5.6.2 函数 y=Asin⁡(ωx+φ)y = A\sin \left( {\omega x + \varphi }\right) 的图象

人教 A 版 · 本节 10 页原书扫描(原文)+ 本站重写的讲解与习题详解考过 5 题 ↓

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本节的知识树

2 概念 · 1 公式 · 最深 3 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 5 道

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。

这一小节回答一个问题:从正弦曲线 y=sin⁡xy=\sin x 出发,怎样一步一步变出 y=Asin⁡(ωx+φ)y = A\sin(\omega x+\varphi)的图象? 三个参数各管一件事,互不干扰:

A 管高矮(振幅),ω 管疏密(周期),φ 管左右(相位).A\ \text{管高矮(振幅)}, \qquad \omega\ \text{管疏密(周期)}, \qquad \varphi\ \text{管左右(相位)}.

难点不在记住这三句,在平移量到底是多少——那是全节唯一会算错的地方。

一、三种变换,各自的规则

设 A>0A>0、ω>0\omega>0。

① 相位变换(左右平移):y=sin⁡x→y=sin⁡(x+φ)y = \sin x \to y = \sin(x+\varphi)。 把图象上所有点向左(φ>0\varphi>0)或向右(φ<0\varphi<0)平移 ∣φ∣|\varphi| 个单位长度。 口诀 “左加右减”——加正数往左,减正数往右。

② 周期变换(横向伸缩):y=sin⁡x→y=sin⁡ωxy = \sin x \to y = \sin\omega x。 把所有点的横坐标变为原来的 1ω\frac{1}{\omega} 倍(纵坐标不变)。 ω>1\omega>1 时图象被压密(周期变小),0<ω<10<\omega<1 时被拉疏(周期变大)。 新周期 T=2πωT = \frac{2\pi}{\omega}。

③ 振幅变换(纵向伸缩):y=sin⁡x→y=Asin⁡xy = \sin x \to y = A\sin x。 把所有点的纵坐标变为原来的 AA 倍(横坐标不变)。值域从 [−1,1][-1,1] 变成 [−A,A][-A, A]。

二、两条路,同一个终点——但平移量不同

从 y=sin⁡xy=\sin x 到 y=sin⁡(ωx+φ)y = \sin(\omega x + \varphi) 有两条常走的路,平移量不一样,这是本节最大的坑:

路线一:先平移,后伸缩。

y=sin⁡x → 左移 φ  y=sin⁡(x+φ) → 横坐标变为原来的 1ω  y=sin⁡(ωx+φ).y = \sin x \ \xrightarrow{\ \text{左移 } \varphi\ } \ y = \sin(x+\varphi) \ \xrightarrow{\ \text{横坐标变为原来的 } \frac1\omega\ } \ y = \sin(\omega x + \varphi).

这一路的平移量是 φ\varphi。

路线二:先伸缩,后平移。

y=sin⁡x → 横坐标变为原来的 1ω  y=sin⁡ωx → 左移 φω  y=sin⁡[ω(x+φω)]=sin⁡(ωx+φ).y = \sin x \ \xrightarrow{\ \text{横坐标变为原来的 } \frac1\omega\ } \ y = \sin\omega x \ \xrightarrow{\ \text{左移 } \frac{\varphi}{\omega}\ } \ y = \sin\left[\omega\left(x+\frac{\varphi}{\omega}\right)\right] = \sin(\omega x+\varphi).

这一路的平移量是 φω\frac{\varphi}{\omega}。

为什么不一样:平移永远是对自变量 xx 本身做的,而伸缩之后 xx 前面多了个系数 ω\omega, 所以同样要让括号里多出 φ\varphi,xx 只需挪 φω\frac{\varphi}{\omega}。 判断的办法只有一个:把变换后的式子写出来,看括号里是不是要的那个。 “平移 φ\varphi 还是 φω\frac{\varphi}{\omega}“这个问题在高考里几乎年年出现。

