[高中资源][数学]高中数学基础公式
高中数学基础公式全梳理
一、集合与逻辑
1. 元素与集合的关系
$$x \in A \Leftrightarrow x \notin \complement_U A$$
$$x \in \complement_U A \Leftrightarrow x \notin A$$
2. 德摩根公式
$$\complement_U(A \cap B) = \complement_U A \cup \complement_U B$$
$$\complement_U(A \cup B) = \complement_U A \cap \complement_U B$$
3. 包含关系
$$A \cap B = A \Leftrightarrow A \cup B = B \Leftrightarrow A \subseteq B \Leftrightarrow \complement_U B \subseteq \complement_U A$$
$$A \cap \complement_U B = \varnothing \Leftrightarrow \complement_U A \cup B = R$$
4. 容斥原理
$$\text{card}(A \cup B) = \text{card}A + \text{card}B - \text{card}(A \cap B)$$
5. 集合子集个数
集合 $\{a_1, a_2, \cdots, a_n\}$ 的子集个数有 $2^n$ 个
真子集有 $2^n - 1$ 个;非空子集有 $2^n - 1$ 个;非空真子集有 $2^n - 2$ 个
二、函数
1. 函数的单调性
设 $x_1, x_2 \in [a, b]$,$x_1 \neq x_2$,则
$$(x_1 - x_2)[f(x_1) - f(x_2)] > 0 \Leftrightarrow \frac{f(x_1) - f(x_2)}{x_1 - x_2} > 0 \Leftrightarrow f(x) \text{在}[a, b]\text{上递增}$$
$$(x_1 - x_2)[f(x_1) - f(x_2)] < 0 \Leftrightarrow \frac{f(x_1) - f(x_2)}{x_1 - x_2} < 0 \Leftrightarrow f(x) \text{在}[a, b]\text{上递减}$$
2. 函数的奇偶性
奇函数:$f(-x) = -f(x)$,图象关于原点对称
偶函数:$f(-x) = f(x)$,图象关于y轴对称
奇函数常见形式:$y = ax + \frac{b}{x}, y = x^n$(n为奇数), y = \sin x, y = \tan x, y = e^x - e^{-x}$
偶函数常见形式:$y = x^n$(n为偶数), y = \cos x, y = e^x + e^{-x}, y = f(|x|)$
3. 函数的周期性
$$f(x + a) = f(x) \Rightarrow T = a$$
$$f(x + a) = -f(x) \Rightarrow T = 2a$$
$$f(x + a) = \frac{1}{f(x)} \Rightarrow T = 2a$$
三、数列
1. 等差数列
通项公式:$$a_n = a_1 + (n - 1)d = dn + (a_1 - d)$$
前n项和:$$S_n = \frac{n(a_1 + a_n)}{2} = na_1 + \frac{n(n - 1)}{2}d = \frac{d}{2}n^2 + (a_1 - \frac{d}{2})n$$
2. 等比数列
通项公式:$$a_n = a_1 q^{n-1} = \frac{a_1}{q} \cdot q^n$$
前n项和:$$S_n = \begin{cases} na_1, & q = 1 \\ \frac{a_1(1 - q^n)}{1 - q}, & q \neq 1 \end{cases}$$
3. 常见求和公式
$$1 + 2 + \cdots + n = \frac{n(n + 1)}{2}$$
$$1^2 + 2^2 + \cdots + n^2 = \frac{n(n + 1)(2n + 1)}{6}$$
$$1^3 + 2^3 + \cdots + n^3 = \frac{1}{4}n^2(n + 1)^2$$
四、三角函数
1. 同角三角函数基本关系
$$\sin^2\theta + \cos^2\theta = 1$$
$$\tan\theta = \frac{\sin\theta}{\cos\theta}$$
$$\tan\theta \cdot \cot\theta = 1$$
2. 诱导公式
$$\sin(\pi + \alpha) = -\sin\alpha, \cos(\pi + \alpha) = -\cos\alpha, \tan(\pi + \alpha) = \tan\alpha$$
$$\sin(\pi - \alpha) = \sin\alpha, \cos(\pi - \alpha) = -\cos\alpha, \tan(\pi - \alpha) = -\tan\alpha$$
