5.5 三角恒等变换

人教 A 版 · 本节 10 页原书扫描(原文)+ 本站重写的讲解与习题详解考过 33 题 ↓

原书扫描页(人教 A 版原文)

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本节的知识树

4 概念 · 5 公式 · 最深 3 层。根是引本节作教材出处的实体,长链由 `prereqs` 构建期派生——源里只有最小一步。

考过本节的真题

共 33 道

讲解

本站对这一节的重写(不是原书转写):顺序可重组、推导可补全,目标是易读易学 + 与真题关联。原文以上方扫描图为准。

这一节把三角函数从”算一个角”推进到”算两个角的组合”。全节只有一条公式是从头证的, 其余全是它的推论:

cos⁡(α−β)=cos⁡αcos⁡β+sin⁡αsin⁡β(记作 C(α−β)).\cos(\alpha-\beta) = \cos\alpha\cos\beta + \sin\alpha\sin\beta \qquad (\text{记作 } C_{(\alpha-\beta)}).

课本用单位圆上两点间的距离(或向量的数量积)证出它,之后六个和差角公式、三个二倍角公式全部由它推导。所以这一节最值得学的不是背九条公式,是看清那张”推导地图”—— 忘了哪一条都能在草稿纸上现推出来。

一、推导地图:一条根,九条枝

从 C(α−β)C_{(\alpha-\beta)} 出发,每一步只用一个小动作:

目标从哪来动作
C(α+β)C_{(\alpha+\beta)}C(α−β)C_{(\alpha-\beta)}把 β\beta 换成 −β-\beta,再用 cos⁡(−β)=cos⁡β\cos(-\beta)=\cos\beta、sin⁡(−β)=−sin⁡β\sin(-\beta)=-\sin\beta
S(α+β)S_{(\alpha+\beta)}C(α−β)C_{(\alpha-\beta)}用诱导公式 sin⁡θ=cos⁡(π2−θ)\sin\theta = \cos\left(\frac{\pi}{2}-\theta\right) 把正弦换成余弦
S(α−β)S_{(\alpha-\beta)}S(α+β)S_{(\alpha+\beta)}把 β\beta 换成 −β-\beta
T(α±β)T_{(\alpha\pm\beta)}SS 与 CC相除,再分子分母同除以 cos⁡αcos⁡β\cos\alpha\cos\beta
二倍角三条和角三条令 β=α\beta = \alpha

写全就是:

cos⁡(α±β)=cos⁡αcos⁡β∓sin⁡αsin⁡β,sin⁡(α±β)=sin⁡αcos⁡β±cos⁡αsin⁡β,\cos(\alpha \pm \beta) = \cos\alpha\cos\beta \mp \sin\alpha\sin\beta, \qquad \sin(\alpha \pm \beta) = \sin\alpha\cos\beta \pm \cos\alpha\sin\beta, tan⁡(α±β)=tan⁡α±tan⁡β1∓tan⁡αtan⁡β,\tan(\alpha\pm\beta) = \frac{\tan\alpha \pm \tan\beta}{1 \mp \tan\alpha\tan\beta}, sin⁡2α=2sin⁡αcos⁡α,tan⁡2α=2tan⁡α1−tan⁡2α,\sin 2\alpha = 2\sin\alpha\cos\alpha, \qquad \tan 2\alpha = \frac{2\tan\alpha}{1-\tan^2\alpha}, cos⁡2α=cos⁡2α−sin⁡2α=2cos⁡2α−1=1−2sin⁡2α.\cos 2\alpha = \cos^2\alpha - \sin^2\alpha = 2\cos^2\alpha - 1 = 1 - 2\sin^2\alpha.

符号最容易记混,只需记两句:余弦的符号与括号里相反(”cos⁡\cos 号反”), 正弦的符号与括号里相同(”sin⁡\sin 号同”);正切的分母符号与括号里相反。

cos⁡2α\cos2\alpha 的三个版本各有各的用处:要消 sin⁡\sin 用 2cos⁡2α−12\cos^2\alpha-1, 要消 cos⁡\cos 用 1−2sin⁡2α1-2\sin^2\alpha,要同时看两者用 cos⁡2α−sin⁡2α\cos^2\alpha-\sin^2\alpha。 把后两个反过来写就是降幂公式:

cos⁡2α=1+cos⁡2α2,sin⁡2α=1−cos⁡2α2.\cos^2\alpha = \frac{1+\cos2\alpha}{2}, \qquad \sin^2\alpha = \frac{1-\cos2\alpha}{2}.

二、三类题,三个动作

动作一:拆——把非特殊角拆成两个特殊角。 15∘=45∘−30∘15^\circ = 45^\circ - 30^\circ、75∘=45∘+30∘75^\circ = 45^\circ+30^\circ,于是

cos⁡15∘=cos⁡(45∘−30∘)=6+24.\cos 15^\circ = \cos(45^\circ-30^\circ) = \frac{\sqrt6+\sqrt2}{4}.

动作二:合——把一串乘积合成一个角。 这是”求值”题的主线, 关键是认出公式的右边形状:见到 sin⁡Acos⁡B+cos⁡Asin⁡B\sin A\cos B + \cos A\sin B 就并成 sin⁡(A+B)\sin(A+B), 见到 cos⁡Acos⁡B+sin⁡Asin⁡B\cos A\cos B + \sin A\sin B 就并成 cos⁡(A−B)\cos(A-B), 见到 tan⁡A+tan⁡B1−tan⁡Atan⁡B\frac{\tan A + \tan B}{1-\tan A\tan B} 就并成 tan⁡(A+B)\tan(A+B)。 顺序、正负号只要有一处对不上,先用诱导公式把某个角调过来再并。

动作三:辅助角——把 asin⁡x+bcos⁡xa\sin x + b\cos x 并成一个三角函数。

asin⁡x+bcos⁡x=a2+b2 sin⁡(x+φ),a\sin x + b\cos x = \sqrt{a^2+b^2}\,\sin(x+\varphi),

其中 φ\varphi 由 cos⁡φ=aa2+b2\cos\varphi = \frac{a}{\sqrt{a^2+b^2}}、sin⁡φ=ba2+b2\sin\varphi = \frac{b}{\sqrt{a^2+b^2}} 确定。 做法是先提出 a2+b2\sqrt{a^2+b^2},让括号里两个系数的平方和为 11,再把它们认成某个角的余弦与正弦。 本节练习里出现的四个都是特殊角:(12,32)\left(\frac12, \frac{\sqrt3}{2}\right)、 (32,12)\left(\frac{\sqrt3}{2}, \frac12\right)、(22,22)\left(\frac{\sqrt2}{2}, \frac{\sqrt2}{2}\right) 各对应 π3\frac{\pi}{3}、π6\frac{\pi}{6}、π4\frac{\pi}{4}。

辅助角是整章最有用的一个动作——它把”两个三角函数的和”变成”一个三角函数”, 于是求最值、求周期、求单调区间全部可用第 5.4 节那一套。

动作四:除——把”关于 sin⁡\sin、cos⁡\cos 的齐次式”化成正切。 分子分母都是 sin⁡θ\sin\theta、cos⁡θ\cos\theta 的同次式时,上下同除 cos⁡nθ\cos^n\theta,式子里就只剩 tan⁡θ\tan\theta:

asin⁡θ+bcos⁡θcsin⁡θ+dcos⁡θ=atan⁡θ+bctan⁡θ+d,cos⁡2θ=cos⁡2θ−sin⁡2θcos⁡2θ+sin⁡2θ=1−tan⁡2θ1+tan⁡2θ.\frac{a\sin\theta+b\cos\theta}{c\sin\theta+d\cos\theta} = \frac{a\tan\theta+b}{c\tan\theta+d}, \qquad \cos 2\theta = \frac{\cos^2\theta-\sin^2\theta}{\cos^2\theta+\sin^2\theta} = \frac{1-\tan^2\theta}{1+\tan^2\theta}.

第二式分母上那个 11 是补出来的(1=cos⁡2θ+sin⁡2θ1=\cos^2\theta+\sin^2\theta,把 00 次的常数撑成 22 次)—— 不齐次先补成齐次,这就是这个动作的全部技巧。随身再记一条同源的小结论 1cos⁡2θ=1+tan⁡2θ\dfrac{1}{\cos^2\theta} = 1+\tan^2\theta:给了 tan⁡θ\tan\theta,cos⁡2θ\cos^2\theta、sin⁡2θ\sin^2\theta、 sin⁡θcos⁡θ\sin\theta\cos\theta 三个二次量一步全出(tan⁡θ=2\tan\theta=2 时分别是 15\frac15、45\frac45、25\frac25)。

这个动作真正的价值是省掉”定号”:它全程不碰 sin⁡θ\sin\theta、cos⁡θ\cos\theta 各自的符号, 所以”tan⁡θ=2\tan\theta=2,求 cos⁡2θ\cos2\theta“这种没给象限的题照样有唯一答案(2020 年第 13 题)。

三、给了一个值,求另一个角的三角函数:固定四步

这是本节最常见的题型(练习里出现五六次),流程固定:

  1. 由给的那个值与角的范围,定出同角的另一个三角函数值(用平方关系 + 象限定号);
  2. 把所求的角拆成”已知角 ± 特殊角”;
  3. 套和差角公式展开;
  4. 代入数值算,最后核一遍符号是否合理。

第 1 步的定号是全部风险所在:题目给的范围("α∈(π2,π)\alpha \in \left(\frac{\pi}{2},\pi\right)" ”θ\theta 是第三象限角”)就是为这一步准备的,漏看它答案必错一半。

但落笔前先问一句:这一步真的需要吗? 若给的是 tan⁡θ\tan\theta,而所求能写成 sin⁡θ\sin\theta、cos⁡θ\cos\theta 的 齐次式(cos⁡2θ\cos2\theta、sin⁡2θ\sin2\theta、sin⁡θ−cos⁡θsin⁡θ+cos⁡θ\frac{\sin\theta-\cos\theta}{\sin\theta+\cos\theta} 之类), 就用动作四直接化到 tan⁡θ\tan\theta 上,跳过第 1 步——那时象限压根不影响答案,题目也就不会给范围。 反过来,所求带奇次项(问 sin⁡θ\sin\theta 本身、问 sin⁡θ+cos⁡θ\sin\theta+\cos\theta)时符号必须定, 没给范围就得把两支都写出来。一句话判据:所求是齐次式就不必定号,不是齐次式就必须定号。

四、易错清单

按失分频率排:

  1. 和差角公式的符号写反。 记”cos⁡\cos 号反、sin⁡\sin 号同”。
  2. 求另一个函数值时不定号,或该分类时没分类。
  3. 辅助角忘了提 a2+b2\sqrt{a^2+b^2},或提出来之后括号里的系数不满足平方和为 11。
  4. tan⁡\tan 的公式忘了它的使用前提:tan⁡α\tan\alpha、tan⁡β\tan\beta、tan⁡(α±β)\tan(\alpha\pm\beta) 都要有意义, 且分母 1∓tan⁡αtan⁡β≠01 \mp \tan\alpha\tan\beta \neq 0。
  5. 二倍角只记住一个版本。 cos⁡2α\cos2\alpha 的三个版本要按”想消掉谁”来挑。
  6. ”2α2\alpha 的二倍角”用错层级。 sin⁡α4=2sin⁡α8cos⁡α8\sin\frac{\alpha}{4} = 2\sin\frac{\alpha}{8}\cos\frac{\alpha}{8} 也是二倍角公式——倍角关系是相对的,看清谁是谁的两倍。
  7. 齐次化漏了”补齐次”那一步。 把 cos⁡2α=cos⁡2α−sin⁡2α\cos2\alpha=\cos^2\alpha-\sin^2\alpha 直接除以 cos⁡2α\cos^2\alpha 得到 1−tan⁡2α1-\tan^2\alpha,少了分母上那个 1+tan⁡2α1+\tan^2\alpha(tan⁡α=2\tan\alpha=2 时答案会从 −35-\frac35 错成 −3-3)。 动作四只对分子分母同次的式子成立,常数项要先用 1=cos⁡2α+sin⁡2α1=\cos^2\alpha+\sin^2\alpha 撑上去。

