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第6节 正弦定理和余弦定理
知识梳理
1.正、余弦定理
在△ABC中,若角A,B,C所对的边分别是a,b,c,R为△ABC外接圆半径,则
定理
余弦定理
正弦定理
公式
a2=b2+c2-2bccos__A;
b2=c2+a2-2cacos__B;
c2=a2+b2-2abcos__C
===2R
常见变形
cos A=;
cos B=;
cos C=
(1)a=2Rsin A,b=2Rsin__B,c=2Rsin__C;
(2)sin A=,sin B=,sin C=;
(3)a∶b∶c=sin__A∶sin__B∶sin__C;
(4)asin B=bsin A,bsin C=csin B,asin C=csin A
2.在△ABC中,已知a,b和A时,解的情况如下:
A为锐角
A为钝角或直角
图形
关系式
a=bsin A
bsin A<a<b
a≥b
a>b
a≤b
解的个数
一解
两解
一解
一解
无解
3.三角形常用面积公式
(1)S=a·ha(ha表示a边上的高).
(2)S=absin C=acsin B=bcsin A=.
(3)S=r(a+b+c)(r为内切圆半径).
1.三角形中的三角函数关系
(1)sin(A+B)=sin C;(2)cos(A+B)=-cos C;
(3)sin=cos;(4)cos=sin.
2.三角形中的射影定理
在△ABC中,a=bcos C+ccos B;b=acos C+ccos A;c=bcos A+acos B.
3.在△ABC中,两边之和大于第三边,两边之差小于第三边,A>B⇔a>b⇔sin A>
sin B⇔cos A<cos B.
诊断自测
1.判断下列结论正误(在括号内打“√”或“×”)
(1)三角形中三边之比等于相应的三个内角之比.( )
(2)在△ABC中,若sin A>sin B,则A>B.( )
(3)在△ABC的六个元素中,已知任意三个元素可求其他元素.( )
(4)当b2+c2-a2>0时,△ABC为锐角三角形;当b2+c2-a2=0时,△ABC为直角三角形;当b2+c2-a2<0时,△ABC为钝角三角形.( )
答案 (1)× (2)√ (3)× (4)×
解析 (1)三角形中三边之比等于相应的三个内角的正弦值之比.
(3)已知三角时,不可求三边.
(4)当b2+c2-a2>0时,△ABC不一定为锐角三角形.
2.在△ABC中,a=2,b=3,c=4,则cos B=( )
A. B. C. D.
答案 A
解析 由余弦定理知cos B==.
3.在△ABC中,cos A=cos B,则这个三角形的形状为________.
答案 等腰三角形
解析 因为在△ABC中,cos A=cos B,
所以A=B,所以这个三角形为等腰三角形.
4.(2018·全国Ⅲ卷)△ABC的内角A,B,C的对边分别为a,b,c.若△ABC的面积为,则C=( )
A. B. C. D.
答案 C
解析 因为a2+b2-c2=2abcos C,
且S△ABC=,
所以S△ABC==absin C,所以tan C=1.
又C∈(0,π),故C=.
5.(2020·全国Ⅲ卷)在△ABC中,cos C=,AC=4,BC=3,则tan B=( )
A. B.2 C.4 D.8
答案 C
解析 由余弦定理得AB2=AC2+BC2-2AC·BCcos C=42+32-2×4×3×=9,得AB=3,所以AB=BC.过点B作BD⊥AC,交AC于点D,则AD=AC=2,BD==,所以tan ∠ABD===,
所以tan ∠ABC==4.故选C.
6.(2019·浙江卷)在△ABC中,∠ABC=90°,AB=4,BC=3,点D在线段AC上.若∠BDC=45°,则BD=________,cos∠ABD=________.
答案
解析 如图,易知sin ∠C=,
cos ∠C=.
在△BDC中,由正弦定理可得
=,
∴BD===.
由∠ABC=∠ABD+∠CBD=90°,
可得cos ∠ABD=cos(90°-∠CBD)=sin ∠CBD
=sin[π-(∠C+∠BDC)]
=sin(∠C+∠BDC)
=sin ∠C·cos ∠BDC+cos ∠C·sin ∠BDC
=×+×=.
