2023届高考一轮复习讲义(文科)第四章 三角函数、解三角形 第6讲 第2课时 正、余弦定理的综合问题学案
展开与三角形面积有关的问题(多维探究)
角度一 计算三角形的面积
(1)(2019·高考全国卷Ⅱ)△ABC的内角A,B,C的对边分别为a,b,c,若b=6,a=2c,B=eq \f(π,3),则△ABC的面积为 .
(2)(2020·福建五校第二次联考)在△ABC中,A,B,C所对的边分别为a,b,c,已知a2+b2-c2=eq \r(3)ab,且acsin B=2eq \r(3)sin C,则△ABC的面积为 .
【解析】 (1)法一:因为a=2c,b=6,B=eq \f(π,3),所以由余弦定理b2=a2+c2-2accs B,得62=(2c)2+c2-2×2c×ccs eq \f(π,3),得c=2eq \r(3),所以a=4eq \r(3),所以△ABC的面积S=eq \f(1,2)acsin B=eq \f(1,2)×4eq \r(3)×2eq \r(3)×sin eq \f(π,3)=6eq \r(3).
法二:因为a=2c,b=6,B=eq \f(π,3),所以由余弦定理b2=a2+c2-2accs B,得62=(2c)2+c2-2×2c×ccs eq \f(π,3),得c=2eq \r(3),所以a=4eq \r(3),所以a2=b2+c2,所以A=eq \f(π,2),所以△ABC的面积S=eq \f(1,2)×2eq \r(3)×6=6eq \r(3).
(2)因为a2+b2-c2=eq \r(3)ab,所以由余弦定理得cs C=eq \f(a2+b2-c2,2ab)=eq \f(\r(3)ab,2ab)=eq \f(\r(3),2),又0<C<π,所以C=eq \f(π,6).因为acsin B=2eq \r(3)sin C,所以结合正弦定理可得abc=2eq \r(3)c,所以ab=2eq \r(3).故S△ABC=eq \f(1,2)absin C=eq \f(1,2)×2eq \r(3)sineq \f(π,6)=eq \f(\r(3),2).
【答案】 (1)6eq \r(3) (2)eq \f(\r(3),2)
eq \a\vs4\al()
求三角形面积的方法
(1)若三角形中已知一个角(角的大小或该角的正、余弦值),结合题意求解这个角的两边或该角的两边之积,代入公式求面积;
(2)若已知三角形的三边,可先求其中一个角的余弦值,再求其正弦值,代入公式求面积,总之,结合图形恰当选择面积公式是解题的关键.
角度二 已知三角形的面积解三角形
(2020·湖南五市十校共同体联考改编)已知a,b,c分别为△ABC的内角A,B,C的对边,(3b-a)cs C=ccs A,c是a,b的等比中项,且△ABC的面积为3eq \r(2),则ab= ,a+b= .
【解析】 因为(3b-a)cs C=ccs A,所以利用正弦定理可得3sin Bcs C=sin Acs C+sin Ccs A=sin(A+C)=sinB.又因为sin B≠0,所以cs C=eq \f(1,3),则C为锐角,所以sin C=eq \f(2\r(2),3).由△ABC的面积为3eq \r(2),可得eq \f(1,2)absin C=3eq \r(2),所以ab=9.由c是a,b的等比中项可得c2=ab,由余弦定理可得c2=a2+b2-2abcs C,所以(a+b)2=eq \f(11,3)ab=33,所以a+b=eq \r(33).
【答案】 9 eq \r(33)
eq \a\vs4\al()
已知三角形面积求边、角的方法
(1)若求角,就寻求这个角的两边的关系,利用面积公式列方程求解;
(2)若求边,就寻求与该边(或两边)有关联的角,利用面积公式列方程求解.
[注意] 正弦定理、余弦定理与三角函数性质的综合应用中,要注意三角函数公式的工具性作用.
