已知函数f(x)=sin⁡x(x∈[0,π])f(x)=\sin x(x∈[0,π])和函数g(x)=13tan⁡xg(x)= \dfrac {1}{3}\tan x的图象相交于AA,BB,CC三点,则△ABC\triangle ABC的面积为 ___ .

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完整解法

1. 联立两函数解析式,列出交点满足的三角方程并化简

由题意,两函数图象相交,令 f(x)=g(x)f(x) = g(x),得:
sin⁡x=13tan⁡x\sin x = \dfrac{1}{3}\tan x
由于 tan⁡x=sin⁡xcos⁡x\tan x = \dfrac{\sin x}{\cos x}(其中 cos⁡x≠0\cos x \neq 0),代入原方程得:
sin⁡x=sin⁡x3cos⁡x\sin x = \dfrac{\sin x}{3\cos x}
移项并因式分解得:
sin⁡x(1−13cos⁡x)=0\sin x \left(1 - \dfrac{1}{3\cos x}\right) = 0

2. 在给定定义域内求解三角方程,得出交点横坐标

由 sin⁡x(1−13cos⁡x)=0\sin x \left(1 - \dfrac{1}{3\cos x}\right) = 0 可得:
sin⁡x=0或cos⁡x=13\sin x = 0 \quad \text{或} \quad \cos x = \dfrac{1}{3}
因为 x∈[0,π]x \in [0, \pi]:

  • 由 sin⁡x=0\sin x = 0 解得 x=0x = 0 或 x=πx = \pi;
  • 由 cos⁡x=13\cos x = \dfrac{1}{3} 解得 x=arccos⁡13x = \arccos\dfrac{1}{3}。
    由于此时 cos⁡x=13≠0\cos x = \dfrac{1}{3} \neq 0,tan⁡x\tan x 有意义。
    因此,三个交点的横坐标分别为 00,arccos⁡13\arccos\dfrac{1}{3},π\pi。

3. 确定三个交点 $A$、$B$、$C$ 的坐标

将求得的 xx 值代入 f(x)f(x) 中,求出对应的纵坐标 yy:

  • 当 x=0x = 0 时,y=0y = 0,设交点为 A(0,0)A(0, 0);
  • 当 x=πx = \pi 时,y=0y = 0,设交点为 B(π,0)B(\pi, 0);
  • 当 x=arccos⁡13x = \arccos\dfrac{1}{3} 时,cos⁡x=13\cos x = \dfrac{1}{3}。
    因为 x∈[0,π]x \in [0, \pi],所以 sin⁡x>0\sin x > 0,可得:
    y=sin⁡x=1−cos⁡2x=1−(13)2=223y = \sin x = \sqrt{1 - \cos^2 x} = \sqrt{1 - \left(\dfrac{1}{3}\right)^2} = \dfrac{2\sqrt{2}}{3}
    设此交点为 C\left(\arccos\dfrac{1}{3}, \dfrac{2\sqrt{2}}{3} ight)。

4. 利用三角形面积公式计算出 $\triangle ABC$ 的面积

由于 A(0,0)A(0, 0) 和 B(π,0)B(\pi, 0) 均在 xx 轴上,所以 △ABC\triangle ABC 的底边 ABAB 在 xx 轴上,底边长为:
∣AB∣=π−0=π|AB| = \pi - 0 = \pi
顶点 CC 到 xx 轴的距离即为高 hh:
h=yC=223h = y_C = \dfrac{2\sqrt{2}}{3}
因此,△ABC\triangle ABC 的面积为:
S=12×∣AB∣×h=12×π×223=23πS = \dfrac{1}{2} \times |AB| \times h = \dfrac{1}{2} \times \pi \times \dfrac{2\sqrt{2}}{3} = \dfrac{\sqrt{2}}{3}\pi

答案

23π\dfrac{\sqrt{2}}{3}\pi

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