必修第一册 · 第 5 章 三角函数
弹簧上的小球、秋千、交流电,都在“一上一下、周而复始”。它们的图象就是把 \(y=\sin x\) 拉高、压扁、左右挪一挪得到的 \(y=A\sin(\omega x+\varphi)\)。这一节先把 \(A\)、\(\omega\)、\(\varphi\) 一个一个看清,再合起来。
两个小球挂在弹簧下,上下振动。甲从静止位置向上、向下各到 \(3\) 厘米处,每 \(2\) 秒上下一次;乙各到 \(5\) 厘米处,每 \(1\) 秒上下一次。
和甲比,乙的振动是?
A。乙上下移动的幅度更大;每 \(1\) 秒一次,比甲每 \(2\) 秒一次更快。
以静止时的位置为 0,向上为正,单位厘米。
A。\(5\) 比 \(3\) 高,幅度大;\(1\) 秒一次比 \(2\) 秒一次快。
写成函数(都从 \(0\) 往上出发,\(t\) 是秒):甲 \(y=3\sin(\pi t)\),乙 \(y=5\sin(2\pi t)\)。前面的 \(3\)、\(5\) 管“多高”;\(t\) 前面乘的 \(\pi\)、\(2\pi\) 管“多快”,乘得越大,上下一次用的时间越短。
要是乙比甲晚一点出发,括号里还会多加一个数。这一节就讲 \(y=A\sin(\omega x+\varphi)\) 里的这三个数:\(A\) 管多高,\(\omega\) 管多快(多密),\(\varphi\) 管从哪儿出发。
要用到:正弦函数图象与五点法(5.4)、诱导公式(5.3)。先看微图解:
直觉微图解 ①参数 \(A,\omega,\varphi\) 角色与双轨图象变换全景
平移规律左右平移时,对自变量 \(x\) 本身作代换
向左平移 \(d\) 单位,是把式子中所有的 \(x\) 替换为 \((x+d)\)。若已做伸缩得到 \(\sin\omega x\),平移后得到 \(\sin[\omega(x+d)] = \sin(\omega x + \omega d)\)。要使常数项为 \(\varphi\),必须令 \(\omega d = \varphi \implies d = \dfrac{\varphi}{\omega}\)!
求式步骤看图定解析式:先算 \(A,\omega\),按已知点的类型定 \(\varphi\)
波峰波谷之差定振幅 \(A = \dfrac{y_{\max}-y_{\min}}{2}\);峰谷水平间距半周期 \(\dfrac{T}{2} \implies \omega = \dfrac{2\pi}{T}\);若已知最高点,可优先代入定初相 \(\varphi\)(令 \(\omega x+\varphi = \dfrac{\pi}{2}+2k\pi\)),绝不混淆上冲/下冲零点!
外面直接,里面反着:纵向乘 \(A\),就是在 \(\sin\) 外面乘 \(A\);当 \(\omega>0\) 时,横向缩放为 \(\dfrac1\omega\),却是在里面把 \(x\) 乘 \(\omega\)。向左平移 \(a\),里面却是 \(+a\)。凡是改 \(x\) 的变换,写进式子都“反着来”。
先讨论非退化情形 \(A\omega\ne0\)。若 \(A=0\) 或 \(\omega=0\),函数为常值,没有最小正周期;含 \(\varphi/\omega\) 或横向伸缩的式子要求 \(\omega\ne0\)。读图简式“最高值定 \(A\)、\(\omega=2\pi/T\)、最高点相位为 \(\pi/2\)”先约定 \(A>0,\omega>0\);也可保留绝对值与符号分支。
自己试试:\(y=\dfrac12\sin x\) 的值域和最小正周期是?
B。\(A\) 只管上下,不碰横向,周期还是 \(2\pi\)。选 A 的同学以为压扁了周期也会变;选 C 是把“乘 \(\dfrac12\)”当成了“除以 \(\dfrac12\)”。
自己试试:\(y=\sin\dfrac x2\) 的最小正周期是?
C。\(\omega=\dfrac12\),\(T=2\pi\div\dfrac12=4\pi\)。\(\omega\) 小于 \(1\),图象被横向拉长。选 A 的同学拿 \(2\pi\) 乘了 \(\dfrac12\):周期是除以 \(\omega\)。
自己试试:\(y=\sin\left(x+\dfrac\pi6\right)\) 的图象由 \(y=\sin x\) 怎样得到?
B。\(x\) 加正数,向左。选 A 是记反了:新图在 \(x=-\dfrac\pi6\) 处才是 \(\sin0\),起点挪到了左边。选 C 的同学把括号里加的数当成了加在外面。
自己试试:把 \(y=\sin x\) 图象上所有点的横坐标缩短到原来的 \(\dfrac12\)(纵坐标不变),再向右平移 \(\dfrac{\pi}{4}\),得到的是?
