第 4 章 三角函数与解三角形
本章把任意角与弧度制、三角函数定义、诱导公式、图像与性质、三角恒等变换、正余弦定理和解三角形合并为一条主线。三角函数研究周期变化,解三角形研究三角形中的边角关系。
4.1 任意角与弧度制
4.1.1 任意角
- 角可以看成一条射线绕它的端点旋转所形成的图形。
- 按逆时针方向旋转形成的角叫正角;按顺时针方向旋转形成的角叫负角;没有旋转时形成零角。
- 角的顶点在原点,始边与 $x$ 轴非负半轴重合,终边落在第几象限,就说这个角是第几象限角。
- 终边落在坐标轴上的角不属于任何象限,叫轴线角。
- 与角 $\alpha$ 终边相同的角的集合:
$$ {\beta\mid\beta=\alpha+k\cdot360^\circ,\ k\in\mathbb{Z}} $$
- 与角 $\alpha$ 终边相同的角有无数个,它们相差 $360^\circ$ 的整数倍。
4.1.2 弧度制
长度等于半径长的圆弧所对的圆心角叫 $1$ 弧度的角,记作 $1,\mathrm{rad}$。
- 角度与弧度的互化: $$ 1^\circ=\frac{\pi}{180},\mathrm{rad},\qquad 1,\mathrm{rad}=\left(\frac{180}{\pi}\right)^\circ $$ $$ 180^\circ=\pi,\mathrm{rad} $$
- 弧度制下,角的集合与实数集之间建立了一一对应关系。
- 用弧度表示角时,单位“弧度”通常省略不写。
4.1.3 弧长与扇形面积
设扇形的半径为 $r$,圆心角为 $\alpha$(弧度),弧长为 $l$,面积为 $S$:
$$ l=|\alpha|r $$
$$ S=\frac12 lr=\frac12|\alpha|r^2 $$
- 使用弧长、扇形面积公式时,圆心角必须用弧度制。
- 角度制下,弧长公式为 $l=\frac{n\pi r}{180}$,扇形面积公式为 $S=\frac{n\pi r^2}{360}$。
4.2 三角函数的定义
4.2.1 单位圆定义
设角 $\alpha$ 的终边与单位圆交于点 $P(x,y)$,则:
$$ \sin\alpha=y,\qquad \cos\alpha=x,\qquad \tan\alpha=\frac{y}{x}\quad(x\ne0) $$
- 正弦、余弦的定义域是 $\mathbb{R}$;正切的定义域是 ${\alpha\mid\alpha\ne\frac{\pi}{2}+k\pi,\ k\in\mathbb{Z}}$。
- 三角函数值只与角的终边位置有关,与终边上点的选取无关。
4.2.2 三角函数值的符号
-
第一象限:$\sin\alpha>0$,$\cos\alpha>0$,$\tan\alpha>0$。
-
第二象限:$\sin\alpha>0$,$\cos\alpha<0$,$\tan\alpha<0$。
-
第三象限:$\sin\alpha<0$,$\cos\alpha<0$,$\tan\alpha>0$。
-
第四象限:$\sin\alpha<0$,$\cos\alpha>0$,$\tan\alpha<0$。
-
口诀:一全正,二正弦,三正切,四余弦。
4.2.3 同角三角函数的基本关系
$$ \sin^2\alpha+\cos^2\alpha=1 $$
$$ \tan\alpha=\frac{\sin\alpha}{\cos\alpha}\quad(\cos\alpha\ne0) $$
- 已知一个三角函数值,结合角所在象限,可以求另外两个三角函数值。
- 使用平方关系开方时,要注意角的象限,确定符号。
4.3 诱导公式
4.3.1 诱导公式
- 公式一: $$ \sin(\alpha+2k\pi)=\sin\alpha,\quad \cos(\alpha+2k\pi)=\cos\alpha,\quad \tan(\alpha+2k\pi)=\tan\alpha $$
- 公式二: $$ \sin(\pi+\alpha)=-\sin\alpha,\quad \cos(\pi+\alpha)=-\cos\alpha,\quad \tan(\pi+\alpha)=\tan\alpha $$
- 公式三: $$ \sin(-\alpha)=-\sin\alpha,\quad \cos(-\alpha)=\cos\alpha,\quad \tan(-\alpha)=-\tan\alpha $$
- 公式四: $$ \sin(\pi-\alpha)=\sin\alpha,\quad \cos(\pi-\alpha)=-\cos\alpha,\quad \tan(\pi-\alpha)=-\tan\alpha $$
- 公式五: $$ \sin\left(\frac{\pi}{2}-\alpha\right)=\cos\alpha,\quad \cos\left(\frac{\pi}{2}-\alpha\right)=\sin\alpha $$
