内容正文:
重点题型强化(三) 解三角形中的综合问题
第六章 平面向量及其应用
学习目标
1.会解决解三角形与三角恒等变换、三角函数的综合问题,培养数学运算核心素养.
2.会解决三角形的中线、角平分线等问题,培养直观想象及数学运算核心素养.
一、解三角形与三角恒等变换的综合
1
二、解三角形与三角函数的综合
2
三、解三角形中的中线问题
3
课时测评
5
内容索引
四、解三角形中的角平分线问题
4
五、解三角形中的最值(范围)问题
5
一、解三角形与三角恒等变换的综合
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例1
(2023·新课标Ⅰ卷)已知在△ABC 中,A+B=3C,2sin(A-C)=sin B.
(1)求sin A;
解:因为A+B=3C,
所以π-C=3C,即C= ,
又2sin(A-C)=sin B=sin (A+C),
所以2sin A cos C-2cos A sin C=sin A cos C+cos Asin C,
所以sin A cos C=3cos A sin C,
所以sin A=3cos A,
(2)设AB=5,求AB边上的高.
由sin B=sin (A+C)=sin A cos C+cos A sin C
规律方法
对于此类问题,大多是边角互化后基于三角形内角和定理(A+B+C=π)展开的,一般是通过正、余弦定理边化角,求得相应的角或者寻找相应的角之间的关系(此时往往需要用到三角形内角和定理替换角,达到减元的目的),进而运用三角恒等变换及诱导公式转化为一个角的三角函数问题,从而求解.
(1)求c的值;
(2)求sin B的值;
解:由(1)知,b=2c=2,
(3)求sin (2A-B)的值.
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二、解三角形与三角函数的综合
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例2
(1)求ω的值及f(x)的对称中心;
显然f(x)的最大值为1,最小值为-1,
(2)在△ABC中,a,b,c分别是角A,B,C的对边,若f(A)=-1,a=,求△ABC周长的取值范围.
规律方法
正弦、余弦定理与三角函数相结合,常见两种考查方式:一是先由正弦、余弦定理求出内角正弦值、余弦值,再结合和、差、倍、半角公式求解问题中出现的三角函数值;二是先利用函数的性质,再利用函数求角,解与三角形有关的问题.
(1)求角A;
返回
三、解三角形中的中线问题
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例3
在△ABC中,内角A,B,C所对边的长分别为a,b,c,且满足b cos
=a sin B.
(1)求A;
所以bc cos (π-A)=3,得bc=6,
由余弦定理得:b2+c2=a2+2bc cos A=13,
规律方法
求解三角形中线问题的常用方法
1.中线长定理:在△ABC中,AD是边BC上的中线,则AB2+AC2=2(BD2+AD2).
对点练3.已知△ABC的内角A,B,C的对边分别为a,b,c,满足a sin B= b cos A.
(1)求角A的大小;
返回
(2)若BC边上的中线AD= ,且c=4,求b的值.
即28=c2+b2+2bc cos ∠BAC=c2+b2+bc,
即b2+4b-12=0,解得b=2(负值舍去).
四、解三角形中的角平分线问题
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例4
因为S△ABC=S△ABD+S△ACD,
规律方法
求解三角形角平分线问题的常用方法
在△ABC中,AD平分∠BAC,角A,B,C所对的边分别为a,b,c:
1.利用角度的倍数关系:∠BAC=2∠BAD=2∠CAD.
√
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五、解三角形中的最值(范围)问题
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例5
△ABC中,sin2A-sin2B-sin2C=sinB sin C.
(1)求角A;
解:由正弦定理和已知条件得BC2-AC2-AB2=AC·AB.①
由余弦定理得BC2=AC2+AB2-2AC·AB cos A②
(2)若BC=3,求△ABC周长的最大值.
规律方法
解三角形中的最值(范围)问题主要有两种解决方法:一是将问题表示为边的形式,利用基本不等式求得最大值或最小值;二是将问题用三角形某一个角的三角函数表示,利用三角函数的有界性、单调性,再结合角的范围确定最值(范围).
对点练5.在△ABC中,角A,B,C的对边分别为a,b,c,设△ABC的面积为S,且满足S= (a2+b2-c2).
