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- 2021-06-30 发布
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第5节 三角函数的化简与求值
考试要求 掌握简单的三角函数式的化简、求值及恒等式证明.
知 识 梳 理
1.三角变换
三角变换是重要的代数式变形,变形过程中,不仅需要熟练把握各种三角公式,还需要有一种处理复杂代数式的能力,更需要有一种化归的意识.
2.三角恒等变换中常用的方法技巧
(1)角的变换:在化简、求值、证明中,表达式中往往会出现较多的相异角,可根据角与角之间的和差、倍半、互补、互余的关系,运用角的变换,缩小条件与结构中角的差异,使问题获解,此时需熟悉倍角与半角的相对性及角的拆并,变换的技巧,如是 的半角,是的二倍角,2α=(α+β)+(α-β),α=(α+β)-β等.
(2)函数名称的变换:在三角函数中,正弦函数、余弦函数是基础,在变形中,通常化切为弦,变异名为同名.
(3)常数代换:在三角函数的运算、求值、证明中,有时需要将常数转化为三角函数和或积等形式,例如常数“1”的代换变形为:1=sin2α+cos2α=tan 45°=sin 90°.
(4)幂的变换:升幂和降幂是三角变换中常用的方法,对于次数较高的三角函数式,一般采用降幂处理的方法.
(5)公式变形:三角公式是变换的依据,应熟练掌握三角公
式及其逆用和变形应用.例如sin αcos α=sin 2α,tan A+tan B=tan(A+B)(1-tan Atan B)等.
[常用结论与易错提醒]
(1)辅助角公式:asin θ+bcos θ=sin(θ+φ),其中角φ所在象限由a,b的符号确定,且tan φ=.
(2)(选用)万能公式:sin θ=,cos θ=,tan θ=.
(3)(选用)三倍角公式:sin 3θ=3sin θ-4sin3θ,cos 3θ=4cos3θ-3cos θ,tan 3θ=.
诊 断 自 测
1.判断下列说法的正误.
(1)=tan.( )
(2)在半角公式:sin =±,cos =±,tan =±中,符号由所在象限决定.( )
(3)tan ==.( )
(4)cos α+sin α=cos(60°+α).( )
解析 cos α+sin α=cos 60°cos α+sin 60°sin α=cos(60°-α),(4)不正确.
答案 (1)√ (2)√ (3)√ (4)×
2.的值是( )
A.sin 40° B.cos 40°
C.cos 130° D.±cos 50°
解析 原式==|cos 130°|=cos 50°=sin 40°.
答案 A
3.若cos α=,且α∈[0,π],则cos +sin 的值是( )
A. B.
C. D.
解析 ∵α∈[0,π],cos α=,∴sin α==,则=1+sin α=1+,检验知B符合上式.
答案 B
4.若sin=,则tan2x=________.
解析 ∵sin=,∴-cos 2x=,即cos 2x=-,∴tan2x====4.
答案 4
5.方程sin x+cos x=1在区间[0,2π]上的所有解的和等于________.
解析 sin x+cos x=2sin=1,x∈[0,2π],解得x1=,x2=2π-,∴x1+x2=.
答案
6.定义运算a⊕b=ab2+a2b,则sin 15°⊕cos 15°=________.
解析 由定义运算知sin 15°⊕cos 15°=sin 15°cos215°+sin215°cos 15°=sin 15°cos 15°(cos 15°+sin 15°)=×2sin 15°cos 15°sin(45°+15°)=.
答案
考点一 三角函数式的化简
【例1】 化简.
解 原式====tan θ.
规律方法 三角函数式的化简要遵循“三看”原则:一看角之间的差别与联系,把角进行合理的拆分,正确使用公式;二看函数名称之间的差异,确定使用的公式,常见的有“切化弦”;三看结构特征,找到变形的方向,常见的有“遇到分式要通分”、“遇到根式一般要升幂”等.
【训练1】 化简+(sin2α-cos2α).
解 原式=-cos 2α
=-cos 2α
=·-cos 2α
=sin 2α-cos 2α=2sin.
考点二 三角函数式的求值 多维探究
角度1 给角求值
【例2-1】 求值:[2cos 40°+sin 10°(1+tan 10°)].
解 原式=cos 10°·
=cos 10°·
=2(cos 40°cos 10°+sin 10°sin 40°)
=2cos 30°
=.
角度2 给值求值
【例2-2】 已知α,β都是锐角,cos α=,cos(α+β)=-,求cos β的值.
解 ∵α,β都是锐角,cos α=,∴sin α==,又0<α+β<π,cos(α+β)=-,
∴sin(α+β)==,
故cos β=cos[(α+β)-α]
=cos(α+β)cos α+sin(α+β)sin α=-×+×=.
角度3 给出关系式求值
【例2-3】 已知sin4θ+cos4θ=,求sin 2θ的值.
