高考数学一轮复习 专题5.5 函数y=Asin(ωx+φ)的图象及其应用(讲)
展开高考数学一轮复习策略
1、揣摩例题。
课本上和老师讲解的例题,一般都具有一定的典型性和代表性。要认真研究,深刻理解,要透过“样板”,学会通过逻辑思维,灵活运用所学知识去分析问题和解决问题,特别是要学习分析问题的思路、解决问题的方法,并能总结出解题的规律。
2、精练习题
复习时不要搞“题海战术”,应在老师的指导下,选一些源于课本的变式题,或体现基本概念、基本方法的基本题,通过解题来提高思维能力和解题技巧,加深对所学知识的深入理解。在解题时,要独立思考,一题多思,一题多解,反复玩味,悟出道理。
3、加强审题的规范性
每每大考过后,总有同学抱怨没考好,纠其原因是考试时没有注意审题。审题决定了成功与否,不解决这个问题势必影响到高考的成败。那么怎么审题呢? 应找出题目中的已知条件 ;善于挖掘题目中的隐含条件 ;认真分析条件与目标的联系,确定解题思路 。
4、重视错题
“错误是最好的老师”,但更重要的是寻找错因,及时进行总结,三五个字,一两句话都行,言简意赅,切中要害,以利于吸取教训,力求相同的错误不犯第二次。
专题5.5 函数y=Asin(ωx+φ)的图象及其应用
新课程考试要求 | 了解函数 y=A sin (ωx+φ) 的物理意义,掌握 y=A sin (ωx+φ) 的图象,了解参数 A,ω,φ 对函数图象变化的影响. |
核心素养 | 本节涉及所有的数学核心素养:逻辑推理(多例)、直观想象(多例)、数学运算(多例)、数据分析(例6)等. |
高考预测 | (1) “五点法”作图; (2)函数图象的变换; (3)三角函数模型的应用问题. (4)对于三角恒等变换,高考命题主要以公式的基本运用(正用、逆用、变用)、计算为主,其中多与角的范围、三角函数的性质、三角形等知识结合考查. |
【知识清单】
知识点1.求三角函数解析式
(1)的有关概念
, 表示一个振动量时 | 振幅 | 周期 | 频率 | 相位 | 初相 |
(2)用五点法画一个周期内的简图
用五点法画一个周期内的简图时,要找五个关键点,如下表所示:
- |
知识点2.三角函数图象的变换
1.函数图象的变换(平移变换和上下变换)
平移变换:左加右减,上加下减
把函数向左平移个单位,得到函数的图象;
把函数向右平移个单位,得到函数的图象;+网】
把函数向上平移个单位,得到函数的图象;
把函数向下平移个单位,得到函数的图象.
伸缩变换:
把函数图象的纵坐标不变,横坐标伸长到原来的,得到函数的图象;
把函数图象的纵坐标不变,横坐标缩短到原来的,得到函数的图象;
把函数图象的横坐标不变,纵坐标伸长到原来的,得到函数的图象;
把函数图象的横坐标不变,纵坐标缩短到原来的,得到函数的图象.
2. 由的图象变换出的图象一般有两个途径,只有区别开这两个途径,才能灵活进行图象变换,利用图象的变换作图象时,提倡先平移后伸缩,但先伸缩后平移也经常出现无论哪种变形,请切记每一个变换总是对字母而言,即图象变换要看“变量”起多大变化,而不是“角变化”多少.
途径一:先平移变换再周期变换(伸缩变换)先将的图象向左或向右平移个单位,再将图象上各点的横坐标变为原来的倍(),便得的图象.
途径二:先周期变换(伸缩变换)再平移变换:先将的图象上各点的横坐标变为原来的倍(),再沿轴向左()或向右()平移个单位,便得的图象.
注意:函数的图象,可以看作把曲线上所有点向左(当时)或向右(当时)平行移动个单位长度而得到.
知识点3.函数的图象与性质的综合应用
(1)的递增区间是,递减区间是.
(2)对于和来说,对称中心与零点相联系,对称轴与最值点联系.
的图象有无穷多条对称轴,可由方程解出;它还有无穷多个对称中心,它们是图象与轴的交点,可由,解得,即其对称中心为.
(3)若为偶函数,则有;若为奇函数则有.
(4)的最小正周期都是.
【考点分类剖析】
考点一 求三角函数解析式
【典例1】【多选题】(2020·海南省高考真题)下图是函数y= sin(ωx+φ)的部分图像,则sin(ωx+φ)= ( )
A. B. C. D.
【答案】BC
【解析】
由函数图像可知:,则,所以不选A,
当时,,
解得:,
即函数的解析式为:
.
