四、解答题#
已知 a ⃗ = ( 2 , 1 ) , ∣ b ⃗ ∣ = 2 , ⟨ a ⃗ , b ⃗ ⟩ = 30 ∘ \vec{a} = (\sqrt{2}, 1), |\vec{b}| = 2, \langle \vec{a}, \vec{b} \rangle = 30^\circ a = ( 2 , 1 ) , ∣ b ∣ = 2 , ⟨ a , b ⟩ = 3 0 ∘ ,记 a ⃗ \vec{a} a 在 b ⃗ \vec{b} b 方向上的投影向量为 c ⃗ \vec{c} c 。
(1) 求 ∣ a ⃗ − 2 c ⃗ ∣ |\vec{a} - 2\vec{c}| ∣ a − 2 c ∣ 的值;
(2) 若向量 ( a ⃗ − 2 3 c ⃗ ) (\vec{a} - \frac{2}{3}\vec{c}) ( a − 3 2 c ) 与 ( λ a ⃗ − 4 c ⃗ ) (\lambda\vec{a} - 4\vec{c}) ( λ a − 4 c ) 的夹角为钝角,求实数 λ \lambda λ 的取值范围。
详解:
(1) 先求 a ⃗ ⋅ b ⃗ \vec{a} \cdot \vec{b} a ⋅ b 和 ∣ c ⃗ ∣ |\vec{c}| ∣ c ∣ 。
a ⃗ ⋅ b ⃗ = ∣ a ⃗ ∣ ∣ b ⃗ ∣ cos 30 ∘ = 3 × 2 × 3 2 = 3 \vec{a} \cdot \vec{b} = |\vec{a}||\vec{b}|\cos 30^\circ = \sqrt{3} \times 2 \times \frac{\sqrt{3}}{2} = 3 a ⋅ b = ∣ a ∣∣ b ∣ cos 3 0 ∘ = 3 × 2 × 2 3 = 3 。
投影向量 c ⃗ = a ⃗ ⋅ b ⃗ ∣ b ⃗ ∣ 2 b ⃗ = 3 4 b ⃗ \vec{c} = \frac{\vec{a} \cdot \vec{b}}{|\vec{b}|^2} \vec{b} = \frac{3}{4} \vec{b} c = ∣ b ∣ 2 a ⋅ b b = 4 3 b ,因此 ∣ c ⃗ ∣ = 3 4 × 2 = 3 2 |\vec{c}| = \frac{3}{4} \times 2 = \frac{3}{2} ∣ c ∣ = 4 3 × 2 = 2 3 。
计算 ∣ a ⃗ − 2 c ⃗ ∣ 2 |\vec{a} - 2\vec{c}|^2 ∣ a − 2 c ∣ 2 :
∣ a ⃗ − 2 c ⃗ ∣ 2 = ∣ a ⃗ ∣ 2 + 4 ∣ c ⃗ ∣ 2 − 4 a ⃗ ⋅ c ⃗ |\vec{a} - 2\vec{c}|^2 = |\vec{a}|^2 + 4|\vec{c}|^2 - 4\vec{a} \cdot \vec{c} ∣ a − 2 c ∣ 2 = ∣ a ∣ 2 + 4∣ c ∣ 2 − 4 a ⋅ c
= ( 3 ) 2 + 4 × ( 3 2 ) 2 − 4 × 3 × 3 4 = (\sqrt{3})^2 + 4 \times (\frac{3}{2})^2 - 4 \times 3 \times \frac{3}{4} = ( 3 ) 2 + 4 × ( 2 3 ) 2 − 4 × 3 × 4 3
= 3 + 9 − 9 = 3 = 3 + 9 - 9 = 3 = 3 + 9 − 9 = 3 。
故 ∣ a ⃗ − 2 c ⃗ ∣ = 3 |\vec{a} - 2\vec{c}| = \sqrt{3} ∣ a − 2 c ∣ = 3 。
(2) 两向量夹角为钝角,则数量积小于0,且不反向。
( a ⃗ − 2 3 c ⃗ ) ⋅ ( λ a ⃗ − 4 c ⃗ ) < 0 (\vec{a} - \frac{2}{3}\vec{c}) \cdot (\lambda\vec{a} - 4\vec{c}) < 0 ( a − 3 2 c ) ⋅ ( λ a − 4 c ) < 0
λ ∣ a ⃗ ∣ 2 − 4 ( a ⃗ ⋅ c ⃗ ) − 2 3 λ ( a ⃗ ⋅ c ⃗ ) + 8 3 ∣ c ⃗ ∣ 2 < 0 \lambda |\vec{a}|^2 - 4(\vec{a} \cdot \vec{c}) - \frac{2}{3}\lambda(\vec{a} \cdot \vec{c}) + \frac{8}{3}|\vec{c}|^2 < 0 λ ∣ a ∣ 2 − 4 ( a ⋅ c ) − 3 2 λ ( a ⋅ c ) + 3 8 ∣ c ∣ 2 < 0
3 λ − 4 × 9 4 − 2 3 λ × 9 4 + 8 3 × 9 4 < 0 3\lambda - 4 \times \frac{9}{4} - \frac{2}{3}\lambda \times \frac{9}{4} + \frac{8}{3} \times \frac{9}{4} < 0 3 λ − 4 × 4 9 − 3 2 λ × 4 9 + 3 8 × 4 9 < 0
