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2020版高考数学(理)新创新一轮复习通用版讲义:第四章第四节函数y=Asin(ωx+φ)的图象及三角函数模型的简单应用
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第四节函数y=Asin(ωx+φ)的图象及三角函数模型的简单应用
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.用五点法画函数y=Asin(ωx+φ)一个周期内的简图
用五点法画函数y=Asin(ωx+φ)(A>0,ω>0)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
五点法作图的步骤
用“五点法”作函数y=Asin(ωx+φ)的简图,精髄是通过变量代换,设z=ωx+φ,由z取0,,π,,2π来求出相应的x,通过列表,计算得出五点坐标,描点后得出图象,其中相邻两点的横向距离均为.
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
两种变换的联系与区别
联系:两种变换方法都是针对x而言的,即x本身加减多少,而不是ωx加减多少.
区别:先平移变换(左右平移)再周期变换(伸缩变换),平移的量是|φ|个单位,而先周期变换(伸缩变换)再平移变换(左右平移),平移的量是个单位.
[小题查验基础]
一、判断题(对的打“√”,错的打“×”)
(1)利用图象变换作图时“先平移,后伸缩”与“先伸缩,后平移”中平移的长度一致.( )
(2)把函数y=sin x的图象上各点纵坐标不变,横坐标缩短为原来的,所得图象对应的函数解析式为y=sinx.( )
(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、选填题
1.函数y=2sin的振幅、频率和初相分别为( )
A.2,, B.2,,
C.2,, D.2,,-
解析:选A 由振幅、频率和初相的定义可知,函数y=2sin的振幅为2,频率为,初相为.
2.为了得到函数y=2sin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
解析:选A 函数y=2sin=2sin,可由函数y=2sin 2x的图象向右平移个单位长度得到.
3.用五点法作函数y=sin在一个周期内的图象时,主要确定的五个点是______、______、______、______、______.
答案:
4.函数y=Asin(ωx+φ)(A,ω,φ为常数,A>0,ω>0)在闭区间[-π,0]上的图象如图所示,则ω=________.
答案:3
5.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解析式为________.
解析:函数y=2sin的最小正周期为π,将函数y=2sin的图象向右平移个周期即个单位长度,所得函数为y=2sin=2sin.
答案:y=2sin
[典例精析]
某同学用“五点法”画函数f(x)=Asin(ωx+φ)在某一个周期内的图象时,列表并填入了部分数据,如下表:
ωx+φ
0
π
2π
x
f(x)=Asin(ωx+φ)
0
5
-5
0
(1)请将上表数据补充完整,并直接写出函数f(x)的解析式;
(2)将函数y=f(x)图象上所有点向左平行移动θ(θ>0)个单位长度,得到函数y=g(x)的图象.若函数y=g(x)图象的一个对称中心为,求θ的最小值;
(3)作出函数f(x)在长度为一个周期的闭区间上的图象.
[解] (1)根据表中已知数据,解得A=5,ω=2,φ=-,数据补全如下表:
ωx+φ
0
π
2π
x
f(x)=Asin(ωx+φ)
0
5
0
-5
0
且函数f(x)的解析式为f(x)=5sin.
(2)由(1)知f(x)=5sin,
则g(x)=5sin.
因为函数y=sin x图象的对称中心为(kπ,0),k∈Z,
令2x+2θ-=kπ,k∈Z,
解得x=+-θ,k∈Z.
由于函数y=g(x)的图象关于点成中心对称,
所以令+-θ=,k∈Z,
解得θ=-,k∈Z.
由θ>0可知,当k=1时,θ取得最小值.
(3)由数据作出函数f(x)在区间上的图象如图所示,
[解题技法]
函数y=Asin(ωx+φ)(A>0,ω>0)的图象变换的的注意点
常规法主要有两种:先平移后伸缩;先伸缩后平移.值得注意的是,对于三角函数图象的平移变换问题,其平移变换规则是“左加、右减”,并且在变换过程中只变换自变量x,如果x的系数不是1,那么需把x的系数提取后再确定平移的单位和方向.
[过关训练]
1.(2017·全国卷Ⅰ)已知曲线C1:y=cos x,C2:y=sin,则下面结论正确的是( )
A.把C1上各点的横坐标伸长到原来的2倍,纵坐标不变,再把得到的曲线向右平移个单位长度,得到曲线C2
B.把C1上各点的横坐标伸长到原来的2倍,纵坐标不变,再把得到的曲线向左平移个单位长度,得到曲线C2
C.把C1上各点的横坐标缩短到原来的倍,纵坐标不变,再把得到的曲线向右平移个单位长度,得到曲线C2
D.把C1上各点的横坐标缩短到原来的倍,纵坐标不变,再把得到的曲线向左平移个单位长度,得到曲线C2
解析:选D 易知C1:y=cos x=sin,把曲线C1上的各点的横坐标缩短到原来的倍,纵坐标不变,得到函数y=sin的图象,再把所得函数的图象向左平移个单位长度,可得函数y=sin=sin的图象,即曲线C2.故选D.
