已知△ABC\triangle ABC的三边aa,bb,cc和面积SS满足S=a2−(b−c)2S=a^{2}-(b-c)^{2},且b+c=8b+c=8. (1)求cos⁡A\cos A; (2)求SS的最大值.

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完整解法

(1)

1. 展开已知条件,并结合三角形面积公式建立等式

已知 S=a2−(b−c)2S = a^2 - (b-c)^2,将其展开得:
S=a2−(b2+c2−2bc)=a2−b2−c2+2bcS = a^2 - (b^2 + c^2 - 2bc) = a^2 - b^2 - c^2 + 2bc
根据三角形面积公式可知:
S=12bcsin⁡AS = \frac{1}{2}bc\sin A
因此有:
12bcsin⁡A=a2−b2−c2+2bc\frac{1}{2}bc\sin A = a^2 - b^2 - c^2 + 2bc

2. 利用余弦定理进行代换化简得到正余弦关系

由余弦定理知:
a2=b2+c2−2bccos⁡A⇒a2−b2−c2=−2bccos⁡Aa^2 = b^2 + c^2 - 2bc\cos A \Rightarrow a^2 - b^2 - c^2 = -2bc\cos A
将其代入上述等式中得:
12bcsin⁡A=−2bccos⁡A+2bc=2bc(1−cos⁡A)\frac{1}{2}bc\sin A = -2bc\cos A + 2bc = 2bc(1 - \cos A)
因为 b,cb, c 为三角形的边长,所以 bc≠0bc \neq 0。
两边同除以 bcbc 整理得:
sin⁡A=4−4cos⁡A\sin A = 4 - 4\cos A

3. 结合同角三角函数平方关系求出 $\cos A$ 的值

将 sin⁡A=4−4cos⁡A\sin A = 4 - 4\cos A 代入同角关系式 sin⁡2A+cos⁡2A=1\sin^2 A + \cos^2 A = 1 中,得:
(4−4cos⁡A)2+cos⁡2A=1(4 - 4\cos A)^2 + \cos^2 A = 1
展开整理得一元二次方程:
17cos⁡2A−32cos⁡A+15=017\cos^2 A - 32\cos A + 15 = 0
因式分解得:
(17cos⁡A−15)(cos⁡A−1)=0(17\cos A - 15)(\cos A - 1) = 0
因为 AA 为三角形的内角,所以 A∈(0,π)A \in (0, \pi),从而 cos⁡A≠1\cos A \neq 1。
故解得:
cos⁡A=1517\cos A = \frac{15}{17}

答案

cos⁡A=1517\cos A = \frac{15}{17}

(2)

1. 由余弦值求出 $\sin A$ 的值

由第 (1) 问可知 cos⁡A=1517\cos A = \frac{15}{17}。
因为 A∈(0,π)A \in (0, \pi),所以 sin⁡A>0\sin A > 0。
代入关系式 sin⁡A=4−4cos⁡A\sin A = 4 - 4\cos A 得:
sin⁡A=4−4×1517=817\sin A = 4 - 4 \times \frac{15}{17} = \frac{8}{17}

2. 用含单变量的代数式表示面积 $S$

把 sin⁡A=817\sin A = \frac{8}{17} 代入三角形面积公式中:
S=12bcsin⁡A=12bc×817=417bcS = \frac{1}{2}bc\sin A = \frac{1}{2}bc \times \frac{8}{17} = \frac{4}{17}bc
因为 b+c=8b+c=8,所以 c=8−bc = 8-b(其中 0<b<80 < b < 8)。
代入得面积关于 bb 的二次函数关系式:
S=417b(8−b)=417(−b2+8b)S = \frac{4}{17}b(8-b) = \frac{4}{17}(-b^2 + 8b)

3. 配方求出二次函数的最大值并检验

对二次函数进行配方:
S=−417(b−4)2+6417S = -\frac{4}{17}(b-4)^2 + \frac{64}{17}
当 b=4b=4 时(此时 c=4c=4,满足三角形两边之和大于第三边),面积 SS 取得最大值,最大值为 6417\frac{64}{17}。
因此,面积 SS 的最大值为 6417\frac{64}{17}。

答案

Smax⁡=6417S_{\max} = \frac{64}{17}

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