从和角到倍角
让和角中的两个角相同
在正弦和角公式中令两个角都等于 $\alpha$:
第二步使用正弦和角公式,最后把两个相同的乘积合并,得到正弦二倍角公式。
同样,在余弦和角公式中令两个角相同:
这里的减号来自余弦和角公式,而两个同类乘积分别写成平方。
余弦的三种形式
余弦公式为什么有三种形式
由同角基本关系 $\sin^2\alpha+\cos^2\alpha=1$,可以消去其中一种三角函数。消去 $\sin^2\alpha$ 时,
消去 $\cos^2\alpha$ 时,
所以三个式子并非三条独立公式:第一式同时含正弦、余弦,后两式分别只含余弦或只含正弦。它们对任意实数 $\alpha$ 都成立;使用时可按已知量选择,避免先求不需要的三角函数值。
例如,若 $\sin\alpha=\frac35$,要求 $\cos2\alpha$ 时直接选只含正弦的形式:
这一步不需要判断 $\cos\alpha$ 的符号,因为所选公式只使用 $\sin^2\alpha$。
正切与条件
正切二倍角要先检查定义
在正切和角公式中令两个角都等于 $\alpha$,有
推导中使用了 $\tan\alpha$,且最终分母不能为零。因此必须同时满足
在 $\cos\alpha\ne0$ 的前提下,
此时 $\cos^2\alpha>0$,所以 $\cos2\alpha\ne0$ 等价于 $1-\tan^2\alpha\ne0$。两个条件也可写成 $\alpha\ne\frac\pi2+k\pi$ 且 $\alpha\ne\frac\pi4+\frac{k\pi}{2}$,其中 $k\in\mathbb Z$。
边界处不能只看等式的一边。例如 $\alpha=\frac\pi2$ 时,$\tan2\alpha=\tan\pi=0$,但 $\tan\alpha$ 无意义,不能套用正切二倍角公式。
核心理解
抓住共同来源
| 函数 | 二倍角公式 |
|---|---|
| 正弦 | $\sin2\alpha=2\sin\alpha\cos\alpha$ |
| 余弦 | $\cos2\alpha=\cos^2\alpha-\sin^2\alpha$ |
| $\cos2\alpha=2\cos^2\alpha-1$ | |
| $\cos2\alpha=1-2\sin^2\alpha$ | |
| 正切 | $\tan2\alpha=\dfrac{2\tan\alpha}{1-\tan^2\alpha}$ |
正弦、余弦公式适用于任意实数角。正切公式要求 $\tan\alpha$ 有意义,且 $1-\tan^2\alpha\ne0$。
| 已知量 | 选用形式 |
|---|---|
| 正弦和余弦 | $\sin2\alpha=2\sin\alpha\cos\alpha$ |
| 只知道余弦 | $\cos2\alpha=2\cos^2\alpha-1$ |
| 只知道正弦 | $\cos2\alpha=1-2\sin^2\alpha$ |
| 正切(且满足条件) | $\tan2\alpha=\frac{2\tan\alpha}{1-\tan^2\alpha}$ |
正弦、余弦二倍角公式对任意实数 $\alpha$ 成立;余弦的三种形式由同角基本关系互相转化。正切公式仍继承正切和角公式的定义条件。它们的共同来源只有一步:在和角公式中令两个角相同。