5.4.2 正弦函数、余弦函数的性质
人教 A 版 · 本节 8 页原书扫描(原文)+ 本站重写的讲解与习题详解考过 13 题 ↓
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本节的知识树
1 概念 · 最深 1 层。根是引本节作教材出处的实体,长链由 `prereqs` 构建期派生——源里只有最小一步。
考过本节的真题
共 13 道
- 浙江 2008 · q05 与 在 上交几次 · 化简、整体换元或直接看那道拱经由 周期函数
- 浙江 2009 · q08 的图象不可能是哪一幅 · 振幅乘周期恒等于 / 反解两次看打架 / 按 分档列全经由 周期函数
- 浙江 2010 · q11两条摆动叠成一条正弦曲线——周期看 ,「最小」得另外证经由 周期函数
- 浙江 2012 · q04先伸缩、后平移 —— 平移量不打折,最大最小之差也纹丝不动经由 周期函数
- 浙江 2014 · q10折线走过的总竖直路程 · 分段单调就望远镜相消,切口要落在节点上经由 周期函数
- 浙江 2015 · q11三项各有周期,先并成一条正弦 · 周期只看 ,减区间是峰顶到谷底那一段经由 周期函数
- 浙江 2016 · q05谁在决定周期 · 常数项先出局,再看 b 把 π 撑成 2π经由 周期函数
- 浙江 2017 · q18三角式先化成一条标准正弦 · 再把某点的值、最小正周期、单调递增区间一次读完经由 周期函数
- 浙江 2021 · q18三角恒等变换两问 · 把 sinx+cosx 的复合式都化成一条标准正弦经由 周期函数
- 浙江 2023 · q15cos ωx−1 在 [0,2π] 恰有 3 个零点 · 列零点通式或换元数周期经由 周期函数
- 浙江 2024 · q07两条正弦曲线的交点个数 · 图象法逐段数,符号表上保险经由 周期函数
- 浙江 2025 · q05周期偶函数求值 · 把待求点搬进有解析式的那一段经由 周期函数
- 浙江 2025 · q19三角函数压轴 · 借第 (2) 问造点,或把 cos 5x 化成 cos x 的多项式经由 周期函数
讲解
本站对这一节的重写(不是原书转写):顺序可重组、推导可补全,目标是易读易学 + 与真题关联。原文以上方扫描图为准。
上一小节画出了正弦曲线与余弦曲线。这一小节做的是从图上读性质——周期性、奇偶性、 单调性、最值——再用符号语言把它们钉死。
四条性质里周期性是新概念(前面从没出现过),其余三条都是第 3 章那一套在三角函数上的应用。 所以下面先把周期讲透,再把另外三条按”图 → 式”的顺序过一遍,最后给一套处理 的通用做法——高考里考的几乎全是这种复合形式。
一、周期函数:定义里的每一个字
设函数 的定义域为 。如果存在一个非零常数 ,使得对每一个 都有 ,且
那么 叫做周期函数, 叫做它的一个周期。如果在所有周期中存在一个最小的正数, 那么这个最小正数叫做最小正周期。
三个字要抠:
① “每一个 “——不是某一个。 这是本小节第一道练习的全部内容: 这个等式确实成立, 但它只在 这一点上验证过,推不出 是周期。 要否定它,举一个反例就够(取 )。
② “非零常数”。 可以是负数:若 是周期,则 、、( 为非零整数)都是周期。 所以”周期”从来不唯一,值得记的是最小正周期。
③ “最小正周期”不一定存在。 常数函数 的任何非零实数都是周期, 其中没有最小的正数。所以”最小正周期”这四个字不能随口省成”周期”。
由公式一立刻得到:
即 ()都是 与 的周期,而最小正周期都是 。
复合形式的周期有现成公式(课本”探究与发现”给出):
只与 有关: 管高矮、 管左右,都不影响周期; 越大, 图象被”压”得越密、周期越短。
二、另外三条性质
奇偶性。 由诱导公式 、,且两者的定义域都是 (关于原点对称),故
判断 、 这类组合函数的奇偶性,仍按第 3 章的三步走: 先看定义域是否关于原点对称,再算 ,再比对。
最值与值域。 由单位圆上纵坐标、横坐标的取值范围立刻得到
且
取到最值的不是一个点,是一个集合——写答案时要写成 这样的形式,漏了 就只答了一个。
单调性。 从正弦曲线上直接读(每个周期内一升一降):
每一条都带着 :单调区间有无穷多段,答案必须写成带 的通式, 而且这些段不能并起来(把两段递增区间写成并集就错了,理由同第 3 章)。
