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- 2021-06-11 发布
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第5讲 函数y=Asin(ωx+φ)的图象及三角函数模型的简单应用
一、知识梳理
1.函数y=Asin(ωx+φ)的有关概念
y=Asin(ωx+φ)
(A>0,ω>0)
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
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:
ωx+φ
0
π
2π
x
-
-
-
y=Asin(ωx+φ)
0
A
0
-A
0
3.由函数y=sin x的图象通过变换得到y=Asin(ωx+φ)(A>0,ω>0)的图象的两种方法
常用结论
1.两种图象变换的区别
由y=sin x的图像变换到y=Asin(ωx+φ)的图象,两种变换的区别:①先相位变换再周期变换(伸缩变换),平移的量是|φ|个单位长度.②先周期变换(伸缩变换),再相位变换,平移的量是(ω>0)个单位长度.即图象的左右平移变换是针对x而言的,应是x本身加减多少,而不是ωx加减多少.
2.周期与对称性之间的关系
(1)正弦曲线或余弦曲线相邻两对称中心、相邻两对称轴之间的距离是周期,相邻的对称中心与对称轴之间的距离是周期;
(2)正切曲线相邻的两对称中心之间的距离是周期.
3.对称轴(对称中心)与函数值的关系
在判断对称轴或对称中心时,用以下结论可快速解题:设y=f(x)=Asin(ωx+φ),g(x)=Acos(ωx+φ),x=x0是对称轴方程⇔f(x0)=±A,g(x0)=±A;(x0,0)是对称中心⇔f(x0)=0,g(x0)=0.
二、教材衍化
1.函数y=2sin的振幅、频率和初相分别为( )
A.2,4π, B.2,,
C.2,,- D.2,4π,-
解析:选C.由题意知A=2,f===,初相为-.
2.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____________________.
解析: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+2k,k∈Z,取φ=,
所以y=10sin+20,x∈.
答案:y=10sin+20,x∈
一、思考辨析
判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)函数y=sin(x-)的图象是由y=sin(x+)的图象向右平移个单位得到的.( )
(2)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.( )
(3)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.( )
(4)由图象求函数解析式时,振幅A的大小是由一个周期内图象中最高点的值与最低点的值确定的.( )
答案:(1)√ (2)× (3)√ (4)√
二、易错纠偏
(1)搞错图象平移的单位长度;
(2)搞错横坐标伸缩与ω的关系;
(3)搞不清f(x)在x=处取最值;
(4)确定不了解析式中φ的值.
1.将函数y=2sin的图象向右平移个周期后,所得图象对应的函数为( )
A.y=2sin B.y=2sin
C.y=2sin D.y=2sin
解析:选D.函数y=2sin的周期为π,将函数y=2sin(2x+)的图象向右平移个周期即个单位长度,所得函数为y=2sin=2sin,
故选D.
2.函数y=sin x的图象上所有点的纵坐标不变,横坐标伸长为原来的2倍得到的图象对应的函数解析式是________.
解析:根据函数图象变换法则可得.
答案:y=sinx
3.若函数f(x)=sin ωx(0<ω<2)在区间上是增加的,在区间上是减少的,则ω=________.
解析:由题意知当x=时,函数取得最大值,所以有sin =1,所以=+2kπ(k∈Z),所以ω=+6k(k∈Z),又0<ω<2,所以ω=.
答案:
4.已知简谐运动f(x)=2sin的图象经过点(0,1),则该简谐运动的初相φ为________.
解析:将点(0,1)代入函数表达式可得2sin φ=1,即sin φ=.因为|φ|<,所以φ=.
答案:
函数y=Asin(ωx+φ)的图象及变换(师生共研)
已知函数y=2sin.
(1)求它的振幅、周期、初相;
(2)用“五点法”作出它在一个周期内的图象;
(3)说明y=2sin的图象可由y=sin x的图象经过怎样的变换而得到.
【解】 (1)y=2sin的振幅A=2,
周期T==π,初相φ=.
(2)令X=2x+,则y=2sin(2x+)=2sin X.
