在 ΔABC\Delta ABC 中,已知 cos⁡B=34\cos B = \frac{3}{4},cos⁡2(A+C)+sin⁡Asin⁡C=1\cos^2(A + C) + \sin A \sin C = 1.

  1. (1)

    证明:ΔABC\Delta ABC 为钝角三角形;

  2. (2)

    若 ΔABC\Delta ABC 面积为 74\frac{\sqrt{7}}{4},求 ΔABC\Delta ABC 周长.

完整解法

(1)

1. 求出 $\sin A \sin C$ 的值

在 ΔABC\Delta ABC 中,因为 A+B+C=πA + B + C = \pi,所以 A+C=π−BA + C = \pi - B。
从而 cos⁡(A+C)=−cos⁡B=−34\cos(A + C) = -\cos B = -\frac{3}{4}。
代入已知条件 cos⁡2(A+C)+sin⁡Asin⁡C=1\cos^2(A + C) + \sin A \sin C = 1,得:
sin⁡Asin⁡C=1−cos⁡2(A+C)=1−(−34)2=716\sin A \sin C = 1 - \cos^2(A + C) = 1 - \left(-\frac{3}{4}\right)^2 = \frac{7}{16}

2. 利用两角和的余弦展开式求出 $\cos A \cos C$ 并证明钝角

根据两角和的余弦公式展开:
cos⁡(A+C)=cos⁡Acos⁡C−sin⁡Asin⁡C\cos(A + C) = \cos A \cos C - \sin A \sin C
将 cos⁡(A+C)=−34\cos(A + C) = -\frac{3}{4} 和 sin⁡Asin⁡C=716\sin A \sin C = \frac{7}{16} 代入,得:
cos⁡Acos⁡C=cos⁡(A+C)+sin⁡Asin⁡C=−34+716=−516\cos A \cos C = \cos(A + C) + \sin A \sin C = -\frac{3}{4} + \frac{7}{16} = -\frac{5}{16}
由于 cos⁡Acos⁡C=−516<0\cos A \cos C = -\frac{5}{16} < 0,且在三角形中内角均在 (0,π)(0, \pi) 范围内,正弦值均为正数,
余弦乘积小于 00 说明 cos⁡A\cos A 与 cos⁡C\cos C 必有一正一负。
又因为三角形中至多有一个钝角,所以角 AA 或角 CC 中必有一个为钝角。
故 ΔABC\Delta ABC 为钝角三角形。

答案

证明见解答过程

(2)

1. 求 $\sin B$ 的值及边长乘积 $ac$

因为 B∈(0,π)B \in (0, \pi) 且 cos⁡B=34\cos B = \frac{3}{4},所以:
sin⁡B=1−cos⁡2B=1−(34)2=74\sin B = \sqrt{1 - \cos^2 B} = \sqrt{1 - \left(\frac{3}{4}\right)^2} = \frac{\sqrt{7}}{4}
由三角形面积公式 S=12acsin⁡B=74S = \frac{1}{2}ac \sin B = \frac{\sqrt{7}}{4},得:
12ac⋅74=74  ⟹  ac=2\frac{1}{2} ac \cdot \frac{\sqrt{7}}{4} = \frac{\sqrt{7}}{4} \implies ac = 2

2. 求边 $b$ 的值

由正弦定理 asin⁡A=bsin⁡B=csin⁡C=2R\frac{a}{\sin A} = \frac{b}{\sin B} = \frac{c}{\sin C} = 2R,可得:
ac=4R2sin⁡Asin⁡Cac = 4R^2 \sin A \sin C
由第 (1) 问知 sin⁡Asin⁡C=716\sin A \sin C = \frac{7}{16},故:
2=4R2⋅716  ⟹  R2=872 = 4R^2 \cdot \frac{7}{16} \implies R^2 = \frac{8}{7}
从而:
b=2Rsin⁡B=2⋅87⋅74=2b = 2R \sin B = 2 \cdot \sqrt{\frac{8}{7}} \cdot \frac{\sqrt{7}}{4} = \sqrt{2}

3. 利用余弦定理求 $a + c$ 并计算周长

由余弦定理 b2=a2+c2−2accos⁡Bb^2 = a^2 + c^2 - 2ac \cos B,得:
(2)2=a2+c2−2×2×34(\sqrt{2})^2 = a^2 + c^2 - 2 \times 2 \times \frac{3}{4}
2=a2+c2−3  ⟹  a2+c2=52 = a^2 + c^2 - 3 \implies a^2 + c^2 = 5
因为 (a+c)2=a2+c2+2ac=5+2×2=9(a + c)^2 = a^2 + c^2 + 2ac = 5 + 2 \times 2 = 9,且 a+c>0a + c > 0,
所以 a+c=3a + c = 3。
因此,ΔABC\Delta ABC 的周长为:
a+b+c=(a+c)+b=3+2a + b + c = (a + c) + b = 3 + \sqrt{2}

答案

3+23 + \sqrt{2}

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