内容正文:
第三章
三角函数、解三角形
第4节 函数y=Asin(ωx+φ)的图象及三角函数模型的简单应用
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第三章 三角函数、解三角形
夯实 必备知识
跃升 关键能力
01
02
课时作业
04
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课时作业
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第三章 三角函数、解三角形
课程标准
1.结合具体实例,了解函数y=Asin(ωx+φ)的实际意义.
2.能画出y=Asin(ωx+φ)的图象,借助图象理解参数A,ω,φ的意义,了解参数的变化对函数图象的影响.
3.会用三角函数解决一些简单的实际问题,体会可以利用三角函数构建刻画事物周期变化的数学模型
核心素养
1.由图象确定y=Asin(ωx+φ)的解析式,发展直观想象和数学运算素养.
2.由图象变换法确定y=Asin(ωx+φ)的解析式,增强直观想象和数学运算素养.
3.三角函数模型及其应用,提升数学建模和数学运算素养
考情聚焦
函数y=Asin(ωx+φ)图象的变换以及根据图象和简单性质确定A、ω、φ的取值为高考中的一个热点,主要考查考生识图、辨图的能力及三角恒等变换问题,题型多以选择题或填空题的形式出现,且难度不大,属中低档题.有时也作为解答题中的一问或某一环节中有所涉及
[必备知识]
1.“五点法”作函数y=Asin(ωx+φ)(A>0,ω>0)的简图“五点法”作图的五点是在一个周期内的最高点、最低点及与x轴相交的三个点,作图时的一般步骤为:
(1)定点:如下表所示.
x
-eq \f(φ,ω)
eq \f(\f(π,2)-φ,ω)
eq \f(π-φ,ω)
eq \f(\f(3π,2)-φ,ω)
eq \f(2π-φ,ω)
ωx+φ
0
eq \f(π,2)
π
eq \f(3π,2)
2π
y=Asin(ωx+φ)
0
A
0
-A
0
(2)作图:在坐标系中描出这五个关键点,用平滑的曲线顺次连接得到y=Asin(ωx+φ)在一个周期内的图象.
(3)扩展:将所得图象,按周期向两侧扩展可得y=Asin(ωx+φ)在R上的图象.
2.函数y=Asin(ωx+φ)中各量的物理意义
当函数y=Asin(ωx+φ)(A>0,ω>0),x∈[0,+∞)表示简谐振动时,几个相关的概念如下表:
简谐振动
振幅
周期
频率
相位
初相
y=Asin(ωx+φ)
(A>0,ω>0),
x∈[0,+∞)
A
T= eq \f(2π,ω)
f=eq \f(1,T)
ωx+φ
φ
3.函数y=sin x的图象经变换得到y=Asin(ωx+φ)的图象的两种途径
y=Asin(ωx+φ)(A>0,ω>0)中各个字母的含义
A所起的作用是图象上每个点的横坐标不变,纵坐标变化为原来的A倍,简称为振幅变换;ω所起的作用是图象上的每个点的纵坐标不变,横坐标变化为原来的eq \f(1,ω)倍,简称为周期变换;φ所起的作用是将函数图象左右平移eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(\f(φ,ω)))个单位,简称为相位变换.
[自主诊断]
[思考辨析]
判断下列说法是否正确,正确的在它后面的括号里打“√”,错误的打“×”.
(1)将函数y=sin ωx的图象向右平移φ(φ>0)个单位长度,得到函数y=sin(ωx-φ)的图象.( )
(2)要得到函数y=sin ωx(ω>0)的图象,只需将函数y=sin x上所有点的横坐标变为原来的ω倍.( )
(3)将函数y=sin x图象上各点的纵坐标变为原来的A(A>0)倍,便得到函数y=Asin x的图象.( )
(4)函数f(x)=sin2x的最小正周期和最小值分别为π,0.( )
(5)函数y=Acos(ωx+φ)的最小正周期为T,那么函数图象的两个相邻对称中心之间的距离为eq \f(T,2).( )
答案:(1)× (2)× (3)√ (4)√ (5)√
[小题查验]
1.函数y=sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x-\f(π,3)))在区间eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(-\f(π,2),π))上的简图是( )
解析:A [令x=0,得y=sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(π,3)))=-eq \f(\r(3),2),排除B,D.由feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(π,3)))=0,feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,6)))=0,排除C.]
2.为了得到函数y=2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x-\f(π,3)))的图象,可以将函数y=2sin 2x的图象( )
A.向右平移eq \f(π,6)个单位长度
B.向右平移eq \f(π,3)个单位长度
C.向左平移eq \f(π,6)个单位长度
D.向左平移eq \f(π,3)个单位长度
解析:A [函数y=2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x-\f(π,3)))=2sineq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(2\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x-\f(π,6))))),可由函数y=2sin 2x的图象向右平移eq \f(π,6)个单位长度得到.]