列表如下:
x
-
X
0
π
2π
y=sin X
0
1
0
-1
0
y=2sin
0
2
0
-2
0
描点画出图象,如图所示:
(3)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的图象;
再把y=sin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的图象;最后把y=sin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=sin的图象;
再将y=sin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.
(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y=sin ωx到y=sin(ωx+φ)的变换:向左平移(ω>0,φ>0)个单位长度而非φ个单位长度.
(3)平移前后两个三角函数的名称如果不一致,应先利用诱导公式化为同名函数,ω为负时应先变成正值.
1.函数y=sin(2x+)的图象可以由函数y=cos 2x的图象 ( )
A.向右平移个单位长度得到
B.向右平移个单位长度得到
C.向左平移个单位长度得到
D.向左平移个单位长度得到
解析:选A.将函数y=cos 2x的图象向右平移个单位长度,可得函数y=sin 2x的图象,再将y=sin 2x的图象向左平移个单位长度,可得函数y=sin(2x+)的图象,综上可得,函数y=sin(2x+)的图象可以由函数y=cos 2x的图象向右平移个单位长度得到,故选A.
2.将函数y=cos x-sin x的图象先向右平移φ(φ>0)个单位长度,再将所得的图象上每个点的横坐标变为原来的a倍,得到y=cos 2x+sin 2x的图象,则φ,a的可能取值为( )
A.φ=,a=2 B.φ=,a=2
C.φ=,a= D.φ=,a=
解析:选D.将函数y=cos x-sin x=cos(x+)的图象向右平移φ(φ>0)个单位长度,可得y=cos(x+-φ)的图象,再将函数图象上每个点的横坐标变为原来的a倍,得到y=cos(x+-φ)的图象,又y=cos(x+-φ)=cos 2x+sin 2x=cos(2x-),所以=2,-φ=-+2kπ(k∈Z),所以a=,又φ>0,所以φ=+2kπ(k∈N),结合选项知选D.
3.(2020·福州模拟)若ω>0,函数y=cos(ωx+)的图象向右平移个单位长度后与函数y=sin ωx的图象重合,则ω的最小值为________.
解析:将函数y=cos(ωx+)的图象向右平移个单位长度,得y=cos(ωx-+)的图象.因为所得函数图象与y=sin ωx的图象重合,所以-+=+2kπ(k∈Z),解得ω=--6k(k∈Z),因为ω>0,所以当k=-1时,ω取得最小值.
答案:
求函数y=Asin(ωx+φ)的解析式(师生共研)
(1)如图,
函数f(x)=Asin(2x+φ)(A>0,|φ|<)的图象过点(0,),则f(x)的函数解析式为( )
A.f(x)=2sin(2x-)
B.f(x)=2sin(2x+)
C.f(x)=2sin(2x+)
D.f(x)=2sin(2x-)
(2)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(-)=________.
【解析】 (1)由题意知,A=2,函数f(x)的图象过点(0,),所以f(0)=2sin φ=,由|φ|<,得φ=,所以f(x)=2sin(2x+).故选B.
(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(-)=-.
【答案】 (1)B (2)-
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还是在下降区间)
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y=2cos的部分图象是( )
解析:选A.由y=2cos可知,函数的最大值为2,故排除D;又因为函数图象过点,故排除B;又因为函数图象过点,故排除C.故选A.
2.(2020·安徽黄山毕业班第二次质量检测)已知f(x)=Asin(ωx+φ)+B的部分图象如图,则f(x)图象的一个对称中心是( )
A. B.
C. D.
解析:选A.由题图得为f(x)图象的一个对称中心,=-,所以T=π,从而f(x)图象的对称中心为(k∈Z),当k=1时,为,选A.
三角函数图象与性质的综合应用(多维探究)
角度一 三角函数图象与性质的综合问题
(2020·河南郑州三测)已知函数f(x)=Asin(ωx+φ)(A>0,ω>0,|φ|<)的部分图象如图所示,要使f(a+x)-f(a-x)=0成立,则a的最小正值为( )
A. B. C. D.
【解析】 由函数图象可得,函数的最大值为2,即A=2.因为函数图象过点(0,1),即f(0)=1,所以sin φ=,
又|φ|<,所以φ=.