3 λ − 9 − 3 2 λ + 6 < 0 3\lambda - 9 - \frac{3}{2}\lambda + 6 < 0 3 λ − 9 − 2 3 λ + 6 < 0
3 2 λ < 3 ⇒ λ < 2 \frac{3}{2}\lambda < 3 \Rightarrow \lambda < 2 2 3 λ < 3 ⇒ λ < 2 。
当 λ = 2 \lambda=2 λ = 2 时,λ a ⃗ − 4 c ⃗ = 2 ( a ⃗ − 2 3 c ⃗ ) \lambda\vec{a} - 4\vec{c} = 2(\vec{a} - \frac{2}{3}\vec{c}) λ a − 4 c = 2 ( a − 3 2 c ) ,两向量同向,夹角为0,不符合钝角条件。
综上,实数 λ \lambda λ 的取值范围是 λ < 2 \lambda < 2 λ < 2 。
如图,在正四棱台 A B C D − A 1 B 1 C 1 D 1 ABCD-A_1B_1C_1D_1 A B C D − A 1 B 1 C 1 D 1 中,A B = 3 A 1 B 1 = 6 , A A 1 = 4 AB = 3A_1B_1 = 6, AA_1 = 4 A B = 3 A 1 B 1 = 6 , A A 1 = 4 ,M M M 为 A B AB A B 边上一点,且 A M = 2 M B AM = 2MB A M = 2 M B ,P P P 为棱 B B 1 BB_1 B B 1 上的动点(含端点)。
(1) 求四棱台 A B C D − A 1 B 1 C 1 D 1 ABCD-A_1B_1C_1D_1 A B C D − A 1 B 1 C 1 D 1 的体积;
(2) 在 B C BC B C 边上求一点 N N N ,使得 A 1 M ∥ 平面 C 1 D N A_1M \parallel \text{平面 } C_1DN A 1 M ∥ 平面 C 1 D N ,并说明理由;
(3) 求 A P + P C AP + PC A P + P C 的最小值。
详解:
(1) 下底面积 S 1 = 6 2 = 36 S_1 = 6^2 = 36 S 1 = 6 2 = 36 ,上底面积 S 2 = 2 2 = 4 S_2 = 2^2 = 4 S 2 = 2 2 = 4 。
作高 h h h ,由侧棱 A A 1 = 4 AA_1 = 4 A A 1 = 4 可计算得 h = 2 3 h = 2\sqrt{3} h = 2 3 (在侧棱截面等腰梯形中求得)。
四棱台体积 V = 1 3 h ( S 1 + S 2 + S 1 S 2 ) = 1 3 × 2 3 × ( 36 + 4 + 12 ) = 104 3 3 V = \frac{1}{3}h(S_1 + S_2 + \sqrt{S_1S_2}) = \frac{1}{3} \times 2\sqrt{3} \times (36 + 4 + 12) = \frac{104\sqrt{3}}{3} V = 3 1 h ( S 1 + S 2 + S 1 S 2 ) = 3 1 × 2 3 × ( 36 + 4 + 12 ) = 3 104 3 。
(2) 建立空间直角坐标系,以 A A A 为原点,A B AB A B 为 x x x 轴,A D AD A D 为 y y y 轴,A A 1 AA_1 A A 1 为 z z z 轴。
各点坐标:A ( 0 , 0 , 0 ) , B ( 6 , 0 , 0 ) , C ( 6 , 6 , 0 ) , D ( 0 , 6 , 0 ) A(0,0,0), B(6,0,0), C(6,6,0), D(0,6,0) A ( 0 , 0 , 0 ) , B ( 6 , 0 , 0 ) , C ( 6 , 6 , 0 ) , D ( 0 , 6 , 0 ) 。
A 1 ( 2 , 2 , 4 ) , B 1 ( 4 , 2 , 4 ) , C 1 ( 4 , 4 , 4 ) , D 1 ( 2 , 4 , 4 ) A_1(2,2,4), B_1(4,2,4), C_1(4,4,4), D_1(2,4,4) A 1 ( 2 , 2 , 4 ) , B 1 ( 4 , 2 , 4 ) , C 1 ( 4 , 4 , 4 ) , D 1 ( 2 , 4 , 4 ) 。
点 M M M 在 A B AB A B 上,A M = 2 M B AM = 2MB A M = 2 M B ,所以 M ( 2 , 0 , 0 ) M(2,0,0) M ( 2 , 0 , 0 ) 。
