文档文本内容
第四章 三角函数与解三角形
§4.4 简单的三角恒等变换
【考情分析·探规律】
考点
三年考情(2021-2024)
命题趋势
二倍角公式的应用
2024·上海卷
2023·全国新Ⅱ卷
2022·北京卷
2022·浙江卷
2021·北京卷
2021·全国乙卷
能推导二倍角的正弦、余弦、正切
公式,能运用公式解决相关的求值与化
简问题,该内容是新高考卷的必考内
容,一般会考查两角和与差的正弦、余
弦、正切公式及倍角公式变形应用和半
角公式变形应用,同时也需掌握升幂公
式和降幂公式,掌握拼凑角思想,需加
强复习备考。
【知识梳理】
1.二倍角的正弦、余弦、正切公式
(1)公式S2α:sin 2α=2sin
α cos
α .
(2)公式C2α:cos 2α=cos
2 α -
sin
2 α =2cos
2 α -
1 =1 -
2si
n 2 α .
(3)公式T2α:tan 2α=2tan α
1−tan
2α .
2.半角公式(不要求记忆)
sinα
2 =±❑√
1−cosα
2
;cosα
2 =±❑√
1+cosα
2
;tanα
2 =±❑√
1−cosα
1+cosα
.符号由α
2 所在象限
决定.
3.积化和差公式
(1)cos αcos β=1
2[cos(α+β)+cos(α-β)];
(2)sin αsin β=-1
2[cos(α+β)-cos(α-β)];
(3)sin αcos β=1
2[sin(α+β)+sin(α-β)];
(4)cos αsin β=1
2[sin(α+β)-sin(α-β)].
4.和差化积公式
(1)sin θ+sin φ=2sinθ+φ
2
cosθ−φ
2
;
(2)sin θ-sin φ=2cosθ+φ
2
sinθ−φ
2
;
(3)cos θ+cos φ=2cosθ+φ
2
cosθ−φ
2
;
(4)cos θ-cos φ=-2sinθ+φ
2
sinθ−φ
2
.
【随堂训练】
1.判断下列结论是否正确.(请在括号中打“√”或“×”)
(1)二倍角的正弦、余弦、正切公式的适用范围是任意角.( )
(2)半角的正切公式成立的条件是α≠(2k+1)π(k∈Z).( )
(3)任意角α,sin 2α=2sin α 都不成立. ( )
(4)cos2α
2 =1
2(1+cos α),cos 3α=1-2sin23α
2 . ( )
【答案】 (1)× (2)√ (3)× (4)√
2.cos2 π
12-cos25 π
12 等于( )
A.1
2
B.
❑√3
3
C.
❑√2
2
D.
❑√3
2
【答案】D
【解析】因为cos 5 π
12 =sin(
π
2 −5 π
12)=sin π
12 ,
所以cos2 π
12-cos25 π
12 =cos2 π
12-sin2 π
12
=cos π
6 =
❑√3
2 .
3.若α 为第二象限角,sin α=5
13 ,则sin 2α= .
【答案】-120
169
【解析】因为α 为第二象限角,sin α=5
13 ,
所以cos α=-❑√1−sin
2α=-❑√
1−(
5
13)
2
=-12
13 ,
所以sin 2α=2sin αcos α=2× 5
13×(−12
13)=-120
169.
4.已知tan 2α=-4
3 ,α∈(π ,3 π
2 ),则tan α= .
【答案】2
【解析】由tan 2α=2tan α
1−tan
2α =-4
3 ,
得2tan2α-3tan α-2=0,
解得tan α=2 或tan α=-1
2(舍去).
【名师点拨】
1.熟记常用的部分三角公式
(1)1-cos α=2sin2 α
2 ,1+cos α=2cos2 α
2 .(升幂公式)
(2)1±sin α=(sin α
2 ±cos α
2)
2
.(升幂公式)
(3)sin2α=1−cos2α
2
,cos2α=1+cos2α
2
,
tan2α=1−cos2α
1+cos2α .(降幂公式)
(4)半角正切公式的有理化
tanα
2 =
sin α
1+cosα =1−cosα
sin α
.