(1)求角C的大小;
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(2)求sin A·sin B的最大值.
课时测评
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A.等边三角形 B.钝角三角形
C.直角三角形 D.等腰直角三角形
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7.已知△ABC的三个内角满足2B=A+C,且AB=1,BC=4,则边BC上的中线AD的长为________.
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8.在△ABC中,内角A,B,C所对的边分别为a,b,c,若2sin A sin B cos C=sin2C,则 =________,角C的最大值为________.
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9.已知△ABC的内角A,B,C的对边分别为a,b,c.若C= ,a=6,1≤b≤4,则sin A的取值范围为__________.
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10.(10分)设f(x)=sin x cos x-cos2(x+ ),x∈R.
(1)求f(x)的单调递增区间;(5分)
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由余弦定理a2=b2+c2-2bc cos A,
可得1+ bc=b2+c2.
因为b2+c2≥2bc,当且仅当b=c时等号成立,
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13.在△ABC中,内角A,B,C所对的边分别为a,b,c,且满足b2+c2-a2=bc,a= ,则b+c的取值范围是____________.
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(1)求AC的长;(5分)
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(2)若AB⊥AD,∠B= .求BC的长.(6分)
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D.四边形ABCD的面积无最大值
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(1)求角A的大小;(7分)
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(2)若△ABC为锐角三角形,a=1,求△ABC周长的取值范围.(7分)
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谢 谢 观 看 !
第
六
章
平
面
向
量
及
其
应
用
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即tan A=3,所以0<A<,
所以sin A==.
所以AB边上的高h=AC· sin A=2×=6.
解:由(1)知,cos A==,
=(+)=,
由正弦定理,=,
可得AC==2,
对点练1.在△ABC中,角A,B,C的对边分别为a,b,c,已知a=,b=2c,cos A=-.
解:由余弦定理的推论知,cos A===-,解得c=1.
由cos A=-,知sin A=,
因为=,所以sin B=.
解:因为cos A=-<0,所以A为钝角,B为锐角,从而cos B=.
因为sin 2A=2sin A cos A=-,cos 2A=2cos2A-1=-,所以sin(2A-B)=sin 2A cos B-cos 2A sin B=.
已知函数f(x)=sin ωx cos ωx-sin2ωx+,其中ω>0,若实数x1,x2满足|f(x1)-f(x2)|=2时,|x1-x2|的最小值为.
解:f(x)=sinωx cos ωx-sin2ωx+=sin2ωx-+=sin 2ωx+cos 2ωx=sin (2ωx+),
则|f(x1)-f(x2)|=2时,|x1-x2|的最小值等于,则=,则=π,ω=1;
令2x+=kπ,k∈Z,解得x=-+,k∈Z,则f(x)的对称中心为,k∈Z.
解:f(A)=sin =-1,2A+=-+2kπ,k∈Z,又A∈(0,π),则A=,
由正弦定理得====2,则b=2sin B,c=2sin C,
则周长为a+b+c=+2sin B+2sin C=+2sin B+2sin (-B)=+sin B+cos B=+2sin(B+),
又0<B<,则<B+<,则<2sin(B+)≤2,
故周长的取值范围为(2,2+ ].
对点练2.在△ABC中,内角A,B,C的对边分别为a,b,c,设f(x)=sin (x+B)+cos (x+B)tan C,且f()=-.
解:f(x)====-.
因为f()=-,所以-=-,所以sin (-A)=1.
又0<A<π,所以-<-A<,
所以-A=,所以A=.
由余弦定理得a2=b2+c2-2bc cos ,所以a2=(b+c)2-3bc,所以3R2=6R2-12,所以R=2,所以a=2.
(2)若△ABC的面积为,且sin B+sin C=,求a的值.
解:因为△ABC的面积S=bc sin A=bc·=,所以bc=4,
设△ABC的外接圆的半径为R,由正弦定理知===2R,
sin B=,sin C=,a=R,sin B+sin C=⇒b+c=R,
因为sin B≠0,所以sin =sin A,
解:cos =cos (-)=sin ,
所以b sin =asin B,
由正弦定理得:sin B sin =sin A sin B,
所以sin =2sin cos ,因为A∈(0,π),∈(0,),所以sin ≠0,得cos =,即=,
所以A=.
