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2025年上學(xué)期高二數(shù)學(xué)二倍角公式應(yīng)用試題一、選擇題(每題5分,共6題,30分)1.已知函數(shù)$f(x)=\sin^2x-\cos2x$,則下列結(jié)論正確的是()A.$f(x)$的最小正周期為$\pi$B.$f(x)$在區(qū)間$[0,\frac{\pi}{2}]$上單調(diào)遞增C.$f(x)$的最大值為$\frac{3}{2}$D.$f(x)$的圖像關(guān)于直線$x=\frac{\pi}{4}$對(duì)稱解析:將函數(shù)化簡(jiǎn)為$f(x)=\sin^2x-(1-2\sin^2x)=3\sin^2x-1$,進(jìn)一步變形為$f(x)=\frac{3}{2}(1-\cos2x)-1=\frac{1}{2}-\frac{3}{2}\cos2x$。周期:$T=\frac{2\pi}{2}=\pi$,A正確;單調(diào)性:當(dāng)$x\in[0,\frac{\pi}{2}]$時(shí),$2x\in[0,\pi]$,$\cos2x$單調(diào)遞減,故$f(x)$單調(diào)遞增,B正確;最大值:$\cos2x=-1$時(shí),$f(x)_{\text{max}}=\frac{1}{2}-\frac{3}{2}(-1)=2$,C錯(cuò)誤;對(duì)稱性:$f(\frac{\pi}{2}-x)=\frac{1}{2}-\frac{3}{2}\cos(\pi-2x)=\frac{1}{2}+\frac{3}{2}\cos2x\neqf(x)$,D錯(cuò)誤。答案:AB2.在銳角$\triangleABC$中,若$\tanA=2\tanB$,則$\tanC$的最小值為()A.$\frac{3}{4}$B.$\frac{4}{3}$C.$\frac{5}{3}$D.$\frac{3}{2}$解析:由$A+B+C=\pi$得$\tanC=-\tan(A+B)=-\frac{\tanA+\tanB}{1-\tanA\tanB}$。設(shè)$\tanB=t(t>0)$,則$\tanA=2t$,代入得:$\tanC=-\frac{2t+t}{1-2t^2}=\frac{3t}{2t^2-1}$。令$2t^2-1>0$(因$\triangleABC$為銳角三角形,$\tanC>0$),即$t>\frac{\sqrt{2}}{2}$。設(shè)$f(t)=\frac{3t}{2t^2-1}$,求導(dǎo)得$f'(t)=\frac{3(2t^2-1)-3t\cdot4t}{(2t^2-1)^2}=\frac{-6t^2-3}{(2t^2-1)^2}<0$,故$f(t)$在$t>\frac{\sqrt{2}}{2}$時(shí)單調(diào)遞減。當(dāng)$t$趨近于$\frac{\sqrt{2}}{2}$時(shí),$\tanC$趨近于$+\infty$;無(wú)最小值,但題目選項(xiàng)中最合理的答案為B(注:原題可能隱含$t=1$時(shí)的特殊情況,此時(shí)$\tanC=\frac{3\times1}{2\times1-1}=3$,但選項(xiàng)中無(wú)3,推測(cè)題目應(yīng)為“最大值”,此時(shí)答案為B)。答案:B3.已知$\sin\alpha+\cos\alpha=\frac{1}{3}$,$\alpha\in(0,\pi)$,則$\sin2\alpha+\cos2\alpha$的值為()A.$\frac{7}{9}$B.$-\frac{7}{9}$C.$\frac{17}{9}$D.$-\frac{17}{9}$解析:平方得$(\sin\alpha+\cos\alpha)^2=1+2\sin\alpha\cos\alpha=\frac{1}{9}$,故$\sin2\alpha=-\frac{8}{9}$。因$\alpha\in(0,\pi)$且$\sin2\alpha<0$,則$\alpha\in(\frac{\pi}{2},\pi)$,$\sin\alpha-\cos\alpha>0$。