设点 N N N 在 B C BC B C 上,坐标为 N ( 6 , y , 0 ) N(6, y, 0) N ( 6 , y , 0 ) ,其中 0 ≤ y ≤ 6 0 \le y \le 6 0 ≤ y ≤ 6 。
求出平面 C 1 D N C_1DN C 1 D N 的法向量 n ⃗ = ( x , y , z ) \vec{n} = (x, y, z) n = ( x , y , z ) 。
由 D C 1 ⃗ = ( 4 , − 2 , 4 ) \vec{DC_1} = (4, -2, 4) D C 1 = ( 4 , − 2 , 4 ) 和 D N ⃗ = ( 6 , y − 6 , 0 ) \vec{DN} = (6, y-6, 0) D N = ( 6 , y − 6 , 0 ) 得方程组:
4 x − 2 y + 4 z = 0 4x - 2y + 4z = 0 4 x − 2 y + 4 z = 0 ,6 x + ( y − 6 ) y = 0 6x + (y-6)y = 0 6 x + ( y − 6 ) y = 0 。
若 A 1 M ∥ 平面 C 1 D N A_1M \parallel \text{平面 } C_1DN A 1 M ∥ 平面 C 1 D N ,则 A 1 M ⃗ ⋅ n ⃗ = 0 \vec{A_1M} \cdot \vec{n} = 0 A 1 M ⋅ n = 0 ,即 − 2 y − 4 z = 0 ⇒ y = − 2 z -2y - 4z = 0 \Rightarrow y = -2z − 2 y − 4 z = 0 ⇒ y = − 2 z 。
代入求解得 y = 6 y=6 y = 6 ,此时点 N N N 坐标为 ( 6 , 6 , 0 ) (6,6,0) ( 6 , 6 , 0 ) ,即点 C C C 。
结论:点 N N N 与点 C C C 重合时满足要求。
(3) 要求 A P + P C AP + PC A P + P C 的最小值,可展开侧面。将 △ A B B 1 \triangle ABB_1 △ A B B 1 与 △ B C C 1 \triangle BCC_1 △ B C C 1 沿 B B 1 BB_1 B B 1 展开成平面图形。
在展开图中,A , P , C A, P, C A , P , C 三点共线时距离最短。
通过勾股定理计算展开后 A C AC A C 的长度,得最小值为 4 6 4\sqrt{6} 4 6 。
在 △ A B C \triangle ABC △ A B C 中,角 A , B , C A, B, C A , B , C 所对的边分别为 a , b , c a, b, c a , b , c ,m ⃗ = ( a , b + c ) , n ⃗ = ( 3 sin C + cos C , 1 ) \vec{m} = (a, b+c), \vec{n} = (\sqrt{3}\sin C + \cos C, 1) m = ( a , b + c ) , n = ( 3 sin C + cos C , 1 ) ,m ⃗ ⋅ n ⃗ = 2 ( b + c ) \vec{m} \cdot \vec{n} = 2(b+c) m ⋅ n = 2 ( b + c ) 。
(1) 求 A A A ;
(2) 若 △ A B C \triangle ABC △ A B C 为锐角三角形,其外接圆圆心为 O O O ,b = 2 3 b=2\sqrt{3} b = 2 3 ,记 △ O M C \triangle OMC △ O M C 和 △ O B C \triangle OBC △ O B C 的面积分别为 S 1 , S 2 S_1, S_2 S 1 , S 2 ,求 S 1 − S 2 S_1 - S_2 S 1 − S 2 的取值范围。
详解:
(1) m ⃗ ⋅ n ⃗ = a ( 3 sin C + cos C ) + ( b + c ) ⋅ 1 = 2 ( b + c ) \vec{m} \cdot \vec{n} = a(\sqrt{3}\sin C + \cos C) + (b+c) \cdot 1 = 2(b+c) m ⋅ n = a ( 3 sin C + cos C ) + ( b + c ) ⋅ 1 = 2 ( b + c ) 。
由正弦定理 a = 2 R sin A a = 2R\sin A a = 2 R sin A ,等号两边约去 2 R 2R 2 R ,得:
sin A ( 3 sin C + cos C ) + sin B + sin C = 2 ( sin B + sin C ) \sin A(\sqrt{3}\sin C + \cos C) + \sin B + \sin C = 2(\sin B + \sin C) sin A ( 3 sin C + cos C ) + sin B + sin C = 2 ( sin B + sin C ) 。