1.(2020·济南市模拟考试)在△ABC中,AC=eq \r(5),BC=eq \r(10),cs A=eq \f(2\r(5),5),则△ABC的面积为( )
A.eq \f(5,2) B.5
C.10 D.eq \f(\r(10),2)
解析:选A.由AC=eq \r(5),BC=eq \r(10),BC2=AB2+AC2-2AC·ABcs A,得AB2-4AB-5=0,解得AB=5,而sin A=eq \r(1-cs2A)=eq \f(\r(5),5),故S△ABC=eq \f(1,2)×5×eq \r(5)×eq \f(\r(5),5)=eq \f(5,2).选A.
2.(2020·长沙市统一模拟考试)已知△ABC的内角A,B,C的对边分别为a,b,c,且asin(A+B)=csineq \f(B+C,2).
(1)求A;
(2)若△ABC的面积为eq \r(3),周长为8,求a.
解:(1)由题设得asin C=ccseq \f(A,2),
由正弦定理得sin Asin C=sin Ccseq \f(A,2),
所以sin A=cs eq \f(A,2),
所以2sineq \f(A,2)cseq \f(A,2)=cseq \f(A,2),所以sineq \f(A,2)=eq \f(1,2),
所以A=60°.
(2)由题设得eq \f(1,2)bcsin A=eq \r(3),从而bc=4.
由余弦定理a2=b2+c2-2bccs A,得a2=(b+c)2-12.
又a+b+c=8,所以a2=(8-a)2-12,解得a=eq \f(13,4).
三角形面积或周长的最值(范围)问题(师生共研)
(2019·高考全国卷Ⅲ)△ABC的内角A,B,C的对边分别为a,b,c.已知asineq \f(A+C,2)=bsin A.
(1)求B;
(2)若△ABC为锐角三角形,且c=1,求△ABC面积的取值范围.
【解】 (1)由题设及正弦定理得sin Asineq \f(A+C,2)=sin Bsin A.
因为sin A≠0,所以sineq \f(A+C,2)=sin B.
由A+B+C=180°,可得sineq \f(A+C,2)=cseq \f(B,2),故cseq \f(B,2)=2sineq \f(B,2)cseq \f(B,2).
因为cseq \f(B,2)≠0,故sineq \f(B,2)=eq \f(1,2),因此B=60°.
(2)由题设及(1)知△ABC的面积S△ABC=eq \f(\r(3),4)a.
由正弦定理得a=eq \f(csin A,sin C)=eq \f(sin(120°-C),sin C)=eq \f(\r(3),2tan C)+eq \f(1,2).
由于△ABC为锐角三角形,故0°由(1)知A+C=120°,
所以30°
eq \a\vs4\al()
求有关三角形面积或周长的最值(范围)问题
在解决求有关三角形面积或周长的最值(范围)问题时,一般将其转化为一个角的一个三角函数,利用三角函数的有界性求解,或利用余弦定理转化为边的关系,再应用基本不等式求解.
(一题多解)(2020·福州市质量检测)△ABC的内角A,B,C的对边分别为a,b,c.若角A,B,C成等差数列,且b=eq \f(\r(3),2).
(1)求△ABC外接圆的直径;
(2)求a+c的取值范围.
解:(1)因为角A,B,C成等差数列,所以2B=A+C,
又因为A+B+C=π,所以B=eq \f(π,3).
根据正弦定理得,△ABC的外接圆直径2R=eq \f(b,sin B)=eq \f(\f(\r(3),2),sin\f(π,3))=1.
(2)法一:由B=eq \f(π,3),知A+C=eq \f(2π,3),可得0<A<eq \f(2π,3).
由(1)知△ABC的外接圆直径为1,根据正弦定理得,
eq \f(a,sin A)=eq \f(b,sin B)=eq \f(c,sin C)=1,
所以a+c=sin A+sin C
=sin A+sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(2π,3)-A))
=eq \r(3)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(\r(3),2)sin A+\f(1,2)cs A))
=eq \r(3)sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(A+\f(π,6))).
