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- 2021-06-16 发布
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第五节 函数y=Asin(ωx+φ)的图象及三角函数模型的简单应用
[最新考纲] 1.了解函数y=Asin(ωx+φ)的物理意义;能画出函数的图象,了解参数A,ω,φ对函数图象变化的影响.2.会用三角函数解决一些简单实际问题,体会三角函数是描述周期变化现象的重要函数模型.
1.y=Asin(ωx+φ)的有关概念
y=Asin(ωx+φ)(A>0,ω>0,x≥0)表示一个简谐运动
振幅
周期
频率
相位
初相
A
T=
f==
ωx+φ
φ
2.用五点法画y=Asin(ωx+φ)一个周期内的简图时,要找五个关键点,如下表所示:
x
-
ωx+φ
0
π
2π
y=Asin(ωx+φ)
0
A
0
-A
0
3.由y=sin x的图象变换得到y=Asin(ωx+φ)(其中A>0,ω>0)的图象
1.函数y=Asin(ωx+φ)+k图象平移的规律:“左加右减,上加下减”.
2.由y=sin ωx到y=sin(ωx+φ)(ω>0,φ>0)的变换:向左平移个单位长度而非φ个单位长度.
一、思考辨析(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)利用图象变换作图时“先平移,后伸缩”与“先伸缩,后平移”中平移的单位长度一致.( )
(2)将y=3sin 2x的图象左移个单位后所得图象的解析式是y=3sin.( )
(3)y=sin的图象是由y=sin的图象向右平移个单位得到的.( )
(4)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.( )
[答案] (1)× (2)× (3)√ (4)√
二、教材改编
1.y=2sin的振幅、频率和初相分别为( )
A.2,4π, B.2,,
C.2,,- D.2,4π,-
C [由题意知A=2,f===,初相为-.]
2.为了得到函数y=2sin(2x-)的图象,可以将函数y=2sin 2x的图象( )
A.向右平移个单位长度
B.向右平移个单位长度
C.向左平移个单位长度
D.向左平移个单位长度
A [y=2sin(2x-)=2sin 2(x-).]
3.如图,某地一天从6~14时的温度变化曲线近似满足函数y=Asin(ωx+φ)+b,则这段曲线的函数解析式为________.
y=10sin(x+)+20,x∈[6,14] [从图中可以看出,从6~14时的是函数y=Asin(ωx+φ)+b的半个周期
所以A=×(30-10)=10,b=×(30+10)=20,
又×=14-6,所以ω=.
又×10+φ=2π+2kπ,k∈Z,取φ=,
所以y=10sin(x+)+20,x∈[6,14].]
4.某地农业监测部门统计发现:该地区近几年的生猪收购价格每四个月会重复出现.下表是今年前四个月的统计情况:
月份x
1
2
3
4
收购价格y(元/斤)
6
7
6
5
选用一个函数来近似描述收购价格(元/斤)与相应月份之间的函数关系为________.
y=6-cosx [设y=Asin(ωx+φ)+B(A>0,ω>0),由题意得A=1,B=6,T=4,因为T=,所以ω=,所以y=sin(x+φ)+6.因为当x=1时,y=6,所以6=sin(+φ)+6,结合表中数据得+φ=2kπ,k∈Z,可取φ=-,所以y=sin(x-)+6=6-cos x.]
考点1 函数y=Asin(ωx+φ)的图象及变换
(1)y=Asin(ωx+φ)的图象可用“五点法”作简图得到,可通过变量代换z=ωx+φ计算五点坐标.
(2)由函数y=sin x的图象通过变换得到y=Asin(ωx+φ)图象有两条途径:“先平移后伸缩”与“先伸缩后平移”.
已知函数y=2sin(2x+).
(1)用“五点法”作出它在一个周期内的图象;
(2)[一题多解]说明y=2sin(2x+)的图象可由y=sin x的图象经过怎样的变换而得到.
[解] (1)描点画出图象,如图所示:
(2)法一:把y=sin x的图象上所有的点向左平移个单位长度,得到y=sin(x+)的图象;
再把y=sin(x+)的图象上所有点的横坐标缩短到原来的倍(纵坐标不变),得到y=sin(2x+)的图象;
最后把y=sin(2x+)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=2sin(2x+)的图象.
