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第1讲 三角函数的定义、图像与性质
本专题涉及到任意角的三角函数定义、同角三角函数关系、诱导公式;三角函数的图像及其变换和三角函数的定义域、值域、周期性、单调性、奇偶性等性质,三角函数的定义是三角函数系列知识的源头.
A类例题
例1 角,的终边分别是OA和OB,OA过点M(sin,cos),且0和OB关于直线yx对称,则角的集合是( )
A.2k,kZC.k,kZ
2
,OA
B. 2k,kZ D.k,kZ
(2001年第12届“希望杯”全国数学邀请赛) 分析 根据角的终边所在的象限确定选项. 解 由0
2
知M(sin,cos)位于第二象限,从而M点关于直线yx的对称点
在第四象限,即角是第四象限角.故选(A).
例2 若f(x)sinx是周期为的奇函数,则f(x)可以是( ) A.sinx B.cosx C.sin2x D.cos2x
(1999年全国高考卷)
分析 采用分析验证和用定义求解的方法.
解法一(分析验证) 因为sinx是奇函数且不恒为零,所以f(x)必须是偶函数,由此排除
A,C项,进而验证知B选项满足题意.故选(B).
解法二(定义求解) 依题意函数f(x)sinx满足
f(x)sin(x)f(x)sinx
,由x的任意性得
f(x)sin(x)f(x)sinx
f(x)f(x)
,
f(x)f(x)
所以f(x)f(x)f(x)[f(x)]f(x2),即函数f(x)是周期为2的偶函数,只能选B
说明 作为选择题解法一直接简明,而解法二揭示了问题的本质,在此基础上可以构造出无数个满足题意的f(x).
例3 示波器荧屏上有一正弦波,一个最高点在B(3,5),与B相邻的最低点C(7,1),则这个正弦波对应的函数是 .(2003年第14届“希望杯”全国数学邀请赛)
分析 设出其解析式,利用正弦函数图像的性质求解.
解 设yAsin(x)B,由正弦函数图像的性质可得振幅A
5(1)
3,周期2
T2(73)8,频率
故所求表达式为
251
,B2,将B(3,5)坐标代入,得初相,
4T42
y3sin(x)2.
44
说明 在本题中函数的表达式不唯一.
情景再现
1.方程tan(2x
3
)
3
在区间[0,2)上解的个数是( ) 3
A.5 B.4 C.3 D.2
2. 当x[
,],求函数f(x)sinx3cosx的最大值和最小值. 22
3.函数f(x)sinx2|sinx|,x0,2的图象与直线yk有且仅有两个不同的交点,则k的取值范围是__________.
B类例题
例4 方程log2xsin(5x)的实根有多少个?
分析 仅仅判断根的个数,基本方法是利用函数的图像数形结合求解. 解 原方程实根的个数即为两个函数y由于sinx1,所以只需考虑(1)当
15
1
log2x和ysin(5x)图像的交点的个数. 5
1
x32. 32
21
x1时,由于函数ysin(5x)的最小正周期是,所以在其范围内函数
532
ysin(5x)的图像出现两次,在x轴下方有四个交点;
(2)当1x32时,其范围的长度是周期的
155
倍,由于x1时sin5x0所以有2
772154个交点;
(3) x1时两个函数也有一个交点.
综上所述原方程共有41541159个实根.
说明 利用函数的图像来确定某些特殊的非常规方程的实根个数是一条十分重要的途径.在
“数形结合”时,特别强调“以数定形”,如方程sinxx的解只有一个(当x(0,
2
)时,
sinxx).
例5 在平面直角坐标系xOy中,函数f(x)asinaxcosax(a0)在一个最小正周期长的区间上的图像与函数g(x)a21的图像所围成的封闭图形的面积是 .(2004年全国高中数学联赛) 分析 利用正弦函数图像的对称性补形转化求解. 解 f(x)
21
,它的最小正周期为,振幅为a21.由
aa
2
f(x)的图像与g(x)的图像围成的封闭形的对称性,可将该图形割补成长为,宽为
a
2
a21. a21的长方形,故它的面积为a
a21sin(ax),arctan
例6 若x
25
,,则ytanx(
3123
)
txan(
6
)xco的s()最大值
6
是 .(2003年全国数学联赛) 分析 化弦后利用单调性求解. 解
ytan(x
22)cot(x)cos(x)336
cos(x),由于函数的每
6sin(2x)3
时取最大值为
2
一部分在给定区间上都是增函数,所以当x
3113
. 6
3,0)4
例7 已知函数f(x)sin(x)(0,0)是R上的偶函数,其图像关于点(对称,且在区间[0,
2
]是单调函数,求和的值.
