【數理之路】初中範圍推導三角函式倍角正弦公式

     三角函式是基本初等函式之一,也是中學階段很重要的一部分內容。初中階段以直角三角形為基礎,認識和了解銳角三角函式,而高中則是廣義的三角函式,在平面直角座標系中定義三角函式,可以是任意角的三角函式。

    三角函式有很多公式,如倍角正弦公式:sin2θ=2sinθcosθ。小編曾在初中範圍內推匯出該公式。本文先回顧以前幾種推導,由於極限在初中範圍,假設2θ是不超過的90°角,其實只要學了廣義的三角函式,我們的下面的推導可以打破直角的界限。

    構造倍角,小編想到的是同弧所對的圓周角等於它所對的圓心角的一半、等腰三角形三線合一以及菱形的對角線平分一組對角,下面一一推導:

同弧所對的圓心角是它所對的圓周角的二倍

假設圓的半徑是1,構造單位圓:若∠P=θ,過點P作一半徑為1的圓與∠P的兩邊分別交於點B、C,為構造直角三角形和二倍角2θ,作直徑AB,連線AC、OC、BC,過點C作CD⊥AB於點D,

則∠A=∠P=θ,∠COB=2θ,∠ACB=∠CDO=90°,

OA=OB=OC=1,

【數理之路】初中範圍推導三角函式倍角正弦公式
故 AB=OA+OB=2,AC=AB●cosθ=2cosθ,

BC=AB●sinθ=2sinθ,CD=OC●sin2θ=sin2θ ;

根據 Rt∆ABC 的面積,我們易有:

AB●CD=AC●BC=2S△ABC,

即 2sin2θ=2sinθ×2cosθ,

故sin2θ=2sinθcosθ。證畢。

等腰三角形三線合一

構造等腰∆ABC,使AB=AC=1,∠BAC=2θ,過點A作AD⊥BC於點D,∠BAD=θ,過點B作BE⊥AC於點E,

則 BD=AB●sinθ=sinθ,

BC=2BD=2sinθ,AD=AB●cosθ=cosθ,

BE=AB●sin2θ=sin2θ ;

【數理之路】初中範圍推導三角函式倍角正弦公式

【數理之路】初中範圍推導三角函式倍角正弦公式
證畢。

菱形的對角線平分一組對角

構造菱形ABCD,使其邊長為1,且∠BAC=2θ,作對角線AC、BD,過點D作DE⊥AB於點E;則AB=AD=1,∠BAO=θ;

從而 BO=AB●sinθ=sinθ,

AO=AB●cosθ=cosθ,

DE=AD●sin2θ=sin2θ ;

類似於上一種推導,由菱形的面積可得:

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證畢。

    以上三種推導,是小編以前想到的,近來從直角三角形三角函式最初的意義重新推導,尋找某些特殊邊的幾何意義,從而得到下面的證明:

矩形對角線形成的等腰三角形和直角三角形

矩形ABCD中,CD=a,AD=b,AC=c,∠DAC=θ,過點D作DE⊥AC於點E;易得∆AOD是等腰三角形,∠ODA=∠DAC=θ,

則 ∠DOC=∠ODA+∠DAC=2θ;

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證畢。

   關於這個推導,我們繼續嘗試是否可以繼續簡化,矩形在左下角的Rt∆ABC幾乎沒有這麼涉及,因此我們只需做出直角三角形以及直角三角形斜邊上的高以及中線,並根據斜邊上的中線等於斜邊的一半,問題可以迎刃而解!

     或許透過下面這個圖形,

【數理之路】初中範圍推導三角函式倍角正弦公式
你可以很容易得出結論!

    平面幾何或許比較簡單,但是一些基礎圖形中或許隱含了我們尚未發現的性質,或者透過一定的構造可以找出一些往後要學習的性質,可能這樣有時會很有趣。

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