内容正文:
§4.8 正弦定理、余弦定理
课标要求 1.掌握正弦定理、余弦定理及其变形.2.理解三角形的面积公式并能应用.3.能利用正弦定理、余弦定理解决一些简单的三角形度量问题.
知识梳理
1.正弦定理、余弦定理
在△ABC中,若角A,B,C所对的边分别是a,b,c,R为△ABC外接圆半径,则
定理
正弦定理
余弦定理
内容
===2R
a2=b2+c2-2bccos A;
b2=c2+a2-2cacos B;
c2=a2+b2-2abcos C
变形
(1)a=2Rsin A,b=2Rsin B,c=2Rsin C;
(2)sin A=,sin B=,sin C=;
(3)a∶b∶c=sin A∶sin B∶sin C
cos A=;
cos B=;
cos C=
2.三角形解的判断
A为锐角
A为钝角
或直角
图形
关系式
a=bsin A
bsin A<a<b
a≥b
a>b
解的个数
一解
两解
一解
一解
3.三角形中常用的面积公式
(1)S=aha(ha表示边a上的高);
(2)S=absin C=acsin B=bcsin A;
(3)S=r(a+b+c)(r为三角形的内切圆半径).
常用结论
在△ABC中,常有以下结论:
(1)∠A+∠B+∠C=π.
(2)任意两边之和大于第三边,任意两边之差小于第三边.
(3)a>b⇔A>B⇔sin A>sin B,cos A<cos B.
(4)sin(A+B)=sin C;cos(A+B)=-cos C;tan(A+B)=-tan C;sin =cos ;cos =sin .
(5)三角形中的射影定理
在△ABC中,a=bcos C+ccos B;b=acos C+ccos A;c=bcos A+acos B.
(6)三角形中的面积S=.
自主诊断
1.判断下列结论是否正确.(请在括号中打“√”或“×”)
(1)三角形中三边之比等于相应的三个内角的余弦值之比.( × )
(2)在△ABC中,若sin A>sin B,则a>b.( √ )
(3)在△ABC的六个元素中,已知任意三个元素可求其他元素.( × )
(4)当b2+c2-a2>0时,△ABC为锐角三角形.( × )
2.在△ABC中,AB=5,AC=3,BC=7,则∠BAC等于( )
A. B. C. D.
答案 C
解析 在△ABC中,
设AB=c=5,AC=b=3,BC=a=7,
由余弦定理得
cos∠BAC===-,
因为∠BAC为△ABC的内角,
所以∠BAC=.
3.在△ABC中,a,b,c分别为角A,B,C所对的边,已知b=40,c=20,C=60°,则此三角形的解的情况是( )
A.有一解
B.有两解
C.无解
D.有解但解的个数不确定
答案 C
解析 由正弦定理得=,
∴sin B===>1.
∴角B不存在,即此三角形无解.
4.记△ABC的内角A,B,C的对边分别为a,b,c,面积为,B=60°,a2+c2=3ac,则b= .
答案 2
解析 由题意得S△ABC=acsin B=ac=,
则ac=4,所以a2+c2=3ac=3×4=12,
所以b2=a2+c2-2accos B=12-2×4×=8,
则b=2.
题型一 利用正弦、余弦定理解三角形
例1 (1)(2023·榆林模拟)△ABC的内角A,B,C所对的边分别为a,b,c,若asin A+(b+λa)sin B=csin C,则λ的取值范围为( )
A.(-2,2) B.(0,2)
C.[-2,2] D.[0,2]
答案 A
解析 因为asin A+(b+λa)sin B=csin C,
由正弦定理得c2=a2+b2+λab,
由余弦定理知c2=a2+b2-2abcos C,
所以λ=-2cos C,
因为C∈(0,π),所以cos C∈(-1,1),
故λ∈(-2,2).
(2)(2024·兰州模拟)用长度为1,4,8,9的4根细木棒围成一个三角形(允许连接,不允许折断),则其中某个三角形外接圆的直径可以是 (写出一个答案即可).
