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例题 · 三角函数

三角函数,例题(KBAT)

这组困难的三角函数例题每题都融合两个想法:把 3sin⁡x+4cos⁡x3\sin x+4\cos x 写成 Rsin⁡(x+α)R\sin(x+\alpha) 并用它解方程,用倍角形式替换 cos⁡2x\cos 2x 把方程变成二次式,以及先证明 sin⁡2θ1+cos⁡2θ=tan⁡θ\dfrac{\sin 2\theta}{1+\cos 2\theta}=\tan\theta 再用它证明 tan⁡15∘=2−3\tan 15^{\circ}=2-\sqrt{3}。请先在纸上做每一题,再逐行对照我们的完整解答。

这些例题涵盖什么

这组困难的三角函数例题要你在一道题里接上两项技能,而这正是较难分数所奖励的。第一题构造 R 形式:用和角公式把 3sin⁡x+4cos⁡x3\sin x+4\cos x 对上 Rsin⁡(x+α)R\sin(x+\alpha),再用这个单一正弦去解方程,精微之处在于读解之前先把区间平移 α\alpha。

第二题把 cos⁡2x+sin⁡x=0\cos 2x+\sin x=0 变成二次式,办法是选用只含正弦写出的 cos⁡2A\cos 2A 形式,这个小决定打开了整道题。第三题先证明一条倍角恒等式,再把它配上精确的根式值,得出 tan⁡15∘=2−3\tan 15^{\circ}=2-\sqrt{3},这是证明与精确值之间一种 KBAT 风格的衔接。

数字保持干净,好让推理看得见。请诚实地使用这组题:先盖住解答,把每题完整做一遍,然后再逐行对照,你的算法与我们分岔的那一步,正是学习所在。

例题解析

三题全部做完。它们较长,所以动笔前先规划:说出题目在融合哪两个想法,把第一步理清楚,再让它喂给第二步。

每题都先自己完整做一遍,再看我们的解答。

这里每道难题都有一条提醒:你倚靠的恒等式都印在考试公式表上,但如何改写它们是你的责任。公式表给出 sin⁡(A+B)\sin(A+B)、三种等价形式的 cos⁡2A\cos 2A 以及其余的,可它不会告诉你要平方相加去求 RR、要把区间平移 α\alpha,或者该选哪个 cos⁡2A\cos 2A 版本。

把公式表当成一架工具,而不是一份食谱。把题目读一遍,决定哪件工具合用,把这个决定写成第一行,然后才开始代数;单单这个习惯,就能把大多数顶档三角题从猜测变成常规。

Q1[6 marks]

把 3sin⁡x+4cos⁡x3\sin x+4\cos x 写成 Rsin⁡(x+α)R\sin(x+\alpha) 的形式,其中 R>0R>0 且 0∘<α<90∘0^{\circ}<\alpha<90^{\circ}。据此在 0∘≤x≤360∘0^{\circ}\le x\le 360^{\circ} 内解 3sin⁡x+4cos⁡x=2.53\sin x+4\cos x=2.5,xx 精确到两位小数。

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用正弦的和角公式展开目标形式:

Given in the exam
sin⁡(A+B)=sin⁡Acos⁡B+cos⁡Asin⁡B\sin(A+B)=\sin A\cos B+\cos A\sin B

于是 Rsin⁡(x+α)=Rsin⁡xcos⁡α+Rcos⁡xsin⁡αR\sin(x+\alpha)=R\sin x\cos\alpha+R\cos x\sin\alpha。把 sin⁡x\sin x 与 cos⁡x\cos x 的系数与 3sin⁡x+4cos⁡x3\sin x+4\cos x 对上:

Rcos⁡α=3,Rsin⁡α=4R\cos\alpha=3,\qquad R\sin\alpha=4

把两式平方相加;由于 cos⁡2α+sin⁡2α=1\cos^{2}\alpha+\sin^{2}\alpha=1,右边收拢:

