高考数学(理数)一轮复习学案4.4《三角函数图象的变换及三角函数模型的应用》(含详解)
展开4.4 三角函数图象的变换及三角函数模型的应用
1.用五点法画y=Asin(ωx+φ)在一个周期内的简图
用五点法画y=Asin(ωx+φ)在一个周期内的简图时,要找五个特征点,如下表所示.
x
ωx+φ
y=Asin(ωx+φ)
0
A
0
-A
0
2.图象变换(ω>0)
路径①:先向左(φ>0)或向右(φ<0)平移________个单位长度,得到函数y=sin(x+φ)的图象;然后使曲线上各点的横坐标变为原来的________倍(纵坐标不变),得到函数y=sin(ωx+φ)的图象;最后把曲线上各点的纵坐标变为原来的________倍(横坐标不变),这时的曲线就是y=Asin(ωx+φ)的图象.
路径②:先将曲线上各点的横坐标变为原来的________倍(纵坐标不变),得到函数y=sinωx的图象;然后把曲线向左(φ>0)或向右(φ<0)平移________个单位长度,得到函数y=sin(ωx+φ)的图象;最后把曲线上各点的纵坐标变为原来的________倍(横坐标不变),这时的曲线就是y=Asin(ωx+φ)的图象.
3.函数y=Asin(ωx+φ)(A>0,ω>0)的物理意义
简谐运动的图象所对应的函数解析式y=Asin(ωx+φ),x∈[0,+∞),其中A>0,ω>0.在物理中,描述简谐运动的物理量,如振幅、周期和频率等都与这个解析式中的常数有关:A就是这个简谐运动的振幅,它是做简谐运动的物体离开平衡位置的最大距离;这个简谐运动的周期是T=________,这是做简谐运动的物体往复运动一次所需要的时间;这个简谐运动的频率由公式f==________给出,它是做简谐运动的物体在单位时间内往复运动的次数;ωx+φ称为相位;x=________时的相位φ称为初相.
4.如果某种变化着的现象具有周期性,那么它就可以借助________来描述.
5.三角函数作为描述现实世界中________现象的一种数学模型,可以用来研究很多问题,在刻画周期变化规律、预测其未来等方面都发挥着十分重要的作用.具体的,我们可以利用搜集到的数据,作出相应的“散点图”,通过观察散点图并进行________而获得具体的函数模型,最后利用这个函数模型来解决相应的实际问题.
6.y=|sinx|是以________为周期的波浪形曲线.
7.太阳高度角θ、楼高h0与此时楼房在地面的投影长h之间有如下关系:________.
自查自纠:
1.
x
-
ωx+φ
0
π
π
2π
y=Asin(ωx+φ)
0
A
0
-A
0
2. A A 3. 0
4.三角函数 5.周期 函数拟合 6.π
7.h0=htanθ
()为了得到函数y=sin的图象,只需把函数y=sinx的图象上所有的点 ( )
A.向左平行移动个单位长度
B.向右平行移动个单位长度
C.向上平行移动个单位长度
D.向下平行移动个单位长度
解:把函数y=sinx的图象上所有的点向左平行移动个单位长度就得到函数y=sin的图象.故选A.
()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:函数y=2sin的周期为π,将函数 y=2sin的图象向右平移个周期即个单位,所得函数为y=2sin=2sin.故选D.
如图,某港口一天6时到18时的水深变化曲线近似满足函数y=3sin+k.据此函数可知,这段时间水深(单位:m)的最大值为 ( )
A.5 B.6 C.8 D.10
解:由图知-3+k=2,k=5,y=3sin+5,ymax=3+5=8.故选C.
()将函数 y=3sin 的图象向右平移φ个单位后,所得函数为偶函数,则φ=________.
解:因为y=3sin的图象向右平移φ(0<φ<)个单位后,所得函数为y=3sin,即y=3sin是偶函数,则2×0+-2φ=kπ+,φ=-π-,k∈Z,又因为0<φ<,所以k=-1,φ=.故填.
