2022 新高考Ⅱ卷 - 第18题 (解答题)

解三角形与正余弦定理面积
前置知识回顾:公式与定理 (点击展开)
  • 正三角形面积公式: 边长为 \( x \) 的正三角形面积为 \( S = \frac{\sqrt{3}}{4}x^2 \)。
  • 余弦定理与三角形面积: \( \cos B = \frac{a^2 + c^2 - b^2}{2ac} \);\( S_{\triangle ABC} = \frac{1}{2}ac\sin B \)。

18. 记 \( \triangle ABC \) 的内角 \( A, B, C \) 的对边分别为 \( a, b, c \),分别以 \( a, b, c \) 为边长的三个正三角形的面积依次为 \( S_1, S_2, S_3 \),已知 \( S_1 - S_2 + S_3 = \frac{\sqrt{3}}{2}, \sin B = \frac{1}{3} \).

(1)求 \( \triangle ABC \) 的面积;

(2)若 \( \sin A\sin C = \frac{\sqrt{2}}{3} \),求 \( b \).

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思路与规范推导

破题思路全景图

面积代换:S₁ - S₂ + S₃ = √3/4(a² - b² + c²) = √3/2 得到 a² + c² - b² = 2
余弦定理:cos B = (a² + c² - b²)/(2ac) = 2/(2ac) = 1/(ac)
由 sin B = 1/3 得 cos B = 2√2/3,求出 ac = 3√2/4
(1)三角形面积 S = 1/2·ac·sin B = 1/2·(3√2/4)·(1/3) = √2/8
(2)正弦定理边化角转换出 b² = 1/4 解得 b = 1/2

(1) 求 \( \triangle ABC \) 的面积 满分 6 分

点击查看第 (1) 问面积求解推导

由正三角形面积公式,三个正三角形的面积依次为:

\[ S_1 = \frac{\sqrt{3}}{4}a^2, \quad S_2 = \frac{\sqrt{3}}{4}b^2, \quad S_3 = \frac{\sqrt{3}}{4}c^2 \]

代入已知 \( S_1 - S_2 + S_3 = \frac{\sqrt{3}}{2} \):

\[ \frac{\sqrt{3}}{4}(a^2 - b^2 + c^2) = \frac{\sqrt{3}}{2} \implies a^2 + c^2 - b^2 = 2 \]

由余弦定理:

\[ \cos B = \frac{a^2 + c^2 - b^2}{2ac} = \frac{2}{2ac} = \frac{1}{ac} \]
得 2 分

因为 \( a^2 + c^2 - b^2 = 2 > 0 \),说明角 \( B \) 为锐角。

已知 \( \sin B = \frac{1}{3} \),所以:

\[ \cos B = \sqrt{1 - \sin^2 B} = \sqrt{1 - \frac{1}{9}} = \frac{2\sqrt{2}}{3} \]

因此:

\[ \frac{1}{ac} = \frac{2\sqrt{2}}{3} \implies ac = \frac{3}{2\sqrt{2}} = \frac{3\sqrt{2}}{4} \]
得 4 分

由三角形面积公式:

\[ S_{\triangle ABC} = \frac{1}{2}ac\sin B = \frac{1}{2} \times \frac{3\sqrt{2}}{4} \times \frac{1}{3} = \frac{\sqrt{2}}{8} \]
得 6 分

(2) 求边长 \( b \) 的值 满分 6 分

点击查看第 (2) 问边长求解推导

由正弦定理:\( \frac{a}{\sin A} = \frac{b}{\sin B} = \frac{c}{\sin C} = 2R \),可得:

\[ a = \frac{b\sin A}{\sin B}, \quad c = \frac{b\sin C}{\sin B} \]

两式相乘:

\[ ac = \frac{b^2 \sin A\sin C}{\sin^2 B} \]
得 9 分

将 \( ac = \frac{3\sqrt{2}}{4} \),\( \sin B = \frac{1}{3} \),\( \sin A\sin C = \frac{\sqrt{2}}{3} \) 代入上式:

\[ \frac{3\sqrt{2}}{4} = \frac{b^2 \times \frac{\sqrt{2}}{3}}{\left(\frac{1}{3}\right)^2} = \frac{\frac{\sqrt{2}}{3}b^2}{\frac{1}{9}} = 3\sqrt{2}b^2 \]

两边同除以 \( 3\sqrt{2} \):

\[ b^2 = \frac{\frac{3\sqrt{2}}{4}}{3\sqrt{2}} = \frac{1}{4} \]

因为边长 \( b > 0 \),所以:

\[ b = \frac{1}{2} \]
满分 12 分

最终答案核对

解析阅读完毕,点击核对最终答案
(1)\(\frac{\sqrt{2}}{8}\);
(2)\(\frac{1}{2}\).

核心模型与结论

正弦余弦定理“面积桥梁与乘积代换”模型:\( ac = \frac{1}{\cos B} \) 与 \( ac = \frac{b^2\sin A\sin C}{\sin^2 B} \) 形成完美的等量闭环,直接联立消元求解边长!

易错警示与避坑

余弦值正负号讨论!已知余弦定理分子等于 2 > 0,直接锁定 \( B \) 为锐角,切不可画蛇添足取负值。

高分技法与秒杀

代数消元口算:已知 \( ac = \frac{3\sqrt{2}}{4} \),由正弦定理两式相乘 \( ac = 3\sqrt{2}b^2 \),直接两式一除:\( b^2 = \frac{1}{4} \implies b = \frac{1}{2} \),毫无多余计算!

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