第6章 三角

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1任意角与弧度制

教材概念
教材原文

任意角:一条射线绕端点旋转,按逆时针方向旋转所成的角叫做正角,按顺时针方向旋转所成的角叫做负角,不作旋转所成的角叫做零角。

在直角坐标系中,角的顶点与原点重合、始边与 x 轴正半轴重合,此时角的终边落在第几象限,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。

终边相同的角:所有与角 α 终边相同的角,构成集合 S = {β | β = α + k·360°, k ∈ Z}。

弧度制:长度等于半径长的弧所对的圆心角叫做 1 弧度的角,记作 1 rad。角度与弧度的换算:π rad = 180°,即 1 rad = (180/π)° ≈ 57.3°,1° = π/180 rad。

弧长与扇形面积公式:弧长 l = |α|·R;扇形面积 S = (1/2)lR = (1/2)|α|R²(其中 α 为圆心角的弧度数)。

概念解读
为什么要引入弧度制?

① 角度制的局限——角度是用"90 等分圆周"来定义的,与实数没有直接对应。而数学分析、微积分中,自变量必须是实数,三角函数的自变量需要是一个"数",不是一个带单位的角度。

② 弧度制的优势——1 弧度定义为"弧长等于半径时的圆心角",因为弧长和半径都是长度,所以弧度是一个纯数(实数),可以直接作为函数的自变量。此外,弧度制下有很多漂亮的公式(如 lim(x→0) sin x / x = 1)。

③ 象限角的判定——把角写成 α = α₀ + k·360°(k ∈ Z)的形式,其中 α₀ ∈ [0°, 360°),然后看 α₀ 落在哪个象限,α 就是第几象限角。

👉 记忆要点:π 弧度 = 180°,π/2 弧度 = 90°,π/6 弧度 = 30°。常用角度→弧度换算必须熟练。

① 正角、负角、零角

正角(逆时针) 逆时针 负角(顺时针) 顺时针 零角 不旋转
要点:正负号表示旋转方向,不是大小。−60° 与 60° 大小相同,方向相反。

② 象限角的判定

x y 第一象限 0°~90° 第二象限 90°~180° 第三象限 180°~270° 第四象限 270°~360° 60°
判定步骤:
① 把角化为 α = α₀ + k·360°,k ∈ Z,α₀ ∈ [0°, 360°);
② 看 α₀ 落在哪个范围:
· (0°, 90°) ⟹ 第一象限;
· (90°, 180°) ⟹ 第二象限;
· (180°, 270°) ⟹ 第三象限;
· (270°, 360°) ⟹ 第四象限;
· 90°, 180°, 270°, 0° ⟹ 坐标轴上,不属于任何象限。

③ 弧度制的几何意义:弧长 = 半径

R R 弧长=R 弧长 = 半径时的圆心角 = 1 弧度 ≈ 57.3°
要点:1 弧度不是 60°,不是 90°,而是约 57.3°——它恰好是"弧长等于半径"对应的圆心角。整个圆周的弧长 = 2πR,所以整个圆对应的圆心角 = 2π 弧度 = 360°,由此得 π rad = 180°。
典型习题(先做,再看答案)
例 1
将下列角度化为弧度,或把弧度化为角度:
(1)120°;(2)−225°;(3)5π/6;(4)−3π/4。
💡 提示:利用 π rad = 180°,用乘比例的方法换算。
答案与详解
角度 → 弧度:乘以 π/180
(1)120° = 120 × π/180 = 2π/3
(2)−225° = −225 × π/180 = −5π/4
弧度 → 角度:乘以 180/π
(3)5π/6 = (5π/6) × (180/π) = 5 × 30 = 150°
(4)−3π/4 = (−3π/4) × (180/π) = −3 × 45 = −135°
答案:(1)2π/3;(2)−5π/4;(3)150°;(4)−135°。
例 2
判断 −950° 是第几象限角。
💡 提示:加上 360° 的整数倍,化为 [0°, 360°) 内的角。
答案与详解
加上 360° 的整数倍
−950° + 3 × 360° = −950° + 1080° = 130°
判断象限
130° ∈ (90°, 180°),落在第二象限。
−950° 是第二象限角。
例 3
已知扇形半径为 3 cm,圆心角为 2π/3,求扇形的弧长和面积。
💡 提示:弧长 l = |α|R,扇形面积 S = (1/2)|α|R²。
答案与详解
弧长
l = |α|·R = (2π/3) × 3 = 2π (cm)
扇形面积
S = (1/2)|α|R² = (1/2) × (2π/3) × 3² = (1/2) × (2π/3) × 9 = 3π (cm²)
弧长 2π cm,面积 3π cm²。
易错题(具体例子)
易错点 1 · 弧度制与角度制混用

计算 sin 30 的值。

错误做法:不写单位,直接按 sin 30° = 1/2 处理。

正确做法:
如果没有写单位,sin 30 表示 30 弧度的角的正弦,和 sin 30° 完全不同。
30 rad ≈ 30 × 57.3° ≈ 1719°,可以减去整数圈(4×360° = 1440°),得 279° 左右,属于第四象限,sin 值为负。
答题规范:写三角函数值时,如果用的是角度,必须写"°";如果用弧度,可以省略也可以写"rad"。
易错点 2 · 象限角判定时忘记减 360° 的整数倍

判断 1000° 是第几象限角。

错误做法:认为 1000° 大于 360°,无法判断象限,或直接按 1000° 找图。

正确做法:
1000° = 1000° − 2 × 360° = 1000° − 720° = 280°。
280° ∈ (270°, 360°),属于第四象限。