()将函数 f(x)=cos·+(ω>0)的图象向左平移个单位,得到函数y=g(x)的图象,若y=g(x)在上为增函数,则ω的最大值为________.
解:函数f(x)=cos+
=sinωx-2·+
=sinωx-cosωx=2sin,
f(x)的图象向左平移个单位,
得y=2sin的图象,
所以函数y=g(x)=2sinωx.
又y=g(x)在上为增函数,所以≥,即≥,解得ω≤2,所以ω的最大值为2.故填2.
类型一 五点法作图与求解析式
(1)作出函数y=2sin的图象.
解:周期T==4π,振幅A=2.
按五个关键点列表:
+
0
π
2π
x
-
y
0
2
0
-2
0
描点作图:
点 拨:
用“五点法”作y=Asin(ωx+φ)的简图,主要是通过变量代换,设X=ωx+φ,由X=0,,π,π,2π来求出相应的x值,通过列表,计算得出五点坐标,描点后得出图象.
(2)()函数y=Asin(ωx+φ)的部分图象如图所示,则 ( )
A.y=2sin B.y=2sin
C.y=2sin D.y=2sin
解:由图可知,T=2=π,所以ω=2,由五点作图法结合各选项可知2×+φ=,所以 φ=-,所以函数的解析式为y=2sin.故选A.
点 拨:
已知f(x)=Asin(ωx+φ)(A>0,ω>0)的部分图象求其解析式,常用如下两种方法:①升降零点法,由ω=,即可求出ω;求φ时,若能求出离原点最近的右侧图象上升(或下降)的“零点”横坐标x0,则令ωx0+φ=0(或ωx0+φ=π),即可求出φ;②代入最值法,将最值点(最高点、最低点)坐标代入解析式,再结合图形解出ω和φ.
(1)()已知函数 f(x)=sinωx+cosωx(ω>0)的最小正周期为π.
(Ⅰ)求ω的值,并在上面提供的直角坐标系中画出函数y=f(x)在区间[0,π]上的图象;
(Ⅱ)函数y=f(x)的图象可由函数y=sinx的图象经过怎样的变换得到?
解:(Ⅰ)函数可化为f(x)=sin,
因为T=π,所以=π,即ω=2,
所以f(x)=sin.
列表如下:
x
0
π
y
1
0
-1
0
画出图象如图所示:
(Ⅱ)将函数y=sinx(x∈R)图象上的所有点向左平移个单位长度,得到函数y=sin(x∈R)的图象,再将所得图象上的所有点的横坐标缩短到原来的(纵坐标不变),可得函数f(x)=sin(x∈R)的图象.
(2)()已知函数f(x)=Asin(ωx+φ)(A>0,ω>0,|φ|<)的图象如图所示,则f(x)的递增区间为 ( )
A.,k∈Z
B.,k∈Z
C.,k∈Z
D.,k∈Z
解法一:由图象可知A=2,T=-=,
所以T=π,故ω=2.
由f=-2,得φ=2kπ-(k∈Z).
因为|φ|<,所以φ=-.所以f(x)=2sin.
由2x-∈(k∈Z),
得x∈(k∈Z).
解法二:T=-=,
所以T=π,-=-=-,
+=+=,
所以f(x)的递增区间是(k∈Z).故选B.
类型二 三角函数的图象变换
说明由函数y=sinx的图象经过怎样的变换就能得到下列函数的图象.
(1)y=sin; (2)y=sin;
(3)y=; (4)y=sin.
解:(1)将y=sinx的图象向左平移个单位长度,得到y=sin的图象.
(2)方法一:将y=sinx的图象向右平移π个单位长度,得到y=sin的图象,再把y=sin图象上所有点的横坐标缩短到原来的(纵坐标不变),就得到y=sin的图象.
方法二:先把y=sinx的图象上所有点的横坐标缩短到原来的(纵坐标不变),得到y=sin2x的图象,再将y=sin2x的图象向右平移个单位长度,就得到y=sin的图象.
(3)将y=sinx的图象的x轴下方部分翻折到x轴上方,去掉x轴下方图象,即可得到y=的图象.