考点一 利用正、余弦定理解三角形
【例1】 (1)△ABC的内角A,B,C的对边分别为a,b,c,已知C=60°,b=,c=3,则A=________.
(2)已知△ABC的内角A,B,C所对的边分别为a,b,c,若bsin 2A=asin B,且c=2b,则等于( )
A.2 B.3 C. D.
答案 (1)75° (2)D
解析 (1)由正弦定理,得sin B===,所以B=45°或135°,因为b<c,所以B<C,故B=45°,所以A=75°.
(2)由正弦定理及bsin 2A=asin B,得2sin Bsin Acos A=sin Asin B,又sin A≠0,sin B≠0,则cos A=.又c=2b,所以由余弦定理得a2=b2+c2-2bccos A=b2+4b2-4b2×=3b2,得=.故选D.
感悟升华 利用正弦定理可解决以下两类三角形问题:一是已知两角和一角的对边,求其他边与角;二是已知两边和一边的对角,求其他边与角(该三角形具有不唯一性,常根据三角函数值的有界性和大边对大角定理进行判断).
利用余弦定理可解决以下两类三角形问题:一是已知两边和它们的夹角,求其他边与角;二是已知三边求各个角.由于这两种情形下的三角形是唯一确定的,所以其解也是唯一的.
【训练1】 (1)(多选题)(2021·烟台质检)在△ABC中,a=5,c=10,A=30°,则角B的值可以是( )
A.105° B.15° C.45° D.135°
(2)如图所示,在△ABC中,D是边AC上的点,且AB=AD,2AB=BD,BC=2BD,则sin C的值为________.
答案 (1)AB (2)
解析 (1)∵a=5,c=10,A=30°,
由正弦定理可得,=,即=,
所以sin C=,
∵a<c,∴A<C,
则C=45°或C=135°,
则B=105°或B=15°.
(2)设AB=a,∵AB=AD,2AB=BD,BC=2BD,
∴AD=a,BD=,BC=.
在△ABD中,cos∠ADB==,
∴sin∠ADB=,∴sin∠BDC=.
在△BDC中,=,
∴sin C==.
考点二 判断三角形的形状
【例2】 (1)在△ABC中,a,b,c分别为角A,B,C所对的边,若a=2bcos C,则此三角形一定是( )
A.等腰直角三角形
B.直角三角形
C.等腰三角形
D.等腰三角形或直角三角形
(2)(多选题)(2020·山东名校联考)在△ABC中,角A,B,C的对边分别为a,b,c,若==(m∈N*),则当m取不同值时,关于△ABC的形状,说法正确的是( )
A.当m=2时,△ABC为锐角三角形
B.当m=4时,△ABC为钝角三角形
C.当m=6时,△ABC为等腰三角形
D.当m=10时,△ABC为直角三角形
答案 (1)C (2)BCD
解析 (1)法一 由余弦定理可得a=2b·,
因此a2=a2+b2-c2,得b2=c2,于是b=c,
从而△ABC为等腰三角形.
法二 由正弦定理可得sin A=2sin Bcos C,
因此sin(B+C)=2sin Bcos C,
即sin Bcos C+cos Bsin C=2sin Bcos C,于是sin(B-C)=0,因此B-C=0,即B=C,
故△ABC为等腰三角形.
(2)因为==,可得sin A∶sin B∶sin C=6∶8∶m,由正弦定理===2R,可得a∶b∶c=6∶8∶m,
对于A,m=2时,可得a∶b∶c=3∶4∶1,可得b-a=c,这样的三角形不存在,故A错误;
对于B,m=4时,可得a∶b∶c=3∶4∶2,可得B为最大角,
由余弦定理可得cos B==-,可得△ABC是钝角三角形,故B正确;
对于C,m=6时,可得a∶b∶c=3∶4∶3,可得a=c,△ABC为等腰三角形,故C正确;
对于D,m=10时,可得a∶b∶c=3∶4∶5,可得a2+b2=c2,△ABC为直角三角形,故D正确.可选BCD.
感悟升华 1.判定三角形形状的途径:(1)化边为角,通过三角变换找出角之间的关系;(2)化角为边,通过代数变形找出边之间的关系,正(余)弦定理是转化的桥梁.
