三角函数与向量综合

三角函数B 档L2近3年考频 5 次

常见题型:choice、fill、short

三角函数与向量综合 - 三角函数与解三角形

核心概念

要点

公式

公式:

$\vec{a}$ \cdot $\vec{b}$ = |$\vec{a}$||$\vec{b}$|\cos\theta

适用条件:

θ为向量a与b的夹角,取值范围[0,π]

解释:

向量数量积的定义式,用于将向量夹角θ与三角函数值直接关联

公式:

$\vec{a}$ \cdot $\vec{b}$ = x_1x_2 + y_1y_2

适用条件:

向量a=(x1,y1),b=(x2,y2)在平面直角坐标系中

解释:

向量坐标形式下的数量积计算,便于与三角函数坐标表示结合

公式:

\sin^2\alpha + \cos^2\alpha = 1

适用条件:

α为任意实数

解释:

同角三角函数基本关系式,常用于化简向量模长中的三角函数表达式

公式:

\sin(\alpha \pm \beta) = \sin\alpha\cos\beta \pm \cos\alpha\sin\beta

适用条件:

α,β为任意实数

解释:

两角和差正弦公式,用于处理向量旋转或相位变换问题

解题方法

常见误区

原因分析:

混淆了向量垂直(点积为0)与向量夹角为0(点积等于模长乘积)的条件

正确做法:

牢记:$\vec{a}\perp\vec{b} \iff \vec{a}\cdot\vec{b}=0$

错误做法:

将向量垂直条件误写为数量积等于1

原因分析:

对辅助角公式的推导过程不熟练,仅机械记忆,未理解 $\tan\varphi=\frac{b}{a}$ 的象限依赖关系

正确做法:

先确定点$(a,b)$所在象限,再根据 $\sin\varphi=\frac{b}{\sqrt{a^2+b^2}}$,$\cos\varphi=\frac{a}{\sqrt{a^2+b^2}}$ 确定 $\varphi$

错误做法:

在利用辅助角公式时,将 $a\sin x+b\cos x$ 化为 $\sqrt{a^2+b^2}\sin(x+\varphi)$,但错误计算 $\varphi$ 的正切值或忽略 $a,b$ 符号导致相位出错

原因分析:

忽略了 $\sqrt{\sin^2 x}=|\sin x|$,在指定区间内未根据正负处理绝对值

正确做法:

先平方再开方时,务必加上绝对值符号,并根据变量范围去掉绝对值

错误做法:

在向量模长问题中,直接对三角函数表达式开方,忽略绝对值

典型例题

例题 1

已知向量 $\vec{a}=(\sin x, 1)$,$\vec{b}=(\cos x, -\frac{1}{2})$,$x\in[0,\pi]$。若 $\vec{a}\perp\vec{b}$,求 $\tan x$ 的值。

解答

由 $\vec{a}\perp\vec{b}$ 得 $\vec{a}\cdot\vec{b}=0$,即 $\sin x\cos x - \frac{1}{2}=0$,整理得 $2\sin x\cos x=1$,即 $\sin 2x=1$。因为 $x\in[0,\pi]$,所以 $2x\in[0,2\pi]$,由 $\sin 2x=1$ 得 $2x=\frac{\pi}{2}$,解得 $x=\frac{\pi}{4}$。故 $\tan x = 1$。

要点:

  • 将向量垂直条件转化为数量积为0的等式
  • 利用二倍角公式将等式转化为单一三角函数方程
  • 根据定义域精确求解角度

例题 2

设向量 $\vec{m}=(\sqrt{3}\sin x, \cos x)$,$\vec{n}=(\cos x, \cos x)$,函数 $f(x)=\vec{m}\cdot\vec{n}+\frac{1}{2}$。求 $f(x)$ 的最小正周期和单调递增区间。

解答

计算 $\vec{m}\cdot\vec{n} = \sqrt{3}\sin x\cos x + \cos^2 x = \frac{\sqrt{3}}{2}\sin 2x + \frac{1+\cos 2x}{2}$。于是 $f(x)=\frac{\sqrt{3}}{2}\sin 2x + \frac{1}{2}\cos 2x + 1$。提出 $\sqrt{(\frac{\sqrt{3}}{2})^2+(\frac{1}{2})^2}=1$,得 $f(x)=\sin(2x+\frac{\pi}{6})+1$。最小正周期 $T=\frac{2\pi}{2}=\pi$。由 $-\frac{\pi}{2}+2k\pi \le 2x+\frac{\pi}{6} \le \frac{\pi}{2}+2k\pi$,解得单调递增区间为 $[-\frac{\pi}{3}+k\pi, \frac{\pi}{6}+k\pi]$,$k\in\mathbb{Z}$。

要点:

  • 熟练进行向量数量积的坐标运算
  • 利用降幂公式和辅助角公式化简函数表达式
  • 掌握正弦型函数周期和单调区间的求解方法

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