R2cos⁡2α+R2sin⁡2α=32+42 ⇒ R2=25 ⇒ R=5R^{2}\cos^{2}\alpha+R^{2}\sin^{2}\alpha=3^{2}+4^{2}\ \Rightarrow\ R^{2}=25\ \Rightarrow\ R=5

把两式相除以消去 RR,求出 α\alpha:

Rsin⁡αRcos⁡α=tan⁡α=43 ⇒ α=53.13∘\dfrac{R\sin\alpha}{R\cos\alpha}=\tan\alpha=\dfrac{4}{3}\ \Rightarrow\ \alpha=53.13^{\circ}

Rcos⁡αR\cos\alpha 与 Rsin⁡αR\sin\alpha 都为正,所以 α\alpha 在第一象限,与 0∘<α<90∘0^{\circ}<\alpha<90^{\circ} 一致。因此该式为:

3sin⁡x+4cos⁡x=5sin⁡(x+53.13∘)3\sin x+4\cos x=5\sin(x+53.13^{\circ})

现在用它来解方程。替换左边,孤立正弦:

5sin⁡(x+53.13∘)=2.5 ⇒ sin⁡(x+53.13∘)=0.55\sin(x+53.13^{\circ})=2.5\ \Rightarrow\ \sin(x+53.13^{\circ})=0.5

令 u=x+53.13∘u=x+53.13^{\circ}。当 xx 从 0∘0^{\circ} 走到 360∘360^{\circ},uu 从 53.13∘53.13^{\circ} 走到 413.13∘413.13^{\circ}。

在该区间内解 sin⁡u=0.5\sin u=0.5;基本角是 30∘30^{\circ},正弦在第一、第二象限为正,给出候选 30∘, 150∘, 390∘30^{\circ},\ 150^{\circ},\ 390^{\circ}。只保留落在 [53.13∘,413.13∘][53.13^{\circ},413.13^{\circ}] 内的:

u=150∘或u=390∘u=150^{\circ}\quad\text{或}\quad u=390^{\circ}

候选 u=30∘u=30^{\circ} 低于 53.13∘53.13^{\circ},舍去。从每个保留值减去 53.13∘53.13^{\circ} 以还原 xx:

x=150∘−53.13∘=96.87∘或x=390∘−53.13∘=336.87∘x=150^{\circ}-53.13^{\circ}=96.87^{\circ}\quad\text{或}\quad x=390^{\circ}-53.13^{\circ}=336.87^{\circ}

答案

R=5R=5,α=53.13∘\alpha=53.13^{\circ},所以 3sin⁡x+4cos⁡x=5sin⁡(x+53.13∘)3\sin x+4\cos x=5\sin(x+53.13^{\circ});且 x=96.87∘x=96.87^{\circ} 或 x=336.87∘x=336.87^{\circ}。在 x=96.87∘x=96.87^{\circ} 代入检验:3sin⁡96.87∘+4cos⁡96.87∘≈3(0.9928)+4(−0.1194)≈2.98−0.48=2.503\sin 96.87^{\circ}+4\cos 96.87^{\circ}\approx3(0.9928)+4(-0.1194)\approx2.98-0.48=2.50。

Q2[5 marks]

在 0∘≤x≤360∘0^{\circ}\le x\le 360^{\circ} 内解 cos⁡2x+sin⁡x=0\cos 2x+\sin x=0。

Show worked solution

两项用的角不同,2x2x 与 xx,所以还不能合并。用只含正弦写出的倍角形式重写 cos⁡2x\cos 2x,让整个方程都用 sin⁡x\sin x:

Given in the exam
cos⁡2A=1−2sin⁡2A\cos 2A=1-2\sin^{2}A

把 cos⁡2x=1−2sin⁡2x\cos 2x=1-2\sin^{2}x 代入方程:

1−2sin⁡2x+sin⁡x=01-2\sin^{2}x+\sin x=0

整体乘以 −1-1,整理成关于 sin⁡x\sin x 的二次式:

2sin⁡2x−sin⁡x−1=02\sin^{2}x-\sin x-1=0

令 s=sin⁡xs=\sin x 因式分解:

(2s+1)(s−1)=0 ⇒ sin⁡x=−12 或 sin⁡x=1(2s+1)(s-1)=0\ \Rightarrow\ \sin x=-\dfrac{1}{2}\ \text{或}\ \sin x=1

对 sin⁡x=−12\sin x=-\dfrac{1}{2}:基本角是 30∘30^{\circ},正弦在第三、第四象限为负:

x=180∘+30∘=210∘或x=360∘−30∘=330∘x=180^{\circ}+30^{\circ}=210^{\circ}\quad\text{或}\quad x=360^{\circ}-30^{\circ}=330^{\circ}

对 sin⁡x=1\sin x=1:正弦在一整圈内只有一次取到最大值:

x=90∘x=90^{\circ}

答案

x=90∘, 210∘, 330∘x=90^{\circ},\ 210^{\circ},\ 330^{\circ}。检验 x=210∘x=210^{\circ}:cos⁡420∘=cos⁡60∘=12\cos 420^{\circ}=\cos 60^{\circ}=\dfrac{1}{2},sin⁡210∘=−12\sin 210^{\circ}=-\dfrac{1}{2},所以 cos⁡2x+sin⁡x=12−12=0\cos 2x+\sin x=\dfrac{1}{2}-\dfrac{1}{2}=0。

选用 cos⁡2A=1−2sin⁡2A\cos 2A=1-2\sin^{2}A 而不是别的版本,正是让方程保持在一个比值里的关键。

Q3[6 marks]

(a)证明 sin⁡2θ1+cos⁡2θ=tan⁡θ\dfrac{\sin 2\theta}{1+\cos 2\theta}=\tan\theta。(b)据此令 θ=15∘\theta=15^{\circ},证明 tan⁡15∘=2−3\tan 15^{\circ}=2-\sqrt{3}。

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(a)把每个倍角都换成公式。分子用 sin⁡2θ=2sin⁡θcos⁡θ\sin 2\theta=2\sin\theta\cos\theta;分母选那个能让 1+cos⁡2θ1+\cos 2\theta 收拢成一个平方的 cos⁡2θ\cos 2\theta 版本:

Given in the exam
sin⁡2A=2sin⁡Acos⁡A\sin 2A=2\sin A\cos A
Given in the exam
cos⁡2A=2cos⁡2A−1\cos 2A=2\cos^{2}A-1

有了这个选择,1+cos⁡2θ=1+(2cos⁡2θ−1)=2cos⁡2θ1+\cos 2\theta=1+(2\cos^{2}\theta-1)=2\cos^{2}\theta。把两个结果代入左边:

LHS=2sin⁡θcos⁡θ2cos⁡2θ\text{LHS}=\dfrac{2\sin\theta\cos\theta}{2\cos^{2}\theta}

约去公因式 2cos⁡θ2\cos\theta:

=sin⁡θcos⁡θ=tan⁡θ=RHS=\dfrac{\sin\theta}{\cos\theta}=\tan\theta=\text{RHS}

(b)令 θ=15∘\theta=15^{\circ},则 2θ=30∘2\theta=30^{\circ}。右边成为 tan⁡15∘\tan 15^{\circ},左边用精确值 sin⁡30∘=12\sin 30^{\circ}=\dfrac{1}{2} 与 cos⁡30∘=32\cos 30^{\circ}=\dfrac{\sqrt{3}}{2}:

tan⁡15∘=sin⁡30∘1+cos⁡30∘=121+32\tan 15^{\circ}=\dfrac{\sin 30^{\circ}}{1+\cos 30^{\circ}}=\dfrac{\tfrac{1}{2}}{1+\tfrac{\sqrt{3}}{2}}

把分母写成一个分数 2+32\dfrac{2+\sqrt{3}}{2},再作分数相除:

=122+32=12+3=\dfrac{\tfrac{1}{2}}{\tfrac{2+\sqrt{3}}{2}}=\dfrac{1}{2+\sqrt{3}}

用共轭 2−32-\sqrt{3} 乘上下进行有理化:

=2−3(2+3)(2−3)=2−34−3=2−3=\dfrac{2-\sqrt{3}}{(2+\sqrt{3})(2-\sqrt{3})}=\dfrac{2-\sqrt{3}}{4-3}=2-\sqrt{3}

答案

恒等式成立,因为左边化简为 tan⁡θ\tan\theta;令 θ=15∘\theta=15^{\circ} 便得 tan⁡15∘=2−3\tan 15^{\circ}=2-\sqrt{3}。数值检验:2−3≈2−1.7321=0.26792-\sqrt{3}\approx2-1.7321=0.2679,与计算器上的 tan⁡15∘\tan 15^{\circ} 相符。

Q4[6 marks]

已知 sin⁡A=35\sin A=\dfrac{3}{5},其中 AA 为钝角;cos⁡B=1213\cos B=\dfrac{12}{13},其中 BB 为锐角。不使用计算器,求 (a) cos⁡(A+B)\cos(A+B),(b) tan⁡(A−B)\tan(A-B) 的精确值。

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先判断每个角所在的象限。AA 是钝角,所以 cos⁡A\cos A 为负;BB 是锐角,所以 sin⁡B\sin B 为正。

用 sin⁡2θ+cos⁡2θ=1\sin^{2}\theta+\cos^{2}\theta=1 求出缺少的比值。

cos⁡A=−1−(35)2=−45sin⁡B=1−(1213)2=513\cos A=-\sqrt{1-\left(\dfrac{3}{5}\right)^{2}}=-\dfrac{4}{5}\qquad \sin B=\sqrt{1-\left(\dfrac{12}{13}\right)^{2}}=\dfrac{5}{13}

(a) 用和角公式展开 cos⁡(A+B)\cos(A+B),代入四个比值:

cos⁡(A+B)=cos⁡Acos⁡B−sin⁡Asin⁡B\cos(A+B)=\cos A\cos B-\sin A\sin B
=(−45)(1213)−(35)(513)=−4865−1565=−6365=\left(-\dfrac{4}{5}\right)\left(\dfrac{12}{13}\right)-\left(\dfrac{3}{5}\right)\left(\dfrac{5}{13}\right)=-\dfrac{48}{65}-\dfrac{15}{65}=-\dfrac{63}{65}

(b) 求 tan⁡(A−B)\tan(A-B) 之前,先把两个比值换成正切:

tan⁡A=3/5−4/5=−34tan⁡B=5/1312/13=512\tan A=\dfrac{3/5}{-4/5}=-\dfrac{3}{4}\qquad \tan B=\dfrac{5/13}{12/13}=\dfrac{5}{12}

代入正切的差角公式:

tan⁡(A−B)=tan⁡A−tan⁡B1+tan⁡Atan⁡B=−34−5121+(−34)(512)=−761116=−5633\tan(A-B)=\dfrac{\tan A-\tan B}{1+\tan A\tan B}=\dfrac{-\tfrac{3}{4}-\tfrac{5}{12}}{1+\left(-\tfrac{3}{4}\right)\left(\tfrac{5}{12}\right)}=\dfrac{-\tfrac{7}{6}}{\tfrac{11}{16}}=-\dfrac{56}{33}

答案

cos⁡(A+B)=−6365\cos(A+B)=-\dfrac{63}{65},tan⁡(A−B)=−5633\tan(A-B)=-\dfrac{56}{33}。合理性检查:A≈143.13∘A\approx143.13^{\circ},B≈22.62∘B\approx22.62^{\circ},所以 A+B≈165.75∘A+B\approx165.75^{\circ}(第二象限,余弦为负)而 A−B≈120.51∘A-B\approx120.51^{\circ}(第二象限,正切为负),两个符号都吻合。

Q5[6 marks]

