第四章 三角函数 一、任意角的三角函数∙知识网络∙范例精讲【例1】已知α是第二象限角，试求： （1）2α角所在的象限； （2）3α角所在的象限；（3）2α角所在范围.解：（1）∵α是第二象限角，∴2π+2k π<α<π+2k π,k ∈Z ,即4π+k π<2α<2π+k π,k ∈Z .故当k =2m (m ∈Z )时，4π+2m π<2α<2π+2m π, 因此，2α角是第一象限角；当k =2m +1(m ∈Z )时，45π+2m π<2α<23π+2m π,因此，2α角是第三象限角.综上,可知2α角是第一或第三象限角.（2）同理可求得6π+32k π<3α<3π+32k π,k ∈Z ,当k =3m (m ∈Z )时，6π+2m π<3α<3π+2m π,此时，3α角是第一象限角；当k =3m +1(m ∈Z )时，6π +2m π+32π<3α<3π+2mπ+32π,即65π+2m π<3α<π+2m π，此时，3α角是第二象限角；当k =3m +2(m ∈Z )时，23π+2m π<3α<35π+2m π，此时，3α角是第四象限角.综上，可知3α角是第一、第二或第四象限角.（3）同理可求得2α角所在范围为π+4k π<2α<2π+4k π，k ∈Z .评注： （1）注意某一区间内的角与象限角的区别.象限角是由无数个区间角组成的，例如0°<α<90°这个区间角，只是k =0时第一象限角的一种特殊情况.（2）要会正确运用不等式进行角的表达，同时会对k 取不同值，讨论形如θ=α+32k π(k ∈Z )所表示的角所在象限.（3）对于本题第（3）问，不能说2α只是第三、四象限的角，因为2α也可为终边在y 轴负半轴上的角23π+4k π(k ∈Z )，而此角不属于任何象限. 【例2】求证：tan 2α+cot 2α+1=(tan 2α+tan α+1)(cot 2α－cot α+1).证法一:右边=(tan 2α+tan α+1)ααα22tan tan tan 1+-=ααα2222tan tan )1(tan -+=ααα222tan 1tan tan ++=tan 2α+cot 2α+1=左边. 证法二：左边=tan 2α+cot 2α+2tan αcot α－1=(tan α+cot α) 2－1=(tan α+cot α+1)(tan α+cot α－1)=(tan α+cot α+1)(tan α+cot α－1)tan αcot α =［tan α(tan α+cot α+1)］²［cot α(tan α+cot α－1)］=(tan 2α+tan α+1)(cot 2α－cot α+1) =右边.评注：证明三角恒等式的过程，实际上是“化异为同”的过程.这一过程往往从化简开始.将不同角化为同角以减少角的数目，将不同名函数化为同名函数以减少函数种类，在三角化简证明中有广泛应用.本题也可利用三角函数的定义证明.【例3】化简:αααα2222cos sin cot tan -- +α2cos 1－α2sin 1.解法一:（定义法）设点P （x ，y ）是角α终边上一点，且|OP |=r ，则将sin α=r y ，cos α=r x ，tan α=xy， cot α=yx代入得 原式=2222)()()()(rx r y yx x y --+22)()(y r x r -=)()(2222244x y y x r x y --+22222)(y x x y r -=222x r =α2cos 2. 解法二:（化弦法）原式=αααααα2222cos sin )sin cos ()cos sin (--+αααα2222cos sin cos sin -=αααα2222cos sin cos sin ++αααα2222cos sin cos sin - =αcos 2. 解法三:（换元法）设cos 2α=a ，则sin 2α=1－a ，tan 2α=a a -1，代入原式，得原式==aa a aa a -----)1(11＋a 1－ a -11=)21)(1()1(22a a a a a ----+)1(21a a a --=)1(1a a -+)1(21a a a --=a 2=α2cos 2. 