内容正文:
第2课时 正弦函数、余弦函数的性质(二)
第五章 三角函数
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第五章 三角函数
课前 预习学案
课堂 互动学案
01
02
随堂 步步夯实
03
课后 素养提升
04
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课时作业
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第五章 三角函数
课程标准
素养解读
1.掌握y=sin x,y=cos x的最大值与最小值,并会求简单三角函数的值域和最值
2.掌握y=sin x,y=cos x的单调性,并能利用单调性比较大小
3.会求函数y=Asin(ωx+φ)及y=Acos(ωx+φ)的单调区间
三角函数的性质是高考必考内容,通过应用,提升学生逻辑推理和数学运算素养
[情境引入]
生活中许多美好的事物都有对称性,如漂亮的蝴蝶,它停飞展翅就是一幅异常美丽的对称图案.
数学中的对称美也比比皆是,如圆、等腰三角形、正方形、球、圆柱、正方体等.
正弦函数、余弦函数的图象也很美,它们有怎样的对称性?除此之外还有哪些性质呢?
提示:它们既是轴对称图形,又是中心对称图形.
[知识梳理]
[知识点] 正、余弦函数的性质
定义域
R
R
值域
[-1,1]
[-1,1]
周期性
最小正周期为2π
最小正周期为2π
不
同
处
图象
奇偶性
奇函数
偶函数
不
同
处
单调性
在 eq \b\lc\[\rc\ (\a\vs4\al\co1(2kπ-\f(π,2),2kπ))+eq \b\lc\ \rc\](\a\vs4\al\co1(\f(π,2)))(k∈Z)上递增;在 eq \b\lc\[\rc\ (\a\vs4\al\co1(2kπ+\f(π,2))),eq \b\lc\ \rc\](\a\vs4\al\co1(2kπ+\f(3,2)π))(k∈Z) 上递减
在 [2kπ-π,2kπ](k∈Z) 上递增;在 [2kπ,2kπ+π](k∈Z)上递减
最值
x= 2kπ+eq \f(π,2)(k∈Z) 时,ymax=1;x= 2kπ-eq \f(π,2)(k∈Z) 时,ymin=-1
x= 2kπ(k∈Z) 时,ymax=1;
x= 2kπ+π(k∈Z) 时,ymin=-1
1.用正、余弦的周期性考查它们的单调性和最值,你有何发现?
提示:对于正弦函数,任意的两个递增区间相差周期2π的整数倍,任意的两个递减区间也相差周期2π的整数倍,取得最大值的任意两个x的值相差周期2π的整数倍,取得最小值的任意两个x的值相差周期2π的整数倍.对于余弦函数,也有同样规律.
2.从图象的变化趋势来看,正弦、余弦函数的最大值、最小值点分别处在什么位置?
提示:正弦、余弦函数的最大值、最小值点均处于图形拐弯的地方.
3.正弦函数在eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(-\f(π,2),\f(3π,2)))上函数值的变化有什么特点?推广到整个定义域呢?
提示:观察图象可知:
当x∈eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(-\f(π,2),\f(π,2)))时,曲线逐渐上升,是增函数,sin x的值由-1增大到1;
当x∈eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(\f(π,2),\f(3π,2)))时,曲线逐渐下降,是减函数,sin x的值由1减小到-1.
推广到整个定义域可得
当x∈eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(-\f(π,2)+2kπ,\f(π,2)+2kπ))(k∈Z)时,正弦函数y=sin x是增函数,函数值由-1增大到1;
当x∈eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(\f(π,2)+2kπ,\f(3π,2)+2kπ))(k∈Z)时,正弦函数y=sin x是减函数,函数值由1减小到-1.
4.余弦函数在[-π,π]上,函数值的变化有什么特点?推广到整个定义域呢?
提示:观察图象可知:
当x∈[-π,0]时,曲线逐渐上升,是增函数,cos x的值由-1增大到1;
当x∈[0,π]时,曲线逐渐下降,是减函数,cos x的值由1减小到-1.
推广到整个定义域可得
当x∈[2kπ-π,2kπ],k∈Z时,余弦函数y=cos x是增函数,函数值由-1增大到1;
当x∈[2kπ,(2k+1)π],k∈Z时,余弦函数y=cos x是减函数,函数值由1减小到-1.
[预习自测]
1.函数y=2sin(x+2)的最大值是( )
A.-2
B.2
C.2sin 2
D.-2sin 2
答案:B
2.下列函数中,周期为π,且在区间eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(0,\f(π,2)))上单调递减的是( )
A.y=sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x+\f(π,3)))
B.y=coseq \f(1,2)x
C.y=sin 2x
D.y=cos 2x
答案:D
3.(2025·上海卷)函数y=cos x在-eq \f(π,2),eq \f(π,4)上的值域为 ______ .