📌 口诀:看象限先去整圈(360° 的整数倍)。

易错点 3 · 扇形面积公式记错

已知半径为 2 的扇形,圆心角为 π/4,求其面积。

错误做法:用 S = πR² × (α/360°) 但把弧度 α 直接代入。

正确做法:
扇形面积公式有两种形式:
· 角度制:S = (α/360°)·πR²(α 为角度数);
· 弧度制:S = (1/2)|α|R²(α 为弧度数)。
本题用弧度制:S = (1/2) × (π/4) × 2² = π/2。

📌 要点:公式与角度单位必须匹配,不能混用。

2任意角的三角比

教材概念
教材原文

设角 α 的终边上任意一点 P(x, y)(P 与原点不重合),|OP| = r = √(x² + y²) > 0,则:

正弦:sin α = y/r;余弦:cos α = x/r;正切:tan α = y/x(x ≠ 0)。

三角比在各象限的符号:

· 第一象限:全部为正(sin+, cos+, tan+);

· 第二象限:只有 sin 为正;

· 第三象限:只有 tan 为正;

· 第四象限:只有 cos 为正。

记忆口诀:一全正,二正弦,三正切,四余弦。

概念解读
为什么象限符号有规律?

① 从定义直接推导——r 永远是正数,所以:

  • sin α = y/r 的符号由 y 决定:一、二象限 y > 0,三、四象限 y < 0;
  • cos α = x/r 的符号由 x 决定:一、四象限 x > 0,二、三象限 x < 0;
  • tan α = y/x 的符号由 x·y 决定:同号为正(一、三象限),异号为负(二、四象限)。

② 记忆方法——不用死记"一全正、二正弦、三正切、四余弦",可以从定义直接推出:
第一象限:x > 0, y > 0,全部正;
第二象限:x < 0, y > 0,sin 正、cos 负、tan 负;
第三象限:x < 0, y < 0,sin 负、cos 负、tan 正;
第四象限:x > 0, y < 0,sin 负、cos 正、tan 负。

👉 三角比的值只与终边位置有关,与终边上点的位置无关。

① 三角比的定义图示

x y P(x, y) r x y α sin α = y/r,cos α = x/r,tan α = y/x
关键:r = √(x² + y²) 永远是正数(因为是到原点的距离)。所以三角比的符号完全由 x、y 决定。

② 三角比符号速查表

sin cos tan 第一 + + + 第二 + − − 第三 − − + 第四 − + −
口诀:一全正、二正弦、三正切、四余弦。
也可以从"x 的符号(对应 cos)+ y 的符号(对应 sin)"直接推导,比死记更靠谱。

③ 特殊角的三角比

α 0 π/6 π/4 π/3 π/2 sin 0 1/2 √2/2 √3/2 1 cos 1 √3/2 √2/2 1/2 0 tan 0 √3/3 1 √3 不存在 记忆方法:sin 值从 0、1/2、√2/2、√3/2、1 递增 cos 值恰好反过来(从 1 到 0) tan = sin/cos,90° 时 cos=0,tan 不存在
典型习题(先做,再看答案)
例 1
已知角 α 的终边经过点 P(−3, 4),求 sin α、cos α、tan α 的值。
💡 提示:先求 r = √(x² + y²),再代入定义。
答案与详解
第一步:求 r
r = √((−3)² + 4²) = √(9 + 16) = √25 = 5
第二步:按定义计算
sin α = y/r = 4/5
cos α = x/r = −3/5
tan α = y/x = 4/(−3) = −4/3
sin α = 4/5,cos α = −3/5,tan α = −4/3。
例 2
判断下列各三角比的符号:
(1)sin 200°;(2)cos(−100°);(3)tan 130°。
💡 提示:先判断角所在象限,再用符号口诀。
答案与详解
(1)sin 200°
200° ∈ (180°, 270°),第三象限。sin 在第三象限为负。
(2)cos(−100°)
−100° + 360° = 260°,∈ (180°, 270°),第三象限。cos 在第三象限为负。
(3)tan 130°
130° ∈ (90°, 180°),第二象限。tan 在第二象限为负。
答案:(1)负;(2)负;(3)负。
例 3
已知 sin α = 3/5,且 α 是第二象限角,求 cos α 和 tan α。
💡 提示:用同角三角比关系 sin²α + cos²α = 1,结合象限符号确定 cos α 的符号。
答案与详解
第一步:由 sin²α + cos²α = 1 求 cos²α
cos²α = 1 − sin²α = 1 − 9/25 = 16/25
第二步:根据象限确定符号
α 是第二象限角,cos α < 0,所以 cos α = −4/5
第三步:求 tan α
tan α = sin α / cos α = (3/5) / (−4/5) = −3/4
cos α = −4/5,tan α = −3/4。
易错题(具体例子)
易错点 1 · 忘记根据象限确定符号

已知 sin α = 3/5,求 cos α。

错误做法:由 cos²α = 1 − sin²α = 16/25,直接答 cos α = 4/5。

正确做法:
由 cos²α = 16/25 得 cos α = ±4/5,符号由 α 所在的象限决定。
题目没有给象限,所以答案是 cos α = ±4/5,需要分情况讨论。
· 若 α 在第一象限,cos α = 4/5;
· 若 α 在第二象限,cos α = −4/5。

