三角恒等式是包含 sin⁡\sin、cos⁡\cos、tan⁡\tan 及相关函数的公式,只要等式两边都有定义,它们对定义域内的每一个角都成立。如果你在找代数、预备微积分和初等微积分中常用的标准三角恒等式,核心内容包括倒数恒等式、商恒等式、勾股恒等式、奇偶恒等式、余函数恒等式、和差恒等式、倍角恒等式和半角恒等式。

想要最快记住它们,最好的方法是按用途分类。有些恒等式把一个三角函数改写成另一个,有些把 sin⁡θ\sin \theta 和 cos⁡θ\cos \theta 联系起来,还有些把角从 θ\theta 变成 2θ2\theta 或 θ/2\theta/2。

什么样的等式才是三角恒等式?

恒等式在它的定义域内对每一个角都成立。例如,

sin⁡2θ+cos⁡2θ=1\sin^2 \theta + \cos^2 \theta = 1

是恒等式,因为它对所有 θ\theta 都成立。

相反,

sin⁡θ=12\sin \theta = \frac{1}{2}

就不是恒等式。它只对某些特定角成立。

定义域条件很重要。例如,

tan⁡θ=sin⁡θcos⁡θ\tan \theta = \frac{\sin \theta}{\cos \theta}

只有在 cos⁡θ≠0\cos \theta \neq 0 时才成立。

核心三角恒等式列表

倒数恒等式

csc⁡θ=1sin⁡θ,sec⁡θ=1cos⁡θ,cot⁡θ=1tan⁡θ\csc \theta = \frac{1}{\sin \theta}, \qquad \sec \theta = \frac{1}{\cos \theta}, \qquad \cot \theta = \frac{1}{\tan \theta}

每个公式都要求分母不为零。

商恒等式

tan⁡θ=sin⁡θcos⁡θ,cot⁡θ=cos⁡θsin⁡θ\tan \theta = \frac{\sin \theta}{\cos \theta}, \qquad \cot \theta = \frac{\cos \theta}{\sin \theta}

在化简题中,它们常常是第一步,因为它们能把所有内容改写成 sin⁡\sin 和 cos⁡\cos 的形式。

勾股恒等式

sin⁡2θ+cos⁡2θ=1\sin^2 \theta + \cos^2 \theta = 1 1+tan⁡2θ=sec⁡2θ1 + \tan^2 \theta = \sec^2 \theta 1+cot⁡2θ=csc⁡2θ1 + \cot^2 \theta = \csc^2 \theta

第一个恒等式是后两个恒等式的来源。

奇偶恒等式

sin⁡(−θ)=−sin⁡θ,cos⁡(−θ)=cos⁡θ,tan⁡(−θ)=−tan⁡θ\sin(-\theta) = -\sin \theta, \qquad \cos(-\theta) = \cos \theta, \qquad \tan(-\theta) = -\tan \theta

同样的规律也适用于倒数函数:csc⁡\csc 和 cot⁡\cot 是奇函数,而 sec⁡\sec 是偶函数。

余函数恒等式

sin⁡(π2−θ)=cos⁡θ\sin\left(\frac{\pi}{2} - \theta\right) = \cos \theta cos⁡(π2−θ)=sin⁡θ\cos\left(\frac{\pi}{2} - \theta\right) = \sin \theta tan⁡(π2−θ)=cot⁡θ\tan\left(\frac{\pi}{2} - \theta\right) = \cot \theta

这些恒等式来自互余角。

和差恒等式

sin⁡(α+β)=sin⁡αcos⁡β+cos⁡αsin⁡β\sin(\alpha + \beta) = \sin \alpha \cos \beta + \cos \alpha \sin \beta sin⁡(α−β)=sin⁡αcos⁡β−cos⁡αsin⁡β\sin(\alpha - \beta) = \sin \alpha \cos \beta - \cos \alpha \sin \beta cos⁡(α+β)=cos⁡αcos⁡β−sin⁡αsin⁡β\cos(\alpha + \beta) = \cos \alpha \cos \beta - \sin \alpha \sin \beta cos⁡(α−β)=cos⁡αcos⁡β+sin⁡αsin⁡β\cos(\alpha - \beta) = \cos \alpha \cos \beta + \sin \alpha \sin \beta tan⁡(α+β)=tan⁡α+tan⁡β1−tan⁡αtan⁡β\tan(\alpha + \beta) = \frac{\tan \alpha + \tan \beta}{1 - \tan \alpha \tan \beta} tan⁡(α−β)=tan⁡α−tan⁡β1+tan⁡αtan⁡β\tan(\alpha - \beta) = \frac{\tan \alpha - \tan \beta}{1 + \tan \alpha \tan \beta}

对于正切公式,分母必须不为零。

倍角恒等式

在角和公式中令 α=β=θ\alpha = \beta = \theta。

sin⁡(2θ)=2sin⁡θcos⁡θ\sin(2\theta) = 2 \sin \theta \cos \theta cos⁡(2θ)=cos⁡2θ−sin⁡2θ\cos(2\theta) = \cos^2 \theta - \sin^2 \theta cos⁡(2θ)=2cos⁡2θ−1\cos(2\theta) = 2\cos^2 \theta - 1 cos⁡(2θ)=1−2sin⁡2θ\cos(2\theta) = 1 - 2\sin^2 \theta tan⁡(2θ)=2tan⁡θ1−tan⁡2θ\tan(2\theta) = \frac{2\tan \theta}{1 - \tan^2 \theta}

