(本小题满分 13 分) 某同学在一次研究性学习中发现,以…——2012 高考数学第 19 题答案解析

2012_退役省自主命题 (2012·文)

2012 National Question 19 Free-response Differentiating
2012_退役省自主命题 (2012·文)

20.(本小题满分 13 分)
某同学在一次研究性学习中发现,以下五个式子的值都等于同一个常数。
(1) $\sin ^{2} 13^{\circ}+\cos ^{2} 17^{\circ}-\sin 13^{\circ} \cos 17^{\circ}$
(2) $\sin ^{2} 15^{\circ}+\cos ^{2} 15^{\circ}-\sin 15^{\circ} \cos 15^{\circ}$
(3) $\sin ^{2} 18^{\circ}+\cos ^{2} 12^{\circ}-\sin 18^{\circ} \cos 12^{\circ}$
(4) $\sin ^{2}\left(-18^{\circ}\right)+\cos ^{2} 48^{\circ}-\sin \left(-18^{\circ}\right) \cos 48^{\circ}$
(5) $\sin ^{2}\left(-25^{\circ}\right)+\cos ^{2} 55^{\circ}-\sin \left(-25^{\circ}\right) \cos 55^{\circ}$
I 试从上述五个式子中选择一个,求出这个常数

II 根据(I)的计算结果,将该同学的发现推广为三角恒等式,并证明你的结论

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(I)选择式子(2)进行计算:
$$ \begin{aligned} & \sin ^{2} 15^{\circ}+\cos ^{2} 15^{\circ}-\sin 15^{\circ} \cos 15^{\circ} \\ = & 1-\frac{1}{2} \sin \left(2 \times 15^{\circ}\right) \\ = & 1-\frac{1}{2} \sin 30^{\circ} \\ = & 1-\frac{1}{2} \times \frac{1}{2} \\ = & \frac{3}{4} \end{aligned} $$
故该常数为 $\frac{3}{4}$。

(II)推广的三角恒等式为:
$$ \sin ^{2} \alpha+\cos ^{2}\left(30^{\circ}-\alpha\right)-\sin \alpha \cos \left(30^{\circ}-\alpha\right)=\frac{3}{4} $$

证明如下:
左边 $=\sin ^{2} \alpha+\left(\cos 30^{\circ} \cos \alpha+\sin 30^{\circ} \sin \alpha\right)^{2}-\sin \alpha\left(\cos 30^{\circ} \cos \alpha+\sin 30^{\circ} \sin \alpha\right)$
$=\sin ^{2} \alpha+\left(\frac{\sqrt{3}}{2} \cos \alpha+\frac{1}{2} \sin \alpha\right)^{2}-\sin \alpha\left(\frac{\sqrt{3}}{2} \cos \alpha+\frac{1}{2} \sin \alpha\right)$
$=\sin ^{2} \alpha+\left(\frac{3}{4} \cos ^{2} \alpha+\frac{\sqrt{3}}{2} \sin \alpha \cos \alpha+\frac{1}{4} \sin ^{2} \alpha\right)-\left(\frac{\sqrt{3}}{2} \sin \alpha \cos \alpha+\frac{1}{2} \sin ^{2} \alpha\right)$
$=\sin ^{2} \alpha+\frac{3}{4} \cos ^{2} \alpha+\frac{\sqrt{3}}{2} \sin \alpha \cos \alpha+\frac{1}{4} \sin ^{2} \alpha-\frac{\sqrt{3}}{2} \sin \alpha \cos \alpha-\frac{1}{2} \sin ^{2} \alpha$
合并同类项,消去含 $\sin \alpha \cos \alpha$ 的项:
$=\left(1+\frac{1}{4}-\frac{1}{2}\right) \sin ^{2} \alpha+\frac{3}{4} \cos ^{2} \alpha$
$=\frac{3}{4} \sin ^{2} \alpha+\frac{3}{4} \cos ^{2} \alpha$
$=\frac{3}{4}\left(\sin ^{2} \alpha+\cos ^{2} \alpha\right)$
$=\frac{3}{4}$
左边 $=$ 右边,故等式成立。

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