(2)若a=,·=3,AD是△ABC的中线,求AD的长.
解:因为·=3,
因为=(+),
所以||2=(+)2=(c2+b2+2bc cos A)=,所以||=,即AD的长为.
2.向量法:在△ABC中,AD是边BC上的中线,则2=(b2+c2+2bc cos A).
解:由a sin B=b cos A及正弦定理可得:sin A sin B=sin B cos A,
因为A,B∈(0,π),则sin B>0,可得sin A=cos A>0,则tan A=,因此A=.
解:因为=(+),
所以2=+,所以42=(+)2=2+2+2·,
在△ABC中,内角A,B,C所对的边分别为a,b,c,且a=2,A=,·=,AD是△ABC的角平分线,求AD的长.
解:由A=,·=,得cb cos =,
所以bc=3,又a=2,
所以a2=b2+c2-2bc cos A=(b+c)2-2bc+bc=12,可得b+c==,
所以bc sin =b·AD·sin +c·AD·sin ,所以AD===.
2.内角平分线定理:AD为△ABC的内角∠BAC的平分线,则=.
3.等面积法:S△ABD+S△ACD=S△ABC,AD=(角平分线长公式).
对点练4.在△ABC中,内角A,B,C所对的边分别为a,b,c,且满足=1+.内角A的角平分线交BC于点M,若BM=2CM,则=
A. B. C. D.2
由条件有,=1+=1+==,
又sin (A+B)=sin (π-C)=sin C,sin B>0,sin C>0,则=,即cos A=,又A∈(0,π),则A=,
由AM为∠CAB的角平分线,则==2,即AB=2AC,且∠CAM=∠BAM=,在△ACM中,cos ∠CAM==,即AC2+AM2-CM2=AC·AM ①,cos ∠CMA=,在△ABM中,cos ∠BMA==,由∠BMA+∠CMA=π,
则+=0,化简得,AM2=2AC2-2CM2 ②,将②代入①可得,CM=AC ③,将③代入②可得,AM=AC,所以BC=AC,所以==.故选A.
由①②得cos A =-.
因为0<A<π,所以A=.
解:由正弦定理及(1)得===2,从而AC=2sin B,AB=2sin (π-A-B)=3cos B-sin B.
故BC+AC+AB=3+sin B+3cos B=3+2sin (B+).
又0<B<,所以当B=时,△ABC周长取得最大值3+2.
解:由题意可知ab sin C=×2ab cos C,
所以tan C=.
因为0<C<π,所以C=.
解:由已知sin A·sin B=sin A·sin (π-C-A)=sin A·sin (-A)=sin A(cos A+sin A)=sin 2A-cos 2A+=sin (2A-)+.
因为0<A<,所以-<2A-<,
所以当2A-=,即A=时,sin A·sin B取最大值.所以sin A·sin B的最大值是.
1.在△ABC中,角A,B,C的对边分别为a,b,c,已知三个向量m=,n=,p=共线,则△ABC为
因为向量m,n共线,所以a cos =b cos ,由正弦定理得sin A cos =sin B cos ,所以2sin cos cos =2sin cos cos .因为cos ≠0,cos ≠0,所以sin =sin .因为0<<,0<<,所以=,即A=B,同理可得B=C,所以△ABC为等边三角形.故选A.
2.在△ABC中,角A,B,C的对边分别为a,b,c,B=,b=2,b2+c2-a2=bc.若∠BAC的平分线与BC交于点E,则AE=
A. B. C.2 D.3
因为b2+c2-a2=bc,所以cos ∠BAC==,因为B=,所以∠BAC∈,所以∠BAC=,所以C=,所以=,所以c=×=2.因为AE平分∠BAC,
所以∠BAE=∠BAC=,所以∠AEB=π--=,所以=,所以AE==×sin =×=.故选A.
3.已知△ABC的面积为,C=120°,c=2b cos B,则AC边上的中线长为
A. B.3 C. D.4
由题意结合正弦定理得sin C=2sin B cos B,即sin C=sin 2B,因为B,C为△ABC的内角,所以C=2B或C+2B=180°,当C=2B时,B=60°,不符合三角形内角和定理,当C+2B=180°时,B=30°,故A=30°,因此a=b,因为△ABC的面积为,所以a·a·=,解得a=2(负值舍去),即a=b=2,c=2b cos B=2.
