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高中數學/函數與三角/兩角和與差的三角函數公式

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閱讀指南

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希望快速了解或快速回顧高中數學的讀者可以只看基礎知識部分。其餘部分是為需要參加學科考試或需要一定知識提升的讀者準備的。

和角公式與差角公式是推導大量其它三角函數公式的基石。在證明和角公式與差角公式時,我們參照了中國大陸2003年版《全日制普通高級中學教科書·數學》的思路。這種證明不複雜,但是不算特別簡明。在向量章節中學習了向量的點積叉積後,和角公式與差角公式的幾何意義會變得非常自然。

在後續的微積分課程中,利用復指數的歐拉恆等式也可以快速導出本節的和角公式和差角公式。但是歐拉恆等式的常見證明本身也是依賴許多三角函數公式的,因此並不適合作為和角公式和差角公式的證明方法,否則容易導致循環論證

預備知識

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閱讀本節內容只需要掌握弧度制與任意角的三角函數值章節的知識。

考試要求

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大多數情況下,掌握和角公式與差角公式的正向與逆向使用即可。它們本身的證明步驟比較繁瑣,不必作為學習重點,考試很少考它們的由來證明。

後續課程聯繫

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在高中會作適當了解的雙曲函數和後續微積分課程中的雅可比橢圓函數也有類似的兩個變量的加法與減法公式。

基礎知識

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知識引入

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和角公式與差角公式

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公式推導

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在平面直角坐標系的單位圓上取如下4個點:

這樣取點的動機是我們希望設法用角a和角b的正弦值和餘弦值的組合表示出這兩角之和或兩角之差的正餘弦值。

由兩點間的距離公式(畢氏定理的推論)可知:

記坐標系的原點為O,因為全等,所以有,即:

最後一步出現的式子叫做兩個任意角之差的餘弦值公式subtraction formula for cosine of two arbitrary anglesdifference formula for cosine of two arbitrary angles),它對於任意的角a和b都成立。上式演算的核心思路就是打開平方,並將相似的正、餘弦的平方項整理到一起,以便利用對任意角始終成立的畢氏三角學恆等式化簡結果。

Crystal Clear action info 提示:三角函數記號有一些常見的簡寫規則需要注意:(1)一般是指一般是指一般是指一般是指;(2)當需要表達2個角之和的三角函數值,或一個角的負倍數的三角函數值時,函數的括號不能省略。例如不能省略括號,省略括號後含義將會完全不同。

在上述公式中用-b替換b,就得到兩個任意角之和的餘弦值公式addition formula for cosine of two arbitrary anglessum formula for cosine of two arbitrary angles):

繼續使用以上結論,還可以得到2個誘導公式:


Crystal Clear action info 提示:雖然這2個公式在初中/國中階段初學三角比例時遇到過,但是此前並未將它們推廣到對任意角都適用的情形。

利用上述的餘弦的差角公式和2個誘導公式,可得兩個任意角之和的正弦值公式addition formula for sine of two arbitrary anglessum formula for sine of two arbitrary angles):

再次用-b替換上述公式中的b,同樣可得兩個任意角之差的正弦值公式subtraction formula for sine of two arbitrary anglesdifference formula for sine of two arbitrary angles)。

最後,我們推導兩角和與差的正切公式sum and difference formulas for tangenttangent sum and difference Formulas[1]

我們將剛才導出的有關和與差的重要三角函數公式如下:

Crystal Project Warehause 正弦函數、餘弦函數、正切函數的和角公式與差角公式列舉如下[2]

  • 兩角和與差的正弦公式:
  • 兩角和與差的餘弦公式:
  • 兩角和與差的正切公式:

其中的2個角度都可以是任意大小的角。這些兩角的和與差的三角函數公式也統稱為和差恆等式sum and difference identities)。

2個推廣到任意角的公式:

本節最基礎的是給角求值、給值求角、給值求值這3類問題。由於正弦與餘弦的公式形式相似,所以我們將正/餘弦的和/差角公式練習題單獨放在一個小節,正切函數的和/差角公式也單獨放在一個小節。

正弦與餘弦的和/差角公式的練習題

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Crystal Clear action edit 相關例題1: 計算或化簡下列各式:

(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)

參考解答:
(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

答案:(1);(2);(3);(4);(5);(6);(7)

Crystal Clear action edit 相關例題2: 已知,求的值。

給值求值的問題一般需要先根據角度範圍推測未知函數值的大小範圍。再利用正餘弦函數的畢氏三角學恆等式解方程。

Crystal Clear action edit 相關例題3: 已知,求的值。

Crystal Clear action edit 相關例題4: 已知為銳角,為第3象限角,且,求的值。

Crystal Clear action edit 相關例題5: 已知,求的值。

Crystal Clear action edit 相關例題6: 在平面直角坐標系中xOy中,以Ox為始邊作2個銳角,它們的終邊分別與單位圓相交於A、B兩點。已知A、B兩點的橫坐標分別為,求的值。

Crystal Clear action edit 相關例題7: 已知,分別求的值。

Crystal Clear action edit 相關例題8: 已知

(1) 求的值。
(2) 求的值。

也有一些給值求角的題目需要先求出其它相關的未知三角函數值,然後再反推出角度大小。

Crystal Clear action edit 相關例題9: 已知,求的值。

Crystal Clear action edit 相關例題10: 已知,求的值。

涉及正切的和/差角公式的練習題

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Crystal Clear action edit 相關例題1: 計算或化簡下列各式:

(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)

參考解答:
(1)

(2)

(3)

(4)

由此可知:

(5)

由此可知:

(6)

由此可知:

答案:(1);(2);(3);(4);(5);(6)

Crystal Clear action edit 相關例題2: 已知,求的值。

Crystal Clear action edit 相關例題3: 已知,且是方程的2個根,求的值。

Crystal Clear action edit 相關例題4: 已知,求的值。

誘導公式

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誘導公式是一組將角度比較大的三角函數轉換為角度比較小的三角函數的變形公式。

誘導公式數量龐大,但是並不需要刻意記憶。藉助三角函數的奇偶性、周期性、兩角和與差的正/餘弦公式,可以很方便地推導出各種誘導公式。這裏列舉幾個必須熟記的:

其中後3個公式在初中/國中階段遇到過,只是當時沒有將其推廣到任意角度。

Crystal Clear action info 提示:誘導公式並沒有通用的外文名稱,多半是華人數學工作者為了方便稱呼而自創的術語。在對外術語交流中,「誘導」一詞一般是與英文的「induce」(動詞)或「induction」(名詞)互譯,表示從現有事物「引申」出來的新事物。

Crystal Clear action edit 相關例題1: 利用兩個任意角的和角公式與差角公式,快速導出上述誘導公式。

和差角公式與誘導公式有時需要結合起來使用。

Crystal Clear action edit 相關例題2: 計算或化簡下列各式:

(1)
(2)
(3)

Crystal Clear action edit 相關例題3: 計算下列各式:

(1)
(2)

常用結論與常見模型

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角的配湊

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在三角函數問題中,已知角度和待求表達式中的角度有時候並不一樣,但是有間接的換算關係。這時需要根據根據代求表達式中角的特點,合理地轉換為已知角度的加減組合。如果2個角度的和或差與存在直接聯繫,也會考慮逆用誘導公式。

Crystal Project Warehause 角的常見等價拆分:

Crystal Clear action edit 相關例題1: 計算下列各式:

(1)
(2)
(3)
(4)

Crystal Clear action edit 相關例題2: 已知,求的值。

Crystal Clear action edit 相關例題3: 已知,求的值。

Crystal Clear action edit 相關例題4: 已知,求的值。

Crystal Clear action edit 相關例題5: 已知,求的值。

Crystal Clear action edit 相關例題6: 已知,求的值。

Crystal Clear action edit 相關例題7: 已知,求的值。

Crystal Clear action edit 相關例題8: 已知,求的值。

解答:
,可知
再由正切的二倍角公式可知,即有:

將要求值的式子展開,並帶入剛才得到的表達式:

答案:2。

Crystal Clear action edit 相關例題9: 已知

(1) 求的值。
(2) 求的值。

Crystal Clear action edit 相關例題10: 已知

(1) 求的值。
(2) 求的值。

涉及三角形的問題

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Crystal Clear action edit 相關例題1: 在三角形ABC中,已知,則此三角形的形狀為(    )。

A.銳角三角形;B.直角三角形;C.等腰三角形;D.等腰三角形或直角三角形

Crystal Clear action edit 相關例題2: 在三角形ABC中,已知,則此三角形的形狀為(    )。

A.銳角三角形;B.直角三角形;C.鈍角三角形;D.等腰三角形

Crystal Clear action edit 相關例題3: 已知在三角形ABC中,,求角A的大小。

Crystal Clear action edit 相關例題4: 設角A為非等邊三角形的最小內角,求函數的值域。

補充習題

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基礎與中檔練習

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  • 下列式子中,恆等成立的是(    )。
A.
B.
C.
D.
  • 計算
  • 已知,點為角終邊上的一點,求的大小。
  • 已知,求的值。
  • 已知,分別求的值。
  • 已知,分別求的值。
  • 在平面直角坐標系xOy中,角A和B的的頂點與原點重合,始邊與x軸的非負半軸重合,終邊分別與單位圓交於兩點。
(1) 求的值。
(2) 限定,求的值。

提高與拓展問題

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  • 已知,求的值。
  • 已知在三角形ABC中,。如果將k取為a,則此時C是銳角;如果將k取為b,則此時C是直角;如果將k取為c,則此時C是鈍角。求a、b、c的大小關係。
  • 利用兩角和與差的正弦、餘弦、正切公式,分別推導其它3個三角函數(餘切正割餘割)的兩角和與兩角差公式。
  • 求證:
  • 已知,通過展開並化簡恆等式,證明三角形內角的嵌入不等式

參見

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參考資料

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  1. (英文)Tangent Identities.CliffsNotes.
  2. 人民教育出版社中學數學室. 第4章「三角函數」第2部分「兩角和與差的三角函數」第4.6節「兩角和與差的正弦、餘弦、正切」. 數學. 全日制普通高級中學教科書 (必修). 第1冊 (下) 1. 中國北京沙灘后街55號: 人民教育出版社. 2003: 34–42. ISBN 7-107-17105-4 (中文(中國大陸)). 

外部連結

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維基百科中的相關條目:
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