【数学】2021届一轮复习北师大版（理）第4章第4节函数y＝Asin(ωx＋φ)的图像及三角函数模型的简单应用-学案

【数学】2021届一轮复习北师大版（理）第4章第4节函数y＝Asin(ωx＋φ)的图像及三角函数模型的简单应用-学案

第四节　函数y＝Asin(ωx＋φ)的图像及三角函数模型的简单应用 ‎ [最新考纲]　1.了解函数y＝Asin(ωx＋φ)的物理意义；能画出函数的图像，了解参数A，ω，φ对函数图像变化的影响.2.会用三角函数解决一些简单实际问题，体会三角函数是描述周期变化现象的重要函数模型．‎ ‎1．y＝Asin(ωx＋φ)的有关概念 y＝Asin(ωx＋φ)(A＞0，ω＞0，x≥0)表示一个简谐运动 振幅 周期 频率 相位 初相 A T＝ f＝＝ ωx＋φ φ ‎2.用五点法画y＝Asin(ωx＋φ)一个周期内的简图时，要找五个关键点，如下表所示：‎ x ‎－ ωx＋φ ‎0‎ π ‎2π y＝Asin(ωx＋φ)‎ ‎0‎ A ‎0‎ ‎－A ‎0‎ ‎3.由y＝sin x的图像变换得到y＝Asin(ωx＋φ)(其中A＞0，ω＞0)的图像 ‎1．函数y＝Asin(ωx＋φ)＋k图像平移的规律：“左加右减，上加下减”．‎ ‎2．由y＝sin ωx到y＝sin(ωx＋φ)(ω＞0，φ＞0)的变换：向左平移个单位长度而非φ个单位长度．‎ 一、思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)‎ ‎(1)利用图像变换作图时“先平移，后伸缩”与“先伸缩，后平移”中平移的单位长度一致．(　　)‎ ‎(2)将y＝3sin 2x的图像左移个单位后所得图像的解析式是y＝3sin.(　　)‎ ‎(3)y＝sin的图像是由y＝sin的图像向右平移个单位得到的．(　　)‎ ‎(4)函数y＝Acos(ωx＋φ)的最小正周期为T，那么函数图像的两个相邻对称中心之间的距离为.(　　)‎ ‎[答案]　(1)×　(2)×　(3)√　(4)√‎ 二、教材改编 ‎1．y＝2sin的振幅、频率和初相分别为(　　)‎ A．2,4π，　 B．2，， C．2，，－ D．2,4π，－ C　[由题意知A＝2，f＝＝＝，初相为－.]‎ ‎2．为了得到函数y＝2sin的图像，可以将函数y＝2sin 2x的图像(　　)‎ 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 A　[y＝2sin＝2sin 2.]‎ ‎3.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，则这段曲线的函数解析式为________．‎ y＝10sin＋20，x∈[6,14]　[从题图中可以看出，从6～14时的是函数y＝Asin(ωx＋φ)＋b的半个周期．‎ 所以A＝×(30－10)＝10，b＝×(30＋10)＝20，‎ 又×＝14－6，所以ω＝.‎ 又×10＋φ＝2π＋2kπ，k∈Z，取φ＝，‎ 所以y＝10sin＋20，x∈[6,14]．]‎ ‎4．某地农业监测部门统计发现：该地区近几年的生猪收购价格每四个月会重复出现．下表是今年前四个月的统计情况：‎ 月份x ‎1‎ ‎2‎ ‎3‎ ‎4‎ 收购价格y(元/斤)‎ ‎6‎ ‎7‎ ‎6‎ ‎5‎ 选用一个函数来近似描述收购价格(元/斤)与相应月份之间的函数关系为________．‎ y＝6－cosx　[设y＝Asin(ωx＋φ)＋B(A＞0，ω＞0)，由题意得A＝1，B＝6，T＝4，因为T＝，所以ω＝，所以y＝sin＋6.因为当x＝1时，y＝6，所以6＝sin＋6，结合表中数据得＋φ＝2kπ，k∈Z，可取φ＝－，‎ 所以y＝sin＋6＝6－cos x.]‎ 考点1　函数y＝Asin(ωx＋φ)的图像及变换 ‎　(1)y＝Asin(ωx＋φ)的图像可用“五点法”‎ 作简图得到，可通过变量代换z＝ωx＋φ计算五点坐标．‎ ‎(2)由函数y＝sin x的图像通过变换得到y＝Asin(ωx＋φ)图像有两条途径：“先平移后伸缩”与“先伸缩后平移”．