(5)万能公式
sin α=
2tan α
2
1+tan
2 α
2
,cos α=
1−tan
2 α
2
1+tan
2 α
2
,
tan α=
2tan α
2
1−tan
2 α
2
.
(6)三角平方差公式
sin2α-sin2β=sin(α+β)sin(α-β);
cos2α-sin2β=cos(α+β)cos(α-β).
2.运用倍角公式时谨记四个注意点
(1)要注意公式成立的条件;
(2)要注意和、差、倍角的相对性;
(3)要注意升幂、降幂的灵活运用;
(4)要注意“1”的各种变形.
【必练核心题型】
题型一 三角函数式的化简
【典例】1 (1)sin2(α −π
6)+sin2(α +π
6)-sin2α 等于( )
A.-1
2
B.-
❑√3
2
C.1
2
D.
❑√3
2
【答案】C
【解析】原式=1−cos(2α −π
3)
2
+
1−cos(2α +π
3)
2
-sin2α
=1-1
2[cos(2α −π
3)+cos(2α +π
3)]-sin2α
=1-cos 2αcos π
3 -sin2α
=1-cos2α
2
-1−cos2α
2
=1
2.
【典例】2.化简:
(1+cos2α )(2sin
2α −1)tan α
2
tan
2 α
2 −1
= .
【答案】1
4 sin 4α
【解析】
(1+cos2α )(2sin
2α −1)tan α
2
tan
2 α
2 −1
=2cos2α(-cos 2α)
tan α
2
tan
2 α
2 −1
=cos2αcos 2αtan α=sin αcos αcos 2α
=1
2sin 2αcos 2α=1
4 sin 4α.
【解题技巧】
(1)三角函数式的化简要遵循“三看”原则:一看角,二看名,三看式子结构与特征.
(2)三角函数式的化简要注意观察条件中角之间的联系(和、差、倍、互余、互补等),
寻找式子和三角函数公式之间的联系点.
【变式训练】
变式1.化简1+sin 4 α −cos 4 α
1+sin 4 α +cos 4 α 的结果是( )
A.
1
tan 2α
B.tan 2α
C.
1
tan α
D.tan α
【答案】B
【解析】原式=2sin 2α cos2α +2sin
22α
2sin 2α cos2α +2co s
22α
=2sin 2α(cos2α +sin 2α )
2cos2α(sin 2α +cos2α )=tan 2α.
变式2.若3 π
2 <α<2π,化简:❑√
1
2 +1
2
❑√
1
2 +1
2 cos2α= .
【答案】-cos α
2
【解析】因为3 π
2 <α<2π,所以3 π
4 <α
2 <π,所以cos α>0,cos α
2 <0.
❑√
1
2 +1
2
❑√
1
2 +1
2 cos2α=❑√
1
2 +1
2
❑√
1
2 (1+cos2α )
=❑√
1
2 +1
2
❑√co s
2α =❑√
1
2 +1
2 cosα
=❑√
1
2 (1+cosα )=❑√co s
2 α
2 =-cos α
2 .
题型二 三角函数式的求值
命题点1 给角求值
【典例】1.古希腊的毕达哥拉斯学派通过研究正五边形和正十边形的作图,发现了
黄金分割值约为0.618,这一数值也可以表示为m=2sin 18°,则
cos18°
cos36°·❑√1−m
2
=
.
【答案】❑√2
【解析】
cos18°
cos36°·❑√1−m
2
=
sin72°
cos36°·❑√1−sin18°
=
sin72°
cos36°·❑√1−cos72°
=
2sin36°cos36°
cos36°·
❑√1−(1−2sin
236°)
=2sin36° cos36°
cos36°·❑√2sin36° =❑√2.
命题点2 给值求值
【典例】2.已知cos(
π
6 +α)=1
5 ,则sin(
5 π
6 +2α)等于( )
A.-3
25
B. 3
25
C.-23
25
D.23
25
【答案】C
【解析】方法一 因为cos(
π
6 +α)=1
5 ,
所以sin(
5 π
6 +2α)=sin[
π
2 +(
π
3 +2α)]
=cos(
π
3 +2α)=2cos2(
π
6 +α)-1
=2×(
1
5)
2
-1=-23
25.
