若α∈(0,π2)\alpha \in \left( 0,\dfrac{\pi }{2} \right),且cos⁡2α=255sin⁡(α+π4)\cos 2\alpha =\dfrac{2\sqrt{5}}{5}\sin \left( \alpha +\dfrac{\pi }{4} \right),则tan⁡α=\tan α=___.

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完整解法

1. 利用二倍角公式和两角和的正弦公式化简已知等式

已知等式为 cos⁡2α=255sin⁡(α+π4)\cos 2\alpha =\dfrac{2\sqrt{5}}{5}\sin \left( \alpha +\dfrac{\pi }{4} \right)。
利用二倍角公式,左边可化为:
cos⁡2α=cos⁡2α−sin⁡2α=(cos⁡α−sin⁡α)(cos⁡α+sin⁡α)\cos 2\alpha = \cos^2\alpha - \sin^2\alpha = (\cos\alpha - \sin\alpha)(\cos\alpha + \sin\alpha)
利用两角和的正弦公式,右边可化为:
255sin⁡(α+π4)=255(sin⁡αcos⁡π4+cos⁡αsin⁡π4)=255⋅22(sin⁡α+cos⁡α)=105(cos⁡α+sin⁡α)\dfrac{2\sqrt{5}}{5}\sin \left( \alpha +\dfrac{\pi }{4} \right) = \dfrac{2\sqrt{5}}{5} \left( \sin\alpha\cos\dfrac{\pi}{4} + \cos\alpha\sin\dfrac{\pi}{4} \right) = \dfrac{2\sqrt{5}}{5} \cdot \dfrac{\sqrt{2}}{2}(\sin\alpha + \cos\alpha) = \dfrac{\sqrt{10}}{5}(\cos\alpha + \sin\alpha)
因此,原等式可化为:
(cos⁡α−sin⁡α)(cos⁡α+sin⁡α)=105(cos⁡α+sin⁡α)(\cos\alpha - \sin\alpha)(\cos\alpha + \sin\alpha) = \dfrac{\sqrt{10}}{5}(\cos\alpha + \sin\alpha)

2. 约去公因式,求出 $\cos\alpha - \sin\alpha$ 的值

因为 α∈(0,π2)\alpha \in \left( 0,\dfrac{\pi }{2} \right),所以 sin⁡α>0\sin\alpha > 0 且 cos⁡α>0\cos\alpha > 0,从而 cos⁡α+sin⁡α>0\cos\alpha + \sin\alpha > 0。
两边同时除以 cos⁡α+sin⁡α\cos\alpha + \sin\alpha,得:
cos⁡α−sin⁡α=105\cos\alpha - \sin\alpha = \dfrac{\sqrt{10}}{5}

3. 两边平方求出 $2\sin\alpha\cos\alpha$ 的值

对 cos⁡α−sin⁡α=105\cos\alpha - \sin\alpha = \dfrac{\sqrt{10}}{5} 两边平方,得:
(cos⁡α−sin⁡α)2=(105)2(\cos\alpha - \sin\alpha)^2 = \left(\dfrac{\sqrt{10}}{5}\right)^2
cos⁡2α−2sin⁡αcos⁡α+sin⁡2α=25\cos^2\alpha - 2\sin\alpha\cos\alpha + \sin^2\alpha = \dfrac{2}{5}
结合同角三角函数关系式 cos⁡2α+sin⁡2α=1\cos^2\alpha + \sin^2\alpha = 1,可得:
1−2sin⁡αcos⁡α=25  ⟹  2sin⁡αcos⁡α=351 - 2\sin\alpha\cos\alpha = \dfrac{2}{5} \implies 2\sin\alpha\cos\alpha = \dfrac{3}{5}

4. 将关于正弦、余弦的式子转化为关于正切的方程

利用 sin⁡2α+cos⁡2α=1\sin^2\alpha + \cos^2\alpha = 1,可将 2sin⁡αcos⁡α=352\sin\alpha\cos\alpha = \dfrac{3}{5} 变形为:
2sin⁡αcos⁡αsin⁡2α+cos⁡2α=35\dfrac{2\sin\alpha\cos\alpha}{\sin^2\alpha + \cos^2\alpha} = \dfrac{3}{5}
分子分母同时除以 cos⁡2α\cos^2\alpha,得:
2tan⁡α1+tan⁡2α=35\dfrac{2\tan\alpha}{1 + \tan^2\alpha} = \dfrac{3}{5}
整理得一元二次方程:
3tan⁡2α−10tan⁡α+3=03\tan^2\alpha - 10\tan\alpha + 3 = 0

5. 求解方程并利用已知范围取舍,得到 $\tan\alpha$ 的最终值

解方程 3tan⁡2α−10tan⁡α+3=03\tan^2\alpha - 10\tan\alpha + 3 = 0,得:
(3tan⁡α−1)(tan⁡α−3)=0  ⟹  tan⁡α=13 或 tan⁡α=3(3\tan\alpha - 1)(\tan\alpha - 3) = 0 \implies \tan\alpha = \dfrac{1}{3} \text{ 或 } \tan\alpha = 3
因为 cos⁡α−sin⁡α=105>0\cos\alpha - \sin\alpha = \dfrac{\sqrt{10}}{5} > 0,所以 cos⁡α>sin⁡α\cos\alpha > \sin\alpha。
又 α∈(0,π2)\alpha \in \left( 0,\dfrac{\pi }{2} \right),所以 tan⁡α=sin⁡αcos⁡α<1\tan\alpha = \dfrac{\sin\alpha}{\cos\alpha} < 1。
因此舍去 tan⁡α=3\tan\alpha = 3,得:
tan⁡α=13\tan\alpha = \dfrac{1}{3}

答案

\dfrac{1}{3}

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