高考数学一轮复习第4章三角函数、解三角形第3节三角函数的图像与性质教学案文北师大版

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第三节 三角函数的图像与性质[最新考纲] 1.能画出y =sin x ,y =cos x ,y =tan x 的图像,了解三角函数的周期性.2.理解正弦函数、余弦函数在[0,2π]上的性质(如单调性、最大值和最小值、图像与x 轴的交点等),理解正切函数在区间⎝ ⎛⎭⎪⎫-π2,π2内的单调性.(对应学生用书第64页)1.用五点法作正弦函数和余弦函数的简图正弦函数y =sin x ,x ∈[0,2π]图像的五个关键点是:(0,0),⎝ ⎛⎭⎪⎫π2,1,(π,0), ⎛⎭⎪⎫3π2,-1,(2π,0).余弦函数y =cos x ,x ∈[0,2π]图像的五个关键点是:(0,1),⎝ ⎛⎭⎪⎫π2,0,(π,-1),⎝ ⎛⎭⎪⎫3π2,0,(2π,1).2.正弦函数、余弦函数、正切函数的图像与性质 函数 y =sin x y =cos x y =tan x图像定义域 R R ⎩⎪⎨⎪⎧⎭⎪⎬⎪⎫x ⎪⎪⎪x ≠k π+π2,k ∈Z值域[-1,1][-1,1]R单调性递增区间:⎣⎢⎡⎦⎥⎤2k π-π2,2k π+π2, k ∈Z ,递减区间:⎣⎢⎡⎦⎥⎤2k π+π2,2k π+3π2,k ∈Z递增区间: [2k π-π,2k π],k ∈Z ,递减区间: [2k π,2k π+π],k ∈Z递增区间⎝ ⎛⎭⎪⎫k π-π2,k π+π2,k ∈Z奇偶性 奇函数偶函数 奇函数对称性对称中心(k π,0),k ∈Z对称中心⎝ ⎛⎭⎪⎫k π+π2,0,k ∈Z 对称中心⎝ ⎛⎭⎪⎫k π2,0,k ∈Z 对称轴x =k π+π2(k ∈Z )对称轴x =k π(k ∈Z )周期性2π2ππ[常用结论]1.正弦曲线、余弦曲线相邻两对称中心、相邻两对称轴之间的距离是半个周期,相邻的对称中心与对称轴之间的距离是14个周期.2.正切曲线相邻两对称中心之间的距离是半个周期.3.对于函数y =Asin(ωx+φ),其对称轴一定经过图像的最高点或最低点,对称中心的横坐标一定是函数的零点.一、思考辨析(正确的打“√”,错误的打“×”) (1)函数y =sin x 的图像关于点(k π,0)(k ∈Z )中心对称. ( ) (2)正切函数y =tan x 在定义域内是增函数. ( ) (3)已知y =k sin x +1,x ∈R ,则y 的最大值为k +1.( )(4)y =sin |x |与y =|sin x |都是周期函数. ( )[答案](1)√ (2)× (3)× (4)× 二、教材改编1.函数y =tan 2x 的定义域是( )A.⎩⎪⎨⎪⎧⎭⎪⎬⎪⎫x ⎪⎪⎪x ≠k π+π4,k ∈ZB.⎩⎪⎨⎪⎧⎭⎪⎬⎪⎫x ⎪⎪⎪ x ≠k π2+π8,k ∈ZC.⎩⎪⎨⎪⎧⎭⎪⎬⎪⎫x ⎪⎪⎪ x ≠k π+π8,k ∈ZD.⎩⎪⎨⎪⎧⎭⎪⎬⎪⎫x ⎪⎪⎪x ≠k π2+π4,k ∈ZD [由2x ≠k π+π2,k ∈Z ,得x ≠k π2+π4,k ∈Z ,∴y =tan 2x 的定义域为⎩⎪⎨⎪⎧⎭⎪⎬⎪⎫x ⎪⎪⎪x ≠k π2+π4,k ∈Z.] 2.函数f (x )=cos ⎝ ⎛⎭⎪⎫2x +π4的最小正周期是________.π [T =2π2=π.]3.y =sin ⎝⎛⎭⎪⎫2x -π4的单调减区间是________. ⎣⎢⎡⎦⎥⎤3π8+k π,7π8+k π(k ∈Z ) [由π2+2k π≤2x -π4≤3π2+2k π,k ∈Z 得,3π8+k π≤x ≤7π8+k π,k ∈Z .] 