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第七章 三角函数
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第七章 三角函数
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(一)同角三角函数的基本关系式及诱导公式
1.牢记两个基本关系式sin2α+cos2α=1及 eq \f(sinα,cos α)=tan α,并能应用两个关系式进行三角函数的求值、化简、证明.在应用中,要注意掌握解题的技巧.比如:已知sin α±cos α的值,可求cos αsin α.注意应用(cos α±sin α)2=1±2sin αcos α.
2.诱导公式可概括为k· eq \f(π,2)±α(k∈Z)的各三角函数值的化简公式.记忆规律是:奇变偶不变,符号看象限.
3.三角函数式的求值、化简的策略
(1)化弦:当三角函数式中三角函数名称较多时,往往把三角函数化为弦,再化简变形.
(2)化切:当三角函数式中含有正切及其他三角函数时,有时可将三角函数名称都化为正切,再变形化简.
(3)“1”的代换:在三角函数式中,有些会含有常数1,常数1虽然非常简单,但有些三角函数式的化简却需要利用三角函数公式将1代换为三角函数式.
(1)已知tan eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(7π-α))=3,则 eq \f(sin \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-α))-cos \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(π-α)),sin \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(3π-α))-sin \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3π,2)+α)))=( )
A.-2
B.- eq \f(1,2)
C. eq \f(1,2)
D.2
(2)已知sin α+cos α=- eq \f(1,5),且α∈(0,π),则 eq \f(sin α·cos α,sin α-cos α)=( )
A.- eq \f(12,5)
B. eq \f(12,5)
C.- eq \f(12,35)
D. eq \f(12,35)
[解析] (1)因为tan (7π-α)=tan (π-α)=-tan α=3,所以tan α=-3,所以原式= eq \f(-sin α+cos α,sin \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(π-α))-sin \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(π+\f(π,2)+α)))= eq \f(-sin α+cos α,sin α+cos α)= eq \f(-tan α+1,tan α+1)= eq \f(3+1,-3+1)=-2.
(2)因为sin α+cos α=- eq \f(1,5),
所以 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(sin α+cos α))2= eq \f(1,25),
故sin2α+2sinαcos α+cos2α= eq \f(1,25),
又sin2α+cos2α=1,
所以sinαcos α=- eq \f(12,25),又α∈(0,π),
所以α∈ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,2),π)),所以sin α-cos α>0,
又 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(sin α-cos α))2=1-2sin αcos α=1+ eq \f(24,25)= eq \f(49,25),
所以sin α-cos α= eq \f(7,5),所以 eq \f(sin α·cos α,sin α-cos α)= eq \f(-\f(12,25),\f(7,5))=- eq \f(12,35).
[答案] (1)A (2)C
(二)三角函数的图象及变换 eq \a\vs4\al(多维探究)
1.三角函数的图象变换
由函数y=sin x的图象通过变换得到函数y=A sin (ωx+φ)的图象的两种方法
2.由图象或部分图象确定解析式y=A sin (ωx+φ)中的参数
(1)A:由最大值、最小值来确定A.
(2)ω:通过求周期T来确定ω.
(3)φ:利用已知点列方程求出.
角度1 三角函数图象间的变换
将函数y=sin eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x-\f(π,3)))图象上的点P eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,4),t))向左平移s(s>0)个单位长度得到点P′.若P′位于函数y=sin 2x的图象上,则( )
A.t= eq \f(1,2),s的最小值为 eq \f(π,6)
B.t= eq \f(\r(3),2),s的最小值为 eq \f(π,6)
C.t= eq \f(1,2),s的最小值为 eq \f(π,3)
D.t= eq \f(\r(3),2),s的最小值为 eq \f(π,3)
[解析] 因为点P eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,4),t))在函数y=sin eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x-\f(π,3)))的图象上,
所以t=sin eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2×\f(π,4)-\f(π,3)))=sin eq \f(π,6)= eq \f(1,2).
又P′ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,4)-s,\f(1,2)))在函数y=sin 2x的图象上,
所以 eq \f(1,2)=sin eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(2\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,4)-s)))),则2 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,4)-s))=2kπ+ eq \f(π,6)或2 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,4)-s))=2kπ+ eq \f(5π,6),k∈Z,
得s=-kπ+ eq \f(π,6)或s=-kπ- eq \f(π,6),k∈Z.
又s>0,故s的最小值为 eq \f(π,6).