2.无论使用哪种方法,都不要随意约掉公因式,要移项提取公因式,否则会有漏掉一种形状的可能.注意挖掘隐含条件,重视角的范围对三角函数值的限制.
【训练2】 (1)在△ABC中,角A,B,C所对的边分别为a,b,c,若<cos A,则△ABC为( )
A.钝角三角形 B.直角三角形
C.锐角三角形 D.等边三角形
(2)(多选题)(2021·武汉调研)已知a,b,c分别是△ABC三个内角A,B,C的对边,下列四个命题中正确的是( )
A.若tan A+tan B+tan C>0,则△ABC是锐角三角形
B.若acos A=bcos B,则△ABC是等腰三角形
C.若bcos C+ccos B=b,则△ABC是等腰三角形
D.若==,则△ABC是等边三角形
答案 (1)A (2)ACD
解析 (1)由<cos A,得<cos A,
又B∈(0,π),所以sin B>0,
所以sin C<sin Bcos A,
即sin(A+B)<sin Bcos A,
所以sin Acos B<0,
因为在三角形中sin A>0,所以cos B<0,
即B为钝角,所以△ABC为钝角三角形.
(2)∵tan A+tan B=tan(A+B)(1-tan Atan B),
∵tan A+tan B+tan C=tan(A+B)(1-tan Atan B)+tan C=-tan C(1-tan Atan B)+tan C=tan Atan Btan C>0,∴A,B,C均为锐角,∴选项A正确;
由acos A=bcos B及正弦定理,可得sin 2A=sin 2B,∴A=B或A+B=,∴△ABC是等腰三角形或直角三角形,∴选项B错误;
由bcos C+ccos B=b及正弦定理,
可知sin Bcos C+sin Ccos B=sin B,
∴sin A=sin B,∴A=B,则△ABC是等腰三角形,∴选项C正确;
由已知和正弦定理,易知tan A=tan B=tan C,A=B=C,则△ABC是等边三角形,∴选项D正确.
考点三 和三角形面积有关的问题
【例3】(2021·湖北八校一联)在条件①btan A=(2c-b)tan B,②cos 2A+2cos2=1,③sin B=2sin C中任选一个,补充到下列问题中,并给出问题解答.
在△ABC中,角A,B,C的对边分别为a,b,c,________,b+c=6,a=2.
(1)求角A的值;
(2)求△ABC的面积.
注:如果选择多个条件分别解答,按第一个解答计分.
解 (1)若选①,由于△ABC的内角A,B,C的对边分别为a,b,c,且btan A=(2c-b)tan B,
∴由正弦定理得sin B·=(2sin C-sin B)·.
∵sin B≠0,∴sin Acos B=2sin Ccos A-sin Bcos A,
即sin(A+B)=2sin Ccos A,即sin C=2sin Ccos A.
∵sin C≠0,∴cos A=.
又0<A<π,∴A=.
若选②,∵cos 2A+2cos2=1,
化简可得2cos2A+cos A=1,
解得cos A=或-1,且A∈(0,π),∴A=.
若选③,∵sin B=2sin C,
即sin B=2sin C,
可得sin B=2sin C,
即sin B·=2sin C,解得sin A=.
又∵0<A<,∴A=.
(2)由(1)及余弦定理可得a2=b2+c2-bc=(b+c)2-3bc.
由题知a=2,b+c=6,∴bc=4,
∴S△ABC=bcsin A=×4×sin =.
感悟升华 与三角形面积有关问题的解题策略:(1)利用正弦、余弦定理解三角形,求出三角形的相关边、角之后,直接求三角形的面积;(2)把面积作为已知条件之一,与正弦、余弦定理结合求出三角形的其他量.
【训练3】(2020·北京卷)在△ABC中,a+b=11,再从条件①、条件②这两个条件中选择一个作为已知,求:
(1)a的值;
(2)sin C和△ABC的面积.
条件①:c=7,cos A=-;
条件②:cos A=,cos B=.
注:如果选择条件①和条件②分别解答,按第一个解答计分.
解 (从条件①②中任选一个即可)
选条件①:c=7,cos A=-,且a+b=11.
(1)在△ABC中,由余弦定理,得
cos A===-,
解得a=8.
(2)∵cos A=-,A∈(0,π),∴sin A===.
在△ABC中,由正弦定理,得
sin C===.