- 公式六: $$ \sin\left(\frac{\pi}{2}+\alpha\right)=\cos\alpha,\quad \cos\left(\frac{\pi}{2}+\alpha\right)=-\sin\alpha $$
4.3.2 诱导公式的记忆
- 口诀:奇变偶不变,符号看象限。
- “奇变偶不变”是指 $\frac{\pi}{2}$ 的奇数倍时函数名改变,偶数倍时函数名不变。
- “符号看象限”是指把 $\alpha$ 看作锐角,判断原角所在象限,再确定符号。
- 诱导公式的作用是把任意角的三角函数转化为锐角三角函数。
4.4 三角函数的图像与性质
4.4.1 正弦函数、余弦函数、正切函数的图像与性质
| 函数 | $y=\sin x$ | $y=\cos x$ | $y=\tan x$ |
|---|---|---|---|
| 定义域 | $\mathbb{R}$ | $\mathbb{R}$ | ${x\mid x\ne\frac{\pi}{2}+k\pi}$ |
| 值域 | $[-1,1]$ | $[-1,1]$ | $\mathbb{R}$ |
| 周期 | $2\pi$ | $2\pi$ | $\pi$ |
| 奇偶性 | 奇函数 | 偶函数 | 奇函数 |
| 单调递增区间 | $[-\frac{\pi}{2}+2k\pi,\frac{\pi}{2}+2k\pi]$ | $[-\pi+2k\pi,2k\pi]$ | $(-\frac{\pi}{2}+k\pi,\frac{\pi}{2}+k\pi)$ |
| 单调递减区间 | $[\frac{\pi}{2}+2k\pi,\frac{3\pi}{2}+2k\pi]$ | $[2k\pi,\pi+2k\pi]$ | 无 |
| 对称轴 | $x=\frac{\pi}{2}+k\pi$ | $x=k\pi$ | 无 |
| 对称中心 | $(k\pi,0)$ | $(\frac{\pi}{2}+k\pi,0)$ | $(\frac{k\pi}{2},0)$ |
- 正弦函数、余弦函数的最大值为 $1$,最小值为 $-1$。
- 正切函数在每一个区间 $(-\frac{\pi}{2}+k\pi,\frac{\pi}{2}+k\pi)$ 内单调递增,但在整个定义域上不是增函数。
- 正切曲线有无数条渐近线 $x=\frac{\pi}{2}+k\pi$。
4.4.2 函数 y = A sin(ωx + φ)
- 振幅:$|A|$。
- 周期:$T=\frac{2\pi}{|\omega|}$。
- 频率:$f=\frac{1}{T}=\frac{|\omega|}{2\pi}$。
- 相位:$\omega x+\varphi$;初相:$\varphi$。
- 最大值:$|A|$;最小值:$-|A|$(当 $A>0$ 时分别为 $A,-A$)。
- 图像变换:
- 左右平移:$y=\sin(x+\varphi)$,左加右减;
- 横向伸缩:$y=\sin(\omega x)$,周期变为原来的 $\frac{1}{|\omega|}$;
- 纵向伸缩:$y=A\sin x$,振幅变为 $|A|$。
- 作 $y=A\sin(\omega x+\varphi)$ 的图像,常用“五点法”:令 $\omega x+\varphi=0,\frac{\pi}{2},\pi,\frac{3\pi}{2},2\pi$,求出对应的 $x$ 和 $y$。
4.5 三角恒等变换
4.5.1 两角和与差公式
$$ \cos(\alpha\pm\beta)=\cos\alpha\cos\beta\mp\sin\alpha\sin\beta $$
$$ \sin(\alpha\pm\beta)=\sin\alpha\cos\beta\pm\cos\alpha\sin\beta $$
$$ \tan(\alpha\pm\beta)=\frac{\tan\alpha\pm\tan\beta}{1\mp\tan\alpha\tan\beta} $$
- 公式中的符号规律:余弦“符号相反”,正弦“符号相同”。
- 使用正切公式时,要注意各角的正切值存在。
4.5.2 二倍角公式
$$ \sin2\alpha=2\sin\alpha\cos\alpha $$
$$ \cos2\alpha=\cos^2\alpha-\sin^2\alpha=2\cos^2\alpha-1=1-2\sin^2\alpha $$
$$ \tan2\alpha=\frac{2\tan\alpha}{1-\tan^2\alpha} $$
- 降幂公式: $$ \sin^2\alpha=\frac{1-\cos2\alpha}{2},\qquad \cos^2\alpha=\frac{1+\cos2\alpha}{2} $$
