一道课本习题的七种证法

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  现行普通高中课程标准实验教科书(人教A版)必修4第138页B组第3题:
  观察以下各等式:
  sin230°+cos260°+sin30°cos60°=34
  sin220°+cos250°+sin20°cos50°=34
  sin215°+cos245°+sin15°cos45°=34
  分析上述各式的共同特点,写出能反映一般规律的等式,并对等式的正确性作出正明.
  反映一般规律的等式可以是(表述形式不唯一)
  sin2α+cos2(α+30°)+sinαcos(α+30°)=34
  此题对于培养学生观察、发现、分析、综合能力大有帮助,另外,此题证法较多,下面给出七种不同的方法,以期开拓思路,提高解题能力.
  法1:
  sin2α+cos2(α+30°)+sinαcos(α+30°)
  =sin2α+(cosαcos30°-sinαsin30°)2+sinα(cosαcos30°-sinαsin30°)
  =sin2α+32cosα-12sinα2+sinα32cosα-12sinα
  =sin2α+34cos2α-32sinαcosα+14sin2α+32sinαcosα-12sin2α
  =34(sin2α+cos2α)=34
  法2:
  sin2α+cos2(α+30°)+sinαcos(α+30°)
  =1-cos2α2+1+cos(2α+60°)2+12[sin(2α+30°)+sin(-30°)]
  =1+12[cos(2α+60°)-cos2α]+12sin(2α+30°)-14
  =1+12×(-2)sin(2α+30°)sin30°+12sin(2α+30°)-14
  =1-12sin(2α+30°)+12sin(2α+30°)-14
  =34
  法3:
  sin2α+cos2(α+30°)+sinαcos(α+30°)
  =[sinα+cos(α+30°)]2-sinαcos(α+30°)
  =[cos(90°-α)+cos(α+30°)]2-12[sin(2α+30°)+sin(-30°)]
  =[2cos60°cos(30°-α)]2-12sin(2α+30°)+14
  =cos2(30°-α)-12sin(2α+30°)+14
  =1+cos(60°-2α)2-12cos(60°-2α)+14=34
  
  法4:
  sin2α+cos2(α+30°)+sinαcos(α+30°)
  =sin2α+sin2(60°-α)+sinαsin(60°-α)
  =sin2α+sin2(60°-α)+2sinαsin(60°-α)cos60°
  =sin2α+sin2(60°-α)+2sinαsin(60°-α)cos[α+(60°-α)]
  =sin2α+sin2(60°-α)+2sinαsin(60°-α)[cosαcos(60°-α)-sinαsin(60°-α)]
  =sin2α+sin2(60°-α)+2sinαsin(60°-α)
  cosαcos(60°-α)-2sin2αsin2(60°-α)
  =sin2α[1-sin2(60°-α)]+sin2(60°-α)
  (1-sin2α)+2sinαsin(60°-α)cosαcos(60°-α)
  =sin2αcos2(60°-α)+sin2(60°-α)cos2α+2sinαsin(60°-α)cosαcos(60°-α)
  =[sinαcos(60°-α)+cosαsin(60°-α)]2
  =sin2[α+(60°-α)]
  =sin260°
  =34
  法5:令sinα=a+b,cos(α+30°)=a-b
  a=12[sinα+cos(α+30°)]=12[sinα+sin(60°-α)]=12×2sin30°cos(α-30°)
  =12cos(α-30°)
  b=12[sinα-cos(α+30°)]=12[sinα-sin(60°-α)]=12×2cos30°sin(α-30°)
  =-32sin(α-30°)
  原式=(a+b)2+(a-b)2+(a+b)(a-b)=3a2+b2=3×12cos(α-30°)2+-32sin(α-30°)2
  =34[cos2(α-30°)+sin2(α-30°)]=34
  法6:设
  A=sin2α+cos2(α+30°)+sinαcos(α+30°)
  B=cos2α+sin2(α+30°)+cosαsin(α+30°)
  则A+B=2+sin(2α+30°)
  A-B=cos(2α+60°)-cos2α+sin(-30°)
  =-2sin(2α+60°)+2α2sin(2α+60°)-2a2-12
  =-2sin(2α+30°)sin30°-12
  以上两式相加得:2A=32,∴A=34
  法7:原式即为sin2α+sin2(60°-α)+sinαsin(60°-α)=34,
  构造三角形△ABC,令A=α,B=60°-α,C=120°
  sin2α+sin2(60°-α)+sinαsin(60°-α)
  =sin2α+sin2(60°-α)-2sinαsin(60°-α)cos120°
  =sin2A+sin2B-2sinAsinBcosC=14R2(a2+b2-2abcosC)
  =14R2×c2=sin2C=sin2120°=34
  方法1利用两角和的余弦公式将cos(α+30°)打开,是最直接的方法.学生应熟练掌握.方法2利用降幂公式结合积化和差与和差化积公式.法3法4法5利用公式变形或变角,虽然过程并不很简单,给我们耳目一新之感.方法5利用代换,最终都统一为α-30°的正弦和余弦.方法6利用正余弦函数的互余对偶,构造对偶式,组成方程组,解法新颖别致,但要注意构造B式不要把A中的正弦都改为余弦,而应保留A式中的cos(α+β).方法7通过类比三角形中的余弦定理(结构相似),巧妙地构造三角形,结合正弦定理得以证明,方法巧妙,不拘一格.
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