Dẫn xuất công thức nhân đôi từ công thức cộng lượng giác
Problem:
Đặt \(b = a\) trong các công thức cộng lượng giác, tìm công thức tính: \(\sin 2a;\quad \cos 2a;\quad \tan 2a\).
Problem Analysis
Problem Summary
Thay \(b = a\) vào công thức cộng để rút ra công thức nhân đôi cho sin, cos, tan.
Required Knowledge
Công thức cộng lượng giác: \(\sin(a+b) = \sin a\cos b + \cos a\sin b\); \(\cos(a+b) = \cos a\cos b - \sin a\sin b\); \(\tan(a+b) = \dfrac{\tan a + \tan b}{1 - \tan a\tan b}\). Hằng đẳng thức \(\sin^2 a + \cos^2 a = 1\).
Solution Method
Chỉ một cách: viết \(2a = a + a\), rồi áp dụng trực tiếp từng công thức cộng với \(b = a\), sau đó rút gọn. Riêng \(\cos 2a\) có thể biến đổi thêm bằng hằng đẳng thức để ra hai dạng khác.
Real-world Application
Trong kỹ thuật âm thanh, tần số sóng gấp đôi tương ứng với quãng tám — công thức nhân đôi góc chính là nền tảng toán học mô tả hiện tượng đó.
Hints (0/3)
Hint 1:
Nhớ rằng \(2a = a + a\), nên \(\sin 2a = \sin(a + a)\). Từ đó áp dụng công thức \(\sin(a+b)\) với \(b = a\).
Hint 2:
Sau khi thay \(b = a\) vào công thức cộng của cos, em được \(\cos^2 a - \sin^2 a\). Dùng \(\sin^2 a + \cos^2 a = 1\) để viết lại thành hai dạng chỉ chứa \(\cos a\) hoặc chỉ chứa \(\sin a\).
Hint 3:
Với tan, thay \(b = a\) vào \(\dfrac{\tan a + \tan b}{1 - \tan a \tan b}\), tử và mẫu đều có nhân tử chung giúp rút gọn ngay.
Detailed solution
Tính \(\sin 2a\):
\[\sin 2a = \sin(a + a) = \sin a\cos a + \cos a\sin a = 2\sin a\cos a.\]
Tính \(\cos 2a\):
\[\cos 2a = \cos(a + a) = \cos a\cos a - \sin a\sin a = \cos^2 a - \sin^2 a.\]
Dùng \(\sin^2 a = 1 - \cos^2 a\) suy ra: \(\cos 2a = 2\cos^2 a - 1\).
Dùng \(\cos^2 a = 1 - \sin^2 a\) suy ra: \(\cos 2a = 1 - 2\sin^2 a\).
Vậy \(\cos 2a\) có ba dạng tương đương:
\[\cos 2a = \cos^2 a - \sin^2 a = 2\cos^2 a - 1 = 1 - 2\sin^2 a.\]
Tính \(\tan 2a\):
\[\tan 2a = \tan(a + a) = \frac{\tan a + \tan a}{1 - \tan a \cdot \tan a} = \frac{2\tan a}{1 - \tan^2 a}.\]
Exercises in this lesson— Bài 2. Công thức lượng giác