答案 (答案不唯一)
解析 4根细木棒围成的三角形的三边长可以为5,8,9,设边长为9的边所对的角为θ,该三角形外接圆的半径为R,
由余弦定理知,cos θ==,
因为θ∈(0,π),所以sin θ==,
由正弦定理知,2R===,
所以其中某个三角形外接圆的直径可以是.
思维升华 解三角形时,如果式子中含有角的余弦或边的二次式,要考虑用余弦定理;如果式子中含有角的正弦或边的一次式,则考虑用正弦定理,以上特征都不明显时,则要考虑两个定理都有可能用到.
跟踪训练1 (1)在△ABC中,a,b,c分别为内角A,B,C的对边,a=1,c=,A=45°,则C等于( )
A.30° B.60° C.120° D.60°或120°
答案 D
解析 因为a=1,c=,A=45°,
所以由正弦定理可得sin C==
=,
又因为0°<C<180°,c>a,A=45°,所以C=60°或120°.
(2)已知△ABC的内角A,B,C所对的边分别为a,b,c,若bsin 2A=asin B,且c=2b,则等于( )
A.2 B.3 C. D.
答案 D
解析 由正弦定理及bsin 2A=asin B,
得2sin Bsin Acos A=sin Asin B,
又sin A≠0,sin B≠0,则cos A=.
又c=2b,所以由余弦定理得a2=b2+c2-2bccos A=b2+4b2-4b2×=3b2,
得=.
题型二 正弦定理、余弦定理的简单应用
命题点1 三角形的形状判断
例2 (2023·临沂模拟)在△ABC中,已知=且满足条件①a(sin A-sin B)=(c-b)(sin C+sin B);②bcos A+acos B=csin C 中的一个,试判断△ABC的形状,并写出推理过程.
注:如果选择多个条件分别解答,则按第一个解答计分.
解 由=及正弦定理得
=,即a2+ac=b2+bc,
∴a2-b2+ac-bc=0,
∴(a-b)(a+b+c)=0,∴a=b.
若选①,则△ABC为等边三角形.推理如下:
由a(sin A-sin B)=(c-b)(sin C+sin B)及正弦定理,得a(a-b)=(c-b)(c+b),
即a2+b2-c2=ab.
∴由余弦定理得cos C==,
又C∈(0,π),∴C=.
∴△ABC为等边三角形.
若选②,则△ABC为等腰直角三角形.推理如下:
∵bcos A+acos B=b·+a·==c=csin C,
∴sin C=1,∴C=,
∴△ABC为等腰直角三角形.
思维升华 判断三角形形状的两种思路
(1)化边:通过因式分解、配方等得出边的相应关系,从而判断三角形的形状.
(2)化角:通过三角恒等变换,得出内角的关系,从而判断三角形的形状.此时要注意应用A+B+C=π这个结论.
命题点2 三角形的面积
例3 (10分)(2023·新高考全国Ⅰ)已知在△ABC中,A+B=3C,2sin(A-C)=sin B.
(1)求sin A;[切入点:由A,B,C关系求角C及代换sin B]
(2)设AB=5,求AB边上的高.[关键点:由A,B,C关系求sin B]
[思路分析]
(1)由A,B,C关系求角C→B=π-(A+C)代入化简→tan A→sin A
(2)由角C,sin A→sin B→AC→等面积法求高
解 (1)(1分)
①处由A,B,C关系求角C
又2sin(A-C)=(2分)
②处由B与A,C关系代换sin B
∴2sin Acos C-2cos Asin C
=sin Acos C+cos Asin C,
∴sin Acos C=3cos Asin C,
∴sin A=3cos A,
③处两角和差公式化简
即tan A=3,(4分)
∴0<A<,
∴sin A==.(5分)
④处由正切求正弦
(2)由(1)知,cos A==,
(7分)
⑤处由B与A,C关系求sin B
由正弦定理=,
AC==2,
可得(8分)
⑥处正弦定理求AC
∴AB·h=AB·AC·sin A,
⑦处等面积法求高
∴h=AC·sin A=2×=6.(10分)
思维升华 三角形面积公式的应用原则
(1)对于面积公式S=absin C=acsin B=bcsin A,一般是已知哪一个角就使用哪一个公式.