C。第一步得 \(y=\sin 2x\);第二步把 \(x\) 换成 \(x-\dfrac\pi4\),得 \(\sin 2\left(x-\dfrac\pi4\right)=\sin\left(2x-\dfrac\pi2\right)\)。选 A 是把平移量直接写进括号,没有乘 \(\omega=2\),那是“先平移后伸缩”的结果。在“动手”② 里选路线二,看金点移了多少。
平衡位置不在 \(x\) 轴:最高 \(5\)、最低 \(1\) 的波,平衡位置在 \(3\)。写成 \(y=A\sin(\omega x+\varphi)+B\),\(A=\dfrac{5-1}2=2\),\(B=\dfrac{5+1}2=3\)。\(B\) 只把整条波上下挪,不改振幅和周期。5.7 的实际模型常常这样。
实际模型:用正弦型函数描述潮汐、气温、摩天轮时,要写清时间范围和单位;它是近似,只在给定的范围里好用。
例题示范:已知函数 \(f(x) = A\sin(\omega x+\varphi)\)(\(A>0, \omega>0, |\varphi|<\frac{\pi}{2}\))的部分图象最高点为 \(\left(\dfrac{\pi}{3}, 2\right)\),与其相邻的最低点为 \(\left(\dfrac{4\pi}{3}, -2\right)\)。求其解析式及由 \(y=\sin x\) 经过先伸缩后平移得到的变换步骤。
• 周期 \(T = 2\pi \implies \omega = \dfrac{2\pi}{T} = 1\)。
• 代入最高点 \(\left(\dfrac{\pi}{3}, 2\right)\):令整体相位取波峰值:\[1\times \dfrac{\pi}{3} + \varphi = \dfrac{\pi}{2} + 2k\pi \implies \varphi = \dfrac{\pi}{6} + 2k\pi\]
• 结合 \(|\varphi| < \dfrac{\pi}{2}\),取 \(k=0\) 得 \(\varphi = \dfrac{\pi}{6}\),解析式为 \(f(x) = 2\sin\left(x + \dfrac{\pi}{6}\right)\)!
先比较 \(\omega=1\) 与标准正弦函数:横坐标无需伸缩。向左平移 \(\dfrac{\pi}{6}\) 单位,再将纵坐标伸长到 \(2\) 倍。代入最高点与最低点核对函数值。
自己试试:\(y=A\sin(\omega x+\varphi)\)(\(\omega>0\))的图象上,相邻的一个最高点和一个最低点,横坐标相差 \(\dfrac\pi2\)。\(\omega=\)?
B。最高点到相邻最低点是半个周期:\(\dfrac T2=\dfrac\pi2\),\(T=\pi\),\(\omega=\dfrac{2\pi}{\pi}=2\)。选 C 的同学把 \(\dfrac\pi2\) 当成了整个周期。
翻车现场 ①先伸缩后平移,平移量忘记提 \(\omega\)
典型错解:将 \(y=\sin 2x\) 变为 \(y=\sin(2x+\frac{\pi}{4})\),说成“向左平移 \(\frac{\pi}{4}\) 单位”。
看右图秒懂真相:向左移 \(\frac{\pi}{4}\) 是把 \(x\) 换成 \(x+\frac{\pi}{4}\),得到的是 \(\sin 2(x+\frac{\pi}{4}) = \sin(2x+\frac{\pi}{2})\)!要得到 \(\sin(2x+\frac{\pi}{4}) = \sin 2(x+\frac{\pi}{8})\),向左平移 \(\frac{\pi}{8}\) 单位即可,还可加整数个周期 \(\pi\)!
上方反例微图的横轴左端为 \(x=0\),右端为 \(x=\pi\)。微图另用一组曲线定性演示平移:灰线为原图,绿线向左移,橙线把左移量错放大一倍;不对应上例的具体相位。具体平移量应从上例括号内计算。
翻车现场 ②参数为负数时直接读振幅与周期
典型错解:对于 \(y = -2.5\sin(-3x+\frac{\pi}{4})\),认为振幅是 \(-2.5\),周期是 \(-\dfrac{2\pi}{3}\)。
一眼看清真相:非退化情形的振幅与最小正周期为正;振幅为零时是常值,须另论。可先用诱导公式规范化:原式 \(= 2.5\sin(3x-\frac{\pi}{4})\)。振幅是 \(2.5\),最小正周期是 \(T = \dfrac{2\pi}{3}\)!