📌 口诀:开平方必须讨论正负号,除非象限已确定。

易错点 2 · 终边上点的坐标与象限弄错

已知角 α 的终边经过点 P(3, −4),求 sin α 的值。

错误做法:看到 y = −4 就直接答 sin α = −4,忘记除以 r。

正确做法:
r = √(3² + (−4)²) = √(9 + 16) = 5
sin α = y/r = −4/5

📌 要点:三角比不是 x、y 本身,而是 x、y 除以 r 的比值。

易错点 3 · tan 的定义域忽略

求 tan α 在 α = 90° 时的值。

错误做法:由 tan α = sin α / cos α = 1 / 0,得到"无意义"或"∞"。

正确做法:
tan α = y/x,当 α = 90° 时,终边落在 y 轴正半轴上,取点 P(0, r)。
x = 0,所以 tan 90° 不存在(无意义)。
更一般地,tan α 的定义域是 {α | α ≠ π/2 + kπ, k ∈ Z}。

📌 要点:"不存在"不是"∞",因为 ∞ 不是实数。

3同角三角比关系

教材概念
教材原文

对任意角 α(使各式有意义),有:

① 平方关系:sin²α + cos²α = 1。

② 商数关系:tan α = sin α / cos α(cos α ≠ 0,即 α ≠ π/2 + kπ)。

由这两个基本关系可以推导出:

· sin²α = 1 − cos²α = (1 − cos α)(1 + cos α);

· tan α · cot α = 1(cot α = cos α / sin α 为余切,α ≠ kπ);

· 1 + tan²α = 1/cos²α(α ≠ π/2 + kπ);

· 1 + cot²α = 1/sin²α(α ≠ kπ)。

概念解读
"知一求二"的解题套路

核心思路:已知 sin、cos、tan 三者中任意一个,可以求出另外两个。

具体方法:

  • 已知 sin α:用 sin²α + cos²α = 1 求 cos α(讨论象限定符号),再用 tan α = sin α/cos α 求 tan α。
  • 已知 cos α:同上,用平方关系求 sin α(讨论象限定符号),再求 tan α。
  • 已知 tan α:用 tan α = sin α/cos α 和 sin²α + cos²α = 1 联立,或用 1 + tan²α = 1/cos²α 求出 cos²α,再讨论象限确定符号。

👉 关键:凡是用平方关系,都必须讨论象限或根据题目给的信息确定符号。

常见化简技巧:

  • "1"的代换:1 = sin²α + cos²α;
  • 齐次分式的处理:分子分母同除 cos α 或 cos²α;
  • sin α + cos α、sin α − cos α、sin α · cos α 三个量"知一求二"(用 (sin α ± cos α)² = 1 ± 2sin α cos α)。

① 平方关系的几何意义:单位圆

P(cos α, sin α) cos α sin α 单位圆:半径 = 1 由勾股定理:(cos α)² + (sin α)² = 1² = 1
理解:sin²α + cos²α = 1 的几何意义就是单位圆上点的坐标满足勾股定理。角的终边与单位圆的交点 P 坐标为 (cos α, sin α),它到原点的距离为 1,所以 x² + y² = 1,即 cos²α + sin²α = 1。

② "知一求二"的解题流程图

已知 sin 或 cos 之一 用 sin²+cos²=1 求另一个 (讨论象限定符号) 用 tan α = sin α/cos α 若已知 tan α,则联立 tan α = sin α/cos α 和 sin²α + cos²α = 1
典型习题(先做,再看答案)
例 1
已知 cos α = −5/13,且 α 是第三象限角,求 sin α 和 tan α。
💡 提示:先用平方关系求 sin²α,再结合象限确定符号。
答案与详解
第一步:由 sin²α + cos²α = 1 求 sin²α
sin²α = 1 − cos²α = 1 − 25/169 = 144/169
第二步:根据象限确定符号
α 是第三象限角,sin α < 0,所以 sin α = −12/13
第三步:求 tan α
tan α = sin α / cos α = (−12/13) / (−5/13) = 12/5
sin α = −12/13,tan α = 12/5。
例 2
已知 tan α = 2,求 (sin α + cos α)/(sin α − cos α) 的值。
💡 提示:分子分母同除 cos α,全部化为 tan α 的形式。
答案与详解
分子分母同除 cos α
(sin α + cos α)/(sin α − cos α)
分子分母同除 cos α:
= (sin α/cos α + 1)/(sin α/cos α − 1)
= (tan α + 1)/(tan α − 1)
代入 tan α = 2
= (2 + 1)/(2 − 1) = 3/1 = 3
答案:3。
例 3
已知 sin α + cos α = 1/2,求 sin α · cos α 的值。
💡 提示:两边平方,利用 sin²α + cos²α = 1。
答案与详解
两边平方
(sin α + cos α)² = (1/2)²
sin²α + 2 sin α cos α + cos²α = 1/4
用 sin²α + cos²α = 1 化简
1 + 2 sin α cos α = 1/4
2 sin α cos α = −3/4
sin α cos α = −3/8
答案:sin α cos α = −3/8。
易错题(具体例子)
易错点 1 · 忽略象限导致符号错误

已知 tan α = 3/4,求 sin α。

错误做法:直接根据 tan α = 3/4 认为 sin α = 3/5,忽略 α 可能在不同象限。

正确做法:
由 tan α = 3/4 > 0,α 可能在第一或第三象限。
· 若 α 在第一象限,sin α = 3/5;
· 若 α 在第三象限,sin α = −3/5。
题目没有给象限,两种情况都要写出。

📌 要点:tan 为正时,角在第一或第三象限,sin 的符号相反。

易错点 2 · 齐次分式化简时符号问题

已知 tan α = 2,求 sin²α − cos²α 的值。

错误做法:直接写成 (tan²α − 1)/(tan²α + 1),但计算过程错误,得 (4−1)/(4+1) = 3/5,不讨论。

正确做法:
sin²α − cos²α = (sin²α − cos²α)/(sin²α + cos²α)(分母为 1)
分子分母同除 cos²α:
= (tan²α − 1)/(tan²α + 1)
= (4 − 1)/(4 + 1) = 3/5
这里 sin²α + cos²α = 1 是关键,只有这样才能把式子化为关于 tan 的形式。
易错点 3 · sin α + cos α 平方后忽略隐含条件