‎ ‎　已知函数y＝2sin.‎ ‎(1)用“五点法”作出它在一个周期内的图像；‎ ‎(2)[一题多解]说明y＝2sin的图像可由y＝sin x的图像经过怎样的变换而得到．‎ ‎[解]　(1)描点画出图像，如图所示：‎ ‎(2)法一：把y＝sin x的图像上所有的点向左平移个单位长度，得到y＝sin的图像；‎ 再把y＝sin的图像上所有点的横坐标缩短到原来的倍(纵坐标不变)，得到y＝sin的图像；‎ 最后把y＝sin上所有点的纵坐标伸长到原来的2倍(横坐标不变)，即可得到y＝2sin的图像．‎ 法二：将y＝sin x的图像上所有点的横坐标缩短为原来的倍(纵坐标不变)，得到y＝sin 2x的图像；‎ 再将y＝sin 2x的图像向左平移个单位长度，得到y＝sin＝sin的图像；‎ 再将y＝sin的图像上所有点的纵坐标伸长为原来的2倍(横坐标不变)，即得到y＝2sin的图像．‎ ‎　三角函数图像变换中的3个注意点 ‎(1)变换前后，函数的名称要一致，若不一致，应先利用诱导公式转化为同名函数．‎ ‎(2)要弄清变换的方向，即变换的是哪个函数的图像，得到的是哪个函数的图像，切不可弄错方向．‎ ‎(3)要弄准变换量的大小，特别是平移变换中，函数y＝Asin x到y＝Asin(x＋φ)的变换量是|φ|个单位，而函数y＝Asin ωx到y＝Asin(ωx＋φ)时，变换量是个单位．‎ ‎　1.要得到函数y＝sin的图像，只需将函数y＝cos 5x的图像(　　)‎ 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 B　[函数y＝cos 5x＝sin＝sin 5，‎ y＝sin＝sin 5，‎ 设平移φ个单位，‎ 则＋φ＝－，‎ 解得φ＝－，故把函数y＝cos 5x的图像向右平移个单位，可得函数y＝sin的图像．]‎ ‎2．若把函数y＝sin的图像向左平移个单位长度，所得到的图像与函数y＝cos ωx的图像重合，则ω的一个可能取值是(　　)‎ A.2　　　　 B. ‎ C.　　　　 D. A　[y＝sin和函数y＝cos ωx的图像重合，可得π－＝＋2kπ，k∈Z，则ω＝6k＋2，k∈Z.‎ ‎∴2是ω的一个可能值．]‎ ‎3．将函数f(x)＝sin的图像向左平移φ(φ＞0)个单位后，得到的图像关于直线x＝对称，则φ的最小值为________．‎ π　[把函数f(x)＝sin的图像向左平移φ(φ＞0)个单位后，‎ 可得y＝sin＝sin的图像，‎ ‎∵所得图像关于直线x＝对称，∴4×＋4φ＋＝＋kπ(k∈Z)，∴φ＝－(k∈Z)，‎ ‎∵φ＞0，∴φmin＝.]‎ 考点2　由图像确定y＝Asin(ωx＋φ)的解析式 ‎　确定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：把图像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)或把图像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．具体如下：“第一点”(即图像上升时与x轴的交点)为ωx＋φ＝0；“第二点”(即图像的“峰点”)为ωx＋φ＝；“第三点”(即图像下降时与x轴的交点)为ωx＋φ＝π；“第四点”(即图像的“谷点”)为ωx＋φ＝；“第五点”(即图像上升时与x轴的交点)为ωx＋φ＝2π.‎ ‎　(1)函数f(x)＝Asin(ωx＋φ)的部分图像如图①所示，则f(x)＝________.‎ ‎　　‎ 图①　　　　　　图②‎ ‎(2)(2019·重庆六校联考)函数f(x)＝Asin(ωx＋φ) 的部分图像如图②所示，则f＝________.‎ ‎(1)2sin　(2)－　[(1)由题图可知，A＝2，T＝2＝π，所以ω＝2，由五点作图法可知2×＋φ＝，所以φ＝－，‎ 所以函数的解析式为y＝2sin.‎ ‎(2)由函数的图像可得A＝，×＝－，可得ω＝2，则2×＋φ＝π＋2kπ(k∈Z)，又0＜φ＜，所以φ＝，故f(x)＝sin，所以f＝－.]