五、这一节考过的真题(怎么用它们)

本节是这一册连着真题最多的一节(页面下方那份清单是构建期派生的完整版),说一下读的顺序:

  • 入门先做 2020 年第 13 题(tan⁡θ=2\tan\theta=2,求 cos⁡2θ\cos2\theta 与 tan⁡(θ−π4)\tan\left(\theta-\frac{\pi}{4}\right)): 全节最短的一道,两行填完,却同时练了”cos⁡2θ\cos2\theta 挑哪张面孔”与”T(α−β)T_{(\alpha-\beta)} 的分母是 1+1+”。 它还是动作四在真题里的纯例题——没给象限也有唯一答案,正好用来检验你是不是真懂 “什么时候不必定号”(课本例 3 那道 tan⁡(α−π4)\tan\left(\alpha-\frac{\pi}{4}\right) 反过来:那里给了”第四象限角”, 因为要先由 sin⁡α\sin\alpha 反求 cos⁡α\cos\alpha);

  • 接着做 2015 年第 11 题(f(x)=sin⁡2x+sin⁡xcos⁡x+1f(x)=\sin^{2}x+\sin x\cos x+1 的最小正周期与单调递减区间): 本节的两个动作在这道题里连着用一次——先用二倍角把 sin⁡2x\sin^{2}x 降幂成 1−cos⁡2x2\frac{1-\cos 2x}{2}、 把 sin⁡xcos⁡x\sin x\cos x 升成 12sin⁡2x\frac{1}{2}\sin 2x,再合一成 22sin⁡(2x−π4)+32\frac{\sqrt{2}}{2}\sin\left(2x-\frac{\pi}{4}\right)+\frac{3}{2}。 它最值得留意的是为什么非化不可:原式里 sin⁡x\sin x 明晃晃地写着, 可整个式子的周期是 π\pi 而不是 2π2\pi——周期要对整式算,不能挑其中一项的; 化成一条正弦之后,周期与单调区间才都变成一眼可读的东西;

  • 再做 2024 年第 4 题(和差余弦求值)与 2023 年第 8 题(和差角凑 sin⁡(α+β)\sin(\alpha+\beta)、 二倍角选 1−2sin⁡21-2\sin^2 求 cos⁡(2α+2β)\cos(2\alpha+2\beta)):这两道是本节公式最标准的用法—— 先看所求的角与已知的角差在哪里,再决定用和角还是倍角;

  • 再看 2022 年第 13 题(互余角求值)与 2024 年第 15 题(两个条件各定一个角): 它们要在诱导公式与和差角公式之间来回换;

  • 然后是 2023 年第 6 题(圆外一点两切线夹角)与 2025 年第 4 题(正切函数的对称中心): 二倍角在几何题里的典型用法是把半角的关系升到整角;

  • 2022 年第 18 题、2023 年第 17 题、2025 年第 11 题都是解三角形, 和角公式在其中负责”把 sin⁡(A+B)\sin(A+B) 换成 sin⁡C\sin C“之后的展开;

  • 2015 年第 16 题(A=π4A=\frac{\pi}{4}、b2−a2=12c2b^{2}-a^{2}=\frac12 c^{2})把和差角公式用出了另一个花样: 它先用正弦定理把条件变成 sin⁡2B−sin⁡2A=12sin⁡2C\sin^{2}B-\sin^{2}A=\frac12\sin^{2}C,再套一条由本节公式直接展开 就能证的恒等式

    sin⁡(B+A)sin⁡(B−A)=sin⁡2B−sin⁡2A\sin(B+A)\sin(B-A)=\sin^{2}B-\sin^{2}A

    (把两个括号乘开得 sin⁡2Bcos⁡2A−cos⁡2Bsin⁡2A\sin^{2}B\cos^{2}A-\cos^{2}B\sin^{2}A,再各用一次 cos⁡2=1−sin⁡2\cos^{2}=1-\sin^{2} 即可), 于是两个平方差被一步换成一个乘积,配上 sin⁡(A+B)=sin⁡C\sin(A+B)=\sin C 立刻约掉一个 sin⁡C\sin C, 条件塌成 sin⁡(B−A)=12sin⁡C\sin(B-A)=\frac12\sin C。这条”正弦的平方差 == 和角乘差角”值得单独记住: 凡是条件里出现 b2−a2b^{2}-a^{2} 这种边的平方差,边化角之后它就是入口。 代入 A=π4A=\frac{\pi}{4} 展开后两边关于 sin⁡B\sin B、cos⁡B\cos B 同次齐次,同除 cos⁡B\cos B 得 tan⁡B=3\tan B=3, 再由内角和一步得 tan⁡C=2\tan C=2——全程没算过一条边;

  • 最后是 2022 年第 17 题(正八边形上八段距离平方和)与 2025 年第 19 题(三角压轴): 前者用二倍角把 sin⁡2\sin^2 降幂成一次、整片求和;后者要把 cos⁡5x\cos 5x 化成 cos⁡x\cos x 的多项式。 这两道是本节的上限:倍角公式真正的力量不在算一个值,在把高次的三角式降成低次的。

习题详解(本站解答,无官方答案可核)

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。

本节课本习题共 15 道,分三组「练习」,各 5 道:第 223 页(差角余弦公式那一组)、 第 227 页(和差角公式那一组)、第 230 页(二倍角公式那一组),逐题全做。 本节没有开放式的实习作业或方案设计,因此没有不收的题。

下文反复用到的公式:

cos⁡(α±β)=cos⁡αcos⁡β∓sin⁡αsin⁡β,sin⁡(α±β)=sin⁡αcos⁡β±cos⁡αsin⁡β,\cos(\alpha \pm \beta) = \cos\alpha\cos\beta \mp \sin\alpha\sin\beta, \qquad \sin(\alpha \pm \beta) = \sin\alpha\cos\beta \pm \cos\alpha\sin\beta, tan⁡(α±β)=tan⁡α±tan⁡β1∓tan⁡αtan⁡β,sin⁡2α=2sin⁡αcos⁡α,tan⁡2α=2tan⁡α1−tan⁡2α,\tan(\alpha\pm\beta) = \frac{\tan\alpha \pm \tan\beta}{1 \mp \tan\alpha\tan\beta}, \qquad \sin2\alpha = 2\sin\alpha\cos\alpha, \qquad \tan2\alpha = \frac{2\tan\alpha}{1-\tan^2\alpha}, cos⁡2α=cos⁡2α−sin⁡2α=2cos⁡2α−1=1−2sin⁡2α,\cos2\alpha = \cos^2\alpha-\sin^2\alpha = 2\cos^2\alpha-1 = 1-2\sin^2\alpha,

以及同角关系 sin⁡2α+cos⁡2α=1\sin^2\alpha+\cos^2\alpha=1、tan⁡α=sin⁡αcos⁡α\tan\alpha = \frac{\sin\alpha}{\cos\alpha}。 每道题先逐字引课本的题面(引用块),再写解答。

练习(第 223 页)第 1 题

  1. 利用公式 C(α−β)C_{(\alpha - \beta)} 证明:

(1) cos⁡(3π2−α)=−sin⁡α;\cos \left(\frac{3\pi}{2} -\alpha\right) = -\sin \alpha ; (2) cos⁡(−α)=cos⁡α.\cos (-\alpha) = \cos \alpha .

公式 C(α−β)C_{(\alpha-\beta)} 就是 cos⁡(α−β)=cos⁡αcos⁡β+sin⁡αsin⁡β\cos(\alpha-\beta) = \cos\alpha\cos\beta + \sin\alpha\sin\beta。 两小问都是把它用在一个”特殊角减 α\alpha“上。

(1) 取公式里的 α=3π2\alpha = \frac{3\pi}{2}、β=α\beta = \alpha(题目里的那个 α\alpha),得

cos⁡(3π2−α)=cos⁡3π2cos⁡α+sin⁡3π2sin⁡α.\cos\left(\frac{3\pi}{2}-\alpha\right) = \cos\frac{3\pi}{2}\cos\alpha + \sin\frac{3\pi}{2}\sin\alpha.

而 cos⁡3π2=0\cos\frac{3\pi}{2} = 0、sin⁡3π2=−1\sin\frac{3\pi}{2} = -1,代入得

=0⋅cos⁡α+(−1)⋅sin⁡α=−sin⁡α.= 0 \cdot \cos\alpha + (-1)\cdot\sin\alpha = -\sin\alpha.

(2) 把 −α-\alpha 写成 0−α0 - \alpha,取公式里的两个角为 00 与 α\alpha:

cos⁡(−α)=cos⁡(0−α)=cos⁡0cos⁡α+sin⁡0sin⁡α=1⋅cos⁡α+0=cos⁡α.\cos(-\alpha) = \cos(0-\alpha) = \cos 0\cos\alpha + \sin 0\sin\alpha = 1 \cdot \cos\alpha + 0 = \cos\alpha.

这两条正是第 5.3 节的诱导公式——那里靠单位圆的对称推出来,这里靠一条和差角公式推出来。 同一条结论有两条来路,说明公式体系是自洽的:C(α−β)C_{(\alpha-\beta)} 一立,诱导公式就成了它的特例。

练习(第 223 页)第 2 题

  1. 利用公式 C(α−β)C_{(\alpha - \beta)} 求 cos⁡15∘\cos 15^{\circ} 的值.

关键动作:把 15∘15^\circ 拆成两个特殊角的差。 15∘=45∘−30∘15^\circ = 45^\circ - 30^\circ,于是

cos⁡15∘=cos⁡(45∘−30∘)=cos⁡45∘cos⁡30∘+sin⁡45∘sin⁡30∘.\cos 15^\circ = \cos(45^\circ - 30^\circ) = \cos45^\circ\cos30^\circ + \sin45^\circ\sin30^\circ.

代入 cos⁡45∘=sin⁡45∘=22\cos45^\circ = \sin45^\circ = \frac{\sqrt2}{2}、cos⁡30∘=32\cos30^\circ = \frac{\sqrt3}{2}、sin⁡30∘=12\sin30^\circ = \frac12:

=22⋅32+22⋅12=64+24=6+24.= \frac{\sqrt2}{2}\cdot\frac{\sqrt3}{2} + \frac{\sqrt2}{2}\cdot\frac12 = \frac{\sqrt6}{4} + \frac{\sqrt2}{4} = \frac{\sqrt6+\sqrt2}{4}.

核一遍数值:6≈2.4495\sqrt6 \approx 2.4495、2≈1.4142\sqrt2 \approx 1.4142, 故上式 ≈3.86374≈0.9659\approx \frac{3.8637}{4} \approx 0.9659;而 cos⁡15∘≈0.9659\cos15^\circ \approx 0.9659 ✓。

(拆成 60∘−45∘60^\circ - 45^\circ 也行,结果相同: cos⁡60∘cos⁡45∘+sin⁡60∘sin⁡45∘=24+64\cos60^\circ\cos45^\circ + \sin60^\circ\sin45^\circ = \frac{\sqrt2}{4}+\frac{\sqrt6}{4}。)

练习(第 223 页)第 3 题

  1. 已知 cos⁡α=−35,α∈(π2,π)\cos \alpha = -\frac{3}{5}, \alpha \in \left(\frac{\pi}{2}, \pi\right), 求 cos⁡(π4−α)\cos \left(\frac{\pi}{4} - \alpha\right) 的值.

第一步:先求 sin⁡α\sin\alpha。 由平方关系

sin⁡2α=1−(−35)2=1−925=1625,\sin^2\alpha = 1 - \left(-\frac35\right)^2 = 1 - \frac{9}{25} = \frac{16}{25},

故 sin⁡α=±45\sin\alpha = \pm\frac45;由 α∈(π2,π)\alpha \in \left(\frac{\pi}{2},\pi\right)(第二象限)知 sin⁡α>0\sin\alpha>0,取

sin⁡α=45.\sin\alpha = \frac45.

