三角函数

标准形式:f(x)=Asin⁡(ωx+φ)f(x) = A \sin(\omega x + \varphi)。

变换类型 变换后的函数表达式 参数变化 图象变化说明
标准形式 f(x)=Asin⁡(ωx+φ) f(x)=A\sin(\omega x+\varphi) 振幅 AA,角频率 ω \omega ,初相 φ \varphi 振幅 ∣A∣ \vert A \vert ,周期 T=2π∣ω∣ T=\dfrac{2\pi}{\vert \omega \vert} ,相位由 φ \varphi 决定
横坐标变成原来的 k (k≠0)k \ (k \neq 0) 倍 y=f ⁣(x/k)=Asin⁡ ⁣(ωx/k+φ) y=f\!\left(x / k\right)=A\sin\!\left(\omega x / k + \varphi\right) ω→ωk \omega \to \dfrac{\omega}{k} 图象在水平方向伸缩:k>1k>1 时拉长,0<k<10<k<1 时压缩;周期变为 T′=kT T'=kT
纵坐标变成原来的 k (k≠0)k \ (k \neq 0) 倍 y=kf(x)=kAsin⁡(ωx+φ) y=kf(x)=kA\sin(\omega x+\varphi) A→kA A\to kA 图象在竖直方向伸缩:振幅变为 ∣kA∣ \vert kA \vert ,k<0k<0 时还关于 xx 轴对称
向上移动 a (a>0)a \ (a>0) 个单位 y=f(x)+a=Asin⁡(ωx+φ)+a y=f(x)+a=A\sin(\omega x+\varphi)+a 振幅、周期不变 整体上移 aa,中线变为 y=ay=a
向下移动 a (a>0)a \ (a>0) 个单位 y=f(x)−a=Asin⁡(ωx+φ)−a y=f(x)-a=A\sin(\omega x+\varphi)-a 振幅、周期不变 整体下移 aa,中线变为 y=−ay=-a
向左移动 a (a>0)a \ (a>0) 个单位 y=f(x+a)=Asin⁡(ωx+ωa+φ) y=f(x+a)=A\sin(\omega x+\omega a+\varphi) 相位 φ→φ+ωa \varphi\to \varphi+\omega a 图象整体向左平移 aa
向右移动 a (a>0)a \ (a>0) 个单位 y=f(x−a)=Asin⁡(ωx−ωa+φ) y=f(x-a)=A\sin(\omega x-\omega a+\varphi) 相位 φ→φ−ωa \varphi\to \varphi-\omega a 图象整体向右平移 aa

诱导公式

sin⁡(π+α)=−sin⁡αcos⁡(π+α)=−cos⁡αtan⁡(π+α)=tan⁡αsin⁡(−α)=−sin⁡αcos⁡(−α)=cos⁡αtan⁡(−α)=−tan⁡αsin⁡(π−α)=sin⁡αcos⁡(π−α)=−cos⁡αtan⁡(π−α)=−tan⁡αsin⁡(π2−α)=cos⁡αcos⁡(π2−α)=sin⁡αsin⁡(π2+α)=cos⁡αcos⁡(π2+α)=−sin⁡α\def\arraystretch{1.5} \begin{array}{} \sin(\pi + \alpha) = -\sin \alpha & \cos(\pi + \alpha) = -\cos \alpha & \tan(\pi + \alpha) = \tan \alpha \\ \sin(-\alpha) = -\sin \alpha & \cos(-\alpha) = \cos \alpha & \tan(-\alpha) = -\tan \alpha \\ \sin(\pi - \alpha) = \sin \alpha & \cos(\pi - \alpha) = -\cos \alpha &\tan(\pi - \alpha) = -\tan \alpha \\ \sin \left(\dfrac{\pi}{2} - \alpha \right) = \cos \alpha & \cos \left(\dfrac{\pi}{2} - \alpha \right) = \sin \alpha \\[0.5em] \sin \left(\dfrac{\pi}{2} + \alpha \right) = \cos \alpha & \cos \left(\dfrac{\pi}{2} + \alpha \right) = - \sin \alpha \end{array}

