内容正文:
第四章 三角恒等变换
§3 二倍角的三角函数公式
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2sin αcos α
cos2 α-sin2 α
1-2sin2 α
2cos2 α-1
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第四章 三角恒等变换
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学业标准
素养目标
1.会用Sα+β,Cα+β,Tα+β公式推导二倍角公式;能用二倍角公式推导半角公式.(难点)
2.掌握二倍角公式、理解半角公式,并能利用公式进行化简、求值.(重点)
1.通过二倍角公式和半角公式的推导,培养逻辑推理等核心素养.
2.通过二倍角公式和半角公式的应用,促使数学运算等核心素养的提升.
导学1 二倍角公式
在公式Cα+β,Sα+β和Tα+β中,若α=β,公式还成立吗?
[提示] 成立.
在上述公式中,若α=β,你能得到什么结论?
[提示] cos 2α=cos2 α-sin2 α,sin 2α=2sin αcos α,tan 2α=eq \f(2tan α,1-tan2 α).
根据同角三角函数的基本关系式sin2 α+cos2 α=1,你能否只用sin α或cos α表示cos 2α?
[提示] cos 2α=cos2 α-sin2 α=cos2 α-(1-cos2 α)=2cos2 α-1.
◎结论形成 二倍角的正弦、余弦、正切公式
名称
公式
记法
二倍角的正弦
sin 2α=_________________
S2α
二倍角的余弦
cos 2α=________________=________________=_________________
C2α
二倍角的正切
tan 2α=______________
T2α
eq \f(2tan α,1-tan2 α)
[导学点睛] “二倍”的含义
倍角公式中的“倍角”是相对的,对于两个角的比值等于2的情况都成立,如6α是3α的2倍,3α是eq \f(3α,2)的2倍.这就是说,“倍”是相对而言的,是描述两个数量之间的关系的.
导学2 半角公式
我们知道二倍角公式中,“倍角是相对的”,那么对余弦的二倍角公式,若用2α替换α,结果怎样?
[提示] 结果是cos α=2cos2 eq \f(α,2)-1=1-2sin2 eq \f(α,2)=cos2 eq \f(α,2)-sin2 eq \f(α,2).
根据上述结果,试用sin α,cos α表示sin eq \f(α,2),cos eq \f(α,2),tan eq \f(α,2).
[提示] ∵cos2 eq \f(α,2)=eq \f(1+cos α,2),∴cos eq \f(α,2)=± eq \r(\f(1+cos α,2)),
同理sin eq \f(α,2)=± eq \r(\f(1-cos α,2)),∴tan eq \f(α,2)=eq \f(sin \f(α,2),cos \f(α,2))=± eq \r(\f(1-cos α,1+cos α)).
◎结论形成
半角三角函数的公式(半角公式)
sin eq \f(α,2)=± eq \r(\f(1-cos α,2));cos eq \f(α,2)=± eq \r(\f(1+cos α,2));
tan eq \f(α,2)=± eq \r(\f(1-cos α,1+cos α))=eq \f(sin α,1+cos α)=eq \f(1-cos α,sin α).
在这些公式中,根号前面的符号由eq \f(α,2)所在的象限相应的三角函数值的符号确定,若eq \f(α,2)所在象限无法确定,则应保留根号前面的正、负两个符号.
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)对于任意的角α,都有sin 2α=2sin α成立.( )
(2)存在角α,使cos 2α=2cos α成立.( )
(3)cos 3αsin 3α=eq \f(1,2)sin 6α对任意的角α都成立.( )
(4)cos eq \f(α,2)=eq \r(\f(1+cos α,2)).( )
答案 (1)× (2)√ (3)√ (4)×
2.已知α是第三象限角,cos α=-eq \f(5,13),则sin 2α等于( )
A.-eq \f(12,13)
B.eq \f(12,13)
C.-eq \f(120,169)
D.eq \f(120,169)
解析 由α是第三象限角,且cos α=-eq \f(5,13),
得sin α=-eq \f(12,13),所以sin 2α=2sin αcos α
=2×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(12,13)))×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(5,13)))=eq \f(120,169),故选D.