(2)与面积有关的问题,一般要用到正弦定理或余弦定理进行边和角的转化.
命题点3 与平面几何有关的问题
例4 (2023·梅州模拟)△ABC的内角A,B,C的对边分别为a,b,c,已知2a+b=2ccos B.
(1)求角C;
(2)若CD是角C的平分线,AD=2,DB=,求CD的长.
解 (1)由2a+b=2ccos B,
根据正弦定理可得2sin A+sin B=2sin Ccos B,
则2sin(B+C)+sin B=2sin Ccos B,
所以2sin Bcos C+2cos Bsin C+sin B=2sin Ccos B,
整理得(2cos C+1)sin B=0,
因为B,C均为三角形内角,
所以B,C∈(0,π),sin B≠0,
因此cos C=-,所以C=.
(2)因为CD是角C的平分线,AD=2,DB=,
所以在△ACD和△BCD中,由正弦定理可得,=,=,
因此==2,即sin B=2sin A,
所以b=2a,
又由余弦定理可得c2=a2+b2-2abcos C,
即(3)2=a2+4a2+2a2,
解得a=3,所以b=6,
又S△ABC=S△ACD+S△BCD,
即absin∠ACB=b·CD·sin∠ACD+a·CD·sin∠BCD,即18=9CD,所以CD=2.
思维升华 在平面几何图形中研究或求与角有关的长度、角度、面积的最值、优化设计等问题时,通常是转化到三角形中,利用正、余弦定理通过运算的方法加以解决.在解决某些具体问题时,常先引入变量,如边长、角度等,然后把要解三角形的边或角用所设变量表示出来,再利用正、余弦定理列出方程,再解方程即可.若研究最值,常使用函数思想.
跟踪训练2 (1)(2024·西安模拟)已知△ABC的内角A,B,C所对的边分别为a,b,c,a=2,b=5,cos A=,则△ABC的面积为( )
A.36 B.18 C.27 D.36
答案 C
解析 ∵a=2,b=5,cos A=,
∴由a2=b2+c2-2bccos A,
可得c2-8c-18=(c-9)(c+)=0,
解得c=9(负值舍去).
∵cos A=,∴sin A==,
∴△ABC的面积为bcsin A=×5×9×=27.
(2)(2023·聊城模拟)已知△ABC的内角A,B,C所对的边分别为a,b,c,若a-b=ccos B-ccos A,则△ABC的形状一定是( )
A.等腰三角形 B.直角三角形
C.等腰直角三角形 D.等腰或直角三角形
答案 D
解析 因为a-b=ccos B-ccos A,
所以由正弦定理得
sin A-sin B=sin Ccos B-sin Ccos A,
因为sin A=sin(B+C)=sin Bcos C+cos Bsin C,
sin B=sin(A+C)=sin Acos C+cos Asin C,
所以sin Bcos C+cos Bsin C-sin Acos C-cos Asin C=sin Ccos B-sin Ccos A,
整理得sin Bcos C-sin Acos C=0,
所以(sin B-sin A)cos C=0,
所以sin B=sin A或cos C=0,
因为A,B,C∈(0,π),所以A=B或C=,
即△ABC的形状一定是等腰或直角三角形.
(3)(2023·宝鸡统考)在△ABC中,AB=5,AC=7,D为BC的中点,AD=5,则BC等于( )
A.2 B.4 C.2 D.4
答案 B
解析 方法一 设BC=2x,则BD=CD=x.
在△ACD中,由余弦定理的推论可得,cos∠ADC==.
在△ABD中,由余弦定理的推论可得,
cos∠ADB==.
又∠ADC+∠ADB=π,
所以cos∠ADC=-cos∠ADB,
所以有=-,
整理可得x2=12,解得x=2,
所以BC=4.
方法二 =(+),
则2=(2+2+2·),
即25=(25+49+2×5×7×cos∠BAC),
解得cos∠BAC=,
所以BC2=AB2+AC2-2AB·AC·cos∠BAC
=25+49-2×5×7×=48,
所以BC=4.
