求解方程A*cos + B*sin = C

博客聚焦于求解方程 A*cos(θ)+B*sin(θ)=C 中 θ 的值,采用三角函数万能公式,设 t = tan(θ/2),将原方程转化为二次方程 (A + C)*t² - 2*B*t - (A - C) = 0,求出 t 的解后得到 θ = 2*arctan(t)。

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问题

求解
A∗cos⁡(θ)+B∗sin⁡(θ)=CA *\cos(\theta) + B*\sin(\theta) = CAcos(θ)+Bsin(θ)=C
中的θ\thetaθ值。

方法一

采用三角函数的万能公式进行求解,假设t=tan⁡(θ2)t = \tan(\frac{\theta}{2})t=tan(2θ)
其中
1cos⁡(θ2)2=1+tan⁡(θ2)2\frac{1}{\cos(\frac{\theta}{2})^2} = 1 + \tan(\frac{\theta}{2})^2cos(2θ)21=1+tan(2θ)2

cos⁡(θ)=cos⁡(θ2)2−sin⁡(θ2)2=cos⁡(θ2)2(1−sin⁡(θ2)2cos⁡(θ2)2)=11cos⁡(θ2)2(1−tan⁡(θ2)2)=11+tan⁡(θ2)2(1−tan⁡(θ2)2) ⁣ ⁣=1−tan⁡(θ2)21+tan⁡(θ2)2 ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣=1−t21+t2\cos(\theta) = \cos(\frac{\theta}{2})^2 - \sin(\frac{\theta}{2})^2 \\ \qquad\qquad =\cos(\frac{\theta}{2})^2(1 - \frac{\sin(\frac{\theta}{2})^2}{\cos(\frac{\theta}{2})^2}) \\ \qquad \quad =\frac{1}{\frac{1}{\cos(\frac{\theta}{2})^2}}(1 - \tan(\frac{\theta}{2})^2)\\ \qquad \qquad \qquad =\frac{1}{1 + \tan(\frac{\theta}{2})^2}(1 - \tan(\frac{\theta}{2})^2)\\ \!\!=\frac{1 - \tan(\frac{\theta}{2})^2}{1 + \tan(\frac{\theta}{2})^2}\\ \!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!=\frac{1 - t^2}{1 + t^2}cos(θ)=cos(2θ)2sin(2θ)2=cos(2θ)2(1cos(2θ)2sin(2θ)2)=cos(2θ)211(1tan(2θ)2)=1+tan(2θ)21(1tan(2θ)2)=1+tan(2θ)21tan(2θ)2=1+t21t2

sin⁡(θ)=2∗sin⁡(θ2)∗cos⁡(θ2)=2∗(sin⁡(θ2)cos⁡(θ2))∗cos⁡(θ2)2=2∗tan⁡(θ2)∗11+tan⁡(θ2)2=2∗tan⁡(θ2)1+tan⁡(θ2)2 ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣=2∗t1+t2\sin(\theta) = 2*\sin(\frac{\theta}{2})*\cos(\frac{\theta}{2}) \\ \qquad\qquad= 2*(\frac{\sin(\frac{\theta}{2})}{\cos(\frac{\theta}{2})})*\cos(\frac{\theta}{2})^2\\ \qquad\qquad\quad= 2*\tan(\frac{\theta}{2})*\frac{1}{1+\tan(\frac{\theta}{2})^2}\\ = \frac{2*\tan(\frac{\theta}{2})}{1+\tan(\frac{\theta}{2})^2}\\ \!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!= \frac{2*t}{1 + t^2} sin(θ)=2sin(2θ)cos(2θ)=2(cos(2θ)sin(2θ))cos(2θ)2=2tan(2θ)1+tan(2θ)21=1+tan(2θ)22tan(2θ)=1+t22t
则上述方程可以写为
A∗1−t21+t2+B∗2∗t1+t2=CA*\frac{1 - t^2}{1 + t^2} + B*\frac{2*t}{1 + t^2} = CA1+t21t2+B1+t22t=C
化简得
(A+C)∗t2−2∗B∗t−(A−C)=0(A+C)*t^2-2*B*t-(A-C)=0(A+C)t22Bt(AC)=0
故二次方程的解为
t=B±B2+A2−C2A+Ct = \frac{B\pm\sqrt{B^2 + A^2 - C^2}}{A + C}t=A+CB±B2+A2C2
所以方程的解为
θ=2∗arctan⁡(t)\theta = 2*\arctan(t)θ=2arctan(t)

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