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      正弦、余弦定理的十五類變式在高考中的靈活應(yīng)用

      2019-09-28 07:46:08四川省巴中中學(xué)特級(jí)教師
      關(guān)鍵詞:外接圓銳角三角余弦定理

      ■四川省巴中中學(xué) 肖 斌(特級(jí)教師)

      高考注重對(duì)實(shí)踐能力和核心素養(yǎng)的考查,正弦、余弦定理的變式及其活用較好地體現(xiàn)了這一精神,成為歷年來(lái)高考數(shù)學(xué)試卷中??疾凰ァ⒊?汲P碌慕?jīng)典題型。下面進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié),撩開(kāi)其神秘“面紗”。

      一、正弦定理的七類變式及其活用

      在三角形中,各邊與它所對(duì)角的正弦的比值相等,且該比值等于這個(gè)三角形外接圓的直徑。即在△ABC中,有(R為△ABC外接圓的半徑),這便是著名的正弦定理。正弦定理揭示了三角形中三條邊a,b,c和三個(gè)角A,B,C及其外接圓半徑R這7個(gè)元素間的動(dòng)態(tài)等量關(guān)系,本身是一個(gè)比例式,若靈活運(yùn)用比例性質(zhì),充分挖掘比值的幾何意義,則有以下幾類功效獨(dú)特的變式。

      變式1正弦定理的等積變形:asinB=bsinA,bsinC=csinB,asinC=csinA。

      例1(2018年天津卷理數(shù))在△ABC中,內(nèi)角A,B,C所對(duì)的邊分別為a,b,c。已知

      (1)求角B的大小;

      (2)設(shè)a=2,c=3,求b和sin (2A-B)的值。

      解析:(1)在△ABC中,由正弦定理,可得bsinA=asinB。

      因?yàn)锽∈(0,π),所以B=

      (2)在△ABC中,由余弦定理及條件a=2,c=3,B=,得b2=a2+c2-2accosB=7,故b=7。

      因?yàn)槿呏衋最小,所以A必為銳角。

      變式2正弦定理的“知三求一”變形:

      例2(2018年高考浙江卷)在△ABC中,角A,B,C所對(duì)的邊分別為a,b,c。若a=,b=2,A=60°,則sinB=____,c=____。

      解析:由正弦定理,得

      由余弦定理a2=b2+c2-2bccosA,得=22+c2-2·2·c·cos 60°,即c2-2c-3=0,解得c=3或c=-1(舍去)。

      感悟:“已知兩邊和其中一邊的對(duì)角,解三角形”(簡(jiǎn)稱“邊邊角”問(wèn)題),既可用正弦定理求解,也可由余弦定理求解。

      變式3正弦定理的更比變形:

      例3銳角△ABC的內(nèi)角A,B,C的對(duì)邊分別為a,b,c,若B=3A,則的取值范圍是_____。

      由A+B+C=180°,且B=3A,得C=180°-4A。

      因?yàn)椤鰽BC為銳角三角形,所以A,B,C三個(gè)角均為銳角,即同時(shí)滿足:0<A<90°,0<B=3A<90°,0<C=180°-4A<90°。

      解得22.5°<A<30°。

      所以cos 30°<cosA<cos 22.5°,

      感悟:這是一道精彩題目,能力要求極高:一是需用正弦定理進(jìn)行邊角互化;二是需用二倍角公式推導(dǎo)三倍角公式;三是需正確詮釋銳角三角形的定義,即由銳角三角形的三個(gè)內(nèi)角都是銳角求得角A的范圍;四是需用余弦函數(shù)單調(diào)性及降冪公式求出的取值范圍。

      變式4正弦定理的合比變形:

      例4(2017年鄭州市高三一測(cè)理數(shù)試題改編)已知非等腰△ABC的外接圓的直徑為,角A,B,C所對(duì)的邊分別為a,b,c,并且C=60°。

      (2)若a+b=ab,求△ABC的面積。

      由余弦定理c2=a2+b2-2abcosC,得4=a2+b2-ab=(a+b)2-3ab。

      又a+b=ab,所以(ab)2-3ab-4=0。

      解得ab=4或ab=-1(舍去)。

      感悟:出現(xiàn)分子和分母中系數(shù)對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)時(shí),可考慮合比變形處理,即

      變式5正弦定理的連比變形:a∶b∶c=sinA∶sinB∶sinC。

      例5在△ABC中,sinA∶sinB∶sinC=3∶5∶7,則這個(gè)三角形的最大角為_(kāi)____。

      解析:設(shè)△ABC中角A,B,C的對(duì)邊分別為a,b,c,由正弦定理得a∶b∶c=sinA∶sinB∶sinC=3∶5∶7。設(shè)a=3k,b=5k,c=7k(k>0),易知最大角為C。由余弦定理得因?yàn)?°<C<180°,所以C=120°。故這個(gè)三角形的最大角為120°。

