已知sin⁡θ+cos⁡θ=15,θ∈(0,π)\sin\theta{+}\cos\theta{=}\dfrac{1}{5}{,}\theta{∈}(0{,}\pi). (1)求tan⁡θ\tan\theta的值; (2)求1−2sin⁡θcos⁡θcos⁡2θ−sin⁡2θ\dfrac{1-2\sin \theta \cos \theta }{{{\cos }^{2}}\theta -{{\sin }^{2}}\theta }的值.

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完整解法

(1)

1. 通过平方已知等式求出 $\sin\theta\cos\theta$ 的值

已知 sin⁡θ+cos⁡θ=15\sin\theta + \cos\theta = \dfrac{1}{5},两边平方得:
(sin⁡θ+cos⁡θ)2=125(\sin\theta + \cos\theta)^2 = \dfrac{1}{25}
展开整理得:
1+2sin⁡θcos⁡θ=1251 + 2\sin\theta\cos\theta = \dfrac{1}{25}
解得:
sin⁡θcos⁡θ=−1225\sin\theta\cos\theta = -\dfrac{12}{25}

2. 结合角 $\theta$ 的范围确定 $\sin\theta$ 与 $\cos\theta$ 的符号关系,并求出 $\sin\theta - \cos\theta$ 的值

因为 θ∈(0,π)\theta \in (0, \pi),所以 sin⁡θ>0\sin\theta > 0。
又因为 sin⁡θcos⁡θ=−1225<0\sin\theta\cos\theta = -\dfrac{12}{25} < 0,所以 cos⁡θ<0\cos\theta < 0。
由此可得 sin⁡θ−cos⁡θ>0\sin\theta - \cos\theta > 0。
因为:
(sin⁡θ−cos⁡θ)2=1−2sin⁡θcos⁡θ=1−(−2425)=4925(\sin\theta - \cos\theta)^2 = 1 - 2\sin\theta\cos\theta = 1 - \left(-\dfrac{24}{25}\right) = \dfrac{49}{25}
所以:
sin⁡θ−cos⁡θ=75\sin\theta - \cos\theta = \dfrac{7}{5}

3. 联立方程组求得 $\sin\theta$ 和 $\cos\theta$,并求出 $\tan\theta$ 的值

联立方程组:
{sin⁡θ+cos⁡θ=15sin⁡θ−cos⁡θ=75\begin{cases} \sin\theta + \cos\theta = \dfrac{1}{5} \\ \sin\theta - \cos\theta = \dfrac{7}{5} \end{cases}
解得:
sin⁡θ=45,cos⁡θ=−35\sin\theta = \dfrac{4}{5}, \quad \cos\theta = -\dfrac{3}{5}
因此:
tan⁡θ=sin⁡θcos⁡θ=45−35=−43\tan\theta = \dfrac{\sin\theta}{\cos\theta} = \dfrac{\frac{4}{5}}{-\frac{3}{5}} = -\dfrac{4}{3}

答案

tan⁡θ=−43\tan\theta = -\dfrac{4}{3}

(2)

1. 化简目标式中的分子与分母

目标式为 1−2sin⁡θcos⁡θcos⁡2θ−sin⁡2θ\dfrac{1-2\sin \theta \cos \theta }{{{\cos }^{2}}\theta -{{\sin }^{2}}\theta }。
利用完全平方公式与平方差公式进行因式分解:
1−2sin⁡θcos⁡θ=(cos⁡θ−sin⁡θ)21 - 2\sin\theta\cos\theta = (\cos\theta - \sin\theta)^2
cos⁡2θ−sin⁡2θ=(cos⁡θ−sin⁡θ)(cos⁡θ+sin⁡θ)\cos^2\theta - \sin^2\theta = (\cos\theta - \sin\theta)(\cos\theta + \sin\theta)
代入目标式可得:
1−2sin⁡θcos⁡θcos⁡2θ−sin⁡2θ=(cos⁡θ−sin⁡θ)2(cos⁡θ−sin⁡θ)(cos⁡θ+sin⁡θ)=cos⁡θ−sin⁡θcos⁡θ+sin⁡θ\dfrac{1-2\sin \theta \cos \theta }{{{\cos }^{2}}\theta -{{\sin }^{2}}\theta } = \dfrac{(\cos\theta - \sin\theta)^2}{(\cos\theta - \sin\theta)(\cos\theta + \sin\theta)} = \dfrac{\cos\theta - \sin\theta}{\cos\theta + \sin\theta}

2. 将化简后的式子转化为含 $\tan\theta$ 的表达式

将分子和分母同除以 cos⁡θ\cos\theta,得:
cos⁡θ−sin⁡θcos⁡θ+sin⁡θ=1−tan⁡θ1+tan⁡θ\dfrac{\cos\theta - \sin\theta}{\cos\theta + \sin\theta} = \dfrac{1 - \tan\theta}{1 + \tan\theta}

3. 代入 $\tan\theta$ 的值计算出最终结果

由第 (1) 问可知 tan⁡θ=−43\tan\theta = -\dfrac{4}{3},代入上式得:
1−(−43)1+(−43)=73−13=−7\dfrac{1 - \left(-\dfrac{4}{3}\right)}{1 + \left(-\dfrac{4}{3}\right)} = \dfrac{\dfrac{7}{3}}{-\dfrac{1}{3}} = -7

答案

−7-7

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