∵a+b=11,a=8,∴b=3,
∴S△ABC=absin C=×8×3×=6.
选条件②:cos A=,cos B=,且a+b=11.
(1)∵A∈(0,π),B∈(0,π),cos A=,cos B=,
∴sin A===,sin B===.
在△ABC中,由正弦定理,可得
===.
又∵a+b=11,∴a=6,b=5.
(2)sin C=sin[π-(A+B)]=sin(A+B)
=sin Acos B+cos Asin B
=×+×==.
∴S△ABC=absin C=×6×5×=.
射影定理的活用赏析
设△ABC的三边是a,b,c,它们所对的角分别是A,B,C,则有:a=bcos C+ccos B;b=ccos A+acos C;c=acos B+bcos A.
注:以“a=bcos C+ccos B”为例,b,c在a上的射影分别为bcos C,ccos B,故名射影定理.
证明 如图,在△ABC中,AD⊥BC,
则bcos C=CD,ccos B=BD,
故bcos C+ccos B=CD+BD=BC=a,
即a=bcos C+ccos B,
同理可证b=ccos A+acos C,
c=acos B+bcos A.
【例1】在△ABC中,角A,B,C的对边分别为a,b,c.若△ABC为锐角三角形,且满足sin B(1+2cos C)=2sin Acos C+cos A sin C,则下列等式成立的是( )
A.a=2b B.b=2a C.A=2B D.B=2A
[通法] 法一 因为sin B(1+2cos C)=2sin Acos C+cos Asin C,所以sin B+
2sin Bcos C=sin Acos C+sin(A+C),所以sin B+2sin Bcos C=sin Acos C+sin B,
即cos C(2sin B-sin A)=0,
所以cos C=0或2sin B=sin A,
即C=90°或2b=a,
又△ABC为锐角三角形,所以0°<C<90°,
故2b=a.故选A.
法二 由正弦定理和余弦定理得
b=2a×+c×,
所以2b2=a2+3b2-c2,
即(a2+b2-c2)=a2+b2-c2,
即(a2+b2-c2)=0,
所以a2+b2=c2或2b=a,
又△ABC为锐角三角形,所以a2+b2>c2,故2b=a,故选A.
[优解] 由正弦定理及sin B(1+2cos C)=2sin Acos C+cos Asin C得b+2bcos C=2acos C+ccos A=acos C+(acos C+ccos A)=acos C+b,即2bcos C=acos C,又因为△ABC为锐角三角形,所以cos C≠0,则2b=a.
答案 A
【例2】△ABC的内角A,B,C的对边分别为a,b,c,若2bcos B=acos C+ccos A,则B=________.
[通法] 依题意得2b×=a×+c×,即a2+c2-b2=ac,所以2accos B=ac,cos B=.又0<B<π,所以B=.
[优解] 由射影定理得acos C+ccos A=b,
又2bcos B=acos C+ccos A,则2bcos B=b,即cos B=,
又B∈(0,π),故B=.
答案
思维升华 射影定理和正、余弦定理一样实现了边角之间的转换,运用射影定理整体代入,大大简化了运算过程,取得了事半功倍的神奇效果.
A级 基础巩固
一、选择题
1.在△ABC中,角A,B,C所对的边分别为a,b,c.若a=,b=3,A=60°,则边c=( )
A.1 B.2 C.4 D.6
答案 C
解析 ∵a2=c2+b2-2cbcos A,
∴13=c2+9-2c×3×cos 60°,
即c2-3c-4=0,解得c=4或c=-1(舍去).
2.已知△ABC,a=,b=,A=30°,则c等于( )
A.2 B. C.2或 D.均不正确
答案 C
解析 ∵=,
∴sin B==·sin 30°=.
∵b>a,∴B=60°或120°.
若B=60°,则C=90°,∴c==2.
若B=120°,则C=30°,∴a=c=.
3.(2020·全国Ⅲ卷)在△ABC中,cos C=,AC=4,BC=3,则cos B=( )
A. B. C. D.
答案 A
解析 由余弦定理得AB2=AC2+BC2-2AC·BCcos C=42+32-2×4×3×=9,所以AB=3,所以cos B===.故选A.