2.若ω>0,函数y=cos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的图象向右平移个单位长度,得到函数y=cos的图象.因为所得函数图象与函数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:
[典例精析]
[例1] 已知函数f(x)=Asin(ωx+φ)(A>0,ω>0,0<φ<π),其部分图象如图所示,则函数f(x)的解析式为( )
A.f(x)=2sin
B.f(x)=2sin
C.f(x)=2sin
D.f(x)=2sin
[解析] 由题图可知,函数图象上两个相邻的最值点分别为最高点,最低点,
所以函数的最大值为2,即A=2.
由图象可得直线x=-,x=为相邻的两条对称轴,
所以函数的最小正周期T=2×=4π,
故=4π,解得ω=.
所以f(x)=2sin.
把点代入可得2sin=2,
即sin=1,所以φ-=2kπ+(k∈Z),
解得φ=2kπ+(k∈Z).
又0<φ<π,所以φ=.
所以f(x)=2sin.
[答案] B
[例2] 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________.
[解析] 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,所以<ω<,又因为ω为正整数,所以ω的值为2.
[答案] 2
[解题技法]
确定函数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.
[过关训练]
1.函数f(x)=Asin(ωx+φ)的部分图象如图所示,则f的值为( )
A.- B.-
C.- D.-1
解析:选D 由图象可得A=,最小正周期T=4×=π,则ω==2.又f=sin=-,|φ|<,得φ=,则f(x)=sin,f=sin=sin=-1,故选D.
2.(2018·咸阳三模)已知函数f(x)=Asin(ωx+φ)(A>0,ω>0,|φ|<π)的部分图象如图所示,则f(x)的解析式为( )
A.f(x)=2sin
B.f(x)=2sin
C.f(x)=2sin
D.f(x)=2sin
解析:选D 由图象可得,A=2,
T=2×[6-(-2)]=16,
所以ω===.
所以f(x)=2sin.
由函数的对称性得f(2)=-2,
即f(2)=2sin=-2,
即sin=-1,
所以+φ=2kπ-(k∈Z),
解得φ=2kπ-(k∈Z).
因为|φ|<π,所以φ=-.
故函数f(x)的解析式为f(x)=2sin.
[典例精析]
据市场调查,某种商品一年内每件出厂价在7千元的基础上,按月呈f(x)=Asin(ωx+φ)+B的模型波动(x为月份),已知3月份达到最高价9千元,9月份价格最低为5千元,则7月份的出厂价格为________元.
[解析] 作出函数简图如图所示,三角函数模型为:
y=f(x)=Asin(ωx+φ)+B,
由题意知:A=2 000,B=7 000,
T=2×(9-3)=12,
∴ω==.
将(3,9 000)看成函数图象的第二个特殊点,
则有×3+φ=,∴φ=0,
故f(x)=2 000sinx+7 000(1≤x≤12,x∈N*).
∴f(7)=2 000×sin+7 000=6 000.
故7月份的出厂价格为6 000元.
[答案] 6 000
[解题技法]
三角函数模型在实际应用中的2种类型及其解题策略
(1)已知函数模型,利用三角函数的有关性质解决问题,其关键是准确理解自变量的意义及自变量与函数之间的对应关系;
(2)把实际问题抽象转化成数学问题,建立三角函数模型,再利用三角函数的有关知识解决问题,其关键是建模.
[过关训练]
1.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________.
解析:设水深的最大值为M,由题意结合函数图象可得解得M=8,即水深的最大值为8.
答案:8
2.某城市一年中12个月的平均气温与月份的关系可近似地用函数y=a+Acos(x=1,2,3,…,12)来表示,已知6月份的月平均气温最高为28 ℃,12月份的月平均气温最低为18 ℃,则10月份的月平均气温为________℃.
解析:由题意得即所以y=23+5cos,令x=10,得y=20.5.
答案:20.5
[典例精析]
已知函数f(x)=sin(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,求当m取得最小值时,g(x)在上的单调递增区间.
[解] (1)由函数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T=2×=,解得ω=1,故函数f(x)的解析式为f(x)=sin.
(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=sin的图象,根据g(x)的图象恰好经过点,
可得sin=0,即sin=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.