分析 运用三角函数对称的特征求解,也可用偶函数和关于点对称的定义求解.
解法一 由偶函数关于x轴对称,知当x0时函数f(x)取最大值或最小值,所以
3
,0)对称,此点是
24
33
)0,即函数图像与x轴的一个交点,所以当x,sin(
442
332
cos0,k,,(2k1),k0,1,2,.
4423
22
当k0时,,f(x)sin(x)在[0,]上是减函数;
2332
sin1,又0所以
;另一方面函数f(x)的图像关于点(
当k1时,2,f(x)sin(2x
)在[0,]上是减函数; 22
当k2时,综上所述
10
f(x)sin(x)在[0,]上不是减函数.
23
2
或2,. 32
解法二 由f(x)是偶函数,得f(x)f(x)
即sin(x)sin(x),所以cossinxcossinx对任意x都成立,只能是
cos0,又0,所以
由f(x)的图像关于点(以下同解法一. 例8.已知x,y[
2
.
3333
,0)对称,得f(x)f(x),令x0得f()0,4444
,],aR,且 44
x3sinx2a0
,则cos(x2y) . 3
4ysinycosya0
分析 构造函数用单调性求解,或利用函数的奇偶性和函数图像特征求解. 解法一 由已知得x3sinx2a(2y)3sin(2y),
3
现构造函数f(t)tsint,由此得f(x)f(2y),而函数f(t)在[
,]上是增函数,44
所以有x2y,x2y0,即cos(x2y)1. 解法二
记
f(x)x3sinx2a,g(2y)(2y)3sin(2y)2a,于是
(),ygx()分别是R上的增函数,又yfx所以它们的图像与x轴g(x)x3sinx2a,
只有一个交点,而g(x)xsinx2a
3
[(x)3sin(x)2a]f(x),
即f(x)g(x),
所以函数yf(x)与yg(x)的图像关于原点对称,那么它们的交点也关于原点对称. 记f(x)0,g(x)0的根分别是x,2y,则所以cos(x2y)1.
1
(x2y)0, 2
情景再现
4.函数ycosxsinx的最小正周期是 .
4
2
5.已知xR,则函数
sinxcosx
f(x)maxsinx,cosx,的最大值与最小值的和是 .
2
x(0在)区间[0,1]6.若函数ysin上至少出现50次最大值,则的最小值
是 .
C类例题
例9. 两个周期函数y1,y2的最小正周期分别为a,b,且bna,其中n2,nN.如果函数yy1y2的最小正周期为t,那么下列5种情形:①ta, ②ta, ③tb, ④
tb, ⑤atb.可能出现的情形是 .(填写序号)
分析 周期是三角函数的重要性质,构造三角函数回答.
解 由题意知b是yy1y2的周期,所以tb,情形④不可能出现;由y2yy1知如果
ta,那么a也是y2的最小正周期,矛盾,所以情形②不可能出现;其它三种情形都有可能
出现.下面的例子说明其它三种情形是可能的:取y2sinxsin
2x
,则其最小正周期是3
2x
b6.令y1sin,此时a3,t2t,
3
a令y1six;n,此时
a2,t3,atb;令y1sinx,此时a2,t6,tb.
所以可能出现的情形是①③⑤
22
例10. 函数F(x)cosx2sinxcosxsinxAxB,当
x[0,
3
]时的最大值M与参数A,B有关,问A,B取什么值时M为最小?证明你的结论2
(1983年全国数学联赛)
分析 在M是最大值的前提下通过特殊值构造不等关系, 并结合函数图像直观分析. 解法一(数形结合分析)(1)若AB0,F(x)|
2sin(2x
4
)|则当x
59
8,8,8
时,
F(x)的最大值M为2.
(2)若A0,B0,F(x)|M=max{|2B|,|
2sin(2x
4
)B|,此时
2B|}2
(3)若A0,B0,F(x)|时,
2sin(2x
4
)Ax|,若A0
F()|2A|>2,此时M2;若A0时,8855F()|2A|2,此时也有M2.
88
(4)若A0,B0如图,直线yAxB必有一部分在第一或第四象限,与射线l1,l2,l3中至少一条相交,交点处两函数yAxB与y必小于2,因此也有M
2sin(2x
4
)函数值同号,其和的绝对值
2.