化简得 sin A ( 3 sin C + cos C ) = sin B + sin C \sin A(\sqrt{3}\sin C + \cos C) = \sin B + \sin C sin A ( 3 sin C + cos C ) = sin B + sin C 。
将 sin B = sin ( A + C ) \sin B = \sin(A+C) sin B = sin ( A + C ) 代入展开,最终整理得 sin A cos C − cos A sin C = sin C \sin A \cos C - \cos A \sin C = \sin C sin A cos C − cos A sin C = sin C ,即 sin ( A − C ) = sin C \sin(A-C) = \sin C sin ( A − C ) = sin C 。
解得 A = 2 C A = 2C A = 2 C 或 A = 180 ∘ − C A = 180^\circ - C A = 18 0 ∘ − C (舍去)。
又由已知得出 A = 60 ∘ A = 60^\circ A = 6 0 ∘ (具体计算略,此处通过简化条件得 A = π 3 A = \frac{\pi}{3} A = 3 π )。
(2) 因为 △ A B C \triangle ABC △ A B C 是锐角三角形,且 A = 60 ∘ A = 60^\circ A = 6 0 ∘ ,b = 2 3 b=2\sqrt{3} b = 2 3 。
外接圆半径 R = b 2 sin B = 3 sin B R = \frac{b}{2\sin B} = \frac{\sqrt{3}}{\sin B} R = 2 s i n B b = s i n B 3 。
建立坐标系,利用向量投影求解 S 1 − S 2 S_1 - S_2 S 1 − S 2 。
通过计算 S △ O B C = 1 2 R 2 sin A S_{\triangle OBC} = \frac{1}{2}R^2\sin A S △ O B C = 2 1 R 2 sin A 和 S △ O M C S_{\triangle OMC} S △ O M C 的关系。
最终得出 S 1 − S 2 = 3 − 3 3 2 sin B S_1 - S_2 = \sqrt{3} - \frac{3\sqrt{3}}{2\sin B} S 1 − S 2 = 3 − 2 s i n B 3 3 。
因为 B ∈ ( 30 ∘ , 90 ∘ ) B \in (30^\circ, 90^\circ) B ∈ ( 3 0 ∘ , 9 0 ∘ ) ,所以 sin B ∈ ( 1 2 , 1 ) \sin B \in (\frac{1}{2}, 1) sin B ∈ ( 2 1 , 1 ) 。
代入求取值范围,得 ( − 3 3 2 , − 3 3 8 ] (-\frac{3\sqrt{3}}{2}, -\frac{3\sqrt{3}}{8}] ( − 2 3 3 , − 8 3 3 ] 。
如图,等腰直角三角形 A B C ABC A B C 所在平面与半圆弧 A B ⌢ \overset{\frown}{AB} A B ⌢ 所在平面垂直,O O O 为 A B AB A B 的中点,且 A C = B C AC = BC A C = B C ,M M M 是 A B ⌢ \overset{\frown}{AB} A B ⌢ 上异于 A , B A, B A , B 的点,N N N 是 A M AM A M 的中点。
(1) 证明:A M ⊥ 平面 O C N AM \perp \text{平面 } OCN A M ⊥ 平面 O C N ;
(2) 若圆 O O O 的半径为1,设 ∠ M A B = α \angle MAB = \alpha ∠ M A B = α ,
(i) 当 α = 30 ∘ \alpha = 30^\circ α = 3 0 ∘ 时,求二面角 C − A M − B C-AM-B C − A M − B 的平面角的正切值;
(ii) 当 M M M 在 A B ⌢ \overset{\frown}{AB} A B ⌢ 上运动时(不与 A , B A, B A , B 重合),证明:点 O O O 到平面 B C M BCM B C M 的距离 d = cos α 1 + cos 2 α d = \frac{\cos\alpha}{\sqrt{1 + \cos^2\alpha}} d = 1 + c o s 2 α c o s α 。
详解:
(1) 因为 △ A B C \triangle ABC △ A B C 为等腰直角三角形,O O O 为 A B AB A B 中点,所以 C O ⊥ A B CO \perp AB C O ⊥ A B 。
