9.3

二倍角公式

由和角公式得到二倍角关系并进行恒等变换。

约 12 分钟三角恒等变换与解三角形
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01 · 出发点

和角公式在两个角相同时的结果

令和角公式中的两个角都等于 α\alpha,就得到二倍角公式。它把 2α2\alpha 的函数值转化为 α\alpha 的函数值。

其中 cos⁡2α\cos2\alpha 有三种常用形式,可以根据题目只含正弦或只含余弦的结构灵活选择。

02 · 概念

正弦、余弦与正切的二倍角

sin⁡2α=2sin⁡αcos⁡α\sin2\alpha=2\sin\alpha\cos\alpha;cos⁡2α=cos⁡2α−sin⁡2α=2cos⁡2α−1=1−2sin⁡2α\cos2\alpha=\cos^2\alpha-\sin^2\alpha=2\cos^2\alpha-1=1-2\sin^2\alpha。

当 tan⁡α\tan\alpha 有定义且 1−tan⁡2α≠01-\tan^2\alpha\ne0 时,tan⁡2α=2tan⁡α1−tan⁡2α\tan2\alpha=\dfrac{2\tan\alpha}{1-\tan^2\alpha}。反用余弦二倍角还可实现降幂。

03 · 方法

选择合适的二倍角形式

  1. 01

    看到 2sin⁡αcos⁡α2\sin\alpha\cos\alpha 时合并为 sin⁡2α\sin2\alpha,看到平方差时合并为 cos⁡2α\cos2\alpha。

  2. 02

    若式子只含 sin⁡2α\sin^2\alpha,使用 cos⁡2α=1−2sin⁡2α\cos2\alpha=1-2\sin^2\alpha;只含 cos⁡2α\cos^2\alpha 时使用另一形式。

  3. 03

    求值时由已知函数值与象限补齐所需量,并检查 2α2\alpha 所在象限。

04 · 例题

把方法落到具体问题

例 1由正切值求二倍角正弦与余弦

已知 α\alpha 为第一象限角且 tan⁡α=12\tan\alpha=\dfrac12,求 sin⁡2α\sin2\alpha 和 cos⁡2α\cos2\alpha。

解

  1. 1

    可取直角三角形两直角边为 11、22,则斜边为 5\sqrt5,所以 sin⁡α=15\sin\alpha=\dfrac1{\sqrt5},cos⁡α=25\cos\alpha=\dfrac2{\sqrt5}。

  2. 2

    sin⁡2α=2sin⁡αcos⁡α=2×15×25=45\sin2\alpha=2\sin\alpha\cos\alpha=2\times\dfrac1{\sqrt5}\times\dfrac2{\sqrt5}=\dfrac45。

  3. 3

    cos⁡2α=cos⁡2α−sin⁡2α=45−15=35\cos2\alpha=\cos^2\alpha-\sin^2\alpha=\dfrac45-\dfrac15=\dfrac35。

05 · 辨析

容易忽略的条件与边界

回看

本节小结

  • 二倍角公式是和角公式的特例。
  • cos⁡2α\cos2\alpha 的三种形式可用于升角或降幂。
  • 选公式要匹配已知量和式子结构。