故f(x)=2sin.
因为函数图象过点,
所以f=0,即2sin=0,
又x=在函数f(x)的增区间内,所以令ω+=2kπ(k∈Z),解得ω=(k∈Z).
由函数图象可得最小正周期T>,即>,
解得ω<.
又ω>0,故k=1,从而ω==2.
所以f(x)=2sin.
由f(a+x)-f(a-x)=0,得f(a+x)=f(a-x),所以该函数图象的对称轴为直线x=a.
令2a+=nπ+(n∈Z),解得a=π+(n∈Z).
要求a的最小正值,只需n=0,得a=,故选B.
【答案】 B
求解该题的难点是ω的确定,需要根据函数的周期与函数的零点所在位置列出条件,x=在函数的增区间内,如果忽视这个隐含条件,就会得到ω+=kπ(k∈Z),从而产生增解,无法得到正确的选项.故根据函数图象确定函数解析式时,要准确定位函数图象的特征性质.
角度二 函数零点(方程根)问题
(2020·湖南株洲二模)若函数f(x)=cos-a恰有三个不同的零点x1,x2,x3,则x1+x2+x3的取值范围是( )
A. B.
C. D.
【解析】 由题意得方程cos=a有三个不同的实数根.
画出函数y=cos的大致图象,如图所示.
由图象得,当≤a<1时,方程cos=a恰好有三个不同的实数根.
令2x-=kπ,k∈Z,解得x=+,k∈Z.
当k=0时,x=.
不妨设x10,|φ|<)的图象向右平移个单位长度后,
可得y=sin的图象.
因为所得函数图象关于y轴对称,所以-+φ=kπ+,k∈Z,解得ω=-6k-3+,k∈Z.
又f=-=sin=-sin φ,即sin φ=,又|φ|<,所以φ=.
所以ω=-6k-2,又ω>0,所以取k=-1,可得ωmin=4,所以函数f(x)的解析式为f(x)=sin.故选C.
2.(2020·新疆乌鲁木齐二检)若关于x的方程(sin x+cos x)2+cos 2x=m在区间上有两个不同的实数根x1,x2,且|x1-x2|≥,则实数m的取值范围是( )
A.[0,2) B.[0,2]
C.[1,+1] D.[1,+1)
解析:选A.关于x的方程(sin x+cos x)2+cos 2x=m可化为sin 2x+cos 2x=m-1,即sin=.易知sin=在区间(0,π]上有两个不同的实数根x1,x2,且|x1-x2|≥.
令2x+=t,即sin t=在区间上有两个不同的实数根t1,t2.
作出y=sin t的图象,如图所示,
由|x1-x2|≥得|t1-t2|≥,
所以-≤<,
故0≤m<2,故选A.
三角函数实际问题中的核心素养
已知某海滨浴场的海浪高度y(米)是时间t(0≤t≤24,单位:小时)的函数,记作y=f(t).下表是某日各时的浪高数据:
t(小时)
0
3
6
9
12
15
18
21
24
y(米)
1.5
1.0
0.5
1.0
1.5
1.0
0.5
0.99
1.5
经长期观测,y=f(t)的曲线可近似地看成是函数y=Acos ωt+b(A>0,ω>0)的图象.根据以上数据,
(1)求函数f(t)的解析式;
(2)求一日(持续24小时)内,该海滨浴场的海浪高度超过1.25米的时间.
【解】 (1)由表格得解得
又因为T=12,所以ω==,
故y=f(t)=cost+1.
(2)由题意,令cost+1>1.25.
即cost>,
又因为t∈[0,24],所以t∈[0,4π],
故0≤t<或0)个单位后得到的图象经过原点,则φ的最小值为( )
A. B.
C. D.
解析:选B.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对应的解析式为y=sin[3(x+φ)+],因为其图象经过原点,所以sin=0,所以3φ+=kπ,k∈Z,解得φ=-,k∈Z,又φ>0,
所以φ的最小值为-=,故选B.
