浙江 2015 · 数学 q16

题解图(原卷截图 · 含答案与官方解析)

浙江 2015 · 数学 q16 原卷截图(含答案)

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题面

16.(14 分)(2015•浙江)在△ABC\triangle \mathrm{A B C}中,内角A,B,C所对的边分别为a,b,c,已知A=π4\mathrm{A}{=} \frac{\pi}{4},b2−a2=12c2b^{2} - a^{2} = \frac{1}{2} c^{2}

(1)求tanC的值;

(2)若△ABC\triangle \mathrm{A B C}的面积为3,求b的值

答案

(1)tan⁡C=2\tan C = 2;(2)b=3b = 3

本题的知识树

4 概念 · 6 公式 · 1 题型 · 1 套路 · 2 易错点 · 最深 4 层。长链是构建期派生的,源文件里只有最小一步。

攻略(零基础 → 会做)

两个齐次条件先把形状定死 · 消边求 tan⁡C\tan C,或边化角一步平方差 · 最终答案:(1)tan⁡C=2\tan C = 2;(2)b=3b = 3

冷启动:两个条件只定形状,面积才定大小

题目给了两句:

A=π4,b2−a2=12c2.A=\frac{\pi}{4} ,\qquad b^{2}-a^{2}=\frac12 c^{2} .

这两句都不含”多大”这个信息。 把三条边同时放大 kk 倍, b2−a2b^{2}-a^{2} 与 12c2\dfrac12 c^{2} 都放大 k2k^{2} 倍,等式照样成立;角 AA 更是与大小无关。 所以这两句合起来只能定出一个相似类——形状唯一,大小待定。

这正好解释了题目为什么这样分两问:

  • 第(1)问求 tan⁡C\tan C,这是个只与形状有关的量,前两句就够了,不必等到面积出场;
  • 第(2)问给出面积 =3=3,这才把缩放定死,于是每条边都有了具体的长度。

先把这层结构看清楚,两条路就都只是”怎么把形状算出来”的技术选择了。 下面第一条路把三条边都写成 cc 的倍数(cc 就是那个待定的缩放),第二条路干脆把边全换成角 (角本来就与大小无关)。它们其实是同一个想法的两种实现。

解法一:余弦定理消掉 aa,三条边全写成 cc 的倍数

第一步:把 aa 换掉

条件里同时有 aa、bb、cc 和角 AA。余弦定理正好把这四个量绑在一起:

a2=b2+c2−2bccos⁡A=b2+c2−2 bc,a^{2}=b^{2}+c^{2}-2bc\cos A=b^{2}+c^{2}-\sqrt2\,bc ,

移项得到一个不含 aa 的式子:

b2−a2=2 bc−c2.b^{2}-a^{2}=\sqrt2\,bc-c^{2} .

与题目给的 b2−a2=12c2b^{2}-a^{2}=\dfrac12 c^{2} 对上:

2 bc−c2=12c2 ⟹ 2 bc=32c2.\sqrt2\,bc-c^{2}=\frac12 c^{2} \ \Longrightarrow\ \sqrt2\,bc=\frac32 c^{2} .

cc 是三角形的一条边,c>0c>0,可以约掉一个 cc:

2 b=32c ⟹ b=322c=324c.\sqrt2\,b=\frac32 c \ \Longrightarrow\ b=\frac{3}{2\sqrt2}c=\frac{3\sqrt2}{4}c .

第二步:aa 也写成 cc 的倍数

回到 a2=b2−12c2a^{2}=b^{2}-\dfrac12 c^{2}:

a2=9⋅216c2−12c2=98c2−48c2=58c2 ⟹ a=104c.a^{2}=\frac{9\cdot 2}{16}c^{2}-\frac12 c^{2}=\frac98 c^{2}-\frac48 c^{2}=\frac58 c^{2} \ \Longrightarrow\ a=\frac{\sqrt{10}}{4}c .