4.(2021·郑州调研)在△ABC中,角A,B,C的对边分别为a,b,c.已知a=b,A-B=,则角C=( )
A. B. C. D.
答案 B
解析 由题意得A=B+,所以sin A=sin=cos B,又a=b,所以由正弦定理得sin A=sin B,故cos B=sin B,所以tan B=,因为B∈(0,π),所以B=,所以C=π--=.
5.(2021·重庆诊断)在△ABC中,角A,B,C的对边分别为a,b,c,且b2+c2-bc=a2,bc=a2,则角C的大小是( )
A.或 B.
C. D.
答案 A
解析 由b2+c2-bc=a2,得b2+c2-a2=bc,
则cos A===,
因为0<A<π,所以A=,
由bc=a2及正弦定理,
得sin Bsin C=sin2A=×=,
即4sin(π-C-A)sin C=,
即4sin(C+A)sin C=4sinsin C=,
整理得cos 2C=sin 2C,则tan 2C=,又0<2C<,
即2C=或,即C=或.
6.(多选题)(2020·临沂模拟)在△ABC中,角A,B,C的对边分别为a,b,c,若b=2,c=3,A+3C=π,则下列结论正确的是( )
A.cos C= B.sin B=
C.a=3 D.S△ABC=
答案 AD
解析 因为A+3C=π,A+B+C=π,所以B=2C.由正弦定理得=,即=,所以cos C=,故A正确.因为cos C=,所以sin C=,所以sin B=sin 2C=2sin Ccos C=2××=,故B错误.因为cos B=cos 2C=2cos2C-1=-,所以sin A=sin(B+C)=sin Bcos C+cos Bsin C=×+×=,则cos A=,所以a2=b2+c2-2bccos A=(2)2+32-2×2×3×=1,所以a=1,故C错误.S△ABC=bcsin A=×2×3×=,故D正确.故选AD.
二、填空题
7.(2021·北京西城区模拟改编)在锐角三角形ABC中,若a=2,b=3,A=,则cos B=________.
答案
解析 由正弦定理=,得sin B===,又△ABC为锐角三角形,所以cos B===.
8.如图,在△ABC中,D是AB边上的点,且满足AD=3BD,AD+AC=BD+BC=2,CD=,则cos A=________.
答案 0
解析 设BD=x(x>0),
则AD=3x,AC=2-3x,BC=2-x,
易知cos∠ADC=-cos∠BDC.
∴=-,
解得x=,故AD=1,AC=1,
∴cos A==0.
9.(2020·长春二模改编)在△ABC中,C=30°,cos A=-,AC=-2,则AC边上的高为________.
答案
解析 依题意得sin A==,则sin B=sin(A+C)=sin Acos C+
cos Asin C=×-×=.
由正弦定理得=,得BC=,所以AC边上的高为BC·sin C===.
三、解答题
10.(2020·山东实验中学模拟)请给出一个b(b∈N*)的值,补充在下面的问题中,并解答该问题.
已知△ABC的内角A,B,C的对边分别为a,b,c,a=,cos A=,b=________,求△ABC的面积.
注:只需给出一个b的值即可,若给出了多个值分别解答,按第一个解答计分.
解 因为cos A=,A∈(0,π),所以sin A=,
由正弦定理=,得sin B==,
因为0<sin B≤1,所以0<b≤3,
又因为b∈N*,故b只能取1,2,3.
若b=1,则sin B=,因为b<a,所以cos B=,
所以sin C=sin(A+B)=sin Acos B+cos Asin B=,
所以S△ABC=absin C=××1×=.
若b=2,则sin B=,因为b<a,所以cos B=,
所以sin C=sin(A+B)=sin Acos B+cos Asin B=,
所以S△ABC=absin C=××2×=.
若b=3,则sin B=1,所以∠B=90°,
所以c==,
所以S△ABC=ac=××=.
11.(2020·全国Ⅰ卷)△ABC的内角A,B,C的对边分别为a,b,c.已知B=150°.
(1)若a=c,b=2,求△ABC的面积;
(2)若sin A+sin C=,求C.
解 (1)由题设及余弦定理,
得28=3c2+c2-2×c2×cos 150°,
解得c=-2(舍去)或c=2,从而a=2.
因此△ABC的面积为×2×2×sin 150°=.