而
故选:BC.
【典例2】(2020·山东五莲�高三月考)函数的部分图象如图所示,则__________;将函数的图象沿x轴向右平移个单位后,得到一个偶函数的图象,则__________.
【答案】
【解析】
根据函数的图象可得,所以,所以,所以,
又因为,所以,所以,,
所以,,
因为,所以.
所以,
将的图象沿x轴向右移个长度单位得函数的图象,
因为函数是偶函数,所以,,
所以,,
因为,所以,.
故答案为:;.
【规律方法】
1.由的图象求其函数式:在观察图象的基础上可按以下规律来确定A,ω,φ.
(1)A:一般可由图象上的最大值、最小值来确定.
(2)ω:因为T=,故往往通过求周期T来确定ω.可通过已知曲线与x轴的交点来确定T,即相邻的最高点与最低点之间的距离为;相邻的两个最高点(或最低点)之间的距离为T.
(3)φ:从“五点法”中的第一个点(-,0)(也叫初始点)作为突破口,要从图象的升降情况找准第一个点的位置.
依据五点列表法原理,点的序号与式子的关系如下:
“第一点”(即图象上升时与x轴的交点)为ωx+φ=0;
“第二点”(即图象曲线的“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”(即图象曲线的“谷点”)为ωx+φ=;
“第五点”(即图象第二次上升时与x轴的交点)为ωx+φ=2π.
在用以上方法确定φ的值时,还要注意题目中给出的φ的范围,不在要求范围内的要通过周期性转化到要求范围内.
(4)A,ω,φ三个量中初相φ的确定是一个难点,除使用初始点(-,0)外,还可在五点中找两个特殊点列方程组来求解φ.
2.利用图象变换求解析式:
由的图象向左或向右平移个单位,得到函数,将图象上各点的横坐标变为原来的倍(),便得,将图象上各点的纵坐标变为原来的倍(),便得.
【变式探究】
1. (2020·湖南娄星�娄底一中高一期末)将函数的图象向左平移个单位长度后得到曲线,再将上所有点的横坐标伸长到原来的2倍得到曲线,则的解析式为( )
A. B.
C. D.
【答案】A
【解析】
将函数的图像向左平移个单位长度后得到曲线,则的解析式为,再将上所有点的横坐标伸长到原来的2倍得到曲线,则的解析式为
故选:A
2.(2020·江苏南通�高三其他)已知函数的最小正周期是,若将该函数的图象向右平移个单位长度后得到的图象关于原点对称,则函数的解析式________.
【答案】
【解析】
因为函数的最小正周期是,
所以
函数的图象向右平移个单位长度后得到,
因为关于原点对称,
所以
因此
故答案为:
【总结提升】
根据函数的图象确定函数中的参数的主要方法:
(1)主要是根据图象的最高点或最低点的纵坐标确定;
(2)主要由最小正周期确定,而的值主要是根据一个周期内图象的零点与最值点的横坐标确定;
(3)主要是由图象的特殊点的坐标确定.
考点二 三角函数图象的变换
【典例3】(2021·黑龙江佳木斯市·佳木斯一中高三三模(理))将函数f(x)的图象向左平移个单位长度,再将所得函数图象上的所有点的横坐标变为原来的倍,得到函数g(x)=Asin(ωx+φ)(A>0,ω>0,|φ|<π)的图象.已知函数g(x)的部分图象如图所示,则下列关于函数f(x)的说法正确的是( )
A.f(x)的最小正周期为
B.f(x)在区间上单调递减
C.f(x)的图象关于直线x=对称
D.f(x)的图象关于点成中心对称
【答案】D
【解析】
根据函数图象求出解析式,再根据平移伸缩变换求出的解析式,然后根据的解析式逐项判断即可.
【详解】
根据g(x)的部分图象,可得A=2,,∴ω=2.
结合五点法作图,可得2×(﹣)+φ=,∴φ=,
故g(x)=2sin(2x+).
由题意,把g(x)的图象上的所有点的横坐标变为原来的倍,再向右平移个单位,
可得f(x)=2sin(3x+﹣π)=2sin(3x﹣)的图象,
故f(x)的最小正周期为,故A错误;
在区间上,3x﹣∈[0,],f(x)没有单调性,故B错误;
令x=,求得f(x)=0,不是最值,f(x)的图象不关于直线x=对称,故C错误;
令x=,求得f(x)=0,故f(x)的图象关于(,0)对称,故D正确,
故选:D.