到这里形状已经完全定了:a:b:c=104:324:1a:b:c=\dfrac{\sqrt{10}}{4}:\dfrac{3\sqrt2}{4}:1, 与冷启动里说的一样,cc 还悬着,那是大小。

第三步:再用一次余弦定理,这回求 cos⁡C\cos C

cos⁡C=a2+b2−c22ab=58c2+98c2−c22⋅104c⋅324c.\cos C=\frac{a^{2}+b^{2}-c^{2}}{2ab} =\frac{\dfrac58 c^{2}+\dfrac98 c^{2}-c^{2}} {2\cdot\dfrac{\sqrt{10}}{4}c\cdot\dfrac{3\sqrt2}{4}c} .

分子 =(58+98−88)c2=34c2=\left(\dfrac58+\dfrac98-\dfrac88\right)c^{2}=\dfrac34 c^{2}; 分母 =2⋅32016c2=6⋅2516c2=354c2=2\cdot\dfrac{3\sqrt{20}}{16}c^{2}=\dfrac{6\cdot 2\sqrt5}{16}c^{2}=\dfrac{3\sqrt5}{4}c^{2}。 c2c^{2} 上下约掉:

cos⁡C=3/435/4=15=55.\cos C=\frac{3/4}{3\sqrt5/4}=\frac{1}{\sqrt5}=\frac{\sqrt5}{5} .

cc 约掉这件事不是巧合——cos⁡C\cos C 是形状量,本来就不该依赖缩放。 算到这里如果 cc 没约干净,一定是前面错了。

三角形的内角 C∈(0,π)C\in(0,\pi),所以 sin⁡C>0\sin C>0,只取正根:

sin⁡C=1−cos⁡2C=1−15=255,tan⁡C=sin⁡Ccos⁡C=25/55/5=2.\sin C=\sqrt{1-\cos^{2}C}=\sqrt{1-\frac15}=\frac{2\sqrt5}{5} , \qquad \tan C=\frac{\sin C}{\cos C}=\frac{2\sqrt5/5}{\sqrt5/5}=2 .

第(1)问答完:tan⁡C=2\tan C=2。

第四步:面积把 cc 定死,再回到 bb

面积公式里的角必须是那两条边的夹角。a=BCa=BC、b=CAb=CA 交于顶点 CC, 所以配 aa、bb 的正是 sin⁡C\sin C:

S=12absin⁡C=12⋅104c⋅324c⋅255=38c2.S=\frac12 ab\sin C =\frac12\cdot\frac{\sqrt{10}}{4}c\cdot\frac{3\sqrt2}{4}c\cdot\frac{2\sqrt5}{5} =\frac38 c^{2} .

令它等于 33:c2=8c^{2}=8,c=22c=2\sqrt2。回代第一步:

b=324⋅22=3⋅2⋅24=3.b=\frac{3\sqrt2}{4}\cdot 2\sqrt2=\frac{3\cdot 2\cdot 2}{4}=3 .