正切的倍角公式还要求 1−tan⁡2θ≠01 - \tan^2 \theta \neq 0。

半角恒等式

这些恒等式来自对倍角公式的变形。

sin⁡2θ=1−cos⁡(2θ)2\sin^2 \theta = \frac{1 - \cos(2\theta)}{2} cos⁡2θ=1+cos⁡(2θ)2\cos^2 \theta = \frac{1 + \cos(2\theta)}{2}

当角写成 θ/2\theta/2 时,平方根形式为

sin⁡(θ2)=±1−cos⁡θ2\sin\left(\frac{\theta}{2}\right) = \pm \sqrt{\frac{1 - \cos \theta}{2}} cos⁡(θ2)=±1+cos⁡θ2\cos\left(\frac{\theta}{2}\right) = \pm \sqrt{\frac{1 + \cos \theta}{2}}

符号取决于 θ/2\theta/2 所在的象限,因此不能想当然地把 ±\pm 去掉。

主要三角恒等式是怎么来的

单位圆给出第一个勾股恒等式

在单位圆上,角 θ\theta 对应的点是 (cos⁡θ,sin⁡θ)(\cos \theta, \sin \theta)。因为圆上的每个点都满足 x2+y2=1x^2 + y^2 = 1,代入 x=cos⁡θx = \cos \theta 和 y=sin⁡θy = \sin \theta 就得到

cos⁡2θ+sin⁡2θ=1\cos^2 \theta + \sin^2 \theta = 1

这就是最基本的勾股恒等式。

其他勾股恒等式来自两边同除

如果 cos⁡θ≠0\cos \theta \neq 0,把

sin⁡2θ+cos⁡2θ=1\sin^2 \theta + \cos^2 \theta = 1

两边同除以 cos⁡2θ\cos^2 \theta:

sin⁡2θcos⁡2θ+1=1cos⁡2θ\frac{\sin^2 \theta}{\cos^2 \theta} + 1 = \frac{1}{\cos^2 \theta} tan⁡2θ+1=sec⁡2θ\tan^2 \theta + 1 = \sec^2 \theta

如果 sin⁡θ≠0\sin \theta \neq 0,两边同除以 sin⁡2θ\sin^2 \theta 可得

1+cot⁡2θ=csc⁡2θ1 + \cot^2 \theta = \csc^2 \theta

倍角恒等式来自角和公式

从

sin⁡(α+β)=sin⁡αcos⁡β+cos⁡αsin⁡β\sin(\alpha + \beta) = \sin \alpha \cos \beta + \cos \alpha \sin \beta

开始,并令 α=β=θ\alpha = \beta = \theta:

sin⁡(2θ)=2sin⁡θcos⁡θ\sin(2\theta) = 2\sin \theta \cos \theta

余弦和正切的倍角恒等式也是用同样的方法推导出来的。

例题:化简一个倍角表达式

化简

1−cos⁡(2θ)sin⁡(2θ)\frac{1 - \cos(2\theta)}{\sin(2\theta)}

其中角要满足原式有定义。

使用倍角恒等式:

1−cos⁡(2θ)=1−(1−2sin⁡2θ)=2sin⁡2θ1 - \cos(2\theta) = 1 - \left(1 - 2\sin^2 \theta\right) = 2\sin^2 \theta

以及

sin⁡(2θ)=2sin⁡θcos⁡θ\sin(2\theta) = 2\sin \theta \cos \theta

现在代入:

1−cos⁡(2θ)sin⁡(2θ)=2sin⁡2θ2sin⁡θcos⁡θ=sin⁡θcos⁡θ=tan⁡θ\frac{1 - \cos(2\theta)}{\sin(2\theta)} = \frac{2\sin^2 \theta}{2\sin \theta \cos \theta} = \frac{\sin \theta}{\cos \theta} = \tan \theta

这个结论只在原分母不为零时成立,也就是 sin⁡(2θ)≠0\sin(2\theta) \neq 0。这个条件很重要,因为约去公因子后,可能会掩盖一开始就被排除的取值。

三角恒等式中的常见错误

忽略定义域限制是最容易出问题的错误。只有在 sin⁡θ\sin \theta 或 cos⁡θ\cos \theta 不为零时,才能用它们去做除法。

另一个常见错误是在半角公式中把 ±\pm 直接丢掉。单独的平方根并不能决定三角函数值的符号。

学生还常常混淆 sin⁡2θ\sin^2 \theta 和 sin⁡(θ2)\sin(\theta^2)。记号 sin⁡2θ\sin^2 \theta 的意思是 (sin⁡θ)2(\sin \theta)^2。

三角恒等式什么时候会用到

只要你需要把一个表达式改写成更有用的形式,三角恒等式就会出现。这包括化简作业题、证明两个表达式相等、解三角方程,以及为积分等微积分内容做准备。

在实际做题中,很多问题一旦全部改写成 sin⁡θ\sin \theta 和 cos⁡θ\cos \theta 的形式,就会容易得多。

试试一道类似的题

化简

sin⁡(2θ)1+cos⁡(2θ)\frac{\sin(2\theta)}{1 + \cos(2\theta)}

使用倍角恒等式,并始终注意原式的定义域条件。如果你还想再多走一步,可以把结果和 tan⁡θ\tan \theta 比较一下。

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