在 0∘≤x≤360∘0^{\circ}\le x\le 360^{\circ} 内解 2sec⁡2x−tan⁡x=82\sec^{2}x-\tan x=8。

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两项都应改写成只含 tan⁡x\tan x 的形式。用联系 sec⁡2x\sec^{2}x 与 tan⁡x\tan x 的恒等式替换:

1+tan⁡2x=sec⁡2x1+\tan^{2}x=\sec^{2}x

把 sec⁡2x=1+tan⁡2x\sec^{2}x=1+\tan^{2}x 代入方程:

2(1+tan⁡2x)−tan⁡x=82(1+\tan^{2}x)-\tan x=8

展开并整理成关于 tan⁡x\tan x 的二次方程:

2tan⁡2x−tan⁡x−6=02\tan^{2}x-\tan x-6=0

令 t=tan⁡xt=\tan x,用求根公式求解:

t=1±1+484=1±74 ⇒ tan⁡x=2 或 tan⁡x=−1.5t=\dfrac{1\pm\sqrt{1+48}}{4}=\dfrac{1\pm7}{4}\ \Rightarrow\ \tan x=2\ \text{或}\ \tan x=-1.5

当 tan⁡x=2\tan x=2(为正,第一、第三象限):基本角为 63.43∘63.43^{\circ}:

x=63.43∘或x=180∘+63.43∘=243.43∘x=63.43^{\circ}\quad\text{或}\quad x=180^{\circ}+63.43^{\circ}=243.43^{\circ}

当 tan⁡x=−1.5\tan x=-1.5(为负,第二、第四象限):基本角为 56.31∘56.31^{\circ}:

x=180∘−56.31∘=123.69∘或x=360∘−56.31∘=303.69∘x=180^{\circ}-56.31^{\circ}=123.69^{\circ}\quad\text{或}\quad x=360^{\circ}-56.31^{\circ}=303.69^{\circ}

答案

x=63.43∘, 123.69∘, 243.43∘, 303.69∘x=63.43^{\circ},\ 123.69^{\circ},\ 243.43^{\circ},\ 303.69^{\circ}。在 x=63.43∘x=63.43^{\circ} 检验:tan⁡x=2\tan x=2,sec⁡2x=1+4=5\sec^{2}x=1+4=5,故 2(5)−2=82(5)-2=8。

会有四个解,是因为二次方程给出两个 tan⁡x\tan x 值,而每个符号在一整圈中各对应两个象限。

Q6[5 marks]

(a) 利用和角公式,证明 sin⁡75∘=6+24\sin 75^{\circ}=\dfrac{\sqrt6+\sqrt2}{4}。(b) 据此,不使用计算器,求 cos⁡165∘\cos 165^{\circ} 的精确值。

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(a) 把 75∘75^{\circ} 写成两个精确比值已知的角之和:

75∘=45∘+30∘75^{\circ}=45^{\circ}+30^{\circ}

用正弦的和角公式展开,代入精确值 sin⁡45∘=cos⁡45∘=22\sin45^{\circ}=\cos45^{\circ}=\dfrac{\sqrt2}{2}、sin⁡30∘=12\sin30^{\circ}=\dfrac{1}{2}、cos⁡30∘=32\cos30^{\circ}=\dfrac{\sqrt3}{2}:

sin⁡75∘=sin⁡45∘cos⁡30∘+cos⁡45∘sin⁡30∘=22⋅32+22⋅12\sin75^{\circ}=\sin45^{\circ}\cos30^{\circ}+\cos45^{\circ}\sin30^{\circ}=\dfrac{\sqrt2}{2}\cdot\dfrac{\sqrt3}{2}+\dfrac{\sqrt2}{2}\cdot\dfrac{1}{2}
=64+24=6+24=\dfrac{\sqrt6}{4}+\dfrac{\sqrt2}{4}=\dfrac{\sqrt6+\sqrt2}{4}

(b) 165∘=180∘−15∘165^{\circ}=180^{\circ}-15^{\circ},用第二象限的对称关系 cos⁡(180∘−θ)=−cos⁡θ\cos(180^{\circ}-\theta)=-\cos\theta:

cos⁡165∘=cos⁡(180∘−15∘)=−cos⁡15∘\cos165^{\circ}=\cos(180^{\circ}-15^{\circ})=-\cos15^{\circ}