(4)先去掉y轴左边的y=sinx的图象,再将y轴右边的图象翻折到y轴左边,保留y轴右边的图象,即可得到y=sin的图象.
点 拨:
①本题主要考查图象的平移、伸缩、对称变换.三角函数的图象变换,有两种选择:一是先伸缩再平移,二是先平移再伸缩.特别注意平移变换时,当自变量x的系数不为1时,要将系数先提出.对称变换要注意翻折的方向.②三角函数名不同的图象变换问题,应先将三角函数名统一,再进行变换.
()将函数y=sin的图象向右平移个单位长度,所得图象对应的函数
( )
A.在区间上单调递增
B.在区间上单调递减
C.在区间上单调递增
D.在区间上单调递增
解:将y=sin的图象向右平移个单位长度之后的解析式为:y=sin=sin2x,令2kπ-≤2x≤2kπ+(k∈Z),即kπ-≤x≤kπ+(k∈Z),再令k=0可得函数的一个单调递增区间为,选项A正确,B错误;令2kπ+≤2x≤2kπ+(k∈Z),即kπ+≤x≤kπ+(k∈Z),再令 k=0可得函数的一个单调递减区间为,选项C,D错误.故选A.
类型三 函数y=Asin(ωx+φ)+k的图象及其变换
()设函数f(x)=sin+sin,其中0<ω<3.已知f=0.
(1)求ω;
(2)将函数y=f(x)的图象上各点的横坐标伸长到原来的2倍(纵坐标不变),再将得到的图象向左平移个单位,得到函数y=g(x)的图象,求g(x)在上的最小值.
解:(1)因为f(x)=sin+sin,
所以f(x)=sinωx-cosωx-cosωx
=sinωx-cosωx
=·
=sin.
由题设知f=0,所以-=kπ,k∈Z.
故ω=6k+2,k∈Z,又0<ω<3,所以ω=2.
(2)由(1)得f(x)=sin,
所以g(x)=sin=sin.
因为x∈,所以x-∈,
当x-=-,
即x=-时,g(x)取得最小值-.
点 拨:
题(1)用辅助角法,将较复杂的三角式转化成 y=Asin(ωx+φ)的形式.题(2)问要看清由谁平移到谁,若自变量的系数不为1时,要将系数先提出来,再平移.
()设f(x)=2sin(π-x)sinx-(sinx-cosx)2.
(1)求f(x)的单调递增区间;
(2)把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),再把得到的图象向左平移个单位,得到函数y=g(x)的图象,求g的值.
解:(1)由f(x)=2sin(π-x)sinx-(sinx-cosx)2
=2sin2x-(1-2sinxcosx)=(1-cos2x)+sin2x-1
=sin2x-cos2x+-1=2sin+-1,
由2kπ-≤2x-≤2kπ+(k∈Z),
得kπ-≤x≤kπ+(k∈Z),
所以f(x)的单调递增区间是(k∈Z).
(2)由(1)知f(x)=2sin+-1,
把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),
得到y=2sin+-1的图象,
再把得到的图象向左平移个单位,得到y=2sinx+-1的图象,
即g(x)=2sinx+-1.
所以g=2sin+-1=.
类型四 三角函数模型的应用
如图,某大风车的半径为2 m,每12 s旋转一周,它的最低点O离地面0.5 m.风车圆周上一点A从最低点O开始,运动t(s)后与地面的距离为h(m).
(1)求函数h=f(t)的关系式;
(2)画出函数h=f(t)的图象.
解:(1)如图,以O为原点,过点O的圆O1的切线为x轴,建立直角坐标系,设点A的坐标为(x,y),则h=y+0.5.
设∠OO1A=θ,则cosθ=,
y=-2cosθ+2.
又θ=·t=,
所以y=-2cos+2,h=f(t)=-2cos+2.5.
(2)列表:
t
0
3
6
9
12
h
0.5
2.5
4.5
2.5
0.5
描点连线,即得函数h=-2cost+2.5的图象如图所示:
点 拨:
本题主要考查建模能力,考查三角函数的图象和性质,以及由数到形的转化思想和作图技能,建立适当的直角坐标系,将现实问题转化为数学问题,是解题的关键.