- 半角公式(拓展): $$ \sin\frac{\alpha}{2}=\pm\sqrt{\frac{1-\cos\alpha}{2}},\qquad \cos\frac{\alpha}{2}=\pm\sqrt{\frac{1+\cos\alpha}{2}} $$ 符号由 $\frac{\alpha}{2}$ 所在象限决定。
4.5.3 辅助角公式
$$ a\sin x+b\cos x=\sqrt{a^2+b^2}\sin(x+\varphi) $$
其中 $\tan\varphi=\frac{b}{a}$。
- 辅助角公式常用于求三角函数的最值、周期和单调性。
- 使用时要保证 $a,b$ 不同时为 $0$。
4.5.4 给值求值
- 已知某些角的三角函数值,求其他角的三角函数值。
- 常用方法:角的变换(如 $\alpha=(\alpha+\beta)-\beta$)、公式变形、平方关系。
- 给值求角时,要先确定角的范围,再根据三角函数值确定角。
4.6 正弦定理与余弦定理
4.6.1 正弦定理
在 $\triangle ABC$ 中,角 $A,B,C$ 的对边分别为 $a,b,c$,则:
$$ \frac{a}{\sin A}=\frac{b}{\sin B}=\frac{c}{\sin C}=2R $$
其中 $R$ 是 $\triangle ABC$ 外接圆的半径。
- 正弦定理可以用于:
- 已知两角和一边,求其他边角;
- 已知两边和其中一边的对角,求另一边的对角(可能有两解、一解或无解);
- 边角互化。
- 已知两边和其中一边的对角时,可能出现“一解、两解、无解”的情况,要结合三角形内角和与边角关系判断。
4.6.2 余弦定理
$$ a^2=b^2+c^2-2bc\cos A $$
$$ b^2=a^2+c^2-2ac\cos B $$
$$ c^2=a^2+b^2-2ab\cos C $$
- 余弦定理的变形: $$ \cos A=\frac{b^2+c^2-a^2}{2bc} $$ $$ \cos B=\frac{a^2+c^2-b^2}{2ac} $$ $$ \cos C=\frac{a^2+b^2-c^2}{2ab} $$
- 余弦定理可以用于:
- 已知三边,求三个角;
- 已知两边和夹角,求第三边;
- 判断三角形的形状。
- 勾股定理是余弦定理在 $C=90^\circ$ 时的特例。
4.6.3 三角形面积公式
$$ S=\frac12 ab\sin C=\frac12 bc\sin A=\frac12 ac\sin B $$
- 已知两边和夹角,可以用面积公式求面积。
- 三角形面积的其他公式(拓展): $$ S=\frac{abc}{4R},\qquad S=rs $$ 其中 $R$ 是外接圆半径,$r$ 是内切圆半径,$s=\frac{a+b+c}{2}$。
4.7 解三角形的应用
4.7.1 测量中的角
- 仰角:视线在水平线上方时,视线与水平线的夹角。
- 俯角:视线在水平线下方时,视线与水平线的夹角。
- 方向角:用北偏东、北偏西、南偏东、南偏西等表示方向。
- 坡度:坡面的垂直高度与水平宽度的比,$i=\tan\alpha$,其中 $\alpha$ 是坡角。
4.7.2 解三角形应用题的步骤
- 审题,画出示意图。
- 把实际问题转化为三角形问题。
- 确定已知边、角,选择正弦定理或余弦定理。
- 解三角形,求出所求量。
- 检验结果是否符合实际意义。
4.7.3 常见类型
- 测量不可到达的物体的高度。
- 测量两点之间的距离。
- 航海中的方向角问题。
- 坡度、坡角问题。
- 三角形中的边角关系综合问题。
练习
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将下列角度化为弧度,或把弧度化为角度。 (1)$150^\circ$ (2)$-60^\circ$ (3)$\frac{\pi}{3}$ (4)$\frac{3\pi}{4}$
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写出与下列角终边相同的角的集合,并指出其中最小的正角。 (1)$-120^\circ$ (2)$30^\circ$
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已知扇形的半径 $r=6$,圆心角 $\alpha=\frac{\pi}{3}$,求弧长和扇形面积。
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已知角 $\alpha$ 的终边经过点 $P(-3,4)$,求 $\sin\alpha$、$\cos\alpha$、$\tan\alpha$。
-
已知 $\sin\alpha=\frac35$,且 $\alpha$ 是第二象限角,求 $\cos\alpha$ 和 $\tan\alpha$。
-