4.y =3sin ⎝ ⎛⎭⎪⎫2x -π6在区间⎣⎢⎡⎦⎥⎤0,π2上的值域是________. ⎣⎢⎡⎦⎥⎤-32,3 [当x ∈⎣⎢⎡⎦⎥⎤0,π2时,2x -π6∈⎣⎢⎡⎦⎥⎤-π6,5π6,sin ⎝ ⎛⎭⎪⎫2x -π6∈⎣⎢⎡⎦⎥⎤-12,1,故3sin ⎝ ⎛⎭⎪⎫2x -π6∈⎣⎢⎡⎦⎥⎤-32,3,即y =3sin ⎝ ⎛⎭⎪⎫2x -π6的值域为⎣⎢⎡⎦⎥⎤-32,3.](对应学生用书第65页)⊙考点1 三角函数的定义域和值域1.三角函数定义域的求法求三角函数定义域实际上是构造简单的三角不等式(组),常借助三角函数线或三角函数图像来求解.2.求三角函数最值或值域的常用方法(1)直接法:直接利用sin x 和cos x 的值域求解.(2)化一法:把所给三角函数化为y =A sin(ωx +φ)+k 的形式,由正弦函数单调性写出函数的值域.(3)换元法:把sin x ,cos x ,sin x cos x 或sin x ±cos x 换成t ,转化为二次函数求解.1.函数f (x )=-2tan ⎝⎛⎭⎪⎫2x +π6的定义域是( ) A .⎩⎪⎨⎪⎧⎭⎪⎬⎪⎫x ⎪⎪⎪ x ≠π6 B .⎩⎪⎨⎪⎧⎭⎪⎬⎪⎫x ⎪⎪⎪x ≠-π12 C .⎩⎪⎨⎪⎧⎭⎪⎬⎪⎫x ⎪⎪⎪x ≠k π+π6k ∈Z D .⎩⎪⎨⎪⎧⎭⎪⎬⎪⎫x ⎪⎪⎪x ≠k π2+π6k ∈ZD [由正切函数的定义域,得2x +π6≠k π+π2,k ∈Z ,即x ≠k π2+π6(k ∈Z ),故选D.]2.(2019·全国卷Ⅰ)函数f (x )=sin ⎝ ⎛⎭⎪⎫2x +3π2-3cos x 的最小值为________. -4 [f (x )=sin ⎝ ⎛⎭⎪⎫2x +3π2-3cos x =-cos 2x -3cos x =-2cos 2x -3cos x +1,令cos x =t ,则t ∈[-1,1].f (t )=-2t 2-3t +1=-2⎝ ⎛⎭⎪⎫t +342+178,易知当t =1时,f (t )min =-2×12-3×1+1=-4. 故f (x )的最小值为-4.]3.已知函数f (x )=sin ⎝ ⎛⎭⎪⎫x +π6,其中x ∈⎣⎢⎡⎦⎥⎤-π3,a ,若f (x )的值域是⎣⎢⎡⎦⎥⎤-12,1,则实数a 的取值范围是________.⎣⎢⎡⎦⎥⎤π3,π [∵x ∈⎣⎢⎡⎦⎥⎤-π3,a ,∴x +π6∈⎣⎢⎡⎦⎥⎤-π6,a +π6,∵当x +π6∈⎣⎢⎡⎦⎥⎤-π6,π2时,f (x )的值域为⎣⎢⎡⎦⎥⎤-12,1,∴由函数的图像(图略)知π2≤a +π6≤7π6,∴π3≤a ≤π.]4.函数y =sin x -cos x +sin x cos x 的值域为________.⎣⎢⎡⎦⎥⎤-12-2,1 [设t =sin x -cos x ,则t 2=sin 2x +cos 2x -2sin x ·cos x ,sin x cosx =1-t 22,且-2≤t ≤ 2.∴y =-t 22+t +12=-12(t -1)2+1,t ∈[-2,2].当t =1时,y max =1;当t =-2时,y min =-12- 2.∴函数的值域为⎣⎢⎡⎦⎥⎤-12-2,1.] 求解三角函数的值域(最值)常见的几种类型(1)形如y =a sin x +b cos x +c 的三角函数化为y =A sin(ωx +φ)+c 的形式,再求值域(最值).(2)形如y =a sin 2x +b sin x +c 的三角函数,可先设sin x =t ,化为关于t 的二次函数求值域(最值).(3)形如y =a sin 3x +b sin 2x +c sin x +d ,类似于(2)进行换元,然后用导数法求最值. ⊙考点2 三角函数的单调性(1)形如y =A sin(ωx +φ)的函数的单调性问题,一般是将ωx +φ看成一个整体,再结合图像利用y =sin x 的单调性求解.