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.
[解题技法]
三角函数图象和性质综合问题的解题策略
(1)图象变换问题
先根据和、差角公式、倍角公式把函数表达式变为正弦型函数y=Asin(ωx+φ)+t或余弦型函数y=Acos(ωx+φ)+t的形式,再进行图象变换.
(2)函数性质问题
求函数周期、最值、单调区间的方法步骤:
①利用公式T=(ω>0)求周期;
②根据自变量的范围确定ωx+φ的范围,根据相应的正弦曲线或余弦曲线求值域或最值,另外求最值时,根据所给关系式的特点,也可换元转化为求二次函数的最值;
③根据正、余弦函数的单调区间列不等式求函数y=Asin(ωx+φ)+t或y=Acos(ωx+φ)+t的单调区间.
[过关训练]
(2019·济南模拟)已知函数f(x)=sin++b.
(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)的单调递增区间;
(2)在(1)的条件下,当x∈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++b,且函数f(x)的图象关于直线x=对称,∴2ω·+=kπ+(k∈Z),且ω∈[0,3],∴ω=1.由2kπ-≤2x+≤2kπ+(k∈Z),解得kπ-≤x≤kπ+(k∈Z),∴函数f(x)的单调递增区间为(k∈Z).
(2)由(1)知f(x)=sin++b.
∵x∈,∴2x+∈.当2x+∈,即x∈时,函数f(x)单调递增;当2x+∈,即x∈时,函数f(x)单调递减.
又f(0)=f,∴当f>0≥f或f=0时,函数f(x)有且只有一个零点,即sin≤-b-<sin或1++b=0,∴b∈∪.
故实数b的取值范围为∪.
一、题点全面练
1.(2019·益阳、湘潭调研)要得到函数f(x)=sin 2x,x∈R的图象,只需将函数g(x)=sin,x∈R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
解析:选D 由于把函数y=sin 2x,x∈R的图象向左平移个单位,可得y=sin=sin的图象,故为了得到函数f(x)=sin 2x,x∈R的图象,只需把g(x)=sin,x∈R的图象向右平移个单位即可,故选D.
2.(2018·济宁期末)函数f(x)=Asin(ωx+φ)的部分图象如图所示,则将y=f(x)的图象向右平移个单位长度后,得到的图象对应的函数解析式为( )
A.y=sin B.y=sin
C.y=sin 2x D.y=cos 2x
解析:选B 由题中图象知A=1,记函数f(x)的最小正周期为T,则T=-=,∴T=π,∴ω=2,由sin=1,|φ|<得+φ=,∴φ=,∴f(x)=sin,将f(x)的图象向右平移个单位长度后,得到的图象对应的函数解析式为y=sin=sin,故选B.
3.(2019·赣州质检)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.由函数的图象可知,=-=,∴T=π.根据周期公式可得ω=2,∴y=sin.由图知当y=-1时,x=×=,∴函数的图象过,
∴sin=-1.∵-π<φ<π,∴φ=.故选A.
4.(2019·长沙模拟)已知函数f(x)=2sin(ωx+φ)+1,f(α)=-1,f(β)=1,若|α-β|的最小值为,且f(x)的图象关于点对称,则函数f(x)的单调递增区间是( )
A.,k∈Z
B.,k∈Z
C.,k∈Z
D.,k∈Z
解析:选B 由题意可知f(x)的最小正周期T=4|α-β|min=4×=3π,则=3π,ω=,
因为f(x)的图象关于点对称,
所以2sin+1=1,即sin=0.
因为|φ|<,所以φ=-,
则f(x)=2sin+1.
令2kπ-≤x-≤2kπ+,k∈Z,
解得3kπ-≤x≤3kπ+π,k∈Z,
所以函数f(x)的单调递增区间是,k∈Z.
5.(2018·福州三校联考)如图是函数f(x)=Asin(ωx+φ)图象的一部分,对任意的x1,x2∈[a,b],且x1≠x2,若f(x1)=f(x2),有f(x1+x2)=1,则φ的值为( )
A. B.
C. D.
解析:选B 从题图可得A=2,x1,x2关于函数f(x)图象的对称轴是对称的,即直线x=是f(x)图象的一条对称轴,且f=2,可得2sin=2,可得ω+φ=+2kπ,k∈Z,①
∵f(x1+x2)=1,∴2sin[ω(x1+x2)+φ]=1,
可得ω(x1+x2)+φ=+2kπ或+2kπ,k∈Z,②
令k=0,由①②得φ=或,
∵|φ|<,∴φ=.
