2021全国高中数学竞赛专题-三角函数.docx
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1、2021全国高中数学竞赛专题-三角函数全国中学数学竞赛专题-三角函数 三角恒等式与三角不等式 一、基础学问 定义1 角:一条射线围着它的端点旋转得到的图形叫做角。角的大小是随意的。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=2弧度。若圆心角的弧长为L ,则其弧度数的肯定值|= 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,把角的顶点放在原点,始边与x 轴的正半轴重合,在角的终边上随意取 一个不同于原点的点P ,设它的坐
2、标为(x ,y ),到原点的距离为r,则正弦函数s in =r y ,余弦函数co s =r x , 正切函数tan = x y ,余切函数cot =y x ,正割函数se c =x r ,余割函数c s c =.y r 定理1 同角三角函数的基本关系式,倒数关系:tan =cot 1,s in =csc 1,co s =sec 1 ; 商数关系:tan = sin cos cot ,cos sin = ; 乘积关系:tan co s =s in ,cot s in =co s ; 平方关系:s in 2+co s 2=1, tan 2+1=se c 2, cot 2+1=c s c 2. 定
3、理2 诱导公式()s in (+)=-s in , co s(+)=-co s , tan (+)=tan , cot (+)=cot ; ()s in (-)=-s in , co s(-)=co s , tan (-)=-tan , cot (-)=cot ; ()s in (-)=s in , co s(-)=-co s , tan =(-)=-tan , cot (-)=-cot ; ()s in ? ?-2=co s , co s ? ?-2=s in , tan ? ?-2=cot (奇变偶不变,符号看象限)。定理3 正弦函数的性质,依据图象可得y =s inx (x R )的性质
4、如下。单调区间:在区间? ? ? ?+ - 22,2 2 k k 上为增函数,在区间? ? ? ?+ 232,22k k 上为减函数, 最小正周期:2. 奇偶性:奇函数 有界性:当且仅当x =2kx +2时,y 取最大值1,当且仅当x =3k -2 时, y 取最小值-1,值域为-1,1。对称性:直线x =k + 2 均为其对称轴,点(k , 0)均为其对称中心。这里k Z . 定理4 余弦函数的性质,依据图象可得y =co s x (x R )的性质。单调区间:在区间2k , 2k +上单调递减,在区间2k -, 2k 上单调递增。最小正周期:2。奇偶性:偶函数。有界性:当且仅当x =2k
5、时,y 取最大值1;当且仅当x =2k -时,y 取最小值-1。值域为-1,1。对称性:直线x =k 均为其对称轴,点? ? ? ?+ 0,2 k 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 + 2)在开区间(k -2, k +2 )上为增函数, 最小正周期为,值域为(-,+),点(k ,0),(k +2 ,0)均为其对称中心。定理6 两角和与差的基本关系式:co s()=co s co s s in s in , s in ()=s in co s co s s in ; tan ()= .) tan tan 1() tan (tan 两角
6、和与差的变式:2222 sin sin cos cos sin()sin()-=-=+- 2222 cos sin cos sin cos()cos()-=-=+- 三角和的正切公式:tan tan tan tan tan tan tan()1tan tan tan tan tan tan +-+= - 定理7 和差化积与积化和差公式: s in +s in =2s in ? ?+2co s ? ?-2, s in -s in =2s in ? ?+2co s ? ?-2, co s +co s =2co s ? ?+2co s ? ?-2, co s -co s =-2s in ? ?+2s
7、 in ? ?-2, s in co s =21s in (+)+s in (-), co s s in =21 s in (+)-s in (-), co s co s =21co s(+)+co s(-), s in s in =-2 1 co s(+)-co s(-). 定理8 二倍角公式:s in 2=2s in co s , co s2=co s 2-s in 2=2co s 2-1=1-2s in 2, tan 2= .) tan 1(tan 22 - 三倍角公式及变式:3 sin 33sin 4sin =-,3 cos34cos 3cos =- 1s i n (60)s i n