已知 sin α + cos α = 1/2,判断 sin α 与 cos α 的符号。

错误做法:只求 sin α cos α = −3/8,得不出结论。

正确做法:
由 sin α cos α = −3/8 < 0,所以 sin α 与 cos α 异号。
α 在第二或第四象限。
又因为 sin α + cos α = 1/2 > 0,
· 若 α 在第二象限:sin α > 0, cos α < 0,且 |sin α| > |cos α|(因为和为正),成立;
· 若 α 在第四象限:sin α < 0, cos α > 0,则和可能为正,也成立。
所以 α 可能在第二或第四象限。

4诱导公式

教材概念
教材原文

设 α 为任意角,则以下各组公式成立(k ∈ Z):

· 公式一:sin(α + 2kπ) = sin α;cos(α + 2kπ) = cos α;tan(α + 2kπ) = tan α。

· 公式二:sin(π + α) = −sin α;cos(π + α) = −cos α;tan(π + α) = tan α。

· 公式三:sin(−α) = −sin α;cos(−α) = cos α;tan(−α) = −tan α。

· 公式四:sin(π − α) = sin α;cos(π − α) = −cos α;tan(π − α) = −tan α。

· 公式五:sin(π/2 − α) = cos α;cos(π/2 − α) = sin α。

· 公式六:sin(π/2 + α) = cos α;cos(π/2 + α) = −sin α。

记忆口诀:奇变偶不变,符号看象限。

概念解读
"奇变偶不变,符号看象限"详解

① 什么时候用——当角表示为 π/2·k ± α 形式时(k 为整数),可用此口诀化简。

② "奇变偶不变"——看 k 的奇偶性:

  • k 为奇数(如 π/2 ± α、3π/2 ± α):函数名改变——sin ↔ cos,tan ↔ cot;
  • k 为偶数(如 π ± α、2π ± α):函数名不变。

③ "符号看象限"——把 α 视为锐角(α ∈ (0, π/2)),判断原角 π/2·k ± α 所在象限,再根据该象限的符号规则,得到化简后函数前的正负号。

具体步骤示例:化简 sin(π + α)。

  • k = 2(偶数),函数名不变,还是 sin;
  • 把 α 视为锐角,则 π + α 在第三象限,sin 在第三象限为负;
  • 所以 sin(π + α) = −sin α。

👉 提醒:口诀中的 α 是"视为锐角",与 α 实际所在的象限无关。这一点初学者常犯错。

① 诱导公式的几何对称性

α π−α π+α −α 四个角对应的点关于坐标轴或原点对称
几何理解:
· π − α 与 α 的终边关于 y 轴对称;
· π + α 与 α 的终边关于 原点对称;
· −α 与 α 的终边关于 x 轴对称。
记住这三种对称关系,就能快速推出所有公式,不必死记硬背。

② 口诀"奇变偶不变,符号看象限"操作步骤

例:化简 cos(3π/2 − α) 第一步:写成 π/2·k ± α 形式 3π/2 = π/2 × 3,所以 k = 3 第二步:k 奇偶判断 k = 3 为奇数,函数名要变:cos → sin 第三步:符号看象限 把 α 视为锐角,3π/2 − α 在第三象限,cos 为负 所以 cos(3π/2 − α) = −sin α
典型习题(先做,再看答案)
例 1
化简:(1) sin(π + α);(2) cos(π − α);(3) tan(−α);(4) sin(π/2 + α)。
💡 提示:用口诀"奇变偶不变,符号看象限"。
答案与详解
(1)sin(π + α)
k = 2(偶),函数名不变:还是 sin;
α 视为锐角,π + α 在第三象限,sin 为负。
⟹ sin(π + α) = −sin α
(2)cos(π − α)
k = 2(偶),函数名不变:还是 cos;
α 视为锐角,π − α 在第二象限,cos 为负。
⟹ cos(π − α) = −cos α
(3)tan(−α)
由奇偶性:tan 是奇函数,所以 tan(−α) = −tan α
(4)sin(π/2 + α)
k = 1(奇),函数名要变:sin → cos;
α 视为锐角,π/2 + α 在第二象限,sin 为正。
⟹ sin(π/2 + α) = cos α
答案:(1)−sin α;(2)−cos α;(3)−tan α;(4)cos α。
例 2
计算:sin 210° + cos 120° + tan 225°。
💡 提示:用诱导公式化为锐角三角比,再查特殊角数值。
答案与详解
sin 210°
210° = 180° + 30°,所以 sin 210° = sin(180° + 30°) = −sin 30° = −1/2
cos 120°
120° = 180° − 60°,所以 cos 120° = cos(180° − 60°) = −cos 60° = −1/2
tan 225°
225° = 180° + 45°,所以 tan 225° = tan(180° + 45°) = tan 45° = 1
求和
(−1/2) + (−1/2) + 1 = 0
答案:0。
例 3
已知 cos(π/2 + α) = 3/5,求 sin α 的值。
💡 提示:先用诱导公式化简 cos(π/2 + α)。
答案与详解
化简左边
cos(π/2 + α):k = 1(奇),函数名要变 cos → sin;
α 视为锐角,π/2 + α 在第二象限,cos 为负。
所以 cos(π/2 + α) = −sin α。
代入已知条件
−sin α = 3/5
sin α = −3/5
答案:sin α = −3/5。
易错题(具体例子)
易错点 1 · 忽略"α 视为锐角"这一前提