第二步:套差角余弦公式。

cos⁡(π4−α)=cos⁡π4cos⁡α+sin⁡π4sin⁡α=22(−35)+22⋅45=22⋅15=210.\cos\left(\frac{\pi}{4}-\alpha\right) = \cos\frac{\pi}{4}\cos\alpha + \sin\frac{\pi}{4}\sin\alpha = \frac{\sqrt2}{2}\left(-\frac35\right) + \frac{\sqrt2}{2}\cdot\frac45 = \frac{\sqrt2}{2}\cdot\frac{1}{5} = \frac{\sqrt2}{10}.

核一遍:α\alpha 在第二象限、约 126.87∘126.87^\circ,故 π4−α≈45∘−126.87∘=−81.87∘\frac{\pi}{4}-\alpha \approx 45^\circ - 126.87^\circ = -81.87^\circ, 其余弦约 0.14140.1414;而 210≈0.1414\frac{\sqrt2}{10} \approx 0.1414 ✓。

练习(第 223 页)第 4 题

  1. 已知 sin⁡θ=1517\sin \theta = \frac{15}{17}, θ\theta 是第二象限角, 求 cos⁡(θ−π3)\cos \left(\theta - \frac{\pi}{3}\right) 的值.

第一步:求 cos⁡θ\cos\theta。

cos⁡2θ=1−(1517)2=1−225289=64289,\cos^2\theta = 1 - \left(\frac{15}{17}\right)^2 = 1 - \frac{225}{289} = \frac{64}{289},

故 cos⁡θ=±817\cos\theta = \pm\frac{8}{17};θ\theta 是第二象限角,cos⁡θ<0\cos\theta<0,取 cos⁡θ=−817\cos\theta = -\frac{8}{17}。

第二步:套差角余弦公式。

cos⁡(θ−π3)=cos⁡θcos⁡π3+sin⁡θsin⁡π3=(−817)⋅12+1517⋅32=−8+15334.\cos\left(\theta - \frac{\pi}{3}\right) = \cos\theta\cos\frac{\pi}{3} + \sin\theta\sin\frac{\pi}{3} = \left(-\frac{8}{17}\right)\cdot\frac12 + \frac{15}{17}\cdot\frac{\sqrt3}{2} = \frac{-8 + 15\sqrt3}{34}.

核一遍数值:153≈25.98115\sqrt3 \approx 25.981,故上式 ≈17.98134≈0.5289\approx \frac{17.981}{34} \approx 0.5289。 另一边:θ≈118.07∘\theta \approx 118.07^\circ,θ−60∘≈58.07∘\theta - 60^\circ \approx 58.07^\circ,其余弦约 0.52890.5289 ✓。

练习(第 223 页)第 5 题

  1. 已知 sin⁡α=−23,α∈(π,3π2),cos⁡β=34,β∈(3π2,2π)\sin \alpha = -\frac{2}{3}, \alpha \in \left(\pi, \frac{3\pi}{2}\right), \cos \beta = \frac{3}{4}, \beta \in \left(\frac{3\pi}{2}, 2\pi\right), 求 cos⁡(β−α)\cos (\beta - \alpha) 的值.

第一步:把两个角各自的另一个函数值补齐。

α∈(π,3π2)\alpha \in \left(\pi, \frac{3\pi}{2}\right) 是第三象限角,cos⁡α<0\cos\alpha<0:

cos⁡2α=1−49=59,cos⁡α=−53.\cos^2\alpha = 1 - \frac49 = \frac59, \qquad \cos\alpha = -\frac{\sqrt5}{3}.

β∈(3π2,2π)\beta \in \left(\frac{3\pi}{2}, 2\pi\right) 是第四象限角,sin⁡β<0\sin\beta<0:

sin⁡2β=1−916=716,sin⁡β=−74.\sin^2\beta = 1 - \frac{9}{16} = \frac{7}{16}, \qquad \sin\beta = -\frac{\sqrt7}{4}.

第二步:套差角余弦公式(注意所求是 cos⁡(β−α)\cos(\beta-\alpha),前一个角是 β\beta):

cos⁡(β−α)=cos⁡βcos⁡α+sin⁡βsin⁡α=34⋅(−53)+(−74)⋅(−23).\cos(\beta-\alpha) = \cos\beta\cos\alpha + \sin\beta\sin\alpha = \frac34\cdot\left(-\frac{\sqrt5}{3}\right) + \left(-\frac{\sqrt7}{4}\right)\cdot\left(-\frac23\right).

逐项算:第一项 =−54=−3512= -\frac{\sqrt5}{4} = -\frac{3\sqrt5}{12};第二项 =2712= \frac{2\sqrt7}{12}。故

cos⁡(β−α)=27−3512.\cos(\beta-\alpha) = \frac{2\sqrt7 - 3\sqrt5}{12}.

核一遍数值:27≈5.29152\sqrt7 \approx 5.2915、35≈6.70823\sqrt5 \approx 6.7082, 上式 ≈−1.416712≈−0.1181\approx \frac{-1.4167}{12} \approx -0.1181。 另一边:α≈π+0.7297≈3.8713\alpha \approx \pi + 0.7297 \approx 3.8713,β≈2π−0.7227≈5.5605\beta \approx 2\pi - 0.7227 \approx 5.5605, β−α≈1.6892\beta - \alpha \approx 1.6892,其余弦约 −0.1181-0.1181 ✓。

顺带一提:cos⁡(β−α)=cos⁡(α−β)\cos(\beta-\alpha) = \cos(\alpha-\beta)(余弦是偶函数),所以两个角谁前谁后不影响结果—— 但正弦那边就不同了,sin⁡(β−α)=−sin⁡(α−β)\sin(\beta-\alpha) = -\sin(\alpha-\beta),顺序不能随便换。

练习(第 227 页)第 1 题

  1. 利用和(差)角公式,求下列各式的值:

(1) sin⁡15∘\sin 15^{\circ} ; (2) cos⁡75∘\cos 75^{\circ} ; (3) sin⁡75∘\sin 75^{\circ} ; (4) tan⁡15∘\tan 15^{\circ} .

四小问都把角拆成 45∘45^\circ 与 30∘30^\circ 的和或差。

(1) sin⁡15∘=sin⁡(45∘−30∘)=sin⁡45∘cos⁡30∘−cos⁡45∘sin⁡30∘\sin15^\circ = \sin(45^\circ-30^\circ) = \sin45^\circ\cos30^\circ - \cos45^\circ\sin30^\circ

=22⋅32−22⋅12=6−24.= \frac{\sqrt2}{2}\cdot\frac{\sqrt3}{2} - \frac{\sqrt2}{2}\cdot\frac12 = \frac{\sqrt6-\sqrt2}{4}.

(2) cos⁡75∘=cos⁡(45∘+30∘)=cos⁡45∘cos⁡30∘−sin⁡45∘sin⁡30∘\cos75^\circ = \cos(45^\circ+30^\circ) = \cos45^\circ\cos30^\circ - \sin45^\circ\sin30^\circ

=64−24=6−24.= \frac{\sqrt6}{4} - \frac{\sqrt2}{4} = \frac{\sqrt6-\sqrt2}{4}.

(与 (1) 相等,这正是诱导公式 cos⁡75∘=sin⁡15∘\cos75^\circ = \sin15^\circ 的体现——两角互余。)

(3) sin⁡75∘=sin⁡(45∘+30∘)=sin⁡45∘cos⁡30∘+cos⁡45∘sin⁡30∘\sin75^\circ = \sin(45^\circ+30^\circ) = \sin45^\circ\cos30^\circ + \cos45^\circ\sin30^\circ

=64+24=6+24.= \frac{\sqrt6}{4} + \frac{\sqrt2}{4} = \frac{\sqrt6+\sqrt2}{4}.

(4) tan⁡15∘=tan⁡(45∘−30∘)=tan⁡45∘−tan⁡30∘1+tan⁡45∘tan⁡30∘\tan15^\circ = \tan(45^\circ-30^\circ) = \dfrac{\tan45^\circ - \tan30^\circ}{1+\tan45^\circ\tan30^\circ}。 代入 tan⁡45∘=1\tan45^\circ = 1、tan⁡30∘=33\tan30^\circ = \frac{\sqrt3}{3}:

=1−331+33=3−33+3=(3−3)2(3+3)(3−3)=9−63+39−3=12−636=2−3.= \frac{1-\frac{\sqrt3}{3}}{1+\frac{\sqrt3}{3}} = \frac{3-\sqrt3}{3+\sqrt3} = \frac{(3-\sqrt3)^2}{(3+\sqrt3)(3-\sqrt3)} = \frac{9-6\sqrt3+3}{9-3} = \frac{12-6\sqrt3}{6} = 2-\sqrt3.

(分母有理化那一步是把分子分母同乘 3−33-\sqrt3。)

核一遍数值:sin⁡15∘≈0.2588\sin15^\circ \approx 0.2588 而 6−24≈0.2588\frac{\sqrt6-\sqrt2}{4} \approx 0.2588 ✓; tan⁡15∘≈0.2679\tan15^\circ \approx 0.2679 而 2−3≈0.26792-\sqrt3 \approx 0.2679 ✓。 再核一条一致性:sin⁡15∘cos⁡15∘=6−26+2\frac{\sin15^\circ}{\cos15^\circ} = \frac{\sqrt6-\sqrt2}{\sqrt6+\sqrt2}, 分子分母同乘 6−2\sqrt6-\sqrt2 得 8−434=2−3\frac{8-4\sqrt3}{4} = 2-\sqrt3 ✓,与 (4) 一致。

练习(第 227 页)第 2 题

2.(1)已知 cos⁡θ=−35,θ∈(π2,π)\cos \theta = -\frac{3}{5},\theta \in \left(\frac{\pi}{2},\pi\right) ,求 sin⁡(θ+π3)\sin \left(\theta +\frac{\pi}{3}\right) 的值;

(2) 已知 sin⁡θ=−1213\sin\theta=-\frac{12}{13} , θ\theta 是第三象限角,求 cos⁡(π6+θ)\cos\left(\frac{\pi}{6}+\theta\right) 的值;

(3) 已知 tan⁡α=3\tan \alpha = 3 ,求 tan⁡(α+π4)\tan\left(\alpha + \frac{\pi}{4}\right) 的值.

(1) 先补 sin⁡θ\sin\theta:sin⁡2θ=1−925=1625\sin^2\theta = 1-\frac9{25} = \frac{16}{25},第二象限 sin⁡>0\sin>0,故 sin⁡θ=45\sin\theta = \frac45。

sin⁡(θ+π3)=sin⁡θcos⁡π3+cos⁡θsin⁡π3=45⋅12+(−35)⋅32=410−3310=4−3310.\sin\left(\theta+\frac{\pi}{3}\right) = \sin\theta\cos\frac{\pi}{3} + \cos\theta\sin\frac{\pi}{3} = \frac45\cdot\frac12 + \left(-\frac35\right)\cdot\frac{\sqrt3}{2} = \frac{4}{10} - \frac{3\sqrt3}{10} = \frac{4-3\sqrt3}{10}.

(2) 先补 cos⁡θ\cos\theta:cos⁡2θ=1−144169=25169\cos^2\theta = 1 - \frac{144}{169} = \frac{25}{169},第三象限 cos⁡<0\cos<0, 故 cos⁡θ=−513\cos\theta = -\frac5{13}。

cos⁡(π6+θ)=cos⁡π6cos⁡θ−sin⁡π6sin⁡θ=32(−513)−12(−1213)=−53+1226=12−5326.\cos\left(\frac{\pi}{6}+\theta\right) = \cos\frac{\pi}{6}\cos\theta - \sin\frac{\pi}{6}\sin\theta = \frac{\sqrt3}{2}\left(-\frac5{13}\right) - \frac12\left(-\frac{12}{13}\right) = \frac{-5\sqrt3 + 12}{26} = \frac{12-5\sqrt3}{26}.