法二:将y=sin x的图象上所有点的横坐标缩短为原来的倍(纵坐标不变),得到y=sin 2x的图象;
再将y=sin 2x的图象向左平移个单位长度,得到y=sin[2(x+)]=sin(2x+
)的图象;
再将y=sin(2x+)的图象上所有点的纵坐标伸长为原来的2倍(横坐标不变),即得到y=2sin(2x+)的图象.
三角函数图象变换中的3个注意点
(1)变换前后,函数的名称要一致,若不一致,应先利用诱导公式转化为同名函数.
(2)要弄清变换的方向,即变换的是哪个函数的图象,得到的是哪个函数的图象,切不可弄错方向.
(3)要弄准变换量的大小,特别是平移变换中,函数y=Asin x到y=Asin(x+φ)的变换量是|φ|个单位,而函数y=Asin ωx到y=Asin(ωx+φ)时,变换量是个单位.
1.要得到函数y=sin的图象,只需将函数y=cos 5x的图象( )
A.向左平移个单位
B.向右平移个单位
C.向左平移个单位
D.向右平移个单位
B [函数y=cos 5x=sin=sin 5,
y=sin=sin 5,设平移φ个单位,
则+φ=-,
解得φ=-,故把函数y=cos 5x的图象向右平移个单位,可得函数y=
sin的图象.]
2.若把函数y=sin(ωx-)的图象向左平移个单位长度,所得到的图象与函数y=cos ωx的图象重合,则ω的一个可能取值是( )
A.2 B.
C. D.
A [y=sin(ωx+π-)和函数y=cos ωx的图象重合,可得π-=+2kπ,k∈Z,则ω=6k+2,k∈Z.
∴2是ω的一个可能值.]
3.将函数f(x)=sin的图象向左平移φ(φ>0)个单位后,得到的图象关于直线x=对称,则φ的最小值为________.
π [把函数f(x)=sin的图象向左平移φ(φ>0)个单位后,
可得y=sin=sin的图象,
∵所得图象关于直线x=对称,∴4×+4φ+=+kπ(k∈Z),∴φ=-(k∈Z),
∵φ>0,∴φmin=.]
考点2 由图象确定y=Asin(ωx+φ)的解析式
确定y=Asin(ωx+φ)+B(A>0,ω>0)的解析式的步骤
(1)求A,B,确定函数的最大值M和最小值m,则A=,B=.
(2)求ω,确定函数的周期T,则ω=.
(3)求φ,常用方法有:
①
代入法:把图象上的一个已知点代入(此时要注意该点在上升区间上还是在下降区间上)或把图象的最高点或最低点代入.
②五点法:确定φ值时,往往以寻找“五点法”中的特殊点作为突破口.具体如下:“第一点”(即图象上升时与x轴的交点)为ωx+φ=0;“第二点”(即图象的“峰点”)为ωx+φ=;“第三点”(即图象下降时与x轴的交点)为ωx+φ=π;“第四点”(即图象的“谷点”)为ωx+φ=;“第五点”(即图象上升时与x轴的交点)为ωx+φ=2π.
(1)函数f(x)=Asin(ωx+φ)的部分图象如图所示,则f(x)=________.
(2)(2019·重庆六校联考)函数f(x)=Asin(ωx+φ)(A,ω,φ是常数,A>0,ω>0,0<φ<)的部分图象如图所示,则f(-)=________.
(1)2sin(2x-) (2)- [(1)由题图可知,A=2,T=2[-(-)]=π,所以ω=2,由五点作图法可知2×+φ=,所以φ=-,所以函数的解析式为y=2sin(2x-).
(2)由函数的图象可得A=,×=-,可得ω=2,则2×+φ=π+2kπ(k∈Z),又0<φ<,所以φ=,故f(x)=sin(2x+),所以f(-)=-.]
一般情况下,ω的值是唯一确定的,但φ的值是不确定的,它有无数个,如果求出的φ的值不在指定范围内,可以通过加减的整数倍达到目的.
1.(2019·开封模拟)如果存在正整数ω和实数φ使得函数f(x)=sin2(ωx+φ)的图象如图所示(图象经过点(1,0)),那么ω的值为( )
A.1 B.2
C.3 D.4
B [因为f(x)=sin2(ωx+φ)=-cos 2(ωx+φ),所以函数f(x)的最小正周期T==,由题图知<1,且>1,即<T<2,又ω为正整数,所以ω的值为2,故选B.]
