已知一个三角形的三边是连续的三个自然数,且最大角是最小角的22倍,则该三角形的最小角的余弦值是()(\quad)
A. 45\dfrac{4}{5}
B. 34\dfrac{3}{4}
C. 18\dfrac{1}{8}
D. 77\dfrac{\sqrt{7}}{7}

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完整解法

1. 设出三角形的三边长与对应的最小角、最大角

设该三角形的三边长分别为 n−1n-1,nn,n+1n+1(其中 n≥2n \ge 2 且 n∈N∗n \in \mathbb{N}^*)。
根据大边对大角,小边对小角,设最小边 a=n−1a = n-1 对应的最小角为 α\alpha,最大边 c=n+1c = n+1 对应的最大角为 2α2\alpha。

2. 利用正弦定理和二倍角公式建立 $\cos\alpha$ 与 $n$ 的关系式一

根据正弦定理有:
asin⁡α=csin⁡2α  ⟹  n−1sin⁡α=n+1sin⁡2α\dfrac{a}{\sin\alpha} = \dfrac{c}{\sin 2\alpha} \implies \dfrac{n-1}{\sin\alpha} = \dfrac{n+1}{\sin 2\alpha}
利用二倍角公式 sin⁡2α=2sin⁡αcos⁡α\sin 2\alpha = 2\sin\alpha\cos\alpha,代入上式得:
n−1sin⁡α=n+12sin⁡αcos⁡α\dfrac{n-1}{\sin\alpha} = \dfrac{n+1}{2\sin\alpha\cos\alpha}
由于 sin⁡α≠0\sin\alpha \ne 0,约去 sin⁡α\sin\alpha 得:
cos⁡α=n+12(n−1)①\cos\alpha = \dfrac{n+1}{2(n-1)} \quad \text{①}

3. 利用余弦定理建立 $\cos\alpha$ 与 $n$ 的关系式二

在三角形中,由余弦定理,最小角 α\alpha 满足:
cos⁡α=b2+c2−a22bc=n2+(n+1)2−(n−1)22n(n+1)\cos\alpha = \dfrac{b^2 + c^2 - a^2}{2bc} = \dfrac{n^2 + (n+1)^2 - (n-1)^2}{2n(n+1)}
分子化简为:
n2+(n2+2n+1)−(n2−2n+1)=n2+4n=n(n+4)n^2 + (n^2 + 2n + 1) - (n^2 - 2n + 1) = n^2 + 4n = n(n+4)
因此:
cos⁡α=n(n+4)2n(n+1)=n+42(n+1)②\cos\alpha = \dfrac{n(n+4)}{2n(n+1)} = \dfrac{n+4}{2(n+1)} \quad \text{②}

4. 联立两个关系式求解 $n$

由 ① 和 ② 相等得:
n+12(n−1)=n+42(n+1)\dfrac{n+1}{2(n-1)} = \dfrac{n+4}{2(n+1)}
去分母得:
(n+1)2=(n−1)(n+4)(n+1)^2 = (n-1)(n+4)
展开并化简:
n2+2n+1=n2+3n−4  ⟹  n=5n^2 + 2n + 1 = n^2 + 3n - 4 \implies n = 5

5. 计算最小角的余弦值并选择正确选项

将 n=5n = 5 代入 ① 式(或 ② 式)中得:
cos⁡α=5+12(5−1)=68=34\cos\alpha = \dfrac{5+1}{2(5-1)} = \dfrac{6}{8} = \dfrac{3}{4}
因此,最小角的余弦值为 34\dfrac{3}{4}。
对应选项 B。

答案

B

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