(2)如果函数中自变量的系数为负值,要根据诱导公式把自变量系数化为正值,再确定其单调性.求三角函数的单调性(1)函数f (x )=tan ⎝ ⎛⎭⎪⎫2x -π3的单调递增区间是( )A.⎣⎢⎡⎦⎥⎤k π2-π12,k π2+5π12(k ∈Z )B.⎝⎛⎭⎪⎫k π2-π12,k π2+5π12(k ∈Z )C.⎝⎛⎭⎪⎫k π+π6,k π+2π3(k ∈Z )D.⎣⎢⎡⎦⎥⎤k π-π12,k π+5π12(k ∈Z ) (2)(2019·大连模拟)函数y =12sin x +32cos x ⎝ ⎛⎭⎪⎫x ∈⎣⎢⎡⎦⎥⎤0,π2的单调递增区间是________.(1)B (2)⎣⎢⎡⎦⎥⎤0,π6 [(1)由k π-π2<2x -π3<k π+π2(k ∈Z ),得k π2-π12<x <k π2+5π12(k ∈Z ), 所以函数f (x )=tan ⎝ ⎛⎭⎪⎫2x -π3的单调递增区间为⎝ ⎛⎭⎪⎫k π2-π12,k π2+5π12(k ∈Z ),故选B.(2)∵y =12sin x +32cos x =sin ⎝ ⎛⎭⎪⎫x +π3,由2k π-π2≤x +π3≤2k π+π2(k ∈Z ),解得2k π-5π6≤x ≤2k π+π6(k ∈Z ).∴函数的单调递增区间为⎣⎢⎡⎦⎥⎤2k π-5π6,2k π+π6(k ∈Z ),又x ∈⎣⎢⎡⎦⎥⎤0,π2,∴单调递增区间为⎣⎢⎡⎦⎥⎤0,π6.]本例(2) 在整体求得函数y =12sin x +32cos x 的增区间后,采用对k 赋值的方式求得x ∈⎣⎢⎡⎦⎥⎤0,π2上的区间.根据函数的单调性求参数(1)(2019·西安模拟)已知ω>0,函数f (x )=sin ⎝ ⎛⎭⎪⎫ωx +π4在⎝ ⎛⎭⎪⎫π2,π上单调递减,则ω的取值范围是( )A .(0,2]B.⎝ ⎛⎦⎥⎤0,12C.⎣⎢⎡⎦⎥⎤12,34 D.⎣⎢⎡⎦⎥⎤12,54 (2)(2018·全国卷Ⅱ)若f (x )=cos x -sin x 在[0,a ] 是减函数,则a 的最大值是( )A.π4B.π2C.3π4D .π(1)D (2)C [(1)由2k π+π2≤ωx +π4≤2k π+3π2,得2k πω+π4ω≤x ≤2k πω+5π4ω,k ∈Z ,因为f (x )=sin ⎝ ⎛⎭⎪⎫ωx +π4在⎝ ⎛⎭⎪⎫π2,π上单调递减, 所以⎩⎪⎨⎪⎧2k πω+π4ω≤π2,2k πω+5π4ω≥π,解得⎩⎪⎨⎪⎧ω≥4k +12,ω≤2k +54.因为k ∈Z ,ω>0,所以k =0,所以12≤ω≤54,即ω的取值范围为⎣⎢⎡⎦⎥⎤12,54.故选D.(2)f (x )=cos x -sin x =-2sin ⎝⎛⎭⎪⎫x -π4,当x -π4∈⎣⎢⎡⎦⎥⎤-π2,π2,即x ∈⎣⎢⎡⎦⎥⎤-π4,3π4时, sin ⎝ ⎛⎭⎪⎫x -π4单调递增,-2sin ⎝ ⎛⎭⎪⎫x -π4单调递减,∴⎣⎢⎡⎦⎥⎤-π4,3π4是f (x )在原点附近的单调递减区间, 结合条件得[0,a ]⊆⎣⎢⎡⎦⎥⎤-π4,3π4,∴a ≤3π4,即a max =3π4,故选C.]已知单调区间求参数范围的三种方法子集法求出原函数的相应单调区间,由已知区间是所求某区间的子集,列不等式(组)求解反子集法由所给区间求出整体角的范围,由该范围是某相应正、余弦函数的某个单调区间的子集,列不等式(组)求解周期性法由所给区间的两个端点到其相应对称中心的距离不超过14周期列不等式(组)求解1.若函数f (x )=sin ωx (ω>0)在区间⎣⎢⎡⎦⎥⎤0,3上单调递增,在区间⎣⎢⎡⎦⎥⎤3,2上单调递减,则ω=________.32 [由已知得T 4=π3,∴T =4π3,∴ω=2πT =32.] 2.函数f (x )=sin ⎝⎛⎭⎪⎫-2x +π3的单调减区间为________.