评注: “切化弦”与“弦化切”是三角变形的基本方法，而通过定义法、换元法，使三角式的化简问题转化为代数式的化简问题，则体现了数学中的化归思想.【例4】已知sin θ、cos θ是关于x 的方程x 2－ax +a =0的两个根（a ∈R ）， （1）求sin 3θ+cos 3θ的值；（2）求tan θ+cot θ的值.分析:涉及实系数一元二次方程的实根问题，欲求两根的某种组合式的值，则韦达定理必被用上.此题的解题关键在于借助韦达定理和同角三角函数基本关系式先求出实数a .解:依题意，方程判别式Δ≥0，即（－a ） 2－4a ≥0，解得a ≥4或a ≤0，且⎩⎨⎧==+.cos sin,cos sin a a θθθα由（sin θ+cos θ）2=1+2sin θcos θ，得a 2=1+2a .解得a =1+2 (舍去)或a =1－2，即sin θ+cos θ=sin θcos θ=1－2.（1）sin 3θ+cos 3θ=(sin θ+cos θ)(sin 2θ－sin θcos θ+cos 2θ)=(1－2)［1－(1－2)］=2－2.（2）tan θ+cot θ=θθcos sin +θθsin cos =θθcos sin 1=211-=－2－1. 评注: 对a =1+2的舍去，既可依据判别式大于等于零的条件考虑，也可根据a =sin θcos θ=21sin2θ∈［－21，21］来确定.对于sin α+cos α、sin α－cos α、sin αcos α三个式子，只要已知其中一个的值，都可计算另外两个的值.∙试题详解高中同步测控优化训练（一）三角函数(一)（A 卷）说明：本试卷分为第Ⅰ、Ⅱ卷两部分，请将第Ⅰ卷选择题的答案填入题后括号内，第Ⅱ卷可在各题后直接作答.共100分，考试时间90分钟.第Ⅰ卷（选择题 共30分）一、选择题（本大题共10小题，每小题3分，共30分） 1.若角α与角β的终边相同，则角α－β的终边（ ） A.在x 轴的非负半轴上 B.在x 轴的非正半轴上 C.在y 轴的非负半轴上 D.在y 轴的非正半轴上解析：由角α与角β的终边相同，得α=k ²360°+β，k ∈Z ，所以，α－β=k ²360°，k ∈Z .所以，α－β的终边在x 轴的非负半轴上. 答案：A2.已知点P （tan α，cos α）在第三象限，则角α的终边在（ ） A.第一象限 B.第二象限 C.第三象限 D.第四象限解析:因为点P （tan α，cos α)在第三象限，所以tan α<0且cos α<0.由tan α<0得α在第二或第四象限;由cos α<0得α在第二或第三象限以及x 轴的负半轴，所以α为第二象限角.答案:B3.集合M ={x |x =2πk ±4π，k ∈Z }与N ={x |x =4πk ，k ∈Z }之间的关系是（ ）A.M NB.N MC.M =ND.M ∩N =∅解法一:通过对k 取值，找出M 与N 中角x 的所有的终边进行判断. 解法二:∵M ={x |x =4π²(2k ±1)，k ∈Z }，而2k ±1为奇数，∴M N . 答案:A4.已知下列各角①787°;②－957°;③－289°;④1711°，其中在第一象限的角是（ ） A.①② B.②③ C.①③ D.②④ 解析:787°=2³360°+67°，－957°=－3³360°+123°，－289°=－1³360°+71°，1711°=4³360°+271°，∴在第一象限的角是①③. 答案:C5.角α的终边上有一点P (a ，a )，a ∈R 且a ≠0，则sin α的值是（ ）A.22 B.－22 C.22或－22 D.1解析：r =22a a +=2|a |，∴sin α=r a =||2αa =⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-2222∴sin α的值为±22. 答案：C6.若cos(π+α)=－21，23π<α<2π，则sin(2π－α)等于（ ） A.－23 B.23C.21D.±23解析:∵cos(π+α)=－21，∴cos α=21. 