解 sin4θ+cos4θ=(sin2θ+cos2θ)2-2sin2θcos2θ=1-2sin2θcos2θ=,
∴2sin2θcos2θ=,∴sin θcos θ=±,sin 2θ=2sin θcos θ=±.
角度4 给值求角
【例2-4】 若sin 2α=,sin(β-α)=,且α∈,β∈,求α+β的值.
解 ∵sin 2α=,α∈,2α∈,
∴cos 2α=-且α∈,
又∵sin(β-α)=,β∈,
∴cos(β-α)=-,
∴cos(α+β)=cos[(β-α)+2α]
=cos(β-α)cos 2α-sin(β-α)sin 2α
=×-×=,
又α+β∈,∴α+β=.
规律方法 (1)给角求值时,往往出现特殊角、出现正负项相消、分子分母出现公因式,注意观察化简、求值;
(2)给值求值要寻找已知函数值的角与欲求函数值角之间的关系;
(3)给出关系式求值,需要对已知关系式灵活变形、化简;
(4)给值求角注意先求角的范围,然后再求出在此范围上一种单调函数的角的三角函数值.
【训练2】 (1)(角度1)计算:-tan 20°.
(2)(角度2)已知α是第一象限角,sin α=,求tan 的值.
(3)(角度3)已知2sin θ=1-cos θ,求tan θ的值.
(4)(角度4)(一题多解)设cos α=-,tan β=,π<α<,0<β<,求α-β的值.
解 (1)-tan 20°
=-
=-
=-
=-
=.
(2)因为α是第一象限角,sin α=,所以cos α===
,所以tan α==,tan α==,整理得12tan2+7tan -12=0,解得tan =或tan =-(舍去),故tan =.
(3)因为2sin θ=1-cos θ,
所以4sin cos =1-=2sin2,
解得sin =0或2cos =sin ,tan =0或2,
又tan θ=,
当tan =0时,tan θ=0;当tan =2时,tan θ=-.
(4)法一 由cos α=-,π<α<,得sin α=-,
tan α=2,又tan β=,
于是tan(α-β)===1.
又由π<α<,
0<β<可得-<-β<0,<α-β<,
因此α-β=.
法二 由cos α=-,π<α<得sin α=-.
由tan β=,0<β<得sin β=,cos β=.
所以sin(α-β)=sin αcos β-cos αsin β=
-=-.
又由π<α<,0<β<可得
-<-β<0,<α-β<,因此α-β=.
考点三 三角函数恒等式的证明
【例3】 证明:-2cos(α+β)=.
证明 左端=
=
===右端.
规律方法 (1)三角函数恒等式的证明要从“角、名、形”进行分析消除两端的差异;
(2)常从繁杂一边推出简单的一边,或者两边同时推出一个共同式子,有时需对要证等式先进行等价变换,进而证明其等价命题(等式).
【训练3】 证明:cos 4α+4cos 2α+3=8cos4α.
证明 左边=cos 4α+4cos 2α+3
=2cos22α-1+4cos 2α+3
=2(cos22α+2cos 2α+1)=2(cos 2α+1)2
=2(2cos2α-1+1)2=2(2cos2α)2=8cos4α=右边.
三角函数求值
【例题】 (满分14分)(2018·浙江卷)已知角α的顶点与原点O重合,始边与x轴的非负半轴重合,它的终边过点P.
(1)求sin(α+π)的值;
(2)若角β满足sin(α+β)=,求cos β的值.
审题路线图
—
满分解答
解 (1)由角α的终边过点P得sin α=-,2分
所以sin(α+π)=-sin α=.5分
(2)由角α的终边过点P得cos α=-,7分
由sin(α+β)=得cos(α+β)=±.10分
由β=(α+β)-α得cos β=cos(α+β)cos α+sin(α+β)sin α,
所以cos β=-或cos β=.14分
[构建模板]
……利用三角函数定义求三角函数
……诱导公式计算
……平方关系计算
……角的变换
……利用两角差的余弦公式,分类计算
……明确规范的表述结论
【训练】 (2018·江苏卷)已知α,β为锐角,tan α=,cos(α+β)=-.
(1)求cos 2α的值;
(2)求tan(α-β)的值.
解 (1)因为tan α=,tan α=,所以sin α=cos α.
因为sin2α+cos2α=1,所以cos2α=,
因此cos 2α=2cos2α-1=-.
(2)因为α,β为锐角,所以α+β∈(0,π).
又因为cos(α+β)=-,所以sin(α+β)==,因此tan(α+β)=-2.
因为tan α=,所以tan 2α==-,
因此tan(α-β)=tan[2α-(α+β)]==-.
基础巩固题组
一、选择题
1.若cos=,则sin 2α=( )
A. B.
C.- D.-
解析 ∵cos=,∴sin 2α=cos
=cos =2cos2-1
=2×-1=-.
答案 D
2.若sin=,则cos=( )
A.- B.-
C. D.
解析 ∵+=,∴cos=sin=,∴cos=cos =2cos2-1=2×-1=-.