⎣⎢⎡⎦⎥⎤k π-π12,k π+5π12(k ∈Z ) [由已知,得函数为y =-sin ⎝⎛⎭⎪⎫2x -π3,欲求函数的单调减区间,只需求y =sin ⎝⎛⎭⎪⎫2x -π3的单调增区间即可.由2k π-π2≤2x -π3≤2k π+π2,k ∈Z ,得k π-π12≤x ≤k π+5π12,k ∈Z .故所求函数的单调减区间为⎣⎢⎡⎦⎥⎤k π-π12,k π+5π12(k ∈Z ).]⊙考点3 三角函数的周期性、奇偶性、对称性求解三角函数y =sin(ωx +φ)(ω>0)的周期性、奇偶性、对称性问题,其实质都是根据y =sin x 的对应性质,利用整体代换的思想求解.三角函数的周期性(1)(2019·全国卷Ⅱ)下列函数中,以π2为周期且在区间⎝ ⎛⎭⎪⎫π4,π2单调递增的是( )A .f (x )=|cos 2x |B .f (x )=|sin 2x |C .f (x )=cos|x |D .f (x )=sin|x |(2)若函数f (x )=2tan ⎝ ⎛⎭⎪⎫kx +π3的最小正周期T 满足1<T <2,则自然数k 的值为________.(1)A (2)2或3 [(1)对于选项A ,作出y =|cos 2x |的部分图像,如图1所示,则f (x )在⎝⎛⎭⎪⎫π4,π2上单调递增,且最小正周期T =π2,故A 正确.对于选项B ,作出f (x )=|sin 2x |的部分图像,如图2所示,则f (x )在⎝ ⎛⎭⎪⎫π4,π2上单调递减,且最小正周期T =π2,故B 不正确.对于选项C ,∵f (x )=cos|x |=cos x ,∴最小正周期T =2π,故C 不正确.对于选项D ,作出f (x )=sin|x |的部分图像,如图3所示.显然f (x )不是周期函数,故D 不正确.故选A.图1图2]图3(2)由题意得,1<πk<2,∴k <π<2k ,即π2<k <π,又k ∈Z ,∴k =2或3.]公式莫忘绝对值,对称抓住“心”与“轴”(1)公式法求周期①函数f (x )=A sin(ωx +φ)的周期T =2π|ω|;②函数f (x )=A cos(ωx +φ)的周期T =2π|ω|;③函数f (x )=A tan(ωx +φ)的周期T =π|ω|.(2)对称性求周期①两对称轴距离的最小值等于T2;②两对称中心距离的最小值等于T2;③对称中心到对称轴距离的最小值等于T4.(3)特征点法求周期①两个最大值点之差的最小值等于T ; ②两个最小值点之差的最小值等于T ; ③最大值点与最小值点之差的最小值等于T2.特征点法求周期实质上就是由图像的对称性求周期,因为最值点与函数图像的对称轴相对应.(说明:此处的T 均为最小正周期)三角函数的奇偶性已知函数f (x )=3sin ⎝ ⎛⎭⎪⎫2x -π3+φ,φ∈(0,π). (1)若f (x )为偶函数,则φ=________; (2)若f (x )为奇函数,则φ=________.(1)56π (2)π3 [(1)因为f (x )=3sin ⎝ ⎛⎭⎪⎫2x -π3+φ为偶函数,所以-π3+φ=k π+π2,k ∈Z ,又因为φ∈(0,π),所以φ=5π6.(2)因为f (x )=3sin ⎝ ⎛⎭⎪⎫2x -π3+φ为奇函数, 所以-π3+φ=k π,k ∈Z ,又φ∈(0,π), 所以φ=π3.]若f (x )=A sin(ωx +φ)(A ,ω≠0),则①f (x )为偶函数的充要条件是φ=π2+k π(k ∈Z );②f (x )为奇函数的充要条件是φ=k π(k ∈Z ).三角函数的对称性(1)已知函数f (x )=2sin ⎝⎛⎭⎪⎫ωx +π6(ω>0)的最小正周期为4π,则该函数的图像( )A .关于点⎝ ⎛⎭⎪⎫π3,0对称B .关于点⎝⎛⎭⎪⎫5π3,0对称C .