因为0<A<eq \f(2π,3),所以eq \f(π,6)<A+eq \f(π,6)<eq \f(5π,6).
所以eq \f(1,2)<sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(A+\f(π,6)))≤1,
从而eq \f(\r(3),2)<eq \r(3)sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(A+\f(π,6)))≤eq \r(3),
所以a+c的取值范围是eq \b\lc\(\rc\](\a\vs4\al\c1(\f(\r(3),2),\r(3))).
法二:由(1)知,B=eq \f(π,3),
b2=a2+c2-2accs B=(a+c)2-3ac
≥(a+c)2-3eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(a+c,2)))eq \s\up12(2)=eq \f(1,4)(a+c)2(当且仅当a=c时,取等号),因为b=eq \f(\r(3),2),所以(a+c)2≤3,即a+c≤eq \r(3),
又三角形两边之和大于第三边,所以eq \f(\r(3),2)<a+c≤eq \r(3),
所以a+c的取值范围是eq \b\lc\(\rc\](\a\vs4\al\c1(\f(\r(3),2),\r(3))).
解三角形与三角函数的综合应用(师生共研)
(2020·湖南省五市十校联考)已知向量m=(cs x,sin x),n=(cs x,eq \r(3)cs x),x∈R,设函数f(x)=m·n+eq \f(1,2).
(1)求函数f(x)的解析式及单调递增区间;
(2)设a,b,c分别为△ABC的内角A,B,C的对边,若f(A)=2,b+c=2eq \r(2),△ABC的面积为eq \f(1,2),求a的值.
【解】 (1)由题意知,f(x)=cs2x+eq \r(3)sin xcs x+eq \f(1,2)=sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(2x+\f(π,6)))+1.
令2x+eq \f(π,6)∈eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(-\f(π,2)+2kπ,\f(π,2)+2kπ)),k∈Z,解得x∈eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(-\f(π,3)+kπ,\f(π,6)+kπ)),k∈Z,
所以函数f(x)的单调递增区间为eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(-\f(π,3)+kπ,\f(π,6)+kπ)),k∈Z.
(2)因为f(A)=sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(2A+\f(π,6)))+1=2,
所以sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(2A+\f(π,6)))=1.
因为0<A<π,所以eq \f(π,6)<2A+eq \f(π,6)<eq \f(13π,6),所以2A+eq \f(π,6)=eq \f(π,2),即A=eq \f(π,6).
由△ABC的面积S=eq \f(1,2)bcsin A=eq \f(1,2),得bc=2,
又b+c=2eq \r(2),所以a2=b2+c2-2bccs A=(b+c)2-2bc(1+cs A),
解得a=eq \r(3)-1.
eq \a\vs4\al()
标注条件,合理建模
解决三角函数的应用问题,无论是实际应用问题还是三角函数与解三角形相结合的问题,关键是准确找出题中的条件并在三角形中进行准确标注,然后根据条件和所求建立相应的数学模型,转化为可利用正弦定理或余弦定理解决的问题.
△ABC中的内角A,B,C的对边分别为a,b,c,已知b=2a-2ccs B.
(1)求角C的大小;
(2)求eq \r(3)cs A+sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(B+\f(π,3)))的最大值,并求出取得最大值时角A,B的值.
解:(1)法一:在△ABC中,由正弦定理可知sin B=2sin A-2sin Ccs B,
又A+B+C=π,
则sin A=sin(π-(B+C))=sin(B+C),于是有sin B=2sin(B+C)-2sin Ccs B=2sin Bcs C+2cs Bsin C-2sin Ccs B,
整理得sin B=2sin Bcs C,又sin B≠0,
则cs C=eq \f(1,2),
因为0
整理得a2+b2-c2=ab,
即cs C=eq \f(1,2),
因为0
于是eq \r(3)cs A+sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(B+\f(π,3)))=eq \r(3)cs A+sin(π-A)=eq \r(3)cs A+sin A=2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(A+\f(π,3))),
因为A=eq \f(2π,3)-B,所以0所以eq \f(π,3)故当A=eq \f(π,6)时,2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(A+\f(π,3)))的最大值为2,此时B=eq \f(π,2).