化简。 (1)$\sin(\pi-\alpha)$ (2)$\cos\left(\frac{\pi}{2}+\alpha\right)$ (3)$\tan(-\alpha)$ (4)$\sin\left(\frac{3\pi}{2}+\alpha\right)$
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已知函数 $y=2\sin\left(2x+\frac{\pi}{3}\right)$。 (1)求振幅、周期和初相。 (2)求函数的最大值和最小值。
-
计算。 (1)$\sin15^\circ$ (2)$\cos75^\circ$ (3)$\tan105^\circ$
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已知 $\sin\alpha=\frac35$,且 $\alpha$ 是第二象限角,求 $\sin2\alpha$、$\cos2\alpha$、$\tan2\alpha$。
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在 $\triangle ABC$ 中,$a=3$,$b=4$,$C=60^\circ$,求边 $c$。
-
在 $\triangle ABC$ 中,$b=4$,$c=5$,$A=60^\circ$,求 $\triangle ABC$ 的面积。
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在 $\triangle ABC$ 中,若 $\sin A=\sin B$,判断三角形的形状,并说明理由。
检测题
-
判断下面各题,并说明理由。 (1)$\sin30^\circ=\frac12$。 (2)$\cos(-60^\circ)=\cos60^\circ$。 (3)$\tan90^\circ$ 不存在。 (4)函数 $y=\sin x$ 的周期是 $\pi$。 (5)$\sin(\pi+\alpha)=\sin\alpha$。
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将 $120^\circ$ 化为弧度;已知扇形半径 $r=3$,圆心角 $\alpha=2,\mathrm{rad}$,求弧长和扇形面积。
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已知 $\cos\alpha=-\frac{5}{13}$,且 $\alpha$ 是第三象限角,求 $\sin\alpha$ 和 $\tan\alpha$。
-
已知函数 $y=3\sin\left(\frac12x-\frac{\pi}{4}\right)$,求振幅、周期和初相。
-
计算。 (1)$\sin75^\circ$ (2)$\cos15^\circ$ (3)$\tan75^\circ$
-
在 $\triangle ABC$ 中,$a=\sqrt3$,$b=2$,$A=60^\circ$,求角 $B$、角 $C$ 和边 $c$。
-
在点 $A$ 处测得楼顶的仰角为 $30^\circ$,点 $A$ 到楼底的水平距离为 $50$ 米。求楼高(忽略观测者高度)。
-
下面是小明的解题过程,请判断是否正确,并说明理由。 已知 $\sin\alpha=\frac45$,$\alpha$ 是第二象限角,求 $\cos\alpha$。 解:由 $\sin^2\alpha+\cos^2\alpha=1$,得 $\cos^2\alpha=\frac{9}{25}$,所以 $\cos\alpha=\frac35$。
-
写出满足下列条件的角或三角形各一个。 (1)一个正弦值为 $\frac12$ 的角。 (2)一个余弦值为 $-\frac12$ 的角。 (3)一个三边长为 $3,4,5$ 的三角形。
-
已知函数 $f(x)=2\sin\left(2x+\frac{\pi}{6}\right)$。 (1)求函数的最小正周期和最大值。 (2)求函数的单调递增区间。
参考答案与提示
- (1)$\frac{5\pi}{6}$;(2)$-\frac{\pi}{3}$;(3)$60^\circ$;(4)$135^\circ$。
- (1)${\beta\mid\beta=-120^\circ+k\cdot360^\circ,k\in\mathbb{Z}}$,最小正角 $240^\circ$;(2)${\beta\mid\beta=30^\circ+k\cdot360^\circ,k\in\mathbb{Z}}$,最小正角 $30^\circ$。
- $l=\frac{\pi}{3}\times6=2\pi$;$S=\frac12\times2\pi\times6=6\pi$。
- $r=\sqrt{(-3)^2+4^2}=5$,$\sin\alpha=\frac45$,$\cos\alpha=-\frac35$,$\tan\alpha=-\frac43$。