2.(2019·合肥模拟)函数f(x)=Asin(ωx+φ)(A>0,|φ|<)的图象如图所示,则下列说法正确的是( )
A.在区间[,]上单调递减
B.在区间[,]上单调递增
C.在区间[,]上单调递减
D.在区间[,]上单调递增
B [由题意得,A=2,T=4×(-)=π,故ω==2.当x=时取得最大值2,所以2=2sin(2×+φ),且|φ|<,所以φ=,所以函数的解析式为f(x)=2sin(2x+).当x∈[,]时,2x+∈[,],又由正弦函数y=sin x的图象与性质可知,函数y=sin x在[,]上单调递增,故函数f(x)在[,]上单调递增.当x∈[,]时,2x+∈[,],由函数y=sin x的图象与性质知此区间上不单调,故选B.]
3.已知函数f(x)=sin(πx+θ)(|θ|<)的部分图象如图所示,且
f(0)=-,则图中m的值为________.
[因为f(0)=sin θ=-,且|θ|<,所以θ=-,所以f(x)=sin(πx-),所以f(m)=sin(mπ-)=-,所以mπ-=2kπ+,k∈Z,所以m=2k+,k∈Z.又周期T=2,所以0<m<2,所以m=.]
考点3 三角函数图象与性质的综合应用
函数零点(方程根)问题
已知关于x的方程2sin2x-sin 2x+m-1=0在(,π)上有两个不同的实数根,则m的取值范围是________.
(-2,-1) [方程2sin2x-sin 2x+m-1=0可转化为m=1-2sin2x+sin 2x=cos 2x+sin 2x
=2sin(2x+),x∈(,π).
设2x+=t,则t∈(π,π),
所以题目条件可转化为=sin t,t∈(π,π)有两个不同的实数根.
所以y1=和y2=sin t,t∈(π,π)的图象有两个不同交点,如图:
由图象观察知,的取值范围是(-1,-),
故m的取值范围是(-2,-1).]
[母题探究] (变条件)将本例中“有两个不同的实数根”改为“有实根”,则m的取值范围为________.
[-2,1) [由例题可知,∈[-1,),
∴-2≤m<1,即m的取值范围为[-2,1).]
三角函数的零点问题可转化为两个函数图象的交点问题.
三角函数图象与性质的综合问题
已知函数f(x)=sin(2ωx+)(ω>0)的图象与x轴相邻两个交点的距离为.
(1)求函数f(x)的解析式;
(2)若将f(x)的图象向左平移m(m>0)个单位长度得到函数g(x)的图象恰好经过点(-,0),求当m取得最小值时,g(x)在[-,]上的单调递增区间.
[解] (1)函数f(x)的图象与x轴相邻两个交点的距离为,
得函数f(x)的最小正周期为T=2×=,得ω=1,
故函数f(x)的解析式为f(x)=sin(2x+).
(2)将f(x)的图象向左平移m(m>0)个单位长度得到函数g(x)=sin[2(x+m)+]=sin(2x+2m+)的图象,根据g(x)的图象恰好经过点(-,0),
可得sin(-+2m+)=0,即sin(2m-)=0,
所以2m-=kπ(k∈Z),m=+(k∈Z),
因为m>0,
所以当k=0时,m取得最小值,且最小值为.
此时,g(x)=sin(2x+).
因为x∈[-,],所以2x+∈[,].
当2x+∈[,],即x∈[-,-]时,g(x)单调递增,
当2x+∈[,],即x∈[,]时,g(x)单调递增.
综上,g(x)在区间[-,]上的单调递增区间是[-,-]和[,].
研究y=Asin(ωx+φ)的性质时可将ωx+φ视为一个整体,利用换元法和数形结合思想进行解题.
1.(2019·天津高考)已知函数f(x)=Asin(ωx+φ)(A>0,ω>0,|φ|<π)是奇函数,将y=f(x)的图象上所有点的横坐标伸长到原来的2倍(纵坐标不变),所得图象对应的函数为g(x).若g(x)的最小正周期为2π,且g()=,则f()=( )
A.-2 B.-
C. D.2
C [∵f(x)=Asin(ωx+φ)为奇函数, ∴φ=kπ,k∈Z,又|φ|<π,∴φ=0,∴f(x)=Asin ωx,则g(x)=Asin(x).由g(x)的最小正周期T=2π,得==1,∴ω=2.又g()=Asin =A=,∴A=2,
∴f(x)=2sin 2x,∴f()=2sin =,故选C.]