答案 D
3.已知2π<θ<4π,且sin θ=-eq \f(3,5),cos θ<0,则tan eq \f(θ,2)=( )
A.-3
B.3
C.-eq \f(1,3)
D.eq \f(1,3)
解析 由题意知θ为第三象限角,
cos θ=-eq \r(1-\f(9,25))=-eq \f(4,5),
所以tan eq \f(θ,2)=eq \f(sin θ,1+cos θ)=eq \f(-\f(3,5),1-\f(4,5))=-3.故选A.
答案 A
4.若cos α=-eq \f(3,5),且α∈eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(π,\f(3π,2))),则coseq \f(α,2)=________.
解析 ∵α∈eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(π,\f(3π,2))),∴eq \f(α,2)∈eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,2),\f(3π,4))),
∴coseq \f(α,2)=-eq \r(\f(1+cos α,2))=-eq \f(\r(5),5).
答案 -eq \f(\r(5),5)
题型一 利用二倍角公式求值
(1)求下列各式的值.
①eq \f(2,3)-eq \f(4,3)sin2 15°;②cos eq \f(π,5)cos eq \f(2π,5).
(2)已知coseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(α+\f(π,4)))=eq \f(3,5),eq \f(π,2)≤α<eq \f(3π,2),求coseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2α+\f(π,4)))的值.
[解析] (1)①eq \f(2,3)-eq \f(4,3)sin2 15°=eq \f(2,3)(1-2sin2 15°)=eq \f(2,3)cos 30°=eq \f(\r(3),3).
②原式=eq \f(2sin \f(π,5)cos\f(π,5)cos \f(2π,5),2sin \f(π,5))=eq \f(sin \f(2π,5)cos \f(2π,5),2sin \f(π,5))=eq \f(sin \f(4π,5),4sin \f(π,5))=eq \f(sin \f(π,5),4sin \f(π,5))=eq \f(1,4).
(2)因为eq \f(π,2)≤α<eq \f(3π,2),所以eq \f(3π,4) ≤α+eq \f(π,4)<eq \f(7π,4).
因为coseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(α+\f(π,4)))>0,所以eq \f(3π,2)<α+eq \f(π,4)<eq \f(7π,4).
所以sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(α+\f(π,4)))=-eq \r(1-cos2\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(α+\f(π,4))))=-eq \r(1-\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,5)))2)=-eq \f(4,5).
所以cos 2α=sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2α+\f(π,2)))=2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(α+\f(π,4)))coseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(α+\f(π,4)))
=2×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(4,5)))×eq \f(3,5)=-eq \f(24,25),
sin 2α=-coseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2α+\f(π,2)))=1-2cos2eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(α+\f(π,4)))=1-2×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,5)))2=eq \f(7,25).
所以coseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2α+\f(π,4)))=eq \f(\r(2),2)cos 2α-eq \f(\r(2),2)sin 2α
=eq \f(\r(2),2)×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(24,25)-\f(7,25)))=-eq \f(31\r(2),50).
利用倍角公式求值的思路
(1)注意观察式子的结构特点及角之间是否存在特殊的倍数关系,灵活正用或逆用二倍角公式.
(2)一是对题设条件变形,将题设条件中的角、函数名向结论中的角、函数名靠拢;另一种是对结论变形,将结论中的角、函数名向题设条件中的角、函数名靠拢,以便将题设条件代入结论.
(3)注意几种公式的灵活应用,如:
①sin 2x=coseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,2)-2x))=coseq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(2\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,4)-x))))
=2cos2eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,4)-x))-1=1-2sin2eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,4)-x));
②cos 2x=sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,2)-2x))=sineq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(2\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,4)-x))))
=2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,4)-x))coseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,4)-x)).
[触类旁通]
1.(1)若α∈eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,2),π)),且3cos 2α=sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,4)-α)),则sin 2α的值为( )
A.eq \f(1,18)
B.-eq \f(1,18)
C.eq \f(17,18)
D.-eq \f(17,18)
(2)已知tan α+eq \f(1,tan α)=eq \f(5,2),α∈eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,4),\f(π,2))),求cos 2α和sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2α+\f(π,4)))的值.
解析 (1)cos 2α=sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,2)-2α))
=sin 2eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,4)-α))=2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,4)-α))coseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,4)-α)),
代入原式,得
6sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,4)-α))coseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,4)-α))=sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,4)-α)).
因为α∈eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,2),π)),所以coseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,4)-α))=eq \f(1,6),
所以sin 2α=coseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,2)-2α))=2cos2eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,4)-α))-1=-eq \f(17,18).