方法二 (换元法)
令t=π
6 +α,则α=t-π
6 ,cos t=1
5 ,
所以sin(
5 π
6 +2α)=sin[
5 π
6 +2(t −π
6)]
=sin(
π
2 +2t)=cos 2t=2cos2t-1=-23
25.
命题点3 给值求角
【典例】2.已知sin α=
❑√2
10 ,cos β=3 ❑√10
10
,且α,β 为锐角,则α+2β=
.
【答案】π
4
【解析】因为sin α=
❑√2
10 ,且α 为锐角,
所以cos α=
❑√1−sin
2α =❑√1−2
100 =7 ❑√2
10 ,
因为cos β=3 ❑√10
10
,且β 为锐角,
所以sin β=
❑√1−co s
2 β =❑√1−90
100 =
❑√10
10 ,
则sin 2β=2sin βcos β=2×
❑√10
10 ×3 ❑√10
10
=3
5 ,
cos 2β=1-2sin2β=1-2×(
❑√10
10 )
2
=4
5 ,
所以cos(α+2β)=cos αcos 2β-sin αsin 2β=7 ❑√2
10 ×4
5 -
❑√2
10 ×3
5 =
❑√2
2 ,
因为α∈(0,π
2),β∈(0,π
2),所以2β∈(0,π).
所以α+2β∈(0,3 π
2 ),故α+2β=π
4 .
【解题技巧】
(1)给角求值问题一般所给出的角都是非特殊角,从表面上来看是很难的,但仔细观察
非特殊角与特殊角之间总有一定的关系,解题时,要利用观察得到的关系,结合公式
转化为特殊角并且消除特殊角三角函数而得解.
(2)给值求值问题一般是将待求式子化简整理,看需要求相关角的哪些三角函数值,然
后根据角的范围求出相应角的三角函数值,代入即可.
(3)给值求角问题一般先求角的某一三角函数值,再求角的范围,最后确定角.遵照以下
原则:
①已知正切函数值,选正切函数;已知正、余弦函数值,选正弦或余弦函数;
②若角的范围是(0,π
2),选正、余弦皆可;若角的范围是(0,π),选余弦较好;若角
的范围为(−π
2 ,π
2),选正弦较好.
【变式训练】
变式1.(2025·成都模拟)已知α 是第一象限角,满足cos(
π
4 +α)=-3
5 ,则cos 2α 等
于( )
A. 7
25
B.-24
25
C.24
25
D.-7
25
【答案】B
【解析】因为α 是第一象限角,且cos(
π
4 +α)=-3
5<0,则π
4 +α 为第二象限角,
所以sin(
π
4 +α)=❑√
1−co s
2(
π
4 +α)=4
5 ,
由题意可得,
cos 2α=cos[2(
π
4 +α)−π
2]
=sin 2(
π
4 +α)=2sin(
π
4 +α)cos(
π
4 +α)
=-24
25 .
变式2.已知α 为锐角,1+
❑√3
tan 80° =
1
sin α ,则α= .
【答案】50°
【解析】因为1+
❑√3
tan 80° =sin 80°+❑√3cos80°
sin 80°
=2sin(80°+60°)
sin 80°
=
2sin140°
2sin 40° cos 40°
=
sin 40°
sin 40°cos 40° =
1
cos 40° =
1
sin50° =
1
sin α ,
所以sin α=sin 50°,
又因为α 为锐角,所以α=50°.
题型三 三角恒等变换的综合应用
【典例】1.已知函数f(x)=1
2sin xcos x-1
2cos2x+1
4 .若f (
1
2 α)=
❑√2
5 ,则sin 2α 的值
为 .
【答案】-7
25
【解析】f(x)=1
4 sin 2x-1
2·1+cos2 x
2
+1
4 =1
4 sin 2x-1
4 cos 2x=
❑√2
4 sin(2 x−π
4).