三角恒等变换

cos⁡(α−β)=cos⁡αcos⁡β+sin⁡αsin⁡βcos⁡(α+β)=cos⁡αcos⁡β−sin⁡αsin⁡βsin⁡(α+β)=sin⁡αcos⁡β+cos⁡αsin⁡βsin⁡(α−β)=sin⁡αcos⁡β−cos⁡αsin⁡βtan⁡(α+β)=tan⁡α+tan⁡β1−tan⁡αtan⁡βtan⁡(α−β)=tan⁡α−tan⁡β1+tan⁡αtan⁡β\begin{aligned} \cos(\alpha - \beta) &= \cos \alpha \cos \beta + \sin \alpha \sin \beta \\ \cos(\alpha + \beta) &= \cos \alpha \cos \beta - \sin \alpha \sin \beta \\ \sin(\alpha + \beta) &= \sin \alpha \cos \beta + \cos \alpha \sin \beta \\ \sin(\alpha - \beta) &= \sin \alpha \cos \beta - \cos \alpha \sin \beta \\ \tan(\alpha + \beta) &= \frac{\tan \alpha + \tan \beta}{1 - \tan \alpha \tan \beta} \\ \tan(\alpha - \beta) &= \frac{\tan \alpha - \tan \beta}{1 + \tan \alpha \tan \beta} \end{aligned}

例题

例 1

(填空题)设 f(x)=2sin⁡x+3cos⁡xf(x) = 2\sin x + 3\cos x,若 f(x1)=f(x2)f(x_1) = f(x_2),且 x1−x2≠2nπ, n∈Zx_1 - x_2 \neq 2n\pi,\ n \in \bf{Z},求 sin⁡(x1+x2)\sin(x_1 + x_2) 的值。

解答

考虑和差化积公式或者辅助角公式。

这里用辅助角公式:f(x)f(x) 可以变为 13sin⁡(x+φ)\sqrt{13} \sin (x + \varphi),其中 cos⁡φ=213\cos \varphi = \dfrac{2}{\sqrt{13}},sin⁡φ=313\sin \varphi = \dfrac{3}{\sqrt{13}}。

f(x1)=f(x2)f(x_1) = f(x_2),即 sin⁡(x1+φ)=sin⁡(x2+φ)\sin (x_1 + \varphi) = \sin (x_2 + \varphi),有 x1+φ=x2+φ+2kπ (k∈Z)x_1 + \varphi = x_2 + \varphi + 2k\pi \ (k \in \bf{Z}) 或 x1+φ+x2+φ=π+2kπ (k∈Z)x_1 + \varphi + x_2 + \varphi = \pi + 2k\pi \ (k \in \bf{Z})。

由于 x1−x2≠2nπ, n∈Zx_1 - x_2 \neq 2n\pi,\ n \in \bf{Z},所以 x1+x2=π+2kπ−2φ (k∈Z)x_1 + x_2 = \pi + 2k\pi - 2\varphi \ (k \in \bf{Z})。

于是

sin⁡(x1+x2)=sin⁡(π+2kπ−2φ)=sin⁡2φ=2sin⁡φcos⁡φ=2×313×213=1213\begin{aligned} \sin(x_1 + x_2) &= \sin(\pi + 2k\pi - 2\varphi) \\ &= \sin 2\varphi \\ &= 2\sin \varphi \cos \varphi \\ &= 2 \times \frac{3}{\sqrt{13}} \times \frac{2}{\sqrt{13}} \\ &= \frac{12}{13} \end{aligned}

例 2

(填空题)将函数 g(x)=2cos⁡2(x+π6)g(x) = 2\cos^2\left(x + \dfrac{\pi}{6}\right) 的图象向右平移 π4\dfrac{\pi}{4} 个单位长度得到函数 f(x)f(x),若 f(x)f(x) 在 [0,m][0, m] 上恰有 22 个零点,求 mm 的取值范围。

解答

g(x)=cos⁡(2x+π3)+1  ⟹  f(x)=cos⁡(2x−π6)+1=sin⁡(2x+π3)+1g(x) = \cos\left(2x + \dfrac{\pi}{3}\right) + 1 \implies f(x) = \cos\left(2x - \dfrac{\pi}{6}\right) + 1 = \sin\left(2x + \dfrac{\pi}{3}\right) + 1

考虑到 x∈[0,m]x \in [0, m],那么令 t=2x+π3∈[π3,2m+π3]t = 2x + \dfrac{\pi}{3} \in \left[\dfrac{\pi}{3}, 2m + \dfrac{\pi}{3}\right]。