2.(2019·全国卷Ⅲ)设函数f(x)=sin(ω>0),已知f(x)在[0,2π]有且仅有5个零点.下述四个结论:
①f(x)在(0,2π)有且仅有3个极大值点;②f(x)在(0,2π)有且仅有2个极小值点;③f(x)在单调递增;④ω的取值范围是.
其中所有正确结论的编号是( )
A.①④ B.②③
C.①②③ D.①③④
D [如图,根据题意知,xA≤2π<xB,根据图象可知函数f(x)在(0,2π)有且仅有3个极大值点,所以①正确;但可能会有3个极小值点,所以②错误;根据xA≤2π<xB,有≤2π<,得≤ω<,所以④正确;当x∈时,<ωx+<+,因为≤ω<,所以+<<,所以函数f(x)在单调递增,所以③正确.
]
课外素养提升⑤ 逻辑推理与数学运算——三角函数中ω的确定方法
数学运算是解决数学问题的基本手段,通过运算可促进学生思维的发展;而逻辑推理是得到数学结论、构建数学体系的重要方式.运算和推理贯穿于探究数学问题的始终,可交替使用,相辅相成.
三角函数的周期T与ω的关系
【例1】 为了使函数y=sin ωx(ω>0)在区间[0,1]上至少出现50次最大值,则ω的最小值为( )
A.98π B.π
C.π D.100π
B [由题意,至少出现50次最大值即至少需用49个周期,所以T=·≤1,所以ω≥π.]
[评析] 解决此类问题的关键在于结合条件弄清周期T=与所给区间的关系,从而建立不等关系.
三角函数的单调性与ω的关系
【例2】 若f(x)=2sin ωx(ω>0)在区间[-,]上是增函数,则ω的取值范围是________.
(0,] [法一:因为x∈[-,](ω>0),
所以ωx∈[-,],
因为f(x)=2sin ωx在[-,]上是增函数,
所以
故0<ω≤.
法二:画出函数f(x)=2sin ωx(ω>0)的图象如图所示.
要使f(x)在[-,]上是增函数,需(ω>0),
即0<ω≤.
法三:由-+2kπ≤ωx≤+2kπ(k∈Z)得
-+≤x≤+(k∈Z),
故f(x)的单调递增区间是[-+,+](k∈Z),
由题意[-,]⊆[-+,+](k∈Z,ω>0),
从而有即0<ω≤.]
[评析] 根据正弦函数的单调递增区间,确定函数f(x)的单调递增区间,根据函数f(x)=2sin ωx(ω>0)在区间[-,]上单调递增,建立不等式,即可求ω的取值范围.
【例3】 (1)已知f(x)=sin ωx-cos ωx(ω>),若函数f(x)图象的任何一条对称轴与x轴交点的横坐标都不属于区间(π,2π),则ω的取值范围是________.(结果用区间表示)
(2)已知函数f(x)=2sin ωx在区间[-,]上的最小值为-2,则ω的取值范围是________.
(1)[,] (2) [(1)f(x)=sin ωx-cos ωx=sin(ωx-),
令ωx-=+kπ(k∈Z),解得x=+(k∈Z).
当k=0时,≤π,即≤ω,
当k=1时,+≥2π,即ω≤.
综上,≤ω≤.
(2)显然ω≠0,分两种情况:
若ω>0,当x∈[-,]时,-ω≤ωx≤ω.
因函数f(x)=2sin ωx在区间[-,]上的最小值为-2,所以-ω≤-,解得ω≥.
若ω<0,当x∈[-,]时,ω≤ωx≤-ω,
因函数f(x)=2sin ωx在区间[-,]上的最小值为-2,所以ω≤-,解得ω≤-2.
综上所述,符合条件的实数ω≤-2或ω≥.]
[评析] 这类三角函数题除了需要熟练掌握正弦函数、余弦函数、正切函数的单调性外,还必须知晓一个周期里函数最值的变化,以及何时取到最值,
函数取到最值的区间要求与题目给定的区间的关系如何.