因为f (
1
2 α)=
❑√2
5 ,
所以
❑√2
4 sin(α −π
4)=
❑√2
5 ,所以sin(α −π
4)=4
5 ,
sin 2α=sin[2(α −π
4)+π
2]=cos 2(α −π
4)
=1-2sin2(α −π
4)=1-2×(
4
5)
2
=-7
25.
【解题技巧】
(1)进行三角恒等变换要抓住:变角、变函数名称、变结构,尤其是角之间的关系;注
意公式的逆用和变形使用.
(2)形如y=asin x+bcos x 化为y=❑√a
2+b
2sin(x+φ),可进一步研究函数的周期性、单
调性、最值与对称性.
【变式训练】
变式1.已知f(x)=sin xsin(x+π
3)-1
4 ,则f(x)的值域为 .
【答案】[−1
2 ,1
2]
【解析】因为f(x)=sin xsin(x+π
3)-1
4
=sin x(
1
2 sin x+
❑√3
2 cos x)-1
4
=1
2sin2x+
❑√3
2 sin xcos x-1
4
=1
2×1−cos2 x
2
+
❑√3
4 sin 2x-1
4
=
❑√3
4 sin 2x-1
4 cos 2x
=1
2sin(2 x−π
6),
所以-1
2≤f(x)≤1
2.
【限时训练】(限时:60 分钟)
一、单项选择题(每小题5 分,共30 分)
1.(2025·大连模拟)设θ∈(0,π
2),若cos θ=3
5 ,则sin 2θ 等于( )
A.1
5
B.4
5
C.12
25
D.24
25
【答案】D
【解析】因为θ∈(0,π
2),cos θ=3
5 ,
所以sin θ=
❑√1−co s
2θ=4
5 ,
则sin 2θ=2sin θcos θ=2×4
5 ×3
5 =24
25.
2. 3−sin160°
1+sin
235° 的值等于( )
A.-2
B.2
C.-1
D.1
【答案】B
【解析】原式=
3−sin20°
1+1
2 −1
2 cos70°
=
3−sin20°
1
2 (3−sin20°)=2.
3.化简
2co s
2α −1
2tan(
π
4 −α)·sin
2(
π
4 +α)
等于( )
A.1
B.-1
C.cos α
D.-sin α
【答案】A
【解析】原式=
2co s
2α −1
2sin(
π
4 −α)
cos(
π
4 −α)
·sin
2(
π
4 +α)
=
2co s
2α −1
2sin(
π
4 −α)·cos(
π
4 −α)
=2co s
2α −1
sin(
π
2 −2α)
=cos2α
cos2α =1.
4.已知cos(α +π
6)=1
4 ,则sin(2α −π
6)等于( )
A.-7
8
B.7
8
C. 7
16
D.-7
16
【答案】B
【解析】∵cos(α +π
6)=1
4 ,
可得sin(2α −π
6)=-cos[
π
2 +(2α −π
6)]
=-cos(2α +π
3)=1-2cos2(α +π
6)
=1-2× 1
16 =7
8.
5.若θ∈(
π
2 ,π),tan 2θ=3cosθ
2−sinθ ,则cos θ 等于( )
A.-1
2
B.-
❑√3
2
C.
❑√3
2
D.1
2
【答案】B
【解析】因为tan 2θ=sin 2θ
cos2θ =2sinθcosθ
1−2sin
2θ
=3cosθ
2−sinθ ,θ∈(
π
2 ,π),
所以4sin θ-2sin2θ=3-6sin2θ,
即4sin2θ+4sin θ-3=0,
解得sin θ=1
2或sin θ=-3
2(舍去),
又因为θ∈(
π
2 ,π),
所以cos θ=-❑√1−sin
2θ=-
❑√3
2 .
6.已知π
4 <θ<π
3 ,若a=
tanθ
tan
2θ+1
,b=1
2 -1
2cos 2θ,c=
1
cosθ -cos θ,则a,b,c 的
大小关系是( )
A.c>a>b
B.b>c>a
C.c>b>a
D.b>a>c
【答案】C
【解析】a=
tanθ
tan
2θ+1
=
sinθcosθ
sin
2θ+co s
2θ =sin θcos θ,
b=1
2(1-cos 2θ)=sin2θ,
c=
1
cosθ -cos θ=sin
2θ
cosθ =sin θtan θ,
又π
4 <θ<π
3 ,则sin θ∈(
❑√2
2 ,
❑√3
2 ),
且tan θ>1>sin θ>
❑√2
2 >cos θ>1
2 ,
所以c=sin θtan θ>b=sin2θ>a=sin θcos θ.