套一层绝对值:周期减半,峰谷全变峰
是把正弦曲线在 轴下方的部分翻上来。原来的谷底 变成新的峰 , 于是峰的个数翻倍、周期减半:
配上 一起读: 的最小正周期是 , 在一个周期里一个峰、两个零点。例如 的周期是 , 在 上是两个拱:峰在 (值 ),零点在 。
别把周期背成 。 判据是「翻折之后,多久重复一次」—— 与 都减半,而 本来就以 为周期,加绝对值不变。
三、 怎么处理:整体换元
高考里考的几乎都是复合形式。通用做法只有一句:把 看成一个整体 , 先对 用上面那些结论,再解回 。
求周期:直接套 。
求最值: 取遍实数时 ,故 ; 取到最值的 由 等给出,再解出 。
求单调区间(这一步最容易错):
- 写出 的单调递增(或递减)区间:;
- 把 代进去,得到关于 的不等式;
- 解不等式(若 ,除以负数时不等号要变向,“增”与”减”随之互换);
- 若题目限定了 的范围,最后与那个范围取交集——这一步漏掉,答案就会多出几段。
取交集那一步是本节最常见的失分点。 比如 , ,算出来的递减区间通式是 , 落在 里的只有 那一段。
四、易错清单
按失分频率排:
- 只验一个 就断言是周期(第一节 ①)。
- 周期算成 而不是 。 时会算出负数。
- 单调区间忘了 ,或把两段并起来。
- 限定区间没取交集(第三节 4)。
- 时增减没互换。 遇到 这种, 先用 把 变正,比直接解不等式稳。
- 取到最值的自变量只写一个数,没写成集合。
- 套了绝对值还照抄原周期。 的最小正周期是 , 不是 ——翻折把谷变成了峰,重复得更快(第二节末)。
五、这一节考过的真题(怎么用它们)
页面下方”考过本节的真题”那一段是构建期从知识图谱派生出来的完整清单,这里只说读的顺序:
- 先做 2025 年第 5 题(周期偶函数求值):周期 + 奇偶两条性质各用一次, 把待求的那个点搬进有解析式的一段。这道题是本节两条性质最直接的合用;
- 接着做 2015 年第 11 题(三角式化简后求最小正周期与单调递减区间): 它是本节两条性质在一条标准正弦上的原样考法——最小正周期只看 , 与振幅、相位、中线都无关;减区间则是「峰顶到紧随其后的谷底」那半个周期。 做它的关键动作是把 看成一个整体,再把 已知的减区间 解回 ; 这与下一条 2023 年第 15 题的整体换元是同一个动作,一个用来定区间、一个用来数零点;
- 再看 2023 年第 15 题( 在 上恰有 个零点,求 ): 它正是第三节”整体换元 + 与给定区间取交集”的考法——把 看成整体, 数它在给定范围里扫过几个周期;
- 然后是 2024 年第 7 题(两条正弦曲线的交点个数):靠图象与周期分段数交点;
- 插一道只用”读形状”的:2014 年浙江卷(理)第 10 题里的 。整道题要的只有第二节末尾那一段: 周期 、在 上两个拱、峰在 与 、零点在 。 把 等分成 份后, 的折返节点就落在离 最近的 处,而由 、 这两条诱导公式级的对称关系立刻得到 、 。 这道题提醒的是: 都不是 等分的分点, 所以”峰值 、谷值 “一个都取不到;
- 最后是 2025 年第 19 题(三角函数压轴):其中用到周期把问题化归到一个周期内。 本节四条性质在压轴题里的角色是”把无穷多种情形压回一个周期”—— 没有周期性,那些题连有限步都做不完。
习题详解(本站解答,无官方答案可核)
人教 A 版学生用书不含答案,教师用书与全解不在本站语料里——因此本节习题的解答无官方答案可核,它们是本站写的。每一道都过了独立 verifier 的 refute 优先复核(默认它有问题,找不出问题才放行),但那不等于官方标准答案:拿它对思路,别拿它对分。
本节课本习题共 9 道:第 210 页「练习」4 道、第 214 页「练习」5 道,逐题全做。 本节没有开放式的实习作业或方案设计,因此没有不收的题。
有两道题带”借助信息技术画出图象检验”的字样。本站的详解不代画, 而是把该检验什么说清楚(图上相隔多远重复一次、峰谷落在哪里),读者用绘图工具一验即可。
下文反复用到的结论:、 的最小正周期都是 ,值域都是 ; 与 (,)的最小正周期是 。每道题先逐字引课本的题面(引用块),再写解答。
练习(第 210 页)第 1 题
- 等式 是否成立?如果这个等式成立,能否说 是正弦函数 的一个周期?为什么?
