7.4

同角三角函数关系

从单位圆推导同角三角函数的基本关系。

约 12 分钟三角函数
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01 · 出发点

同一角的三角函数值并非彼此独立

单位圆交点满足 x2+y2=1x^2+y^2=1,把 x,yx,y 分别换成 cos⁡α\cos\alpha、sin⁡α\sin\alpha,就得到最基本的平方关系。正切定义则给出三者之间的商关系。

这些恒等式可以在已知一个三角函数值和象限时求出其他函数值。开平方产生的正负号必须由角所在象限决定。

02 · 概念

平方关系与商数关系

对任意 α\alpha,都有 sin⁡2α+cos⁡2α=1\sin^2\alpha+\cos^2\alpha=1。这里 sin⁡2α\sin^2\alpha 表示 (sin⁡α)2(\sin\alpha)^2;由一个平方值求另一个时,会得到正负两个候选。

当 cos⁡α≠0\cos\alpha\ne0 时,有 tan⁡α=sin⁡αcos⁡α\tan\alpha=\frac{\sin\alpha}{\cos\alpha}。将平方关系同除以 cos⁡2α\cos^2\alpha 还可得 1+tan⁡2α=1cos⁡2α1+\tan^2\alpha=\frac1{\cos^2\alpha}。

03 · 方法

由一个函数值求其余函数值

  1. 01

    根据已知三角函数符号或角所在象限,确定待求值应取正号还是负号。

  2. 02

    用平方关系求正弦或余弦的绝对值,再按象限选择符号。

  3. 03

    在分母非零时使用商数关系求正切,并代回恒等式检查。

04 · 例题

把方法落到具体问题

例 1结合象限补全三角函数值

已知 tan⁡α=−34\tan\alpha=-\frac34,且 α\alpha 是第二象限角,求 sin⁡α\sin\alpha 和 cos⁡α\cos\alpha。

解

  1. 1

    第二象限中 sin⁡α>0\sin\alpha>0、cos⁡α<0\cos\alpha<0,与 tan⁡α<0\tan\alpha<0 一致。

  2. 2

    构造直角三角形比例:对边与邻边绝对值比为 3:4,斜边比例为 5。

  3. 3

    按第二象限符号,得到 sin⁡α=35\sin\alpha=\frac35、cos⁡α=−45\cos\alpha=-\frac45,并核验二者之比为 −34-\frac34。

05 · 辨析

容易忽略的条件与边界

回看

本节小结

  • 平方关系来自单位圆方程。
  • 商数关系连接正弦、余弦与正切。
  • 求具体值时,绝对值由恒等式确定,符号由象限确定。