3.(2024·新课标Ⅰ卷)当x∈[0,2π]时,曲线y=sin x与y=2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(3x-\f(π,6)))的交点个数为( )
A.3
B.4
C.6
D.8
解析:C [由题意可得:y=2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(3x-\f(π,6)))可知最小正周期T=eq \f(2π,3),所以y=2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(3x-\f(π,6)+\f(2π,3)))=2cos 3x,画出y=sin x和y=2cos 3x在[0,2π]上的函数图象,观察即可得到6个交点.]
4.函数y=eq \f(2,3)sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)x-\f(π,4)))的振幅为________________,
周期为________________,初相为________________.
答案:eq \f(2,3) 4π -eq \f(π,4)
5.函数f(x)=cos(2x+φ)(0<φ<π)的图象向左平衡eq \f(π,6)个单位后与函数y=-cos 2x的图象重合,则φ=________.
解析:-cos 2x=cos(2x+π),feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x+\f(π,6)))=coseq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(2\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x+\f(π,6)))+φ))=coseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x+\f(π,3)+φ)),因为平移后图象重合,故eq \f(π,3)+φ=π+2kπ,k∈Z,因为0<φ<π,故φ=eq \f(2π,3).
答案:eq \f(2π,3)
考点一 由图象确定y=Asin(ωx+φ)的解析式(自主练透)
[题组集训]
1.(多选题)已知函数f(x)=sin(ωx+φ)eq \b\lc\(\rc\ (\a\vs4\al\co1(ω>0,))
eq \b\lc\ \rc\)(\a\vs4\al\co1(|φ|<\f(π,2)))的部分图象如图所示,则( )
A.f(x)=sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x+\f(π,3)))
B.f(x)=coseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x-\f(π,6)))
C.feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,3)-x))=feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,3)+x))
D.feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,3)-x))=-feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,3)+x))
解析:ABD [由题图可知eq \f(5π,6)-eq \f(π,12)=eq \f(3π,4)=eq \f(3T,4)(T为f(x)的最小正周期),
所以T=π=eq \f(2π,ω),解得ω=2,则f(x)=sin(2x+φ),由2×eq \f(π,12)+φ=2kπ+eq \f(π,2)(k∈Z),得φ=2kπ+eq \f(π,3)(k∈Z),因为|φ|<eq \f(π,2),所以φ=eq \f(π,3),所以f(x)=
sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x+\f(π,3))),因此A选项正确;f(x)=sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x+\f(π,3)))=coseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,2)-2x-\f(π,3)))=
coseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,6)-2x))=coseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x-\f(π,6))),所以B选项正确;令2x+eq \f(π,3)=kπ+eq \f(π,2)(k∈Z),得x=eq \f(kπ,2)+eq \f(π,12)(k∈Z),(易错:混淆对称轴与对称中心满足的方程)
即函数f(x)=sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x+\f(π,3)))图象的对称轴方程为x=eq \f(kπ,2)+eq \f(π,12)(k∈Z),所以C选项不正确;令2x+eq \f(π,3)=kπ(k∈Z),得x=eq \f(kπ,2)-eq \f(π,6)(k∈Z),即函数f(x)=
sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x+\f(π,3)))图象的对称中心为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(kπ,2)-\f(π,6),0))(k∈Z),当k=1时,对称中心为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,3),0)),所以D选项正确.]
2.已知函数f(x)=Atan(ωx+φ)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(ω>0,|φ|<\f(π,2))),y=f(x)的部分图象如图所示,则feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,24)))=( )
A.2+eq \r(3)
B.eq \r(3)
C.eq \f(\r(3),3)
D.2-eq \r(3)
解析:B [由题图知,T=eq \f(π,ω)=2eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3π,8)-\f(π,8)))=eq \f(π,2),∴ω=2.
由2×eq \f(3π,8)+φ=kπ,k∈Z,得φ=kπ-eq \f(3π,4),k∈Z.
又∵|φ|<eq \f(π,2),∴φ=eq \f(π,4).由Ataneq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2×0+\f(π,4)))=1,
知A=1,∴f(x)=taneq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x+\f(π,4))),
∴feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,24)))=tan eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2×\f(π,24)+\f(π,4)))=taneq \f(π,3)=eq \r(3).]