第一问:等式成立。 左边
右边也是 ,两边相等。
第二问:不能。 周期的定义要求:对定义域内的每一个 都有 。 上面的等式只是在 这一个点上成立,远不足以说明它对一切 成立。
举一个反例就能否定它:取 ,则
而 。所以 不是 的周期。
这道题的关键动作:“对某一个 成立”与”对每一个 成立”是两回事—— 要肯定一条”对任意”的命题得证明,要否定它只需一个反例。 (顺带说明: 的周期只能是 ( 为非零整数),最小正周期是 。)
练习(第 210 页)第 2 题
- 求下列函数的周期,并借助信息技术画出下列函数的图象进行检验:
(1)
(2)
(3)
(4)
四小问都是 或 的形状, 最小正周期只由 决定:。
- (1) ,故 。
- (2) ,故 。
- (3) (、 都不影响周期),故 。
- (4) ,故 。
为什么与 、 无关:设 ,则
在外面提着、 只是把角整体平移,两者都不参与”多久重复一次”这件事。
画图检验时看什么:把图象横向量一量,相邻两个最高点之间的水平距离就是周期。 (1) 约 、(2) 约 、(3) 约 、(4) 约 —— 与上面四个数一致就对了。注意 (2) 与 (4) 的对比: 大的图象被压得密, 小的拉得疏。
练习(第 210 页)第 3 题
- 下列函数中,哪些是奇函数?哪些是偶函数?
(1) ; (2) ; (3) ; (4) .
四个函数的定义域都是 (关于原点对称),所以第一步都过,直接算 。
(1) 奇函数。
(2) 偶函数。
(3) 奇函数。
(4) 奇函数。
结论:(1)(3)(4) 是奇函数,(2) 是偶函数。
核一组具体值:(4) 取 ,; , 互为相反数 ✓。
规律: 是奇的、 是偶的;奇函数乘偶函数还是奇函数(第 (4) 问), 奇函数加奇函数还是奇函数(第 (3) 问),而偶函数加常数还是偶函数(第 (2) 问)。
练习(第 210 页)第 4 题
- 设函数 是以 2 为最小正周期的周期函数,且当 时,。求 , 的值。
做法:用周期把自变量”搬”回已知解析式的那一段 上。 由 以 为周期,对一切 都有 。
求 。 ,故
求 。 ,故
注意”搬”要搬进已知的那一段: 减一次 得 ,正好落在 里,就停手; 若减成了负数(如再减一次得 ),就得再加回来。每减一次都要检查落点在不在 内。
练习(第 214 页)第 1 题
- 观察正弦曲线和余弦曲线,写出满足下列条件的 x 所在的区间:
(1) (2) (3) (4)
按定义读最快: 是终边与单位圆交点的纵坐标, 是横坐标。 纵坐标为正即终边在 轴上方,横坐标为正即终边在 轴右侧。 再把”一圈之内”的结论加上 推广到全体实数()。
-
(1) :终边在 轴上方,即
-
(2) :终边在 轴下方,即
-
(3) :终边在 轴右侧,即
-
(4) :终边在 轴左侧,即
四个区间都是开区间:端点处 或 恰好等于 ,不满足严格不等号。 一个也不能漏——每条都是无穷多段。
练习(第 214 页)第 2 题
- 求使下列函数取得最大值、最小值的自变量的集合,并求出最大值、最小值.