答案 A
3.计算=( )
A.- B.-
C. D.
解析 原式=
=
==sin 30°=.
答案 D
4.式子tan 11°+tan 19°+tan 11°tan 19°的值是( )
A. B.
C.0 D.1
解析 ∵tan 30°=tan(11°+19°)=,
∴tan 11°+tan 19°
=(1-tan 11°tan 19°),
∴原式=(tan 11°+tan 19°)+tan 11°tan 19°
=×(1-tan 11°tan 19°)+tan 11°tan 19°
=1.
答案 D
5.若α∈,且3cos 2α=sin,则sin 2α的值为( )
A.- B.
C.- D.
解析 由3cos 2α=sin,
可得3(cos2α-sin2α)=(cos α-sin α),
于是3(cos α+sin α)=,
所以1+2sin αcos α=,
所以sin 2α=-,故选C.
答案 C
6.已知sin α=,sin(α-β)=-,α,β均为锐角,则角β=( )
A. B.
C. D.
解析 因为α,β均为锐角,所以-<α-β<.
又sin(α-β)=-,所以cos(α-β)=.
又sin α=,所以cos α=,
所以sin β=sin[α-(α-β)]
=sin αcos(α-β)-cos αsin(α-β)
=×-×=.
所以β=.
答案 C
二、填空题
7.已知sin-cos α=,则sin=________.
解析 ∵sin-cos α=cos α-sin α-cos α=-sin=,
∴sin=-.
答案 -
8.求值:tan 10°+=________.
解析 原式=+
=+
=
=
=
==
=.
答案
9.已知<β<α<,cos(α-β)=,sin(α+β)=-,则sin 2α的值是________.
解析 ∵<β<α<,∴-<-β<-,
∴0<α-β<,π<α+β<,
∵cos(α-β)=,sin(α+β)=-,
∴sin(α-β)=,cos(α+β)=-,
∴sin 2α=sin=×+×=-.
答案 -
10.已知sin(x+20°)=cos(x+10°)+cos(x-10°),则tan x的值是________.
解析 ∵sin(x+20°)=cos(x+10°)+cos(x-10°),
∴sin xcos 20°+cos xsin 20°=2cos xcos 10°,
∴tan x==
=
=2cos 30°=.
答案
三、解答题
11.求值:cos cos cos cos cos cos cos .
解 原式=·sin cos cos cos ·cos ·cos cos ·cos
=·sin cos cos cos cos cos ·
=·sin cos ·cos cos cos
=·sin ·cos cos
=···sin cos cos
=··sin ··sin cos
=··sin
=··sin
==.
12.已知cos=,x
解析 ∵x∈,y∈,∴0===2cos xtan ,∵函数y=2cos x在区间上单调递减,∴2cos x∈(,2),∴tan y=>2cos xtan >tan ,∴y>,∴cos3θ+cos5θ,又f(x)=x3+x5是R上的增函数,所以sin θ>cos θ,故有2kπ+<θ<2kπ+(k∈Z),又θ∈[0,2π),∴θ的取值范围是.
答案
16.已知a为正实数,f(x)=若存在θ∈,满足f(sin θ)=f(cos θ),则实数a的取值范围是________.
解析 由题意得对任意x>0,f(a+x)=(a+x)2-a(a+x)+1=x2+ax+1,f(a-x)=(a-x)2-3a(a-x)+2a2+1=x2+ax+1,所以函数f(x)的图象关于直线x=a对称,又因为当x≥a时,f(x)=x2-ax+1=+1-,且a>0,所以函数f(x)在(a,+∞)上单调递增,则由f(sin θ)=f(cos θ)得a==sin,又因为θ∈,所以θ+∈,则a=sin∈.
答案
17.已知tan(π+α)=-,tan(α+β)=.
(1)求tan(α+β)的值;
(2)求tan β的值.
解 (1)因为tan(π+α)=-,
所以tan α=-,
从而有tan(α+β)=
=
==.
(2)tan β=tan[(α+β)-α]=
=
=.
18.已知α,β∈,且7sin α=5sin (α+2β),
(1)求证:tan(α+β)=6tan β;
(2)若tan α=3tan β,求α的值.
(1)证明 因为7sin α=5sin(α+2β),
7sin[(α+β)-β]=5sin[(α+β)+β],
得7[sin(α+β)cos β-cos(α+β)sin β]
=5[sin(α+β)cos β+cos(α+β)sin β],
即sin(α+β)cos β=6cos(α+β)sin β.
又因为α,β∈,
则α+β∈(0,π),cos α≠0,cos(α+β)≠0,
所以tan(α+β)=6tan β.
(2)解 由上可知tan(α+β)=6tan β,即=6tan β.
又因为tan α=3tan β,代入得
=6·tan α,
解得tan α=1或tan α=-1(舍)或tan α=0(舍),故α=.
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