要有 22 个零点,即 sin⁡t=−1\sin t = -1,得 t=3π2+2kπ (k∈Z)t = \dfrac{3\pi}{2} + 2k\pi \ (k \in \bf{Z})。

由 y=sin⁡ty = \sin t 的图象得,要包含 π3\dfrac{\pi}{3} 后的第二个满足 sin⁡t=−1\sin t = -1 的 tt,但不能包含第三个 sin⁡t=−1\sin t = -1 的 tt。即包含 t1=7π2t_1 = \dfrac{7\pi}{2},但不包含 t2=11π2t_2 = \dfrac{11\pi}{2}。

有约束条件:

{2m+π3≥7π22m+π3<11π2  ⟹  19π12≤m<31π12\begin{cases} 2m + \dfrac{\pi}{3} \geq \dfrac{7\pi}{2} \\[0.5em] 2m + \dfrac{\pi}{3} < \dfrac{11\pi}{2} \end{cases} \implies \frac{19\pi}{12} \le m < \frac{31\pi}{12}

即实数 mm 的取值范围为 [19π12,31π12)\left[\dfrac{19\pi}{12},\dfrac{31\pi}{12}\right)。

解三角形

例题

例 1

记 △ABC\triangle ABC 的角 A,B,CA, B, C 对应的边分别为 a,b,ca, b, c,A=π3A = \dfrac{\pi}{3},且 c>a>bc > a > b。DD 在 ABAB 上,且 BD=2ADBD = 2AD,CDCD 平分 ∠ACB\angle ACB。求 sin⁡C\sin C。

解答

由正弦定理,在 △ACD\triangle ACD 和 △BCD\triangle BCD 中,分别有:

{CDsin⁡A=ADsin⁡∠ACDCDsin⁡B=BDsin⁡∠BAD\begin{cases} \dfrac{CD}{\sin A} = \dfrac{AD}{\sin \angle ACD} \\[1em] \dfrac{CD}{\sin B} = \dfrac{BD}{\sin \angle BAD} \\ \end{cases}

又 CDCD 平分 ∠ACB\angle ACB,得 ∠ACD=∠BAD  ⟹  sin⁡∠ACD=sin⁡∠BAD\angle ACD = \angle BAD \implies \sin \angle ACD = \sin \angle BAD。

从而解得 sin⁡A=2sin⁡B\sin A = 2\sin B。

代入 sin⁡A=32\sin A =\dfrac{\sqrt{3}}{2},得 sin⁡B=34\sin B = \dfrac{\sqrt{3}}{4}。

由 c>a>bc > a > b 得 C>A>BC > A > B,故 BB 为锐角,从而 cos⁡B=1−sin⁡2B=134\cos B = \sqrt{1 - \sin^2 B} = \dfrac{\sqrt{13}}{4}。

则 sin⁡C=sin⁡(A+B)=sin⁡Acos⁡B+cos⁡Asin⁡B=32⋅134+12⋅34=39+38\sin C = \sin(A + B) = \sin A \cos B + \cos A \sin B = \dfrac{\sqrt{3}}{2} \cdot \dfrac{\sqrt{13}}{4} + \dfrac{1}{2} \cdot \dfrac{\sqrt{3}}{4} = \dfrac{\sqrt{39} + \sqrt{3}}{8}。

因此,sin⁡C=3+398\sin C = \dfrac{\sqrt{3} + \sqrt{39}}{8}。

例 2

记 △ABC\triangle ABC 的角 A,B,CA, B, C 对应的边分别为 a,b,ca, b, c,MM 为边上所在直线上一点。若 AM⊥BCAM \bot BC,AM=34aAM = \dfrac{3}{4} a,求 (b+c)2bc\dfrac{(b+c)^2}{bc} 的最大值和最小值。

解答

一、求 min⁡\min,用基本不等式即可。

因为 (b+c)2bc=b2+c2+2bcbc=bc+cb+2≥2+2=4\dfrac{(b+c)^2}{bc} = \dfrac{b^2 + c^2 + 2bc}{bc} = \dfrac{b}{c} + \dfrac{c}{b} + 2 \geq 2 + 2 = 4,当且仅当 b=cb = c 时取等。

