辅助角公式
的推导
在三角函数中,有一种常见而重要的题型,即化
为一个角的一个三角函数的形式,进而求原函数的周期、值域、单调区间等.为了帮助学生记忆和掌握这种题型的解答方法,教师们总结出公式
=
或
=
·
,让学生在大量的训练和考试中加以记忆和活用.但事与愿违,半个学期不到,大部分学生都忘了,教师不得不重推一遍.到了高三一轮复习,再次忘记,教师还得重推!本文旨在通过辅助角公式的另一种自然的推导,体现一种解决问题的过程与方法,减轻学生的记忆负担;同时说明“辅助角”的范围和常见的取角方法,帮助学生澄清一些认识;另外通过例子说明辅助角公式的灵活应用,优化解题过程与方法;最后通过例子说明辅助公式在实际中的应用,让学生把握辅助角与原生角的范围关系,以更好地掌握和使用公式.
一.教学中常见的的推导方法
教学中常见的推导过程与方法如下
1.引例
例1 求证:
sin
+cos
=2sin(
+
)=2cos(
-
).
其证法是从右往左展开证明,也可以从左往右“凑”,使等式得到证明,并得出结论:
可见,
sin
+cos
可以化为一个角的三角函数形式.
一般地,asin
+bcos
是否可以化为一个角的三角函数形式呢?
2.辅助角公式的推导
例2 化
为一个角的一个三角函数的形式.
解: asin
+bcos
=
(
sin
+
cos
),
1 令
=cos
,
=sin
,
则asin
+bcos
=
(sin
cos
+cos
sin
)
=
sin(
+
),(其中tan
=
)
2 令
=sin
,
=cos
,则asin
+bcos
=
(sin
sin
+cos
cos
)=
cos(
-
),(其中tan
=
)
其中
的大小可以由sin
、cos
的符号确定
的象限,再由tan
的值求出.或由tan
=
和(a,b)所在的象限来确定.
推导之后,是配套的例题和大量的练习.
但是这种推导方法有两个问题:一是为什么要令
=cos
,
=sin
?让学生费解.二是这种 “规定”式的推导,学生难记易忘、易错!
二.让辅助角公式
=
来得更自然
能否让让辅助角公式来得更自然些?这是我多少年来一直思考的问题.2009年春.我又一次代2008级学生时,终于想出一种与三角函数的定义衔接又通俗易懂的教学推导方法.
首先要说明,若a=0或b=0时,
已经是一个角的一个三角函数的形式,无需化简.故有ab≠0.
1.在平面直角坐标系中,以a为横坐标,b为纵坐标描一点P(a,b)如图1所示,则总有一个角
,它的终边经过点P.设OP=r,r=
,由三角函数的定义知
sin
=
=
,
cos
=
.
所以asin
+bcos
==
cos
sin
+
sin
cos
=
.(其中tan
=
)
2.若在平面直角坐标系中,以b为横坐标,以a为纵坐标可以描点P(b,a),如图2所示,则总有一个角
的终边经过点P(b,a),设OP=r,则r=
.由三角函数的定义知
sin
=
=
,
cos
=
=
.
asin
+bcos
=
=
. (其中tan
=
)
例3 化
为一个角的一个三角函数的形式.
解:在坐标系中描点P(
,1),设角
的终边过点P,则OP =r=
=2.sin
=
,cos
=
.
∴
=2cos
sin
+2sin
cos
=2sin(
).tan
=
.
,∴
=2sin(
).
经过多次的运用,同学们可以在教师的指导下,总结出辅助角公式
asin
+bcos
=
(
sin
+
cos
)=
,(其中tan
=
).或者
asin
+bcos
=
(
sin
+
cos
)=
,(其中tan
=
)
我想这样的推导,学生理解起来会容易得多,而且也更容易理解asin
+bcos
凑成
(
sin
+
cos
)的道理,以及为什么只有两种形式的结果.
例4 化
为一个角的一个三角函数的形式.
解法一:点(1,-
)在第四象限.OP=2.设角
过P点.则
,
.满足条件的最小正角为
,
解法二:点P(-
,1)在第二象限,OP=2,设角
过P点.则
,
.满足条件的最小正角为
,
三.关于辅助角的范围问题
由
中,点P(a,b)的位置可知,终边过点P(a,b)的角可能有四种情况(第一象限、第二象限、第三象限、第四象限).
设满足条件的最小正角为
,则
.由诱导公式(一)知
.其中
,
,
的具体位置由
与
决定,
的大小由
决定.
类似地,
,
的终边过点P(b,a),设满足条件的最小正角为
,则
由诱导公式有
,其中
,
,
的位置由
和
确定,
的大小由
确定.
注意:①一般地,
;②以后没有特别说明时,角
(或
)是所求的辅助角.
四.关于辅助角公式的灵活应用
引入辅助角公式的主要目的是化简三角函数式.在实际中结果是化为正弦还是化为余弦要具体问题具体
分析
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,还有一个重要问题是,并不是每次都要化为
的形式或
的形式.可以利用两角和与差的正、余弦公式灵活处理.
例5 化下列三角函数式为一个角的一个三角函数的形式.
(1)
;
(2)
.
解: (1)
(2)
在本例第(1)小题中,
,
,我们并没有取点P(
,-1),而取的是点P(
,1).也就是说,当
、
中至少有一个是负值时.我们可以取P(
,
),或者P(
,
).这样确定的角
(或
)是锐角,就更加方便.
例6 已知向量
,
,
,求函数
=
的最大值及相应的
的值.
解:
=
=
=
=
这时
.
此处,若转化为两角和与差的正弦公式不仅麻繁,而且易错,请读者一试.
五.与辅助角有关的应用题
与辅助角有关的应用题在实际中也比较常见,而且涉及辅角的范围,在相应范围内求三角函数的最值往往是个难点.
例7 如图3,记扇OAB的中心角为
,半径为1,矩形PQMN内接于这个扇形,求矩形的对角线
的最小值.
解:连结OM,设∠AOM=
.则MQ=
,OQ=
,OP=PN=
.
PQ=OQ-OP=
.
=
=
=
,其中
,
,
.
,
,
.
所以当
时, 矩形的对角线
的最小值为
.