‎ ‎　(1)一般情况下，ω的值是唯一确定的，但φ的值是不确 定的，如果求出的φ的值不在指定范围内，可以通过加减的整数倍达到目的．(2)在用“零点”求φ时，务必关注三角函数在该点附近的图像变化趋势．‎ ‎　1.(2019·开封模拟)如果存在正整数ω和实数φ使得函数f(x)＝sin2(ωx＋φ)的图像如图所示(图像经过点(1,0))，那么ω的值为(　　)‎ A．1 B．2‎ C．3 D．4‎ B　[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，又ω为正整数，所以ω的值为2，故选B.]‎ ‎2.(2019·合肥模拟)函数f(x)＝Asin(ωx＋φ)的图像如图所示，则下列说法正确的是(　　)‎ A．在区间上单调递减 B．在区间上单调递增 C．在区间上单调递减 D．在区间上单调递增 B　[由题意得，A＝2，T＝4×＝π，故ω＝＝2.当x＝时取得最大值2，所以2＝2sin，且|φ|＜，所以φ＝，所以函数的解析式为f(x)＝2sin.当x∈时，2x＋∈，又由正弦函数y＝sin x的图像与性质可知，函数y＝sin x在上单调递增，故函数f(x)在上单调递增．当x∈时，2x＋∈，由函数y＝sin x的图像与性质知此区间上不单调，故选B.]‎ ‎3.已知函数f(x)＝sin(πx＋θ)的部分图像如图所示，且f(0)＝－，则图中m的值为________．‎ 　[因为f(0)＝sin θ＝－，且|θ|＜，所以θ＝－，所以f(x)＝sin，所以f(m)＝sin＝－，所以mπ－＝2kπ＋，k∈Z，所以m＝2k＋，k∈Z.又周期T＝2，所以0＜m＜2，所以m＝.]‎ 考点3　三角函数图像与性质的综合应用 ‎　函数零点(方程根)问题 ‎　已知关于x的方程2sin2x－sin 2x＋m－1＝0在 上有两个不同的实数根，则m的取值范围是________．‎ ‎(－2，－1)　[方程2sin2x－sin 2x＋m－1＝0可转化为m＝1－2sin2x＋sin 2x＝cos 2x＋sin 2x ‎＝2sin，x∈.‎ 设2x＋＝t，则t∈，‎ 所以题目条件可转化为＝sin t，t∈有两个不同的实数根．‎ 所以y1＝和y2＝sin t，t∈的图像有两个不同交点，如图：‎ 由图像观察知，的取值范围是，‎ 故m的取值范围是(－2，－1)．]‎ ‎[母题探究]　(变条件)将本例中“有两个不同的实数根”改为“有实根”，则m的取值范围为________．‎ ‎[－2,1)　[由例题可知，∈，‎ ‎∴－2≤m＜1，即m的取值范围为.]‎ ‎　本例在求解中，通过换元，令t＝2x＋，把原问题等价转化为函数y＝与y＝sin t，t∈图像交点个数问题，从而化繁为简，提高了解题效率．‎ ‎　三角函数图像与性质的综合问题 ‎　已知函数f(x)＝sin(ω＞0)的图像与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)的图像向左平移m(m＞0)个单位长度得到函数g(x ‎)的图像恰好经过点，求当m取得最小值时，g(x)在上的单调递增区间．‎ ‎[解]　(1)函数f(x)的图像与x轴相邻两个交点的距离为，‎ 得函数f(x)的最小正周期为T＝2×＝，得ω＝1，‎ 故函数f(x)的解析式为f(x)＝sin.‎ ‎(2)将f(x)的图像向左平移m(m＞0)个单位长度得到函数g(x)＝sin＝sin的图像，根据g(x)的图像恰好经过点，‎ 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.‎ ‎　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．‎ ‎　1.(2019·天津高考)已知函数f(x)＝Asin(ωx＋φ)(A＞0，ω ‎＞0，|φ|＜π)是奇函数，将y＝f(x)的图像上所有点的横坐标伸长到原来的2倍(纵坐标不变)，所得图像对应的函数为g(x)．