(1)
(2)
(1) 因为 ,所以 。
-
最大值 ,当且仅当 ,即 。自变量的集合是
-
最小值 ,当且仅当 ,即 。集合是
(2) 令 ,则 ,故
注意前面是减号,所以 取最小时 取最大。
-
最大值 ,当且仅当 ,即 ,解得 。集合是
-
最小值 ,当且仅当 ,即 ,解得 。集合是
核一遍: 时 , ✓; 时 , ✓。 另外这个函数的最小正周期是 ,与两个集合里的”每隔 出现一次”相符 ✓。
练习(第 214 页)第 3 题
- 下列关于函数 , 的单调性的叙述,正确的是( ).
(A) 在 上单调递增,在 上单调递减
(B) 在 上单调递增,在 上单调递减
(C) 在 及 上单调递增,在 上单调递减
(D) 在 上单调递增,在 及 上单调递减
答案:(C)。
系数 ,所以 的增减与 完全一致。在 这一整个周期上, 正弦曲线的走势是:从 上升到最高点 , 再下降穿过 到最低点 , 最后上升回到 。所以
正是选项 (C)。
逐个排除其余三项:
- (A) 错。它把分界点放在了 与 ,但 在 处就已经转向。 举反例: 而 , 故在 上并不递增。
- (B) 错。它的第一段”在 上单调递增”是对的, 但第二段”在 上单调递减”是错的—— 举反例: 而 , 那一段实为递增。有这一处说反就足以排除 (B)。 (它没有提到 这一段,但选项并没有声称自己列全了, 所以”没列全”本身不算错,真正的错因只有上面那一处。)
- (D) 错。它把增与减整体说反了。
这道题的关键动作:分界点是最高点与最低点的横坐标( 与 ), 不是零点(、、)。把这两个位置记牢,四个选项一眼可判。
练习(第 214 页)第 4 题
- 不通过求值,比较下列各组中两个三角函数值的大小:
(1) 与 ;
(2) 与 .
做法:把两个角化到同一个单调区间里,再用单调性比较。
(1) 先用余弦是偶函数把负角变正:
于是要比的是 与 。两个角都落在 内 (,), 而 在 上单调递减。
比较两个角的大小:,,故
由单调递减得
(2) 两个角 、 都落在 内, 而 在这一段上单调递减(这一段正是 取 )。
由 与单调递减得
两小问的共同动作:先把两个角搬到同一个单调区间里((1) 用偶性,(2) 本来就在同一段), 再比角的大小、按单调性翻成函数值的大小。区间选错、或忘了那一段是”递减”,答案就反了。
练习(第 214 页)第 5 题
- 求函数 , 的单调递减区间.
第一步:整体换元。 令 。系数 , 所以 随 同增同减,只要找 递减的那些 。
第二步:写出 的递减区间。
第三步:解回 。 把 代入:
三边同减 :
三边同除以 (,不等号方向不变):
第四步:与给定范围 取交集。 逐个 看:
- :,整段都落在 内 ✓;
- :,左端 ,与 无交 ✗;
- :,整段在 左边,无交 ✗;
- 时离得更远,同样无交。
所以所求的单调递减区间是 。
核一遍两端: 时 ,(最高点); 时 ,(最低点)—— 从最高点降到最低点,正是一段完整的递减 ✓。 再看区间外: 时 , 在这一段上递增,确实不该算进来 ✓。
这道题最容易漏的就是第四步取交集——不取交集就会把 、 那两段也写进答案。
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5.4.2 正弦函数、余弦函数的性质
探究
类比以往对函数性质的研究,你认为应研究正弦函数、余弦函数的哪些性质?观察它们的图象,你能发现它们具有哪些性质?