[基础题组练]
1.△ABC的内角A,B,C所对的边分别为a,b,c,已知b=eq \r(7),c=4,cs A=eq \f(\r(7),4),则△ABC的面积等于( )
A.3eq \r(7) B.eq \f(3\r(7),2)
C.9 D.eq \f(9,2)
解析:选B.因为cs A=eq \f(\r(7),4),则sin A=eq \f(3,4),所以S△ABC=eq \f(1,2)×bcsin A=eq \f(3\r(7),2),故选B.
2.在△ABC中,已知C=eq \f(π,3),b=4,△ABC的面积为2eq \r(3),则c=( )
A.2eq \r(7) B.eq \r(7)
C.2eq \r(2) D.2eq \r(3)
解析:选D.由S=eq \f(1,2)absin C=2a×eq \f(\r(3),2)=2eq \r(3),解得a=2,由余弦定理得c2=a2+b2-2abcs C=12,故c=2eq \r(3).
3.(2020·河南三市联考)已知a,b,c分别为△ABC三个内角A,B,C的对边,sin A∶sin B=1∶eq \r(3),c=2cs C=eq \r(3),则△ABC的周长为( )
A.3+3eq \r(3) B.2eq \r(3)
C.3+2eq \r(3) D.3+eq \r(3)
解析:选C.因为sin A∶sin B=1∶eq \r(3),所以b=eq \r(3)a,
由余弦定理得cs C=eq \f(a2+b2-c2,2ab)=eq \f(a2+(\r(3)a)2-c2,2a×\r(3)a)=eq \f(\r(3),2),
又c=eq \r(3),所以a=eq \r(3),b=3,所以△ABC的周长为3+2eq \r(3),故选C.
4.(2020·湖南师大附中4月模拟)若△ABC的内角A,B,C的对边分别为a,b,c,且b=2,c=eq \r(5),△ABC的面积S=eq \f(\r(5),2)cs A,则a=( )
A.1 B.eq \r(5)
C.eq \r(13) D.eq \r(17)
解析:选A.因为b=2,c=eq \r(5),S=eq \f(\r(5),2)cs A=eq \f(1,2)bcsin A=eq \r(5)sin A,所以sin A=eq \f(1,2)cs A.
所以sin2A+cs2A=eq \f(1,4)cs2A+cs2A=eq \f(5,4)cs2A=1.易得cs A=eq \f(2\r(5),5).
所以a2=b2+c2-2bccs A=4+5-2×2×eq \r(5)×eq \f(2\r(5),5)=9-8=1,所以a=1.故选A.
5.(2020·开封市定位考试)已知△ABC的内角A,B,C的对边分别为a,b,c,△ABC的面积为4eq \r(3),且2bcs A+a=2c,a+c=8,则其周长为( )
A.10 B.12
C.8+eq \r(3) D.8+2eq \r(3)
解析:选B.因为△ABC的面积为4eq \r(3),所以eq \f(1,2)acsin B=4eq \r(3).因为2bcs A+a=2c,所以由正弦定理得2sin Bcs A+sin A=2sin C,又A+B+C=π,所以2sin Bcs A+sin A=2sin Acs B+2cs Asin B,所以sin A=2cs B·sin A,因为sin A≠0,所以cs B=eq \f(1,2),因为0<B<π,所以B=eq \f(π,3),所以ac=16,又a+c=8,所以a=c=4,所以△ABC为正三角形,所以△ABC的周长为3×4=12.故选B.