第(2)问答完:b=3b=3。

上下两块教学图。①上块按真实比例画着一个三角形 ABC:底边水平,左端黑点标 A、右端黑点标 B,顶点黑点标 C 在偏右上方;三角形用深蓝色粗线勾边、内部填很淡的灰底。A 处有一段蓝色角弧,旁边蓝字标 \frac{\pi}{4}。三条边各挂一块浅底标签:底边 AB 下方写「c=2\sqrt{2}」,左边 AC 旁写「b=3」,右边 BC 旁写「a=\sqrt{5}」。从 C 竖直向下到底边有一条灰色虚线(高),垂足处画着直角记号,虚线中段左侧一块浅底标签写「h=\frac{3\sqrt{2}}{2}」。C 的右下方绿字标「\tan C=2」,B 的右上方灰字标「\tan B=3」。左上角蓝字两行:「b^{2}-a^{2}=9-5=4=\frac{1}{2}c^{2} ✓」与「S=\frac{1}{2}ch=3」。这一块的标题写「① 条件把形状定死、面积把大小定死:三边 a=\sqrt{5}、b=3、c=2\sqrt{2}」。②下块是一段文字:抬头「路一:余弦定理消掉 a,三条边全写成 c 的倍数」,蓝字一行「a^{2}=b^{2}+c^{2}-2bc\cos\frac{\pi}{4}\Rightarrow b^{2}-a^{2}=\sqrt{2}bc-c^{2}=\frac{1}{2}c^{2}」,灰字一行「b=\frac{3\sqrt{2}}{4}c,a^{2}=b^{2}-\frac{1}{2}c^{2}=\frac{5}{8}c^{2};\cos C=\frac{a^{2}+b^{2}-c^{2}}{2ab}=\frac{\sqrt{5}}{5}」,绿字一行「\tan C=2;S=\frac{1}{2}ab\sin C=\frac{3}{8}c^{2}=3\Rightarrow c=2\sqrt{2}\Rightarrow b=3」;抬头「路二:正弦定理边化角,一步平方差恒等式」,蓝字一行「b^{2}-a^{2}=\frac{1}{2}c^{2}\Rightarrow\sin^{2}B-\sin^{2}A=\frac{1}{2}\sin^{2}C」,灰字一行「\sin^{2}B-\sin^{2}A=\sin(B+A)\sin(B-A)=\sin C\sin(B-A)\Rightarrow\sin(B-A)=\frac{1}{2}\sin C;代 A=\frac{\pi}{4} 得 \tan B=3」,末行绿字「\tan C=\tan(\pi-A-B)=2;S=\frac{b^{2}\sin A\sin C}{2\sin B}=\frac{b^{2}}{3}=3\Rightarrow b=3(不必先求 c)」

解法二:正弦定理边化角,一步平方差恒等式定出 tan⁡B\tan B

冷启动说了,前两个条件只定形状。而”形状”最自然的坐标不是边长比,是三个角。 那就把边全换成角,看看条件变成什么样。

第一步:边化角

由正弦定理,asin⁡A=bsin⁡B=csin⁡C\dfrac{a}{\sin A}=\dfrac{b}{\sin B}=\dfrac{c}{\sin C}。 把这个公共比值记作 λ\lambda,于是 a=λsin⁡Aa=\lambda\sin A、b=λsin⁡Bb=\lambda\sin B、c=λsin⁡Cc=\lambda\sin C。 代进 b2−a2=12c2b^{2}-a^{2}=\dfrac12 c^{2},两边同有的 λ2\lambda^{2} 约掉:

sin⁡2B−sin⁡2A=12sin⁡2C.\sin^{2}B-\sin^{2}A=\frac12\sin^{2}C .

λ\lambda 被约掉,正是”这个条件与大小无关”的代数版——λ\lambda 装的正是那个待定的缩放。

第二步:一条平方差恒等式

左边是两个正弦的平方差,有一条现成的因式分解:

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

证起来只要展开两角和与差的正弦公式再用一次 sin⁡2+cos⁡2=1\sin^{2}+\cos^{2}=1:

(sin⁡Bcos⁡A+cos⁡Bsin⁡A)(sin⁡Bcos⁡A−cos⁡Bsin⁡A)=sin⁡2Bcos⁡2A−cos⁡2Bsin⁡2A,(\sin B\cos A+\cos B\sin A)(\sin B\cos A-\cos B\sin A) =\sin^{2}B\cos^{2}A-\cos^{2}B\sin^{2}A , =sin⁡2B(1−sin⁡2A)−(1−sin⁡2B)sin⁡2A=sin⁡2B−sin⁡2A.=\sin^{2}B(1-\sin^{2}A)-(1-\sin^{2}B)\sin^{2}A=\sin^{2}B-\sin^{2}A .

而在三角形里 A+B+C=πA+B+C=\pi,所以 sin⁡(A+B)=sin⁡(π−C)=sin⁡C\sin(A+B)=\sin(\pi-C)=\sin C—— 这里是 π\pi 减,出来的是 +sin⁡C+\sin C;写成 sin⁡(A−B)\sin(A-B) 或者带个负号,整道题就废了。 于是条件化成

sin⁡C⋅sin⁡(B−A)=12sin⁡2C.\sin C\cdot\sin(B-A)=\frac12\sin^{2}C .