(2)在△ABC中,A=180°-B-C=30°-C,
所以sin A+sin C=sin(30°-C)+sin C
=sin(30°+C),
故sin(30°+C)=.
而0°<C<30°,所以30°<30°+C<60°,
所以30°+C=45°,故C=15°.
B级 能力提升
12.(多选题)(2021·山东新高考模拟)已知△ABC中,角A,B,C所对的边分别是a,b,c且a=6,4sin B=5sin C,以下四个命题中正确的是( )
A.△ABC的面积的最大值为40
B.满足条件的△ABC不可能是直角三角形
C.当A=2C时,△ABC的周长为15
D.当A=2C时,若O为△ABC的内心,则△AOB的面积为
答案 ACD
解析 以BC的中点为坐标原点,BC所在直线为x轴,建立平面直角坐标系,
可得B(-3,0),C(3,0),
4sin B=5sin C,可得4b=5c,设A(m,n),
可得4=5,
平方可得16(m2+n2-6m+9)=25(m2+n2+6m+9),
即有m2+n2+m+9=0,
化为+n2=,
则A的轨迹为以为圆心,半径为的圆(除去与x轴的交点),
可得△ABC的面积的最大值为×6×=40,故A正确;
a=6,4sin B=5sin C,
即4b=5c,设b=5t,c=4t,
由36+16t2=25t2,可得t=2,
满足条件的△ABC可能是直角三角形,故B错误;
a=6,4sin B=5sin C,A=2C,可得B=π-3C,
由正弦定理可得4b=5c,可得b=,
由=,可得=
=,
由sin C≠0,可得4cos2C-1=,
解得cos C=或-(舍去),
sin C==,
可得sin A=2sin Ccos C=2××=,
由=,可得c=4,b=5,
则a+b+c=15,故C正确;
当A=2C时,c=4,b=5,a=6,sin A=,
S△ABC=bcsin A=×5×4×=.
设△ABC的内切圆半径为R,则R===,
S△ABO=cR=×4×=.故D正确.
13.已知在△ABC中,内角A,B,C的对边分别为a,b,c,若a2=b2+c2-bc,a=3,则△ABC的周长的最大值为________.
答案 9
解析 ∵a2=b2+c2-bc,∴bc=b2+c2-a2,
∴cos A==,∵A∈(0,π),∴A=.
法一 ∵a=3,
∴由正弦定理得====2,
∴b=2sin B,c=2sin C,
则a+b+c=3+2sin B+2sin C
=3+2sin B+2sin
=3+3sin B+3cos B=3+6sin,
∵B∈,∴当B=时,周长取得最大值9.
法二 ∵a=3,
∴由余弦定理得9=b2+c2-bc,
∴(b+c)2-3bc=9,
∴(b+c)2-9=3bc≤3·,
∴(b+c)2≤36,
∵b+c>0,∴0<b+c≤6,当且仅当b=c时取“=”,
∴a+b+c≤9,∴△ABC的周长最大值为9.
14.(2020·山东三校一联)在①cos C(acos B+bcos A)=csin C,②asin=
csin A,③(sin B-sin A)2=sin2C-sin Bsin A这三个条件中任选一个,补充在下面问题中.
已知△ABC的内角A,B,C的对边分别为a,b,c,当________时,求sin A·
sin B的最大值.
注:如果选择多个条件分别解答,按第一个解答计分.
解 若选①,由正弦定理得
cos C(sin Acos B+sin Bcos A)=sin Csin C,
即cos Csin(A+B)=sin Csin C,
∵sin C≠0,∴tan C=,
∵C∈(0,π),∴C=.
∴A+B=,
∴sin A·sin B=sin A·sin
=sin A·
=sin A·cos A+sin2A
=sin 2A+(1-cos 2A)
=sin+,
∵A∈,∴2A-∈,
∴当A=时,sin A·sin B取得最大值为.
若选②,由正弦定理得sin Asin =sin Csin A,
∵sin A≠0,∴cos =sin C=2sin cos ,
∵cos ≠0,∴sin =,
∵C∈(0,π),∴C=.
余下同①.
若选③,由正弦定理得(b-a)2=c2-ba,
即a2+b2-c2=ba,∴cos C===,
∵C∈(0,π),∴C=.
余下同①.
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