差角余弦
先用同一段距离,联系两个角
我们要把 $\cos(\alpha-\beta)$ 写成 $\alpha$、$\beta$ 的三角函数值的组合。办法是:在单位圆上取两个点,先计算它们的距离,再把两个点一起旋转,用新坐标重算一次。距离不变,就能把两种结果联系起来。
先写出两点的坐标
单位圆上,角的余弦是点的横坐标,正弦是点的纵坐标。分别写出角 $\alpha$、$\beta$ 对应的点 $P$、$Q$。
连接 $P$、$Q$,把线段 $PQ$ 的长度记为 $d$。下面的 $d^2$ 表示两点距离的平方。
用坐标算出距离的平方
两个括号分别是横坐标之差、纵坐标之差。根据勾股定理,两点距离的平方等于这两个差的平方和。
先用完全平方公式分别展开。每个平方中都包含两个平方项,以及一个带负号的交叉项。
把两式相加后,将同一个角的平方项放在一起,并把两个交叉项的公因数 $-2$ 提出来。
同一个角的正弦平方与余弦平方之和等于 $1$,因此两组平方项合起来等于 $2$。
两点都旋转 $-\beta$,再计算距离
让两个点都绕原点、沿相同方向转过相同的角度,两点之间的距离保持不变。这里选择转过 $-\beta$,也就是把两个点对应的角都减去 $\beta$,让 $Q$ 转到 $x$ 轴正半轴,同时使 $P$ 对应的角变成 $\alpha-\beta$。
$Q$ 的角变为 $\beta-\beta=0$,所以 $Q'$ 的坐标是 $(1,0)$;$P$ 的角变为 $\alpha-\beta$,据此写出 $P'$ 的坐标。
旋转不改变两点之间的距离,所以 $P'Q'$ 的长度仍为 $d$。再次使用距离公式:横坐标相减,纵坐标也相减,然后分别平方、相加。
展开第一个平方,得到 $\cos^2(\alpha-\beta)-2\cos(\alpha-\beta)+1$。再与原来的正弦平方项合并。
方括号内等于 $1$,再与外面的常数 $1$ 相加,得到第二种计算结果。
令两种结果相等
旋转前后距离不变,两次算出的 $d^2$ 相等。
两边减去 $2$,再除以 $-2$,得到差角余弦公式。
这个推导不要求 $\alpha$、$\beta$ 是锐角;单位圆上的坐标与旋转关系对任意实数角都成立。
余弦和角
把差角中的一个角换成相反数
把和角写成差角,再用差角余弦公式。
在差角余弦公式中,用 $-\beta$ 替换原来的 $\beta$。
余弦是偶函数,$\cos(-\beta)=\cos\beta$;正弦是奇函数,$\sin(-\beta)=-\sin\beta$。因此只有正弦乘积变号,得到和角余弦公式。
余弦的两条公式结构相同:差角对应两个乘积相加,和角对应两个乘积相减。
正弦和差
先把正弦转成余弦,再展开
要得到正弦的和角公式,可以先用诱导公式 $\sin\theta=\cos(\frac{\pi}{2}-\theta)$。令 $\theta=\alpha+\beta$,再整理括号里的角。
两个角分别是 $\frac{\pi}{2}-\alpha$ 和 $\beta$。将它们代入差角余弦公式,展开右边。
再用诱导公式,把 $\cos(\frac{\pi}{2}-\alpha)$ 换成 $\sin\alpha$,把 $\sin(\frac{\pi}{2}-\alpha)$ 换成 $\cos\alpha$,就得到和角正弦公式。
要求差角正弦,仍把 $\beta$ 换成 $-\beta$。先代入和角正弦公式。
由于 $\cos(-\beta)=\cos\beta$、$\sin(-\beta)=-\sin\beta$,第二个乘积变号,于是得到差角正弦公式。
正弦和角、差角公式中的加减号,与角之间的加减号一致。
正切与条件
把正弦与余弦的比化成正切
根据正切的定义,把和角的正切写成正弦与余弦的比。这里要求 $\cos(\alpha+\beta)\ne0$。
把分子、分母分别用正弦和角公式、余弦和角公式展开。
为了将右边也写成正切,分子、分母同除以 $\cos\alpha\cos\beta$。这一步还要求 $\cos\alpha\ne0$、$\cos\beta\ne0$。
相除后,分子中的两个乘积分别变成 $\tan\alpha$、$\tan\beta$;分母中的两项分别变成 $1$、$\tan\alpha\tan\beta$。因此得到和角正切公式。
差角公式可以用同样的方法推出:将分子换成正弦差角公式,分母换成余弦差角公式,再同除以 $\cos\alpha\cos\beta$。分子中的加号变为减号,分母中的减号变为加号。
这两条公式都要求 $\tan\alpha$、$\tan\beta$ 有意义,且右边的分母不为 $0$。在前两个条件下,右边分母不为 $0$,也就保证和角或差角的正切有意义。
不能只看左边有没有意义。例如 $\alpha=\frac{\pi}{2}$ 时,$\tan\alpha$ 无定义,即使某个和角或差角的正切有意义,也不能使用上面的正切公式。
公式联系
公式族的共同结构
| 函数 | 和角公式 | 差角公式 |
|---|---|---|
| 正弦 | $\sin(\alpha+\beta)=\sin\alpha\cos\beta+\cos\alpha\sin\beta$ | $\sin(\alpha-\beta)=\sin\alpha\cos\beta-\cos\alpha\sin\beta$ |
| 余弦 | $\cos(\alpha+\beta)=\cos\alpha\cos\beta-\sin\alpha\sin\beta$ | $\cos(\alpha-\beta)=\cos\alpha\cos\beta+\sin\alpha\sin\beta$ |
| 正切 | $\tan(\alpha+\beta)=\dfrac{\tan\alpha+\tan\beta}{1-\tan\alpha\tan\beta}$ | $\tan(\alpha-\beta)=\dfrac{\tan\alpha-\tan\beta}{1+\tan\alpha\tan\beta}$ |
正弦、余弦公式适用于任意实数角。正切公式要求 $\tan\alpha$、$\tan\beta$ 有意义,且对应分母不为 $0$。
| 已有公式 | 变换 | 得到 |
|---|---|---|
| $\cos(\alpha-\beta)$ | $\beta\mapsto-\beta$ | 余弦和角公式 |
| 余弦差角公式 | $\sin\theta=\cos(\frac{\pi}{2}-\theta)$ | 正弦和角,再得差角 |
| 正弦、余弦和差公式 | $\tan\theta=\frac{\sin\theta}{\cos\theta}$ | 正切和差公式(须检查定义) |
差角余弦是起点:换相反数得到余弦和角,经诱导公式得到正弦和差,再由正切定义得到带条件的正切和差。