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三角函數求值區域問題及解題技巧

生活 更新时间:2025-02-03 09:40:25
三角函數正弦函數的定義

百度百科:

定義一:正弦(sine),數學術語,在直角三角形中,任意一銳角∠A的對邊與斜邊的比叫做∠A的正弦,記作sinA(由英語sine一詞簡寫得來),即sinA=∠A的對邊/斜邊。

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突然發現,這個定義是有問題的。這個定義非常直觀,适合入門,但問題是隻能将角的取值範圍定義為0°到90°之間,而且不包括0°和90°。這個定義不支持自變量的取值範圍:。

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另一個高級的定義:在直角坐标系中,給定單位圓,對任意角α,使角α的頂點與原點重合,始邊與x軸非負半軸重合,終邊與單位圓交于點P(u,v),那麼點P的縱坐标v叫做角α的正弦函數,記作v=sinα。

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這個定義就沒有上述限制了。

三角函數對照表

以前是沒有計算器或其他任何電子計算工具,當時人們是計算三角函數值時,常常采用三角函數對照表。

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三角函數對照表

但三角函數對照表是近似值,在一些計算精度要求很高的場景,可能并不能滿足要求。

三角函數的解析值含義

以正弦函數值求法為例,因為求得正弦函數值,就不難求出其他三角函數的解析值。這裡的解析值是指精确解(如),而非近似解(如1.41421356237)。

從下文可以看出,1°到90°的三角函數(如正弦函數值)都有解析解,都可以通過正整數的加減乘除、開根号(二次根号、三次根号等)、負号等構成的表達式表示,是精确值,而非三角函數表中的近似值。

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求出1°~90°角的三角函數值,再根據三角函數的誘導公式,就不難求出91°-360°角的三角函數解析值了。

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0°-90°的三角函數解析值求法

根據正弦函數的定義,不難得到:

道生無,無即0。“道”(Tao)即前面的關于正弦函數的定義。

我們就從0出發給出所有1°到89°的正弦函數的解析值(注意是精确的解析值,而非小數的近似值)的求法。


∵,所以


根據正弦函數半角公式,得出:


根據正弦函數的三倍角公式得到:,也即,這個是的一元三次方程。解該方程,得到:,進而得到。

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15°角的三角函數值的幾何求法:

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。也可以根據三倍角公式求得:是一元三次方程該方程有。


根據正弦函數的三倍角公式得到:,也即,這個是的一元三次方程。根據一元三次方程的求根公式

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解該方程,得到:

(舍棄了另外倆不合理的無效根),這是一個用複數表示的實數,其值為。形式上之所以是一個複數,是因為采用了一元三次方程的通用求根公式(後面情況類似)。

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也可以根據三倍角公式求得:是一元三次方程的一個根求得。






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=

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下面求18°角的三角函數值:

1)幾何方法:做如下等腰三角形,并做輔助線和,為的角平分線,。

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設、。不難得到。故,即,解得;或者因為的角平分線,故根據角平分線定理可得,也即,同樣可以解得。進而得到。從而,。

2)代數方法:(兩倍角公式),且是方程的一個根。而該方程有三個跟:(舍去)、(舍去)和。


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(三倍角公式)是一元三次方程的一個實根。該一元三次方程一定有三個解析解:

驗算一下,将

代入,得到

不難排除、兩個解,而是合理解,即

也即

其中

如果有強迫症,可以寫出的最終表達式:

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注:雖然是複數表達式,但代入後,計算出來的值卻是一個實數。

道家:無生有!

隻要算出了的值,其他任何整數度數的三角函數就迎刃而解了。正所謂“有生萬物”!


(一生二)






,帶入的值,得到









,這個值與的值存在神秘的關聯!!!




,帶入和,計算得到:




,帶入、、和,計算得到:,這個值與的值有密切的關系。






,帶入相關值,得到:

,這個值形式上與和神秘關聯。




,帶入上述已經求出來的相關值,得到




,帶入前面的計算結果,得到:,這個值與形式上與、和神秘關聯。




,帶入、的值,求得:

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類似的當,因為前面已經求出了,故:

;當時,;當時,;當時,;當時,令%,再叠代使用上面公式;當時,。

進而可以計算出任意整數角度的正弦函數值(都可以表達為一個精準解析值)。

同時,通過上述計算,我們實際上已經證明了一個結論:當為整數時,函數值是一個代數數。

結論

1°、2°、3°、4°、5°、6°、7°、8°、9°、10°、

11°、12°、13°、14°、15°、16°、17°、18°、19°、20°、

21°、22°、23°、24°、25°、26°、27°、28°、29°、30°、

31°、32°、33°、34°、35°、36°、37°、38°、39°、40°、

41°、42°、43°、44°、45°的正弦函數值都是有精确解,在此基礎上可以計算出他們的餘弦函數值,再根據三角函數的誘導公式,計算出46°-90°的正弦函數,進而求出其他任意整數度數的三角函數精确值表達。

求得精确值後,在實際工程應用中,可以根據具體場景需要,計算到任意精度。

當然,人類的計算手段越來越豐富,實際工程中,多半會采用三角函數的泰勒級數展開,如

正弦函數的連分數表示:

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這兩個公式中的自變量是弧度,而非度數。如果是弧度,級數展開公式變為:

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