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二倍角公式是三角函数中的重要公式,它描述了角度2α与角度α的三角函数值之间的关系。在单位圆中,我们可以直观地看到角α和角2α的位置关系。正弦二倍角公式为sin 2α等于2sin α cos α,余弦二倍角公式为cos 2α等于cos²α减去sin²α,正切二倍角公式为tan 2α等于2tan α除以1减去tan²α。
余弦二倍角公式有三种等价形式。第一种是基本形式:cos 2α等于cos²α减去sin²α。利用平方和恒等式cos²α加sin²α等于1,我们可以得到第二种形式:cos 2α等于2cos²α减1,以及第三种形式:cos 2α等于1减2sin²α。这三种形式在不同的应用场景中各有优势,选择合适的形式可以简化计算过程。
从余弦二倍角公式可以推导出重要的降幂和升幂公式。降幂公式将平方项转化为一次项:cos²α等于1加cos 2α的一半,sin²α等于1减cos 2α的一半。升幂公式则相反:1加cos 2α等于2cos²α,1减cos 2α等于2sin²α。这些公式在三角函数化简、积分计算和三角方程求解中有广泛应用,特别是在处理含有平方项的表达式时非常有用。
半角公式可以从二倍角公式推导得出,体现了两者的内在联系。我们从降幂公式开始:cos²α等于1加cos 2α的一半。通过变量替换,令2α等于β,则α等于β的一半,得到cos²(β/2)等于1加cosβ的一半。同理可以推导出sin²(α/2)等于1减cosα的一半,以及tan²(α/2)等于1减cosα除以1加cosα。这种推导过程展示了半角公式与二倍角公式的对偶关系。
半角公式的完整形式需要考虑符号问题。从平方形式推导出带符号的半角公式时,正负号的确定是关键。符号判断的规则是:根据α/2所在象限确定相应三角函数的符号。例如,当α等于120度时,α/2等于60度,位于第一象限,此时正弦、余弦和正切值都为正。通过这种方法,我们可以准确确定半角公式中的符号,确保计算结果的正确性。