设AC边的中点为D,则=(+),因此||==
= =.故选C.
4.已知△ABC的内角A,B,C的对边分别为a,b,c,A=60°,b=3c,角A的平分线交BC于点D,且BD=,则cos ∠ADB=
A.- B. C. D.±
因为A=60°,角A的平分线交BC于点D,所以∠CAD=∠BAD=30°.又b=3c,所以====3.因为BD=,所以CD=3,a=CB=4.
由余弦定理可得a2=b2+c2-2bc cos A,所以112=9c2+c2-2×3c·c·,解得c=4.在△ABD中,由正弦定理得=,即=,所以sin ∠ADB=.因为b>c,所以B>C.又因为∠ADB=30°+C,∠ADC=30°+B,所以∠ADB<∠ADC,所以∠ADB为锐角,所以cos ∠ADB=.故选B.
5.(多选)在△ABC中,角A,B,C的对边分别为a,b,c,向量m=(,-1),n=(cos A,sin A),若m⊥n,且a cos B+b cos A=c sin C,则
A.A= B.C= C.B= D.C=
因为m⊥n,所以m·n=cos A-sin A=0,即tan A=,因为A∈(0,π),所以A=.因为a cos B+b cos A=c sin C,所以根据正弦定理可得sin A cos B+sin B cos A=sin2C,即sin(A+B)=sin2C,又sin(A+B)=sin C,所以sin C=sin2C.因为sinC≠0,所以sin C=1,所以C=,所以B=π-A-C=.故选ACD.
6.(多选)在Rt△ABC中,C=90°,角A的平分线交BC于点D,AD=1,cos ∠BAC=,以下结论正确的是
A.AB=8 B.=
C.AB=6 D.△ABD的面积为
如图所示,因为AD是角平分线,设∠CAD=∠DAB=α,则∠BAC=2α,根据二倍角公式得cos 2α=2cos2α-1=,且0<α<,所以cosα=,在Rt△ACD中,AD=1,所以AC=AD cos α=,在Rt△ACB中,AB==×8=6,故A错误,C正确;
根据角平分线定理,==×=,故B正确;因为cos α=,且0<α<,所以sin α=,所以S△ABD=AD·AB·sin α=×6×=,故D正确.故选BCD.
由2B=A+C,及A+B+C=π知,B=.在△ABD中,AB=1,BD==2,所以AD2=AB2+BD2-2AB·BD cos =3.因此AD=.
因为2sinA sin B cos C=sin2C,所以2ab cosC=c2⇒a2+b2-c2=c2⇒=2,所以cos C==≥,当且仅当a=b时取等号.因为0<C<π,所以0<C≤,即角C的最大值为.
因为C=,a=6,1≤b≤4,所以由余弦定理得c2=a2+b2-ab=36+b2-6b=(b-3)2+27,所以c2=(b-3)2+27∈[27,31],所以c∈[3,],所以由正弦定理=,可得sin A===∈.
由-+2kπ≤2x≤+2kπ,k∈Z,
可得-+kπ≤x≤+kπ,k∈Z,
所以函数f(x)的单调递增区间是[-+kπ,+kπ],k∈Z.
解:f(x)=sinx cos x-cos2,x∈R.
化简可得,f(x)=sin2x--cos (2x+)
=sin 2x+sin 2x-=sin 2x-,
所以1+bc≥2bc,所以bc≤2+.
(2)在锐角△ABC中,A,B,C的对边分别为a,b,c,若f()=0,a=1,求△ABC面积的最大值.(5分)
解:由f()=0,即sin A-=0,
可得sin A=,因为0<A<,所以cos A=.
所以△ABC的面积为S=bc sin A≤.
故△ABC面积的最大值为.
11.在△ABC中,角A,B,C的对边分别为a,b,c,且BC边上的高为a,则+的最大值为
A.8 B.6 C.3 D.4
因为BC边上的高为a,所以S△ABC=a×a=bc sin A,所以a2=2bc sin A,由余弦定理得2bc sin A=b2+c2-2bc cos A,整理得=2sin A+2cos A,即+=4sin(A+).因为A∈(0,π),所以A+∈,所以当A+=,即A=时,4sin (A+)有最大值,且最大值为4.所以+的最大值为4.故选D.