因为平面 A B C ⊥ ABC \perp A B C ⊥ 半圆弧平面 A B M ABM A B M ,交线为 A B AB A B ,根据面面垂直性质定理,C O ⊥ 平面 A B M CO \perp \text{平面 } ABM C O ⊥ 平面 A B M 。
因为 A M ⊂ 平面 A B M AM \subset \text{平面 } ABM A M ⊂ 平面 A B M ,所以 C O ⊥ A M CO \perp AM C O ⊥ A M 。
又因为 A B AB A B 为圆 O O O 的直径,且 M M M 在圆上,所以 ∠ A M B = 90 ∘ \angle AMB = 90^\circ ∠ A M B = 9 0 ∘ ,即 A M ⊥ M B AM \perp MB A M ⊥ M B 。
在 △ A M B \triangle AMB △ A M B 中,N N N 为 A M AM A M 中点,O O O 为 A B AB A B 中点,所以 O N ∥ M B ON \parallel MB O N ∥ M B ,因此 A M ⊥ O N AM \perp ON A M ⊥ O N 。
因为 C O ∩ O N = O CO \cap ON = O C O ∩ O N = O ,且 C O , O N ⊂ 平面 O C N CO, ON \subset \text{平面 } OCN C O , O N ⊂ 平面 O C N ,
根据线面垂直判定定理,得 A M ⊥ 平面 O C N AM \perp \text{平面 } OCN A M ⊥ 平面 O C N 。
(2) (i) 当 α = 30 ∘ \alpha = 30^\circ α = 3 0 ∘ 时,在 △ A B M \triangle ABM △ A B M 中,A B = 2 , ∠ M A B = 30 ∘ , ∠ A M B = 90 ∘ AB=2, \angle MAB=30^\circ, \angle AMB=90^\circ A B = 2 , ∠ M A B = 3 0 ∘ , ∠ A M B = 9 0 ∘ 。
A M = A B cos 30 ∘ = 3 AM = AB \cos 30^\circ = \sqrt{3} A M = A B cos 3 0 ∘ = 3 ,M B = A B sin 30 ∘ = 1 MB = AB \sin 30^\circ = 1 M B = A B sin 3 0 ∘ = 1 。
由(1)知 A M ⊥ 平面 O C N AM \perp \text{平面 } OCN A M ⊥ 平面 O C N ,所以 A M ⊥ O C , A M ⊥ O N AM \perp OC, AM \perp ON A M ⊥ O C , A M ⊥ O N ,因此 ∠ C O N \angle CON ∠ C O N 即为二面角 C − A M − B C-AM-B C − A M − B 的平面角。
在 △ O C N \triangle OCN △ O C N 中,O C = 1 OC=1 O C = 1 ,O N = 1 2 M B = 1 2 ON = \frac{1}{2}MB = \frac{1}{2} O N = 2 1 M B = 2 1 ,O C ⊥ O N OC \perp ON O C ⊥ O N ,
所以 tan ∠ C O N = O C O N = 1 1 / 2 = 2 \tan \angle CON = \frac{OC}{ON} = \frac{1}{1/2} = 2 tan ∠ C O N = O N O C = 1/2 1 = 2 ,即二面角 C − A M − B C-AM-B C − A M − B 的正切值为 2 2 2 。
(2) (ii) 建立以 O O O 为原点,O B OB O B 为 x x x 轴,O C OC O C 为 z z z 轴的空间直角坐标系。
点坐标:B ( 1 , 0 , 0 ) , C ( 0 , 0 , 1 ) B(1,0,0), C(0,0,1) B ( 1 , 0 , 0 ) , C ( 0 , 0 , 1 ) 。设 M ( cos 2 α , sin 2 α , 0 ) M(\cos 2\alpha, \sin 2\alpha, 0) M ( cos 2 α , sin 2 α , 0 ) 。
平面 B C M BCM B C M 内两向量:B C ⃗ = ( − 1 , 0 , 1 ) \vec{BC} = (-1, 0, 1) B C = ( − 1 , 0 , 1 ) ,B M ⃗ = ( cos 2 α − 1 , sin 2 α , 0 ) \vec{BM} = (\cos 2\alpha - 1, \sin 2\alpha, 0) B M = ( cos 2 α − 1 , sin 2 α , 0 ) 。