6.(2019·湖北天门、仙桃、潜江联考)函数f(x)=Asin(ωx+φ)(A>0,ω>0)的图象如图所示,则f(1)+f(2)+f(3)+…+f(18)的值等于________.
解析:由题图知A=2,=6-2=4,
∴T=8,则ω==.
∴f(x)=2sin.
又∵函数图象过点(2,2),
∴2sin=2,
∴+φ=+2kπ(k∈Z),
则φ=2kπ(k∈Z),
∴f(x)=2sinx.
∵f(1)+f(2)+f(3)+f(4)+f(5)+f(6)+f(7)+f(8)=0,
∴f(1)+f(2)+f(3)+…+f(18)=2f(1)+2f(2)+…+2f(8)+f(1)+f(2)=f(1)+f(2)=+2.
答案:+2
7.设函数f(x)=2sin(ωx+φ),若f=2,f=0,且f(x)的最小正周期大于2π,则φ=________.
解析:由f(x)的最小正周期大于2π,得>.又f=2,f=0,得=-=,所以T=3π,则=3π⇒ω=,所以f(x)=2sin(ωx+φ)=2sin.
由f=2sin=2⇒sin=1,所以+φ=+2kπ,k∈Z.又|φ|<,取k=0,得φ=.
答案:
8.(2019·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,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)的图象过点和,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f(x)=Asin(ωx+φ)的图象过点P,图象上与点P最近的一个最高点是Q.
(1)求函数f(x)的解析式;
(2)求函数f(x)的单调递增区间.
解:(1)依题意得A=5,
周期T=4=π,∴ω==2.
故f(x)=5sin(2x+φ),
又图象过点P,∴5sin=0,
由已知可得+φ=kπ,k∈Z,
∵|φ|<,∴φ=-,∴f(x)=5sin.
(2)由-+2kπ≤2x-≤+2kπ,k∈Z,
得-+kπ≤x≤+kπ,k∈Z,
故函数f(x)的单调递增区间为(k∈Z).
10.设函数f(x)=sin+sin,其中0<ω<3,且f=0.
(1)求ω;
(2)将函数y=f(x)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)=sin ωx-cos ωx-cos ωx
=sin ωx-cos ωx
=
=sin.
因为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-.
二、专项培优练
(一)交汇专练——融会巧迁移
1.[与新定义交汇]定义运算=ad-bc.将函数f(x)=
的图象向左平移φ(φ>0)个单位,所得图象关于y轴对称,则φ的最小值为( )
A. B.
C. D.
解析:选D f(x)==cos x-sin x=2cos,向左平移φ个单位得到y=2cos,由题意知y=2cos是偶函数,所以+φ=kπ(k∈Z),即φ=kπ-(k∈Z).因为φ>0,所以当k=1时,φ的最小值为.
2.[与立体几何交汇]如图,将绘有函数f(x)=sin(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)=( )
A.-1 B.1
C.- D.
解析:选D 由题设并结合图形可知
AB= =
==,得=4,则ω=,
所以函数f(x)=sin,
所以f(-1)=sin=sin=.
3.[与导数交汇]已知函数f(x)=sin(ωx+φ)的导函数y=f′(x)的部分图象如图所示,且导函数f′(x)有最小值-2,则ω=________,φ=________.
解析:f′(x)=ωcos(ωx+φ),由题图可知ω=2,则f′(x)=2cos(2x+φ).又f′=2cos=-1,且|φ|<,所以φ=.
答案:2
(二)素养专练——学会更学通
4.[数学运算]函数f(x)=Asin(ωx+φ)的部分图象如图所示.
(1)求函数f(x)的解析式,并写出其图象的对称中心;
(2)若方程f(x)+2cos=a有实数解,求a的取值范围.
解:(1)由图可得A=2,=-=,
所以T=π,所以ω=2.
当x=时,f(x)=2,可得2sin=2,
因为|φ|<,所以φ=.
所以函数f(x)的解析式为f(x)=2sin.
令2x+=kπ(k∈Z),得x=-(k∈Z),
所以函数f(x)图象的对称中心为(k∈Z).
(2)设g(x)=f(x)+2cos,
则g(x)=2sin+2cos
=2sin+2,
令t=sin,t∈[-1,1],
记h(t)=-4t2+2t+2=-42+,
因为t∈[-1,1],
所以h(t)∈,
即g(x)∈,故a∈.
故a的取值范围为.
5.[数学建模、数学运算]已知某海滨浴场的海浪高度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=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 m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<t<或<t≤4π,
即0≤t<2或10<t<14或22<t≤24,
所以在一日内该海滨浴场的海浪高度超过1.25 m的时间为8小时.