已知某海滨浴场海浪的高度y(m)是时间t(0≤t≤24,单位:h)的函数,记作:y=f(t),下表是某日各时的浪高数据:
t(h)
0
3
6
9
12
15
18
21
24
y(m)
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=Acosωt+b.
(1)根据以上数据,求函数y=Acosωt+b的最小正周期T,振幅A及函数表达式;
(2)依据规定,当海浪高度高于1.25 m时才对冲浪爱好者开放,请依据(1)的结论,判断一天内有多少时间可供冲浪者进行运动.
解:(1)由题意知T=12,所以ω===.
由t=0,y=1.5得A+b=1.5;由t=3,y=1.0得b=1.0,
所以A=0.5,b=1,即y=cost+1,t∈[0,24].
(2)由题意知,当y>1.25时才可对冲浪者开放,
所以cost+1>1.25,cost>.
所以2kπ-
得0≤t<2或10
1.五点法作函数图象及函数图象变换问题
(1)当明确了函数图象基本特征后,“描点法”是作函数图象的快捷方式.“五点法”作图的优点是用简单的计算、列表、描点替代图形变换,不易出错,且图形简洁.
(2)在进行三角函数图象变换时,提倡“先平移,后伸缩”,而“先伸缩,后平移”也经常出现在题目中,所以也必须熟练掌握,但要注意先伸缩后平移时要把x前面的系数提取出来.
2.根据y=Asin(ωx+φ),x∈R的图象求解析式的步骤
(1)首先确定振幅和周期,从而得到A与ω.
(Ⅰ)A为离开平衡位置的最大距离,即最大值与最小值的差的一半.
(Ⅱ)ω由周期得到:①函数图象在其对称轴处取得最大值或最小值,且相邻的两条对称轴之间的距离为函数的半个周期;②函数图象与x轴的交点是其对称中心,相邻两个对称中心间的距离也是函数的半个周期;③一条对称轴与其相邻的一个对称中心间的距离为函数的个周期(借助图象很好理解记忆).
(2)求φ的值时最好选用最值点求.其中,峰点:ωx+φ=+2kπ;谷点:ωx+φ=-+2kπ.也可用零点求,但要区分该零点是升零点,还是降零点.升零点(图象上升时与x轴的交点):ωx+φ=2kπ;降零点(图象下降时与x轴的交点):ωx+φ=π+2kπ(以上k∈Z).
3.辅助角公式asinα+bcosα=sin(α+φ)(φ由tanα=确定)的应用是高考的热点,应予以重视.
4.三角函数模型的三种模式
在现实生活中,许多变化的现象都具有周期性,因此,可以用三角函数模型来描述.如:气象方面有温度的变化,天文学方面有白昼时间的变化,物理学方面有各种各样的振动波,生理方面有人的情绪、智力、体力变化等.研究这些应用问题,主要有以下三种模式.
(1)给定呈周期变化规律的三角函数模型,根据所给模型,结合三角函数的性质,解决一些实际问题.
(2)给定呈周期变化的图象,利用待定系数法求出函数,再解决其他问题.
(3)搜集一个实际问题的调查数据,根据数据作出散点图,通过拟合函数图象,求出可以近似表示变化规律的函数式,进一步用函数性质来解决相应的实际问题.
1.为了得到函数y=sin(2x+1)的图象,只需把函数y=sin2x的图象上所有的点 ( )
A.向左平行移动个单位长度
B.向右平行移动个单位长度
C.向左平行移动1个单位长度
D.向右平行移动1个单位长度
解:因为y=sin(2x+1)=sin,所以只需把函数y=sin2x的图象上所有的点向左平移个单位长度即可.故选A.