[答案] A
角度2 由三角函数的图象确定其解析式
(2024·湖南长沙高一期末)函数y=A sin (ωx-φ)(A>0,ω>0,0<φ<π)的部分图象如图所示,则其解析式为( )
A.y=2sin eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x-\f(π,6)))
B.y=2sin eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x-\f(π,3)))
C.y=2sin eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x-\f(π,3)))
D.y=sin eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x-\f(π,3)))
[解析] 由图可得函数的最大值为2,
最小值为-2,故A=2,
eq \f(T,2)= eq \f(5π,12)- eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(π,12)))= eq \f(π,2),故T= eq \f(2π,ω)=π,
解得ω=2,故y=2sin (2x-φ).
将 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(5π,12),2))代入可得2sin eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2×\f(5π,12)-φ))=2,
则 eq \f(5π,6)-φ=2kπ+ eq \f(π,2)(k∈Z),
解得φ=-2kπ+ eq \f(π,3)(k∈Z).
∵0<φ<π,∴φ= eq \f(π,3),∴y=2sin eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x-\f(π,3))).
[答案] B
(三)三角函数性质及其应用 eq \a\vs4\al(多维探究)
重点应掌握y=sin x,y=cos x,y=tan x的定义域、值域、单调性、奇偶性、对称性等有关性质,在此基础上掌握函数y=A sin (ωx+φ),y=A cos (ωx+φ)及y=A tan (ωx+φ)的相关性质.在研究其相关性质时,将ωx+φ看成一个整体,利用整体代换思想解题是常见的技巧.
(1)三角函数的两条性质
①周期性:函数y=A sin (ωx+φ)和y=A cos (ωx+φ)的最小正周期为 eq \f(2π,|ω|),y=tan (ωx+φ)的最小正周期为 eq \f(π,|ω|).
②奇偶性:三角函数中奇函数一般可化为y=A sin ωx或y=A tan ωx,而偶函数一般可化为y=A cos ωx+B的形式.
(2)求三角函数的单调区间的方法
求形如y=A sin (ωx+φ)或y=A cos (ωx+φ)(A>0,ω>0)的函数的单调区间可以通过解不等式方法去解答,即把ωx+φ视为一个“整体”,分别与正弦函数y=sin x,余弦函数y=cos x的单调递增(减)区间对应解出x,即得所求的单调递增(减)区间.
(3)三角函数图象的对称性
求形如y=A cos (ωx+φ)图象的对称轴,可把“ωx+φ”看作一个整体,由ωx+φ=kπ(k∈Z)求x可得对称轴方程,类似通过ωx+φ=kπ+ eq \f(π,2)(k∈Z),可求对称中心的横坐标.
(4)三角函数的最值(值域)问题
三角函数的值域和最值问题一直是高考的热点.求三角函数的最值问题通常有以下两种途径:
①将所求三角函数式转化为y=A sin (ωx+φ)+k或y=A cos (ωx+φ)+k的形式,然后结合角x的取值范围求最值;
②将所求三角函数式变形转化为关于sin x(或cos x)的二次函数的形式,然后结合二次函数的性质求解.
角度1 三角函数的最值问题
已知函数f(x)=2sin2x-2a sinx+a2-2a-1 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0≤x≤\f(π,2)))的最小值为-2,求实数a的值,并求此时f(x)的最大值.
[解析] f(x)=2sin2x-2a sinx+a2-2a-1
=2 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(sin x-\f(a,2)))
eq \s\up12(2)+ eq \f(a2,2)-2a-1.
由0≤x≤ eq \f(π,2),得0≤sin x≤1.
当0≤a≤2时,0≤ eq \f(a,2)≤1,
当sin x= eq \f(a,2)时,f(x)取得最小值 eq \f(a2,2)-2a-1=-2,
解得a=2- eq \r(2)或a=2+ eq \r(2)(舍去),
此时f(x)的最大值为f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,2)))=-1;
当a>2时, eq \f(a,2)>1,当sin x=1时,f(x)取得最小值a2-4a+1=-2,解得a=3或a=1(舍去),此时f(x)的最大值为f(0)=2;
当a<0时, eq \f(a,2)<0,当sin x=0时,f(x)取得最小值a2-2a-1=-2,解得a=1(舍去).
综上所述,当a=2- eq \r(2)时,f(x)的最大值为-1,
当a=3时,f(x)的最大值为2.
