§3. Công thức lượng giác

Nội dung lý thuyết

Các phiên bản khác

I. CÔNG THỨC CỘNG

Công thức cộng là những công thức biểu thị \(\cos\left(a\pm b\right)\)\(\sin\left(a\pm b\right)\)\(\tan\left(a\pm b\right)\)\(\cot\left(a\pm b\right)\) qua các giá trị lượng giác của các góc \(a\) và \(b\). Ta có

\(\cos\left(a-b\right)=\cos a.\cos b+\sin a.\sin b\)

\(\cos\left(a+b\right)=\cos a.\cos b-\sin a.\sin b\)

\(\sin\left(a-b\right)=\sin a.\cos b-\cos a.\sin b\)

\(\sin\left(a+b\right)=\sin a.\cos b+\cos a.\sin b\)

\(\tan\left(a-b\right)=\dfrac{\tan a-\tan b}{1+\tan a.\tan b}\)

\(\tan\left(a+b\right)=\dfrac{\tan a+\tan b}{1-\tan a.\tan b}\)

Với điều kiện là các biểu thức đều có nghĩa.

Ví dụ 1: Thực hiện tính:

             a) \(\cos\dfrac{7\pi}{12}\) ;

             b) \(\sin\dfrac{\pi}{12}\) ;

             c) \(\tan\dfrac{13\pi}{12}\).

Giải:

a) Ta có: \(\cos\dfrac{7\pi}{12}=\cos\left(\dfrac{\pi}{3}+\dfrac{\pi}{4}\right)\)

                      \(=\cos\dfrac{\pi}{3}.\cos\dfrac{\pi}{4}-\sin\dfrac{\pi}{3}.\sin\dfrac{\pi}{4}\)

                      \(=\dfrac{1}{2}.\dfrac{\sqrt{2}}{2}-\dfrac{\sqrt{3}}{2}.\dfrac{\sqrt{2}}{2}=\dfrac{\sqrt{2}-\sqrt{6}}{4}\)

b) Ta có: \(\sin\dfrac{\pi}{12}=\sin\left(\dfrac{\pi}{3}-\dfrac{\pi}{4}\right)\)

                      \(=\sin\dfrac{\pi}{3}.\cos\dfrac{\pi}{4}-\cos\dfrac{\pi}{3}.\sin\dfrac{\pi}{4}\)

                      \(=\dfrac{\sqrt{3}}{2}.\dfrac{\sqrt{2}}{2}-\dfrac{1}{2}.\dfrac{\sqrt{2}}{2}=\dfrac{\sqrt{6}-\sqrt{2}}{4}\)

c) Ta có: \(\tan\dfrac{13\pi}{12}=\tan\left(\dfrac{\pi}{2}+\pi\right)\) \(=\tan\dfrac{\pi}{12}\) 

                         \(=\tan\left(\dfrac{\pi}{3}-\dfrac{\pi}{4}\right)\) \(=\dfrac{\tan\dfrac{\pi}{3}-\tan\dfrac{\pi}{4}}{1+\tan\dfrac{\pi}{3}.\tan\dfrac{\pi}{4}}\)

                         \(=\dfrac{\sqrt{3}-1}{1+\sqrt{3}}\)

Ví dụ 2: Chứng minh rằng: \(\dfrac{\sin\left(a+b\right)}{\sin\left(a-b\right)}=\dfrac{\tan a+\tan b}{\tan a-\tan b}\).

Giải:

Ta có: \(\dfrac{\sin\left(a+b\right)}{\sin\left(a-b\right)}=\dfrac{\sin a.\cos b+\cos a.\sin b}{\sin a.\cos b-\cos a.\sin b}\)

Chia cả tử và mẫu của vế phải cho \(\cos a.\cos b\) ta được \(\dfrac{\dfrac{\sin a}{\cos a}+\dfrac{\sin b}{\cos b}}{\dfrac{\sin a}{\cos a}-\dfrac{\sin b}{\cos b}}\)

hay chính là \(\dfrac{\tan a+\tan b}{\tan a-\tan b}\).

Vậy \(\dfrac{\sin\left(a+b\right)}{\sin\left(a-b\right)}=\dfrac{\tan a+\tan b}{\tan a-\tan b}\).

Ví dụ 3: Rút gọn biểu thức sau: \(A=\cos\left(\dfrac{\pi}{2}-a\right)\sin\left(\dfrac{\pi}{2}-b\right)-\sin\left(a-b\right)\).

Giải:

Áp dụng các công thức: \(\sin\left(a-b\right)=\sin a.\cos b-\cos a.\sin b\) ;

                                       \(\sin\left(\dfrac{\pi}{2}-b\right)=\cos b\)  ;  \(\cos\left(\dfrac{\pi}{2}-a\right)=\sin a\)

Ta có: \(A=\cos\left(\dfrac{\pi}{2}-a\right)\sin\left(\dfrac{\pi}{2}-b\right)-\sin\left(a-b\right)\)

              \(=\) \(\sin a.\cos b-\text{​​}\)\((\sin a.\cos b-\cos a.\sin b)\)

              \(=\) \(\sin a.\cos b-\text{​​}\)\(\sin a.\cos b+\cos a.\sin b\)

              \(=\) \(\cos a.\sin b\).