又∵23π<α<2π，∴sin α=－23.故sin(2π－α)=－sin α=23. 答案:B7.若α是第四象限角，则π－α是（ ）A.第一象限角B.第二象限角C.第三象限角D.第四象限角解法一:∵α是第四象限角，∴2k π－2π<α<2k π(k ∈Z ). ∴－2k π<－α<－2k π+2π(k ∈Z ). ∴－2k π+π<π－α<－2k π+23π(k ∈Z ).∴π－α是第三象限角.故选C.解法二:∵角α与角－α的终边关于x 轴对称，角α的终边在第四象限，∴角－α的终边在第一象限.又角－α与π－α的终边关于原点对称，∴角π－α的终边在第三象限.故选C.解法三:特殊值法.令α=－6π，则π－α=67π是第三象限角.故选C. 答案:C8.已知弧度数为2的圆心角所对的弦长也是2，则这个圆心角所对的弧长是（ ） A.2B.1sin 2C.2sin1D.sin2解析:∵圆的半径r =1sin 1，α=2， ∴弧长l =r ²α=1sin 2. 答案:B9.已知sin αcos α=81，且=4π<α<2π，则cos α－sin α的值为（ ） A.23 B.－23C.43 D.－43 解析：∵sin αcos α=81， ∴(cos α－sin α) 2=cos 2α+sin 2α－2sin αcos α=1－2³81=43. 又∵4π<α<2π，∴cos α<sin α.∴cos α－sin α=－23.答案：B10.若实数x 满足log 2x =2+sin θ，则|x +1|+|x －10|的值等于（ ） A.2x －9 B.9－2x C.11 D.9解析:∵－1≤sin θ≤1，∴1≤2+sin θ≤3. ∴1≤log 2x ≤3.∴2≤x ≤8.|x +1|+|x －10|=x +1+10－x =11. 答案:C第Ⅱ卷（非选择题 共70分）二、填空题（本大题共4小题，每小题4分，共16分） 11.tan300°+cot765°的值是__________.解析:原式=tan （360°－60°)+cot （2³360°+45°)=－tan60°+cot45°=1－3. 答案:1－312.若角β的终边与60°角的终边相同，在［0°，360°)内，终边与3β角的终边相同的角为__________.分析：用终边相同的角表示β，然后求3β，同时考虑到角的范围和k 为整数的限制条件.解析：∵β=k ²360°+60°(k ∈Z )，∴3β=k ²120°+20°(k ∈Z ). 又3β∈［0°，360°)，∴0°≤k ²120°+20°＜360°(k ∈Z ). ∴－61≤k ＜617.∴k =0，1，2.此时分别得3β为20°，140°，260°.故与3β终边相同的角为20°，140°，260°. 答案：20°，140°，260°13.不等式（lg20) 2cos x >1(x ∈(0，π))的解集为__________. 解析:（lg20) 2cos x >1，即（lg20) 2cos x >(lg20) 0， ∵lg20>lg10=1，∴2cos x >0，即cos x >0.∴x 在第一或第四象限以及x 轴的非负半轴上.又x ∈(0，π)，∴x ∈(0，2π). 答案:(0，2π) 14.已知函数f (x )=cos2x，下面四个等式: ①f （2π－x ）=f （x ）;②f （2π+x ）=f （x ）;③f （－x ）=－f （x ）;④f （－x ）=f （x ）. 其中成立的个数是__________.解析：f （2π－x ）=cos2-π2x=cos （π－2x ）=－cos 2x =－f （x ），①错;f （2π+x ）=cos （π+2x ）=－cos 2x=－f （x ），②错;f （－x ）=cos （－2x ）=cos 2x=f （x ），③错.故只有④正确.答案：1三、解答题（本大题共5小题，共54分.解答应写出文字说明、证明过程或演算步骤） 15.（本小题满分8分）设一扇形的周长为C （C >0），当扇形中心角为多大时，它有最大面积？最大面积是多少？