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余弦差角公式及其推广

发表: 5/10/2026 更新: 5/20/2026 字数: 0 字 时长: 0 分钟

余弦差角公式

余弦差角图像1 图一 余弦差角示意图

如图,在以原点 O 为圆心的单位圆的第一象限上,有 A(cosβ,sinβ),B(cosα,sinα) 两点,连接 A,O,B 三点作 ΔAOB,其中 AOB=αβ

法一:三角形内勾股定理

过 B 点作线段 AO 的垂线交于 C 点,半径 AO=BO=1.
 cos(αβ)=OCBO=OC
(AB)2=(cosαcosβ)2+(sinαsinβ)2
 OC  x,AC  1x, ΔABC  ΔOBC 
:OB2OC2=(AB)2AX2
1x2=(cosαcosβ)2+(sinαsinβ)2(1x)21x2=cos2α+cos2β2cosαcosβ+sin2α+sin2β2sinαsinβ1x2+2x2x2=(cos2α+sin2α)+(cos2β+sin2β)2(cosαcosβ+sinαsinβ)x2+2xx=cosαcosβ+sinαsinβ
cos(αβ)=cosαcosβ+sinαsinβ

余弦差角图像2 图二 余弦差角-三角形内勾股定理

法二:余弦定理

根据余弦定理,有
(AB)2=(OB)2+(OA)22OBOAcos(αβ)(AB)2=22cos(αβ)
联立:
(AB)2=(cosαcosβ)2+(sinαsinβ)2(AB)2=22cos(αβ)}cos(αβ)=cosαcosβ+sinαsinβ


现在已经我们已经得到了余弦差角公式,它是,它是唯一需要跨角度运算的底层公式,所有涉及到「两个角度加减」的公式都是由其推导,没有例外。

cos(αβ){ββcos(α+β) 余弦和角 sin(α±β) 正弦和差 sin/costan(α±β) 正切和差 β=α

接下来我们将要推广余弦差角公式。

和差公式

 cos(αβ)=cosαcosβ+sinαsinβ
① 余弦和角
cos(α+β)=cosαcos(β)+sinαsin(β)=cosαcosβsinαsinβ
② 正弦差角
sin(αβ)=cos(π2(αβ))=cos((π2α)+β)=cos(π2α)cosβsin(π2α)sinβ=sinαcosβcosαsinβ
③ 正弦和角
sin(α+β)=sinαcos(β)cosαsin(β)=sinαcosβ+cosαsinβ
④ 正切和差
tan(αβ)=sinαcosβcosαsinβcosαcosβ+sinαsinβ=tanαtanβ1+tanαtanβtan(α+β)=sinαcosβ+cosαsinβcosαcosβsinαsinβ=tanα+tanβ1tanαtanβ

整理得三角函数和差公式:

(1)cos(αβ)=cosαcosβ+sinαsinβcos(α+β)=cosαcosβsinαsinβsin(αβ)=sinαcosβcosαsinβsin(α+β)=sinαcosβ+cosαsinβtan(αβ)=tanαtanβ1+tanαtanβtan(α+β)=tanα+tanβ1tanαtanβ
和差公式的逆用-辅助角公式

asinx+bcosx=a2+b2sin(x+φ), 其中 cosφ=aa2+b2,sinφ=ba2+b2
推导:
构造常数 A,令 aA=cosφ,bA=sinφ
cos2φ+sin2φ=1
(aA)2+(bA)2=1a2+b2A2=1A=a2+b2
asinx+bcosx=A(aAsinx+bAcosx)=a2+b2(aa2+b2sinx+ba2+b2cosx)=a2+b2(cosφsinx+sinφcosx)=a2+b2sin(x+φ)

倍角公式

α=β
cos2α=cosαcosαsinαsinα=cos2αsin2α=2cos2α1=12sin2α
sin2α=sinαcosα+cosαsinα=2sinαcosα
tan2α=tanα+tanα1tanαtanα=2tanα1tanα2

整理得三角函数倍角公式:

(2)cos2α=cos2αsin2α=2cos2α1=12sin2αsin2α=2sinαcosαtan2α=2tanα1tanα2

关于 tan x/2 半角公式

半角公式 tanx2=sinx1+cosx=1cosxsinx
{1+cosx=2cos2x2sinx=2cosx2sinx2tanx2=sinx1+cosx
{1cosx=2sin2x2sinx=2cosx2sinx2tanx2=1cosxsinx

该半角公式无根号,化简方便。

降幂公式

由 (2) 得 cos2α=2cos2α1=12sin2α
三角函数降幂公式:

(3)cos2α=1+cos2α2sin2α=1cos2α2tan2α=1cos2α1+cos2α

积化和差、和差化积

  1. 积化和差(和差公式变形)
(4)sinαcosβ=12[sin(α+β)+sin(αβ)]cosαsinβ=12[sin(α+β)sin(αβ)]cosαcosβ=12[cos(α+β)+cos(αβ)]sinαsinβ=12[cos(α+β)cos(αβ)]
  1. 和差化积(对积化和差换元:令 x=α+β, y=αβ
(5)sinx+siny=2sinx+y2cosxy2sinxsiny=2cosx+y2sinxy2cosx+cosy=2cosx+y2cosxy2cosxcosy=2sinx+y2sinxy2

万能公式

三角函数万能公式,使用 tanx2 (记为 t),把 sinxcosxtanx 全部表示为有理整式。
主要作用:把三角函数积分,形如 R(sinx,cosx)dx 的式子转化为有理函数积分,消去三角函数。

t=tanx2
sinx=2sinx2cosx2=2sinx2cosx2sin2x2+cos2x2=2sinx2cosx2(sinx2cosx2)2+1(cos2x2)=2t1+t2
cosx=cos2x2sin2x2=cos2x2sin2x2sin2x2+cos2x2=1(sinx2cosx2)2(sinx2cosx2)2+1(cos2x2)=1t21+t2
tanx=sinxcosx=2t1t2
t=tanx2dt=12sec2x2dx=12(1+tan2x2)dx=12(1+t2)dxdx=21+t2dt

整理得三角函数万能公式(令 t=tanx2):

(6)sinx=2t1+t2cosx=1t21+t2tanx=2t1t2dx=21+t2dt

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