课时精练
一、单项选择题
1.在△ABC中,C=60°,a+2b=8,sin A=6sin B,则c等于( )
A. B. C.6 D.5
答案 B
解析 因为sin A=6sin B,
则由正弦定理得a=6b,
又a+2b=8,所以a=6,b=1,
因为C=60°,
所以由余弦定理c2=a2+b2-2abcos C,
得c2=62+12-2×6×1×,解得c=.
2.在△ABC中,内角A,B,C的对边a,b,c依次成等差数列,且B=,则△ABC的形状为( )
A.等边三角形
B.直角边不相等的直角三角形
C.等腰直角三角形
D.钝角三角形
答案 A
解析 因为a,b,c依次成等差数列,
所以b=.
由余弦定理可得cos B==,
将b=代入上式整理得(a-c)2=0,
所以a=c.
又B=,所以△ABC为等边三角形.
3.(2023·红河模拟)在△ABC中,角A,B,C的对边分别为a,b,c,△ABC的面积为b(bsin B-asin A-csin C),则B等于( )
A. B. C. D.
答案 D
解析 由题知,△ABC的面积为b(bsin B-asin A-csin C),
所以absin C=b(bsin B-asin A-csin C),即asin C=bsin B-asin A-csin C,
所以由正弦定理得ac=b2-a2-c2,
即a2+c2-b2=-ac,
所以cos B==-,
因为B∈(0,π),所以B=.
4.(2023·宜宾模拟)如图,在△ABC中,内角A,B,C所对的边分别为a,b,c.点D为BC的中点,AD=1,B=,且△ABC的面积为,则c等于( )
A.1 B.2 C.3 D.4
答案 A
解析 ∵B=,
∴在△ABD中,由余弦定理得
c2+2-2c×cos =1,
即a2+4c2-2ac=4,
又S△ABC=acsin B=ac=,
解得ac=2,①
∴a2+4c2-2ac=4=2ac,
即4c2-4ac+a2=0,
∴(2c-a)2=0,即a=2c,②
将②代入①得2c2=2,
解得c=1或c=-1(舍去).
5.(2023·潍坊模拟)如图,平面四边形ABCD的内角B+D=π,AB=6,DA=2,BC=CD,且AC=2.则角B等于( )
A. B.
C. D.
答案 C
解析 设BC=CD=x>0,
在△ABC中,由余弦定理,得
AC2=36+x2-2×6xcos B=28,
即x2+8=12xcos B,①
又在△ACD中,由余弦定理,得
AC2=4+x2-2×2xcos D=28,
即x2-24=4xcos D,②
因为B+D=π,
则cos D=cos(π-B)=-cos B,
联立①②可得x=4,cos B=,
因为B∈(0,π),所以B=.
6.(2022·乐山统考)已知△ABC中,·=-3,AB=2,cos2A+sin2B+sin2C+sin Bsin C=1,D是边BC上一点,∠CAD=3∠BAD.则AD等于( )
A. B. C. D.
答案 B
解析 设△ABC中,角A,B,C的对边为a,b,c,
∵cos2A+sin2B+sin2C+sin Bsin C=1,
即sin2B+sin2C+sin Bsin C=sin2A,
∴b2+c2+bc=a2,
∴cos A==-,
又A∈(0,π),∴A=,
又·=-3,AB=2,
∴·=2bcos A=2b×=-3,
即b=3,
∴a2=b2+c2+bc=32+22+3×2=19,
故a=,
∴cos C===,
sin C=,tan C=,
又∠CAD=3∠BAD,A=,
∴∠CAD=,AD=ACtan C=3×=.
二、多项选择题
7.(2024·南京模拟)在△ABC中,内角A,B,C的对边分别为a,b,c,若(a2+c2-b2)tan B=ac,则B的值为( )
A. B. C. D.
答案 BD
解析 根据余弦定理可知a2+c2-b2=2accos B,
代入(a2+c2-b2)tan B=ac,
可得2accos B·=ac,
即sin B=,
因为0<B<π,所以B=或B=.
