学习指南

三角学

CIE A-Level 数学· 40 分钟阅读

1. 倒数三角函数(sec、cosec、cot)★★☆☆☆⏱ 10 min

📘 定义

倒数三角函数

三个基本三角比各有一个倒数:余割(cosec)、正割(sec)和余切(cot)。定义为

例:

cscθ=1sinθ,secθ=1cosθ,cotθ=1tanθ=cosθsinθ\csc\theta = \frac{1}{\sin\theta}, \qquad \sec\theta = \frac{1}{\cos\theta}, \qquad \cot\theta = \frac{1}{\tan\theta} = \frac{\cos\theta}{\sin\theta}
📘 定义

六个函数的图像(任意大小的角)

在原三角比为零的地方,倒数函数无定义,其图像出现垂直渐近线。处(即)有渐近线;处(即)有渐近线;处(即)有渐近线。由于,所以的图像永远不会取之间的值。

例:

附近,,因此

sec2θ1+tan2θcsc2θ1+cot2θ\sec^2\theta \equiv 1 + \tan^2\theta \qquad\qquad \csc^2\theta \equiv 1 + \cot^2\theta
📐 例题

范围内求解

  1. 1

    利用,把方程全部化为的形式:

  2. 2
    2(1+tan2θ)tanθ=52(1 + \tan^2\theta) - \tan\theta = 5
  3. 3

    展开并把所有项移到一侧,得到关于的二次方程:

  4. 4
    2tan2θtanθ3=02\tan^2\theta - \tan\theta - 3 = 0
  5. 5

    对二次方程因式分解:

  6. 6
    (2tanθ3)(tanθ+1)=0(2\tan\theta - 3)(\tan\theta + 1) = 0
  7. 7

    分别求解每个因子得

  8. 8
    tanθ=32ortanθ=1\tan\theta = \frac{3}{2} \quad \text{or} \quad \tan\theta = -1
  9. 9

    写出区间内的所有解:

  10. 10
    θ=56.3, 236.3orθ=135, 315\theta = 56.3^\circ,\ 236.3^\circ \quad \text{or} \quad \theta = 135^\circ,\ 315^\circ
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用哪个恒等式能把化为含的表达式?

  1. 哪个恒等式把表示?

Exam tip:

是倒数,不是反函数。用恒等式把方程化成关于单个三角比的二次方程。

2. 复角恒等式★★☆☆☆⏱ 10 min

📘 定义

复角恒等式

用两个单个角的函数表示两角和或差的三角函数的公式

例:

用正弦加法公式展开

sin(A±B)=sinAcosB±cosAsinB\sin(A \pm B) = \sin A \cos B \pm \cos A \sin B
cos(A±B)=cosAcosBsinAsinB\cos(A \pm B) = \cos A \cos B \mp \sin A \sin B
tan(A±B)=tanA±tanB1tanAtanB\tan(A \pm B) = \frac{\tan A \pm \tan B}{1 \mp \tan A \tan B}
📐 例题

的精确值

  1. 1

    写为两个已知三角函数值的角的差:

  2. 2
    15=453015^\circ = 45^\circ - 30^\circ
  3. 3

    应用的正弦复角恒等式:

  4. 4
    sin(4530)=sin45cos30cos45sin30\sin(45^\circ - 30^\circ) = \sin 45^\circ \cos 30^\circ - \cos 45^\circ \sin 30^\circ
  5. 5

    代入已知精确值:

  6. 6
    =(22)(32)(22)(12)=6424= \left(\frac{\sqrt{2}}{2}\right)\left(\frac{\sqrt{3}}{2}\right) - \left(\frac{\sqrt{2}}{2}\right)\left(\frac{1}{2}\right) = \frac{\sqrt{6}}{4} - \frac{\sqrt{2}}{4}
  7. 7

    最终化简结果:

  8. 8
    sin15=624\sin 15^\circ = \frac{\sqrt{6} - \sqrt{2}}{4}
📐 例题

化简,将答案写成单一项。

  1. 1

    用加法公式展开每个复角:

  2. 2
    cos(x60)=cosxcos60+sinxsin60=12cosx+32sinx\cos(x - 60^\circ) = \cos x \cos 60^\circ + \sin x \sin 60^\circ = \frac{1}{2}\cos x + \frac{\sqrt{3}}{2}\sin x
  3. 3
    sin(x60)=sinxcos60cosxsin60=12sinx32cosx\sin(x - 60^\circ) = \sin x \cos 60^\circ - \cos x \sin 60^\circ = \frac{1}{2}\sin x - \frac{\sqrt{3}}{2}\cos x
  4. 4

    代入两个展开式,并把乘开:

  5. 5
    cos(x60)3sin(x60)=(12cosx+32sinx)3(12sinx32cosx)\cos(x - 60^\circ) - \sqrt{3}\sin(x - 60^\circ) = \left(\frac{1}{2}\cos x + \frac{\sqrt{3}}{2}\sin x\right) - \sqrt{3}\left(\frac{1}{2}\sin x - \frac{\sqrt{3}}{2}\cos x\right)
  6. 6

    的项相互抵消,的项合并:

  7. 7
    =12cosx+32sinx32sinx+32cosx=2cosx= \frac{1}{2}\cos x + \frac{\sqrt{3}}{2}\sin x - \frac{\sqrt{3}}{2}\sin x + \frac{3}{2}\cos x = 2\cos x

Exam tip:

务必检查中间项的符号:对于余弦复角公式,符号相对于角的符号会翻转。

3. 倍角恒等式(及降幂形式)★★★☆☆⏱ 10 min

📘 定义

倍角恒等式

由复角恒等式推导得到,当两个角相等时,将的三角函数与的函数关联的恒等式

sin2θ=2sinθcosθ\sin 2\theta = 2 \sin \theta \cos \theta
cos2θ=cos2θsin2θ=2cos2θ1=12sin2θ\cos 2\theta = \cos^2 \theta - \sin^2 \theta = 2\cos^2 \theta - 1 = 1 - 2\sin^2 \theta
tan2θ=2tanθ1tan2θ\tan 2\theta = \frac{2 \tan \theta}{1 - \tan^2 \theta}
📐 例题

证明恒等式

  1. 1

    从左侧(LHS)开始,代入倍角恒等式:

  2. 2

    替换为(来自恒等式),将替换为

  3. 3
    LHS=2sin2θ2sinθcosθ\text{LHS} = \frac{2 \sin^2 \theta}{2 \sin \theta \cos \theta}
  4. 4

    约去公因子时):

  5. 5
    LHS=sinθcosθ=tanθ=RHS\text{LHS} = \frac{\sin \theta}{\cos \theta} = \tan \theta = \text{RHS}
✓ 快速检测

哪个表达式等价于?

  1. 哪个表达式等价于?

4. 正弦和余弦线性组合的R型公式★★★☆☆⏱ 10 min

📘 定义

R型公式(振幅-相位形式)

Rsin(θ±α),Rcos(θ±α)R \sin(\theta \pm \alpha), R \cos(\theta \pm \alpha)

一种将线性组合(角度相同)改写为单个三角函数的方法,其中(或弧度)

例:

📐 例题

表示为的形式,其中

  1. 1

    用正弦复角恒等式展开目标形式:

  2. 2
    Rsin(x+α)=Rsinxcosα+RcosxsinαR \sin(x + \alpha) = R \sin x \cos \alpha + R \cos x \sin \alpha
  3. 3

    比较系数:

  4. 4
    Rcosα=3andRsinα=4R \cos \alpha = 3 \quad \text{and} \quad R \sin \alpha = 4
  5. 5

    利用,将两个方程平方相加计算

  6. 6
    R2(cos2α+sin2α)=32+42=25    R=5R^2 (\cos^2 \alpha + \sin^2 \alpha) = 3^2 + 4^2 = 25 \implies R = 5
  7. 7

    将两个方程相除消去,计算

  8. 8
    tanα=RsinαRcosα=43    α53.1\tan \alpha = \frac{R \sin \alpha}{R \cos \alpha} = \frac{4}{3} \implies \alpha \approx 53.1^\circ
  9. 9

    最终结果:

  10. 10
    3sinx+4cosx=5sin(x+53.1)3 \sin x + 4 \cos x = 5 \sin(x + 53.1^\circ)

Exam tip:

务必检查题目要求的形式:的系数排列不同,因此求解前先展开。

5. 常见陷阱

错误做法:

错误地写为

原因:

余弦复角恒等式中,正弦项的符号会翻转,与角的符号相反

正确做法:

正确应为

错误做法:

解方程时从两边约去

原因:

这会去掉的解,这些解在大多数区间内都是有效的

正确做法:

将所有项移到一侧,提取公因子,分别求解每个因子

错误做法:

错误写为

原因:

比较系数时系数颠倒,导致的值错误

正确做法:

求解前总是先展开R型表达式再比较系数

错误做法:

求解时保留原区间,例如对错误取

原因:

区间会随角度系数缩放,原区间会导致漏解

正确做法:

将区间边界乘以角度系数,因此对,区间应为

6. 速查表

恒等式类型

核心公式

倒数比与恒等式



复角



倍角



R型公式:


下一步

这些核心三角恒等式是纯数学2与纯数学3几乎所有后续主题的基础,也频繁出现在涉及简谐运动的力学问题中。你会经常用到它们来求解复杂三角方程、对三角函数求导和积分、化简反三角函数表达式,以及求组合周期函数的最大值和最小值。掌握这些恒等式是在试卷2和试卷3中取得高分的关键,因为每次考试都会在多道题目中考查它们。