根据研究函数的经验,我们要研究正弦函数、余弦函数的单调性、奇偶性、最大(小)值等。另外,三角函数是刻画“周而复始”现象的数学模型,与此对应的性质是特别而重要的。
1. 周期性
观察正弦函数的图象,可以发现,在图象上,横坐标每隔 个单位长度,就会出现纵坐标相同的点,这就是正弦函数值具有的“周而复始”的变化规律。实际上,这一点既可从定义中看出,也能从诱导公式 中得到反映,即自变量 的值增加 整数倍时所对应的函数值,与 所对应的函数值相等。数学上,用周期性这个概念来定量地刻画这种“周而复始”的变化规律。
一般地,设函数 的定义域为 ,如果存在一个非零常数 ,使得对每一个 都有 ,且
那么函数 就叫做周期函数(periodic function)。非零常数 叫做这个函数的周期(period)。周期函数的周期不止一个。例如, 以及 都是正弦函数的周期。事实上, 且 ,常数 都是它的周期。
如果在周期函数 的所有周期中存在一个最小的正数,那么这个最小正数就叫做 的最小正周期.
根据上述定义,我们有:
正弦函数是周期函数, 且 都是它的周期,最小正周期是
类似地,余弦函数也是周期函数, 且 都是它的周期,最小正周期是 .
例 2 求下列函数的周期:
(1)
(2)
(3)
①证明从略. 同学们可以从函数图象上观察出这一结论. 今后本书中所涉及的周期, 如果不加特别说明, 一般都是指函数的最小正周期.
分析:通常可以利用三角函数的周期性,通过代数变形,得出等式 而求出相应的周期.
对于(2),应从余弦函数的周期性出发,通过代数变形得出 ;
对于(3),应从正弦函数的周期性出发,通过代数变形得出 , .
解:(1) ,有
由周期函数的定义可知,原函数的周期为 .
(2) 令 z=2x,由 得 ,且 的周期为 ,即
于是
所以
由周期函数的定义可知,原函数的周期为 .
(3) 令 ,由 得 ,且 的周期为 ,即
于是
所以
由周期函数的定义可知,原函数的周期为 .
思考
回顾例2的解答过程,你能发现这些函数的周期与解析式中哪些量有关吗?
2. 奇偶性
观察正弦曲线和余弦曲线,可以看到正弦曲线关于原点 对称,余弦曲线关于 轴对称。这个事实,也可由诱导公式
得到. 所以
正弦函数是奇函数,余弦函数是偶函数.
思考
知道一个函数具有周期性和奇偶性,对研究它的图象与性质有什么帮助?
练习
-
等式 是否成立?如果这个等式成立,能否说 是正弦函数 的一个周期?为什么?
-
求下列函数的周期,并借助信息技术画出下列函数的图象进行检验: (1) (2) (3) (4)
-
下列函数中,哪些是奇函数?哪些是偶函数? (1) ; (2) ; (3) ; (4) .
-
设函数 是以 2 为最小正周期的周期函数,且当 时,。求 , 的值。
探究与发现
函数 及函数 的周期
从前面的例子中可以看出,函数
及函数
(其中 为常数, 且 ) 的周期仅与自变量的系数有关. 那么, 如何用自变量的系数表示上述函数的周期呢?
事实上,令 ,那么由 得 ,且函数 , 及函数 , 的周期都是 .
因为
所以,自变量 增加 ,函数值就重复出现;并且增加量小于 时,函数值不会重复出现。即
是使等式
成立的最小正数. 从而, 函数
及函数
的周期 .
根据这个结论,我们可以由这类函数的解析式直接写出函数的周期.
想一想:上述求函数 , 及函数 , 周期的方法是否能推广到求一般周期函数的周期?即命题“如果函数 的周期是 T,那么函数 ( ) 的周期是 ”是否成立?
3. 单调性
根据正弦函数的周期性,我们可以先在它的一个周期的区间(如 )上讨论它的单调性,再利用它的周期性,将单调性扩展到整个定义域.
• •
观察图 5.4-8,可以看到:
根据三角函数的周期性,只要把握了它一个周期内的规律,就把握了整个三角函数的规律.