 

@43239@

II. CÔNG THỨC NHÂN ĐÔI

Cho \(a=b\) trong các công thức cộng ta được các công thức nhân đôi sau:

\(\sin2a=2\sin a\cos a\)

\(\cos2a=\cos^2a-\sin^2a=2\cos^2a-1=1-2\sin^2a\)

\(\tan2a=\dfrac{2\tan a}{1-\tan^2a}\)

Từ các công thức nhân đôi suy ra các công thức:

                               \(\cos^2a=\dfrac{1+\cos2a}{2}\)

                               \(\sin^2a=\dfrac{1-\cos2a}{2}\)

                               \(\tan^2a=\dfrac{1-\cos2a}{1+\cos2a}\)

Các công thức này được gọi là các công thức hạ bậc.

Ví dụ 1: Biết \(\sin a+\cos a=\dfrac{1}{2}\). Tính \(\sin2a\).

Giải:

Ta có: \(1=\sin^2a+\cos^2a=\left(\sin a+\cos a\right)^2-2\sin a\cos a\)

             \(=\left(\dfrac{1}{2}\right)^2-\sin2a=\dfrac{1}{4}-\sin2a\)

\(\Rightarrow\sin2a=\dfrac{1}{4}-1=-\dfrac{3}{4}\)

Vậy \(\sin2a=-\dfrac{3}{4}\).

Ví dụ 2: Tính \(\cos\dfrac{\pi}{8}\).

Giải:

Ta có: \(\cos\dfrac{\pi}{4}=\dfrac{\sqrt{2}}{2}\) hay \(\cos\left(2.\dfrac{\pi}{8}\right)=\dfrac{\sqrt{2}}{2}\)

\(\Rightarrow2\cos^2\dfrac{\pi}{8}-1=\dfrac{\sqrt{2}}{2}\)

Suy ra \(2\cos^2\dfrac{\pi}{8}=1+\dfrac{\sqrt{2}}{2}\) \(\Rightarrow\) \(\cos^2\dfrac{\pi}{8}=\dfrac{2+\sqrt{2}}{4}\)

Do \(\cos\dfrac{\pi}{8}>0\) nên suy ra \(\cos\dfrac{\pi}{8}=\dfrac{\sqrt{2+\sqrt{2}}}{2}\).

Ví dụ 3: Tính \(\tan2a\) biết \(\sin a+\cos a=\dfrac{1}{2}\) và \(\dfrac{\pi}{2}< a< \dfrac{3\pi}{4}\).

Giải:

Ta có: \(\left(\sin a+\cos a\right)^2=\sin^2a+\cos^2a+2\sin a\cos a=1+\sin2a\)

     \(\Rightarrow\sin2a=\left(\sin a+\cos a\right)^2-1=\left(\dfrac{1}{2}\right)^2-1=-\dfrac{3}{4}\)

Lại có: \(\sin^22a+\cos^22a=1\)

     \(\Rightarrow\cos^22a=1-\sin^22a=1-\left(-\dfrac{3}{4}\right)^2=\dfrac{7}{16}\)

Mà \(\dfrac{\pi}{2}< a< \dfrac{3\pi}{4}\) \(\Rightarrow\pi< 2a< \dfrac{3\pi}{2}\Rightarrow\cos2a< 0\)

Nên \(\cos2a=-\sqrt{\dfrac{7}{16}}=-\dfrac{\sqrt{7}}{4}\)

Do đó: \(\tan2a=\dfrac{\sin2a}{\cos2a}=\dfrac{\dfrac{-3}{4}}{\dfrac{-\sqrt{7}}{4}}=\dfrac{3}{\sqrt{7}}\).

 

@1920594@

III. CÔNG THỨC BIẾN ĐỔI TÍCH THÀNH TỔNG, TỔNG THÀNH TÍCH

1. Công thức biến đổi tích thành tổng

\(\cos a\cos b=\dfrac{1}{2}\left[\cos\left(a-b\right)+\cos\left(a+b\right)\right]\)

\(\sin a\sin b=\dfrac{1}{2}\left[\cos\left(a-b\right)-\cos\left(a+b\right)\right]\)

\(\sin a\cos b=\dfrac{1}{2}\left[\sin\left(a-b\right)+\sin\left(a+b\right)\right]\)

Các công thức trên được gọi là các công thức biến đổi tích thành tổng.

Ví dụ 1: Tính giá trị của các biểu thức:

          a) \(A=\sin\dfrac{\pi}{8}\cos\dfrac{3\pi}{8}\)  ;   

          b) \(B=\sin\dfrac{13\pi}{24}\sin\dfrac{5\pi}{24}\).

