos^2=1 sin 2 + cos 2 = 1 ;(4) 完全平方的逆用。遇到四次方,先想 (4) 这一招。
习题 5.2 第 15 题
已知 tan α = 2 \tan \alpha = 2 tan α = 2 ,求 sin α + cos α sin α − cos α \frac{\sin \alpha + \cos \alpha}{\sin \alpha - \cos \alpha} s i n α − c o s α s i n α + c o s α 的值.
关键动作:分子分母同时除以 cos α \cos\alpha cos α ,把式子变成只含 tan α \tan\alpha tan α 的形状 ——
这样就不必先求出 sin α \sin\alpha sin α 、cos α \cos\alpha cos α ,也就不必分象限讨论。
先验两处不为零。 tan α = 2 \tan\alpha = 2 tan α = 2 说明 tan α \tan\alpha tan α 有意义,故 cos α ≠ 0 \cos\alpha \neq 0 cos α = 0 ,可以除。
又若 sin α − cos α = 0 \sin\alpha - \cos\alpha = 0 sin α − cos α = 0 ,则 tan α = 1 ≠ 2 \tan\alpha = 1 \neq 2 tan α = 1 = 2 ,矛盾,故分母不为零。
化简 :分子分母同除以 cos α \cos\alpha cos α ,
sin α + cos α sin α − cos α = sin α cos α + 1 sin α cos α − 1 = tan α + 1 tan α − 1 = 2 + 1 2 − 1 = 3. \frac{\sin\alpha+\cos\alpha}{\sin\alpha-\cos\alpha}
= \frac{\frac{\sin\alpha}{\cos\alpha}+1}{\frac{\sin\alpha}{\cos\alpha}-1}
= \frac{\tan\alpha+1}{\tan\alpha-1} = \frac{2+1}{2-1} = 3. sin α − cos α sin α + cos α = c o s α s i n α − 1 c o s α s i n α + 1 = tan α − 1 tan α + 1 = 2 − 1 2 + 1 = 3.
核一遍 :tan α = 2 \tan\alpha = 2 tan α = 2 时 α \alpha α 在第一或第三象限。
第一象限取 sin α = 2 5 \sin\alpha = \frac{2}{\sqrt5} sin α = 5 2 、cos α = 1 5 \cos\alpha = \frac{1}{\sqrt5} cos α = 5 1 ,
原式 = 3 / 5 1 / 5 = 3 = \frac{3/\sqrt5}{1/\sqrt5} = 3 = 1/ 5 3/ 5 = 3 ✓;
第三象限取 sin α = − 2 5 \sin\alpha = -\frac{2}{\sqrt5} sin α = − 5 2 、cos α = − 1 5 \cos\alpha = -\frac{1}{\sqrt5} cos α = − 5 1 ,
原式 = − 3 / 5 − 1 / 5 = 3 = \frac{-3/\sqrt5}{-1/\sqrt5} = 3 = − 1/ 5 − 3/ 5 = 3 ✓。两个象限给出同一个值 ——
这正是”齐次式只与 tan \tan tan 有关”的表现:分子分母都是关于 sin \sin sin 、cos \cos cos 的一次齐次式,
同时变号会互相抵消。
习题 5.2 第 16 题
化简 1 + sin α 1 − sin α − 1 − sin α 1 + sin α \sqrt{\frac{1 + \sin \alpha}{1 - \sin \alpha}} - \sqrt{\frac{1 - \sin \alpha}{1 + \sin \alpha}} 1 − s i n α 1 + s i n α − 1 + s i n α 1 − s i n α ,其中 α \alpha α 为第二象限角.
第一步:把根号里的分式”有理化”。 对第一个根式,分子分母同乘 1 + sin α 1+\sin\alpha 1 + sin α :
1 + sin α 1 − sin α = ( 1 + sin α ) 2 ( 1 − sin α ) ( 1 + sin α ) = ( 1 + sin α ) 2 1 − sin 2 α = ( 1 + sin α ) 2 cos 2 α . \frac{1+\sin\alpha}{1-\sin\alpha} = \frac{(1+\sin\alpha)^2}{(1-\sin\alpha)(1+\sin\alpha)}
= \frac{(1+\sin\alpha)^2}{1-\sin^2\alpha} = \frac{(1+\sin\alpha)^2}{\cos^2\alpha}. 1 − sin α 1 + sin α = ( 1 − sin α ) ( 1 + sin α ) ( 1 + sin α ) 2 = 1 − sin 2 α ( 1 + sin α ) 2 = cos 2 α ( 1 + sin α ) 2 .