当 由 增大到 时,曲线逐渐上升, 的值由-1增大到1;当 由 增大到 时,曲线逐渐下降, 的值由1减小到-1.

的值的变化情况如表 5.4-2 所示:
这就是说,
正弦函数 在区间 上单调递增,在区间 上单调递减. 由正弦函数的周期性可得,
类似地,观察余弦函数在一个周期区间(如 )上函数值的变化规律,将看到的函数值的变化情况填入表5.4-3:
函数 , 在区间 ____ 上单调递增,其值从 -1 增大到 1;在区间 ____ 上单调递减,其值从 1 减小到 -1。
由余弦函数的周期性可得,
余弦函数在每一个闭区间 ____ 上都单调递增,其值从 -1 增大到 1;在每一个闭区间 ____ 上都单调递减,其值从 1 减小到 -1.
4. 最大值与最小值
从上述对正弦函数、余弦函数的单调性的讨论中容易得到,
正弦函数当且仅当 ____时取得最大值1,当且仅当 ____时取得最小值-1;
余弦函数当且仅当 ____时取得最大值1,当且仅当 ____时取得最小值-1.
例3 下列函数有最大值、最小值吗?如果有,请写出取最大值、最小值时自变量 的集合,并求出最大值、最小值.
(1)
(2)
解:容易知道,这两个函数都有最大值、最小值.
(1)使函数 , 取得最大值的 的集合,就是使函数 , 取得最大值的 的集合
使函数 , 取得最小值的 的集合,就是使函数 , 取得最小值的 的集合
函数 , 的最大值是 ;最小值是 .
(2) 令 ,使函数 , 取得最大值的 的集合,就是使 , 取得最小值的 的集合
由 ,得 。所以,使函数 , 取得最大值的 的集合是
同理,使函数 取得最小值的 x 的集合是
函数 的最大值是 3,最小值是 -3.
例 4 不通过求值,比较下列各组数的大小:
(1) 与 ; (2) 与 .
分析:可利用三角函数的单调性比较两个同名三角函数值的大小。为此,先用诱导公式将已知角化为同一单调区间内的角,然后再比较大小。
解:(1) 因为
正弦函数 在区间 上单调递增,所以
(2)
因为 ,且函数 在区间 上单调递减,所以
即
你能借助单位圆直观地比较上述两对函数值的大小吗?试一试.
例 5 求函数 , 的单调递增区间.
分析:令 ,当自变量 的值增大时, 的值也随之增大,因此若函数 在某个区间上单调递增,则函数 在相应的区间上也一定单调递增.
解:令 ,则 .
因为 的单调递增区间是 ,且由
得 .
所以,函数 的单调递增区间是 .
思考
你能求出函数 , 的单调递增区间吗?
练习
-
观察正弦曲线和余弦曲线,写出满足下列条件的 x 所在的区间: (1) (2) (3) (4)
-
求使下列函数取得最大值、最小值的自变量的集合,并求出最大值、最小值. (1) (2)
-
下列关于函数 , 的单调性的叙述,正确的是( ).
(A) 在 上单调递增,在 上单调递减
(B) 在 上单调递增,在 上单调递减
(C) 在 及 上单调递增,在 上单调递减
(D) 在 上单调递增,在 及 上单调递减
- 不通过求值,比较下列各组中两个三角函数值的大小:
(1) 与 ;
(2) 与 .
- 求函数 , 的单调递减区间.
探究与发现
利用单位圆的性质研究正弦函数、余弦函数的性质
根据三角函数的定义可知,“单位圆上点的坐标就是三角函数”。因此,单位圆的性质与三角函数的性质有天然的联系,单位圆是研究三角函数性质的好工具。例如,借助单位圆的对称性可以方便地得到诱导公式。借助单位圆研究三角函数的性质体现了数形结合的思想方法,有利于从整体上把握三角函数。
如图1,在直角坐标系 中,角 的顶点与原点重合,始边与 轴重合,终边与单位圆交于点 。容易发现,当角 的终边绕原点从 轴的正半轴开始,按照逆时针方向旋转时,点 的横坐标按照
的规律连续地、周而复始地变化;同时,纵坐标按照