翻车现场 ③看图定 \(\varphi\) 盲目代零点导致反相
典型错解:图象过原点 \((0,0)\),直接令 \(\sin\varphi = 0 \implies \varphi = 0\)。
一眼看清真相:零点有“上冲零点”(从负变正穿过 \(x\) 轴,相位 \(2k\pi\))和“下冲零点”(从正变负穿过,相位 \(\pi+2k\pi\))之分!代错一种会导致整条波上下完全颠倒!按已知点判断相位;若给零点,还要辨升降方向并保留整数圈。
先一次只动一个滑块,看它改了什么,再一起动。滑块可以拖,也可以点一下后用方向键调。灰虚线是 \(y=\sin x\),蓝点线是 \(y=A\sin\omega x\),绿线是 \(y=A\sin(\omega x+\varphi)\);金色箭头是从 \(y=A\sin\omega x\) 到绿线的平移。
用上面滑块的 \(A,\omega,\varphi\)。选一条路线,点“下一步”一步步变。橙线是这一步的结果,灰虚线是上一步,淡绿粗线是终点。金点追踪相位为零的参照点:当本阶段的振幅与频率为正时,它是上穿零点;最终 A=0 时不表示上穿。看它每一步挪到哪。
从易到难排好了。前两道直接用,中间三道是最常见的错,最后一道是挑战。
1. \(y=3\sin\left(2x-\dfrac\pi4\right)\) 的振幅和最小正周期是?
A。\(A=3\),\(\omega=2\),\(T=\dfrac{2\pi}2=\pi\)。选 B 是拿 \(2\pi\) 乘了 \(2\);选 C 是把最高到最低的距离 \(6\) 当成了振幅。
2. \(y=\sin\left(2x-\dfrac\pi3\right)\) 在 \([0,\pi]\) 上取到最大值 \(1\) 时,\(x=\)?
B。令相位 \(2x-\dfrac\pi3=\dfrac\pi2\),\(2x=\dfrac{5\pi}6\),\(x=\dfrac{5\pi}{12}\),在 \([0,\pi]\) 里。选 A 是只解了 \(2x=\dfrac\pi2\),丢了 \(-\dfrac\pi3\);选 C 是忘了除以 \(2\)。
3. 要得到 \(y=\sin\left(2x+\dfrac{\pi}{3}\right)\) 的图象,应该把 \(y=\sin 2x\) 的图象怎样平移?
B。把 \(x\) 提出来:\(\sin\left(2x+\dfrac{\pi}{3}\right)=\sin 2\left(x+\dfrac{\pi}{6}\right)\)。平移只看 \(x\) 本身加了多少,这里加了 \(\dfrac{\pi}{6}\),向左移 \(\dfrac{\pi}{6}\)。
选 A 是看到括号里 \(+\dfrac{\pi}{3}\) 就移 \(\dfrac{\pi}{3}\)。真把 \(y=\sin 2x\) 向左移 \(\dfrac{\pi}{3}\),得到的是 \(\sin\left(2x+\dfrac{2\pi}{3}\right)\),多移了一倍。选 C、D 是方向反了。
4. \(y=2\sin(2x+\varphi)\),\(|\varphi|<\pi\)。它的图象过点 \((0,1)\),并且在 \(x=0\) 附近,\(x\) 增大时 \(y\) 也增大。\(\varphi=\)?
A。代点只得到 \(\sin\varphi=\dfrac12\),在 \(|\varphi|<\pi\) 内有 \(\dfrac\pi6\) 和 \(\dfrac{5\pi}6\) 两个解,光代一个点定不下来,还得检验。\(x=0\) 时相位就是 \(\varphi\);要在这里上升,相位得落在 \(\left(-\dfrac\pi2,\dfrac\pi2\right)\) 里,所以只能是 \(\dfrac\pi6\)。\(\varphi=\dfrac{5\pi}6\) 时图象也过 \((0,1)\),但在那里是下降的。
5. \(y=-3\sin\left(\dfrac{\pi}{4}-2x\right)\) 的振幅和最小正周期是?
B。振幅是距离、周期是正数,都不会是负的。先规范化:\(-3\sin\left(\dfrac\pi4-2x\right)=3\sin\left(2x-\dfrac\pi4\right)\),现在 \(A=3>0\),\(\omega=2>0\),周期 \(\dfrac{2\pi}{2}=\pi\)。另外,在“动手”① 里把 \(\omega\) 拖到 \(0\),函数成了常数,就没有最小正周期了。
视频题目:\(f(x)=A\sin(\omega x+\varphi)\),其中 \(A>0,\omega>0,|\varphi|<\pi/2\)。图象最高点为 \((\pi/6,2)\),其右侧相邻最低点为 \((2\pi/3,-2)\),求解析式。答案为 \(2\sin(2x+\pi/6)\)。
6. \(y=\sin\left(\omega x+\dfrac\pi6\right)\)(\(\omega>0\))的图象向右平移 \(\dfrac\pi3\) 后,和原来的图象重合。\(\omega\) 最小是?
B。平移后重合,平移量得是周期的整数倍:\(\dfrac\pi3=k\cdot\dfrac{2\pi}{\omega}\)(\(k\) 是正整数),\(\omega=6k\),最小是 \(6\)。选 A 是以为移半个周期也重合:可 \(\sin(\theta-\pi)=-\sin\theta\),移半个周期图象上下翻了过来,不重合。
视频由 \(y=\sin x\) 变到 \(y=\sin(2x-\pi/3)\),目标式含减号,讨论向右平移。先伸缩后的一个代表平移为右移 \(\pi/6\);先平移再伸缩时,先右移 \(\pi/3\)。每一步都核对当前表达式。
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