3.(2020·湖南衡阳高中毕业联考(二))将函数f(x)的图象向右平移个单位长度,再将所得函数图象上的所有点的横坐标缩短到原来的,得到函数g(x)=Asin(ωx+φ)的图象.已知函数g(x)的部分图象如图所示,则( )
A.函数f(x)的最小正周期为π,最大值为2
B.函数f(x)的最小正周期为π,图象关于点中心对称
C.函数f(x)的最小正周期为π,图象关于直线x=对称
D.函数f(x)的最小正周期为π,在区间上是减少的
解析:选D.对于g(x),由题图可知,A=2,T=4=,所以ω==3,则g(x)=2sin,又由g=2可得φ=-+2kπ,k∈Z,而|φ|<,所以φ=-.
所以g(x)=2sin,所以f(x)=2sin.
所以f(x)的最小正周期为π,选项A,C错误.
对于选项B,令2x+=kπ(k∈Z),所以x=-,k∈Z,所以函数f(x)图象的对称中心为(k∈Z),所以选项B是错误的;当x∈时,2x+∈,所以f(x)在上是减函数,所以选项D正确.故选D.
4.设ω>0,函数y=sin(ωx+φ)(-π<φ<π)的图象向左平移个单位后,得到如图所示的图象,则ω,φ的值为( )
A.ω=2,φ= B.ω=2,φ=-
C.ω=1,φ=- D.ω=1,φ=
解析:选A.函数y=sin(ωx+φ)(-π<φ<π)的图象向左平移个单位后可得y=sin(ωx++φ).由函数的图象可知,=-(-)=,所以T=π.根据周期公式可得ω=2,所以y=sin(2x+φ+).由图知当y=-1时,x=×(-)=,所以函数的图象过(,-1),
所以sin(+φ)=-1.因为-π<φ<π,所以φ=.
故选A.
5.(2020·河南名校联盟联合调研)将函数g(x)=2sin x+1的图象向左平移个单位,再将所得图象上所有点的横坐标变为原来的(纵坐标不变),得到函数f(x)的图象,若f(x1)=f(x2)=3,且-π≤x20,ω>0,0<φ<π)的部分图象如图所示,已知x1,x2∈(,π),x1≠x2,且f(x1)=f(x2),则f(x1+x2)=________.
解析:由题意可得A=2,T=×=-=π,所以ω=2.
当x=时,f(x)=2,则ωx+φ=2×+φ=2kπ+,k∈Z,
据此可得φ=2kπ+(k∈Z),因为0<φ<π,令k=0可得φ=,则f(x)=2sin(2x+).当x∈(,π)时,<2x+<,所以f(x)在此区间上的对称轴方程为x=.由x1,x2∈(,π),x1≠x2,且f(x1)=f(x2),可得x1+x2=,
则f()=2sin(2×+)=2sin=2×=1.
答案:1
7.函数y=cos(2x+φ)(0<φ<π)的图象向右平移个单位后,与函数y=sin的图象重合,则φ=________.
解析:把函数y=cos (2x+φ)(0<φ<π)的图象向右平移个单位后,得到y=cos (2x-π+φ)的图象,
与函数y=sin的图象重合,则cos (2x-π+φ)=sin,即sin=sin,
所以-+φ=-,则φ=,
答案:
8.(2020·武汉调研)函数f(x)=Acos(ωx+φ)(ω>0)的部分图象如图所示,给出以下结论:
①f(x)的最小正周期为2;
②f(x)图象的一条对称轴为直线x=-;
③f(x)在(2k-,2k+),k∈Z上是减函数;
④f(x)的最大值为A.
则正确的结论为________.(填序号)
解析:由题图可知,函数f(x)的最小正周期T=2×(-)=2,故①正确;因为函数f(x)的图象过点(,0)和(,0),所以函数f(x)图象的对称轴为直线x=(+)+=+k(k∈Z),故直线x=-不是函数f(x)图象的对称轴,故②不正确;由图可知,当-+kT≤x≤++kT(k∈Z),即2k-≤x≤2k+(k∈Z)时,f(x)是减函数,故③正确;若A>0,则最大值是A,若A<0,则最大值是-A,故④不正确.