      變式6正弦定理的化邊為角變形:a=2RsinA,b=2RsinB,c=2RsinC(R為△ABC的外接圓的半徑)。

      例6(2013年全國(guó)Ⅱ理數(shù))△ABC在內(nèi)角A,B,C的對(duì)邊分別為a,b,c,已知a=bcosC+csinB。

      (1)求B;

      (2)若b=2,求△ABC面積的最大值。

      解析:(1)由正弦定理得a=2RsinA,b=2RsinB,c=2RsinC(R為△ABC外接圓的半徑)。

      代入已知得2RsinA=2RsinB·cosC+2RsinC·sinB。

      也即sinA=sinBcosC+sinCsinB。

      因?yàn)閟inA=sin[π-(B+C)]=sin(B+C),所以sin (B+C)=sinBcosC+sinCcosB。

      則cosBsinC=sinCsinB。

      因?yàn)镃∈(0,π),sinC≠0,所以tanB=1。又因?yàn)锽∈(0,π),所以B=。

      (2)由余弦定理得b2=a2+c2-2accos,即a2+c2≥2ac,當(dāng)且僅當(dāng)a=c時(shí)取等號(hào),所以4≥(2-)ac。

      解得ac≤4+。

      所以△ABC的面積為

      故△ABC面積的最大值為+1。

      變式7正弦定理的化角為邊變形:(R為△ABC外接圓的半徑)。

      例7(2018 年高考全國(guó)Ⅰ卷文數(shù))△ABC的內(nèi)角A,B,C的對(duì)邊分別為a,b,c,已知bsinC+csinB=4asinBsinC,b2+c2-a2=8,則△ABC的面積為_(kāi)___。

      解法二(化邊為角)由正弦定理得a=2RsinA,b=2RsinB,c=2RsinC(R為△ABC外接圓的半徑)。

      代 入 已 知 得 2RsinB· sinC+2RsinC·sinB=4·2RsinA·sinBsinC。

      因?yàn)?RsinBsinC≠0,所以兩邊同時(shí)除以2RsinBsinC,得sinA=

      二、余弦定理的八類變式及其活用

      在△ABC中,由余弦定理a2=b2+c2-2bccosA,可得以下八類有用的變形公式。

      變式1余弦定理的角邊互化變形:

      此變式更清晰地表達(dá)了三角形中角與邊的轉(zhuǎn)化關(guān)系,從左往右可將角的關(guān)系轉(zhuǎn)化為邊的關(guān)系,從右往左則將邊的關(guān)系轉(zhuǎn)化為角的關(guān)系。

      例8(2016 年全國(guó)Ⅲ卷文數(shù))在△ABC中,B=,BC邊上的高等于,則cosA=( )。

      解析:設(shè)△ABC中角A,B,C的對(duì)邊分別為a,b,c,由題意得:

      變式2余弦定理的移項(xiàng)變形:b2+c2-a2=2bccosA。

      此變式可有效處理題目中含有“b2+c2-a2”型信息(即“已知兩邊的平方和與第三邊的平方差”)及相關(guān)面積型問(wèn)題。

      例9(2018 年全國(guó)Ⅲ卷理數(shù)、文數(shù))△ABC的內(nèi)角A,B,C的對(duì)邊分別為a,b,c,若△ABC的面積為,則C=( )。

      解析:由余弦定理得a2+b2-c2=2abcosC。于 是

      又S△ABC=,所以cosC=sinC。

      因?yàn)镃∈(0,π),所以C=,選C。

      變式3余弦定理的配方變形:a2=(b+c)2-2bc(1+cosA),a2=(b-c)2+2bc(1-cosA)。

      此變式對(duì)處理有關(guān)“兩邊之和(差)、積及夾角,求第三邊”型問(wèn)題十分有用。

      例10(2017 年全國(guó)Ⅰ卷理數(shù))△ABC的內(nèi)角A,B,C的對(duì)邊分別為a,b,c,已知△ABC的面積為

      (1)求sinBsinC;