解:设扇形的中心角为α，半径为r ，面积为S ，弧长为l ，则l +2r =C ，即l =C －2r .2分∴S =21lr =21 （C －2r ）²r =－（r －4C ）2+162C . 5分故当r =4C 时，S max =162C ，此时，α=r l =rr C 2-=42C C -=2. ∴当α=2时，S ma x =162C . 8分16.（本小题满分10分）已知6sin 2α+sin αcos α－2cos 2α=0，α∈［2π，π），求ααααtan )cos()sin(2ππ)cot(⋅-+⋅--的值.分析：本题考查同角三角函数基本关系式以及诱导公式等基础知识和基本运算技能. 解法一：由已知得（3sin α+2cos α）（2sin α－cos α）=0，∴3sin α+2cos α=0或2sin α－cos α=0. 2分 由已知条件知cos α≠0，∴α≠2π，即α∈（2π，π）. ∴tan α<0.∴tan α=－32. 6分 原式=ααααtan cos sin )cot(⋅⋅-=αααsin sin cot ⋅-=－cot α=9分 －αtan 1=23. 10分 解法二：由已知条件知cos α≠0，则α≠2π.1分∴由6sin 2α+sin αcos α－2cos 2α=0，可得 6tan 2α+tan α－2=0，3分即（3tan α+2）（2tan α－1）=0.又α∈（2π，π）， ∴tan α<0.∴tan α=－32.6分以下同解法一.17.（本小题满分12分）如下图，动点P 、Q 从点（4，0）出发沿圆周运动，点P 按逆时针方向每秒钟转3π弧度，点Q 按顺时针方向每秒钟转6π弧度，求P 、Q 第一次相遇时所用的时间、相遇点的坐标及P 、Q 点各自走过的弧长.分析：解答本题的思维步骤是：（1）利用方程思想，结合题意，求出第一次相遇的时间；（2）利用解直角三角形的知识，根据点所处位置，确定C 点坐标； （3）利用弧长公式求弧长.解：设P 、Q 第一次相遇时所用的时间是t ， 则t ²3π+t ²|－6π|=2π. 所以t =4（秒），即第一次相遇的时间为4秒.4分设第一次相遇点为C ，第一次相遇时P 点已运动到终边在3π²4=3π4的位置， 则x c =－cos3π²4=－2，y c =－sin 3π²4=－23. 所以C 点的坐标为（－2，－23），8分P 点走过的弧长为34π²4=316π， Q 点走过的弧长为38π.12分18.（本小题满分12分）已知0°<α<45°，且lg （tan α）－lg （sin α）=lg （cos α）－lg （cot α）+2lg3－23lg2，求cos 3α－sin 3α的值. 分析:这是一道关于对数与三角函数的综合性问题，一般可通过化简已知等式、用求值的方法来解.解:由已知等式得lg ααsin tan =lg ααcot 22cos 9， 2分∴9sin αcos α=22，－2sin αcos α=－924， （sin α－cos α） 2=9249-.∵0°<α<45°，∴cos α>sin α. ∴cos α－sin α=3122-.8分cos 3α－sin 3α=（cos α－sin α）（cos 2α+sin αcos α+sin 2α） =3122-³（1+922）=271216-. 12分19.（本小题满分12分）已知βαsin sin =p ，βαcos cos =q ，且p ≠±1，q ≠0，求tan αtan β的值.分析：本题考查同角三角函数基本关系的灵活运用.解：由βαsin sin =p ，得sin α=p sin β. ① 由βαcos cos =q ，得cos α=q cos β.②2分①÷②得tan α=qptan β（q ≠0）. ∴tan αtan β=qptan 2β.③4分①2+②2得sin 2α+cos 2α=p 2sin 2β+q 2cos 2β， 即p 2sin 2β+q 2cos 2β=1=sin 2β+cos 2β. ∴（p 2－1）sin 2β=（1－q 2）cos 2β.∴tan 2β=1122--p q （p ≠±1）.④ 10分将④代入③得tan αtan β=)1()1(22--p q q p .12分。