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三角学

IGCSE 数学 · 第 6 主题

训练
讲义 词汇表

本讲义涵盖主题 6,三角学(Trigonometry)。标记 (Extended) 的部分只在拓展卷上考查;其他一切对两个层次都适用。角的答案给到一个小数位。

6.1

勾股定理

大纲
Subject content Notes and examples
Know and use Pythagoras’ theorem.

来源:剑桥国际大纲

勾股定理:重排证明

勾股定理(Pythagoras' theorem)连接一个直角三角形(right-angled triangle)(一个有一个 $90^{\circ}$ 角的三角形(triangle))的三条边。若最长的边(斜边(hypotenuse),在直角对面)是 $c$,那么

$$a^{2} + b^{2} = c^{2}.$$

用它来求一条缺失的边。

一个 -- 直角三角形,每条边上画一个正方形;两条短边上的正方形有面积  和 ,它们在斜边上加起来等于
勾股定理作为面积:两条较短的边上的正方形($9+16$)加起来等于斜边上的正方形($25$)。

Worked example. 一个直角三角形有一条 $13\text{ cm}$ 的斜边和一条 $5\text{ cm}$ 的短边。求另一条短边。

$$b^{2} = 13^{2} - 5^{2} = 169 - 25 = 144, \qquad b = \sqrt{144} = 12\text{ cm}.$$
探索

Pythagoras' theorem

Change the two short sides and see $a^2 + b^2 = c^2$ — the squares on the sides really do add up.

词汇表 训练
英文 中文 拼音
Pythagoras' theorem 勾股定理 gōu gǔ dìng lǐ
right-angled triangle 直角三角形 zhí jiǎo sān jiǎo xíng
triangle 三角形 sān jiǎo xíng
hypotenuse 斜边 xié biān
6.2

直角三角形

大纲
Subject content Notes and examples
1 Know and use the sine, cosine and tangent ratios for acute angles in calculations involving sides and angles of a right-angled triangle. Angles will be given in degrees and answers should be written in degrees, with decimals correct to one decimal place.
2 Solve problems in two dimensions using Pythagoras’ theorem and trigonometry. Knowledge of bearings may be required.
Subject content Notes and examples
1 Know and use the sine, cosine and tangent ratios for acute angles in calculations involving sides and angles of a right-angled triangle. Angles will be given in degrees and answers should be written in degrees, with decimals correct to one decimal place.
2 Solve problems in two dimensions using Pythagoras’ theorem and trigonometry. Knowledge of bearings may be required.
3 Know that the perpendicular distance from a point to a line is the shortest distance to the line.
4 Carry out calculations involving angles of elevation and depression.

来源:剑桥国际大纲

SOH CAH TOA:比属于角

从你正在使用的角标注这些边:对边(opposite)(在角的对面)、邻边(adjacent)(在角旁边),和斜边。这三个比是正弦(sine)、余弦(cosine)和正切(tangent ratio)(sin、cos、tan):

$$\sin\theta = \frac{\text{opp}}{\text{hyp}}, \qquad \cos\theta = \frac{\text{adj}}{\text{hyp}}, \qquad \tan\theta = \frac{\text{opp}}{\text{adj}}.$$

把它们记作 SOH-CAH-TOA。要求一个角,用反函数($\sin^{-1}$$\cos^{-1}$$\tan^{-1}$)。

一个直角三角形,一个角标记 ,它的对边、邻边和斜边被标注
从角 $\theta$ 命名这些边:对边在它的对面、邻边在它旁边,而斜边在直角对面(SOH-CAH-TOA)。

Worked example (find a side). 在一个直角三角形里斜边是 $10\text{ cm}$ 而角是 $30^{\circ}$。求对边。

$$\text{opp} = 10 \times \sin 30^{\circ} = 10 \times 0.5 = 5\text{ cm}.$$

Worked example (find an angle). 对边是 $4\text{ cm}$ 而邻边是 $3\text{ cm}$

$$\tan\theta = \frac{4}{3}, \qquad \theta = \tan^{-1}\!\left(\frac{4}{3}\right) = 53.1^{\circ}.$$
探索

Sine, cosine and tangent

Drag the angle on the unit circle to see where sin, cos and tan come from.