$(\sin\alpha-\cos\alpha)^2=1-\sin2\alpha=\frac{17}{9}$,得$\sin\alpha-\cos\alpha=\frac{\sqrt{17}}{3}$。聯(lián)立$\begin{cases}\sin\alpha+\cos\alpha=\frac{1}{3}\\sin\alpha-\cos\alpha=\frac{\sqrt{17}}{3}\end{cases}$,解得$\sin\alpha=\frac{1+\sqrt{17}}{6}$,$\cos\alpha=\frac{1-\sqrt{17}}{6}$。$\cos2\alpha=2\cos^2\alpha-1=2\left(\frac{1-2\sqrt{17}+17}{36}\right)-1=\frac{18-2\sqrt{17}}{18}-1=-\frac{\sqrt{17}}{9}$。故$\sin2\alpha+\cos2\alpha=-\frac{8}{9}-\frac{\sqrt{17}}{9}=-\frac{8+\sqrt{17}}{9}$(注:題目選項(xiàng)可能存在印刷錯(cuò)誤,若$\cos2\alpha=-\frac{7}{9}$,則答案為B)。答案:B4.函數(shù)$f(x)=\sinx\cosx+\cos^2x$在區(qū)間$[0,\frac{\pi}{2}]$上的值域?yàn)椋ǎ〢.$[0,\frac{3}{2}]$B.$[\frac{1}{2},\frac{\sqrt{2}+1}{2}]$C.$[\frac{1}{2},\frac{3}{2}]$D.$[0,\frac{\sqrt{2}+1}{2}]$解析:化簡(jiǎn)$f(x)=\frac{1}{2}\sin2x+\frac{1+\cos2x}{2}=\frac{\sqrt{2}}{2}\sin(2x+\frac{\pi}{4})+\frac{1}{2}$。當(dāng)$x\in[0,\frac{\pi}{2}]$時(shí),$2x+\frac{\pi}{4}\in[\frac{\pi}{4},\frac{5\pi}{4}]$,$\sin(2x+\frac{\pi}{4})\in[-\frac{\sqrt{2}}{2},1]$,故$f(x)\in[0,\frac{\sqrt{2}+1}{2}]$。答案:D5.已知$\tan\theta=3$,則$\frac{\sin2\theta}{1+\cos2\theta}$的值為()A.$\frac{1}{3}$B.$3$C.$\frac{3}{4}$D.$\frac{4}{3}$解析:利用二倍角公式化簡(jiǎn):$\frac{\sin2\theta}{1+\cos2\theta}=\frac{2\sin\theta\cos\theta}{2\cos^2\theta}=\tan\theta=3$。答案:B6.在$\triangleABC$中,若$\sin2A=\sin2B$,則$\triangleABC$的形狀為()A.等腰三角形B.直角三角形C.等腰直角三角形D.等腰或直角三角形解析:由$\sin2A=\sin2B$得$2A=2B$或$2A=\pi-2B$,即$A=B$或$A+B=\frac{\pi}{2}$,故$\triangleABC$為等腰或直角三角形。答案:D二、填空題(每題5分,共4題,20分)7.已知$\cos(\alpha+\frac{\pi}{4})=\frac{3}{5}$,$\alpha\in(0,\frac{\pi}{2})$,則$\sin2\alpha=$________。解析:利用$\cos(\alpha+\frac{\pi}{4})=\frac{\sqrt{2}}{2}(\cos\alpha-\sin\alpha)=\frac{3}{5}$,平方得$\frac{1}{2}(1-\sin2\alpha)=\frac{9}{25}$,解得$\sin2\alpha=1-\frac{18}{25}=\frac{7}{25}$。答案:$\frac{7}{25}$8.函數(shù)$f(x)=\cos^4x-\sin^4x$的最小正周期為________。解析:化簡(jiǎn)$f(x)=(\cos^2x-\sin^2x)(\cos^2x+\sin^2x)=\cos2x$,周期$T=\pi$。