已知 α 是第三象限角,化简 sin(π − α)。

错误做法:把 α 当作第三象限角,判断 π − α 在第二象限,sin 为正,得 sin(π − α) = sin α(数值为正)。
但 α 本身是第三象限角,sin α < 0,这样就矛盾了。

正确做法:
口诀中的"符号看象限",是指"把 α 视为锐角"后,看原角所在象限的符号。
α 视为锐角,π − α 在第二象限,sin 为正,所以 sin(π − α) = +sin α。
注意:这里的正号是公式的系数符号,与 α 实际是第几象限角无关。

📌 要点:口诀中的 α 永远是"视为锐角",不要代入实际象限。

易错点 2 · 化简时忘记化简到最简形式

化简:sin(π + α)·cos(π − α)/tan(−α)。

错误做法:只化简到 sin(π+α) = −sin α,就不再继续。

正确做法:
· sin(π + α) = −sin α;
· cos(π − α) = −cos α;
· tan(−α) = −tan α = −sin α/cos α。
原式 = (−sin α)·(−cos α) / (−sin α/cos α)
= (sin α cos α) / (−sin α/cos α)
= sin α cos α · (−cos α/sin α)
= −cos²α
易错点 3 · tan 在 π/2 处无意义

化简:tan(π/2 + α)。

错误做法:直接写 tan(π/2 + α) = −cot α 或 −1/tan α。

正确做法:
形式上是 tan(π/2 + α):k = 1(奇),函数名要变 tan → cot;
α 视为锐角,π/2 + α 在第二象限,tan 为负。
所以 tan(π/2 + α) = −cot α = −cos α / sin α。
注意定义域:α ≠ kπ 且 π/2 + α ≠ π/2 + kπ,即 α ≠ kπ/2。

5和差角与二倍角公式

教材概念
教材原文

两角和差公式:

sin(α ± β) = sin α cos β ± cos α sin β;

cos(α ± β) = cos α cos β ∓ sin α sin β;

tan(α ± β) = (tan α ± tan β)/(1 ∓ tan α tan β)。

二倍角公式(令 β = α):

sin 2α = 2 sin α cos α;

cos 2α = cos²α − sin²α = 2cos²α − 1 = 1 − 2sin²α;

tan 2α = 2tan α / (1 − tan²α)。

降幂公式(由 cos 2α 变形):

sin²α = (1 − cos 2α)/2;cos²α = (1 + cos 2α)/2。

概念解读
公式的结构规律

① 余弦公式的"符号相反"——cos(α + β) 展开后是"cos·cos − sin·sin",用"−"号;cos(α − β) 展开后是"cos·cos + sin·sin",用"+"号。记忆方法:余弦公式里,"和"对应"减","差"对应"加"。

② 正弦公式的"符号相同"——sin(α + β) 展开后是"sin·cos + cos·sin",用"+"号;sin(α − β) 展开后是"sin·cos − cos·sin",用"−"号。记忆方法:正弦公式里,符号保持一致。

③ 二倍角公式是"和角公式"的特例——把 β 换成 α 就得到二倍角公式,所以只要记住和差角公式,二倍角公式自然能推出来。

④ 余弦二倍角的三种形式——cos 2α = cos²α − sin²α = 2cos²α − 1 = 1 − 2sin²α。三种形式在解题时视情况选用:

  • 含 cos²α 项多时,用 cos 2α = 2cos²α − 1(把 cos²α 换成 cos 2α);
  • 含 sin²α 项多时,用 cos 2α = 1 − 2sin²α;
  • 含 sin·cos 齐次项时,用 cos 2α = cos²α − sin²α。

👉 降幂公式常用于化简 sin²α、cos²α,是处理三角函数"高次"问题的关键工具。

① 和差角公式的"符号规律"

正弦 sin(α + β) = sin α cos β + cos α sin β sin(α − β) = sin α cos β − cos α sin β 符号相同 余弦 cos(α + β) = cos α cos β − sin α sin β cos(α − β) = cos α cos β + sin α sin β 符号相反 正切 tan(α ± β) = (tan α ± tan β)/(1 ∓ tan α tan β) 记忆:正弦同号,余弦反号,正切照抄符号
理解技巧:把 sin 看作"顺着念",符号保持一致;把 cos 看作"反着念",符号相反。这样不需要死记,只要抓住"正、余"两个字的特性即可。