答案:①③
9.已知函数y=Asin(ωx+φ)(A>0,ω>0,|φ|<)的图象过点P(,0),图象上与点P最近的一个最高点是Q(,5).
(1)求函数的解析式;
(2)求函数f(x)的增区间.
解:(1)依题意得A=5,
周期T=4(-)=π,
所以ω==2.
故y=5sin(2x+φ),
又图象过点P(,0),
所以5sin(+φ)=0,
由已知可得+φ=kπ,k∈Z,
因为|φ|<,所以φ=-,
所以y=5sin(2x-).
(2)由-+2kπ≤2x-≤+2kπ,k∈Z,得-+kπ≤x≤+kπ,k∈Z,
故函数f(x)的增区间为[kπ-,kπ+](k∈Z).
10.(2020·济南模拟)已知函数f(x)=sin ωxcos ωx+cos2ωx+b+1.
(1)若函数f(x)的图象关于直线x=对称,且ω∈[0,3],求函数f(x)的增区间;
(2)在(1)的条件下,当x∈[0,]时,函数f(x)有且只有一个零点,求实数b的取值范围.
解:(1)函数f(x)=sin ωxcos ωx+cos2ωx+b+1
=sin 2ωx++b+1=sin(2ωx+)++b.
因为函数f(x)的图象关于直线x=对称,所以2ω·+=kπ+,k∈Z,且ω∈[0,3],所以ω=1.
由2kπ-≤2x+≤2kπ+(k∈Z),解得kπ-≤x≤kπ+(k∈Z),所以函数f(x)的增区间为[kπ-,kπ+](k∈Z).
(2)由(1)知f(x)=sin(2x+)++b.
因为x∈[0,],所以2x+∈[,].
当2x+∈[,],即x∈[0,]时,函数f(x)是增加的;当2x+∈[,],即x∈[,]时,函数f(x)是减少的.
又f(0)=f(),所以当f()>0≥f()或f()=0时,函数f(x)有且只有一个零点,即sin≤-b-0)的部分图象如图所示,其中M(m,0),N(n,2),P(π,0),且mn<0,则f(x)在下列区间中具有单调性的是( )
A. B.
C. D.
解析:选B.因为mn<0,所以m、n异号,根据题意可得m<0,n>0,又P(π,0),所以T>π且<π,即π0)的图象向左平移个单位得到函数g(x)的图象,若函数g(x)的图象关于直线x=ω对称且在区间内是增加的,则ω的值为( )
A. B.
C. D.
解析:选A.由题意得g(x)=sin=sin,因为函数g(x)的图象关于直线x=ω对称且在区间(-ω,ω)内是增加的,所以ω2+=+kπ,k∈Z,-+2mπ≤-ω2+,m∈Z,ω2+≤+2mπ,m∈Z,因此k≥0,kπ≤-2mπ,kπ≤2mπ,k,m∈Z,从而0≤-2mπ,0≤2mπ,m∈Z,即0≤m≤,m∈Z,所以m=0,k=0,ω=,选A.
3.如图,将绘有函数f(x)=sin(ωx+)(ω>0)部分图象的纸片沿x轴折成直二面角,若A,B之间的空间距离为,则f(-1)=________.
解析:由题设并结合图形可知,
AB==
==,得=4,则ω=,
所以f(-1)=sin(-+)=sin =.
答案:
4.若在区间(n,m)上,函数f(x)=2cos 2x的图象总在函数g(x)=-7-4sin x的图象的上方,则m-n的最大值为________.
解析:根据题意,函数f(x)=2cos 2x的图象总在函数g(x)=-7-4sin x的图象的上方可以转化为2cos 2x>-7-4sin x恒成立,即2cos 2x+7+4sin x>0.根据二倍角公式化简为4sin2x-4sin x-9<0⇒-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)是增加的,
当2x+∈[,],即x∈[,]时,g(x)是增加的.
综上,g(x)在区间[-,]上的增区间是
[-,-]和[,].