$$\sin\left(\frac{\pi}{2} - \alpha\right) = \cos\alpha, \cos\left(\frac{\pi}{2} - \alpha\right) = \sin\alpha$$
3. 和角与差角公式
$$\sin(\alpha \pm \beta) = \sin\alpha\cos\beta \pm \cos\alpha\sin\beta$$
$$\cos(\alpha \pm \beta) = \cos\alpha\cos\beta \mp \sin\alpha\sin\beta$$
$$\tan(\alpha \pm \beta) = \frac{\tan\alpha \pm \tan\beta}{1 \mp \tan\alpha\tan\beta}$$
五、平面向量
1. 向量的数量积
$$\vec{a} \cdot \vec{b} = |\vec{a}||\vec{b}|\cos\theta = x_1x_2 + y_1y_2$$
$$(\vec{a} \pm \vec{b})^2 = |\vec{a} \pm \vec{b}|^2 = \vec{a}^2 \pm 2\vec{a} \cdot \vec{b} + \vec{b}^2$$
$$|\vec{a} + \vec{b}|^2 + |\vec{a} - \vec{b}|^2 = 2(|\vec{a}|^2 + |\vec{b}|^2)$$
2. 向量平行与垂直
$$\vec{a} \parallel \vec{b} \Leftrightarrow x_1y_2 - x_2y_1 = 0$$
$$\vec{a} \perp \vec{b} \Leftrightarrow \vec{a} \cdot \vec{b} = 0 \Leftrightarrow x_1x_2 + y_1y_2 = 0$$
六、不等式
1. 基本不等式
$$a, b \in R^+ \Rightarrow \frac{a + b}{2} \geq \sqrt{ab}$$
$$\frac{2}{\frac{1}{a} + \frac{1}{b}} \leq \sqrt{ab} \leq \frac{a + b}{2} \leq \sqrt{\frac{a^2 + b^2}{2}}$$
应用条件:一正二定三相等
2. 柯西不等式
$$(a^2 + b^2)(c^2 + d^2) \geq (ac + bd)^2$$
$$(a_1^2 + a_2^2 + \cdots + a_n^2)(b_1^2 + \cdots + b_n^2) \geq (a_1b_1 + \cdots + a_nb_n)^2$$
七、直线与圆
1. 直线的斜率
$$k = \tan\alpha = \frac{y_2 - y_1}{x_2 - x_1} \quad (x_1 \neq x_2)$$
倾斜角$\alpha = 0^\circ$时$k=0$;$\alpha = 90^\circ$时斜率不存在
2. 点到直线的距离
$$d = \frac{|Ax_0 + By_0 + C|}{\sqrt{A^2 + B^2}} \quad (\text{点}P(x_0, y_0), \text{直线}Ax + By + C = 0)$$
3. 圆的方程
标准方程:$$(x - a)^2 + (y - b)^2 = r^2$$
一般方程:$$x^2 + y^2 + Dx + Ey + F = 0 \quad (D^2 + E^2 - 4F > 0)$$
参数方程:$$\begin{cases} x = a + r\cos\theta \\ y = b + r\sin\theta \end{cases} \quad (\theta\text{为参数})$$
八、圆锥曲线
1. 椭圆
标准方程:$$\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} = 1 \quad (a > b > 0)$$
焦半径:$$|PF_1| = a + ex, |PF_2| = a - ex$$
离心率:$$e = \frac{c}{a} < 1$$,其中$c^2 = a^2 - b^2$
2. 双曲线
标准方程:$$\frac{x^2}{a^2} - \frac{y^2}{b^2} = 1 \quad (a > 0, b > 0)$$
渐近线:$$y = \pm \frac{b}{a}x$$
离心率:$$e = \frac{c}{a} > 1$$,其中$c^2 = a^2 + b^2$
3. 抛物线
标准方程:$$y^2 = 2px \quad (p > 0)$$
焦半径:$$|CF| = x_0 + \frac{p}{2}$$
通径长:$$2p$$
九、立体几何
1. 空间向量运算
设$\vec{a} = (x_1, y_1, z_1), \vec{b} = (x_2, y_2, z_2)$
$$\vec{a} \cdot \vec{b} = x_1x_2 + y_1y_2 + z_1z_2$$