再用余角关系 cos⁡(90∘−θ)=sin⁡θ\cos(90^{\circ}-\theta)=\sin\theta 把 cos⁡15∘\cos15^{\circ} 与 (a) 的结果联系起来:

cos⁡15∘=cos⁡(90∘−75∘)=sin⁡75∘=6+24\cos15^{\circ}=\cos(90^{\circ}-75^{\circ})=\sin75^{\circ}=\dfrac{\sqrt6+\sqrt2}{4}
∴ cos⁡165∘=−6+24\therefore\ \cos165^{\circ}=-\dfrac{\sqrt6+\sqrt2}{4}

答案

sin⁡75∘=6+24\sin75^{\circ}=\dfrac{\sqrt6+\sqrt2}{4},cos⁡165∘=−6+24\cos165^{\circ}=-\dfrac{\sqrt6+\sqrt2}{4}。合理性检查:6+24≈0.9659\dfrac{\sqrt6+\sqrt2}{4}\approx0.9659,而 165∘165^{\circ} 十分接近 180∘180^{\circ},该处余弦接近 −1-1,所以约 −0.97-0.97 的数值是合理的。

Q7[5 marks]

已知 cos⁡θ=725\cos\theta=\dfrac{7}{25},其中 0∘<θ<90∘0^{\circ}<\theta<90^{\circ}。利用倍角公式,求 (a) sin⁡θ2\sin\dfrac{\theta}{2},(b) tan⁡θ2\tan\dfrac{\theta}{2} 的精确值。

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(a) 把余弦的倍角公式用在半角 θ2\dfrac{\theta}{2} 上,使得 2×θ2=θ2\times\dfrac{\theta}{2}=\theta:

cos⁡θ=1−2sin⁡2θ2\cos\theta=1-2\sin^{2}\dfrac{\theta}{2}

代入 cos⁡θ=725\cos\theta=\dfrac{7}{25},整理求出 sin⁡2θ2\sin^{2}\dfrac{\theta}{2}:

725=1−2sin⁡2θ2 ⇒ sin⁡2θ2=12(1−725)=925\dfrac{7}{25}=1-2\sin^{2}\dfrac{\theta}{2}\ \Rightarrow\ \sin^{2}\dfrac{\theta}{2}=\dfrac{1}{2}\left(1-\dfrac{7}{25}\right)=\dfrac{9}{25}

由于 0∘<θ<90∘0^{\circ}<\theta<90^{\circ},半角 θ2\dfrac{\theta}{2} 介于 0∘0^{\circ} 与 45∘45^{\circ} 之间,属第一象限,故其正弦为正:

sin⁡θ2=35\sin\dfrac{\theta}{2}=\dfrac{3}{5}

(b) 用毕氏恒等式求 cos⁡θ2\cos\dfrac{\theta}{2},同样取正根:

cos⁡θ2=1−925=45\cos\dfrac{\theta}{2}=\sqrt{1-\dfrac{9}{25}}=\dfrac{4}{5}

相除求出正切:

tan⁡θ2=sin⁡θ2cos⁡θ2=3/54/5=34\tan\dfrac{\theta}{2}=\dfrac{\sin\tfrac{\theta}{2}}{\cos\tfrac{\theta}{2}}=\dfrac{3/5}{4/5}=\dfrac{3}{4}

答案

sin⁡θ2=35\sin\dfrac{\theta}{2}=\dfrac{3}{5},tan⁡θ2=34\tan\dfrac{\theta}{2}=\dfrac{3}{4}。合理性检查:θ=cos⁡−1(725)≈73.74∘\theta=\cos^{-1}\left(\tfrac{7}{25}\right)\approx73.74^{\circ},故 θ2≈36.87∘\dfrac{\theta}{2}\approx36.87^{\circ},而 sin⁡36.87∘≈0.6\sin36.87^{\circ}\approx0.6、tan⁡36.87∘≈0.75\tan36.87^{\circ}\approx0.75,两者都吻合。