(3) 直接套正切和角公式(tan⁡π4=1\tan\frac{\pi}{4} = 1):

tan⁡(α+π4)=tan⁡α+11−tan⁡α=3+11−3=4−2=−2.\tan\left(\alpha+\frac{\pi}{4}\right) = \frac{\tan\alpha + 1}{1 - \tan\alpha} = \frac{3+1}{1-3} = \frac{4}{-2} = -2.

(用公式前先看分母:1−tan⁡αtan⁡π4=1−3=−2≠01 - \tan\alpha\tan\frac{\pi}{4} = 1-3 = -2 \neq 0,可用。)

核一遍 (1):4−33≈−1.1964 - 3\sqrt3 \approx -1.196,故答案约 −0.1196-0.1196。 另一边 θ≈126.87∘\theta \approx 126.87^\circ,θ+60∘≈186.87∘\theta + 60^\circ \approx 186.87^\circ,其正弦约 −0.1196-0.1196 ✓。

练习(第 227 页)第 3 题

  1. 求下列各式的值:

(1) sin⁡72∘cos⁡18∘+cos⁡72∘sin⁡18∘;\sin 72^{\circ}\cos 18^{\circ} + \cos 72^{\circ}\sin 18^{\circ};

(2) cos⁡72∘cos⁡12∘+sin⁡72∘sin⁡12∘;\cos 72^{\circ}\cos 12^{\circ} + \sin 72^{\circ}\sin 12^{\circ};

(3) tan⁡12∘+tan⁡33∘1−tan⁡12∘tan⁡33∘;\frac{\tan 12^{\circ} + \tan 33^{\circ}}{1 - \tan 12^{\circ}\tan 33^{\circ}};

(4) cos⁡74∘sin⁡14∘−sin⁡74∘cos⁡14∘;\cos 74^{\circ}\sin 14^{\circ} - \sin 74^{\circ}\cos 14^{\circ};

(5) sin⁡34∘sin⁡26∘−cos⁡34∘cos⁡26∘;\sin 34^{\circ}\sin 26^{\circ} - \cos 34^{\circ}\cos 26^{\circ};

(6) sin⁡20∘cos⁡110∘+cos⁡160∘sin⁡70∘.\sin 20^{\circ}\cos 110^{\circ} + \cos 160^{\circ}\sin 70^{\circ}.

六小问都是认公式的右边、往回并成一个角。

(1) 形状是 sin⁡Acos⁡B+cos⁡Asin⁡B\sin A\cos B + \cos A\sin B,即 sin⁡(A+B)\sin(A+B):

sin⁡72∘cos⁡18∘+cos⁡72∘sin⁡18∘=sin⁡(72∘+18∘)=sin⁡90∘=1.\sin72^\circ\cos18^\circ + \cos72^\circ\sin18^\circ = \sin(72^\circ+18^\circ) = \sin90^\circ = 1.

(2) 形状是 cos⁡Acos⁡B+sin⁡Asin⁡B\cos A\cos B + \sin A\sin B,即 cos⁡(A−B)\cos(A-B):

cos⁡72∘cos⁡12∘+sin⁡72∘sin⁡12∘=cos⁡(72∘−12∘)=cos⁡60∘=12.\cos72^\circ\cos12^\circ + \sin72^\circ\sin12^\circ = \cos(72^\circ-12^\circ) = \cos60^\circ = \frac12.

(3) 形状是 tan⁡A+tan⁡B1−tan⁡Atan⁡B\dfrac{\tan A + \tan B}{1-\tan A\tan B},即 tan⁡(A+B)\tan(A+B):

tan⁡12∘+tan⁡33∘1−tan⁡12∘tan⁡33∘=tan⁡(12∘+33∘)=tan⁡45∘=1.\frac{\tan12^\circ+\tan33^\circ}{1-\tan12^\circ\tan33^\circ} = \tan(12^\circ+33^\circ) = \tan45^\circ = 1.

(4) 形状是 cos⁡Asin⁡B−sin⁡Acos⁡B\cos A\sin B - \sin A\cos B,把它整体提一个负号变成 −(sin⁡Acos⁡B−cos⁡Asin⁡B)-(\sin A\cos B - \cos A\sin B):

cos⁡74∘sin⁡14∘−sin⁡74∘cos⁡14∘=−(sin⁡74∘cos⁡14∘−cos⁡74∘sin⁡14∘)=−sin⁡(74∘−14∘)=−sin⁡60∘=−32.\cos74^\circ\sin14^\circ - \sin74^\circ\cos14^\circ = -\left(\sin74^\circ\cos14^\circ - \cos74^\circ\sin14^\circ\right) = -\sin(74^\circ-14^\circ) = -\sin60^\circ = -\frac{\sqrt3}{2}.

(5) 形状是 sin⁡Asin⁡B−cos⁡Acos⁡B\sin A\sin B - \cos A\cos B,同样整体提负号:

sin⁡34∘sin⁡26∘−cos⁡34∘cos⁡26∘=−(cos⁡34∘cos⁡26∘−sin⁡34∘sin⁡26∘)=−cos⁡(34∘+26∘)=−cos⁡60∘=−12.\sin34^\circ\sin26^\circ - \cos34^\circ\cos26^\circ = -\left(\cos34^\circ\cos26^\circ - \sin34^\circ\sin26^\circ\right) = -\cos(34^\circ+26^\circ) = -\cos60^\circ = -\frac12.

(6) 四个角不成对,先用诱导公式把它们调到能配对为止:

cos⁡110∘=cos⁡(180∘−70∘)=−cos⁡70∘,cos⁡160∘=cos⁡(180∘−20∘)=−cos⁡20∘.\cos110^\circ = \cos(180^\circ-70^\circ) = -\cos70^\circ, \qquad \cos160^\circ = \cos(180^\circ-20^\circ) = -\cos20^\circ.

代入原式:

sin⁡20∘(−cos⁡70∘)+(−cos⁡20∘)sin⁡70∘=−(sin⁡20∘cos⁡70∘+cos⁡20∘sin⁡70∘)=−sin⁡(20∘+70∘)=−sin⁡90∘=−1.\sin20^\circ(-\cos70^\circ) + (-\cos20^\circ)\sin70^\circ = -\left(\sin20^\circ\cos70^\circ + \cos20^\circ\sin70^\circ\right) = -\sin(20^\circ+70^\circ) = -\sin90^\circ = -1.

这六小问的共同动作:先看两项里的四个角是不是两两相同((1)–(5) 都是), 若不是就用诱导公式调((6));再按符号认是 sin⁡(A±B)\sin(A\pm B) 还是 cos⁡(A±B)\cos(A\pm B)。

练习(第 227 页)第 4 题

  1. 化简:

(1) 12cos⁡x−32sin⁡x;\frac{1}{2}\cos x - \frac{\sqrt{3}}{2}\sin x;

(2) 3sin⁡x+cos⁡x;\sqrt{3}\sin x + \cos x;

(3) 2(sin⁡x−cos⁡x);\sqrt{2}(\sin x - \cos x);

(4) 2cos⁡x−6sin⁡x.\sqrt{2}\cos x - \sqrt{6}\sin x.

这是辅助角那一类:把 asin⁡x+bcos⁡xa\sin x + b\cos x 并成一个三角函数。 做法是先提出 a2+b2\sqrt{a^2+b^2},让括号里的两个系数平方和为 11,再把它们认成某个特殊角的正余弦。

(1) 两个系数已经满足 (12)2+(32)2=1\left(\frac12\right)^2 + \left(\frac{\sqrt3}{2}\right)^2 = 1,不必再提。 认出 cos⁡π3=12\cos\frac{\pi}{3} = \frac12、sin⁡π3=32\sin\frac{\pi}{3} = \frac{\sqrt3}{2}:

12cos⁡x−32sin⁡x=cos⁡π3cos⁡x−sin⁡π3sin⁡x=cos⁡(x+π3).\frac12\cos x - \frac{\sqrt3}{2}\sin x = \cos\frac{\pi}{3}\cos x - \sin\frac{\pi}{3}\sin x = \cos\left(x+\frac{\pi}{3}\right).

(2) (3)2+12=2\sqrt{(\sqrt3)^2+1^2} = 2,提出 22:

3sin⁡x+cos⁡x=2(32sin⁡x+12cos⁡x)=2(cos⁡π6sin⁡x+sin⁡π6cos⁡x)=2sin⁡(x+π6).\sqrt3\sin x + \cos x = 2\left(\frac{\sqrt3}{2}\sin x + \frac12\cos x\right) = 2\left(\cos\frac{\pi}{6}\sin x + \sin\frac{\pi}{6}\cos x\right) = 2\sin\left(x+\frac{\pi}{6}\right).

(3) 2(sin⁡x−cos⁡x)=2(22sin⁡x−22cos⁡x)\sqrt2(\sin x - \cos x) = 2\left(\frac{\sqrt2}{2}\sin x - \frac{\sqrt2}{2}\cos x\right), 而 cos⁡π4=sin⁡π4=22\cos\frac{\pi}{4} = \sin\frac{\pi}{4} = \frac{\sqrt2}{2}:

=2(cos⁡π4sin⁡x−sin⁡π4cos⁡x)=2sin⁡(x−π4).= 2\left(\cos\frac{\pi}{4}\sin x - \sin\frac{\pi}{4}\cos x\right) = 2\sin\left(x - \frac{\pi}{4}\right).

(4) (2)2+(6)2=2+6=22\sqrt{(\sqrt2)^2 + (\sqrt6)^2} = \sqrt{2+6} = 2\sqrt2,提出 222\sqrt2:

2cos⁡x−6sin⁡x=22(12cos⁡x−32sin⁡x)=22cos⁡(x+π3),\sqrt2\cos x - \sqrt6\sin x = 2\sqrt2\left(\frac12\cos x - \frac{\sqrt3}{2}\sin x\right) = 2\sqrt2\cos\left(x+\frac{\pi}{3}\right),

最后一步用的正是 (1) 的结果。

核一个点:(2) 取 x=0x=0,左边 =1=1,右边 =2sin⁡π6=1=2\sin\frac{\pi}{6} = 1 ✓; (4) 取 x=0x=0,左边 =2≈1.414=\sqrt2 \approx 1.414,右边 =22cos⁡π3=22⋅12=2=2\sqrt2\cos\frac{\pi}{3} = 2\sqrt2\cdot\frac12 = \sqrt2 ✓。

并成一个三角函数有什么用:并完之后就能直接读出振幅、周期、最值与单调区间—— 这正是下一节 y=Asin⁡(ωx+φ)y = A\sin(\omega x+\varphi) 要用的形状。

练习(第 227 页)第 5 题

  1. 已知 sin⁡(α−β)cos⁡α−cos⁡(β−α)sin⁡α=35\sin (\alpha - \beta) \cos \alpha - \cos (\beta - \alpha) \sin \alpha = \frac{3}{5},β\beta 是第三象限角,求 sin⁡(β+5π4)\sin \left(\beta + \frac{5\pi}{4}\right) 的值.

第一步:把条件的左边并成一个角。 先用余弦是偶函数把 cos⁡(β−α)\cos(\beta-\alpha) 换成 cos⁡(α−β)\cos(\alpha-\beta), 于是左边

sin⁡(α−β)cos⁡α−cos⁡(α−β)sin⁡α.\sin(\alpha-\beta)\cos\alpha - \cos(\alpha-\beta)\sin\alpha.

这正是 sin⁡Acos⁡B−cos⁡Asin⁡B\sin A\cos B - \cos A\sin B 的形状(A=α−βA = \alpha-\beta,B=αB = \alpha),并成

=sin⁡[(α−β)−α]=sin⁡(−β)=−sin⁡β.= \sin\left[(\alpha-\beta) - \alpha\right] = \sin(-\beta) = -\sin\beta.