$$\cos\langle\vec{a}, \vec{b}\rangle = \frac{x_1x_2 + y_1y_2 + z_1z_2}{\sqrt{x_1^2 + y_1^2 + z_1^2}\sqrt{x_2^2 + y_2^2 + z_2^2}}$$
2. 点到平面的距离
$$d = \frac{|\vec{AP} \cdot \vec{n}|}{|\vec{n}|} \quad (\vec{n}\text{为平面法向量}, A\text{为平面内一点}, P\text{为平面外一点})$$
3. 几何体体积
柱体:$$V = Sh$$
锥体:$$V = \frac{1}{3}Sh$$
球体:$$V = \frac{4}{3}\pi R^3, S = 4\pi R^2$$
十、计数原理
1. 排列与组合
排列数:$$A_n^m = \frac{n!}{(n - m)!} = n(n - 1)\cdots(n - m + 1)$$
组合数:$$C_n^m = \frac{n!}{m!(n - m)!} = \frac{A_n^m}{A_m^m}$$
组合数性质:$$C_n^m = C_n^{n - m}, C_n^m + C_n^{m - 1} = C_{n + 1}^m$$
2. 二项式定理
$$(a + b)^n = \sum_{k=0}^n C_n^k a^{n - k}b^k$$
通项公式:$$T_{r + 1} = C_n^r a^{n - r}b^r$$
十一、统计与概率
1. 古典概型
$$P(A) = \frac{k}{n}$$
其中$n$为样本空间样本点总数,$k$为事件$A$包含的样本点数
2. 独立事件概率
$$P(AB) = P(A)P(B)$$
3. 二项分布
$$P_n(k) = C_n^k p^k(1 - p)^{n - k}$$
期望:$$E(\xi) = np$$
方差:$$D(\xi) = np(1 - p)$$
十二、导数
1. 基本初等函数导数
$$(c)' = 0, (x^\alpha)' = \alpha x^{\alpha - 1}$$
$$(\sin x)' = \cos x, (\cos x)' = -\sin x$$
$$(a^x)' = a^x\ln a, (e^x)' = e^x$$
$$(\log_a x)' = \frac{1}{x\ln a}, (\ln x)' = \frac{1}{x}$$
2. 导数的运算法则
$$(u \pm v)' = u' \pm v'$$
$$(uv)' = u'v + uv'$$
$$\left(\frac{u}{v}\right)' = \frac{u'v - uv'}{v^2} \quad (v \neq 0)$$
3. 函数单调性与导数
$$f'(x) > 0 \Rightarrow f(x)\text{单调递增}$$
$$f'(x) < 0 \Rightarrow f(x)\text{单调递减}$$
十三、复数
1. 复数的四则运算
设$z_1 = a + bi, z_2 = c + di$
$$z_1 + z_2 = (a + c) + (b + d)i$$
$$z_1 - z_2 = (a - c) + (b - d)i$$
$$z_1z_2 = (ac - bd) + (bc + ad)i$$
$$\frac{z_1}{z_2} = \frac{ac + bd}{c^2 + d^2} + \frac{bc - ad}{c^2 + d^2}i \quad (z_2 \neq 0)$$
2. 复数的模
$$|z| = |a + bi| = \sqrt{a^2 + b^2}$$
附录A:公式简表
均值不等式链:$$\frac{2}{\frac{1}{a} + \frac{1}{b}} \leq \sqrt{ab} \leq \frac{a + b}{2} \leq \sqrt{\frac{a^2 + b^2}{2}}$$
正弦定理:$$\frac{a}{\sin A} = \frac{b}{\sin B} = \frac{c}{\sin C} = 2R$$
余弦定理:$$a^2 = b^2 + c^2 - 2bc\cos A$$
弦长公式:$$|AB| = \sqrt{1 + k^2}|x_1 - x_2| = \sqrt{(1 + k^2)[(x_1 + x_2)^2 - 4x_1x_2]}$$
附录B:不等式简表
指数放缩:$$e^x \geq 1 + x, e^x \geq ex$$
对数放缩:$$\ln x \leq x - 1, \ln x \geq 1 - \frac{1}{x}$$
三角放缩:$$\sin x \leq x \leq \tan x \quad (0 \leq x < \frac{\pi}{2})$$
公式应用核心提示
单位与定义域:函数问题先确定定义域,数列注意n为正整数,三角函数注意角度与弧度转换。
符号与方向:向量、不等式方向、三角函数符号需根据象限判断。
公式适用条件:如基本不等式需正数,等比数列求和需注意q=1,导数判断单调性需开区间可导。
图像辅助:函数图像、圆锥曲线图形、向量图示帮助理解公式几何意义。