高中数学 · D 模块

半角公式

半角公式是二倍角公式的反向使用:先求平方,再由半角的位置决定正负。正切的不同写法还要分别检查分母。

正弦半角

正弦半角:从平方关系到开方

因为 $\alpha=2\times\frac{\alpha}{2}$,所以在余弦二倍角公式中,把原来的角换成 $\frac{\alpha}{2}$,再移项、开方,就能得到正弦半角公式。

$$\cos2\theta=1-2\sin^2\theta$$

从只含正弦的余弦二倍角公式出发。这里用 $\theta$ 表示原来的角。

$$\cos\alpha=1-2\sin^2\frac{\alpha}{2}$$

令 $\theta=\frac{\alpha}{2}$,左边的 $2\theta$ 就变成 $\alpha$。

$$2\sin^2\frac{\alpha}{2}=1-\cos\alpha$$

把正弦平方项移到左边,把 $\cos\alpha$ 移到右边。

$$\sin^2\frac{\alpha}{2}=\frac{1-\cos\alpha}{2}$$

两边同除以 $2$,得到半角正弦的平方。

$$\left|\sin\frac{\alpha}{2}\right|=\sqrt{\frac{1-\cos\alpha}{2}}$$

两边开方。由于 $\sqrt{u^2}=|u|$,左边得到半角正弦的绝对值。

$$\sin\frac{\alpha}{2}=\pm\sqrt{\frac{1-\cos\alpha}{2}}$$

根据半角正弦的符号选择 $+$ 或 $-$;根式为 $0$ 时,结果就是 $0$。

根据 $\frac{\alpha}{2}$ 的终边位置判断正弦的符号。若已知范围不足以确定符号,就保留正、负两种可能。

余弦半角

余弦半角:求平方后接着开方

改用只含余弦的二倍角公式,按同样的步骤得到余弦半角公式。

$$\cos2\theta=2\cos^2\theta-1$$

改用只含余弦的二倍角公式。

$$\cos\alpha=2\cos^2\frac{\alpha}{2}-1$$

同样令 $\theta=\frac{\alpha}{2}$。

$$2\cos^2\frac{\alpha}{2}=1+\cos\alpha$$

两边同加 $1$,再交换等号两边。

$$\cos^2\frac{\alpha}{2}=\frac{1+\cos\alpha}{2}$$

两边同除以 $2$,得到半角余弦的平方。

$$\left|\cos\frac{\alpha}{2}\right|=\sqrt{\frac{1+\cos\alpha}{2}}$$

对余弦的平方关系两边开方,同样先得到绝对值。

$$\cos\frac{\alpha}{2}=\pm\sqrt{\frac{1+\cos\alpha}{2}}$$

根据半角余弦的符号选择 $+$ 或 $-$;根式为 $0$ 时,结果就是 $0$。

余弦的符号也由半角的位置决定,不一定与正弦同号。

用半角范围确定符号

已知 $\cos\alpha=-\frac{3}{5}$,且 $\pi<\alpha<\frac{3\pi}{2}$,求 $\cos\frac{\alpha}{2}$。

$$\frac{\pi}{2}<\frac{\alpha}{2}<\frac{3\pi}{4}$$

将已知范围的各项同除以 $2$。半角在第二象限,余弦为负。

$$\cos\frac{\alpha}{2}=-\sqrt{\frac{1+\cos\alpha}{2}}$$

根据半角的位置,在余弦半角公式中取负号。

$$\cos\frac{\alpha}{2}=-\sqrt{\frac{1-\frac{3}{5}}{2}}=-\sqrt{\frac{1}{5}}=-\frac{\sqrt{5}}{5}$$

代入 $\cos\alpha=-\frac{3}{5}$,计算根号内的分数,再化简。

负号由半角所在的第二象限决定,不能直接照搬 $\cos\alpha$ 的符号。

正切半角

正切半角的三种形式

由平方关系得到根式

正切是正弦与余弦的比,因此要求 $\cos\frac{\alpha}{2}\ne0$。

$$\tan^2\frac{\alpha}{2}=\frac{\sin^2\frac{\alpha}{2}}{\cos^2\frac{\alpha}{2}}$$

把正切的定义两边平方。

$$\tan^2\frac{\alpha}{2}=\frac{1-\cos\alpha}{1+\cos\alpha}$$

代入前面的两个平方关系,约去分子、分母中共同的因子 $\frac{1}{2}$。

$$\tan\frac{\alpha}{2}=\pm\sqrt{\frac{1-\cos\alpha}{1+\cos\alpha}}$$

开方后,根据半角正切的符号选取正负。分母 $1+\cos\alpha$ 不能为 $0$。

分子、分母同乘,得到分式

从正切定义出发,分子、分母同乘 $2\cos\frac{\alpha}{2}$,可以凑出二倍角公式。

$$\tan\frac{\alpha}{2}=\frac{\sin\frac{\alpha}{2}}{\cos\frac{\alpha}{2}}$$

正切有意义时,分母 $\cos\frac{\alpha}{2}\ne0$,因此可以同乘它的 $2$ 倍。

$$\tan\frac{\alpha}{2}=\frac{2\sin\frac{\alpha}{2}\cos\frac{\alpha}{2}}{2\cos^2\frac{\alpha}{2}}$$

分子、分母同乘一个非零数,分式的值不变。

$$\tan\frac{\alpha}{2}=\frac{\sin\alpha}{1+\cos\alpha}$$

分子用正弦二倍角公式,分母用 $2\cos^2\frac{\alpha}{2}=1+\cos\alpha$ 替换。

若再有 $\sin\frac{\alpha}{2}\ne0$,也可以从正切定义出发,改为同乘 $2\sin\frac{\alpha}{2}$。

$$\tan\frac{\alpha}{2}=\frac{2\sin^2\frac{\alpha}{2}}{2\sin\frac{\alpha}{2}\cos\frac{\alpha}{2}}$$

分子、分母同乘 $2\sin\frac{\alpha}{2}$。这一步要求它不为 $0$。

$$\tan\frac{\alpha}{2}=\frac{1-\cos\alpha}{\sin\alpha}$$

分子用平方关系替换,分母用正弦二倍角公式替换。使用时要求 $\sin\alpha\ne0$。

两个分式的条件不同。例如 $\alpha=0$ 时,半角正切为 $0$,但最后一个分式成为 $\frac{0}{0}$,不能使用。

公式总结

半角公式与使用条件

半角公式汇总
函数公式使用条件
正弦$\sin\frac{\alpha}{2}=\pm\sqrt{\frac{1-\cos\alpha}{2}}$任意实数角,按半角正弦选符号
余弦$\cos\frac{\alpha}{2}=\pm\sqrt{\frac{1+\cos\alpha}{2}}$任意实数角,按半角余弦选符号
正切$\tan\frac{\alpha}{2}=\pm\sqrt{\frac{1-\cos\alpha}{1+\cos\alpha}}$$1+\cos\alpha\ne0$,按半角正切选符号
$\tan\frac{\alpha}{2}=\dfrac{\sin\alpha}{1+\cos\alpha}$$1+\cos\alpha\ne0$
$\tan\frac{\alpha}{2}=\dfrac{1-\cos\alpha}{\sin\alpha}$$\sin\alpha\ne0$

半角公式来自二倍角公式:先求平方,再开方。根式前的正负看半角的位置;正切的每一种形式,都要检查自己的分母。