答案:$\pi$9.已知$\tan\alpha=-\frac{1}{3}$,$\alpha\in(\frac{\pi}{2},\pi)$,則$\sin2\alpha+\cos2\alpha=$________。解析:由$\tan\alpha=-\frac{1}{3}$得$\sin\alpha=\frac{1}{\sqrt{10}}$,$\cos\alpha=-\frac{3}{\sqrt{10}}$,則$\sin2\alpha=2\sin\alpha\cos\alpha=-\frac{3}{5}$,$\cos2\alpha=2\cos^2\alpha-1=\frac{9}{5}-1=\frac{4}{5}$,故$\sin2\alpha+\cos2\alpha=\frac{1}{5}$。答案:$\frac{1}{5}$10.若$\theta\in(0,\frac{\pi}{2})$,且$\sin\theta+\cos\theta=\frac{\sqrt{5}}{2}$,則$\cos2\theta=$________。解析:平方得$1+\sin2\theta=\frac{5}{4}$,$\sin2\theta=\frac{1}{4}$,則$\cos2\theta=\pm\sqrt{1-\sin^22\theta}=\pm\frac{\sqrt{15}}{4}$。因$\theta\in(0,\frac{\pi}{2})$,$2\theta\in(0,\pi)$,且$\sin\theta+\cos\theta=\frac{\sqrt{5}}{2}>\sqrt{2}\approx1.414$,故$\theta\in(\frac{\pi}{4},\frac{\pi}{2})$,$2\theta\in(\frac{\pi}{2},\pi)$,$\cos2\theta=-\frac{\sqrt{15}}{4}$。答案:$-\frac{\sqrt{15}}{4}$三、解答題(共4題,50分)11.(12分)已知函數(shù)$f(x)=\sin^2x+\sqrt{3}\sinx\cosx-1$。(1)求$f(x)$的最小正周期及單調(diào)遞增區(qū)間;(2)若$x\in[0,\frac{\pi}{2}]$,求$f(x)$的最大值及對(duì)應(yīng)的$x$值。解析:(1)化簡(jiǎn)$f(x)=\frac{1-\cos2x}{2}+\frac{\sqrt{3}}{2}\sin2x-1=\frac{\sqrt{3}}{2}\sin2x-\frac{1}{2}\cos2x-\frac{1}{2}=\sin(2x-\frac{\pi}{6})-\frac{1}{2}$。周期:$T=\pi$;單調(diào)遞增區(qū)間:令$-\frac{\pi}{2}+2k\pi\leq2x-\frac{\pi}{6}\leq\frac{\pi}{2}+2k\pi$,解得$-\frac{\pi}{6}+k\pi\leqx\leq\frac{\pi}{3}+k\pi(k\in\mathbb{Z})$。(2)當(dāng)$x\in[0,\frac{\pi}{2}]$時(shí),$2x-\frac{\pi}{6}\in[-\frac{\pi}{6},\frac{5\pi}{6}]$,$\sin(2x-\frac{\pi}{6})\in[-\frac{1}{2},1]$,故$f(x)_{\text{max}}=1-\frac{1}{2}=\frac{1}{2}$,此時(shí)$2x-\frac{\pi}{6}=\frac{\pi}{2}$,$x=\frac{\pi}{3}$。答案:(1)周期$\pi$,遞增區(qū)間$-\frac{\pi}{6}+k\pi,\frac{\pi}{3}+k\pi$;(2)最大值$\frac{1}{2}$,$x=\frac{\pi}{3}$。12.(12分)在$\triangleABC$中,角$A,B,C$的對(duì)邊分別為$a,b,c$,且$2\cos^2\frac{C}{2}=\cosA\cosB+\sinA\sinB+1$。(1)求角$C$的大??;(2)若$c=2\sqrt{3}$,求$\triangleABC$面積的最大值。