所以条件就是 −sin⁡β=35-\sin\beta = \frac35,即

sin⁡β=−35.\sin\beta = -\frac35.

第二步:补出 cos⁡β\cos\beta。 cos⁡2β=1−925=1625\cos^2\beta = 1 - \frac9{25} = \frac{16}{25}, β\beta 是第三象限角故 cos⁡β<0\cos\beta<0,取 cos⁡β=−45\cos\beta = -\frac45。

第三步:套和角正弦公式。 cos⁡5π4=−22\cos\frac{5\pi}{4} = -\frac{\sqrt2}{2}、sin⁡5π4=−22\sin\frac{5\pi}{4} = -\frac{\sqrt2}{2},

sin⁡(β+5π4)=sin⁡βcos⁡5π4+cos⁡βsin⁡5π4=(−35)(−22)+(−45)(−22).\sin\left(\beta+\frac{5\pi}{4}\right) = \sin\beta\cos\frac{5\pi}{4} + \cos\beta\sin\frac{5\pi}{4} = \left(-\frac35\right)\left(-\frac{\sqrt2}{2}\right) + \left(-\frac45\right)\left(-\frac{\sqrt2}{2}\right).

两项都是正的:

=3210+4210=7210.= \frac{3\sqrt2}{10} + \frac{4\sqrt2}{10} = \frac{7\sqrt2}{10}.

核一遍数值:7210≈0.9899\frac{7\sqrt2}{10} \approx 0.9899。 另一边:β\beta 在第三象限、sin⁡β=−0.6\sin\beta = -0.6、cos⁡β=−0.8\cos\beta = -0.8,故 β≈216.87∘\beta \approx 216.87^\circ; β+225∘≈441.87∘≡81.87∘\beta + 225^\circ \approx 441.87^\circ \equiv 81.87^\circ,其正弦约 0.98990.9899 ✓。

这道题的关键动作:条件式看着有四个三角函数,其实是一个和差角公式的右边—— 把它并起来,整道题就只剩”知一求二”了。

练习(第 230 页)第 1 题

  1. 已知 cos⁡α8=−45\cos \frac{\alpha}{8} = -\frac{4}{5}, 8π<α<12π8\pi < \alpha < 12\pi, 求 sin⁡α4\sin \frac{\alpha}{4}, cos⁡α4\cos \frac{\alpha}{4}, tan⁡α4\tan \frac{\alpha}{4} 的值.

先看清倍角关系:α4=2⋅α8\frac{\alpha}{4} = 2 \cdot \frac{\alpha}{8},所以这是以 α8\frac{\alpha}{8} 为基本角的二倍角问题。

第一步:定 α8\frac{\alpha}{8} 的象限,求 sin⁡α8\sin\frac{\alpha}{8}。 由 8π<α<12π8\pi < \alpha < 12\pi 得

π<α8<3π2,\pi < \frac{\alpha}{8} < \frac{3\pi}{2},

即 α8\frac{\alpha}{8} 是第三象限角,sin⁡α8<0\sin\frac{\alpha}{8} < 0。由平方关系

sin⁡2α8=1−1625=925,sin⁡α8=−35.\sin^2\frac{\alpha}{8} = 1 - \frac{16}{25} = \frac{9}{25}, \qquad \sin\frac{\alpha}{8} = -\frac35.

第二步:用二倍角公式。

sin⁡α4=2sin⁡α8cos⁡α8=2(−35)(−45)=2425;\sin\frac{\alpha}{4} = 2\sin\frac{\alpha}{8}\cos\frac{\alpha}{8} = 2\left(-\frac35\right)\left(-\frac45\right) = \frac{24}{25}; cos⁡α4=2cos⁡2α8−1=2⋅1625−1=32−2525=725;\cos\frac{\alpha}{4} = 2\cos^2\frac{\alpha}{8} - 1 = 2\cdot\frac{16}{25} - 1 = \frac{32-25}{25} = \frac{7}{25}; tan⁡α4=sin⁡α4cos⁡α4=24/257/25=247.\tan\frac{\alpha}{4} = \frac{\sin\frac{\alpha}{4}}{\cos\frac{\alpha}{4}} = \frac{24/25}{7/25} = \frac{24}{7}.

核一遍:(2425)2+(725)2=576+49625=1\left(\frac{24}{25}\right)^2 + \left(\frac{7}{25}\right)^2 = \frac{576+49}{625} = 1 ✓。 再核象限:由 8π<α<12π8\pi<\alpha<12\pi 得 2π<α4<3π2\pi < \frac{\alpha}{4} < 3\pi, 而算得 sin⁡α4>0\sin\frac{\alpha}{4}>0、cos⁡α4>0\cos\frac{\alpha}{4}>0,对应 α4\frac{\alpha}{4} 落在 (2π,2π+π2)\left(2\pi, 2\pi+\frac{\pi}{2}\right) 内——由 α8∈(π,3π2)\frac{\alpha}{8} \in \left(\pi, \frac{3\pi}{2}\right) 可知 α4∈(2π,3π)\frac{\alpha}{4} \in (2\pi, 3\pi),两者相容 ✓。

练习(第 230 页)第 2 题

  1. 已知 sin⁡(α−π)=35\sin (\alpha - \pi) = \frac{3}{5},求 cos⁡2α\cos 2\alpha 的值.

第一步:把条件化成 sin⁡α\sin\alpha。 由诱导公式

sin⁡(α−π)=−sin⁡(π−α)=−sin⁡α,\sin(\alpha-\pi) = -\sin(\pi-\alpha) = -\sin\alpha,

(也可以直接算:sin⁡(α−π)=sin⁡αcos⁡π−cos⁡αsin⁡π=−sin⁡α\sin(\alpha-\pi) = \sin\alpha\cos\pi - \cos\alpha\sin\pi = -\sin\alpha。) 故 −sin⁡α=35-\sin\alpha = \frac35,即

sin⁡α=−35.\sin\alpha = -\frac35.

第二步:挑对二倍角的版本。 所求只与 sin⁡α\sin\alpha 有关,所以用消掉 cos⁡\cos 的那一版:

cos⁡2α=1−2sin⁡2α=1−2⋅925=1−1825=725.\cos2\alpha = 1 - 2\sin^2\alpha = 1 - 2\cdot\frac{9}{25} = 1 - \frac{18}{25} = \frac{7}{25}.

注意这道题不必求 cos⁡α\cos\alpha,因此也不必分象限——sin⁡α\sin\alpha 是平方进去的, 正负都不影响结果。挑对公式的版本,能省掉一整段讨论。

练习(第 230 页)第 3 题

  1. 已知 sin⁡2α=−sin⁡α,α∈(π2,π)\sin 2\alpha = -\sin \alpha, \alpha \in \left(\frac{\pi}{2}, \pi\right),求 tan⁡α\tan \alpha 的值.

第一步:展开二倍角。

2sin⁡αcos⁡α=−sin⁡α.2\sin\alpha\cos\alpha = -\sin\alpha.

第二步:约掉 sin⁡α\sin\alpha 之前先验它不为零。 由 α∈(π2,π)\alpha \in \left(\frac{\pi}{2},\pi\right) 知 α\alpha 是第二象限角,sin⁡α>0\sin\alpha>0,特别地 sin⁡α≠0\sin\alpha \neq 0,可以两边同除:

2cos⁡α=−1,cos⁡α=−12.2\cos\alpha = -1, \qquad \cos\alpha = -\frac12.

第三步:求 tan⁡α\tan\alpha。 由平方关系 sin⁡2α=1−14=34\sin^2\alpha = 1-\frac14 = \frac34, 第二象限 sin⁡α>0\sin\alpha>0,故 sin⁡α=32\sin\alpha = \frac{\sqrt3}{2},于是

tan⁡α=sin⁡αcos⁡α=32−12=−3.\tan\alpha = \frac{\sin\alpha}{\cos\alpha} = \frac{\frac{\sqrt3}{2}}{-\frac12} = -\sqrt3.

核一遍:cos⁡α=−12\cos\alpha = -\frac12 且 α\alpha 在第二象限,说明 α=2π3\alpha = \frac{2\pi}{3}, 确实落在 (π2,π)\left(\frac{\pi}{2},\pi\right) 内;此时 sin⁡2α=sin⁡4π3=−32\sin2\alpha = \sin\frac{4\pi}{3} = -\frac{\sqrt3}{2}, 而 −sin⁡α=−32-\sin\alpha = -\frac{\sqrt3}{2},两者相等 ✓。

“约掉 sin⁡α\sin\alpha 前先验它不为零”这一步不能省:若不看范围直接约, 就丢掉了 sin⁡α=0\sin\alpha = 0 那一类解(本题因为 α\alpha 的范围而不存在,但换个范围就会漏)。

练习(第 230 页)第 4 题

  1. 已知 tan⁡2α=13\tan 2\alpha = \frac{1}{3},求 tan⁡α\tan \alpha 的值.

列方程。 设 t=tan⁡αt = \tan\alpha(由 tan⁡2α\tan2\alpha 有意义可知 tan⁡α\tan\alpha 存在且 1−t2≠01-t^2 \neq 0), 由二倍角正切公式

tan⁡2α=2t1−t2=13.\tan2\alpha = \frac{2t}{1-t^2} = \frac13.

解方程。 交叉相乘:6t=1−t26t = 1 - t^2,即

t2+6t−1=0.t^2 + 6t - 1 = 0.

由求根公式

t=−6±36+42=−6±402=−6±2102=−3±10.t = \frac{-6 \pm \sqrt{36+4}}{2} = \frac{-6\pm\sqrt{40}}{2} = \frac{-6 \pm 2\sqrt{10}}{2} = -3 \pm \sqrt{10}.

两个根都要保留:题目只给了 tan⁡2α\tan2\alpha 的值,没有限制 α\alpha 的范围, 两个值都能取到(它们对应两族不同的 α\alpha)。且两者都不使 1−t2=01-t^2 = 0 (t=±1t = \pm1 时 t2+6t−1t^2+6t-1 分别为 66 与 −6-6,都不为零),公式可用。所以

tan⁡α=−3+10或tan⁡α=−3−10.\tan\alpha = -3+\sqrt{10} \quad \text{或} \quad \tan\alpha = -3-\sqrt{10}.

核一遍:取 t=−3+10≈0.1623t = -3+\sqrt{10} \approx 0.1623,则 2t1−t2≈0.32461−0.02634≈0.32460.97366≈0.3333=13\frac{2t}{1-t^2} \approx \frac{0.3246}{1-0.02634} \approx \frac{0.3246}{0.97366} \approx 0.3333 = \frac13 ✓。

练习(第 230 页)第 5 题

  1. 求下列各式的值:

(1) sin⁡15∘cos⁡15∘;\sin 15^{\circ}\cos 15^{\circ};

(2) cos⁡2π8−sin⁡2π8;\cos^{2}\frac{\pi}{8}-\sin^{2}\frac{\pi}{8};

(3) tan⁡22.5∘1−tan⁡222.5∘;\frac{\tan 22.5^{\circ}}{1-\tan^{2}22.5^{\circ}};

(4) 2cos⁡222.5∘−1.2\cos^{2}22.5^{\circ}-1.

四小问都是二倍角公式的右边,往回并成一个角就行。

(1) sin⁡2α=2sin⁡αcos⁡α\sin2\alpha = 2\sin\alpha\cos\alpha,故 sin⁡αcos⁡α=12sin⁡2α\sin\alpha\cos\alpha = \frac12\sin2\alpha:

sin⁡15∘cos⁡15∘=12sin⁡30∘=12⋅12=14.\sin15^\circ\cos15^\circ = \frac12\sin30^\circ = \frac12\cdot\frac12 = \frac14.