Q8[6 marks]

(a) 证明 11−sin⁡θ+11+sin⁡θ=2sec⁡2θ\dfrac{1}{1-\sin\theta}+\dfrac{1}{1+\sin\theta}=2\sec^{2}\theta。(b) 据此,求所有满足 11−sin⁡θ+11+sin⁡θ=8\dfrac{1}{1-\sin\theta}+\dfrac{1}{1+\sin\theta}=8 且 0∘≤θ≤360∘0^{\circ}\le\theta\le 360^{\circ} 的 θ\theta 值。

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(a) 把左边两个分式通分合并:

11−sin⁡θ+11+sin⁡θ=(1+sin⁡θ)+(1−sin⁡θ)(1−sin⁡θ)(1+sin⁡θ)\dfrac{1}{1-\sin\theta}+\dfrac{1}{1+\sin\theta}=\dfrac{(1+\sin\theta)+(1-\sin\theta)}{(1-\sin\theta)(1+\sin\theta)}

分子化简为 22,分母是平方差:

=21−sin⁡2θ=\dfrac{2}{1-\sin^{2}\theta}

用毕氏恒等式把 1−sin⁡2θ1-\sin^{2}\theta 换成 cos⁡2θ\cos^{2}\theta,再改写成正割:

=2cos⁡2θ=2sec⁡2θ=RHS=\dfrac{2}{\cos^{2}\theta}=2\sec^{2}\theta=\text{RHS}

(b) 新方程左边正是刚证明的式子,用 2sec⁡2θ2\sec^{2}\theta 替换,再解出 cos⁡θ\cos\theta:

2sec⁡2θ=8 ⇒ sec⁡2θ=4 ⇒ cos⁡2θ=14 ⇒ cos⁡θ=±122\sec^{2}\theta=8\ \Rightarrow\ \sec^{2}\theta=4\ \Rightarrow\ \cos^{2}\theta=\dfrac{1}{4}\ \Rightarrow\ \cos\theta=\pm\dfrac{1}{2}

对 cos⁡θ=12\cos\theta=\dfrac{1}{2}(第一、第四象限)和 cos⁡θ=−12\cos\theta=-\dfrac{1}{2}(第二、第三象限),基本角在每种情况都是 60∘60^{\circ}:

θ=60∘, 120∘, 240∘, 300∘\theta=60^{\circ},\ 120^{\circ},\ 240^{\circ},\ 300^{\circ}

答案

θ=60∘, 120∘, 240∘, 300∘\theta=60^{\circ},\ 120^{\circ},\ 240^{\circ},\ 300^{\circ}。在 θ=60∘\theta=60^{\circ} 检验:sin⁡60∘=32≈0.866\sin60^{\circ}=\tfrac{\sqrt3}{2}\approx0.866,故 11−0.866+11+0.866≈7.46+0.54=8.00\dfrac{1}{1-0.866}+\dfrac{1}{1+0.866}\approx7.46+0.54=8.00,与右边相符。

这三题都奖励一个清楚的第一步决定:要对上哪种目标形式、要代入哪个 cos⁡2A\cos 2A 版本、哪一对倍角公式能把分母变成一个平方。有意识地作出这个选择,把它写下来,一道难题就展开成两个熟悉的步骤。