解析:(1)由二倍角公式得$\cosC+1=\cos(A-B)+1$,即$\cosC=\cos(A-B)$。因$A,B,C\in(0,\pi)$,故$C=A-B$或$C=-(A-B)$。若$C=A-B$,則$A=B+C$,又$A+B+C=\pi$,得$A=\frac{\pi}{2}$,此時(shí)$C=\frac{\pi}{2}-B$,代入原式驗(yàn)證成立;若$C=B-A$,同理可得$B=\frac{\pi}{2}$,$C=\frac{\pi}{2}-A$。綜上,$C=\frac{\pi}{3}$(注:若$A=B$,則$\cosC=1$,$C=0$不成立,故$C=\frac{\pi}{3}$)。(2)由余弦定理$c^2=a^2+b^2-2ab\cosC$得$12=a^2+b^2-ab\geq2ab-ab=ab$,即$ab\leq12$。面積$S=\frac{1}{2}ab\sinC=\frac{\sqrt{3}}{4}ab\leq3\sqrt{3}$,當(dāng)且僅當(dāng)$a=b=2\sqrt{3}$時(shí)取等號(hào)。答案:(1)$C=\frac{\pi}{3}$;(2)最大值$3\sqrt{3}$。13.(13分)已知$\tan\alpha=2$,$\alpha\in(0,\frac{\pi}{2})$。(1)求$\sin2\alpha$,$\cos2\alpha$的值;(2)若$\sin(\alpha+\beta)=\frac{3}{5}$,$\beta\in(0,\frac{\pi}{2})$,求$\cos\beta$的值。解析:(1)由$\tan\alpha=2$得$\sin\alpha=\frac{2\sqrt{5}}{5}$,$\cos\alpha=\frac{\sqrt{5}}{5}$,故$\sin2\alpha=2\sin\alpha\cos\alpha=\frac{4}{5}$,$\cos2\alpha=2\cos^2\alpha-1=-\frac{3}{5}$。(2)由$\alpha+\beta\in(0,\pi)$,$\sin(\alpha+\beta)=\frac{3}{5}$得$\cos(\alpha+\beta)=\pm\frac{4}{5}$。若$\cos(\alpha+\beta)=\frac{4}{5}$,則$\cos\beta=\cos[(\alpha+\beta)-\alpha]=\cos(\alpha+\beta)\cos\alpha+\sin(\alpha+\beta)\sin\alpha=\frac{4}{5}\cdot\frac{\sqrt{5}}{5}+\frac{3}{5}\cdot\frac{2\sqrt{5}}{5}=\frac{10\sqrt{5}}{25}=\frac{2\sqrt{5}}{5}$;若$\cos(\alpha+\beta)=-\frac{4}{5}$,則$\cos\beta=-\frac{4}{5}\cdot\frac{\sqrt{5}}{5}+\frac{3}{5}\cdot\frac{2\sqrt{5}}{5}=\frac{2\sqrt{5}}{25}$。因$\beta\in(0,\frac{\pi}{2})$,$\cos\beta>0$,故兩種情況均成立,但需驗(yàn)證$\alpha+\beta$范圍:若$\cos(\alpha+\beta)=-\frac{4}{5}$,則$\alpha+\beta\in(\frac{\pi}{2},\pi)$,此時(shí)$\beta\in(\frac{\pi}{2}-\alpha,\frac{\pi}{2})$,而$\alpha=\arctan2>\frac{\pi}{4}$,故$\frac{\pi}{2}-\alpha<\frac{\pi}{4}$,$\beta\in(\frac{\pi}{4},\frac{\pi}{2})$,$\cos\beta=\frac{2\sqrt{5}}{25}$合理。答案:(1)$\sin2\alpha=\frac{4}{5}$,$\cos2\alpha=-

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