C∈(0,π)C\in(0,\pi) 保证 sin⁡C≠0\sin C\neq 0,约掉一个:

sin⁡(B−A)=12sin⁡C=12sin⁡(A+B).\sin(B-A)=\frac12\sin C=\frac12\sin(A+B) .

第三步:代入 A=π4A=\dfrac{\pi}{4},化成 tan⁡B\tan B

sin⁡(B−π4)=12sin⁡(B+π4).\sin\left(B-\frac{\pi}{4}\right)=\frac12\sin\left(B+\frac{\pi}{4}\right) .

两边展开(cos⁡π4=sin⁡π4=22\cos\dfrac{\pi}{4}=\sin\dfrac{\pi}{4}=\dfrac{\sqrt2}{2}):

22(sin⁡B−cos⁡B)=12⋅22(sin⁡B+cos⁡B).\frac{\sqrt2}{2}\left(\sin B-\cos B\right) =\frac12\cdot\frac{\sqrt2}{2}\left(\sin B+\cos B\right) .

22\dfrac{\sqrt2}{2} 两边约掉,得 2sin⁡B−2cos⁡B=sin⁡B+cos⁡B2\sin B-2\cos B=\sin B+\cos B,即

sin⁡B=3cos⁡B.\sin B=3\cos B .

两边关于 sin⁡B\sin B、cos⁡B\cos B 同次齐次,同除 cos⁡B\cos B 就只剩正切 (cos⁡B≠0\cos B\neq 0:否则由 sin⁡B=3cos⁡B\sin B=3\cos B 得 sin⁡B=0\sin B=0,与 sin⁡2B+cos⁡2B=1\sin^{2}B+\cos^{2}B=1 矛盾):

tan⁡B=3.\tan B=3 .

第四步:内角和换到 CC

C=π−A−B=3π4−B,C=\pi-A-B=\frac{3\pi}{4}-B , tan⁡C=tan⁡(3π4−B)=tan⁡3π4−tan⁡B1+tan⁡3π4tan⁡B=−1−31+(−1)⋅3=−4−2=2.\tan C=\tan\left(\frac{3\pi}{4}-B\right) =\frac{\tan\dfrac{3\pi}{4}-\tan B}{1+\tan\dfrac{3\pi}{4}\tan B} =\frac{-1-3}{1+(-1)\cdot 3}=\frac{-4}{-2}=2 .

第(1)问答完:tan⁡C=2\tan C=2——全程没算过一条边。

第五步:面积直接吐出 bb,不必先求 cc

由 tan⁡B=3\tan B=3 且 BB 是三角形内角(sin⁡B>0\sin B>0)得 sin⁡B=310\sin B=\dfrac{3}{\sqrt{10}}; 同理由 tan⁡C=2\tan C=2 得 sin⁡C=25\sin C=\dfrac{2}{\sqrt5};而 sin⁡A=22\sin A=\dfrac{\sqrt2}{2}。

面积用 S=12absin⁡CS=\dfrac12 ab\sin C(CC 正是 aa、bb 的夹角), 再用正弦定理把 aa 换成 bb:a=bsin⁡Asin⁡Ba=\dfrac{b\sin A}{\sin B},于是

S=b2sin⁡Asin⁡C2sin⁡B=b2⋅22⋅252⋅310=b2⋅25⋅106=b2⋅2065=b23.S=\frac{b^{2}\sin A\sin C}{2\sin B} =\frac{b^{2}\cdot\dfrac{\sqrt2}{2}\cdot\dfrac{2}{\sqrt5}}{2\cdot\dfrac{3}{\sqrt{10}}} =b^{2}\cdot\frac{\sqrt2}{\sqrt5}\cdot\frac{\sqrt{10}}{6} =b^{2}\cdot\frac{\sqrt{20}}{6\sqrt5}=\frac{b^{2}}{3} .

