高中数学 · D 模块

三角函数的叠加

和角公式把一个正弦展开成两项;反过来,也能把同一个角的正弦与余弦合成一项。关键是求出合并后的系数 $R$,再确定括号里增加的角。

反用和角公式

反用和角公式,把两项合成一项

设 $a,b$ 是不同时为 $0$ 的实数,$x$ 可以取任意实数。我们希望得到

$$a\sin x+b\cos x=R\sin(x+\varphi)$$

这里约定 $R>0$;$\varphi$ 是为完成合并而引入的固定角,叫作辅助角。下面从和角公式出发,确定它们的值。

求出系数

系数 R 从哪里来

把右边展开,再与原式比较:

$$\begin{aligned}&R\sin(x+\varphi)\\&=R\cos\varphi\sin x+R\sin\varphi\cos x\end{aligned}$$

用正弦和角公式展开,得到两项。

$$R\cos\varphi=a,\qquad R\sin\varphi=b$$

两项系数分别与原式中的 $a$、$b$ 对应。

$$R^2(\cos^2\varphi+\sin^2\varphi)=a^2+b^2$$

两式分别平方、相加,再提取 $R^2$。

$$R^2=a^2+b^2,\qquad R=\sqrt{a^2+b^2}$$

括号内的平方和等于 $1$。由于约定 $R>0$,开方时取正根。

确定辅助角

辅助角怎样确定

求出 $R$ 后,将两个系数条件分别除以 $R$:

$$\cos\varphi=\frac{a}{R},\qquad\sin\varphi=\frac{b}{R}$$

同时满足这两个条件的角,就能完成合并。它一定存在:两个比值的平方和为 $1$,所以点 $\left(\frac{a}{R},\frac{b}{R}\right)$ 在单位圆上,取这个点对应的角即可。

辅助角的终边要同时符合正弦、余弦的符号,不能只看 $\tan\varphi=\frac{b}{a}$;当 $a=0$ 时,这个比值也无意义。相差 $2k\pi$ 的辅助角给出相同的合并结果,其中 $k\in\mathbb Z$。

公式总结

公式总结

合并公式与使用条件
内容公式或条件
合并公式$a\sin x+b\cos x=R\sin(x+\varphi)$
系数$R=\sqrt{a^2+b^2}$
辅助角$\cos\varphi=\dfrac{a}{R}$,$\sin\varphi=\dfrac{b}{R}$
使用条件$a,b$ 是不同时为 $0$ 的实数,$x\in\mathbb R$

先求系数 $R$,再确定辅助角,最后反用和角公式合并。若 $a=b=0$,原式恒为 $0$,直接处理即可。