二、多项选择题(每小题6 分,共12 分)
7.(2025·中山模拟)下列选项中,与sin(−11π
6 )的值相等的是( )
A.2sin 15°cos 15°
B.cos 18°cos 42°-sin 18°sin 42°
C.2cos215°-1
D.
tan 22.5°
1−tan
222.5°
【答案】ABD
【解析】根据题意,可得
sin(−11π
6 )=sin(−11π
6
+2π)=sin π
6 =1
2.
因为2sin 15°cos 15°=sin 30°=1
2 ,故A 项正确;
因为cos 18°cos 42°-sin 18°sin 42°=cos(18°+42°)=cos 60°=1
2 ,故B 项正确;
因为2cos215°-1=cos 30°=
❑√3
2 ,故C 项不正确;
因为2tan22.5°
1−tan
222.5° =tan 45°=1,所以
tan22.5°
1−tan
222.5°
=1
2 ,故D 项正确.
8.已知函数f(x)=sin2(x+π
4),若a=f(lg 5),b=f(lg 1
5),则( )
A.a+b=0
B.a-b=0
C.a+b=1
D.a-b=sin(2lg 5)
【答案】CD
【解析】由题意可得f(x)=sin2(x+π
4)
=1−cos(2 x+π
2)
2
=1+sin 2 x
2
.
因为a=f(lg 5),b=f(lg 1
5)=f(-lg 5),
所以a+b=1+sin(2lg5)
2
+1−sin(2lg5)
2
=1,
a-b=1+sin(2lg5)
2
-1−sin(2lg5)
2
=sin(2lg 5).
三、填空题(每小题5 分,共10 分)
9.已知sin(α −π
4)=
❑√2
3 ,则sin 2α= .
【答案】5
9
【解析】sin(α −π
4)=-sin(
π
4 −α)=
❑√2
3 ,
所以sin(
π
4 −α)=-
❑√2
3 ,
所以sin 2α=cos(
π
2 −2α)
=cos 2(
π
4 −α)=1-2sin2(
π
4 −α)
=1-2×(−
❑√2
3 )
2
=5
9.
10.已知α,β 均为锐角,cos α=2❑√7
7
,sin β=3 ❑√3
14 ,则cos 2α= ,2α-β=
.
【答案】1
7 π
3
【解析】因为cos α=2❑√7
7
,
所以cos 2α=2cos2α-1=1
7.
又因为α,β 均为锐角,sin β=3 ❑√3
14 ,
所以sin α=
❑√21
7
,cos β=13
14 ,
因此sin 2α=2sin αcos α=4 ❑√3
7
,
所以sin(2α-β)=sin 2αcos β-cos 2αsin β
=4 ❑√3
7
×13
14 -1
7 ×3 ❑√3
14 =
❑√3
2 .
因为α 为锐角,所以0<2α<π.
又cos 2α>0,所以0<2α<π
2 ,
又β 为锐角,所以-π
2 <2α-β<π
2 ,
又sin(2α-β)=
❑√3
2 ,所以2α-β=π
3 .
四、解答题(共28 分)
11.(13 分)化简:
(1)(
1
tan α
2
−tan α
2)(1+tan α·tan α
2);(6 分)
(2)
2co s
4 x−2co s
2 x+1
2
2tan(
π
4 −x)sin
2(
π
4 +x)
.(7 分)
【解析】
(1)原式=(
cos α
2
sin α
2
−
sin α
2
cos α
2)(
1+sin α
cosα ·
sin α
2
cos α
2)
=
co s
2 α
2 −sin
2 α
2
sin α
2 cos α
2
·
cosα cos α
2 +sin α sin α
2
cosα cos α
2
=2cosα
sin α ·
cos α
2
cosα cos α
2
=
2
sin α .