答案:[0,1]
正、余弦函数的单调性
[例1] (1)求函数y=sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)x+\f(π,3)))x∈R的单调区间;
(2)求函数y=2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,4)-x))的单调递增区间.
[思路点拨] 把“ωx+φ”看作一个整体,代入基本三角函数的单调区间.
[解] (1)设z=eq \f(1,2)x+eq \f(π,3),则y=sin z.
当z∈eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2kπ-\f(π,2),2kπ+\f(π,2)))(k∈Z)时,y=sin z为增函数.
∴2kπ-eq \f(π,2)≤eq \f(1,2)x+eq \f(π,3)≤2kπ+eq \f(π,2),得4kπ-eq \f(5,3)π≤x≤4kπ+eq \f(π,3),k∈Z.
当z∈eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2kπ+\f(π,2),2kπ+\f(3,2)π))时,y=sin z为减函数.
∴2kπ+eq \f(π,2)≤eq \f(1,2)x+eq \f(π,3)≤2kπ+eq \f(3,2)π
得4kπ+eq \f(π,3)≤x≤4kπ+eq \f(7,3)π,k∈Z.
故y=sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)x+\f(π,3)))的增区间为
eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(4kπ-\f(5,3)π,4kπ+\f(π,3))),k∈Z,
减区间为eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(4kπ+\f(π,3),4kπ+\f(7,3)π)),k∈Z.
(2)y=2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,4)-x))=-2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x-\f(π,4))),
令z=x-eq \f(π,4),则y=-2sin z.
因为z是x的一次函数,所以要求y=-2sin z的单调递增区间,即求sin z的单调递减区间,
即2kπ+eq \f(π,2)≤z≤2kπ+eq \f(3π,2)(k∈Z).
∴2kπ+eq \f(π,2)≤x-eq \f(π,4)≤2kπ+eq \f(3π,2)(k∈Z),即2kπ+eq \f(3π,4)≤x≤2kπ+eq \f(7π,4)(k∈Z).
∴函数y=2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,4)-x))的单调递增区间为eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(2kπ+\f(3π,4),2kπ+\f(7π,4)k∈Z)).
(1)求y=Asin(ωx+φ)(A>0,ω>0)的递增区间由-eq \f(π,2)+2kπ≤ωx+φ≤eq \f(π,2)+2kπ(x∈Z)解出x的范围即可,求其递减区间由eq \f(π,2)+2kπ≤ωx+φ≤eq \f(3π,2)+2kπ(k∈Z)解出x的范围即可.
(2)对于y=Asin(ωx+φ)(A>0,ω<0),先将函数化为y=-Asin(-ωx-φ),然后由eq \f(π,2)+2kπ≤-ωx-φ≤eq \f(3π,2)+2kπ(k∈Z)解出的x的范围是递增区间,由-eq \f(π,2)+2kπ≤-ωx-φ≤eq \f(π,2)+2kπ(k∈Z)解出的x的范围是递减区间.
余弦函数y=Acos(ωx+φ)(A>0,ω≠0)的单调性讨论同上.另外值得注意的是,k∈Z这一条件不能省略.
[变式训练]
1.求下列函数的单调区间:
(1)y=coseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(x,2)+\f(π,3)));
(2)y=3sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,4)-2x)).
解:(1)当2kπ-π≤eq \f(x,2)+eq \f(π,3)≤2kπ,k∈Z时,函数单调递增,
故函数的单调递增区间是eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(4kπ-\f(8,3)π,4kπ-\f(2,3)π))(k∈Z).
当2kπ≤eq \f(x,2)+eq \f(π,3)≤2kπ+π,k∈Z时,
函数单调递减,故函数的单调递减区间是eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(4kπ-\f(2,3)π,4kπ+\f(4,3)π))(k∈Z).
(2)y=3sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,4)-2x))=-3sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x-\f(π,4))),
要求y=-3sin(2x-eq \f(π,4))的增区间即求
y=sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x-\f(π,4)))的减区间,
即2kπ+eq \f(π,2)≤2x-eq \f(π,4)≤2kπ+eq \f(3π,2),k∈Z,
所以kπ+eq \f(3π,8)≤x≤kπ+eq \f(7π,8),k∈Z.
所以函数y=3sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,4)-2x))的递增区间为eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(kπ+\f(3π,8),kπ+\f(7π,8)))(k∈Z).
要求y=-3sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x-\f(π,4)))的减区间即求y=sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x-\f(π,4)))的增区间,
即2kπ-eq \f(π,2)≤2x-eq \f(π,4)≤2kπ+eq \f(π,2),k∈Z,
所以kπ-eq \f(π,8)≤x≤kπ+eq \f(3π,8),k∈Z.
