三角恆等變換、角度範圍確定,高中數學三角函數求值問題的關鍵點

2020-12-06 高考自主學習課堂

0. 必備基礎(要點)

1) 任意角、弧度制、任意角三角函數定義。

2) 同角三角函數基本關係式、誘導公式以及和角、差角、半角、倍角、輔助角的有關公式。

3) 三角函數圖像、圖像變換及其性質。

4) 三角恆等變換問題的求解一般方法與技巧。

1. 基本問題說明

一般地,三角函數求值問題包括:

① 已知角度值,求其三角函數值。

② 已知三角函數式以及可能的約束條件,求某三角函數值、或證明三角函數值等於常數等。

③ 與三角形結合,已知某些關係式以及可能的約束條件,求某三角函數的值。

④ 已知由三角函數組成的代數式或函數解析式,求其值域、最值等。

2. 解決問題的一般解法

如圖。除少數比較簡單的題目可直接求解外,多數三角函數求值問題一般可通過上圖的兩大步求解。

1) 已知角度值,求其三角函數值(知角求值)

一般利用三角函數誘導公式、三角恆等式等,通過三角恆等變換,先化簡等式,再求解。一般不能查表,所以其要領有:

① 適用時,將非特殊角三角函數要化為特殊角三角函數;

② 適用時,將非特殊角三角函數消去。

提示:求解這類問題的關鍵(考查重點)在於觀察、識別甚至構造角度間的關係,包括角度和、角度差、互補、互餘、分拆、組合等方法與技巧。

2) 已知某些角的三角函數值,求或證明其它角的三角函數值(知值求值)

① 一般利用「三角恆等變換」方法,分別或同時將已知、待求三角函數式進行轉化,使它們之間建立直接聯繫。大致可分為角運算型和值運算型兩類。

② 角運算型:關鍵是已知角與待求角之間的轉化(詳見三角恆等變換的基本技能部分)。

③ 值運算型:關鍵是已知和待求三角函數之間的轉化(詳見三角恆等變換的基本技能部分)。

提示:求解這類問題的關鍵(考查重點)在於角的有關約束的處理,比如正確地確定角的所在象限或位置——無法確定時還要分類討論;若角度是三角形的內角度,要留意角度的(顯式或隱式的)約束及其可能範圍。

3) 已知由三角函數組成的代數式或函數解析式,求其值域或最值(實質上也是求值)。其求解一般方法為:

① 先確定角度(即定義域)的範圍及有關約束條件;

② 利用三角恆等變換方法與技巧整理、簡化或變換已知式;

③ 分析並求解值域或最值。

提示1:三角函數求值問題也能以參數問題的方式出現,如已知三角函數值、值域或最值,反過來求某參數值或範圍。解題一般方法類似,只是最後一步反過來求值(類似方程)。

提示2:若代數式或函數解析式為超越函數、或者可利用換元法變成不含三角函數的式子的題型,嚴格來說並不屬於三角函數求值問題(即三角函數並非這類綜合應用問題的主幹),因而將在其它模塊中講述。

3. 典型例題

例1 計算tan12+tan18+√3/3tan12tan18。

解:原式 = tan(12+18)(1 - tan12tan18) + √3/3tan12tan18

= √3/3(1 - tan12tan18) + √3/3tan12tan18

= √3/3。

講解

① 給角求值時,關鍵是觀察已知的特徵,據此選擇合適變換路徑——角度變換或三角函數變換。

本題中,可觀察到12+18=30,且第一、二項與第三項之間可通過正切和角公式聯繫起來,由此可確定求解思路。

例2若sinα-2cosα=0,α∈(π,π/2)。

(1) 求sin(π/4+α);

(2) 求tan(π/4+α)。

:依題意,sinα= 2cosα,

又(sinα)^2 + (cosα)^2 = 1,

所以可得:(sinα)^2 = 4/5。

又α∈(π,3π/2),

講解

① 本題雖然不算難,但很好地示例了知值求值的一種題型——可通過已知三角函數等式或值,求出與待解問題有關的角度值後,再求解問題。

② 很多時候,知值求值問題中無法求解角度的具體值,此時需要把待求角和已知角或它們的三角函數關聯起來,一般方法為:

a) 若已知角只有一個時,待求角可能與已知角是倍數、半數、互補、互餘、和差關係;

b) 若已知兩個角時,待求角可能與已知角有和與差的關係;

c) 若已知角或待求角是複雜的複合角形式時,一般需要先三角恆等變換,才能把已知條件和待求問題聯繫起來。

③ 本題已知為sinα-2cosα=0,所以求解簡單。更一般地,已知sinα±cosα=e(e≠0)時,可利用平方法,再結合(sinα)^2 + (cosα)^2 = 1進行求解。

例3 在△ABC,已知cosA=5/13,cosB=4/5,則cosC的值為___。

:依題意,可得:sinA=12/13,sinB = 3/5。

cosC = cos[π-(A+B)] = -cos(A+B)

= -cosAcosB + sinAsinB

= -5/13×4/5 + 12/13×3/5

= 16/65。

講解

在三角形下求三角函數值(求角度值也類似)時,要注意:

a) 隱式條件:三角形內角和為π。

b) sin值對應的可能是銳角也可能是鈍角,具體要依據題目條件取捨(本題未涉及這點)。

例4 已知0<α<π/2<β<π,cosα=3/5,sin(α+β)=-3/5,則cosβ=___。

:依題意,0<α<π/2<β<π、cosα=3/5,

∴sinα=√[1-(cosα)^2] =√[1-(3/5)^2] = 4/5,

又因sin(α+β)=-3/5,

∴π<α+β<3π/2,

∴cos(α+β) = -√[1-(sin(α+β))^2]

= -√[1-(-3/5)^2] = -4/5,

∴cosβ= cos[(α+β)-α]

= cos(α+β)cosα+ sin(α+β)sinα

= (-4/5)*(3/5)+(-3/5)*(4/5)

= -24/25。

例5求函數y=sin^2x+√3sinxcosx-1的最大值與最小值。

:依題意,

y = sin^2x+√3sinxcosx-1 = (1-cos2x)/2+(√3/2)sin2x-1

= sin2xcos(π/6)-sin(π/6)cos2x-1/2

= sin(2x-π/6)-1/2。

提示:恆等變換得到由一個新的三角函數表示的函數式)

∴在sin(2x-π/6)=1時取得最大值 = 1-1/2 = 1/2,

∴在sin(2x-π/6)=-1時取得最小值 = -1-1/2 = -3/2。

講解

① 本題為三角函數最值題型(屬知值求值類),示例了這類題型的一般解法。

② 「二倍角與輔助角」組合是高考中常考的方法與技巧。

③ 如本題改為「已知函數y=sin^2x+√3sinxcosx-m,最大值為3/2,求參數m的值」,則是一個參數問題,其解題思路大同小異。

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