全国高中数学竞赛专题-三角函数
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三角恒等式与三角不等式
一、基础知识
定义1 角:一条射线绕着它的端点旋转得到的图形叫做角。角的大小是任意的。
若旋转方向为逆时针方向,则角为正角,若旋转方向为顺时针方向,则角为负角,若不旋转则为零角。
定义2 角度制:把一周角360等分,每一等分为一度。
弧度制:把等于半径长的圆弧所对的圆心角叫做一弧度。360度=2π弧度。
若圆心角的弧长为L ,则其弧度数的绝对值|α|=
r
L
,其中r 是圆的半径。 定义3 三角函数:在直角坐标平面内,把角α的顶点放在原点,始边与x 轴的正半轴重合,在角的终边上任意取
一个不同于原点的点P ,设它的坐标为(x ,y ),到原点的距离为r,则正弦函数s in α=r
y
,余弦函数co s α=r x ,
正切函数tan α=
x
y
,余切函数cot α=y x ,正割函数se c α=x r ,余割函数c s c α=.y r
定理1 同角三角函数的基本关系式,倒数关系:tan α=αcot 1,s in α=αcsc 1,co s α=αsec 1
;
商数关系:tan α=α
α
αααsin cos cot ,cos sin =
; 乘积关系:tan α×co s α=s in α,cot α×s in α=co s α;
平方关系:s in 2α+co s 2α=1, tan 2α+1=se c 2α, cot 2α+1=c s c 2α.
定理2 诱导公式(Ⅰ)s in (α+π)=-s in α, co s(π+α)=-co s α, tan (π+α)=tan α, cot (π+α)=cot α;
(Ⅱ)s in (-α)=-s in α, co s(-α)=co s α, tan (-α)=-tan α, cot (-α)=cot α;
(Ⅲ)s in (π-α)=s in α, co s(π-α)=-co s α, tan =(π-α)=-tan α, cot (π-α)=-cot α;
(Ⅳ)s in ⎪⎭⎫
⎝⎛-απ2=co s α, co s ⎪⎭⎫ ⎝⎛-απ2=s in α, tan ⎪⎭⎫
⎝⎛-απ2=cot α(奇变偶不变,符号看象限)。 定理3 正弦函数的性质,根据图象可得y =s inx (x ∈R )的性质如下。
单调区间:在区间⎥⎦
⎤
⎢⎣
⎡+
-
22,2
2πππ
πk k 上为增函数,在区间⎥⎦
⎤
⎢⎣
⎡++
πππ
π232,22k k 上为减函数, 最小正周期:2π. 奇偶性:奇函数 有界性:当且仅当x =2kx +2π时,y 取最大值1,当且仅当x =3k π-2
π
时, y 取最小值-1,值域为[-1,1]。 对称性:直线x =k π+
2
π
均为其对称轴,点(k π, 0)均为其对称中心。这里k ∈Z . 定理4 余弦函数的性质,根据图象可得y =co s x (x ∈R )的性质。
单调区间:在区间[2k π, 2k π+π]上单调递减,在区间[2k π-π, 2k π]上单调递增。 最小正周期:2π。 奇偶性:偶函数。
有界性:当且仅当x =2k π时,y 取最大值1;当且仅当x =2k π-π时,y 取最小值-1。值域为[-1,1]。
对称性:直线x =k π均为其对称轴,点⎪⎭
⎫
⎝
⎛+
0,2π
πk 均为其对称中心。这里k ∈Z . 定理5 正切函数的性质:由图象知奇函数y =tanx (x ≠k π+
2π)在开区间(k π-2π, k π+2
π
)上为增函数, 最小正周期为π,值域为(-∞,+∞),点(k π,0),(k π+2
π
,0)均为其对称中心。
定理6 两角和与差的基本关系式:co s(α±β)=co s αco s β s in αs in β,
s in (α±β)=s in αco s β±co s αs in β;
tan (α±β)=
.)
tan tan 1()
tan (tan βαβα ± 两角和与差的变式:2222
sin sin cos cos sin()sin()αββααβαβ-=-=+-
2222
cos sin cos sin cos()cos()αββααβαβ-=-=+-
三角和的正切公式:tan tan tan tan tan tan tan()1tan tan tan tan tan tan αβγαβγ
αβγαββγγα
++-++=
---
定理7 和差化积与积化和差公式:
s in α+s in β=2s in ⎪⎭⎫
⎝⎛+2βαco s ⎪⎭⎫ ⎝⎛-2βα, s in α-s in β=2s in ⎪⎭⎫ ⎝⎛+2βαco s ⎪⎭⎫
⎝⎛-2βα, co s α+co s β=2co s ⎪⎭⎫ ⎝⎛+2βαco s ⎪⎭⎫ ⎝⎛-2βα, co s α-co s β=-2s in ⎪⎭⎫ ⎝⎛+2βαs in ⎪⎭⎫
⎝⎛-2βα,
s in αco s β=21[s in (α+β)+s in (α-β)], co s αs in β=21
[s in (α+β)-s in (α-β)],
co s αco s β=21[co s(α+β)+co s(α-β)], s in αs in β=-2
1
[co s(α+β)-co s(α-β)].
定理8 二倍角公式:s in 2α=2s in αco s α, co s2α=co s 2α-s in 2α=2co s 2α-1=1-2s in 2α, tan 2α=
.)
tan 1(tan 22αα
-
三倍角公式及变式:3
sin 33sin 4sin ααα=-,3
cos34cos 3cos ααα=-
1sin(60)sin sin(60)sin 34αααα-+=
,1
cos(60)cos cos(60)cos34
αααα-+= 定理9 半角公式: s in 2α=2)cos 1(α-±, co s 2
α
=2)cos 1(α+±,
tan 2α=)cos 1()
cos 1(αα+-±=
.sin )cos 1()
cos 1(sin αααα-=+ 定理10 万能公式: ⎪
⎭
⎫
⎝⎛+⎪
⎭⎫ ⎝⎛=
2tan 12tan 2sin 2ααα, ⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛-=2tan 12tan 1cos 22ααα,.2tan 12tan 2tan 2⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫
⎝⎛=ααα 定理11 辅助角公式:如果a , b 是实数且a 2+b 2≠0,则取始边在x 轴正半轴,终边经过点(a , b )的一个角为β,
则s in β=22b a b +,co s β=2
2b a a
+,对任意的角α.a s in α+bco s α=)(22b a +s in (α+β).
定理12 正弦定理:在任意△ABC 中有R C
c
B b A a 2sin sin sin ===,
其中a , b , c 分别是角A ,B ,C 的对边,R 为△ABC 外接圆半径。
定理13 余弦定理:在任意△ABC 中有a 2=b 2+c 2-2bco s A ,其中a ,b ,c 分别是角A ,B ,C 的对边。
定理14 射影定理:在任意△ABC 中有cos cos a b C c B =+,cos cos b a C c A =+,cos cos c a B b A =+ 定理15 欧拉定理:在任意△ABC 中,2
2
2OI R Rr =-,其中O,I 分别为△ABC 的外心和内心。 定理16 面积公式:在任意△ABC 中,外接圆半径为R,内切圆半径为r ,半周长2
a b c
p ++=
则211sin 2sin sin sin (sin sin sin )224a abc S ah ab C rp R A B C rR A B C R
=
=====++ 222
1(cot cot cot )4
a A
b B
c C ==++
定理17 与△ABC 三个内角有关的公式: (1)sin sin sin 4cos
cos cos ;222
A B C A B C ++=