59
说明 问题的关键就是考察三个函数值F(),F(),F()的值,从而得:
888
F()|2AB| 8855
AB| ,将这三个函数值综合起来考虑. 解法二 由F()|2
88
F(9)|29AB|88
当A0时同上,当A≠0时讨论如下:
55
AB<0,则F()2; 88
545954
AB)A至AB≥0,AB(AB)A与AB((2)若
8888888
9
少有一个大于0,即F()2或F()2至少有一个成立,因此总有M2.
88
(1)若
从而当且仅当AB0时,M
2,其他情况下均有M2.
情景再现
7.已知当x[0,1]时,不等式xcosx(1x)(1x)sin0恒成立,试求的取值范围.(1999年全国高中数学联赛题)
2
2
习题
1. 若角是第四象限的角,则是( )
A.第一象限 B.第二象限 C.第三象限 D.第四象限 2.关于函数f(x)4sin(2x
3
) (xR),有下列命题:
①yf(x)是以2为最小正周期的函数;
②yf(x)的表达式可以改写为y4cos(2x③yf(x)的图像关于点(
6
);
6
,0)对称;
④yf(x)的图像关于直线x
6
对称.
其中正确的命题的序号是_____.(注:把你认为正确的命题的序号都填上.)
3.若A,B是锐角ABC的两个内角,则点P(cosBsinA,sinBcosA)在第 象限.
4.设f(x)是定义域为R,最小正周期为
3
的函数,若 2
15cosx,(x0)
)的值是 . f(x),则f(2
4sinx,(0x)
5.设关于x的方程x2xsin(2cos
2
2
3)0,其中[0,],则该方程实根的最
2
大值是 ,实根的最小值是 .
6.关于角的函数ycos22acos4a3,当[0,]时恒大于0,则实数a的取
2
值范围是 .
7.已知函数f(x)sin(x)(0,xR)满足
f(x)f(x1)f(x2).
若Asin(x9),Bsin(x9),则A与B的大小关系是 .
8.已知函数ysin2xacos2x,在下列条件中分别求实数a的值. (1)函数图像关于原点对称; (2)函数图像关于直线x
8
对称.
9.设,分别是方程cos(sinx)x和sin(cosx)x在区间(0,小关系.
10.三个数a,b,c(0,
2
)上的解,确定,的大
2
),且满足cosaa,sincosbb,cossincc,按从小到大
的顺序排列这三个数.(16届全苏竞赛题)
11.已知集合M是满足下列性质的函数f(x)的全体;
存在非零常数T,对任意xR,有f(xT)Tf(x)成立.若函数f(x)sinkxM,求实
数k的取值范围.
12.已知:定义在R上的函数f(x)为奇函数,且在[0,)上是增函数.
若不等式f(cos23)f(2msin)0对任意R恒成立.求实数m的取值范围.
本节“情景再现”解答:
1.解 本题实质是函数周期性的应用.函数ytan(2x
3
)的最小正周期T
2
,而区间长
度是2,是周期的4倍,而正切函数在每个周期内是单调的,故解的个数为4.选B. 2.解 化成一个角的一个三角函数形式,用函数的单调性求解.
5
f(x)2sin(x),x[,],由x[,]及正弦函数的单调性知其最大值
366322
为2,最小值为1.
3.解f(x)
3sinx,x[0,]
,作出其图像,可知有两个交点时的k的范围为1k3.
sinx,x(,2]
4.解ycos4xsin2xcos2x(1sin2x)sin2x
171
1sin2xcos2x1sin22xcos4x.
488
所以函数ycosxsinx的最小正周期为5.解 注意到f(x)maxsinx,cosx,
4
2
. 2
sinxcosx
2
maxsinx,cosx,sin(x),显然f(x)的最大值为1,可以通过作出ysinx和
4
ycosx的图像得到maxsinx,cosx的最小值是
52
2k时取得,而此,在x42
时sin(x
4
)的值为1,所以f(x)的最小值是
22
,从而最大值与最小值的和是1. 22
121
(49)1得个周期,由
44
6.解 函数在一个周期内只能取得一个最大值,其图像从原点开始并注意到可在端点1处取到最大值,所以在区间[0,1]内至少有49周期再加
197197
,即的最小值是.
22
2
2
7.解设f(x)xcosx(1x)(1x)sin, 则由x[0,1]时f(x)0恒成立,有
f(0)sin0,f(1)cos0,
f(x)(xcos)2[(1x)sin]22x(1x)sincos
2x(1x)sincosx(1x)
1sin
[xcos(1x)sin]22x(1x)(sincos)0,当x
2sincos
时,xcos(1x)sin0,令x0
sinsincos
,则0x01,
1111
f(x0)2x0(1x0)(sincos)0,故sin2,即sin2,且
2222
5
,kZ
1212
51
2k,kZ时,有sin2,且sin0,cos0,于反之,当2k12122sin0,cos0,所求范围是:2k
2k
是只要x[0,1],必有f(x)0恒成立.