【典例4】【多选题】(2021·辽宁实验中学高三其他模拟)为得到函数的图象,只需将的图象( )
A.先将横坐标扩大到原来的2倍(纵坐标不变),再向右平移个单位长度
B.先将横坐标扩大到原来的2倍(纵坐标不变),再向右平移个单位长度
C.先向右平移个单位长度,再将横坐标扩大到原来的2倍(纵坐标不变)
D.先向右平移个单位长度,再将横坐标扩大到原来的2倍(纵坐标不变)
【答案】BC
【解析】
利用先伸缩再平移或是先平移再伸缩两种变换方法,判断选项.
【详解】
如果是先伸缩再平移,那么需先将横坐标扩大到原来的2倍(纵坐标不变),得到,再向右平移个单位长度,即得
如果是先平移再伸缩,需先将向右的单位长度,得到,再将横坐标扩大到原来的2倍(纵坐标不变),即得.
故选:BC
【规律方法】
函数的图象变换除了平移变换外,还有对称变换.如本例.一般地,函数f(x)的图象与f(-x)的图象关于y轴对称;-f(x)的图象与f(x)的图象关于x轴对称;-f(-x)的图象与f(x)的图象关于原点对称;f(|x|)的图象关于y轴对称.
【变式探究】
1.(2020·浙江高一单元测试)如图是函数在区间上的图象.为了得到这个函数的图象,只要将的图象上所有的点( ).
A.向左平移个单位长度,再把所得各点的横坐标缩短到原来的,纵坐标不变
B.向左平移个单位长度,再把所得各点的横坐标仲长到原来的,纵坐标不变
C.把所得各点的横坐标缩短到原来的,纵坐标不变,再向左平移个单位长度
D.向左平移个单位长度,再把所得各点的横坐标伸长到原来的2倍,纵坐标不变
【答案】AC
【解析】
由图象知,A=1,T=π,所以=2,y=sin(2x+),将(,0)代入得:sin()=0,所以=kπ,,取=,得y=sin(2x+),
向左平移,得.然后各点的横坐标缩短到原来的,得.故A正确.
各点的横坐标缩短到原来的,得.然后向左平移个单位,得.故C正确.
故选:AC
2.【多选题】(2021·江苏高三其他模拟)将函数图象上各点的横坐标伸长到原来的2倍(纵坐标不变),再向右平移个单位长度后,得到函数的图象,则下列结论中正确的有( )
A.函数的最大值为2 B.函数的图象关于点对称
C.函数是偶函数 D.直线是函数图象的一条对称轴
【答案】AC
【解析】
先根据平移伸缩表示出函数的解析式,再根据图像性质判断选项即可.
【详解】
由题意得,
所以的最大值为2,为偶函数,
的图像关于点对称,关于直线对称,
故B和D错误,A和C正确.
故选:AC.
【特别提醒】
1.图象的左右平移是针对x而言的,即平移多少是指自变量“x”的变化,x系数为1,而不是对“ωx+φ”而言的.
2.图象的伸缩变换即周期变换也是针对x而言的,即只是自变量x的系数发生改变,变为原来的倍,而不涉及φ.
3.在进行图象变换时,先平移后伸缩与先伸缩后平移是两种不同的变换,且这两种变换中,平移的单位长度不同,前者平移了|φ|个单位长度,而后者平移了||个单位长度,这是因为由y=sinωx的图象变换为y=sin(ωx+φ)的图象的过程中,各点的横坐标增加或减少了||个单位长度,即x→x+,ωx→ωx+φ.
考点三 三角函数模型的应用
【典例5】【多选题】(2021·广东深圳市·高三二模)摩天轮常被当作一个城市的地标性建筑,如深圳前海的“湾区之光”摩天轮,如图所示,某摩天轮最高点离地面高度128米,转盘直径为120米,设置若干个座舱,游客从离地面最近的位置进舱,开启后按逆时针匀速旋转分钟,当时,游客随舱旋转至距离地面最远处.以下关于摩天轮的说法中,正确的为( )
A.摩天轮离地面最近的距离为4米
B.若旋转分钟后,游客距离地面的高度为米,则
C.若在,时刻,游客距离地面的高度相等,则的最小值为30
D.,,使得游客在该时刻距离地面的高度均为90米
【答案】BC
【解析】
易知摩天轮离地面最近的距离,从而可判断A;求出分钟后,转过的角度,即可求出关于的表达式,即可判断B;由余弦型函数的性质可求出的最小值即可判断C;求出在上的单调性,结合当时,即可判断D.
