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三角函数和角公式

数学公式
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三角函数和角公式(trigonometric additionidentity formulas)是一类能用两个角的三角函数来表示这两个角和的三角函数的恒等式。三角函数的和角公式是推导三角恒等式的重要基础,在数学计算中,和角公式可以大大简化计算。
和角公式使计算非特殊角的三角函数变得更加简单,有效简化了涉及三角函数的理论计算。
中文名
三角函数和角公式
外文名
Trigonometric addition identity formulas
适用领域范围
数学、天文学、工程学、物理学等
突出贡献者
托勒密,阿布·韦发,婆什迦罗,帕普斯,韦达等
最早研究时间
公元2世纪前后
主要研究著作
《平面与球面三角学(卡诺里著)》,《数学汇编(帕普斯著)》等

实数域内的和角公式

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和角公式的内容

常用的和角公式如下:
其中,
均为实数(实际上,当
和均为复数时,等式仍然成立)

由向量的点积引进的等式

1.
范围内的等式推导
时,在平面直角坐标系xOy中,取单位圆(以坐标原点为圆心,1为半径的圆),在圆上取点A:
和点B:
,由实数域上三角函数的定义可得图1和图2,其中
均是x轴非负半轴绕O点逆时针旋转形成的角,则射线OB绕O点逆时针旋转到射线OA位置(旋转角小于2
)形成的角大小为
,由
的取值范围可得:
。由点A和点B的坐标得:
,于是有:
(i)当
时,如图1所示,
=
,于是:
由(1)式得:
图1
图2
(ii)当
时,如图2所示,
=
,于是:
由(1)式得:
时,同理可得
,因为
,所以
这样,就证明了当
时等式成立的结论,接下来将把它推广到实数范围内。
2.实数范围内的等式推导
为了叙述方便,给出引理:
下面对引理进行证明:
对任意的
,取k=
,由
得,
,由此,可取
下面证明这样的k
是唯一的,假设存在
也满足条件,则有
,因为
,所以
,即
,又因为
所以
,即
,进而
,引理得证。
由引理,对任意的实数
,分别存在对应的整数
内的实数
,使得
可得:
于是:

和角公式的证明

接下来,将由(2)式推导出和角公式,
替换(2)式中的
,可得:
替换(1)式中的
,可得:
因为
,所以:
时,有:
这样,就推导出了和角公式,即:

和角公式的用途

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数学计算

利用和角公式,可以更方便地计算一些角的三角函数值,例如,当计算
的值时,由
立刻就能得到:
通过和角公式,可以获得辅助角公式:
其中
,这个运算技巧可以简化计算。

三角恒等式的推导

和角公式是推导三角函数恒等式的基础,利用和角公式,还可以推导出差角公式、二倍角公式等。
替换和角公式中的
,可得差角公式:
由和角公式可得:
这样,就得到了二倍角公式:
通过和角公式和差角公式的加减可以得到积化和差以及和差化积公式,例如,将
的等式两边相加,可以得到:
,进而:
,可解得
,代入上述等式,可得:
用类似的方法,可以得到积化和差公式:
以及和差化积公式:

复数域内的和角公式

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由欧拉公式
可得
两式分别相加、减可得三角函数的指数定义:
对任意的
由定义式可得:
在负数域上仍然成立,同理可证三角函数的和、差角公式在复数域上均成立。 [1]
这样,就将三角函数和角公式推广到了复数域内。
通过复数域内的和角公式,可以更方便地计算出复数的三角函数值,设
,其中
,则:
其中
分别称作双曲的正弦函数和余弦函数。
同理可算出其他的三角函数值。

发展历史

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公元2世纪,古希腊数学家和天文学家托勒密提出了后人以其名字命名的定理:圆内接四边形两组对边乘积之和等于两对角线乘积。通过这个定理,人们推导出了三角函数的和角公式。公元10世纪,阿拉伯数学家阿布·韦发推导出了和角公式的等价形式:
公元12世纪,印度数学家婆什迦罗也得到了和角公式。
和角公式成为了数学家们研究三角函数的有力工具,为许多三角恒等式的发现奠定了基础。 [2]