      (2)若6cosBcosC=1,a=3,求△ABC的周長(zhǎng)。

      解析:(1)由題設(shè)得

      顯然sinA≠0,故sinBsinC=

      (2)由題設(shè)及(1)得cos(B+C)=cosBcosC-sinBsinC=

      因?yàn)锽+C∈(0,π),所以B+C=

      故A=

      由a=3 及,得bc=8。

      由余弦定理得a2=b2+c2-2bccosA=(b+c)2-2bc(1+cosA)。

      變式4余弦定理的主元變形:b2-(2ccosA)b+(c2-a2)=0,c2-(2bcosA)c+(b2-a2)=0。

      此變式的實(shí)質(zhì)是將等式視為其中一邊的一元二次方程,因此根的判別式與韋達(dá)定理可派上用場(chǎng)、大顯身手。解決“已知三角形的兩邊與其中一邊的對(duì)角,求第三邊”(即“邊邊角”)型問(wèn)題時(shí),許多同學(xué)常拘泥于正弦定理去思考,其實(shí)用“余弦定理的主元變形”去處理更加簡(jiǎn)捷,應(yīng)引起我們足夠的重視。

      例11根據(jù)下列條件,判斷△ABC解的個(gè)數(shù):

      解析:由余弦定理得c2-(2bcosA)c+(b2-a2)=0。(1,則,c1c2=4>0,二次方程有兩個(gè)不等正根,故此三角形有兩個(gè)解。

      (3)c2-10 3c+84=0,則,二次方程無(wú)實(shí)根,此三角形無(wú)解。

      變式5余弦定理中的兩邊之比變形:

      此變式可巧妙、快捷地處理題目中含有“兩邊之比”型整體信息。

      例12(2005 年高考天津卷)在△ABC中,角A,B,C所對(duì)的邊分別為a,b,c。設(shè)a,b,c滿足b2+c2-bc=a2和,求角A和tanB的值。

      解析:由已知得b2+c2-a2=bc,由余弦定理,得b2+c2-a2=2bccosA。

      感悟:本題由正弦定理的變式去處理也很方便,過(guò)程類似于“正弦定理的變式及其活用”中的例3,同學(xué)們可以試一試。

      變式6三角形中的射影公式:

      此變式用正、余弦定理均不難證明,必修五課本雖以習(xí)題形式呈現(xiàn),但高考中以此為背景的試題卻層出不窮。

      例13(2016 年全國(guó)Ⅰ卷理數(shù))△ABC的內(nèi)角A,B,C的對(duì)邊分別為a,b,c,已知2cosC(acosB+bcosA)=c。

      (1)求C的值;

      (2)若c=,△ABC的面積為,求△ABC的周長(zhǎng)。

      解析:(1)方法一(用正弦定理及和角公式)由已知及正弦定理得2cosC(sinAcosB+sinBcosA)=sinC,即2cosCsin (A+B)=sinC。

      因?yàn)锳+B+C=π,且A,B,C∈(0,π),所以sin (A+B)=sinC>0。

      方法二(用三角形中的射影公式)由射影公式得acosB+bcosA=c。

      又因?yàn)?cosC(acosB+bcosA)=c,所以2ccosC=c,cosC=

      因?yàn)镃∈(0,π),所以C=

      (2)由余弦定理得c2=a2+b2-2ab·cosC,即

      整理得(a+b)2-3ab=7。

      則(a+b)2-18=7,a+b=5。

      △ABC的周長(zhǎng)為a+b+c=5+7。

      變式7向量的數(shù)量積與余弦定理的結(jié)合變形:在△ABC中,若角A,B,C的對(duì)邊分別為a,b,c,則:

      例14若不同的三點(diǎn)A,B,C滿足=3∶4∶5,則這三點(diǎn)可以( )。

      A.組成銳角三角形

      B.組成直角三角形

      C.組成鈍角三角形

      D.在同一直線上

      解析:解法一(利用向量的數(shù)量積與余弦定理的結(jié)合變形公式)

      于是a2+b2-c2=6t,b2+c2-a2=8t,a2+c2-b2=10t。

      解得a2=8t,b2=7t,c2=9t,t>0。

      顯然角C最大。

      最大角C為銳角,故不同的三點(diǎn)A,B,C組成銳角三角形,選A。

      易見(jiàn)t<0,角C最大。仿照解法一,可知不同的三點(diǎn)A,B,C組成銳角三角形,選A。

      變式8正、余弦定理的結(jié)合變形:sin2A=sin2B+sin2C-2sinBsinCcosA。

      將正弦定理的變式直接代入余弦定理即得,此變式在解決形如sin2α+sin2β-2sinαsinβcosγ(α+β+γ=180°)的 求 值 問(wèn)題時(shí)“一劍封喉”,別開(kāi)生面。

      例15(全國(guó)高中聯(lián)賽題)求值:cos210°+cos250°-sin 40°sin 80°。

      解析:原式可變形為sin280°+sin240°-2sin 80°sin 40°cos 60°,若將80°,40°視為三角形的兩內(nèi)角,則另一內(nèi)角為60°,故原式=

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