3.(多选题)(2025·河南二模)已知如图是函数f(x)=2cos(ωx+φ),eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(ω>0,-\f(π,2)<φ<0))的部分图象,则( )
A.f(x)的图象关于eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3π,2),0))中心对称
B.f(x)在(-1,2)上单调递增
C.f(x)在点(0,1)处的切线方程为y=eq \f(\r(3),2)x+1
D.f(x)的图象向左平衡eq \f(2π,3)个单位长度后为偶函数
解析:BCD [由图可得f(0)=2cos φ=1,即cos φ=eq \f(1,2),
而-eq \f(π,2)<φ<0,可得φ=-eq \f(π,3),又∵feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(π,3)))=0,即2coseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(π,3)ω-\f(π,3)))=0,
可得-eq \f(π,3)ω-eq \f(π,3)=-eq \f(π,2)+2kπ,k∈Z,可得ω=eq \f(1,2)-6k,k∈Z,
又∵eq \f(T,4)>0-eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(π,3))),且ω>0,即eq \f(2π,4ω)>eq \f(π,3),即0<ω<eq \f(3,2),可得ω=eq \f(1,2),
∴f(x)=2coseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)x-\f(π,3))),
对于选项A,∵eq \f(1,2)×eq \f(3π,2)-eq \f(π,3)=eq \f(5π,12)≠eq \f(π,2)+kπ,k∈Z,
∴eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3π,2),0))不是函数的对称中心,故A不正确;
对于选项B,∵x∈(-1,2),可得eq \f(1,2)x-eq \f(π,3)∈eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(1,2)-\f(π,3),1-\f(π,3)))⊆(-π,0),
∴函数在(-1,2)上是单调递增,故B正确;
对于选项C中,f′(x)=-sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)x-\f(π,3))),f′(0)=eq \f(\r(3),2),
则f(x)在点(0,1)处的切线方程为y=eq \f(\r(3),2)x+1,故C正确;
对于选项D中,将f(x)向左平移eq \f(2π,3)个单位后,
可得g(x)=2coseq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(\f(1,2)×\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x+\f(2π,3)))-\f(π,3)))=2coseq \f(1,2)x,则g(x)为偶函数,故D正确.]
确定y=Asin(ωx+φ)+b(A>0,ω>0)的步骤和方法
(1)求A,b:确定函数的最大值M和最小值m,则A=eq \f(M-m,2),b=eq \f(M+m,2).
(2)求ω:确定函数的周期T,则可得ω=eq \f(2π,T).
(3)求φ的常用方法
①代入法:把图象上的一个已知点代入(此时A,ω,b已知)或代入图象与直线y=b的交点求解(此时要注意交点在上升区间上还是在下降区间上).
②五点法:确定φ值时,往往以寻找“五点法”中的某一个点为突破口.具体如下:
“第一点”(即图象上升时与x轴的交点)时ωx+φ=0;“第二点”(即图象的“峰点”)时ωx+φ=eq \f(π,2);“第三点”(即图象下降时与x轴的交点)时ωx+φ=π;“第四点”(即图象的“谷点”)时ωx+φ=eq \f(3π,2);“第五点”时ωx+φ=2π.
考点二 由图象变换法确定y=Asin(ωx+φ)的解析式(子母变式)
[母题] 将函数y=2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x+\f(π,6)))的图象向右平移eq \f(1,4)个周期后,所得图象对应的函数为( )
A.y=2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x+\f(π,4)))
B.y=2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x+\f(π,3)))
C.y=2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x-\f(π,4)))
D.y=2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x-\f(π,3)))
直观想象——图象变换法确定函数解析式中的核心素养
信息提取
信息解读
直观想象
已知函数y=2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x+\f(π,6)))
的图象向右平移eq \f(1,4)个周期
由已知函数解析式y=2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x+\f(π,6)))可得其周期,从而得向右平移的单位
通过三角函数图象的左右平移变换,建立起形与数的联系,即平移前后的图象与平移前后函数解析式的对应关系
求平移后所得图象对应的函数解析式
按平移法则得平移后所得图象对应的函数解析式
[解析] D [函数y=2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x+\f(π,6)))的周期为T=eq \f(2π,2)=π,所以函数y=2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x+\f(π,6)))的图象向右平移eq \f(1,4)个周期,即为函数y=2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x+\f(π,6)))的图象向右平移eq \f(π,4)个单位,可得图象对应的函数为y=2sineq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(2\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x-\f(π,4)))+\f(π,6))),即y=2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x-\f(π,3))).]
[子题1] 将母题变为:由函数y=sin x的图象作怎样的变换可得到y=2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x-\f(π,6)))的图象?
解:把y=sin x的图象上所有的点向右平移eq \f(π,6)个单位,得到y=sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x-\f(π,6)))的图象,再把y=sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x-\f(π,6)))的图象上的点的横坐标缩短为原来的eq \f(1,2)(纵坐标不变),得到y=sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x-\f(π,6)))的图象,最后把y=sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x-\f(π,6)))上所有点的纵坐标伸长到原来的2倍(横坐标不变),即可得到y=2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x-\f(π,6)))的图象.
[子题2] 将母题中函数y=2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x+\f(π,6)))的图象向左平移m(m>0)个单位长度后,所得到的图象关于y轴对称,则m的最小值为____________.