词汇表 训练
英文 中文 拼音
opposite 对边 duì biān
adjacent 邻边 lín biān
sine 正弦 zhèng xián
cosine 余弦 yú xián
tangent ratio 正切 zhèng qiē
6.2

直角三角形

大纲
Subject content Notes and examples
1 Know and use the sine, cosine and tangent ratios for acute angles in calculations involving sides and angles of a right-angled triangle. Angles will be given in degrees and answers should be written in degrees, with decimals correct to one decimal place.
2 Solve problems in two dimensions using Pythagoras’ theorem and trigonometry. Knowledge of bearings may be required.
3 Know that the perpendicular distance from a point to a line is the shortest distance to the line.
4 Carry out calculations involving angles of elevation and depression.

来源:剑桥国际大纲

仰视埃菲尔铁塔
仰视一座塔涉及一个仰角。

仰角(angle of elevation)是从水平向上到你上方一个物体的角。俯角(angle of depression)是从水平向下到你下方一个物体的角。从一个点到一条线的最短距离是垂直(perpendicular)距离。

两个图:一个观察者仰视一个高的物体,标记仰角,和一个高处的观察者俯视一个物体,标记俯角
仰角从水平向上看;俯角向下看。

Worked example. 从距一座塔的脚 $50\text{ m}$ 的一个点,到顶部的仰角是 $40^{\circ}$。求塔的高度。

$$\text{height} = 50 \times \tan 40^{\circ} = 50 \times 0.839 = 42.0\text{ m}.$$
词汇表 训练
英文 中文 拼音
angle of elevation 仰角 yǎng jiǎo
angle of depression 俯角 fǔ jiǎo
perpendicular 垂直 chuí zhí
6.3

三角函数的精确值

大纲
Subject content Notes and examples
Know the exact values of: 1 $\sin x$ and $\cos x$ for $x = 0^\circ, 30^\circ, 45^\circ, 60^\circ$ and $90^\circ$. 2 $\tan x$ for $x = 0^\circ, 30^\circ, 45^\circ$ and $60^\circ$.

来源:剑桥国际大纲

你必须不用计算器就知道这些精确值。

$x$ $0^{\circ}$ $30^{\circ}$ $45^{\circ}$ $60^{\circ}$ $90^{\circ}$
$\sin x$ $0$ $\tfrac{1}{2}$ $\tfrac{\sqrt{2}}{2}$ $\tfrac{\sqrt{3}}{2}$ $1$
$\cos x$ $1$ $\tfrac{\sqrt{3}}{2}$ $\tfrac{\sqrt{2}}{2}$ $\tfrac{1}{2}$ $0$
$\tan x$ $0$ $\tfrac{1}{\sqrt{3}}$ $1$ $\sqrt{3}$
一个 -- 三角形,边 、 和 ,和一个 -- 三角形,边 、 和
这两个特殊三角形是精确值的来源——值得记住。
6.4

三角函数

大纲
Subject content Notes and examples
1 Recognise, sketch and interpret the following graphs for $0^\circ \leqslant x \leqslant 360^\circ$: • $y = \sin x$$y = \cos x$$y = \tan x$.
2 Solve trigonometric equations involving $\sin x$, $\cos x$ or $\tan x$, for $0^\circ \leqslant x \leqslant 360^\circ$. e.g. solve: • $\sin x = \frac{\sqrt{3}}{2}$ for $0^\circ \leqslant x \leqslant 360^\circ$$2 \cos x + 1 = 0$ for $0^\circ \leqslant x \leqslant 360^\circ$.

来源:剑桥国际大纲

伦敦眼摩天轮
一个摩天轮:轮缘上的一个点在转动时描出一条正弦曲线。

对于 $0^{\circ} \leqslant x \leqslant 360^{\circ}$:

  • $y = \sin x$ 是一个波,在 $0$ 开始、在 $90^{\circ}$ 达到峰值、在 $180^{\circ}$ 回到 $0$、在 $270^{\circ}$ 下到 $-1$
  • $y = \cos x$ 是同样的波但在 $1$ 开始。
  • $y = \tan x$ 陡峭地上升并每 $180^{\circ}$ 重复。
 和  从  到  度的图,两个  和  之间的光滑波
$y=\sin x$$y=\cos x$$-1$$1$ 之间的光滑波;余弦是正弦向左移 $90^\circ$

一个三角方程(trigonometric equation)在这个范围里常常有不止一个答案。用图(或波的对称)来找到它们全部。

Worked example.$0^{\circ} \leqslant x \leqslant 360^{\circ}$$\sin x = \tfrac{\sqrt{3}}{2}$

一个答案是 $x = 60^{\circ}$。正弦波在 $180^{\circ} - 60^{\circ} = 120^{\circ}$ 处也是 $\tfrac{\sqrt{3}}{2}$。所以 $x = 60^{\circ}$$120^{\circ}$

Worked example.$0^{\circ} \leqslant x \leqslant 360^{\circ}$$2\cos x + 1 = 0$

$$\cos x = -\tfrac{1}{2} \;\Rightarrow\; x = 120^{\circ} \text{ or } 240^{\circ}.$$
探索

Trig graphs & equations

(cos θ, sin θ)

As θ turns, sin and cos trace their waves — and repeat every 360°.

