高中数学 · D 模块

和差化积

把两个正弦或两个余弦的和差改写为乘积,便于分解因式与化简。反用积化和差公式,关键是找出原来两角的半和与半差。

半和与半差

把原来的角写成和与差

上一节已经得到形如 $\sin(\alpha+\beta)+\sin(\alpha-\beta)=2\sin\alpha\cos\beta$ 的等式。要处理 $\sin x+\sin y$,只需让两个角分别对应:

$$\alpha+\beta=x,\qquad\alpha-\beta=y$$

把原来的 $x,y$ 分别写成两个新角的和与差。

$$2\alpha=x+y,\qquad2\beta=x-y$$

两式相加消去变量 $\beta$;上式减下式消去变量 $\alpha$。

$$\alpha=\frac{x+y}{2},\qquad\beta=\frac{x-y}{2}$$

分别除以 $2$,得到半和与半差。下面把它们代入上一节的等式。

正弦的和差

正弦之和与正弦之差

两条正弦和差公式相加、相减,分别得到下面两种乘积形式。

正弦之和

$$\sin(\alpha+\beta)+\sin(\alpha-\beta)=2\sin\alpha\cos\beta$$

沿用上一节的相加结果,两份 $\sin\alpha\cos\beta$ 合并。

$$\sin x+\sin y=2\sin\frac{x+y}{2}\cos\frac{x-y}{2}$$

左边换成 $x,y$,右边分别代入半和 $\frac{x+y}{2}$、半差 $\frac{x-y}{2}$。

正弦之差

$$\sin(\alpha+\beta)-\sin(\alpha-\beta)=2\cos\alpha\sin\beta$$

沿用上一节的相减结果,两份 $\cos\alpha\sin\beta$ 合并。

$$\sin x-\sin y=2\cos\frac{x+y}{2}\sin\frac{x-y}{2}$$

同样代入半和与半差,得到正弦之差的乘积形式。

余弦的和差

余弦之和与余弦之差

换成余弦时,仍然代入同一组半和与半差;余弦之差需要保留负号。

余弦之和

$$\cos(\alpha+\beta)+\cos(\alpha-\beta)=2\cos\alpha\cos\beta$$

两条余弦公式相加,正弦乘积抵消。

$$\cos x+\cos y=2\cos\frac{x+y}{2}\cos\frac{x-y}{2}$$

代入半和与半差,得到两个余弦相乘。

余弦之差

$$\cos(\alpha+\beta)-\cos(\alpha-\beta)=-2\sin\alpha\sin\beta$$

和角式减差角式,留下 $-\sin\alpha\sin\beta-\sin\alpha\sin\beta$,所以系数为 $-2$。

$$\cos x-\cos y=-2\sin\frac{x+y}{2}\sin\frac{x-y}{2}$$

代入半和与半差,保留前面的负号。

公式总结

和差化积公式汇总

以下公式对任意实数 $x,y$ 成立。

和差化积公式汇总
原式完整公式
$\sin x+\sin y$$\sin x+\sin y=2\sin\frac{x+y}{2}\cos\frac{x-y}{2}$
$\sin x-\sin y$$\sin x-\sin y=2\cos\frac{x+y}{2}\sin\frac{x-y}{2}$
$\cos x+\cos y$$\cos x+\cos y=2\cos\frac{x+y}{2}\cos\frac{x-y}{2}$
$\cos x-\cos y$$\cos x-\cos y=-2\sin\frac{x+y}{2}\sin\frac{x-y}{2}$

先确认两项同为正弦或同为余弦,再按原式顺序写出半和 $\frac{x+y}{2}$、半差 $\frac{x-y}{2}$。余弦之差前有负号;交换半差的顺序时,要同时处理正弦变号。