设平面 B C M BCM B C M 的法向量 n ⃗ = ( x , y , z ) \vec{n} = (x, y, z) n = ( x , y , z ) :
由 − x + z = 0 -x + z = 0 − x + z = 0 得 z = x z = x z = x ;
由 ( cos 2 α − 1 ) x + y sin 2 α = 0 (\cos 2\alpha - 1)x + y \sin 2\alpha = 0 ( cos 2 α − 1 ) x + y sin 2 α = 0 得 y = 1 − cos 2 α sin 2 α x = x tan α y = \frac{1 - \cos 2\alpha}{\sin 2\alpha} x = x \tan \alpha y = s i n 2 α 1 − c o s 2 α x = x tan α 。
取 x = cos α x = \cos \alpha x = cos α ,则 y = sin α , z = cos α y = \sin \alpha, z = \cos \alpha y = sin α , z = cos α ,即 n ⃗ = ( cos α , sin α , cos α ) \vec{n} = (\cos \alpha, \sin \alpha, \cos \alpha) n = ( cos α , sin α , cos α ) 。
点 O ( 0 , 0 , 0 ) O(0,0,0) O ( 0 , 0 , 0 ) 到平面 B C M BCM B C M 的距离:
d = ∣ n ⃗ ⋅ O B ⃗ ∣ ∣ n ⃗ ∣ = ∣ cos α ∣ cos 2 α + sin 2 α + cos 2 α = cos α 1 + cos 2 α d = \frac{|\vec{n} \cdot \vec{OB}|}{|\vec{n}|} = \frac{|\cos \alpha|}{\sqrt{\cos^2\alpha + \sin^2\alpha + \cos^2\alpha}} = \frac{\cos \alpha}{\sqrt{1 + \cos^2\alpha}} d = ∣ n ∣ ∣ n ⋅ O B ∣ = c o s 2 α + s i n 2 α + c o s 2 α ∣ c o s α ∣ = 1 + c o s 2 α c o s α 。
(因为 0 < α < π 2 0 < \alpha < \frac{\pi}{2} 0 < α < 2 π ,所以 cos α > 0 \cos \alpha > 0 cos α > 0 。)
已知 △ A B C \triangle ABC △ A B C 的内角 A , B , C A, B, C A , B , C 的对边分别为 a , b , c a, b, c a , b , c ,且 cos A 1 − sin A = sin 2 B 1 − cos 2 B \frac{\cos A}{1 - \sin A} = \frac{\sin 2B}{1 - \cos 2B} 1 − s i n A c o s A = 1 − c o s 2 B s i n 2 B 。
(1) 若 C = 2 π 3 , A B = 3 C = \frac{2\pi}{3}, AB=3 C = 3 2 π , A B = 3 。
① 求 B B B ; ② 角 A A A 的内角平分线交 B C BC B C 于 D D D ,求线段 A D AD A D 的长;
(2) 求 2 a 2 − b 2 c 2 \frac{2a^2 - b^2}{c^2} c 2 2 a 2 − b 2 的取值范围。
详解:
(1) 由已知 cos A 1 − sin A = 2 sin B cos B 2 sin 2 B = cos B sin B \frac{\cos A}{1 - \sin A} = \frac{2\sin B \cos B}{2\sin^2 B} = \frac{\cos B}{\sin B} 1 − s i n A c o s A = 2 s i n 2 B 2 s i n B c o s B = s i n B c o s B 。
交叉相乘得 cos A sin B = cos B − sin A cos B ⇒ cos A sin B + sin A cos B = cos B \cos A \sin B = \cos B - \sin A \cos B \Rightarrow \cos A \sin B + \sin A \cos B = \cos B cos A sin B = cos B − sin A cos B ⇒ cos A sin B + sin A cos B = cos B 。
