各位好,现在就高中数学竞赛中的三角函数内容进行概括和浅谈。似乎此前有过对于三角函数基础部分的谈论,所以就跳过了基础部分整理与讲解。
1. 关于三角函数恒等变换
恒等变换可以用各位熟悉的半角公式(例:tan(α/2)=(1-cosα)/sinα)倍角公式,和差化积公式(略),万能公式如sinα=(2tan(α/2))/(1+tan^2(α/2))等等等等。
且看下面几道例题体会一下用处
(a) 求sin^2 10°+ cos^2 40°+sin10°cos40°的值
由于很容易发现40°-10°=30°,与已知三角函数值联系起来,又由于原式中次数为二次,所以先降次再说。
解:原式=(1-cos20°)/2 +(1+cos80°)/2 +(sin50°-sin30°)/2
再化简后用和差化积公式得到原式=1/2 (3/2 -2sin(80°+20°)/2 ×sin(80°-20°)/2 +sin50°)
最后积化和差得到原式=3/4
从例题中看出解决中等难度或以上题目要对公式灵活应用。
关于本题的拓展,在各类书籍中都有,也许有些老师也会讲到,就是原式=sin^2 10°+sin^2 50°-2sin10°sin50°cos120°=sin^2 120°,猜想:A+B+C=π,sin^B+sin^2 C-2sinBsinC cosA=sin^2A并且继续延伸,这在三角形正弦余弦定理内容中会提到。
(b) 一道同样常见的题目:已知1. sinα+sinβ=3/5 ,2. cosα+cosβ=4/5,求cos(α-β)和sin(α+β)一般采用的方法分别开方相加,相减,和差化积等处理。
解:1式^2+2式^2得cos(α-β)= -1/2,再2式^2-1式^2并和差化积得到2cos(α+β)cos(α-β)+2cos(α+β)=7/25,得到cos(α+β)=7/25,1式2式相乘可以得到sin(α+β)+sin(α+β)cos(α-β)=12/25,sin(α+β)=24/25
由于篇幅不多,不再多叙。
2.关于三角函数图像,性质
本来是不想讲的,要讲也应该在恒等变换之前,但是后来发现难题也不少,就加入进来一些题目,提供思考。总体概况每本书上都有,教材里也有,不多叙述。
(c)(18届俄罗斯中学生数学竞赛)已知θ1+θ2+…θn=π,θi≥0,(i=1,2…n),求max(sin^2 θ1+…sin^2 θn)
此题难度比较高,很灵活。
练习上最后给出的解答是这个样子的:(以下参考自数学奥林匹克小丛书高中卷)
∵sin^2 θ1+sin^2 θ2=4sin^2(θ1+θ2)/2 × cos^2 (θ1-θ2)/2 +cos(θ1+θ2)-cos(θ1-θ2)=2cos^2(θ1-θ2)/2 ×(2sin^2 (θ1/2 +θ2/2) -1)+1+cos(θ1+θ2)
于是容易得出θ1+θ2<π/2 时,θ1与θ2有1个为0的时候,sin^2 θ1+sin^2 θ2有最大值,当θ1+θ2>π/2,且| θ1-θ2| 越小时,sin^2 θ1+sin^2 θ2值越大
n=3时,容易得出原式≤9/4,
n≥4时,θ1,2,3,4中必有2个角≤π/2
由之前得出的结论知道,θ1+θ2≤π/2时,θ1,θ2有一个为零,原式有最大值,所以所求最大值转化成了3个角和为π,其正弦值平方最大值问题。又n=2时,原式≤2。
总之,n≥3时,max原式=9/4,且仅当θ1=θ2=θ3=π/3时,θ4=θ5..=θn=0的时候取到等号。
非常的难以想象,是很困难的解答,对技巧性的要求还是不低的。
由于时间和空间的限制,暂时写这么多,未完待续。
参考文献(书籍):小丛书三角函数,高中数学解题专家(甘大旺著)与平时积累的经验
佛里德里希 冯 克劳塞维茨
