设锐角△ABC\triangle ABC的三个内角AA,BB,CC的对边分别为aa,bb,cc,且c=1c=1,A=2CA=2C,则△ABC\triangle ABC周长的取值范围为()(\quad)
A. (0,2+2)                    (0,2\text{+}\sqrt{2})\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:
B. (0,3+3](0,3\text{+}\sqrt{3}]
C. (2+2,3+3)     (2\text{+}\sqrt{2},3\text{+}\sqrt{3})\:\:\:\:\:
D. (2+2,3+3](2\text{+}\sqrt{2},3\text{+}\sqrt{3}]

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完整解法

1. 根据锐角三角形的限制条件求内角 $C$ 的取值范围

由于 △ABC\triangle ABC 为锐角三角形,其三个内角均小于 90∘90^\circ:
0∘<A<90∘,0∘<B<90∘,0∘<C<90∘0^\circ < A < 90^\circ,\quad 0^\circ < B < 90^\circ,\quad 0^\circ < C < 90^\circ
已知 A=2CA = 2C,又由三角形内角和定理得 B=180∘−(A+C)=180∘−3CB = 180^\circ - (A + C) = 180^\circ - 3C。
由 A<90∘A < 90^\circ 得 2C<90∘  ⟹  C<45∘2C < 90^\circ \implies C < 45^\circ;
由 B<90∘B < 90^\circ 得 180∘−3C<90∘  ⟹  C>30∘180^\circ - 3C < 90^\circ \implies C > 30^\circ。
综上,角 CC 的取值范围为 30∘<C<45∘30^\circ < C < 45^\circ。

2. 利用正弦定理将边长用角 $C$ 表示,导出周长关于 $\cos C$ 的函数表达式

由正弦定理 asin⁡A=bsin⁡B=csin⁡C\dfrac{a}{\sin A} = \dfrac{b}{\sin B} = \dfrac{c}{\sin C},已知 c=1c = 1,则:
a=sin⁡Asin⁡C=sin⁡2Csin⁡C=2sin⁡Ccos⁡Csin⁡C=2cos⁡Ca = \dfrac{\sin A}{\sin C} = \dfrac{\sin 2C}{\sin C} = \dfrac{2\sin C\cos C}{\sin C} = 2\cos C
b=sin⁡Bsin⁡C=sin⁡(180∘−3C)sin⁡C=sin⁡3Csin⁡C=3sin⁡C−4sin⁡3Csin⁡C=3−4sin⁡2C=4cos⁡2C−1b = \dfrac{\sin B}{\sin C} = \dfrac{\sin(180^\circ - 3C)}{\sin C} = \dfrac{\sin 3C}{\sin C} = \dfrac{3\sin C - 4\sin^3 C}{\sin C} = 3 - 4\sin^2 C = 4\cos^2 C - 1
因此,△ABC\triangle ABC 的周长 L=a+b+cL = a + b + c 为:
L=2cos⁡C+(4cos⁡2C−1)+1=4cos⁡2C+2cos⁡CL = 2\cos C + (4\cos^2 C - 1) + 1 = 4\cos^2 C + 2\cos C

3. 换元求二次函数的值域,得出周长的取值范围并确定答案

设 t=cos⁡Ct = \cos C。因为 30∘<C<45∘30^\circ < C < 45^\circ,所以:
cos⁡45∘<cos⁡C<cos⁡30∘  ⟹  22<t<32\cos 45^\circ < \cos C < \cos 30^\circ \implies \dfrac{\sqrt{2}}{2} < t < \dfrac{\sqrt{3}}{2}
考虑函数 f(t)=4t2+2tf(t) = 4t^2 + 2t,其对称轴为 t=−14t = -\dfrac{1}{4}。在区间 (22,32)\left(\dfrac{\sqrt{2}}{2}, \dfrac{\sqrt{3}}{2}\right) 上,f(t)f(t) 单调递增。
当 t→22t \to \dfrac{\sqrt{2}}{2} 时,f(t)→4(12)+2(22)=2+2f(t) \to 4\left(\dfrac{1}{2}\right) + 2\left(\dfrac{\sqrt{2}}{2}\right) = 2 + \sqrt{2};
当 t→32t \to \dfrac{\sqrt{3}}{2} 时,f(t)→4(34)+2(32)=3+3f(t) \to 4\left(\dfrac{3}{4}\right) + 2\left(\dfrac{\sqrt{3}}{2}\right) = 3 + \sqrt{3}。
故周长 LL 的取值范围是 (2+2,3+3)(2+\sqrt{2}, 3+\sqrt{3}),对应选项 C。

答案

C

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