所以函数y=3sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,4)-2x))的递减区间为eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(kπ-\f(π,8),kπ+\f(3π,8)))(k∈Z).
比较三角函数值的大小
[例2] 比较下列各组数的大小:
(1)coseq \f(3,2),sineq \f(1,10),-coseq \f(7,4);
(2)sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(sin\f(3π,8)))和sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(cos\f(3π,8))).
[思路点拨] 对于不是同名函数的应先化为同名函数,再用单调性来比较.
[解] (1)∵sineq \f(1,10)=coseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,2)-\f(1,10)))≈cos 1.47,
-coseq \f(7,4)=coseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(π-\f(7,4)))≈cos 1.39,
而y=cos x在[0,π]上单调递减,
∴coseq \f(3,2)<coseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,2)-\f(1,10)))<coseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(π-\f(7,4))),
故有coseq \f(3,2)<sineq \f(1,10)<-coseq \f(7,4).
(2)∵coseq \f(3π,8)=sineq \f(π,8),∴0<coseq \f(3π,8)<sineq \f(3π,8)<1<eq \f(π,2).
而y=sin x在eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(0,\f(π,2)))内递增,
∴sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(cos\f(3π,8)))<sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(sin\f(3π,8))).
即sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(sin\f(3π,8)))>sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(cos\f(3π,8))).
比较三角函数值大小的方法
(1)比较两个同名三角函数值的大小,先利用诱导公式把两个角化为同一单调区间内的角,再利用函数的单调性比较.
(2)比较两个不同名的三角函数值的大小,先应利用诱导公式五、六将名称化为一致.然后再利用正、余弦函数的单调性进行比较,当角不在同一个单调区间时,再利用诱导公式一~四将角转化为同一单调区间内.对于正弦函数,一般将两个角转化到[-eq \f(π,2),eq \f(π,2)]或[eq \f(π,2),eq \f(3π,2)]内,对于余弦函数,一般将两个角转化到[-π,0]或[0,π]内.
[变式训练]
2.比较下列各组数的大小.
(1)sin(-320°)与sin 700°;
(2)cos eq \f(17π,8)与coseq \f(37π,9).
解:(1)∵sin(-320°)=sin(-360°+40°)=sin 40°,
sin 700°=sin(720°-20°)=sin(-20°)
又函数y=sin x在eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(-\f(π,2),\f(π,2)))上是增函数,
∴sin40°>sin(-20°),
∴sin(-320°)>sin 700°.
(2)∵coseq \f(17π,8)=coseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2π+\f(π,8)))=coseq \f(π,8),
coseq \f(37π,9)=coseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(4π+\f(π,9)))=cos eq \f(π,9).
又函数y=cos x在[0,π]上是减函数,
∴coseq \f(π,8)<cos eq \f(π,9),∴coseq \f(17π,8)<coseq \f(37π,9).
正、余弦函数的最值(值域)
[例3] (1)求函数y=2coseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x+\f(π,3))),x∈eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(π,6),\f(π,6)))的值域;
(2)求函数y=cos2x+4sin x的最值及取到最大值和最小值时的x的集合.
[思路点拨] 根据单调性求最值.
[解] (1)∵-eq \f(π,6)<x<eq \f(π,6),
∴0<2x+eq \f(π,3)<eq \f(2π,3),
∴-eq \f(1,2)<coseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x+\f(π,3)))<1,
∴函数y=2coseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x+\f(π,3))),x∈eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(-\f(π,6),\f(π,6)))的值域为(-1,2).
(2)y=cos2x+4sin x=1-sin2x+4sin x
=-sin2x+4sin x+1
=-(sin x-2)2+5.
所以当sin x=1,即x=2kπ+eq \f(π,2),k∈Z时,ymax=4;
当sin x=-1,即x=2kπ-eq \f(π,2),k∈Z时,ymin=-4.
所以ymax=4,此时x的取值集合是
eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\co1(x|x=2kπ+\f(π,2),k∈Z));
ymin=-4,此时x的取值集合是
eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\co1(x|x=2kπ-\f(π,2),k∈Z)).
三角函数最值问题的三种常见类型及求解方法
(1)形如y=asin x(或y=acos x)型,可利用正弦函数,余弦函数的有界性,注意对a正负的讨论.
(2)形如y=Asin(ωx+φ)+b(或y=Acos(ωx+φ)+b)型,可先由定义域求得ωx+φ的范围,然后求得sin(ωx+φ)(或cos(ωx+φ)的范围,最后求得最值.
(3)形如y=asin2x+bsin x+c(a≠0)型,可利用换元思想,设t=sin x,转化为二次函数y=at2+bt+c求最值,t的范围需要根据定义域来确定.