6.在△ABC中,A=eq \f(π,4),b2sin C=4eq \r(2)sin B,则△ABC的面积为 .
解析:因为b2sin C=4eq \r(2)sin B,
所以b2c=4eq \r(2)b,所以bc=4eq \r(2),
S△ABC=eq \f(1,2)bcsin A=eq \f(1,2)×4eq \r(2)×eq \f(\r(2),2)=2.
答案:2
7.(2020·江西赣州五校协作体期中改编)在△ABC中,A=eq \f(π,3),b=4,a=2eq \r(3),则B= ,△ABC的面积等于 .
解析:△ABC中,由正弦定理得sin B=eq \f(bsin A,a)=eq \f(4×sin\f(π,3),2\r(3))=1.又B为三角形的内角,所以B=eq \f(π,2),所以c=eq \r(b2-a2)=eq \r(42-(2\r(3))2)=2,
所以S△ABC=eq \f(1,2)×2×2eq \r(3)=2eq \r(3).
答案:eq \f(π,2) 2eq \r(3)
8.在△ABC中,a,b,c分别是内角A,B,C的对边,且B为锐角,若eq \f(sin A,sin B)=eq \f(5c,2b),sin B=eq \f(\r(7),4),S△ABC=eq \f(5\r(7),4),则b的值为 .
解析:由eq \f(sin A,sin B)=eq \f(5c,2b)⇒eq \f(a,b)=eq \f(5c,2b)⇒a=eq \f(5,2)c,①
由S△ABC=eq \f(1,2)acsin B=eq \f(5\r(7),4)且sin B=eq \f(\r(7),4)得eq \f(1,2)ac=5,②
联立①,②得a=5,且c=2.
由sin B=eq \f(\r(7),4)且B为锐角知cs B=eq \f(3,4),
由余弦定理知b2=25+4-2×5×2×eq \f(3,4)=14,b=eq \r(14).
答案:eq \r(14)
9.在△ABC中,∠A=60°,c=eq \f(3,7)a.
(1)求sin C的值;
(2)若a=7,求△ABC的面积.
解:(1)在△ABC中,因为∠A=60°,c=eq \f(3,7)a,
所以由正弦定理得sin C=eq \f(csin A,a)=eq \f(3,7)×eq \f(\r(3),2)=eq \f(3\r(3),14).
(2)因为a=7,所以c=eq \f(3,7)×7=3.
由余弦定理a2=b2+c2-2bccs A得72=b2+32-2b×3×eq \f(1,2),
解得b=8或b=-5(舍).
所以△ABC的面积S=eq \f(1,2)bcsin A=eq \f(1,2)×8×3×eq \f(\r(3),2)=6eq \r(3).
10.(2020·福建五校第二次联考)在△ABC中,角A,B,C的对边分别是a,b,c,且eq \r(3)acs C=(2b-eq \r(3)c)cs A.
(1)求角A的大小;
(2)若a=2,求△ABC面积的最大值.
解:(1)由正弦定理可得,eq \r(3)sin Acs C=2sin Bcs A-eq \r(3)sin Ccs A,
从而eq \r(3)sin(A+C)=2sin Bcs A,
即eq \r(3)sin B=2sin Bcs A.
又B为三角形的内角,所以sin B≠0,于是cs A=eq \f(\r(3),2),
又A为三角形的内角,所以A=eq \f(π,6).
(2)由余弦定理a2=b2+c2-2bccs A,得4=b2+c2-2bc×eq \f(\r(3),2)≥2bc-eq \r(3)bc,
所以bc≤4(2+eq \r(3)),所以S△ABC=eq \f(1,2)bcsin A≤2+eq \r(3),故△ABC面积的最大值为2+eq \r(3).