词汇表 训练
英文 中文 拼音
trigonometric equation 三角方程 sān jiǎo fāng chéng
6.5

非直角三角形

大纲
Subject content Notes and examples
1 Use the sine and cosine rules in calculations involving lengths and angles for any triangle. Includes problems involving obtuse angles and the ambiguous case.
2 Use the formula $\text{area of triangle} = \frac{1}{2} ab \sin C$. The sine and cosine rules and the formula for area of a triangle are given in the List of formulas.

来源:剑桥国际大纲

对于任何三角形(不只是直角的),边 $a, b, c$ 在角 $A, B, C$ 的对面:

$$\text{sine rule:}\quad \frac{a}{\sin A} = \frac{b}{\sin B} = \frac{c}{\sin C},$$
$$\text{cosine rule:}\quad a^{2} = b^{2} + c^{2} - 2bc\cos A.$$
一个一般三角形,顶点 A、B、C 和边 、、,其中每条边位于相同字母的角的对面
在任何三角形里,边 $a$$b$$c$ 位于相同字母的角 $A$$B$$C$ 的对面。

当你有一条边和它的对角时用正弦定理(sine rule)。当你有两条边和它们之间的角、或全部三条边时用余弦定理(cosine rule)。用正弦定理时,注意两解情况(ambiguous case),那里一个角可能是锐角或钝角。

任何三角形的面积是

$$\text{area} = \tfrac{1}{2}ab\sin C.$$

Worked example. 一个三角形有 $b = 7\text{ cm}$$c = 8\text{ cm}$ 而它们之间的角 $A = 40^{\circ}$。求边 $a$

$$a^{2} = 7^{2} + 8^{2} - 2(7)(8)\cos 40^{\circ} = 113 - 112 \times 0.766 = 27.2,$$
$$a = \sqrt{27.2} = 5.2\text{ cm}.$$
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Sine & cosine rule

Two sides and the angle between them fix the triangle: the cosine rule finds the third side, the sine rule the other angles.

探索

What sin and cos mean

Spin the angle on the unit circle: the horizontal leg is cos θ and the vertical leg is sin θ — the same ratios the sine and cosine rules use.

词汇表 训练
英文 中文 拼音
sine rule 正弦定理 zhèng xián dìng lǐ
cosine rule 余弦定理 yú xián dìng lǐ
ambiguous case 两解情况 liǎng jiě qíng kuàng
6.6

三维中的勾股定理与三角学

大纲
Subject content Notes and examples
Carry out calculations and solve problems in three dimensions using Pythagoras' theorem and trigonometry, including calculating the angle between a line and a plane.

来源:剑桥国际大纲

在三维里,在立体里面找到一个直角三角形,然后对它用勾股定理或三角学。一个常见的任务是一条线和一个平坦表面(一个平面(plane))之间的角。

Worked example. 一个盒子有一个 $6\text{ cm}$$8\text{ cm}$ 的底和 $5\text{ cm}$ 的高。求一条空间对角线和底之间的角。

先是底对角线:$\sqrt{6^{2} + 8^{2}} = \sqrt{100} = 10\text{ cm}$。这条对角线和高构成一个直角三角形,所以与底的角 $\theta$

$$\tan\theta = \frac{5}{10} = 0.5, \qquad \theta = \tan^{-1}(0.5) = 26.6^{\circ}.$$
探索

Pythagoras' theorem

In a right-angled triangle a² + b² = c². The same idea, applied twice, gives lengths inside 3-D solids.

词汇表 训练
英文 中文 拼音
plane 平面 píng miàn
6.6

考试技巧

  • 当没有角时用勾股定理($a^2 + b^2 = c^2$);当涉及一个角时用 SOH-CAH-TOA
  • 斜边总是在直角对面。相对于你正在使用的角标注这些边(对边、邻边、斜边)。
  • 要求一个角,用反函数($\sin^{-1}$$\cos^{-1}$$\tan^{-1}$),并检查你的计算器设置为
  • 对于一个没有直角的三角形,用正弦定理余弦定理——当你知道两条边和它们之间的角时用余弦定理。

本主题的互动课程

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