(2)由tan α+eq \f(1,tan α)=eq \f(5,2),得eq \f(sin α,cos α)+eq \f(cos α,sin α)=eq \f(5,2),
则eq \f(2,sin 2α)=eq \f(5,2),即sin 2α=eq \f(4,5).
因为α∈eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,4),\f(π,2))),所以2α∈eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,2),π)),
所以cos 2α=-eq \r(1-sin22α)=-eq \f(3,5),
所以sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2α+\f(π,4)))=sin 2α·cos eq \f(π,4)+cos 2α·sin eq \f(π,4)=eq \f(4,5)×eq \f(\r(2),2)-eq \f(3,5)×eq \f(\r(2),2)=eq \f(\r(2),10).
答案 (1)D (2)略
题型二 半角公式的应用 一题多变
已知cos α=eq \f(1,3),α为第四象限角,求sin eq \f(α,2),cos eq \f(α,2),tan eq \f(α,2).
[解析] sin eq \f(α,2)=± eq \r(\f(1-cos α,2))=± eq \r(\f(1-\f(1,3),2))=±eq \f(\r(3),3),
cos eq \f(α,2)=± eq \r(\f(1+cos α,2))=± eq \r(\f(1+\f(1,3),2))=±eq \f(\r(6),3),
tan eq \f(α,2)=± eq \r(\f(1-cos α,1+cos α))=± eq \r(\f(1-\f(1,3),1+\f(1,3)))=±eq \f(\r(2),2).
∵α为第四象限角,∴eq \f(α,2)为第二、四象限角.
当eq \f(α,2)为第二象限角时,
sin eq \f(α,2)=eq \f(\r(3),3),cos eq \f(α,2)=-eq \f(\r(6),3),tan eq \f(α,2)=-eq \f(\r(2),2);
当eq \f(α,2)为第四象限角时,
sin eq \f(α,2)=-eq \f(\r(3),3),cos eq \f(α,2)=eq \f(\r(6),3),tan eq \f(α,2)=-eq \f(\r(2),2).
[母题变式]
(变结论)若本例条件不变,求taneq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,4)-\f(α,2)))的值.
解析 ∵α是第四象限角,∴sin α=-eq \r(1-cos2 α)=-eq \f(2\r(2),3),
∴taneq \f(α,2)=eq \f(sin α,1+cos α)=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(2\r(2),3)))÷eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1+\f(1,3)))=-eq \f(\r(2),2),
所以taneq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,4)-\f(α,2)))=eq \f(1-tan\f(α,2),1+tan\f(α,2))=eq \f(1+\f(\r(2),2),1-\f(\r(2),2))=3+2eq \r(2).
利用半角公式求值的思路
(1)看角:若已知三角函数式中的角是待求三角函数式中角的两倍,则求解时常常借助半角公式求解.
(2)明范围:由于半角公式求值常涉及符号问题,因此求解时务必依据角的范围,求出相应半角的范围.
(3)选公式:涉及半角公式的正切值时,常用tan eq \f(α,2)=eq \f(sin α,1+cos α)=eq \f(1-cos α,sin α),其优点是计算时可避免因开方带来的求角的范围问题;涉及半角公式的正、余弦值时,常先利用sin2 eq \f(α,2)=eq \f(1-cos α,2),cos2 eq \f(α,2)=eq \f(1+cos α,2)计算.
(4)下结论:结合(2)求值.
[触类旁通]
2.(1)若cos α=eq \f(1,3),α∈(0,π),则coseq \f(α,2)的值为( )
A.eq \f(\r(6),3)
B.-eq \f(\r(6),3)
C.±eq \f(\r(6),3)
D.±eq \f(\r(3),3)
(2)若cos α=-eq \f(4,5),α是第三象限的角,则eq \f(1+tan \f(α,2),1-tan \f(α,2))等于( )
A.-eq \f(1,2)
B.eq \f(1,2)
C.2
D.-2
解析 (1)由题意知eq \f(α,2)∈eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0,\f(π,2))),
∴coseq \f(α,2)>0,coseq \f(α,2)= eq \r(\f(1+cos α,2))=eq \f(\r(6),3).