[综合题组练]
1.(2020·昆明市诊断测试)在平面四边形ABCD中,∠D=90°,∠BAD=120°,AD=1,AC=2,AB=3,则BC=( )
A.eq \r(5) B.eq \r(6)
C.eq \r(7) D.2eq \r(2)
解析:选C.如图,在△ACD中,∠D=90°,AD=1,AC=2,所以∠CAD=60°.又∠BAD=120°,所以∠BAC=∠BAD-∠CAD=60°.在△ABC中,由余弦定理得BC2=AB2+AC2-2AB·ACcs∠BAC=7,所以BC=eq \r(7).故选C.
2.在△ABC中,角A,B,C的对边分别是a,b,c,eq \f(asin A+bsin B-csin C,sin Bsin C)=eq \f(2\r(3),3)a,a=2eq \r(3).若b∈[1,3],则c的最小值为 .
解析:由eq \f(asin A+bsin B-csin C,sin Bsin C)=eq \f(2\r(3),3)a,得eq \f(a2+b2-c2,2ab)=eq \f(\r(3),3)sin C.由余弦定理可知cs C=eq \f(a2+b2-c2,2ab),即3cs C=eq \r(3)sin C,所以tan C=eq \r(3),故cs C=eq \f(1,2),所以c2=b2-2eq \r(3)b+12=(b-eq \r(3))2+9,因为b∈[1,3],所以当b=eq \r(3)时,c取最小值3.
答案:3
3.(2020·重庆市学业质量调研)△ABC的内角A,B,C所对的边分别为a,b,c,已知△ABC的面积为eq \f(\r(3),2)accs B,且sin A=3sin C.
(1)求角B的大小;
(2)若c=2,AC的中点为D,求BD的长.
解:(1)因为S△ABC=eq \f(1,2)acsin B=eq \f(\r(3),2)accs B,
所以tan B=eq \r(3).
又0<B<π,所以B=eq \f(π,3).
(2)sin A=3sin C,由正弦定理得,a=3c,所以a=6.
由余弦定理得,b2=62+22-2×2×6×cs 60°=28,所以b=2eq \r(7).
所以cs A=eq \f(b2+c2-a2,2bc)=eq \f((2\r(7))2+22-62,2×2×2\r(7))=-eq \f(\r(7),14).
因为D是AC的中点,所以AD=eq \r(7).
所以BD2=AB2+AD2-2AB·ADcs A=22+(eq \r(7))2-2×2×eq \r(7)×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(-\f(\r(7),14)))=13.
所以BD=eq \r(13).
4.(2020·原创题)在△ABC中,sin A∶cs B∶tan A=12∶16∶15.
(1)求sin C;
(2)若AB=8,点D为△ABC外接圆上的动点,求eq \(DA,\s\up6(→))·eq \(DC,\s\up6(→))的最大值.
解:(1)由sin A∶tan A=12∶15,得cs A=eq \f(4,5),故sin A=eq \f(3,5),所以由sin A∶cs B=12∶16,得cs B=eq \f(4,5),故sin B=eq \f(3,5),于是sin C=sin(A+B)=sin Acs B+cs Asin B=eq \f(24,25).
(2)在△ABC中,由eq \f(AC,sin B)=eq \f(AB,sin C),解得AC=5,由A,B,C,D四点共圆及题干条件,可知∠ADC=∠ABC时eq \(DA,\s\up6(→))·eq \(DC,\s\up6(→))取得最大值,
设DA=m,DC=n,在△DAC中,由余弦定理的推论得cs∠ADC=eq \f(m2+n2-52,2mn)=eq \f(4,5),
故eq \f(8,5)mn=m2+n2-25≥2mn-25,
解得mn≤eq \f(125,2),
故eq \(DA,\s\up6(→))·eq \(DC,\s\up6(→))=eq \f(4,5)mn≤eq \f(4,5)×eq \f(125,2)=50,
当且仅当m=n=eq \f(5\r(10),2)时,等号成立,
故eq \(DA,\s\up6(→))·eq \(DC,\s\up6(→))的最大值为50.
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