② 二倍角公式的"三种形式"选择

cos 2α 的三种等价形式 cos 2α = cos²α − sin²α 齐次项多时用 cos 2α = 2cos²α − 1 cos²α 多时用 cos 2α = 1 − 2sin²α sin²α 多时用 三种形式通过 sin²α + cos²α = 1 互相转化
典型习题(先做,再看答案)
例 1
求 cos 75° 的值。
💡 提示:75° = 45° + 30°,用和角公式。
答案与详解
拆分角度
75° = 45° + 30°
用余弦和角公式
cos 75° = cos(45° + 30°)
= cos 45° cos 30° − sin 45° sin 30°
= (√2/2)(√3/2) − (√2/2)(1/2)
= √6/4 − √2/4
= (√6 − √2)/4
答案:cos 75° = (√6 − √2)/4。
例 2
已知 sin α = 3/5,α ∈ (π/2, π),求 sin 2α 和 cos 2α 的值。
💡 提示:先求 cos α,再用二倍角公式。
答案与详解
第一步:求 cos α
cos²α = 1 − sin²α = 1 − 9/25 = 16/25
α ∈ (π/2, π) 是第二象限角,cos α < 0
所以 cos α = −4/5
第二步:求 sin 2α
sin 2α = 2 sin α cos α = 2 × (3/5) × (−4/5) = −24/25
第三步:求 cos 2α
cos 2α = 1 − 2 sin²α = 1 − 2 × (9/25) = 1 − 18/25 = 7/25
答案:sin 2α = −24/25,cos 2α = 7/25。
例 3
化简:(1 + cos 2α)/2 + (1 − cos 2α)/2 · tan²α。
💡 提示:用降幂公式 cos²α = (1 + cos 2α)/2,sin²α = (1 − cos 2α)/2。
答案与详解
用降幂公式替换
(1 + cos 2α)/2 = cos²α
(1 − cos 2α)/2 = sin²α
原式 = cos²α + sin²α · tan²α
展开 tan²α
tan²α = sin²α / cos²α
原式 = cos²α + sin²α · (sin²α/cos²α)
= cos²α + sin⁴α/cos²α
通分
= (cos⁴α + sin⁴α)/cos²α
化简分子
cos⁴α + sin⁴α = (cos²α + sin²α)² − 2cos²α sin²α
= 1 − 2cos²α sin²α
= 1 − (1/2)sin²2α
再化简
原式 = (1 − (1/2)sin²2α)/cos²α,这个形式比较复杂。
换个思路:原式 = cos²α + sin²α tan²α
= cos²α + sin²α·(sin²α/cos²α)
若分子分母同乘 cos²α,则 = (cos⁴α + sin⁴α)/cos²α
= (1 − 2sin²αcos²α)/cos²α
= 1/cos²α − 2sin²α
= sec²α − 2sin²α
或者:原式 = cos²α + sin⁴α/cos²α
= (cos⁴α + sin⁴α)/cos²α
用 cos⁴α + sin⁴α = 1 − 2sin²αcos²α,且 2sin²αcos²α = (1/2)sin²2α
= (1 − (1/2)sin²2α)/cos²α
最简形式:原式 = 1/cos²α − 2sin²α = sec²α − 2sin²α。
(也可以用 1 + tan²α − 2sin²α 等表示,视题目要求选择。)
易错题(具体例子)
易错点 1 · 余弦公式符号弄反

化简:cos(α + β)。

错误做法:cos(α + β) = cos α cos β + sin α sin β(把符号写成和"+"一致)。

正确做法:
余弦公式的符号与"和差号"相反:
cos(α + β) = cos α cos β − sin α sin β。
验算:令 α = β = 30°,则 cos 60° = 1/2。
右边的正确形式:(√3/2)(√3/2) − (1/2)(1/2) = 3/4 − 1/4 = 1/2 ✓
错误形式:(√3/2)(√3/2) + (1/2)(1/2) = 3/4 + 1/4 = 1,不符合。

📌 口诀:正弦同号,余弦反号。

易错点 2 · 二倍角公式中忘记讨论符号

已知 sin α = 4/5,求 sin 2α 的值。

错误做法:直接写成 sin 2α = 2 × (4/5) × (3/5) = 24/25,默认 cos α = 3/5。

正确做法:
由 sin α = 4/5 得 cos α = ±3/5,需要讨论象限。
· 若 α 在第一象限,cos α = 3/5,sin 2α = 2 × (4/5) × (3/5) = 24/25;
· 若 α 在第二象限,cos α = −3/5,sin 2α = 2 × (4/5) × (−3/5) = −24/25。
题目没有给象限,两种情况都要写出。
易错点 3 · 降幂公式用错方向

化简:2cos²α − 1。

错误做法:看到 2cos²α − 1 不知所措,不知道这是 cos 2α 的形式。

正确做法:
由 cos 2α = 2cos²α − 1,所以 2cos²α − 1 = cos 2α。
反过来,若题目中出现 cos 2α,可以展开成 2cos²α − 1 或 1 − 2sin²α。
记忆:升幂(cos²α → cos 2α)和降幂(cos 2α → cos²α)是一对互逆变形。

📌 要点:看到 2cos²α − 1 立即想到 cos 2α;看到 cos²α 立即想到 (1 + cos 2α)/2。

6正弦定理与余弦定理

教材概念
教材原文

在 △ABC 中,角 A, B, C 所对的边分别为 a, b, c,三角形外接圆半径为 R。

正弦定理:a/sin A = b/sin B = c/sin C = 2R。

余弦定理:

a² = b² + c² − 2bc cos A;

b² = a² + c² − 2ac cos B;

c² = a² + b² − 2ab cos C。

推论(求角):cos A = (b² + c² − a²)/(2bc),等等。

三角形面积公式:S = (1/2)ab sin C = (1/2)bc sin A = (1/2)ac sin B。

概念解读
何时用正弦定理,何时用余弦定理?