12.在△ABC中,角A,B,C所对的边分别为a,b,c,∠BAC=,D是BC上一点,且BD=3DC,AD=3,则△ABC面积的最大值是
A.3 B.4 C.5 D.6
设CD=x,∠ADB=θ,则BD=3x,在△ACD中,由余弦定理得b2=9+x2+6x cos θ ①,在△ABD中,由余弦定理得c2=9+9x2-18x cos θ ②,联立①②,消去cos θ得3b2+c2=36+12x2 ③,在△ABC中,由余弦定理得b2+c2-bc=16x2 ④,联立③④,消去x得144=9b2+c2+3bc≥6bc+3bc=9bc(当且仅当3b=c时,等号成立),所以bc≤16,所以S△ABC=bc sin ≤×16×=4.故选B.
(,2]
因为b2+c2-a2=bc,所以由余弦定理的推论得cos A===.由A∈(0,π),可得A=.因为由正弦定理得====2,所以b+c=2sin B+2sin C=2sin B+2sin (-B)=2sin B+2(cos B+sin B)=3sin B+cos B=2sin (B+).
因为B+C=,所以B∈(0,),可得B+∈(,),所以sin (B+)∈(,1],所以b+c=2sin (B+)∈(,2].
所以AC=3.
14.(11分)如图,在平面四边形ABCD中,∠D=,CD=,△ACD的面积为.
解:因为∠D=,CD=,△ACD的面积为,
所以S△ACD=AD·CD·sin D=×AD××=,所以AD=,
所以由余弦定理,得AC2=AD2+CD2-2AD·CD·cos D=6+6-2×6×(-)=18,
所以在△ABC中,由正弦定理,得=,
即=,所以BC=3.
解:由(1)知,在△ACD中,AD=,CD=,∠D=,所以∠DAC=,
因为AB⊥AD,所以∠BAC=.
又因为∠B=,AC=3,
15.(5分)(多选)如图,△ABC的内角A,B,C所对的边分别为a,b,c,(a cos C+c cos A)=2b·sin B,∠CAB=,若D是△ABC外一点,DC=1,AD=3,则下列说法正确的是
A.B=
B.∠ACB=
C.四边形ABCD面积的最大值为+3
因为(a cos C+c cos A)=2b sin B,所以由正弦定理可得(sin A cos C+sin C cos A)=2sin2B,所以sin(A+C)=2sin2B,所以sinB=2sin2B.又因为sinB≠0,所以sin B=.因为∠CAB=,所以B∈(0,),所以B=,所以∠ACB=π-∠CAB-B=,故A,B正确;
S四边形ABCD=S△ABC+S△ACD=AC2+AD·DC·sin ∠ADC=(AD2+DC2-2AD·DC·cos ∠ADC)+AD·DC·sin ∠ADC=×(9+1-6cos ∠ADC)+×3×1×sin ∠ADC=+3sin (∠ADC-)≤+3,当且仅当∠ADC-=,即∠ADC=时,等号成立,故C正确,D错误.故选ABC.
16.(14分)已知在△ABC中,角A,B,C的对边分别为a,b,c,满足sin (A-)sin (A+)=-.
解:因为sin (A-)sin (A+)=-,
所以(sin A-cos A)(-sin A+cos A)=-,即sin A cos A-sin2A-cos2A=-,
所以sin2A-(1-cos 2A)-(1+cos 2A)=-,整理可得sin 2A+cos 2A=,
所以可得sin (2A+)=,
因为A∈(0,π),可得2A+∈(,),
所以2A+=,可得A=.
解:由正弦定理==,且a=1,A=,
所以b=sin B,c=sin C,
所以a+b+c=1+(sin B+sin C)=1+·[sin B+sin (-B)]=1+2sin(B+).
因为△ABC为锐角三角形,所以
解得<B<,所以<B+<,
所以1+2sin(B+)∈(1+,3],
即△ABC周长的取值范围是(1+,3].
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