α \alpha α 是第二象限角,故 0 < sin α < 1 0 < \sin\alpha < 1 0 < sin α < 1 ,于是 1 + sin α > 0 1+\sin\alpha > 0 1 + sin α > 0 、1 − sin α > 0 1 - \sin\alpha > 0 1 − sin α > 0 ,
分母 cos 2 α > 0 \cos^2\alpha > 0 cos 2 α > 0 (cos α ≠ 0 \cos\alpha \neq 0 cos α = 0 ),开方得
1 + sin α 1 − sin α = 1 + sin α ∣ cos α ∣ . \sqrt{\frac{1+\sin\alpha}{1-\sin\alpha}} = \frac{1+\sin\alpha}{|\cos\alpha|}. 1 − s i n α 1 + s i n α = ∣ c o s α ∣ 1 + s i n α .
同理(第二个根式分子分母同乘 1 − sin α 1-\sin\alpha 1 − sin α )
1 − sin α 1 + sin α = 1 − sin α ∣ cos α ∣ . \sqrt{\frac{1-\sin\alpha}{1+\sin\alpha}} = \frac{1-\sin\alpha}{|\cos\alpha|}. 1 + s i n α 1 − s i n α = ∣ c o s α ∣ 1 − s i n α .
第二步:相减。
原式 = ( 1 + sin α ) − ( 1 − sin α ) ∣ cos α ∣ = 2 sin α ∣ cos α ∣ . \text{原式} = \frac{(1+\sin\alpha)-(1-\sin\alpha)}{|\cos\alpha|} = \frac{2\sin\alpha}{|\cos\alpha|}. 原式 = ∣ cos α ∣ ( 1 + sin α ) − ( 1 − sin α ) = ∣ cos α ∣ 2 sin α .
第三步:去绝对值。 α \alpha α 是第二象限角,cos α < 0 \cos\alpha < 0 cos α < 0 ,故 ∣ cos α ∣ = − cos α |\cos\alpha| = -\cos\alpha ∣ cos α ∣ = − cos α :
原式 = 2 sin α − cos α = − 2 ⋅ sin α cos α = − 2 tan α . \text{原式} = \frac{2\sin\alpha}{-\cos\alpha} = -2\cdot\frac{\sin\alpha}{\cos\alpha} = -2\tan\alpha. 原式 = − c o s α 2 s i n α = − 2 ⋅ c o s α s i n α = − 2 tan α .
核一个具体的角 :取 α = 2 π 3 \alpha = \frac{2\pi}{3} α = 3 2 π ,则 sin α = 3 2 \sin\alpha = \frac{\sqrt3}{2} sin α = 2 3 、
cos α = − 1 2 \cos\alpha = -\frac12 cos α = − 2 1 、tan α = − 3 \tan\alpha = -\sqrt3 tan α = − 3 。
原式 = 1 + 3 2 1 − 3 2 − 1 − 3 2 1 + 3 2 = \sqrt{\frac{1+\frac{\sqrt3}{2}}{1-\frac{\sqrt3}{2}}} - \sqrt{\frac{1-\frac{\sqrt3}{2}}{1+\frac{\sqrt3}{2}}} = 1 − 2 3 1 + 2 3 − 1 + 2 3 1 − 2 3 。
分别约为 1.866 0.134 = 13.93 ≈ 3.732 \sqrt{\frac{1.866}{0.134}} = \sqrt{13.93} \approx 3.732 0.134 1.866 = 13.93 ≈ 3.732 与
0.134 1.866 = 0.0718 ≈ 0.268 \sqrt{\frac{0.134}{1.866}} = \sqrt{0.0718} \approx 0.268 1.866 0.134 = 0.0718 ≈ 0.268 ,差约 3.464 3.464 3.464 ;
而 − 2 tan α = 2 3 ≈ 3.464 -2\tan\alpha = 2\sqrt3 \approx 3.464 − 2 tan α = 2 3 ≈ 3.464 ✓。
这道题的全部难点在 cos 2 α = ∣ cos α ∣ \sqrt{\cos^2\alpha} = |\cos\alpha| cos 2 α = ∣ cos α ∣ 那一步 :
不看象限直接写成 cos α \cos\alpha cos α ,答案的符号就反了。
习题 5.2 第 18 题
18.(1)分别计算 sin 4 π 3 − cos 4 π 3 \sin^4\frac{\pi}{3} -\cos^4\frac{\pi}{3} sin 4 3 π − cos 4 3 π 和 sin 2 π 3 − cos 2 π 3 \sin^2\frac{\pi}{3} -\cos^2\frac{\pi}{3} sin 2 3 π − cos 2 3 π 的值,你有什么发现?
(2)任取一个 α \alpha α 的值,分别计算 sin 4 α − cos 4 α \sin^4\alpha -\cos^4\alpha sin 4 α − cos 4 α , sin 2 α − cos 2 α \sin^2\alpha -\cos^2\alpha sin 2 α − cos 2 α ,你又有什么发现?