关于直线x =π3对称D .关于直线x =5π3对称(2)已知函数y =sin(2x +φ)⎝ ⎛⎭⎪⎫-π2<φ<π2的图像关于直线x =π3对称,则φ的值为________.(1)B (2)-π6 [(1)因为函数f (x )=2sin ⎝ ⎛⎭⎪⎫ωx +π6(ω>0)的最小正周期是4π,而T =2πω=4π,所以ω=12, 即f (x )=2sin ⎝ ⎛⎭⎪⎫x 2+π6. 令x 2+π6=π2+k π(k ∈Z ),解得x =2π3+2k π(k ∈Z ), 故f (x )的对称轴为x =2π3+2k π(k ∈Z ), 令x 2+π6=k π(k ∈Z ),解得x =-π3+2k π(k ∈Z ). 故f (x )的对称中心为⎝ ⎛⎭⎪⎫-π3+2k π,0(k ∈Z ),对比选项可知B 正确. (2)由题意得f ⎝ ⎛⎭⎪⎫π3=sin ⎝ ⎛⎭⎪⎫2π3+φ=±1, ∴2π3+φ=k π+π2(k ∈Z ),∴φ=k π-π6(k ∈Z ). ∵φ∈⎝ ⎛⎭⎪⎫-π2,π2,∴φ=-π6.] 三角函数图像的对称轴和对称中心的求解方法若求f (x )=A sin(ωx +φ)(ω≠0)图像的对称轴,则只需令ωx +φ=π2+k π(k ∈Z ),求x ;若求f (x )=A sin(ωx +φ)(ω≠0)图像的对称中心的横坐标,则只需令ωx +φ=k π(k ∈Z ),求x .1.设函数f (x )=cos ⎝⎛⎭⎪⎫x +π3,则下列结论错误的是( ) A .f (x )的一个周期为-2πB .y =f (x )的图像关于直线x =8π3对称 C .f (x +π)的一个零点为x =π6D .f (x )在⎝ ⎛⎭⎪⎫π2,π上单调递减 D [A 项,因为f (x )=cos ⎝⎛⎭⎪⎫x +π3的周期为2k π(k ∈Z ),所以f (x )的一个周期为-2π,A 项正确;B 项,因为f (x )=cos ⎝⎛⎭⎪⎫x +π3图像的对称轴为直线x =k π-π3(k ∈Z ),所以y =f (x )的图像关于直线x =8π3对称,B 项正确; C 项,f (x +π)=cos ⎝⎛⎭⎪⎫x +4π3.令x +4π3=k π+π2(k ∈Z ),得x =k π-5π6,当k =1时,x =π6, 所以f (x +π)的一个零点为x =π6,C 项正确; D 项,因为f (x )=cos ⎝ ⎛⎭⎪⎫x +π3的单调递减区间为⎣⎢⎡⎦⎥⎤2k π-π3,2k π+2π3(k ∈Z ), 单调递增区间为⎣⎢⎡⎦⎥⎤2k π+2π3,2k π+5π3(k ∈Z ), 所以⎝ ⎛⎭⎪⎫π2,2π3是f (x )的单调递减区间,⎣⎢⎡⎭⎪⎫2π3,π是f (x )的单调递增区间,D 项错误.] 2.(2019·成都模拟)已知函数f (x )=sin(ωx +φ)⎝⎛⎭⎪⎫ω>0,|φ|<π2的最小正周期为4π,且任意x ∈R ,有f (x )≤f ⎝ ⎛⎭⎪⎫π3成立,则f (x )图像的一个对称中心坐标是( ) A.⎝ ⎛⎭⎪⎫-2π3,0 B.⎝ ⎛⎭⎪⎫-π3,0 C.⎝ ⎛⎭⎪⎫2π3,0 D.⎝ ⎛⎭⎪⎫5π3,0 A [由f (x )=sin(ωx +φ)的最小正周期为4π,得ω=12. 因为f (x )≤f ⎝ ⎛⎭⎪⎫π3恒成立,所以f (x )max =f ⎝ ⎛⎭⎪⎫π3, 即12×π3+φ=π2+2k π(k ∈Z ), 由|φ|<π2,得φ=π3,故f (x )=sin ⎝ ⎛⎭⎪⎫12x +π3. 令12x +π3=k π(k ∈Z ),得x =2k π-2π3(k ∈Z ), 故f (x )图像的对称中心为⎝ ⎛⎭⎪⎫2k π-2π3,0(k ∈Z ), 当k =0时,f (x )图像的对称中心为⎝ ⎛⎭⎪⎫-2π3,0.]。