① 正弦定理适用条件("已知两角一边"或"已知两边及其中一边的对角"):

  • 已知两角及任意一边(AAS / ASA);
  • 已知两边及其中一边的对角(SSA,可能出现两解,需讨论)。

② 余弦定理适用条件("已知两边及夹角"或"已知三边"):

  • 已知两边及其夹角(SAS);
  • 已知三边(SSS)。

③ SSA 情形的"两解"问题——已知 a, b, A(其中 A 为锐角),用正弦定理求 B 时,可能出现 B 为锐角或钝角两种情况。判定方法:

  • 若 a ≥ b,则 B ≤ A,只有一解;
  • 若 a < b,则可能有两解(B 为锐角或钝角)、一解或无解(视 sin B 是否大于 1)。

👉 判断技巧:SSA 情形,大边对大角——若 a 是较小边,则 A 也是较小角,求出的 B 可能为锐角或钝角两种情况。

① 正弦定理的几何意义:三角形外接圆

O A B C R a/sin A = b/sin B = c/sin C = 2R
几何意义:a/sin A 等于三角形外接圆的直径 2R。这个比值与三角形的大小无关,只取决于三角形的形状(三个角)。

② 余弦定理与勾股定理的关系

a² = b² + c² − 2bc·cos A 当 A = 90° 时 cos A = 0 ⟹ a² = b² + c² 当 A < 90° 时 cos A > 0 ⟹ a² < b² + c² 当 A > 90° 时 cos A < 0 ⟹ a² > b² + c²
要点:余弦定理是勾股定理的推广——当角为直角时,−2bc cos A 项消失,回到 a² = b² + c²。可以用余弦定理判断三角形的形状(锐角、直角、钝角)。
典型习题(先做,再看答案)
例 1
在 △ABC 中,已知 A = 30°,B = 45°,a = 2,求 b 的值。
💡 提示:已知两角及一边,用正弦定理。
答案与详解
用正弦定理
a/sin A = b/sin B
代入数值
2/sin 30° = b/sin 45°
2/(1/2) = b/(√2/2)
4 = b/(√2/2)
b = 4 × √2/2 = 2√2
答案:b = 2√2。
例 2
在 △ABC 中,已知 a = 3, b = 4, C = 60°,求 c。
💡 提示:已知两边及夹角,用余弦定理。
答案与详解
用余弦定理
c² = a² + b² − 2ab cos C
代入数值
c² = 3² + 4² − 2 × 3 × 4 × cos 60°
= 9 + 16 − 24 × (1/2)
= 25 − 12
= 13
开方
c = √13(边长为正,只取正根)
答案:c = √13。
例 3
在 △ABC 中,已知 a = 2, b = 2√2, A = 30°,求 B。
💡 提示:注意 SSA 情形可能出现两解,需要讨论。
答案与详解
用正弦定理
a/sin A = b/sin B
2/sin 30° = 2√2/sin B
4 = 2√2/sin B
sin B = (2√2)/4 = √2/2
讨论 B 的值
由 sin B = √2/2,B ∈ (0°, 180°),所以 B = 45° 或 B = 135°。
验证:
· 当 B = 45° 时,A + B = 30° + 45° = 75° < 180°,C = 105°,可行;
· 当 B = 135° 时,A + B = 30° + 135° = 165° < 180°,C = 15°,也可行。
答案:B = 45° 或 B = 135°,此题有两解。
例 4
在 △ABC 中,已知 a = 5, b = 6, c = 7,求 cos A 和 cos B。
💡 提示:已知三边,用余弦定理的推论求角。
答案与详解
求 cos A
cos A = (b² + c² − a²)/(2bc)
= (36 + 49 − 25)/(2 × 6 × 7)
= 60/84
= 5/7
求 cos B
cos B = (a² + c² − b²)/(2ac)
= (25 + 49 − 36)/(2 × 5 × 7)
= 38/70
= 19/35
答案:cos A = 5/7,cos B = 19/35。
易错题(具体例子)
易错点 1 · SSA 情形忘记讨论两解

在 △ABC 中,已知 a = 3, b = 4, A = 30°,求 B 的值。

错误做法:用正弦定理得 sin B = (b sin A)/a = (4 × 1/2)/3 = 2/3,直接用计算器求出 B ≈ 41.8°,忽略另一解。

正确做法:
sin B = 2/3,B ∈ (0°, 180°),有两个解:
· B ≈ 41.8°(锐角);
· B ≈ 180° − 41.8° = 138.2°(钝角)。
验证:
· B = 41.8° 时,A + B = 71.8° < 180°,可行;
· B = 138.2° 时,A + B = 168.2° < 180°,也可行。
此题有两解。

📌 要点:SSA 情形下求角,必须检查是否两解——大边对大角,A 为锐角时,B 可能也是锐角或钝角。

易错点 2 · 用余弦定理求角时计算错误

在 △ABC 中,a = 2, b = 3, c = 4,求 cos C。

错误做法:cos C = (a² + b² − c²)/(2ab) = (4 + 9 − 16)/(2 × 2 × 3) = −3/12 = −1/4,但记错了公式,用 (a² + b² + c²)/(2ab)。

正确做法:
余弦定理求角 C:cos C = (a² + b² − c²)/(2ab)。
代入 a = 2, b = 3, c = 4:
cos C = (4 + 9 − 16)/(2 × 2 × 3) = (−3)/12 = −1/4。
cos C < 0,所以 C 是钝角。

📌 口诀:求哪条边对的角,就用"其他两边的平方和减去这条边的平方"。

易错点 3 · 面积公式用错角

在 △ABC 中,a = 3, b = 4, C = 30°,求三角形面积。

错误做法:S = (1/2)ab sin A 或 S = (1/2)ab sin B,混淆了"两边夹角"的概念。

正确做法:
面积公式 S = (1/2)ab sin C 中的 C 是 a、b 两边所夹的角。
S = (1/2) × 3 × 4 × sin 30° = (1/2) × 12 × (1/2) = 3。

📌 要点:S = (1/2)ab sin C 中的角必须是 a、b 的夹角 C,不能随意换。

★高考链接 · 本章真题与考法

本章在高考中的定位

三角是上海高考数学的重点板块之一,每年必考,且分值稳定。本章既是独立考点,又是后续导数、解析几何的基础工具。主要考查位置:

  • 填空题 1—6 题(4分):三角比求值、化简、诱导公式应用
  • 填空题 7—12 题(5分):三角恒等变换、解三角形
  • 解答题 17—19 题(14分):解三角形综合,是高频解答题

近五年上海卷中,解三角形几乎每年出现在解答题前两题(14分)。2025年第17题、2024年第17题均为解三角形。掌握好本章基础,是确保稳定拿分的关键。

上海卷真题(典型考法)
真题 1 · 三角比求值与化简
上海卷 · 填空第 3—5 题(4分)
已知 sin α = 3/5,α ∈ (π/2, π),则 tan α = ______。
答案与详解
第一步:求 cos α
cos²α = 1 − sin²α = 1 − 9/25 = 16/25
α ∈ (π/2, π) 是第二象限角,cos α < 0,所以 cos α = −4/5
第二步:求 tan α
tan α = sin α / cos α = (3/5)/(−4/5) = −3/4
答案:tan α = −3/4。
题型:填空 4 分 | 考点:同角三角比关系 | 难度:★☆☆☆☆
真题 2 · 诱导公式应用
上海卷 · 填空第 4—6 题(4分)
计算:sin 150° + cos 240° = ______。
答案与详解
sin 150°
150° = 180° − 30°,所以 sin 150° = sin(180° − 30°) = sin 30° = 1/2
cos 240°
240° = 180° + 60°,所以 cos 240° = cos(180° + 60°) = −cos 60° = −1/2
求和
1/2 + (−1/2) = 0
答案:0。
题型:填空 4 分 | 考点:诱导公式 + 特殊角三角比 | 难度:★☆☆☆☆
真题 3 · 解三角形(高频解答题)
上海卷 · 解答题第 17 题(14分)
在 △ABC 中,已知 a = 2√3, b = 4, A = 30°。
(1)求 B 的大小;
(2)求 c 的值。
答案与详解
(1)用正弦定理
a/sin A = b/sin B
2√3/sin 30° = 4/sin B
2√3/(1/2) = 4/sin B
4√3 = 4/sin B
sin B = 4/(4√3) = 1/√3 = √3/3
讨论 B 的值
由 sin B = √3/3 ≈ 0.577 < 1/2,B 有两个可能值。
因为 b = 4 > a = 2√3 ≈ 3.46,所以 B > A(大边对大角)。
计算 arcsin(√3/3) ≈ 35.3°,所以 B ≈ 35.3° 或 B ≈ 144.7°。
因为 B > A = 30°,两个值都满足。
但还要检查 A + B < 180°:
· B ≈ 35.3°:A + B ≈ 65.3° < 180° ✓
· B ≈ 144.7°:A + B ≈ 174.7° < 180° ✓
此题有两解。
(2)求 c
· 当 B ≈ 35.3° 时,C = 180° − 30° − 35.3° ≈ 114.7°
用正弦定理:c/sin C = a/sin A
c = a sin C / sin A = 2√3 × sin 114.7° / (1/2) = 4√3 × sin 114.7°
sin 114.7° = sin(180° − 114.7°) = sin 65.3° ≈ 0.909
c ≈ 4√3 × 0.909 ≈ 6.30
· 当 B ≈ 144.7° 时,C = 180° − 30° − 144.7° ≈ 5.3°
c = 4√3 × sin 5.3° ≈ 4√3 × 0.0924 ≈ 0.64
(也可用余弦定理求 c)
答案:(1)B ≈ 35.3° 或 144.7°;(2)c 对应两解约 6.30 或 0.64。
题型:解答题 14 分 | 考点:正弦定理 + SSA 两解 | 难度:★★★★☆
真题 4 · 三角恒等变换
上海卷 · 填空第 8—10 题(5分)
已知 sin α + cos α = 1/3,则 sin 2α = ______。
答案与详解
两边平方
(sin α + cos α)² = 1/9
sin²α + 2 sin α cos α + cos²α = 1/9
化简
由 sin²α + cos²α = 1,2 sin α cos α = sin 2α,所以:
1 + sin 2α = 1/9
sin 2α = 1/9 − 1 = −8/9
答案:sin 2α = −8/9。
题型:填空 5 分 | 考点:二倍角公式 + 平方关系 | 难度:★★★☆☆
本章总结(复习清单)
  1. 任意角与弧度制:正角逆时针、负角顺时针;π rad = 180°;弧长 l = |α|R,面积 S = (1/2)|α|R²。
  2. 象限角判定:先把角化为 [0°, 360°) 内的角,再看落在哪个象限。
  3. 任意角三角比:sin α = y/r,cos α = x/r,tan α = y/x;符号规律"一全正、二正弦、三正切、四余弦"。
  4. 同角三角比关系:sin²α + cos²α = 1;tan α = sin α/cos α;"知一求二"时注意讨论象限。
  5. 诱导公式:奇变偶不变,符号看象限。α 永远视为锐角判断符号。
  6. 和差角公式:正弦同号,余弦反号,正切照抄符号。
  7. 二倍角公式:sin 2α = 2 sin α cos α;cos 2α 有三种等价形式;降幂公式 sin²α = (1 − cos 2α)/2,cos²α = (1 + cos 2α)/2。
  8. 正弦定理:a/sin A = b/sin B = c/sin C = 2R(已知两角一边或两边及其中一边对角)。
  9. 余弦定理:a² = b² + c² − 2bc cos A(已知两边及夹角或三边)。
  10. 面积公式:S = (1/2)ab sin C,注意 C 是 a、b 的夹角。
  11. 本章最高频陷阱:SSA 情形忘记讨论两解;余弦公式符号弄反;诱导公式把实际象限当作锐角误用。