- 因为 $\alpha$ 在第二象限,$\cos\alpha<0$,$\cos\alpha=-\sqrt{1-\frac{9}{25}}=-\frac45$,$\tan\alpha=\frac{\sin\alpha}{\cos\alpha}=-\frac34$。
- (1)$\sin\alpha$;(2)$-\sin\alpha$;(3)$-\tan\alpha$;(4)$-\cos\alpha$。
- (1)振幅 $2$,周期 $\pi$,初相 $\frac{\pi}{3}$;(2)最大值 $2$,最小值 $-2$。
- (1)$\sin15^\circ=\sin(45^\circ-30^\circ)=\frac{\sqrt6-\sqrt2}{4}$;(2)$\cos75^\circ=\cos(45^\circ+30^\circ)=\frac{\sqrt6-\sqrt2}{4}$;(3)$\tan105^\circ=\tan(60^\circ+45^\circ)=\frac{\sqrt3+1}{1-\sqrt3}=-(2+\sqrt3)$。
- 因为 $\alpha$ 在第二象限,$\cos\alpha=-\frac45$。$\sin2\alpha=2\times\frac35\times\left(-\frac45\right)=-\frac{24}{25}$;$\cos2\alpha=\frac{16}{25}-\frac{9}{25}=\frac{7}{25}$;$\tan2\alpha=-\frac{24}{7}$。
- $c^2=3^2+4^2-2\times3\times4\cos60^\circ=9+16-12=13$,$c=\sqrt{13}$。
- $S=\frac12\times4\times5\times\sin60^\circ=10\times\frac{\sqrt3}{2}=5\sqrt3$。
- 由正弦定理 $\frac{a}{\sin A}=\frac{b}{\sin B}$,$\sin A=\sin B$ 得 $a=b$,所以三角形是等腰三角形。
检测题参考答案
- (1)正确;(2)正确,余弦是偶函数;(3)正确,$\tan90^\circ$ 无定义;(4)错误,$y=\sin x$ 的周期是 $2\pi$;(5)错误,$\sin(\pi+\alpha)=-\sin\alpha$。
- $120^\circ=\frac{2\pi}{3}$;$l=2\times3=6$;$S=\frac12\times2\times3^2=9$。
- 因为 $\alpha$ 在第三象限,$\sin\alpha<0$,$\sin\alpha=-\sqrt{1-\frac{25}{169}}=-\frac{12}{13}$,$\tan\alpha=\frac{\sin\alpha}{\cos\alpha}=\frac{12}{5}$。
- 振幅 $3$,周期 $T=\frac{2\pi}{1/2}=4\pi$,初相 $-\frac{\pi}{4}$。
- (1)$\sin75^\circ=\sin(45^\circ+30^\circ)=\frac{\sqrt6+\sqrt2}{4}$;(2)$\cos15^\circ=\cos(45^\circ-30^\circ)=\frac{\sqrt6+\sqrt2}{4}$;(3)$\tan75^\circ=\tan(45^\circ+30^\circ)=2+\sqrt3$。
- 由正弦定理 $\frac{a}{\sin A}=\frac{b}{\sin B}$,$\frac{\sqrt3}{\sin60^\circ}=\frac{2}{\sin B}$,解得 $\sin B=1$,所以 $B=90^\circ$,$C=30^\circ$,$c=1$。
- 设楼高为 $h$,$\tan30^\circ=\frac{h}{50}$,$h=50\times\frac{\sqrt3}{3}=\frac{50\sqrt3}{3}$ 米。
- 不正确。$\alpha$ 是第二象限角,$\cos\alpha<0$,所以 $\cos\alpha=-\frac35$,不是 $\frac35$。
- 示例:(1)$30^\circ$;(2)$120^\circ$;(3)三边为 $3,4,5$ 的直角三角形。
- (1)最小正周期 $T=\frac{2\pi}{2}=\pi$,最大值 $2$;(2)由 $-\frac{\pi}{2}+2k\pi\le2x+\frac{\pi}{6}\le\frac{\pi}{2}+2k\pi$,解得 $-\frac{\pi}{3}+k\pi\le x\le\frac{\pi}{6}+k\pi$,所以单调递增区间为 $\left[-\frac{\pi}{3}+k\pi,\frac{\pi}{6}+k\pi\right]$($k\in\mathbb{Z}$)。