(2)原式=
1
2 (4 co s
4 x−4 co s
2 x+1)
2·
sin(
π
4 −x)
cos(
π
4 −x)
·co s
2(
π
4 −x)
=
(2co s
2 x−1)
2
4 sin(
π
4 −x)cos(
π
4 −x)
=
co s
22 x
2sin(
π
2 −2 x)
=co s
22 x
2cos2 x =1
2cos 2x.
12.(15 分)某城市一扇形空地的平面图如图所示,为了方便市民休闲健身,政府计划在
该扇形空地建设公园.经过测量,扇形空地的半径为600 m,∠AOB=120°.在其中圈出
一块矩形场地CDEF 设计成林荫跑步区,且OC=OD.
(1)求扇形空地的面积;(4 分)
(2)求矩形场地CDEF 的最大面积.(11 分)
【解析】
(1)扇形空地面积S=1
2×6002×2π
3
=120 000π(m2).
(2)如图,记´AB的中点为G,连接OG,分别与EF,CD 交于点M,N,连接OF,
设∠FOG=α,
则EF=2OFsin α,
CF=MN=OM-ON=OM-
CN
tan 60°
=OFcos α-OF sin α
tan60° .
所以矩形面积S1=EF·CF
=2OFsin α·(OF cosα −OF sin α
tan 60° )
=6002×(2sin α cosα −2sin
2α
❑√3 )
=6002×(2sin α cosα −1−cos2α
❑√3
)
=360 000(sin 2α +
❑√3
3 cos2α −
❑√3
3 )
=360 000[
2❑√3
3
sin(2α +30°)−
❑√3
3 ].
所以当α=30°时,矩形场地CDEF 的面积取得最大值,且最大值为120 000❑√3 m2.
【尖子拔高训练】每小题5 分,共10 分
13.(2025·湖北名校联盟联考)已知函数f(x)=cos 2x+cos 3x,x∈(0,π),若f(x)有两个零
点x1,x2(x1<x2),则( )
A.2π
5 ∈{x1,x2}
B.x2=2x1
C.cos x1+cos x2=1
2
D.cos x1cos x2=
❑√3
2
【答案】C
【解析】A,B 选项,令f(x)=0 得cos 2x=-cos 3x,故cos 2x=cos(π-3x)或cos 2x=
cos(π+3x),所以2x=π-3x+2k1π,k1∈Z 或2x=π+3x+2k2π,k2∈Z,解得x=
π
5 +2k1π
5
,k1∈Z 或x=-π-2k2π,k2∈Z,由x∈(0,π),故当k1=0,1 时,解得x1
=π
5 ,x2=3 π
5 ,A,B 错误;
C 选项,cos x1+cos x2=cosπ
5 +cos3 π
5 =2cosπ
5 cos2π
5 =
4 sin π
5 cos π
5 cos 2π
5
2sin π
5
=
2sin 2π
5 cos 2π
5
2sin π
5
=
sin 4 π
5
2sin π
5
=1
2 ,C 正确;
D 选项,因为cosπ
5 >0,cos3 π
5 <0,所以cos x1cos x2=cosπ
5 cos3 π
5 <0,D 错误.
14.(2025·莆田模拟)中华人民共和国国旗是五星红旗,为中华人民共和国的象征和标志.
每个五角星的一个内角都是36°,利用三倍角公式等恒等变换可以求得cos 36°的值.先
利用sin 3α=sin(2α+α)可求得sin 3α=___(用单角α 的正弦值表示);再求得cos 36°=
.
【答案】3sin α-4sin3α
❑√5+1
4
【解析】sin 3α=sin(2α+α)
=sin 2αcos α+cos 2αsin α
=2sin αcos2α+(1-2sin2α)sin α
=2sin α(1-sin2α)+(1-2sin2α)sin α
=3sin α-4sin3α,
因为sin 72°=sin 108°,
从而2sin 36°cos 36°=3sin 36°-4sin336°,
即2cos 36°=3-4sin236°=3-4(1-cos236°),
令cos 36°=x>0,则4x2-2x-1=0,
解得x=
❑√5+1
4
或x=−❑√5+1
4
(舍去).