8.已知△ABC的内角A,B,C所对的边分别为a,b,c,下列四个命题中正确的是( )
A.若acos A=bcos B,则△ABC是等腰三角形
B.若bcos C+ccos B=b,则△ABC是等腰三角形
C.若==,则△ABC是等边三角形
D.若B=60°,b2=ac,则△ABC是直角三角形
答案 BC
解析 对于A,若acos A=bcos B,则由正弦定理得sin Acos A=sin Bcos B,
∴sin 2A=sin 2B,则2A=2B或2A+2B=180°,即A=B或A+B=90°,则△ABC为等腰三角形或直角三角形,故A错误;
对于B,若bcos C+ccos B=b,则由正弦定理得sin Bcos C+sin Ccos B=sin(B+C)=sin A=sin B,即A=B,则△ABC是等腰三角形,故B正确;
对于C,若==,则由正弦定理得==,则tan A=tan B=tan C,即A=B=C,即△ABC是等边三角形,故C正确;
对于D,由于B=60°,b2=ac,由余弦定理可得b2=ac=a2+c2-ac,可得(a-c)2=0,解得a=c,故△ABC是等边三角形,故D错误.
三、填空题
9.(2023·上饶模拟)已知△ABC的内角A,B,C所对的边分别为a,b,c,=+,则A= .
答案
解析 因为=+,
所以2a·cos A=c·cos B+b·cos C,
由正弦定理得2sin Acos A=sin Ccos B+sin Bcos C,
即2sin Acos A=sin(B+C)=sin A,
因为sin A>0,
所以cos A=,
因为A为三角形内角,则A=.
10.我国南宋著名数学家秦九韶在他的著作《数书九章》卷五的“田域类”中写道:问有沙田一段,有三斜,其小斜一十三里,中斜一十四里,大斜一十五里.里法三百步.欲知为田几何.意思是已知三角形沙田的三边长分别为13里、14里、15里,求三角形沙田的面积.则该沙田的面积为 平方里.
答案 84
解析 由题意画出△ABC(图略),且AB=13里,BC=14里,AC=15里,
在△ABC中,由余弦定理得,cos B===,
所以sin B==,
则该沙田的面积S=AB·BC·sin B=×13×14×=84(平方里).
11.已知△ABC的面积为S=(b2+c2)(其中b,c为△ABC的边长),则△ABC的形状为 .
答案 等腰直角三角形
解析 依题意,△ABC的面积为S=(b2+c2),
则bcsin A=(b2+c2),即2bcsin A=b2+c2,
由于0<A<π,所以0<sin A≤1,
所以0<2bcsin A≤2bc,
由基本不等式可知b2+c2≥2bc,
当且仅当b=c时等号成立,
所以sin A=1,A=,△ABC是等腰直角三角形.
12.(2023·沈阳模拟)在△ABC中,∠BAC=120°,D在BC上,AD⊥AC,AD=1,则+= .
答案
解析 在△ADC中,AD⊥AC,AD=1,
所以==tan C,
因为B=180°-∠BAC-C=60°-C,在△ABC中,
由正弦定理得,=,
则AB===,
所以=-·=-tan C,
所以+=tan C+(-tan C)=.
四、解答题
13.记△ABC的内角A,B,C所对的边分别是a,b,c,已知bsin C=csin .
(1)求角B的大小;
(2)若点D在边AC上,BD平分∠ABC,a=2,b=,求线段BD的长.
解 (1)已知bsin C=csin ,
由正弦定理,得sin Bsin C=sin Csin ,
因为C∈(0,π),所以sin C≠0,
故sin B=sin ,
即2sin cos =sin ,
因为∈,所以sin ≠0,则cos =,
所以=,则B=.
(2)依题意,得a·BD·sin +c·BD·sin =acsin ,即a·BD+c·BD=ac,
即2BD+c·BD=2c,所以BD=.
在△ABC中,由余弦定理,
得b2=a2+c2-2accos =a2+c2+ac,
即7=4+c2+2c,
解得c=1或c=-3(舍去),
所以BD==.
14.(2023·新高考全国Ⅱ)记△ABC的内角A,B,C的对边分别为a,b,c,已知△ABC的面积为,D为BC的中点,且AD=1.