8、s i n (60)s i n 34 -+=,1 cos(60)cos cos(60)cos34 -+= 定理9 半角公式: s in 2=2)cos 1(-, co s 2 =2)cos 1(+, tan 2=)cos 1() cos 1(+-= .sin )cos 1() cos 1(sin -=+ 定理10 万能公式: ? ? ? ?+? ? ?= 2tan 12tan 2sin 2, ? ?+? ?-=2tan 12tan 1cos 22,.2tan 12tan 2tan 2? ?-? ?= 定理11 协助角公式:假如a , b 是实数且a 2+b 20,则取始边在x 轴正半轴,终边经
9、过点(a , b )的一个角为, 则s in =22b a b +,co s =2 2b a a +,对随意的角.a s in +bco s =)(22b a +s in (+). 定理12 正弦定理:在随意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:在随意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:在随意ABC 中有cos cos a b C c B =+,cos cos b a
10、C c A =+,cos cos c a B b A =+ 定理15 欧拉定理:在随意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:在随意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)(c o t c o t c o t )4 c a A b B c C =+ 定理17 与ABC 三个内角有关的公式: (1)sin sin sin 4
11、cos cos cos ;222 A B C A B C += (2)cos cos cos 14sin sin sin ;222 A B C A B C +=+ (3)tan tan tan tan tan tan ;A B C A B C += (4)tan tan tan tan tan tan 1;222222 A B B C C A += (5)cot cot cot cot cot cot 1;A B B C C A += (6)sin 2sin 2sin 24sin sin sin .A B C A B C += 定理18 图象之间的关系:y =s inx 的图象经上下平移得y
12、=s inx +k 的图象;经左右平移得y =s in (x +?)的图象(相位 变换);纵坐标不变,横坐标变为原来的 1 ,得到y =s in x (0>)的图象(周期变换);横坐标不变,纵坐标变为原来的A 倍,得到y =A s inx 的图象(振幅变换);y =A s in (x +?)(>0)的图象(周期变换);横坐标不变,纵坐标变为原来的A 倍,得到y =A s inx 的图象(振幅变换);y =A s in (x +?)(, ?>0)(|A | 叫作振幅)的图象向右平移 ? 个单位得到y =A s in x 的图象。定义4 函数y =s inx ? ? ?-2,2x
13、 的反函数叫反正弦函数,记作y =a r c s inx (x -1, 1), 函数y =co s x (x 0, ) 的反函数叫反余弦函数,记作y =a r cco s x (x -1, 1). 函数y =tanx ? ? ? ?- 2,2x 的反函数叫反正切函数。记作y =a r ctanx (x -, +). 函数y =co t x (x 0, )的反函数称为反余切函数,记作y =a r ccotx (x -, +). 定理19 三角方程的解集,假如a (-1,1),方程s inx =a 的解集是x |x =n +(-1)n a r c s ina , n Z 。方程co s x =a
14、的解集是x |x =2kx a r cco s a , k Z . 假如a R ,方程tanx =a 的解集是x |x =k +a r ctana , k Z 。恒等式:a r c s ina +a r cco s a = 2;a r ctana +a r ccota =2 . 定理20 若干有用的不等式: (1)若? ? ?2, 0x ,则s inx (2)函数sin x y x =在(0,)上为减函数;函数tan x y x =在(0,)2 上为增函数。(3)嵌入不等式:设A+B+C=,则对随意的x,y,z R , 有2 2 2 2cos 2cos 2cos x y z yz A xz B
15、 xy C + 等号成立当且仅当yzsinA=zxsinB=xysinC. 二、方法与例题 1结合图象解题。例1 求方程s inx =lg |x |的解的个数。在同一坐标系内画出函数y =s inx 与y =lg |x |的图象,由图象可知两者有6个交点,故方程有6个解。2三角函数性质的应用。例2 设x (0, ), 试比较co s(s inx )与s in (co s x )的大小。 若? ? ? ?,2x ,则-1所以s in (co s x ) 0,又02x ? ? ? ? ,则因为s inx +co s x =2s in (x + 4)2, 所以co s(s inx )>co s