令 b23=3\dfrac{b^{2}}{3}=3,得 b2=9b^{2}=9,边长为正,故 b=3b=3。第(2)问答完。

这一步比解法一省了一整轮:解法一要先由面积解出 cc、再回代求 bb; 这里把 aa 就地换成 bb,面积公式直接成了关于 bb 的方程。

上下两块教学图。①上块按真实比例画着一个三角形 ABC:底边水平,左端黑点标 A、右端黑点标 B,顶点黑点标 C 在偏右上方;三角形用深蓝色粗线勾边、内部填很淡的灰底。A 处有一段蓝色角弧,旁边蓝字标 \frac{\pi}{4}。三条边各挂一块浅底标签:底边 AB 下方写「c=2\sqrt{2}」,左边 AC 旁写「b=3」,右边 BC 旁写「a=\sqrt{5}」。从 C 竖直向下到底边有一条灰色虚线(高),垂足处画着直角记号,虚线中段左侧一块浅底标签写「h=\frac{3\sqrt{2}}{2}」。C 的右下方绿字标「\tan C=2」,B 的右上方灰字标「\tan B=3」。左上角蓝字两行:「b^{2}-a^{2}=9-5=4=\frac{1}{2}c^{2} ✓」与「S=\frac{1}{2}ch=3」。这一块的标题写「① 条件把形状定死、面积把大小定死:三边 a=\sqrt{5}、b=3、c=2\sqrt{2}」。②下块是一段文字:抬头「路一:余弦定理消掉 a,三条边全写成 c 的倍数」,蓝字一行「a^{2}=b^{2}+c^{2}-2bc\cos\frac{\pi}{4}\Rightarrow b^{2}-a^{2}=\sqrt{2}bc-c^{2}=\frac{1}{2}c^{2}」,灰字一行「b=\frac{3\sqrt{2}}{4}c,a^{2}=b^{2}-\frac{1}{2}c^{2}=\frac{5}{8}c^{2};\cos C=\frac{a^{2}+b^{2}-c^{2}}{2ab}=\frac{\sqrt{5}}{5}」,绿字一行「\tan C=2;S=\frac{1}{2}ab\sin C=\frac{3}{8}c^{2}=3\Rightarrow c=2\sqrt{2}\Rightarrow b=3」;抬头「路二:正弦定理边化角,一步平方差恒等式」,蓝字一行「b^{2}-a^{2}=\frac{1}{2}c^{2}\Rightarrow\sin^{2}B-\sin^{2}A=\frac{1}{2}\sin^{2}C」,灰字一行「\sin^{2}B-\sin^{2}A=\sin(B+A)\sin(B-A)=\sin C\sin(B-A)\Rightarrow\sin(B-A)=\frac{1}{2}\sin C;代 A=\frac{\pi}{4} 得 \tan B=3」,末行绿字「\tan C=\tan(\pi-A-B)=2;S=\frac{b^{2}\sin A\sin C}{2\sin B}=\frac{b^{2}}{3}=3\Rightarrow b=3(不必先求 c)」

两条路怎么选

解法一解法二
条件怎么用余弦定理消去 aa,把边全写成 cc 的倍数正弦定理把边全换成角
中途出现的量三条边(都带着字母 cc)三个角的正切
求 tan⁡C\tan C先算 cos⁡C\cos C,再开根、再作商直接由 tan⁡B\tan B 与内角和一步得到
求 bb面积 →c→b\to c\to b,两步面积公式就地化成 bb 的方程,一步
风险分子分母里的根式化简繁,容易算错sin⁡(A+B)=sin⁡C\sin(A+B)=\sin C 那一步符号写反就全废

考场上第(1)问两条都不慢;第(2)问明显是解法二省事—— 把 aa 换成 bb 之后面积直接就是 bb 的方程,绕开了 cc。 如果一时想不起平方差那条恒等式,解法一是稳妥的保底:它只用两次余弦定理, 每一步都在做纯粹的代数化简。

一句话带走

齐次的条件只管形状、面积只管大小——先把这两件事分开,再决定”化成边”还是”化成角”。 本题化成角更划算:sin⁡2B−sin⁡2A=sin⁡(A+B)sin⁡(B−A)\sin^{2}B-\sin^{2}A=\sin(A+B)\sin(B-A) 一步就把条件压成 tan⁡B=3\tan B=3, 第(2)问的面积公式也因此能直接写成 bb 的方程。

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