2.()将函数y=3sin的图象向右平移个单位,所得图象对应的函数 ( )
A.在区间上单调递增
B.在区间上单调递减
C.在区间上单调递增
D.在区间上单调递减
解:将函数y=3sin的图象向右平移个单位,所得函数变为y=3sin,令2kπ-≤2x-≤2kπ+(k∈Z),解得kπ+≤x≤kπ+(k∈Z),令k=0,则≤x≤.故函数在区间上单调递增.故选A.
3.()将函数 f(x)=sin2x-的图象向右平移个单位长度后,再将图象上各点的纵坐标伸长到原来的2倍,得到函数 y=g(x)的图象,则g= ( )
A.- B. C.- D.
解:函数f(x)=(2sin2x-1)=-cos2x,则f=-cos,g(x)=2f= -cos,所以g=-cos=-cos=.故选B.
4.()如图所示的是函数y=sin(ωx+φ)在区间[-,]上的图象,将该函数图象上各点的横坐标缩小到原来的一半(纵坐标不变),再向右平移m(m>0)个单位长度后,所得到的图象关于直线x=对称,则m的最小值为 ( )
A. B. C. D.
解:由图可知,函数的最小正周期是π,所以 ω=2,则函数y=sin(2x+φ).由sin=0及0<φ<,得φ=,则函数为y=sin,将该函数图象各点的横坐标缩小到原来的一半(纵坐标不变),再向右平移m(m>0)个单位长度后,y=sin.因为该函数图象关于直线x=对称,所以4+=+kπ,解得m=-,k∈Z,因为m>0,所以当k=1时,m有最小值为.故选C.
5.如图为一半径是3 m的水轮,水轮圆心O距离水面2 m,已知水轮自点Q开始1 min旋转4圈,水轮上的点P到水面距离y(m)与时间x(s)满足函数关系y=Asin(ωx+φ)+2(A>0),则有 ( )
A.ω=,A=3 B.ω=,A=3
C.ω=,A=5 D.ω=,A=5
解:因为水轮上最高点距离水面r+2=5 m,即A+2=5,所以A=3.又因为水轮每秒钟旋转= rad,所以角速度ω=.故选A .
6. ()将函数y=sin图象上的点P 向左平移s(s>0)个单位长度得到点P′.若P′位于函数y=sin2x的图象上,则 ( )
A.t=,s的最小值为
B.t=,s的最小值为
C.t=,s的最小值为
D.t=,s的最小值为
解:因为点P在函数y=sin的图象上,所以t=sin=sin=.又P′在函数y=sin2x的图象上,所以=sin2,则2=2kπ+或2=2kπ+π,k∈Z,得 s=-kπ+或s=-kπ-,k∈Z,又s>0,故s的最小值为.故选A.
7.()函数y=sinx-cosx的图象可由函数y=sinx+cosx的图象至少向右平移________个单位长度得到.
解:因为y=sinx+cosx=2sin,y=sinx-cosx=2sin=2sin,所以函数y=sinx-cosx的图象可由函数y=sinx+cosx的图象至少向右平移个单位长度得到.故填.
8.把函数y=sin2x的图象沿x轴向左平移个单位,纵坐标伸长到原来的2倍(横坐标不变)后得到函数y=f(x)的图象,对于函数y=f(x)有以下四个判断:
①该函数的解析式为y=2sin;
②该函数图象关于点对称;
③该函数在上是增函数;
④若函数y=f(x)+a在上的最小值为,则a=2.
其中正确判断的序号是________.
解:将函数y=sin2x的图象向左平移得到y=sin2=sin的图象,然后纵坐标伸长到原来的2倍得到y=2sin的图象,①不正确;y=f=2sin=2sinπ=0,函数图象关于点对称,②正确;由-+2kπ≤2x+≤+2kπ,k∈Z,得-+kπ≤x≤+kπ,k∈Z,即函数的单调增区间为[-+kπ,+kπ],k∈Z,当k=0时,增区间为,③不正确;y=f(x)+a=2sin+a,当0≤x≤时,≤2x+≤,当2x+=,即x=时,函数取得最小值,有ymin=2sin+a=-+a=,得a=2,④正确.故填②④.
9.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.