Giải:

a) \(A=\sin\dfrac{\pi}{8}\cos\dfrac{3\pi}{8}\) \(=\dfrac{1}{2}\left[\sin\left(\dfrac{\pi}{8}-\dfrac{3\pi}{8}\right)+\sin\left(\dfrac{\pi}{8}+\dfrac{3\pi}{8}\right)\right]\)

        \(=\dfrac{1}{2}\left[\sin\left(-\dfrac{\pi}{4}\right)+\sin\dfrac{\pi}{2}\right]\)

        \(=\dfrac{1}{2}\left(1-\dfrac{\sqrt{2}}{2}\right)\)

b) \(B=\sin\dfrac{13\pi}{24}\sin\dfrac{5\pi}{24}\) \(=\dfrac{1}{2}\left[\cos\left(\dfrac{13\pi}{24}-\dfrac{5\pi}{24}\right)-\cos\left(\dfrac{13\pi}{24}+\dfrac{5\pi}{24}\right)\right]\)

        \(=\dfrac{1}{2}\left(\cos\dfrac{\pi}{3}-\cos\dfrac{3\pi}{4}\right)\)

        \(=\dfrac{1}{2}\left(\dfrac{1}{2}+\dfrac{\sqrt{2}}{2}\right)=\dfrac{1+\sqrt{2}}{4}\)

 

@1920660@

2. Công thức biến đổi tổng thành tích

\(\cos u+\cos v=2\cos\dfrac{u+v}{2}\cos\dfrac{u-v}{2}\)

\(\cos u-\cos v=-2\sin\dfrac{u+v}{2}\sin\dfrac{u-v}{2}\)

\(\sin u+\sin v=2\sin\dfrac{u+v}{2}\cos\dfrac{u-v}{2}\)

\(\sin u-\sin v=2\cos\dfrac{u+v}{2}\sin\dfrac{u-v}{2}\)

Ví dụ 2: Tính \(A=\cos\dfrac{\pi}{9}+\cos\dfrac{5\pi}{9}+\cos\dfrac{7\pi}{9}\).

Giải:

\(A=\cos\dfrac{\pi}{9}+\cos\dfrac{5\pi}{9}+\cos\dfrac{7\pi}{9}\)

    \(=\left(\cos\dfrac{\pi}{9}+\cos\dfrac{7\pi}{9}\right)+\cos\dfrac{5\pi}{9}\)

    \(=2\cos\dfrac{4\pi}{9}\cos\dfrac{\pi}{3}-\cos\left(\pi-\dfrac{5\pi}{9}\right)\)

    \(=\cos\dfrac{4\pi}{9}-\cos\dfrac{4\pi}{9}=0\)

Ví dụ 3: Rút gọn biểu thức \(B=\dfrac{\sin x+\sin3x+\sin5x}{\cos x+\cos3x+\cos5x}\).

Giải:

Ta có: \(\sin x+\sin3x+\sin5x=\left(\sin5x+\sin x\right)+\sin3x\)

          \(=2\sin\dfrac{5x+x}{2}\cos\dfrac{5x-x}{2}+\sin3x\)

          \(=2\sin3x\cos2x+\sin3x\)

          \(=\sin3x\left(2\cos2x+1\right)\)  (1)

Lại có: \(\cos x+\cos3x+\cos5x=\left(\cos5x+\cos x\right)+\cos3x\)

          \(=2\cos\dfrac{5x+x}{2}\cos\dfrac{5x-x}{2}+\cos3x\)

          \(=2\cos3x\cos2x+\cos3x\)

          \(=\cos3x\left(2\cos2x+1\right)\)  (2)

Từ (1) và (2) suy ra \(A=\dfrac{\sin3x\left(2\cos2x+1\right)}{\cos3x\left(2\cos2x+1\right)}=\dfrac{\sin3x}{\cos3x}=\tan3x\)

Vậy \(A=\tan3x\).

Ví dụ 4: Chứng minh rằng trong tam giác \(ABC\) ta có

             \(\sin A+\sin B+\sin C=4\cos\dfrac{A}{2}\cos\dfrac{B}{2}\cos\dfrac{C}{2}\)

Giải:

Trong tam giác \(ABC\) ta có \(A+B+C=\pi\)

Từ đó suy ra \(\dfrac{A+B}{2}=\dfrac{\pi}{2}-\dfrac{C}{2}\)

Vì vậy: \(\sin\dfrac{A+B}{2}=\dfrac{\cos C}{2}\)\(\sin\dfrac{C}{2}=\cos\dfrac{A+B}{2}\)

Ta có: \(\sin A+\sin B+\sin C=\left(\sin A+\sin B\right)+\sin C\)

          \(=2\sin\dfrac{A+B}{2}\cos\dfrac{A-B}{2}+2\sin\dfrac{C}{2}\cos\dfrac{C}{2}\)

          \(=2\cos\dfrac{C}{2}\left(\cos\dfrac{A-B}{2}+\sin\dfrac{C}{2}\right)\)

          \(=2\cos\dfrac{C}{2}\left(\cos\dfrac{A-B}{2}+\cos\dfrac{A+B}{2}\right)\)

          \(=2\cos\dfrac{C}{2}.(2\cos\dfrac{A}{2}\cos\dfrac{B}{2})\)

          \(=4\cos\dfrac{A}{2}\cos\dfrac{B}{2}\cos\dfrac{C}{2}\).

 

@43261@