高中数学 · D 模块

诱导公式

角加上半圈、转过四分之一圈,或者反向旋转,三角函数值会怎样变化?诱导公式把这些角的函数值联系起来,让我们能把不熟悉的角转化为熟悉的角来计算。先看单位圆上的变化,再用“奇变偶不变,符号看象限”整理规律。

转半圈

先看转半圈会发生什么

我们已经知道:角的终边与单位圆相交,交点的横坐标就是这个角的余弦,纵坐标就是这个角的正弦。这里不必再把横、纵坐标另记为两个字母。

把角 $\alpha$ 的终边再逆时针转半圈,得到 $\pi+\alpha$。圆上的点移到正对面:左右方向相反,上下方向也相反,所以横、纵坐标都变号。

纵坐标变号,也就是正弦变号:

$$ \sin(\pi+\alpha)=-\sin\alpha. $$

横坐标变号,也就是余弦变号:

$$ \cos(\pi+\alpha)=-\cos\alpha. $$

正切是纵坐标除以横坐标。分子、分母同时变号,比值不变,因此在 $\cos\alpha\ne0$ 时:

$$ \tan(\pi+\alpha)=\frac{-\sin\alpha}{-\cos\alpha}=\tan\alpha. $$

这就是一组诱导公式:角改变了,但新的函数值可以用原来角的函数值表示。

转四分之一圈

转四分之一圈,为什么正弦变成余弦

把终边逆时针转 $\frac{\pi}{2}$,也就是 $90^\circ$。原来向右的方向转成向上,原来向上的方向转成向左。因此,新纵坐标等于原横坐标,新横坐标等于原纵坐标的相反数。

新角的正弦取新纵坐标,所以等于原角的余弦:

$$ \sin\left(\frac\pi2+\alpha\right)=\cos\alpha. $$

新角的余弦取新横坐标,所以等于原角正弦的相反数:

$$ \cos\left(\frac\pi2+\alpha\right)=-\sin\alpha. $$

转半圈时,横、纵坐标的角色不交换;转四分之一圈时,两者的角色交换。这就是后面“偶不变”和“奇变”的原因。

点怎样变,公式就怎样变

图象加载中;公式与解释见正文。

拖动蓝色点 P 改变 α;选择一种变换,比较紫色点 Q。聚焦图后也可用方向键微调。

口诀怎么用

奇变偶不变,符号看象限

对 $k\frac{\pi}{2}\pm\alpha$,其中 $k\in\mathbb Z$,分两步判断:

看奇偶: $k$ 为奇数,正弦、余弦互换;为偶数,函数名不变。

看符号: 暂把 $\alpha$ 当作锐角,看整个角所在的象限,按原式的函数判断正负。

例如 $\cos(\pi-\alpha)$:$k=2$,余弦不变;暂把 $\alpha$ 当作锐角,整个角在第二象限,余弦为负,所以

$$ \cos(\pi-\alpha)=-\cos\alpha. $$

判断公式前的符号时,先把 $\alpha$ 看作锐角;计算时,代入它的实际值。公式在两边都有意义时成立,正切的具体条件见下表。

公式汇总

常用诱导公式汇总

以下每格都是完整等式。其中 $m\in\mathbb Z$ 表示整周旋转的圈数;$\alpha$ 可取任意实数,正切须满足表中条件。

正弦与余弦

横、纵坐标的交换与变号,对应以下关系:

角的变化正弦公式余弦公式
整周旋转$\sin\left(\alpha+2m\pi\right)=\sin\alpha$$\cos\left(\alpha+2m\pi\right)=\cos\alpha$
关于$x$ 轴对称$\sin\left(-\alpha\right)=-\sin\alpha$$\cos\left(-\alpha\right)=\cos\alpha$
转半圈$\sin\left(\pi+\alpha\right)=-\sin\alpha$$\cos\left(\pi+\alpha\right)=-\cos\alpha$
关于$y$ 轴对称$\sin\left(\pi-\alpha\right)=\sin\alpha$$\cos\left(\pi-\alpha\right)=-\cos\alpha$
转四分之一圈$\sin\left(\frac{\pi}{2}+\alpha\right)=\cos\alpha$$\cos\left(\frac{\pi}{2}+\alpha\right)=-\sin\alpha$
关于直线 $y=x$ 对称$\sin\left(\frac{\pi}{2}-\alpha\right)=\cos\alpha$$\cos\left(\frac{\pi}{2}-\alpha\right)=\sin\alpha$

正切

将同一行的正弦除以余弦,就得到正切关系;分母不能为零。

正切公式成立条件
$\tan\left(\alpha+2m\pi\right)=\tan\alpha$$\cos\alpha\ne0$
$\tan\left(-\alpha\right)=-\tan\alpha$$\cos\alpha\ne0$
$\tan\left(\pi+\alpha\right)=\tan\alpha$$\cos\alpha\ne0$
$\tan\left(\pi-\alpha\right)=-\tan\alpha$$\cos\alpha\ne0$
$\tan\left(\frac{\pi}{2}+\alpha\right)=-\frac{\cos\alpha}{\sin\alpha}$$\sin\alpha\ne0$
$\tan\left(\frac{\pi}{2}-\alpha\right)=\frac{\cos\alpha}{\sin\alpha}$$\sin\alpha\ne0$

只有 $\sin\alpha$、$\cos\alpha$ 都不为零时,最后两式才可以写成 $-\frac{1}{\tan\alpha}$ 和 $\frac{1}{\tan\alpha}$。

计算与条件

用熟悉的角计算,别丢掉条件

$\frac{7\pi}{6}=\pi+\frac{\pi}{6}$。加半圈后,正弦和余弦变号,正切不变。利用 $\frac{\pi}{6}$ 的函数值,就能算出:

$$ \sin\frac{7\pi}{6}=-\sin\frac\pi6=-\frac12. $$
$$ \cos\frac{7\pi}{6}=-\cos\frac\pi6=-\frac{\sqrt3}{2}. $$
$$ \tan\frac{7\pi}{6}=\tan\frac\pi6=\frac{\sqrt3}{3}. $$

但口诀不能代替定义域检查。例如 $\alpha=\frac{\pi}{2}$ 时,原式为:

$$ \tan\left(\frac\pi2+\alpha\right)=\tan\pi=0. $$

此时 $\tan\alpha$ 没有定义,不能把结果写成 $-\frac{1}{\tan\alpha}$;使用 $-\frac{\cos\alpha}{\sin\alpha}$ 则得到 $0$,计算正常。

先用奇偶决定是否换函数名,再用象限判断符号,最后检查正切的分母。记住这条顺序,也记住它来自单位圆上点的变化。