(1)求这一天6~14时的最大温差;
(2)写出这段曲线的函数解析式.
解:(1)由图可知:这段时间的最大温差为30-10=20(°C).
(2)从图可以看出:从6~14时的图象是y=Asin(ωx+φ)+b的半个周期的图象,
所以=14-6=8,所以T=16.
因为T=,所以ω=.
又因为A==10,b==20,
所以y=10sin+20,
将点(6,10)代入得sin=-1,
所以+φ=2kπ+,k∈Z,
所以φ=2kπ+,k∈Z,取φ=,
所以y=10sin+20,6≤x≤14.
10.()已知函数 f(x)=sin+cos+2sinxcosx.
(1)求函数 f(x) 图象的对称轴方程;
(2)将函数 y=f(x) 的图象向右平移个单位,再将所得图象上各点的横坐标伸长为原来的4倍,纵坐标不变,得到函数 y=g(x) 的图象,求 y=g(x) 在上的值域.
解:(1)f(x)=sin+cos+2sinxcosx
=sin2x+cos2x+cos2x-sin2x+sin2x
=cos2x+sin2x=2sin,
令2x+=kπ+,得x=+,k∈Z,
所以函数 f(x) 图象的对称轴方程为x=+,k∈Z.
(2)将函数 y=f(x) 的图象向右平移个单位,可得函数解析式为y=2sin=2sin,
再将所得图象上各点的横坐标伸长为原来的 4 倍,纵坐标不变,得到函数解析式为y=g(x)=2sin,
因为x∈, 所以+∈,
可得sin∈,
所以g(x)=2sin∈[-1,2].
所以y=g(x)在上的值域为[-1,2].
11.()已知函数f(x)=sin2ωx+cos4ωx-sin4ωx+1(其中0<ω<1),若点是函数f(x)图象的一个对称中心.
(1)求f(x)的解析式,并求距y轴最近的一条对称轴的方程;
(2)先列表,再作出函数f(x)在区间[-π,π]上的图象.
解:(1)f(x)=sin2ωx+(cos2ωx-sin2ωx) (cos2ωx+sin2ωx)+1
=sin2ωx+cos2ωx+1
=2sin+1.
因为点是函数f(x)图象的一个对称中心,
所以-+=kπ,k∈Z,所以ω=-3k+, k∈Z.
因为0<ω<1,所以k=0,ω=,
所以f(x)=2sin+1.
由x+=kπ+,k∈Z,得x=kπ+,k∈Z.
令k=0,得距y轴最近的一条对称轴方程为x=.
(2)由(1)知,f(x)=2sin+1,当x∈[-π,π]时,列表如下:
x+
-
-
0
π
x
-π
-
-
π
f(x)
0
-1
1
3
1
0
则函数f(x)在区间[-π,π]上的图象如图所示.
()已知向量a=(2cosx,sinx),b=(cosx,2cosx),函数f(x)=a·b+m,m∈R,且当x∈ 时,f(x)的最小值为2.
(1)求f(x)的单调递增区间;
(2)先将函数y=f(x)的图象上点的纵坐标不变,横坐标缩短到原来的,再把所得的图象向右平移个单位,得到函数y=g(x)的图象,求方程g(x)=4在区间 上的所有根之和.
解:(1)f(x)=2cos2x+2sinxcosx+m
=cos2x+sin2x+m+1
=2sin+m+1.
因为x∈,所以2x+∈,当2x+=π,即x=时,f(x)min=2×+m+1=2,解得m=2,所以f(x)=2sin+3,令2kπ-≤2x+≤2kπ+得f(x)的增区间为 (k∈Z).
(2)将函数y=f(x)的图象上点的纵坐标不变,横坐标缩短到原来的,得到f(x)=2sin+3,再把所得的图象向右平移个单位,得到函数y=g(x)的图象,
所以g(x)=2sin+3=2sin+3,又g(x)=4,得sin=,解得4x-=2kπ+或4x-=2kπ+,k∈Z.
即x=+或x=+(k∈Z),因为x∈,所以x=或,故所有根之和为+=.
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