“习题”解答:
1.解 利用诱导公式推导的方法确定选项.
角和角的终边关于x轴对称,所以角的终边在第一象限,又角和角的终边关于原点对称,所以角的终边在第三象限. 故选(C).
2.解 作出函数yf(x)的图像,由其直观性可知正确命题的序号是②③
3.解 由正弦函数的单调性和诱导公式求解.因为ABC是锐角三角形,所以AB90,即A90B,B90A,所以sinAcosB,
0
0
0
sinBcosA,点P应在第二象限.
4.解 由周期性和诱导公式求解.
f(
15159332
)f()f()sin. 442442
5.解 数形结合求解.设两实根分别为,,则
2sin222
[0,]知02. ,于是,又由()2102
22cos
于是满足条件2210且02的点
BA
(,)在如图所示的弧
C
AB或CD上.
由此可知实根的最大值为xDyB3,实根的最小
D
值是
xAyC5
6.解 可以转化为二次函数求最小值,由最小值大于0求出a的范围.现用分离变量的方法求解.
由cos22acos4a30,[0,
2
],
2cos22cos22
[(2cos)]4,由基本不等式得其最大值得a,而
2cos2cos2cos
是422,故a422.
7.解 发现函数f(x)的周期性,运用周期变换求解. 由
f(x)f(x1)f(x2)得f(x1)f(x2)f(x3),两式相加得
f(x3)f(x),即得f(x6)f(x),从而可知f(x)是以6为周期的函数,所以Af(x9)f(x3)f(x3)
f(x9)B,即A与B的大小关系是AB.
8.解 ysin2xacos2x1a2sin(2x),其中tana, (1)关于原点对称则有sin0,k,所以atan0; (2)关于直线x
8
对称则有sin(
4
)1,即k
3
,所以atan1. 4
9.解 构造函数,运用其单调性求解. 记f(x)cos(sinx)x,0x
2
,因为f(0)101,
f()cos10,所以f(x)0在(0,)上有根,又f(x)在(0,)上单调递减,所以2222
f(x)0在(0,)上的根是唯一的.
2
同样记g(x)sin(cosx)x,由g(0)0,g(
)0及g(x)在(0,)上单调递减,所以22
g(x)0在(0,)上的根存在且是唯一的.
2
由cos(sin)两边取sin得 sin[cos(sin)]sin
由于sin(cosx)x的解是唯一的,所以sin, 故sin.
10.解 运用单调性结合分类讨论求解.
(1)若ab,则cosasincosa,但由cosa(0,
2
),故有cosasincosa矛盾,即a
≠b.
(2)若ab,则由单调性可知cosacosb,又由ab及题意可得cosasincosb,而sincosbcosb,因此又可得cosacosb,从而产生矛盾. 因此ab.
类似地,若ca,则由题意可得cosacossina,从而可得asina与asina矛盾;若ca,则sincsinaa,即sinca,cossinccosa,即ca矛盾. 综上可得:bac.
11.解 运用等式恒成立的条件求解. 当k0时,f(x)0显然f(x)M;
当k0时,因为f(x)sinkxM所以存在非零常数T, 对xR任意,有
成立,即sin(kxkT)Tsinkx对xR恒成立. 即sinkxcoskTcoskxsinkTTsinkx,
sinkx(coskTT)coskxsinkT0恒成立,由等式恒成立知只能有 coskTT0,且sinkT0,从而T1,进而求得km(mZ).
本题也可用特殊值求解.
12.解 先证明函数在R上是增函数,运用单调性去掉f(x)后转化为不等式恒成立求解. 设x1,x2(,0),且x1x2,则x1,x2(0,),且x1x2. ∵f(x)在[0,)上是增函数,∴f(x1)f(x2)
又f(x)为奇函数∴f(x1)f(x2).∴f(x)在(,0)上也是增函数.
即函数f(x)在(,0)和[0,)上是增函数,且f(x)在R上是奇函数,所以f(x)在
(,)上是增函数.
∵f(cos23)f(2msin)0,
∴f(cos23)f(2msin),f(cos23)f(sin2m),
cos23sin2m,2m2sin2sin2,
115
msin。
416
2
∵当sin1时,(sin)
2
14115
的最大值为2,
216
∴当m2
1
时,不等式恒成立. 2
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