【详解】
解:由题意知,摩天轮离地面最近的距离为米,故A不正确;
分钟后,转过的角度为,则,B正确;
周期为,由余弦型函数的性质可知,若取最小值,
则,又高度相等,则关于对称,则,则;
令,解得,令,解得,
则在上单调递增,在上单调递减,当时,,
当时,,所以在只有一个解;
故选:BC.
【典例6】平潭国际“花式风筝冲浪”集训队,在平潭龙凤头海滨浴场进行集训,海滨区域的某个观测点观测到该处水深(米)是随着一天的时间呈周期性变化,某天各时刻的水深数据的近似值如下表:
0 | 3 | 6 | 9 | 12 | 15 | 18 | 21 | 24 | |
1.5 | 2.4 | 1.5 | 0.6 | 1.4 | 2.4 | 1.6 | 0.6 | 1.5 |
(Ⅰ)根据表中近似数据画出散点图(坐标系在答题卷中).观察散点图,从
①, ②,③
中选择一个合适的函数模型,并求出该拟合模型的函数解析式;(Ⅱ)为保证队员安全,规定在一天中的5~18时且水深不低于1.05米的时候进行训练,根据(Ⅰ) 中的选择的函数解析式,试问:这一天可以安排什么时间段组织训练,才能确保集训队员的安全.
【答案】(1) 选②做为函数模型, ;(2) 这一天可以安排早上5点至7点以及11点至18点的时间段组织训练.
才能确保集训队员的安全.
【解析】
(Ⅰ)根据表中近似数据画出散点图,如图所示:
-
依题意,选②做为函数模型,
(Ⅱ)由(Ⅰ)知:
令,即
又
∴这一天可以安排早上5点至7点以及11点至18点的时间段组织训练,
才能确保集训队员的安全.
【规律方法】
三角函数模型的应用体现在两方面:一是已知函数模型求解数学问题;二是把实际问题抽象转化成数学问题,建立数学模型再利用三角函数的有关知识解决问题.
【变式探究】
(2021·全国高一课时练习)如图是一半径为2米的水轮,水轮的圆心距离水面1米,已知水轮自点开始以1分钟旋转4圈的速度顺时针旋转,点距水面的高度(米与时间(秒满足函数关系式,,,则__,__.
【答案】2 .
【解析】
根据三角函数性质及水轮的结构可得,再由周期求得.
【详解】
水轮的半径为2,水轮圆心距离水面1,
,
又水轮每分钟旋转4圈,故转一圈需要15秒,
,
,
故答案为:2;.
考点四 函数的图象与性质的综合应用
【典例7】(2019年高考全国Ⅲ卷文)函数在[0,2π]的零点个数为( )
A.2 B.3
C.4 D.5
【答案】B
【解析】由,
得或,
,.
在的零点个数是3,
故选B.
【典例8】(2019年高考浙江卷)设函数.
(1)已知函数是偶函数,求的值;
(2)求函数的值域.
【答案】(1)或;(2).
【解析】(1)因为是偶函数,所以,对任意实数x都有,
即,
故,
所以.
又,因此或.
(2)
.
因此,函数的值域是.
【典例9】(2017·山东高考真题(理))设函数,其中.已知.
(Ⅰ)求;
(Ⅱ)将函数的图象上各点的横坐标伸长为原来的2倍(纵坐标不变),再将得到的图象向左平移个单位,得到函数的图象,求在上的最小值.
【答案】(1) .
(2) .
【解析】
(Ⅰ)因为,
所以
由题设知,
所以,.
故,,又,
所以.
(Ⅱ)由(Ⅰ)得
所以.
因为,
所以,
当,
即时,取得最小值.
【规律方法】
1.方程根的个数可转化为两个函数图象的交点个数.
2.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.
【变式探究】
1. (2021·江西新余市·高一期末(理))已知函数.
(1)已知,求的值;
(2)当时,不等式恒成立,求实数的取值范围.
【答案】(1);(2).
【解析】
(1)结合三角恒等变化化简得,得到,然后将利用诱导公式,余弦的倍角公式转化计算;
(2)根据(1)求出当时,进而,原不等式等价于,看成关于的一次函数,其端点函数值大于等于0,得,化简即可.
【详解】
解:(1)
,
,
.
(2)当时,,可得,
由,不等式可化为
,有.
令,,则,
若不等式恒成立,则等价于,解得:.
故实数的取值范围为.
2. (2020·全国高三(文))已知,函数.
(Ⅰ)若,求的单调递增区间;
(Ⅱ)若的最大值是,求的值.
【答案】(Ⅰ),;(Ⅱ).
【解析】
(Ⅰ)由题意
由,得.
所以单调的单调递增区间为,.
(Ⅱ)由题意,由于函数的最大值为,即, 从而,又,
故.
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