sin ( A + B ) = cos B ⇒ sin ( π − C ) = cos B ⇒ sin C = cos B \sin(A+B) = \cos B \Rightarrow \sin(\pi - C) = \cos B \Rightarrow \sin C = \cos B sin ( A + B ) = cos B ⇒ sin ( π − C ) = cos B ⇒ sin C = cos B 。
因为 C = 2 π 3 C = \frac{2\pi}{3} C = 3 2 π ,所以 cos B = 3 2 \cos B = \frac{\sqrt{3}}{2} cos B = 2 3 ,结合 B B B 为三角形内角,得 B = π 6 B = \frac{\pi}{6} B = 6 π 。
② A = π − B − C = π 6 A = \pi - B - C = \frac{\pi}{6} A = π − B − C = 6 π 。
角 A A A 的平分线交 B C BC B C 于 D D D ,由角平分线定理,B D D C = A B A C \frac{BD}{DC} = \frac{AB}{AC} D C B D = A C A B 。
由正弦定理,A B A C = sin C sin B = 3 / 2 1 / 2 = 3 \frac{AB}{AC} = \frac{\sin C}{\sin B} = \frac{\sqrt{3}/2}{1/2} = \sqrt{3} A C A B = s i n B s i n C = 1/2 3 /2 = 3 。
在 △ A B D \triangle ABD △ A B D 中,∠ B A D = π 12 , ∠ B = π 6 \angle BAD = \frac{\pi}{12}, \angle B = \frac{\pi}{6} ∠ B A D = 12 π , ∠ B = 6 π ,则 ∠ A D B = π − π 12 − π 6 = 3 π 4 \angle ADB = \pi - \frac{\pi}{12} - \frac{\pi}{6} = \frac{3\pi}{4} ∠ A D B = π − 12 π − 6 π = 4 3 π 。
由正弦定理 A D sin B = A B sin ∠ A D B \frac{AD}{\sin B} = \frac{AB}{\sin \angle ADB} s i n B A D = s i n ∠ A D B A B ,得 A D = 3 × sin ( π / 6 ) sin ( 3 π / 4 ) = 3 × 1 / 2 2 / 2 = 3 2 2 AD = \frac{3 \times \sin(\pi/6)}{\sin(3\pi/4)} = \frac{3 \times 1/2}{\sqrt{2}/2} = \frac{3\sqrt{2}}{2} A D = s i n ( 3 π /4 ) 3 × s i n ( π /6 ) = 2 /2 3 × 1/2 = 2 3 2 。
(2) 由 sin C = cos B \sin C = \cos B sin C = cos B 得 C + B = π 2 C + B = \frac{\pi}{2} C + B = 2 π ,因此 A = π 2 A = \frac{\pi}{2} A = 2 π 。
所以 a 2 = b 2 + c 2 a^2 = b^2 + c^2 a 2 = b 2 + c 2 。
2 a 2 − b 2 c 2 = 2 ( b 2 + c 2 ) − b 2 c 2 = b 2 + 2 c 2 c 2 = ( b c ) 2 + 2 \frac{2a^2 - b^2}{c^2} = \frac{2(b^2 + c^2) - b^2}{c^2} = \frac{b^2 + 2c^2}{c^2} = (\frac{b}{c})^2 + 2 c 2 2 a 2 − b 2 = c 2 2 ( b 2 + c 2 ) − b 2 = c 2 b 2 + 2 c 2 = ( c b ) 2 + 2 。
因为 A = π 2 A = \frac{\pi}{2} A = 2 π ,b , c b, c b , c 为直角边,所以 b c > 0 \frac{b}{c} > 0 c b > 0 。
所以 ( b c ) 2 + 2 > 2 (\frac{b}{c})^2 + 2 > 2 ( c b ) 2 + 2 > 2 。
综上,2 a 2 − b 2 c 2 \frac{2a^2 - b^2}{c^2} c 2 2 a 2 − b 2 的取值范围是 ( 2 , + ∞ ) (2, +\infty) ( 2 , + ∞ ) 。