(2) cos⁡2α=cos⁡2α−sin⁡2α\cos2\alpha = \cos^2\alpha - \sin^2\alpha:

cos⁡2π8−sin⁡2π8=cos⁡π4=22.\cos^2\frac{\pi}{8} - \sin^2\frac{\pi}{8} = \cos\frac{\pi}{4} = \frac{\sqrt2}{2}.

(3) tan⁡2α=2tan⁡α1−tan⁡2α\tan2\alpha = \frac{2\tan\alpha}{1-\tan^2\alpha},故 tan⁡α1−tan⁡2α=12tan⁡2α\frac{\tan\alpha}{1-\tan^2\alpha} = \frac12\tan2\alpha:

tan⁡22.5∘1−tan⁡222.5∘=12tan⁡45∘=12.\frac{\tan22.5^\circ}{1-\tan^2 22.5^\circ} = \frac12\tan45^\circ = \frac12.

(4) cos⁡2α=2cos⁡2α−1\cos2\alpha = 2\cos^2\alpha - 1:

2cos⁡222.5∘−1=cos⁡45∘=22.2\cos^2 22.5^\circ - 1 = \cos45^\circ = \frac{\sqrt2}{2}.

核一遍 (3):tan⁡22.5∘=2−1≈0.4142\tan22.5^\circ = \sqrt2 - 1 \approx 0.4142, 1−tan⁡222.5∘≈1−0.1716=0.82841 - \tan^2 22.5^\circ \approx 1 - 0.1716 = 0.8284,商约 0.50.5 ✓。

四小问示范的是同一件事:倍角公式要会反着用。 正着用是”由 α\alpha 算 2α2\alpha“,反着用是”看到 2sin⁡αcos⁡α2\sin\alpha\cos\alpha、cos⁡2−sin⁡2\cos^2-\sin^2、 2cos⁡2−12\cos^2-1、2tan⁡1−tan⁡2\frac{2\tan}{1-\tan^2} 这几个形状,立刻把它收成一个 2α2\alpha 的函数值”。 反着用比正着用考得更多。

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5.5 三角恒等变换

前面我们学习了诱导公式,利用它们对三角函数式进行恒等变形,可以达到化简、求值或证明的目的。这种利用公式对三角函数式进行的恒等变形就是三角恒等变换。观察诱导公式,可以发现它们都是特殊角与任意角 α\alpha 的和(或差)的三角函数与这个任意角 α\alpha 的三角函数的恒等关系。如果把特殊角换为任意角 β\beta,那么任意角 α\alpha 与 β\beta 的和(或差)的三角函数与 α\alpha,β\beta 的三角函数会有什么关系呢?下面来研究这个问题。

5.5.1 两角和与差的正弦、余弦和正切公式

1. 两角差的余弦公式

探究

如果已知任意角 α,β\alpha, \beta 的正弦、余弦,能由此推出 α+β,α−β\alpha + \beta, \alpha - \beta 的正弦、余弦吗?

下面,我们来探究 cos⁡(α−β)\cos(\alpha-\beta) 与角 α,β\alpha,\beta 的正弦、余弦之间的关系.

不妨令 α≠2kπ+β,k∈Z.\alpha \neq 2k\pi + \beta, k \in Z.

如图 5.5-1,设单位圆与 x 轴的正半轴相交于点 A(1, 0),以 x 轴非负半轴为始边作角 α,β,α−β\alpha, \beta, \alpha - \beta ,它们的终边分别与单位圆相交于点 P1(cos⁡α,sin⁡α)P_{1}(\cos \alpha, \sin \alpha) , A1(cos⁡β,sin⁡β)A_{1}(\cos \beta, \sin \beta) , P(cos⁡(α−β),sin⁡(α−β))P(\cos (\alpha - \beta), \sin (\alpha - \beta)) .

图5.5-1

连接 A1P1A_{1}P_{1}, APAP. 若把扇形 OAPOAP 绕着点 OO 旋转 β\beta 角, 则点 AA, PP 分别与点 A1A_{1}, P1P_{1} 重合. 根据圆的旋转对称性可知, AP^\widehat{AP} 与 A1P1^\widehat{A_{1}P_{1}} 重合, 从而 AP^=A1P1^\widehat{AP} = \widehat{A_{1}P_{1}}, 所以 AP=A1P1AP = A_{1}P_{1}.

● ●

任意一个圆绕着其圆心旋转任意角后都与原来的圆重合,这一性质叫做圆的旋转对称性.

根据两点间的距离公式,得

[cos⁡(α−β)−1]2+sin⁡2(α−β)=(cos⁡α−cos⁡β)2+(sin⁡α−sin⁡β)2,\begin{array}{r l} & {\left[ \cos (\alpha - \beta) - 1 \right] ^ {2} + \sin^ {2} (\alpha - \beta)} \\ & {= (\cos \alpha - \cos \beta) ^ {2} + (\sin \alpha - \sin \beta) ^ {2},} \end{array}

P1P _ {1}

化简得

(x1,y1),P2(x2,y2)(x _ {1}, y _ {1}), P _ {2} (x _ {2}, y _ {2})

cos⁡(α−β)=cos⁡αcos⁡β+sin⁡αsin⁡β.\cos (\alpha - \beta) = \cos \alpha \cos \beta + \sin \alpha \sin \beta.

P1P2=P _ {1} P _ {2} =

(x2−x1)2+(y2−y1)2.\sqrt {(x _ {2} - x _ {1}) ^ {2} + (y _ {2} - y _ {1}) ^ {2}}.

当 α=2kπ+β(k∈Z)\alpha=2k\pi+\beta(k\in\mathbf{Z}) 时,容易证明上式仍然成立.

所以,对于任意角 α,β\alpha, \beta 有

cos⁡(α−β)=cos⁡αcos⁡β+sin⁡αsin⁡β.\cos (\alpha - \beta) = \cos \alpha \cos \beta + \sin \alpha \sin \beta.

(C(α−β))(\mathrm{C} _ {(\alpha - \beta)})

此公式给出了任意角 α\alpha ,β\beta 的正弦、余弦与其差角 α−β\alpha - \beta 的余弦之间的关系,称为差角的余弦公式,简记作 C(α−β)C_{(\alpha - \beta)}。

例1 利用公式 C(α−β)\mathrm{C}_{(\alpha -\beta)} 证明:

(1) cos⁡(π2−α)=sin⁡α\cos \left(\frac{\pi}{2} - \alpha\right) = \sin \alpha; (2) cos⁡(π−α)=−cos⁡α\cos (\pi - \alpha) = -\cos \alpha.

(1)cos⁡(π2−α)=cos⁡π2cos⁡α+sin⁡π2sin⁡α=0+1×sin⁡α=sin⁡α.\begin{array}{r l} (1) \cos \left(\frac {\pi}{2} - \alpha\right) & = \cos \frac {\pi}{2} \cos \alpha + \sin \frac {\pi}{2} \sin \alpha \\ & = 0 + 1 \times \sin \alpha \\ & = \sin \alpha . \end{array}

(2) cos⁡(π−α)=cos⁡πcos⁡α+sin⁡πsin⁡α\cos (\pi -\alpha) = \cos \pi \cos \alpha +\sin \pi \sin \alpha =(−1)×cos⁡α+0= (-1)\times \cos \alpha +0 =−cos⁡α.= -\cos \alpha .

例2 已知 sin⁡α=45,α∈(π2,π),cos⁡β=−513,β\sin \alpha = \frac{4}{5}, \alpha \in \left(\frac{\pi}{2}, \pi\right), \cos \beta = -\frac{5}{13}, \beta 是第三象限角,求 cos⁡(α−β)\cos (\alpha - \beta) 的值. 解:由 sin⁡α=45,α∈(π2,π)\sin \alpha = \frac{4}{5}, \alpha \in \left(\frac{\pi}{2}, \pi\right),得

cos⁡α=−1−sin⁡2α=−1−(45)2=−35.\begin{array}{r l} \cos \alpha & = - \sqrt {1 - \sin^ {2} \alpha} \\ & = - \sqrt {1 - \left(\frac {4}{5}\right) ^ {2}} = - \frac {3}{5}. \end{array}

又由 cos⁡β=−513\cos \beta = -\frac{5}{13},β\beta 是第三象限角,得

sin⁡β=−1−cos⁡2β=−1−(−513)2=−1213.\begin{array}{r l} \sin \beta & = - \sqrt {1 - \cos^ {2} \beta} \\ & = - \sqrt {1 - \left(- \frac {5}{1 3}\right) ^ {2}} = - \frac {1 2}{1 3}. \end{array}

所以

cos⁡(α−β)=cos⁡αcos⁡β+sin⁡αsin⁡β=(−35)×(−513)+45×(−1213)=−3365.\begin{array}{r l} \cos (\alpha - \beta) & = \cos \alpha \cos \beta + \sin \alpha \sin \beta \\ & = \left(- \frac {3}{5}\right) \times \left(- \frac {5}{1 3}\right) + \frac {4}{5} \times \left(- \frac {1 2}{1 3}\right) \\ & = - \frac {3 3}{6 5}. \end{array}

练习

  1. 利用公式 C(α−β)C_{(\alpha - \beta)} 证明:

(1) cos⁡(3π2−α)=−sin⁡α;\cos \left(\frac{3\pi}{2} -\alpha\right) = -\sin \alpha ; (2) cos⁡(−α)=cos⁡α.\cos (-\alpha) = \cos \alpha .

  1. 利用公式 C(α−β)C_{(\alpha - \beta)} 求 cos⁡15∘\cos 15^{\circ} 的值.

  2. 已知 cos⁡α=−35,α∈(π2,π)\cos \alpha = -\frac{3}{5}, \alpha \in \left(\frac{\pi}{2}, \pi\right), 求 cos⁡(π4−α)\cos \left(\frac{\pi}{4} - \alpha\right) 的值.

  3. 已知 sin⁡θ=1517\sin \theta = \frac{15}{17}, θ\theta 是第二象限角, 求 cos⁡(θ−π3)\cos \left(\theta - \frac{\pi}{3}\right) 的值.

  4. 已知 sin⁡α=−23,α∈(π,3π2),cos⁡β=34,β∈(3π2,2π)\sin \alpha = -\frac{2}{3}, \alpha \in \left(\pi, \frac{3\pi}{2}\right), \cos \beta = \frac{3}{4}, \beta \in \left(\frac{3\pi}{2}, 2\pi\right), 求 cos⁡(β−α)\cos (\beta - \alpha) 的值.

2. 两角和与差的正弦、余弦、正切公式

思考

由公式 C(α−β)C_{(\alpha-\beta)} 出发,你能推导出两角和与差的三角函数的其他公式吗?

下面以公式 C(α−β)C_{(\alpha -\beta)} 为基础来推导其他公式.

例如,比较 cos⁡(α−β)\cos (\alpha -\beta) 与 cos⁡(α+β)\cos (\alpha +\beta),并注意到 α+β\alpha +\beta 与α−β\alpha -\beta 之间的联系: α+β=α−(−β)\alpha +\beta = \alpha -(-\beta) ,则由公式 C(α−β)C_{(\alpha -\beta)} ,有

cos⁡(α+β)=cos⁡[α−(−β)]=cos⁡αcos⁡(−β)+sin⁡αsin⁡(−β)=cos⁡αcos⁡β−sin⁡αsin⁡β.\begin{array}{r l} \cos (\alpha + \beta) & = \cos [ \alpha - (- \beta) ] \\ & = \cos \alpha \cos (- \beta) + \sin \alpha \sin (- \beta) \\ & = \cos \alpha \cos \beta - \sin \alpha \sin \beta . \end{array}

于是得到了两角和的余弦公式,简记作 C(α+β)C_{(\alpha+\beta)} .