角度2 三角函数性质的综合问题
(多选题)(2025·湖南长沙高一月考)已知函数f(x)=sin eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x+\f(π,6))),则下列结论正确的是( )
A.f(x)的图象向左平移 eq \f(π,6)个单位长度后得到函数g(x)=sin eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x+\f(π,3)))的图象
B.直线x= eq \f(2π,3)是f(x)图象的一条对称轴
C.f(x)在 eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(\f(π,4),\f(π,2)))上单调递减
D.f(x)的图象关于点 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(5π,12),0))对称
[解析] 对于A,f(x)的图象向左平移 eq \f(π,6)个单位长度后得到f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x+\f(π,6)))=sin eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x+\f(π,2)))的图象,故A错误;
对于B,f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(2π,3)))=sin eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(4π,3)+\f(π,6)))=sin eq \f(3π,2)=-1,故B正确;
对于C,当x∈ eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(\f(π,4),\f(π,2)))时,2x+ eq \f(π,6)∈ eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(\f(2π,3),\f(7π,6))),故C正确;
对于D,f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(5π,12)))=sin eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(5π,6)+\f(π,6)))=sin π=0,故D正确.
[答案] BCD
忽略函数的定义域致误
[典例] 函数y=log2 eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(sin \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x+\f(π,3)))))的单调递增区间为_______________.
[错解] 函数的增区间可由y=sin eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x+\f(π,3)))的增区间求得.由- eq \f(π,2)+2kπ≤x+ eq \f(π,3)≤ eq \f(π,2)可得- eq \f(5π,6)+2kπ≤x≤ eq \f(π,6)+2kπ,k∈Z,故原函数的递增区间为 eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(-\f(5π,6)+2kπ,\f(π,6)+2kπ))(k∈Z).
[错因分析] 本题若忽略对数函数的定义域,即sin eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x+\f(π,3)))>0,就会得到错误答案:函数y=log2 eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(sin \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x+\f(π,3)))))的单调递增区间为 eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(-\f(5π,6)+2kπ,\f(π,6)+2kπ))(k∈Z).
[正解] 由题意,得sin eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x+\f(π,3)))>0,
所以2kπ<x+ eq \f(π,3)<π+2kπ,k∈Z,
解得- eq \f(π,3)+2kπ<x< eq \f(2π,3)+2kπ,k∈Z.
又函数y=sin eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x+\f(π,3)))的单调递增区间为 eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(-\f(5,6)π+2kπ,\f(π,6)+2kπ))(k∈Z),
所以函数y=log2 eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(sin \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x+\f(π,3)))))的单调递增区间为 eq \b\lc\(\rc\](\a\vs4\al\co1(-\f(π,3)+2kπ,\f(π,6)+2kπ))(k∈Z).
[答案] eq \b\lc\(\rc\](\a\vs4\al\co1(-\f(π,3)+2kπ,\f(π,6)+2kπ))(k∈Z)
[纠错心得]
解决与三角函数有关的复合函数问题时,定义域是首先要考虑的问题,要在定义域内思考问题.
[典例] (13分)已知函数f(x)= eq \r(3)sin (ωx+φ) eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(ω>0,-\f(π,2)≤φ<\f(π,2)))的图象关于直线x= eq \f(π,3)对称,且图象上相邻两个最高点的距离为π.
(1)求ω和φ的值;
(2)若f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(α,2)))= eq \f(\r(3),4)
eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,6)<α<\f(2π,3))),求cos eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(α-\f(π,6)))的值.
[审题指导] (1)利用对称轴和相邻两个最高点距离分别求ω,φ.
(2)在(1)的基础上,注意角的范围,利用平方关系求值.
[规范解答] (1)因为f(x)的图象上相邻两个最高点的距离为π,所以f(x)的最小正周期T=π,从而ω= eq \f(2π,T)=2.①(3分)
又f(x)的图象关于直线x= eq \f(π,3)对称,
所以2× eq \f(π,3)+φ=kπ+ eq \f(π,2),k∈Z,
即φ=- eq \f(π,6)+kπ,k∈Z.
由- eq \f(π,2)≤φ< eq \f(π,2),得φ=- eq \f(π,6).②(6分)
(2)由(1),得
f eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(α,2)))= eq \r(3)sin eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2·\f(α,2)-\f(π,6)))= eq \f(\r(3),4),
所以sin eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(α-\f(π,6)))= eq \f(1,4).(9分)
由 eq \f(π,6)<α< eq \f(2π,3),得0<α- eq \f(π,6)< eq \f(π,2),③(11分)
所以cos eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(α-\f(π,6)))= eq \r(1-sin2\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(α-\f(π,6))))
= eq \r(1-\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,4)))\s\up12(2))= eq \f(\r(15),4).(13分)
$