(1)若∠ADC=,求tan B;
(2)若b2+c2=8,求b,c.
解 (1)方法一 在△ABC中,因为D为BC的中点,∠ADC=,AD=1,
则S△ADC=AD·DCsin∠ADC=×1×a×=a=S△ABC=,解得a=4.
在△ABD中,∠ADB=,
由余弦定理得
c2=BD2+AD2-2BD·ADcos∠ADB,
即c2=4+1-2×2×1×=7,
解得c=.
在△ABD中,则cos B===,
sin B===,
所以tan B==.
方法二 在△ABC中,因为D为BC的中点,∠ADC=,AD=1,
则S△ADC=AD·DCsin∠ADC=×1×a×=a=S△ABC=,解得a=4.
在△ACD中,由余弦定理得b2=CD2+AD2-2CD·ADcos∠ADC,
即b2=4+1-2×2×1×=3,解得b=,
又AC2+AD2=4=CD2,则∠CAD=,
C=,过A作AE⊥BC于点E,如图所示,
于是CE=ACcos C=,AE=ACsin C=,BE=,
所以在Rt△AEB中,tan B==.
(2)方法一 在△ABD与△ACD中,由余弦定理得
整理得a2+2=b2+c2,
而b2+c2=8,则a=2,
又S△ADC=××1×sin∠ADC=,
解得sin∠ADC=1,而0<∠ADC<π,
于是∠ADC=,
所以b=c==2.
方法二 在△ABC中,因为D为BC的中点,
则2=+,
又=-,
于是42+2=(+)2+(-)2=2(b2+c2)=16,
即4+a2=16,解得a=2,
又S△ADC=××1×sin∠ADC=,
解得sin∠ADC=1,而0<∠ADC<π,
于是∠ADC=,
所以b=c==2.
15.(2023·渝中模拟)如图,设在△ABC中,AB=BC=AC,从顶点A连接对边BC上两点D,E,使得∠DAE=30°,若BD=16,CE=5,则边长AB等于( )
A.38 B.40 C.42 D.44
答案 B
解析 方法一 设AB=x,∠BAD=α,
在△BAD中,由正弦定理得=,
可以化简得=+,
在△EAC中,由正弦定理得
=,
可以化简得=+,
联立可得=-,
可以化简得x2-42x+80=0,
解得x=40,x=2(舍去).
方法二 设AB=x,利用余弦定理得
AD2=x2+162-16x,AE2=x2+52-5x,
而△ADE的面积S=DE·AB×sin 60°=(x-21)x=AD·AE×sin 30°,
则AD·AE=x(x-21),
则在△ADE中,由余弦定理得
(x-21)2=AD2+AE2-2AD·AEcos 30°,
x2-42x+212=x2+162-16x+x2+52-5x-3x(x-21),
化简整理得x2-42x+80=0,
即x=40,x=2(舍去).
16.(2024·大庆模拟)设△ABC的三边长为BC=a,CA=b,AB=c,若tan =,tan =,则△ABC是( )
A.等腰三角形
B.直角三角形
C.等腰直角三角形
D.以上说法都不对
答案 B
解析 利用tan =,tan =及正弦定理和题设条件,得=,①
=,②
所以1+cos A=sin B+sin C,③
1+cos B=sin A+sin C,④
由③和④得1+cos A-sin B=1+cos B-sin A,
即sin A+cos A=sin B+cos B,
sin=sin,
因为A,B为三角形内角,
所以A+=B+或A+=π-B-,
即A=B或A+B=.
(1)若A=B,由C=π-A-B=π-2A,
将其代入③,得1+cos A=sin A+sin 2A.
变形得(sin A-cos A)2-(sin A-cos A)=0,
即(sin A-cos A)(sin A-cos A-1)=0,⑤
由A=B知A为锐角,从而知sin A-cos A-1≠0.
所以由⑤,得sin A-cos A=0,
即A=,从而B=,C=.
因此,△ABC为等腰直角三角形.
(2)若A+B=,即C=,此时③④恒成立,
综上,△ABC为直角三角形.
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