这里用到的是加法和减法的联系,也可用换元的观点来考虑:由于公式 C(α−β)C_{(\alpha-\beta)} 对于任意 α\alpha , β\beta 都成立,那么把其中的 β\beta 换成 −β-\beta 后,也一定成立。由此也可推得公式 C(α+β)C_{(\alpha+\beta)} 。

cos⁡(α+β)=cos⁡αcos⁡β−sin⁡αsin⁡β.(C(α+β))\cos (\alpha + \beta) = \cos \alpha \cos \beta - \sin \alpha \sin \beta . \quad \mathrm {(C_{(\alpha + \beta)})}

探究

上面得到了两角和与差的余弦公式. 我们知道, 用诱导公式五 (或六) 可以实现正弦、余弦的互化. 你能根据 C(α+β)C_{(\alpha + \beta)}, C(α−β)C_{(\alpha - \beta)} 及诱导公式五 (或六), 推导出用任意角 α\alpha, β\beta 的正弦、余弦表示 sin⁡(α+β)\sin (\alpha + \beta), sin⁡(α−β)\sin (\alpha - \beta) 的公式吗?

通过推导,可以得到:

sin⁡(α+β)=sin⁡αcos⁡β+cos⁡αsin⁡β,\sin (\alpha + \beta) = \sin \alpha \cos \beta + \cos \alpha \sin \beta ,

sin⁡(α−β)=sin⁡αcos⁡β−cos⁡αsin⁡β.\sin (\alpha - \beta) = \sin \alpha \cos \beta - \cos \alpha \sin \beta.

(S(α+β))(\mathrm{S} _ {(\alpha + \beta)})

(S(α−β))(\mathrm{S} _ {(\alpha - \beta)})

探究

你能根据正切函数与正弦函数、余弦函数的关系,从 C(α±β)C_{(\alpha \pm \beta)} , S(α±β)S_{(\alpha \pm \beta)} 出发,推导出用任意角 α\alpha , β\beta 的正切表示 tan⁡(α+β)\tan (\alpha +\beta) , tan⁡(α−β)\tan (\alpha -\beta) 的公式吗?

通过推导,可以得到:

tan⁡(α+β)=tan⁡α+tan⁡β1−tan⁡αtan⁡β,\tan (\alpha + \beta) = \frac {\tan \alpha + \tan \beta}{1 - \tan \alpha \tan \beta},

(T(α+β))(\mathrm{T} _ {(\alpha + \beta)})

tan⁡(α−β)=tan⁡α−tan⁡β1+tan⁡αtan⁡β.\tan (\alpha - \beta) = \frac {\tan \alpha - \tan \beta}{1 + \tan \alpha \tan \beta}.

(T(α−β))(\mathrm{T} _ {(\alpha - \beta)})

公式 S(α+β)S_{(\alpha + \beta)} , C(α+β)C_{(\alpha + \beta)} , T(α+β)T_{(\alpha + \beta)} 给出了任意角 α\alpha , β\beta 的三角函数值与其和角 α+β\alpha +\beta 的三角函数值之间的关系.为方便起见,我们把这三个公式都叫做和角公式.

类似地, S(α−β)S_{(\alpha-\beta)} , C(α−β)C_{(\alpha-\beta)} , T(α−β)T_{(\alpha-\beta)} 都叫做差角公式.

探究

和(差)角公式中,α,β\alpha, \beta 都是任意角。如果令 α\alpha 为某些特殊角,就能得到许多有用的公式。你能从和(差)角公式出发推导出诱导公式吗?你还能得到哪些等式?

例3 已知 sin⁡α=−35\sin \alpha = -\frac{3}{5}, α\alpha 是第四象限角, 求 sin⁡(π4−α)\sin \left(\frac{\pi}{4} - \alpha\right), cos⁡(π4+α)\cos \left(\frac{\pi}{4} + \alpha\right), tan⁡(α−π4)\tan \left(\alpha - \frac{\pi}{4}\right) 的值. 解: 由 sin⁡α=−35\sin \alpha = -\frac{3}{5}, α\alpha 是第四象限角, 得

cos⁡α=1−sin⁡2α=1−(−35)2=45,\cos \alpha = \sqrt {1 - \sin^ {2} \alpha} = \sqrt {1 - \left(- \frac {3}{5}\right) ^ {2}} = \frac {4}{5},

所以

tan⁡α=sin⁡αcos⁡α=−3545=−34.\tan \alpha = \frac {\sin \alpha}{\cos \alpha} = \frac {- \frac {3}{5}}{\frac {4}{5}} = - \frac {3}{4}.

于是有

sin⁡(π4−α)=sin⁡π4cos⁡α−cos⁡π4sin⁡α=22×45−22×(−35)=7210;\begin{array}{r l} \sin (\frac {\pi}{4} - \alpha) & = \sin \frac {\pi}{4} \cos \alpha - \cos \frac {\pi}{4} \sin \alpha \\ & = \frac {\sqrt {2}}{2} \times \frac {4}{5} - \frac {\sqrt {2}}{2} \times (- \frac {3}{5}) = \frac {7 \sqrt {2}}{1 0}; \end{array}

cos⁡(π4+α)=cos⁡π4cos⁡α−sin⁡π4sin⁡α=22×45−22×(−35)=7210;\begin{array}{r l} \cos (\frac {\pi}{4} + \alpha) & = \cos \frac {\pi}{4} \cos \alpha - \sin \frac {\pi}{4} \sin \alpha \\ & = \frac {\sqrt {2}}{2} \times \frac {4}{5} - \frac {\sqrt {2}}{2} \times (- \frac {3}{5}) = \frac {7 \sqrt {2}}{1 0}; \end{array}

tan⁡(α−π4)=tan⁡α−tan⁡π41+tan⁡αtan⁡π4=tan⁡α−11+tan⁡α=−34−11+(−34)=−7.\begin{array}{r l} \tan (\alpha - \frac {\pi}{4}) & = \frac {\tan \alpha - \tan \frac {\pi}{4}}{1 + \tan \alpha \tan \frac {\pi}{4}} \\ & = \frac {\tan \alpha - 1}{1 + \tan \alpha} \\ & = \frac {- \frac {3}{4} - 1}{1 + (- \frac {3}{4})} = - 7. \end{array}

思考

由以上解答可以看到,在本题条件下有 sin⁡(π4−α)=cos⁡(π4+α)\sin \left(\frac{\pi}{4} -\alpha\right) = \cos \left(\frac{\pi}{4} +\alpha\right)。那么对于任意角 α\alpha,此等式成立吗?若成立,你会用几种方法予以证明?

例 4 利用和(差)角公式计算下列各式的值:

(1) sin⁡72∘cos⁡42∘−cos⁡72∘sin⁡42∘;\sin 72^{\circ}\cos 42^{\circ}-\cos 72^{\circ}\sin 42^{\circ};

(2) cos⁡20∘cos⁡70∘−sin⁡20∘sin⁡70∘;\cos 20^{\circ}\cos 70^{\circ}-\sin 20^{\circ}\sin 70^{\circ};

(3) 1+tan⁡15∘1−tan⁡15∘\frac{1+\tan15^{\circ}}{1-\tan15^{\circ}}

分析:和、差角公式把 α±β\alpha \pm \beta 的三角函数式转化成了 α,β\alpha, \beta 的三角函数式。如果反过来,从右到左使用公式,就可以将上述三角函数式化简。

解:(1)由公式 S(α−β)S_{(\alpha - \beta)} ,得

sin⁡72∘cos⁡42∘−cos⁡72∘sin⁡42∘=sin⁡(72∘−42∘)=sin⁡30∘=12.\begin{array}{r l} & \sin 7 2 ^ {\circ} \cos 4 2 ^ {\circ} - \cos 7 2 ^ {\circ} \sin 4 2 ^ {\circ} \\ & = \sin (7 2 ^ {\circ} - 4 2 ^ {\circ}) \\ & = \sin 3 0 ^ {\circ} \\ & = \frac {1}{2}. \end{array}

(2) 由公式 C(α+β)C_{(\alpha+\beta)} ,得

cos⁡20∘cos⁡70∘−sin⁡20∘sin⁡70∘=cos⁡(20∘+70∘)=cos⁡90∘=0.\begin{array}{r l} & \cos 2 0 ^ {\circ} \cos 7 0 ^ {\circ} - \sin 2 0 ^ {\circ} \sin 7 0 ^ {\circ} \\ & = \cos (2 0 ^ {\circ} + 7 0 ^ {\circ}) \\ & = \cos 9 0 ^ {\circ} \\ & = 0. \end{array}

(3) 由公式 T(α+β)T_{(\alpha+\beta)} 及 tan⁡45∘=1\tan 45^{\circ}=1 ,得

1+tan⁡15∘1−tan⁡15∘=tan⁡45∘+tan⁡15∘1−tan⁡45∘tan⁡15∘=tan⁡(45∘+15∘)=tan⁡60∘=3.\begin{array}{r l} \frac {1 + \tan 1 5 ^ {\circ}}{1 - \tan 1 5 ^ {\circ}} & = \frac {\tan 4 5 ^ {\circ} + \tan 1 5 ^ {\circ}}{1 - \tan 4 5 ^ {\circ} \tan 1 5 ^ {\circ}} \\ & = \tan (4 5 ^ {\circ} + 1 5 ^ {\circ}) \\ & = \tan 6 0 ^ {\circ} \\ & = \sqrt {3}. \end{array}

练习

  1. 利用和(差)角公式,求下列各式的值: (1) sin⁡15∘\sin 15^{\circ} ; (2) cos⁡75∘\cos 75^{\circ} ; (3) sin⁡75∘\sin 75^{\circ} ; (4) tan⁡15∘\tan 15^{\circ} .

2.(1)已知 cos⁡θ=−35,θ∈(π2,π)\cos \theta = -\frac{3}{5},\theta \in \left(\frac{\pi}{2},\pi\right) ,求 sin⁡(θ+π3)\sin \left(\theta +\frac{\pi}{3}\right) 的值;

(2) 已知 sin⁡θ=−1213\sin\theta=-\frac{12}{13} , θ\theta 是第三象限角,求 cos⁡(π6+θ)\cos\left(\frac{\pi}{6}+\theta\right) 的值;

(3) 已知 tan⁡α=3\tan \alpha = 3 ,求 tan⁡(α+π4)\tan\left(\alpha + \frac{\pi}{4}\right) 的值.

  1. 求下列各式的值: (1) sin⁡72∘cos⁡18∘+cos⁡72∘sin⁡18∘;\sin 72^{\circ}\cos 18^{\circ} + \cos 72^{\circ}\sin 18^{\circ};

(2) cos⁡72∘cos⁡12∘+sin⁡72∘sin⁡12∘;\cos 72^{\circ}\cos 12^{\circ} + \sin 72^{\circ}\sin 12^{\circ};

(3) tan⁡12∘+tan⁡33∘1−tan⁡12∘tan⁡33∘;\frac{\tan 12^{\circ} + \tan 33^{\circ}}{1 - \tan 12^{\circ}\tan 33^{\circ}};

(4) cos⁡74∘sin⁡14∘−sin⁡74∘cos⁡14∘;\cos 74^{\circ}\sin 14^{\circ} - \sin 74^{\circ}\cos 14^{\circ};

(5) sin⁡34∘sin⁡26∘−cos⁡34∘cos⁡26∘;\sin 34^{\circ}\sin 26^{\circ} - \cos 34^{\circ}\cos 26^{\circ};

(6) sin⁡20∘cos⁡110∘+cos⁡160∘sin⁡70∘.\sin 20^{\circ}\cos 110^{\circ} + \cos 160^{\circ}\sin 70^{\circ}.

  1. 化简: (1) 12cos⁡x−32sin⁡x;\frac{1}{2}\cos x - \frac{\sqrt{3}}{2}\sin x;

(2) 3sin⁡x+cos⁡x;\sqrt{3}\sin x + \cos x;

(3) 2(sin⁡x−cos⁡x);\sqrt{2}(\sin x - \cos x);

(4) 2cos⁡x−6sin⁡x.\sqrt{2}\cos x - \sqrt{6}\sin x.