若g(x)的最小正周期为2π，且g＝，则f＝(　　)‎ A．－2 B．－ C． D．2‎ C　[∵f(x)＝Asin(ωx＋φ)为奇函数， ∴φ＝kπ，k∈Z，又|φ|＜π，∴φ＝0，∴f(x)＝Asin ωx，则g(x)＝Asin.由g(x)的最小正周期T＝2π，得＝＝1，∴ω＝2.又g＝Asin ＝A＝，∴A＝2，‎ ‎∴f(x)＝2sin 2x，‎ ‎∴f＝2sin ＝，故选C.]‎ ‎2．(2019·全国卷Ⅲ)设函数f(x)＝sin(ω＞0)，已知f(x)在[0,2π]有且仅有5个零点．下述四个结论：‎ ‎①f(x)在(0,2π)有且仅有3个极大值点；②f(x)在(0,2π)有且仅有2个极小值点；③f(x)在单调递增；④ω的取值范围是.‎ 其中所有正确结论的编号是(　　)‎ A．①④ B．②③‎ C．①②③ D．①③④‎ D　[如图，根据题意知，xA≤2π＜xB，根据图像可知函数f(x)在(0,2π)有且仅有3个极大值点，所以①正确；但可能会有3个极小值点，所以②错误；根据xA≤2π＜xB，有≤2π＜，得≤ω＜，所以④正确；当x∈时，＜ωx＋＜＋，因为≤ω＜，所以＋＜＜，所以函数f(x)在单调递增，所以③正确．‎ ‎]‎ 课外素养提升⑤　逻辑推理与数学运算——三角函数中ω的确定方法 数学运算是解决数学问题的基本手段，通过运算可促进学生思维的发展；而逻辑推理是得到数学结论、构建数学体系的重要方式．运算和推理贯穿于探究数学问题的始终，可交替使用，相辅相成．‎ 三角函数的周期T与ω的关系 ‎【例1】　为了使函数y＝sin ωx(ω＞0)在区间[0,1]上至少出现50次最大值，则ω的最小值为(　　)‎ A．98π　 B．π　 　　‎ C．π　 　　 D．100π B　[由题意，至少出现50次最大值即至少需用49个周期，所以T＝·≤1，所以ω≥π.]‎ ‎[评析]　解决此类问题的关键在于结合条件弄清周期T＝与所给区间的关系，从而建立不等关系．‎ 三角函数的单调性与ω的关系 ‎【例2】　若f(x)＝2sin ωx(ω＞0)在区间上是增函数，则ω的取值范围是________．‎ 　[法一：因为x∈(ω＞0)，‎ 所以ωx∈，‎ 因为f(x)＝2sin ωx在上是增函数，‎ 所以故0＜ω≤.‎ 法二：画出函数f(x)＝2sin ωx(ω＞0)的图像如图所示．‎ 要使f(x)在上是增函数，‎ 需(ω＞0)，‎ 即0＜ω≤.‎ 法三：由－＋2kπ≤ωx≤＋2kπ(k∈Z)得 ‎－＋≤x≤＋(k∈Z)，‎ 故f(x)的单调递增区间是(k∈Z)，‎ 由题意⊆(k∈Z，ω＞0)，‎ 从而有即0＜ω≤.]‎ ‎[评析]　根据正弦函数的单调递增区间，确定函数f(x)的单调递增区间，根据函数f(x)＝2sin ωx(ω＞0)在区间上单调递增，建立不等式，即可求ω的取值范围．‎ ‎【例3】　(1)已知f(x)＝sin ωx－cos ωx，若函数f(x)图像的任何一条对称轴与x轴交点的横坐标都不属于区间(π，2π)，则ω的取值范围是________．(结果用区间表示)‎ ‎(2)已知函数f(x)＝2sin ωx在区间上的最小值为－2，则ω的取值范围是________．‎ ‎(1)　(2)　[(1)f(x)＝sin ωx－cos ωx＝sin，‎ 令ωx－＝＋kπ(k∈Z)，解得x＝＋(k∈Z)．‎ 当k＝0时，≤π，即≤ω，‎ 当k＝1时，＋≥2π，即ω≤.‎ 综上，≤ω≤.‎ ‎(2)显然ω≠0，分两种情况：‎ 若ω＞0，当x∈时，－ω≤ωx≤ω.‎ 因函数f(x)＝2sin ωx在区间上的最小值为－2，所以－ω≤－，解得ω≥.‎ 若ω＜0，当x∈时，ω≤ωx≤－ω，‎ 因函数f(x)＝2sin ωx在区间上的最小值为－2，所以ω≤－，解得ω≤－2.‎ 综上所述，符合条件的实数ω≤－2或ω≥.]‎ ‎[评析]　这类三角函数题除了需要熟练掌握正弦函数、余弦函数、正切函数的单调性外，还必须知晓一个周期里函数最值的变化，以及何时取到最值，函数取到最值的区间要求与题目给定的区间的关系如何.‎