[变式训练]
3.已知函数f(x)=2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x-\f(π,6))).
(1)求feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(2π,3)))的值;
(2)求函数f(x)的单调递增区间;
(3)当x∈eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(0,\f(π,2)))时,求f(x)的最大值与最小值,并指出相应的x的值.
解:(1)因为f(x)=2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x-\f(π,6))),
所以feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(2π,3)))=2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(4π,3)-\f(π,6)))=2sin eq \f(7π,6)=-2sin eq \f(π,6)=-1.
(2)由-eq \f(π,2)+2kπ≤2x-eq \f(π,6)≤eq \f(π,2)+2kπ,k∈Z,
得-eq \f(π,6)+kπ≤x≤eq \f(π,3)+kπ,k∈Z,
所以函数f(x)的单调递增区间为eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(-\f(π,6)+kπ,\f(π,3)+kπ))(k∈Z).
(3)当x∈eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(0,\f(π,2)))时,2x-eq \f(π,6)∈eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(-\f(π,6),\f(5π,6))),令2x-eq \f(π,6)=t∈eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(-\f(π,6),\f(5π,6))),则y=2sin t,作出y=2sin t的图象如图所示,
由y=2sin t的图象知,当t=-eq \f(π,6),即x=0时,y=2sin t取得最小值-1.
当t=eq \f(π,2),即x=eq \f(π,3)时,y=2sin t取得最大值2,
所以当x=0时,函数f(x)取得最小值-1;当x=eq \f(π,3)时,函数f(x)取得最大值2.
1.下列函数在区间[0,π]上是减函数的是( )
A.y=sin x
B.y=cos x
C.y=sin 2x
D.y=cos 2x
答案:B
2.函数f(x)=2coseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,3)-x))的单调递增区间是( )
A.eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(2kπ+\f(π,3),2kπ+\f(4π,3)))(k∈Z)
B.eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(2kπ+\f(π,2),2kπ+\f(2π,3)))(k∈Z)
C.eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(2kπ-\f(2π,3),2kπ+\f(π,3)))(k∈Z)
D.eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(2kπ-\f(2π,3),2kπ+\f(4π,3)))(k∈Z)
答案:C
3.函数y=sin2x+sin x-1的值域为( )
A.[-1,1]
B.eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(-\f(5,4),-1))
C.eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(-\f(5,4),1))
D.eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(-1,\f(5,4)))
答案:C
4.函数y=1+2sineq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(π,6)-x))的单调递增区间是 ________ .
答案:eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(\f(2,3)π+2kπ,\f(5,3)π+2kπ))(k∈Z)
5.已知函数f(x)=eq \r(2)coseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x-\f(π,4))),x∈R.
(1)求函数f(x)的最小正周期和单调递减区间;
(2)求函数f(x)在区间eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(-\f(π,8),\f(π,2)))上的最小值和最大值,并求出取得最值时x的值;
(3)求不等式-1≤f(x)≤1的解集.
解:(1)由题知f(x)的最小正周期T=eq \f(2π,|ω|)=eq \f(2π,2)=π,
当2kπ≤2x-eq \f(π,4)≤2kπ+π,k∈Z,即kπ+eq \f(π,8)≤x≤kπ+eq \f(5π,8),k∈Z时,f(x)单调递减,
故f(x)的单调递减区间是eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(kπ+\f(π,8),kπ+\f(5π,8)))(k∈Z).
(2)∵x∈eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(-\f(π,8),\f(π,2))),
∴2x-eq \f(π,4)∈eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(-\f(π,2),\f(3π,4))),
故coseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x-\f(π,4)))∈eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(-\f(\r(2),2),1)),
∴f(x)max=eq \r(2),此时2x-eq \f(π,4)=0,即x=eq \f(π,8),
f(x)min=-1,此时2x-eq \f(π,4)=eq \f(3π,4),即x=eq \f(π,2).
(3)由-1≤f(x)≤1,得-1≤eq \r(2)coseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x-\f(π,4)))≤1,
即-eq \f(\r(2),2)≤coseq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x-\f(π,4)))≤eq \f(\r(2),2),
∴2kπ-eq \f(3π,4)≤2x-eq \f(π,4)≤2kπ-eq \f(π,4),k∈Z或2kπ+eq \f(π,4)≤2x-eq \f(π,4)≤2kπ+eq \f(3π,4),k∈Z,
即kπ-eq \f(π,4)≤x≤kπ,k∈Z或kπ+eq \f(π,4)≤x≤kπ+eq \f(π,2),k∈Z,
故原不等式的解集为eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(kπ-\f(π,4),kπ))∪eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(kπ+\f(π,4),kπ+\f(π,2)))(k∈Z).
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