所以 (b+c)2bc\dfrac{(b+c)^2}{bc} 的最小值为 44。

二、求 max⁡\max,边的条件已尽,只能找角。思考高和底边要如何利用,一个想法是通过面积倒角。

因为 AM⊥BCAM \bot BC,AM=34aAM = \dfrac{3}{4} a,所以 S△ABC=12AM⋅BCS_{\triangle ABC} = \dfrac12 AM \cdot BC,且 S△ABC=12bcsin⁡AS_{\triangle ABC} = \dfrac12 bc \sin A。

可得 34a2=bcsin⁡A(1)\dfrac{3}{4} a^2 = bc \sin A \quad (1)。

找到了一个等量关系,思考有什么公式同时有 a2,bca^2, bc,考虑余弦定理。

在 △ABC\triangle ABC 中,由余弦定理得 b2+c2−a2=2bccos⁡Ab^2 + c^2 - a^2 = 2 bc \cos A。

代入 (1)(1) 式,整理得

b2+c2=bc(43sin⁡A+2cos⁡A)b^2 + c^2 = bc\left(\frac{4}{3} \sin A + 2 \cos A\right)

因此,

(b+c)2bc=43sin⁡A+2cos⁡A+2=(43)2+22sin⁡(A+φ)+2=2313sin⁡(A+φ)+2≤2313+2\begin{aligned} \frac{(b+c)^2}{bc} &= \frac{4}{3} \sin A + 2 \cos A + 2 \\ &= \sqrt{\left(\frac{4}{3}\right)^2 + 2^2} \sin(A + \varphi) + 2 \\ &= \frac23 \sqrt{13} \sin(A + \varphi) + 2 \\ &\leq \frac23 \sqrt{13} + 2 \end{aligned}

当且仅当 sin⁡(A+φ)=1\sin(A + \varphi) = 1 时取等。

对于 xsin⁡A+ycos⁡Ax\sin A + y\cos A 的形式,最便捷的方法是使用辅助角公式。

即 (b+c)2bc\dfrac{(b+c)^2}{bc} 的最大值为 (2313+2)\left(\dfrac23 \sqrt{13} + 2\right)。

三、总结

综上,(b+c)2bc\dfrac{(b+c)^2}{bc} 的最大值为 (2313+2)\left(\dfrac23 \sqrt{13} + 2\right),最小值为 44。

复数

复数的一般表示及运算

z=a+bi(a,b∈R)z = a + b\text{i} \quad (a, b \in \bf{R})

设 z1=a+biz_1 = a + b\text{i},z2=c+di (a,b,c,d∈R)z_2 = c + d\text{i} \ (a, b, c, d \in \bf{R})。

则

z1±z2=(a+c)±(b+d)iz1z2=(ac−bd)+(ad+bc)iz1z2=ac+bdc2+d2+bc−adc2+d2i(z2≠0)\begin{aligned} z_1 \pm z_2 &= (a + c) \pm (b + d)\text{i} \\[0.5em] z_1 z_2 &= (ac - bd) + (ad + bc)\text{i} \\[0.5em] \frac{z_1}{z_2} &= \frac{ac + bd}{c^2 + d^2} + \frac{bc - ad}{c^2 + d^2}\text{i} \quad (z_2 \neq 0) \end{aligned}

复数的三角表示及运算

z=a+bi⟺z=r(cos⁡θ+isin⁡θ)(a,b,r,θ∈R)z = a + b\text{i} \Longleftrightarrow z = r(\cos \theta + \text{i}\sin \theta) \quad (a, b, r, \theta \in \bf{R})

其中 r=a2+b2 r = \sqrt{a^2 + b^2} 。

设 z1=r1(cos⁡θ1+isin⁡θ1)z_1 = r_1(\cos \theta_1 + \text{i}\sin \theta_1),z2=r2(cos⁡θ2+isin⁡θ2)z_2 = r_2(\cos \theta_2 + \text{i}\sin \theta_2)。

则

z1z2=r1r2[cos⁡(θ1+θ2)+isin⁡(θ1+θ2)]z1z2=r1r2[cos⁡(θ1−θ2)+isin⁡(θ1−θ2)]\begin{aligned} z_1 z_2 &= r_1 r_2 [\cos(\theta_1 + \theta_2) + \text{i}\sin(\theta_1 + \theta_2)] \\[0.5em] \frac{z_1}{z_2} &= \frac{r_1}{r_2} [\cos(\theta_1 - \theta_2) + \text{i}\sin(\theta_1 - \theta_2)] \end{aligned}