(2)∵α是第三象限角,cos α=-eq \f(4,5),∴sin α=-eq \f(3,5),
∴tan eq \f(α,2)=eq \f(sin α,1+cos α)=eq \f(-\f(3,5),1-\f(4,5))=-3,∴eq \f(1+tan \f(α,2),1-tan \f(α,2))=eq \f(1-3,1+3)=-eq \f(1,2).
答案 (1)A (2)A
题型三 三角函数性质与恒等变换的综合应用
已知函数f(x)=4tan xsineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,2)-x))·coseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x-\f(π,3)))-eq \r(3).
(1)求f(x)的定义域与最小正周期;
(2)讨论f(x)在区间eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(-\f(π,4),\f(π,4)))上的单调性.
[解析] (1)f(x)的定义域为eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\co1(x\b\lc\|\rc\ (\a\vs4\al\co1(x≠\f(π,2)))+kπ,k∈Z)).
f(x)=4tan xcos xcoseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x-\f(π,3)))-eq \r(3)=4sin xcoseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x-\f(π,3)))-eq \r(3)
=4sin xeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)cos x+\f(\r(3),2)sin x))-eq \r(3)=2sin xcos x+2eq \r(3)sin2 x-eq \r(3)
=sin 2x+eq \r(3)(1-cos 2x)-eq \r(3)=sin 2x-eq \r(3)cos 2x=2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x-\f(π,3))).
所以f(x)的最小正周期T=eq \f(2π,2)=π.
(2)令-eq \f(π,2)+2kπ≤2x-eq \f(π,3)≤eq \f(π,2)+2kπ,
得-eq \f(π,12)+kπ≤x≤eq \f(5π,12)+kπ,k∈Z.
设A=eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(-\f(π,4),\f(π,4))),
B=eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\co1(x\b\lc\|\rc\ (\a\vs4\al\co1(-\f(π,12)))+kπ≤x≤\f(5π,12)+kπ,k∈Z)),
易知A∩B=eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(-\f(π,12),\f(π,4))).
所以当x∈eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(-\f(π,4),\f(π,4)))时,
f(x)在区间eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(-\f(π,12),\f(π,4)))上单调递增,
在区间eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(-\f(π,4),-\f(π,12)))上单调递减.
[素养聚焦] 应用三角公式进行恒等变换,把三角函数式化为一个角的三角函数,体现了逻辑推理、数学运算等核心素养.
三角函数性质与恒等变换的综合问题的解题策略
运用三角函数的和、差、倍角公式将函数关系式化成y=asin ωx+bcos ωx+k的形式,借助辅助角公式化为y=Asin(ωx+φ)+k(或y=Acos(ωx+φ)+k)的形式,将ωx+φ看作一个整体研究函数的性质.研究图象问题时用数形结合的方法直观解题,由“数”想图,借“图”解题.
[触类旁通]
3.(2024·重庆高一检测)已知函数f(x)=cos x·sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x+\f(π,3)))-eq \r(3)cos2x+eq \f(\r(3),4),x∈R.
(1)求f(x)的最小正周期;
(2)求f(x)在闭区间eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(-\f(π,4),\f(π,4)))上的最大值和最小值.
[解析] (1)由已知,有f(x)=cos x·eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)sin x+\f(\r(3),2)cos x))-eq \r(3)cos2x+eq \f(\r(3),4)
=eq \f(1,2)sin x·cos x-eq \f(\r(3),2)cos2x+eq \f(\r(3),4)=eq \f(1,4)sin 2x-eq \f(\r(3),4)(1+cos 2x)+eq \f(\r(3),4)
=eq \f(1,4)sin 2x-eq \f(\r(3),4)cos 2x=eq \f(1,2)sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x-\f(π,3))).
所以f(x)的最小正周期T=eq \f(2π,2)=π.
(2)因为f(x)在区间eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(-\f(π,4),-\f(π,12)))上是减函数,在区间eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(-\f(π,12),\f(π,4)))上是增函数,feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(π,4)))=-eq \f(1,4),feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(π,12)))=-eq \f(1,2),feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,4)))=eq \f(1,4),
所以,函数f(x)在闭区间eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(-\f(π,4),\f(π,4)))上的最大值为eq \f(1,4),最小值为-eq \f(1,2).
知识落实
技法强化
1.倍角公式、半角公式的推导及简单应用.
2.恒等变换的综合应用.
1.转化法、整体代换法.
2.半角公式中符号的选取及隐含条件的挖掘.
$$