16、( 2 -co s x )=s in (co s x ). 综上,当x (0,)时,总有co s(s inx )3最小正周期的确定。 例3 求函数y =s in (2co s|x |)的最小正周期。 因为co s(-x )=co s x ,所以cos |x |=co s x, 所以T =2是函数的周期; 4三角最值问题。 例4 已知函数y =s inx +x 2cos 1+,求函数的最大值与最小值。 令s inx =? ?= + 4304 sin 2cos 1,cos 22 x , 则有y =).4 sin(2sin 2cos 2 + =+ 因为 4304,所以+42,所以)4 sin(0 +
17、1, 所以当43=,即x =2k -2(k Z )时,y m in =0,当4=,即x =2k +2 (k Z )时,y m ax =2. 因为y =s inx +)cos 1(sin 2cos 1222 x x x + +=2(因为(a +b )22(a 2+b 2)), 且|s inx|1x 2cos 1+,所以0s inx +x 2cos 1+2, 所以当x 2cos 1+=s inx ,即x =2k +2 (k Z )时, y m ax =2, 当x 2cos 1+=-s inx ,即x =2k -2 (k Z )时, y m in =0。 5换元法的运用。例5 求x x x x y
18、cos sin 1cos sin += 的值域。 设t =s inx +co s x =).4sin(2cos 22sin 222+=? ? ?+x x x 因为,1)4 sin(1+ - x 所以.22-t 又因为t 2 =1+2s inxco s x ,所以s inxco s x =212-t ,所以2 1121 2-=+-=t t x y ,所以 .212212-y 因为t -1,所以121-t ,所以y -1.所以函数值域为.212,11,212? ? ?-?-+- y 6图象变换:y =s inx (x R )与y =A s in (x +?)(A , , ?>0). 例6 已
19、知f (x )=s in (x +?)(>0, 0?)是R 上的偶函数,其图象关于点? ?0,43M 对称,且在区间? ? ?2,0上是单调函数,求?和的值。 由f (x )是偶函数,所以f (-x )=f (x ),所以s in (x+?)=s in (-x +?), 所以co s ?s inx =0,对随意x R 成立。又0?,解得?=2 , 因为f (x )图象关于? ? ?0,43M 对称,所以)43()43(x f x f +-=0。 取x =0,得)4 3(f =0,所以sin .024 3=? ?+ 所以243+=k (k Z ),即=32(2k +1) (k Z ). 又
20、>0,取k =0时,此时f (x )=sin (2x + 2)在0,2 上是减函数; 取k =1时,=2,此时f (x )=sin (2x +2)在0,2 上是减函数; 取k =2时,310,此时f (x )=sin (x +2)在0,2 上不是单调函数, 综上,=3 2 或2。7三角公式的应用。例7 已知sin (-)= 135,sin (+)=- 135,且-? ?,2,+? ? ?2,23,求sin 2,cos 2的值。 因为-? ? ?,2,所以cos (-)=-.1312)(sin 12 -=- 又因为+? ? ?2,23,所以cos (+)=.1312)(sin 12=+-
21、所以sin 2=sin (+)+(-)=sin (+)cos (-)+cos (+)sin (-)=169 120 , cos 2=cos (+)-(-)=cos (+)cos (-)+sin (+)sin (-)=-1. 例8 已知ABC 的三个内角A ,B ,C 成等差数列,且B C A cos 2cos 1cos 1-=+,试求2 cos C A -的值。 因为A =1200-C ,所以cos 2 C A -=cos (600-C ), 又由于) 120cos(cos cos )120cos(cos 1)120cos(1cos 1cos 10 00C C C C C C C A -+-=
22、+-=+ = 222 1)2120cos() 60cos(2)2120cos(120cos 21)60cos(60cos 2000000-=-=-+-C C C C , 所以232 cos 22cos 242-+-C A C A =0。解得222cos =-C A 或8232cos -=-C A 。 又2 cos C A ->0,所以222cos =-C A 。例9 求证:tan 20?+4cos 70? tan 20?+4cos 70?=?20cos 20sin +4sin 20? ? ?+=+=20cos 40sin 220sin 20cos 20cos 20sin 420sin ?
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- 2021 全国 高中数学 竞赛 专题 三角函数
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