解析:把y=2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x+\f(π,6)))图象上所有的点向左平移m个单位长度后,得到y=2sineq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(2x+m+\f(π,6)))的图象,此图象关于y轴对称.则2m+eq \f(π,6)=kπ+eq \f(π,2)(k∈Z),m=eq \f(1,2)kπ+eq \f(π,6)(k∈Z),m>0,∴m的最小值为eq \f(π,6).
答案:eq \f(π,6)
[子题3] 将母题变为:若将函数y=taneq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(ωx+\f(π,4)))(ω>0)的图象向右平移eq \f(π,6)个单位长度后,与函数y=taneq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(ωx+\f(π,6)))的图象重合,则ω的最小值为____________.
解析:将函数y=taneq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(ωx+\f(π,4)))(ω>0)的图象向右平移eq \f(π,6)个单位长度后,得到函数y=taneq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(ωx+\f(π,4)-\f(ωπ,6)))(ω>0)的图象,与函数y=taneq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(ωx+\f(π,6)))的图象重合,所以eq \f(π,4)-eq \f(ωπ,6)=eq \f(π,6)+kπ(k∈Z),所以k=0时,ω的最小值为eq \f(1,2).
答案:eq \f(1,2)
函数y=Asin(ωx+φ)(A>0,ω>0)的图象的两种作法
(1)五点法:用“五点法”作y=Asin(ωx+φ)的简图,主要是通过变量代换,设z=ωx+φ,由z取0,eq \f(π,2),π,eq \f(3π,2),2π来求出相应的x,通过列表,计算得出五点坐标,描点后得出图象.
(2)图象变换法:由函数y=sin x的图象通过变换得到y=Asin(ωx+φ)的图象,有两种主要途径“先平移后伸缩”与“先伸缩后平移”.
易错警示:平移变换(或伸缩变换)是针对x而言,即x本身加减多少值(或x应乘以eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(\f(1,ω)))即伸缩倍数的倒数),而不是依赖于ωx加减(或乘以)多少值.
考点三 三角函数模型及其应用(师生共研)
[典例] 某实验室一天的温度(单位:℃)随时间t(单位:h)的变化近似满足函数关系:f(t)=10-eq \r(3)cos eq \f(π,12)t-sineq \f(π,12)t,t∈[0,24).
(1)求实验室这一天的最大温差;
(2)若要求实验室温度不高于11 ℃,则在哪段时间实验室需要降温?
[思维导引] 利用辅助角公式将f(t)=10-eq \r(3)coseq \f(π,12)t-sineq \f(π,12)t化为y=Asin(ωx+φ)的形式就可以转化为求f(t)的最值问题和解不等式f(t)>11求t的取值范围问题.
[解] (1)因为f(t)=10-2eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(\r(3),2)cos \f(π,12)t+\f(1,2)sin\f(π,12)t))
=10-2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,12)t+\f(π,3))),
又0≤t<24,
所以eq \f(π,3)≤eq \f(π,12)t+eq \f(π,3)<eq \f(7π,3),
当t=2时,sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,12)t+\f(π,3)))=1;
当t=14时,sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,12)t+\f(π,3)))=-1.
于是f(t)在[0,24)上取得最大值12 ℃,取得最小值8 ℃.
故实验室这一天的最高温度为12 ℃,最低温度为8 ℃,最大温差为4 ℃.
(2)依题意,当f(t)>11时,实验室需要降温.
由(1)得f(t)=10-2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,12)t+\f(π,3))),
故有10-2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,12)t+\f(π,3)))>11,
即sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,12)t+\f(π,3)))<-eq \f(1,2).
又0≤t<24,因此eq \f(7π,6)<eq \f(π,12)t+eq \f(π,3)<eq \f(11π,6),
即10<t<18.
故在10时至18时实验室需要降温.
三角函数模型的应用体现在两方面:一是已知函数模型求解数学问题,二是把实际问题抽象转化成数学问题,建立数学模型,再利用三角函数的有关知识解决问题.
[跟踪训练]
如图所示,某地夏天从8~14时用电量变化曲线近似满足函数y=Asin(ωx+φ)+b,φ∈(0,π).
(1)求这一天的最大用电量及最小用电量;
(2)写出这段曲线的函数解析式.
解:(1)最大用电量为50千瓦时,最小用电量为30千瓦时.
(2)观察图象,可知从8~14时的图象是y=
Asin(ωx+φ)+b的半个周期的图象.
∴A=eq \f(1,2)×(50-30)=10,b=eq \f(1,2)×(50+30)=40.
∴eq \f(T,2)=14-8=eq \f(1,2)·eq \f(2π,ω),∴ω=eq \f(π,6),
∴y=10sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,6)x+φ))+40.
将x=8,y=30代入上式,解得φ=eq \f(π,6),∴所求解析式为y=10sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,6)x+\f(π,6)))+40,x∈[8,14].
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