最后一部分的精确值收尾,展示了你刚证出的恒等式如何交给你一个靠手算本来得不到的数。

关键方法要点

这三道例题演练的是顶档三角题所要求的组合技能。多做练习时,记住以下几点。

  • 求 R 形式时,从和角公式对系数,再用 R=a2+b2R=\sqrt{a^{2}+b^{2}} 与 tan⁡α=ba\tan\alpha=\dfrac{b}{a};核对符号,把 α\alpha 放进所需象限。
  • 解 Rsin⁡(x+α)=kR\sin(x+\alpha)=k 时,先把区间平移 α\alpha,对平移后的角求解,再减去 α\alpha 还原 xx。
  • 选与方程其余部分相配的 cos⁡2A\cos 2A 版本:其余项是正弦就用 1−2sin⁡2A1-2\sin^{2}A,是余弦就用 2cos⁡2A−12\cos^{2}A-1。
  • 证明中,选 cos⁡2θ=2cos⁡2θ−1\cos 2\theta=2\cos^{2}\theta-1 会把 1+cos⁡2θ1+\cos 2\theta 变成 2cos⁡2θ2\cos^{2}\theta;对称地,另一个选择把 1−cos⁡2θ1-\cos 2\theta 变成 2sin⁡2θ2\sin^{2}\theta。
  • 证出的恒等式可配上精确值(sin⁡30∘=12\sin 30^{\circ}=\tfrac{1}{2}、cos⁡30∘=32\cos 30^{\circ}=\tfrac{\sqrt{3}}{2})得到根式,如 tan⁡15∘=2−3\tan 15^{\circ}=2-\sqrt{3};最后把分母有理化。
  • 保留每一行代入,由于采用分析式评分,即使最后一位数字出错,一行清楚的方法仍能拿到方法分。

老师如何帮忙

难分往往取决于早早作出的一个决定:要对上哪种形式,或要代入哪个 cos⁡2A\cos 2A。靠猜的学生常在半途卡住;有意识地选择的学生则干净收尾。

在一对一的课堂上,我们的老师把这个决定摆到明处,问分母需要变成什么,或者为什么区间必须平移 α\alpha,让你学会引导题目,而不是被它牵着走。我们的老师经验丰富,所以你遇到的是把这些组合解过许多遍、能示范可靠路线的人。

课程以英语授课,而 SPM 试卷用马来文和英文双语命题,因此这套记号在两种版本里都一样。

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常见问题

怎样在 R 形式里求 RR 和 α\alpha?

用和角公式把 asin⁡x+bcos⁡xa\sin x+b\cos x 与展开后的目标对上,得到 Rcos⁡α=aR\cos\alpha=a 与 Rsin⁡α=bR\sin\alpha=b。平方相加得 R=a2+b2R=\sqrt{a^{2}+b^{2}};相除得 tan⁡α=ba\tan\alpha=\dfrac{b}{a}。

两式的符号决定 α\alpha 所在的象限。

解 Rsin⁡(x+α)=kR\sin(x+\alpha)=k 时,为什么要平移范围?

你先解的是合并角 u=x+αu=x+\alpha,而不是 xx。把给定范围平移 α\alpha,在平移后的范围里找出满足 sin⁡u=kR\sin u=\tfrac{k}{R} 的每个 uu,再各减去 α\alpha。

落在平移范围之外的解要舍去。

该代入哪个 cos⁡2A\cos 2A 版本?

选与方程其余部分相配的版本。若其余项是正弦,用 cos⁡2A=1−2sin⁡2A\cos 2A=1-2\sin^{2}A;若是余弦,用 cos⁡2A=2cos⁡2A−1\cos 2A=2\cos^{2}A-1。

这样方程保持在一个比值里,便能作为二次式因式分解。

证明恒等式怎样帮我求 tan⁡15∘\tan 15^{\circ}?

一旦证出 sin⁡2θ1+cos⁡2θ=tan⁡θ\dfrac{\sin 2\theta}{1+\cos 2\theta}=\tan\theta,令 θ=15∘\theta=15^{\circ} 使 2θ=30∘2\theta=30^{\circ},其精确值你是知道的。代入 sin⁡30∘=12\sin 30^{\circ}=\tfrac{1}{2} 与 cos⁡30∘=32\cos 30^{\circ}=\tfrac{\sqrt{3}}{2} 并有理化,就得到 tan⁡15∘=2−3\tan 15^{\circ}=2-\sqrt{3}。

来源:SRC-DSKP-EN

作者 spmaddmath.com.my 编辑团队.· 最后更新 5 September 2026

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