  1. 已知 sin⁡(α−β)cos⁡α−cos⁡(β−α)sin⁡α=35\sin (\alpha - \beta) \cos \alpha - \cos (\beta - \alpha) \sin \alpha = \frac{3}{5},β\beta 是第三象限角,求 sin⁡(β+5π4)\sin \left(\beta + \frac{5\pi}{4}\right) 的值.

3. 二倍角的正弦、余弦、正切公式

以公式 C(α−β)C_{(\alpha - \beta)} 为基础,我们已经得到六个和(差)角公式,下面将以和(差)角公式为基础来推导倍角公式.

探究

你能利用 S(α±β)S_{(\alpha\pm\beta)} , C(α±β)C_{(\alpha\pm\beta)} , T(α±β)T_{(\alpha\pm\beta)} 推导出 sin⁡2α\sin 2\alpha , cos⁡2α\cos 2\alpha , tan⁡2α\tan 2\alpha 的公式吗?

通过推导,可以得到:

sin⁡2α=2sin⁡αcos⁡α,((S2α))\sin 2 \alpha = 2 \sin \alpha \cos \alpha ,\tag{$(\mathrm{S}_{2\alpha})$} cos⁡2α=cos⁡2α−sin⁡2α,((C2α))\cos 2 \alpha = \cos^ {2} \alpha - \sin^ {2} \alpha ,\tag{$(C_{2\alpha})$}

tan⁡2α=2tan⁡α1−tan⁡2α.\tan 2 \alpha = \frac {2 \tan \alpha}{1 - \tan^ {2} \alpha}.

(T2α)(\mathrm{T} _ {2 \alpha})

如果要求二倍角的余弦公式( C2αC_{2\alpha} )中仅含 α\alpha 的正弦(余弦),那么又可得到:

cos⁡2α=1−2sin⁡2α,cos⁡2α=2cos⁡2α−1.\begin{array}{l} \cos 2 \alpha = 1 - 2 \sin^ {2} \alpha , \\ \cos 2 \alpha = 2 \cos^ {2} \alpha - 1. \end{array}

以上这些公式都叫做倍角公式. 倍角公式给出了 α\alpha 的三角函数与 2α2\alpha 的三角函数之间的关系.

● ●

这里的“倍角”专指“二倍角”,遇到“三倍角”等名词时,“三”字等不可省去.

归纳

从和(差)角公式、倍角公式的推导过程可以发现,这些公式存在紧密的逻辑联系,请你进行归纳总结.

例5 已知 sin⁡2α=513\sin 2\alpha = \frac{5}{13}, π4<α<π2\frac{\pi}{4} < \alpha < \frac{\pi}{2}, 求 sin⁡4α\sin 4\alpha, cos⁡4α\cos 4\alpha, tan⁡4α\tan 4\alpha 的值.

分析:已知条件给出了 2α2\alpha 的正弦函数值. 由于 4α4\alpha 是 2α2\alpha 的二倍角,因此可以考虑用倍角公式.

解:由 π4<α<π2\frac{\pi}{4} < \alpha < \frac{\pi}{2},得

π2<2α<π.\frac {\pi}{2} < 2 \alpha < \pi .

又

sin⁡2α=513,\sin 2 \alpha = \frac {5}{1 3},

所以

cos⁡2α=−1−(513)2=−1213.\cos 2 \alpha = - \sqrt {1 - \left(\frac {5}{1 3}\right) ^ {2}} = - \frac {1 2}{1 3}.

sin⁡4α=sin⁡[2×(2α)]=2sin⁡2αcos⁡2α=2×513×(−1213)=−120169;\begin{array}{r l} \sin 4 \alpha & = \sin [ 2 \times (2 \alpha) ] \\ & = 2 \sin 2 \alpha \cos 2 \alpha \\ & = 2 \times \frac {5}{1 3} \times \left(- \frac {1 2}{1 3}\right) = - \frac {1 2 0}{1 6 9}; \end{array}

于是

● ●

cos⁡4α=cos⁡[2×(2α)]=1−2sin⁡22α=1−2×(513)2=119169;\begin{array}{r l} \cos 4 \alpha & = \cos [ 2 \times (2 \alpha) ] \\ & = 1 - 2 \sin^ {2} 2 \alpha \\ & = 1 - 2 \times \left(\frac {5}{1 3}\right) ^ {2} = \frac {1 1 9}{1 6 9}; \end{array}

“倍”是描述两个数量之间关系的, 2α2\alpha 是 α\alpha 的二倍, 4α4\alpha 是 2α2\alpha 的二倍, α2\frac{\alpha}{2} 是 α4\frac{\alpha}{4} 的二倍,这里蕴含着换元思想.

tan⁡4α=sin⁡4αcos⁡4α=−120169×169119=−120119.\begin{array}{r l} \tan 4 \alpha & = \frac {\sin 4 \alpha}{\cos 4 \alpha} \\ & = - \frac {1 2 0}{1 6 9} \times \frac {1 6 9}{1 1 9} = - \frac {1 2 0}{1 1 9}. \end{array}

例6 在 △ABC\triangle ABC 中,cos⁡A=45\cos A = \frac{4}{5},tan⁡B=2\tan B = 2,求 tan⁡(2A+2B)\tan (2A + 2B) 的值.

解法 1: 在 △ABC\triangle ABC 中,

由 cos⁡A=45\cos A=\frac{4}{5} , 0<A<π0<A<\pi ,得

sin⁡A=1−cos⁡2A=1−(45)2=35,\sin A = \sqrt {1 - \cos^ {2} A} = \sqrt {1 - \left(\frac {4}{5}\right) ^ {2}} = \frac {3}{5},

2A+2B2A + 2B 与 A,BA, B 之间能构成怎样的关系?

所以 tan⁡A=sin⁡Acos⁡A=35×54=34,\tan A = \frac{\sin A}{\cos A} = \frac{3}{5} \times \frac{5}{4} = \frac{3}{4},

tan⁡2A=2tan⁡A1−tan⁡2A=2×341−(34)2=247.\tan 2 A = \frac {2 \tan A}{1 - \tan^ {2} A} = \frac {2 \times \frac {3}{4}}{1 - \left(\frac {3}{4}\right) ^ {2}} = \frac {2 4}{7}.

又 tan⁡B=2,\tan B = 2,

所以 tan⁡2B=2tan⁡B1−tan⁡2B=2×21−22=−43.\tan 2B=\frac{2\tan B}{1-\tan^{2}B}=\frac{2\times2}{1-2^{2}}=-\frac{4}{3}.

于是 tan⁡(2A+2B)=tan⁡2A+tan⁡2B1−tan⁡2Atan⁡2B=247−431−247×(−43)=44117.\tan(2A+2B)=\frac{\tan2A+\tan2B}{1-\tan2A\tan2B}=\frac{\frac{24}{7}-\frac{4}{3}}{1-\frac{24}{7}\times\left(-\frac{4}{3}\right)}=\frac{44}{117}.

解法 2: 在 △ABC\triangle ABC 中,

由 cos⁡A=45\cos A=\frac{4}{5} , 0<A<π0<A<\pi ,得

sin⁡A=1−cos⁡2A=1−(45)2=35,\sin A = \sqrt {1 - \cos^ {2} A} = \sqrt {1 - \left(\frac {4}{5}\right) ^ {2}} = \frac {3}{5},

所以

tan⁡A=sin⁡Acos⁡A=35×54=34.\tan A = \frac {\sin A}{\cos A} = \frac {3}{5} \times \frac {5}{4} = \frac {3}{4}.

又 tan⁡B=2\tan B = 2

所以

tan⁡(A+B)=tan⁡A+tan⁡B1−tan⁡Atan⁡B=34+21−34×2=−112,\tan (A + B) = \frac {\tan A + \tan B}{1 - \tan A \tan B} = \frac {\frac {3}{4} + 2}{1 - \frac {3}{4} \times 2} = - \frac {1 1}{2},

所以

tan⁡(2A+2B)=tan⁡[2(A+B)]=2tan⁡(A+B)1−tan⁡2(A+B)=2×(−112)1−(−112)2=44117.\begin{array}{r l} \tan (2 A + 2 B) & = \tan [ 2 (A + B) ] \\ & = \frac {2 \tan (A + B)}{1 - \tan^ {2} (A + B)} \\ & = \frac {2 \times \left(- \frac {1 1}{2}\right)}{1 - \left(- \frac {1 1}{2}\right) ^ {2}} = \frac {4 4}{1 1 7}. \end{array}

练习

  1. 已知 cos⁡α8=−45\cos \frac{\alpha}{8} = -\frac{4}{5}, 8π<α<12π8\pi < \alpha < 12\pi, 求 sin⁡α4\sin \frac{\alpha}{4}, cos⁡α4\cos \frac{\alpha}{4}, tan⁡α4\tan \frac{\alpha}{4} 的值.

  2. 已知 sin⁡(α−π)=35\sin (\alpha - \pi) = \frac{3}{5},求 cos⁡2α\cos 2\alpha 的值.

  3. 已知 sin⁡2α=−sin⁡α,α∈(π2,π)\sin 2\alpha = -\sin \alpha, \alpha \in \left(\frac{\pi}{2}, \pi\right),求 tan⁡α\tan \alpha 的值.

  4. 已知 tan⁡2α=13\tan 2\alpha = \frac{1}{3},求 tan⁡α\tan \alpha 的值.

  5. 求下列各式的值: (1) sin⁡15∘cos⁡15∘;\sin 15^{\circ}\cos 15^{\circ};

(2) cos⁡2π8−sin⁡2π8;\cos^{2}\frac{\pi}{8}-\sin^{2}\frac{\pi}{8};

(3) tan⁡22.5∘1−tan⁡222.5∘;\frac{\tan 22.5^{\circ}}{1-\tan^{2}22.5^{\circ}};

(4) 2cos⁡222.5∘−1.2\cos^{2}22.5^{\circ}-1.

信息技术应用

利用信息技术制作三角函数表

前面在“对数的发明”中曾经谈到,纳皮尔利用对数制作了 0∘∼90∘0^{\circ} \sim 90^{\circ} 每隔 1′1' 的八位三角函数表。应当说,纳皮尔仅仅凭借手工运算得到这个三角函数表的工作量是非常大的,这也显示出他超人的毅力和为科学献身的精神。今天,我们可以利用已经学会的三角函数知识以及算法知识,借助信息技术,容易地制作出非常精确的三角函数表。下面我们借助信息技术来作一个 0∘∼90∘0^{\circ} \sim 90^{\circ} 每隔 1′1' 的八位三角函数表。

用计算工具可得:

sin⁡1′≈2.908882046×10−4≈0.000290888.\begin{array}{r l} \sin 1 ^ {\prime} & \approx 2. 9 0 8 8 8 2 0 4 6 \times 1 0 ^ {- 4} \\ & \approx 0. 0 0 0 2 9 0 8 8 8. \end{array}

以此作为初始值,利用

cos⁡1′=1−sin⁡21′;α0=1′,αn=αn−1+1′,n⩾1;sin⁡αn=sin⁡1′cos⁡αn−1+cos⁡1′sin⁡αn−1,cos⁡αn=1−sin⁡2αn,\begin{array}{c} \cos 1 ^ {\prime} = \sqrt {1 - \sin^ {2} 1 ^ {\prime}}; \\ \alpha_ {0} = 1 ^ {\prime}, \alpha_ {n} = \alpha_ {n - 1} + 1 ^ {\prime}, n \geqslant 1; \\ \sin \alpha_ {n} = \sin 1 ^ {\prime} \cos \alpha_ {n - 1} + \cos 1 ^ {\prime} \sin \alpha_ {n - 1}, \\ \cos \alpha_ {n} = \sqrt {1 - \sin^ {2} \alpha_ {n}}, \end{array}

就可以写出一个程序框图(如右图所示),然后通过信息技术得到一个正弦函数的三角函数表.

请同学们根据上述思路,自己编写程序,得出一个三角函数表.