本题导读

本题考查完全平方公式。

📌【题干】

Question

(1977年黑龙江卷(理)) 计算下列各题: (1) .

计算下列各题: (2) .

计算下列各题: (3) .

🔍【思路分析】

破题导航

  1. 识别完全平方结构:观察根号内部的多项式 ,满足标准完全平方公式 。

  2. 正确脱去根号:利用核心性质 将其转化为含有绝对值的代数式。

  3. 审视字母边界讨论:由于题目未明确给出 与 的大小关系,最终化简结果必须保留绝对值形式,或分情况讨论输出。

  4. 结构规律识别:观察算式发现含有 的半成品形貌。联想到两角差的余弦公式:。

  5. 统一角名变换(切入点):

  • 现有的两项中包含三个角度:、 、 ,结构不匹配。
  • 观察发现 与 互为余角( )。
  • 利用诱导公式 ,将 代换为正弦形式。
  1. 公式逆向合拢:代换后,原式转化为标准的 拓扑形态,直接逆向化简为 。

  2. 特殊解拆分输出:由于 不是常见的单角特殊角,可将其拆分为 或使用两角差公式再次展开求得精确的代数无理数解。

  3. 方法一(直接代值法,推荐):

  • 优先计算括号内部的特殊角余弦值: 。
  • 问题转化为求解 。根据反正弦函数定义,寻找在主值范围 内,正弦值等于 的弧度角。
  1. 方法二(利用反三角恒等式):
  • 利用诱导公式将内部的余弦化为正弦: 。

  • 利用恒等式 直接输出答案。

✅【答案】

Success

✍【详细解析】

Abstract

  • 第一步:将根号内部的多项式进行完全平方因式分解 利用完全平方公式 ,将原式变形为:

  • 第二步:运用算术平方根性质脱去根号 根据代数基本定理,对于任意实数 ,其算术平方根满足 。 直接应用该定理脱去外部根式:

  • 第三步:分情况分类讨论(使答案更具严谨性) 由于题干未给定自变量 与 的大小约束,其化简结果取决于 的正负号:

  • 当 时, ,直接脱去绝对值:

  • 当 时, ,脱去绝对值时需在前方添加负号:

综上所述,原式的计算结果为:

  • 第一步:应用诱导公式进行角度与函数名统一 观察算式,发现角度 与 满足互余关系:

利用诱导公式 ,将算式中的 进行同解变换:

  • 第二步:逆向应用两角差的余弦公式 将 代入原式中,使函数名和角度完全契合公式结构:

逆向套用两角差的余弦公式 ,合并项得:

  • 第三步:通过两角和公式拆分求解 的精确值 将大角 拆分为两个标准特殊角之和:

应用两角和的余弦公式 展开:

代入各特殊角的标准精确值:

代入并进行有理化乘法计算:

所以,最终计算结果为:

方法一:从内向外直接计算法

  • 第一步:求出内部三角函数的值 由特殊角的三角函数值可知, 的余弦精确值为:

  • 第二步:代入并利用反三角函数定义求解 将数值代入原式,表达式转化为:

设 ,根据反正弦函数的定义,它等价于:

在第一象限 内,满足正弦值等于 的特殊角弧度为 。


方法二:利用诱导公式与恒等变换法

  • 第一步:应用诱导公式统一函数名 利用互余诱导公式 ,将括号内的余弦项转换为正弦项:

  • 第二步:利用反三角恒等式直接消去 将变形后的结果代回原式:

因为 角度 严格处于反正弦函数的主值范围 内部, 所以 根据反三角函数与对同底名三角函数的消去恒等式 ,直接解得:

所以,最终计算结果为:

💡【考点归纳与避坑指南】

Danger

  1. 核心考点:完全平方公式的逆向凑配、二次根式开方的绝对值保护。
  2. 核心方法:绝对值分类讨论法。
  3. 避坑指南:
  • 最一致致命雷区(直接脱根号漏掉绝对值):高达 的同学会直接盲目写下 。这种不经思考的化简默认了 ,若实际中 则会导致算术平方根输出一个负数,触犯了非负性原则。牢记:只要偶次方根与幂次在内部相消,脱壳时必须先加绝对值。

  1. 核心考点:互余诱导公式的代换变形、两角和与差的余弦公式逆向与正向双向推演。
  2. 核心方法:名角统一法、公式凑配逆用法。
  3. 避坑指南:
  • 易错点一(变名符号看错):应用诱导公式 时,由于 处于第一象限,变名后符号保持为正。切忌与 等带有象限负号特征的公式混淆。

  • 易错点二(两角和展开符号颠倒):在最后一步化简 时,牢记余弦和公式中间的符号是减号“” (即余弦公式“异号”特征:加变减,减变加),容易粗心错写成加号导致错算为 。

  1. 核心考点:反正弦函数的值域(主值范围)判定、特殊角弧度制与三角函数值互化。
  2. 核心方法:名同底相消法、直接代值法。
  3. 避坑指南:
  • 致命思维雷区(值域范围越界):求解反三角函数时,必须严格遵守其定义的值域。 的主值范围必须满足 。如果错用初中角度制写出 ,或者在处理更复杂的负数项时错写到第二、第三象限的角度,都会导致直接失分。

📖【试题探源与推广】

Tip

  1. 试题探源: 本题源于初中代数(八年级下册《二次根式》章节)中关于算术平方根性质拓展的最经典教材基础题。

  2. 结论推广: 本题模型属于标准的低阶二次无理绝对值流算子模型。 可以一般化推广为:对于任意非零多项式 构筑的复合函数 ,其在实数域内的几何拓扑形貌与绝对值函数 严格全等等价。由于该算子自带非负防御机制,在后续高等数学微积分中,处理分段函数求导、定积分中跨越零点的根式积分(如 )时,必须先通过该模型平稳拆解为绝对值,再拆分成不同区间段分段执行,否则会直接导致整个微积分大题因负号错位而溃败。

  3. 试题探源: 本题源于高中数学必修第三册《三角恒等变换》章节中关于两角和与差公式逆用及综合求值的标准高频教材习题。

  4. 结论推广: 本题模型属于标准的互余角约束下的三角结构合拢模型。 可以一般化推广为:对于任意满足 的非特殊角度,其乘积多项式结构 均可通过诱导算子将其统一,并无条件拓扑合拢为单角余弦形式: 利用这一守恒特征,在面对任意高频、多角交织的复杂三角函数化简大题时,第一步通过“两角相加凑90°或180°”寻找突破口进行代换,可让看似零散的各项瞬间退化为标准的单向初等特殊角。

  5. 试题探源: 本题源于高中数学选择性必修第一册中关于反三角函数(反正弦、反余弦)基础概念与运算的经典习题。

  6. 结论推广: 本题模型属于标准的正余反三角异名消去拓扑模型。 可以一般化推广为:对于任意满足主值边界约束 的角度,其复合反三角函数结构恒守恒满足下列互余拓扑互化公式: 在本题中, ,直接带入此推广通项,可免去一切中间计算直接: 。熟记这一互余守恒结构,在面对大学高等数学中级数展开、复杂反三角不定积分换元时,能够实现瞬间降维剥离。

🔗【关联脉络】

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