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三角函数三次方公式推导

来源 :华课网校 2024-06-21 23:53:53

三角函数是高中数学中比较重要的知识点之一,其中三角函数的三次方公式也是必须掌握的内容之一。那么,这个三次方公式是怎么来的呢?下面,我们来一步一步地推导。

假设我们有一个角度为θ的直角三角形,其中对边为a,邻边为b,斜边为c。那么,根据勾股定理,我们可以得到以下公式:

c² = a² + b²

接下来,我们来看一下三角函数的定义,正弦函数sin(θ)就是对边a与斜边c的比值,余弦函数cos(θ)就是邻边b与斜边c的比值。因此,我们可以得到以下公式:

sin²(θ) = a²/c²

cos²(θ) = b²/c²

由此可得:

a² = c²sin²(θ)

b² = c²cos²(θ)

接下来,我们需要用到一个三角恒等式:

sin²(θ) + cos²(θ) = 1

将上面的两个公式代入三角恒等式中,可得:

c²sin²(θ) + c²cos²(θ) = c²

化简后得:

sin²(θ) + cos²(θ) = 1

这个三角恒等式在三角函数中非常重要,因为它能够将三角函数之间的关系联系起来。接下来,我们通过对上式进行平方,得到:

(sin²(θ) + cos²(θ))² = 1

展开后,可得:

sin⁴(θ) + 2sin²(θ)cos²(θ) + cos⁴(θ) = 1

将sin²(θ)和cos²(θ)用1-sin²(θ)和1-cos²(θ)代入上式,可得:

1 - 2sin²(θ)cos²(θ) + sin⁴(θ) + cos⁴(θ) = 1

化简后得:

sin⁴(θ) + 2sin²(θ)cos²(θ) + cos⁴(θ) = 2sin²(θ)cos²(θ) + 1

移项后得:

sin⁴(θ) - 2sin²(θ)cos²(θ) + cos⁴(θ) = 1 - 2sin²(θ)cos²(θ)

化简后得:

(sin²(θ) - cos²(θ))² = 1 - 4sin²(θ)cos²(θ)

将左边展开,可得:

sin⁴(θ) - 2sin²(θ)cos²(θ) + cos⁴(θ) = 1 - 4sin²(θ)cos²(θ)

移项后得:

sin⁴(θ) - 4sin²(θ)cos²(θ) + cos⁴(θ) = 1 - 5sin²(θ)cos²(θ)

移项后得:

1 - sin⁴(θ) - 4sin²(θ)cos²(θ) - cos⁴(θ) = 4sin²(θ)cos²(θ)

化简后得:

(1 - sin²(θ)cos²(θ))² = sin²(θ)cos²(θ)

将左边展开,可得:

1 - 2sin²(θ)cos²(θ) + sin⁴(θ)cos⁴(θ) = sin²(θ)cos²(θ)

移项后得:

sin⁴(θ)cos⁴(θ) - 2sin²(θ)cos²(θ) + 1 = sin²(θ)cos²(θ)

将sin²(θ)和cos²(θ)用1-sin²(θ)和1-cos²(θ)代入上式,可得:

(1-cos²(θ))(1-sin²(θ))cos⁴(θ) - 2(1-cos²(θ))(1-sin²(θ))cos²(θ) + (1-cos²(θ))(1-sin²(θ)) = (1-cos²(θ))(1-sin²(θ))

化简后得:

cos⁴(θ) - 2cos²(θ) + 1 = cos²(θ)sin²(θ)

移项后得:

cos⁴(θ) - cos²(θ)sin²(θ) + sin²(θ)cos²(θ) - 2cos²(θ) + 2cos²(θ) - 1 = 0

化简后得:

(cos²(θ) - sin²(θ))² - 2(cos²(θ) - sin²(θ)) - 1 = 0

令cos²(θ) - sin²(θ) = x,可得:

x² - 2x - 1 = 0

解得:

x = cos²(θ) - sin²(θ) = 1 ± √2

因此,我们可以得到:

cos³(θ) - 3cos(θ)sin²(θ) = cos³(θ) - cos(θ)(1-cos²(θ)) = cos(θ) - cos³(θ)

sin³(θ) - 3sin(θ)cos²(θ) = sin³(θ) - sin(θ)(1-sin²(θ)) = sin(θ) - sin³(θ)

综上所述,我们通过一系列的推导,得到了三角函数的三次方公式。

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