(3) 证明: ∀ x ∈ R , sin 2 x − cos 2 x = sin 4 x − cos 4 x . \forall x \in R, \sin^{2}x - \cos^{2}x = \sin^{4}x - \cos^{4}x. ∀ x ∈ R , sin 2 x − cos 2 x = sin 4 x − cos 4 x .
(1) sin π 3 = 3 2 \sin\frac{\pi}{3} = \frac{\sqrt3}{2} sin 3 π = 2 3 ,cos π 3 = 1 2 \cos\frac{\pi}{3} = \frac12 cos 3 π = 2 1 ,于是
sin 2 π 3 = 3 4 , cos 2 π 3 = 1 4 , sin 4 π 3 = 9 16 , cos 4 π 3 = 1 16 . \sin^2\frac{\pi}{3} = \frac34, \quad \cos^2\frac{\pi}{3} = \frac14, \quad
\sin^4\frac{\pi}{3} = \frac{9}{16}, \quad \cos^4\frac{\pi}{3} = \frac{1}{16}. sin 2 3 π = 4 3 , cos 2 3 π = 4 1 , sin 4 3 π = 16 9 , cos 4 3 π = 16 1 .
所以
sin 4 π 3 − cos 4 π 3 = 9 16 − 1 16 = 1 2 , sin 2 π 3 − cos 2 π 3 = 3 4 − 1 4 = 1 2 . \sin^4\frac{\pi}{3} - \cos^4\frac{\pi}{3} = \frac{9}{16} - \frac{1}{16} = \frac12, \qquad
\sin^2\frac{\pi}{3} - \cos^2\frac{\pi}{3} = \frac34 - \frac14 = \frac12. sin 4 3 π − cos 4 3 π = 16 9 − 16 1 = 2 1 , sin 2 3 π − cos 2 3 π = 4 3 − 4 1 = 2 1 .
发现:两个值相等,都等于 1 2 \frac12 2 1 。
(2) 任取一个角试试,取 α = π 6 \alpha = \frac{\pi}{6} α = 6 π :sin π 6 = 1 2 \sin\frac{\pi}{6} = \frac12 sin 6 π = 2 1 、
cos π 6 = 3 2 \cos\frac{\pi}{6} = \frac{\sqrt3}{2} cos 6 π = 2 3 ,于是
sin 4 α − cos 4 α = 1 16 − 9 16 = − 1 2 , sin 2 α − cos 2 α = 1 4 − 3 4 = − 1 2 . \sin^4\alpha - \cos^4\alpha = \frac{1}{16} - \frac{9}{16} = -\frac12, \qquad
\sin^2\alpha - \cos^2\alpha = \frac14 - \frac34 = -\frac12. sin 4 α − cos 4 α = 16 1 − 16 9 = − 2 1 , sin 2 α − cos 2 α = 4 1 − 4 3 = − 2 1 .
再取 α = π 4 \alpha = \frac{\pi}{4} α = 4 π :两者都是 0 0 0 。
发现:换了角之后两个值仍然相等 ——这提示它不是巧合,而是一个对一切角都成立的恒等式,
即第 (3) 问要证的结论。
(3) 证明。 从右边入手,用平方差公式:
sin 4 x − cos 4 x = ( sin 2 x ) 2 − ( cos 2 x ) 2 = ( sin 2 x + cos 2 x ) ( sin 2 x − cos 2 x ) . \sin^4x - \cos^4x = \left(\sin^2x\right)^2 - \left(\cos^2x\right)^2
= \left(\sin^2x + \cos^2x\right)\left(\sin^2x - \cos^2x\right). sin 4 x − cos 4 x = ( sin 2 x ) 2 − ( cos 2 x ) 2 = ( sin 2 x + cos 2 x ) ( sin 2 x − cos 2 x ) .
由平方关系,第一个括号等于 1 1 1 ,故
sin 4 x − cos 4 x = 1 ⋅ ( sin 2 x − cos 2 x ) = sin 2 x − cos 2 x . \sin^4x - \cos^4x = 1 \cdot \left(\sin^2x - \cos^2x\right) = \sin^2x - \cos^2x. sin 4 x − cos 4 x = 1 ⋅ ( sin 2 x − cos 2 x ) = sin 2 x − cos 2 x .
推导中只用了平方差公式与平方关系,两者对一切实数 x x x 都成立,故等式对 ∀ x ∈ R \forall x \in \mathbf{R} ∀ x ∈ R 成立。
这道题的结构值得记住 :先算两个特例看出规律((1)(2)),再证明它对一切角成立((3))——
“发现—猜想—证明”是这一册反复出现的研究路径 ,第 3 章研究单调性时也是这么走的。