还有一种情形,坑埋在动手之前:两条曲线连名字都不一样。 上面两条路线都假定了两边同名(都是正弦), 可题目常给成「由 y=2cos⁡3xy=\sqrt{2}\cos 3x 的图象怎样得到 y=sin⁡3x+cos⁡3xy=\sin 3x+\cos 3x 的图象」—— 一边是余弦,一边是 sin⁡\sin 与 cos⁡\cos 的和,相位差根本无从谈起,减都减不出来。 这时第一步不是平移,是先把两条曲线合成同一个名字。

而且往哪个名字上合,不是审美问题:往起点已经有的那个名字上合,能省一步、少一个坑。 起点是余弦,就把目标也合成余弦:

sin⁡3x+cos⁡3x=2cos⁡ ⁣(3x−π4)=2cos⁡ ⁣[3(x−π12)],\sin 3x+\cos 3x=\sqrt{2}\cos\!\Big(3x-\frac{\pi}{4}\Big)=\sqrt{2}\cos\!\Big[3\Big(x-\frac{\pi}{12}\Big)\Big],

与 y=2cos⁡3xy=\sqrt{2}\cos 3x 一比,xx 换成了 x−π12x-\frac{\pi}{12},向右平移 π12\frac{\pi}{12},一步读完。 若偏要合成正弦,那么起点自己也得跟着改写一遍—— 2cos⁡3x=2sin⁡(3x+π2)=2sin⁡[3(x+π6)]\sqrt{2}\cos 3x=\sqrt{2}\sin\big(3x+\frac{\pi}{2}\big)=\sqrt{2}\sin\big[3\big(x+\frac{\pi}{6}\big)\big], 再与目标 2sin⁡[3(x+π12)]\sqrt{2}\sin\big[3\big(x+\frac{\pi}{12}\big)\big] 比。 漏掉起点这一行、拿目标去跟 2sin⁡3x\sqrt{2}\sin 3x 比,就会把向右读成向左——方向恰好反掉。

最后再乘上 AA(纵向伸缩),就得到 y=Asin⁡(ωx+φ)y = A\sin(\omega x+\varphi)。

三、五点法:画一个周期的简图

画 y=Asin⁡(ωx+φ)y = A\sin(\omega x+\varphi) 在一个周期上的简图,用五点法最快: 让 u=ωx+φu = \omega x+\varphi 依次取

0,π2,π,3π2,2π,0, \quad \frac{\pi}{2}, \quad \pi, \quad \frac{3\pi}{2}, \quad 2\pi,

每个 uu 解出对应的 xx,纵坐标依次是 0, A, 0, −A, 00,\ A,\ 0,\ -A,\ 0。五个点连成一条光滑曲线即可。 这五个点就是”零点—最高点—零点—最低点—零点”,把它们的横坐标算准,图形就定了。

四、由图象求解析式:四步

给一段图象反求 y=Asin⁡(ωx+φ)y = A\sin(\omega x+\varphi),按下面的顺序做,一步定一个参数:

  1. AA 看高度:A=最高点纵坐标−最低点纵坐标2A = \frac{\text{最高点纵坐标} - \text{最低点纵坐标}}{2}(若图象上下对称于 xx 轴, 就是最高点的纵坐标)。
  2. ω\omega 看周期:从图上量出周期 TT(相邻两个最高点的水平距离, 或最高点到最低点的水平距离的 22 倍),再由 ω=2πT\omega = \frac{2\pi}{T} 得到。
  3. φ\varphi 用一个特殊点定:把最高点(此时 ωx+φ=π2\omega x+\varphi = \frac{\pi}{2})或 某个零点代进去解出 φ\varphi。
  4. 用给定的范围筛 φ\varphi(题目常给 0<φ<π0<\varphi<\pi 或 ∣φ∣<π2|\varphi|<\frac{\pi}{2}), 并回代验一个点。

第 3 步用最高点比用零点稳:零点有”上升零点”与”下降零点”两种,代错了 φ\varphi 会差 π\pi。

五、易错清单

按失分频率排:

  1. 平移量算错(第二节)。先伸缩后平移时平移量是 φω\frac{\varphi}{\omega},不是 φ\varphi。
  2. “横坐标变为原来的 1ω\frac{1}{\omega} 倍”说成”变为 ω\omega 倍”。 ω=2\omega=2 时图象是被压扁, 横坐标缩到一半。
  3. 平移的方向记反。 记”左加右减”,且加减是加在 xx 上,不是加在整个 ωx\omega x 上。
  4. 变换带着定义域时忘了定义域也跟着动。 y=sin⁡(x+π12)y=\sin\left(x+\frac{\pi}{12}\right)(x⩾0x \geqslant 0) 对应的是正弦曲线上 x⩾π12x \geqslant \frac{\pi}{12} 那一段左移之后的图象。
  5. 由图象求 φ\varphi 时不用给定范围筛。 解出的 φ\varphi 有无穷多个,要取落在范围里的那一个。
  6. 周期量成了半个。 最高点到最低点的水平距离是 T2\frac{T}{2},不是 TT。
  7. 两条曲线名字不同,却直接去减相位。 一边正弦一边余弦(或一边是 sin⁡\sin 与 cos⁡\cos 的和)时, 得先合成同一个名字;合成时起点与目标两边都要落到那个名字上,只改写一边就会把方向读反。

六、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。本节的正题是这两道:

  • 2022 年第 6 题(三角函数图象的平移):题面给出两个函数、问要平移多少。 这道题正是第二节那个坑的原样考法——相位差是 π5\frac{\pi}{5},但平移量要除以 ω=3\omega = 3, 所以答案是 π15\frac{\pi}{15} 而不是 π5\frac{\pi}{5}。 算平移量时,把变换后的解析式写出来核一遍,比记口诀可靠。
  • 2014 年第 4 题(由 y=2cos⁡3xy=\sqrt{2}\cos 3x 得到 y=sin⁡3x+cos⁡3xy=\sin 3x+\cos 3x):同一个坑,外面多包了一层—— 两条曲线名字不同,得先合成同一个名字(第二节末尾那一段)。合成余弦一步就读出向右 π12\frac{\pi}{12}; 合成正弦则起点也要改写成 2sin⁡[3(x+π6)]\sqrt{2}\sin\big[3\big(x+\frac{\pi}{6}\big)\big],漏了就落到「向左 π12\frac{\pi}{12}」那个选项。 这道题的四个选项正好把「大小」与「方向」两维各错一次,可以拿来自检。

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 11 道:第 246 页「练习」4 道、第 247–248 页「习题 5.6」7 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。

有三道题要求”画出简图”。本站的详解不代画,而是把五点法的那五个点算出来列成表, 读者照着描点连线即可(这也正是课本要求的画法)。

下文反复用到的三条变换规则(A>0A>0,ω>0\omega>0): y=sin⁡(x+φ)y=\sin(x+\varphi) 是把 y=sin⁡xy=\sin x 向左(φ>0\varphi>0)平移 ∣φ∣|\varphi| 个单位; y=sin⁡ωxy=\sin\omega x 是把横坐标变为原来的 1ω\frac{1}{\omega} 倍; y=Asin⁡xy=A\sin x 是把纵坐标变为原来的 AA 倍。 每道题先逐字引课本的题面(引用块),再写解答。

练习(第 246 页)第 1 题

  1. 画出下列函数在长度为一个周期的闭区间上的简图,并用信息技术检验:

(1) y=12sin⁡x;y=\frac{1}{2}\sin x;

(2) y=sin⁡3x;y=\sin 3x;

(3) y=sin⁡(x−π3);y=\sin\left(x-\frac{\pi}{3}\right);

(4) y=2sin⁡(2x−π4).y=2\sin\left(2x-\frac{\pi}{4}\right).

统一用五点法:令括号里的整体 uu 依次取 0,π2,π,3π2,2π0, \frac{\pi}{2}, \pi, \frac{3\pi}{2}, 2\pi, 解出对应的 xx,纵坐标依次是 0, A, 0, −A, 00,\ A,\ 0,\ -A,\ 0。

(1) y=12sin⁡xy = \frac12\sin x,A=12A=\frac12,T=2πT = 2\pi。 取一个周期 [0,2π][0, 2\pi]:

xx00π2\dfrac{\pi}{2}π\pi3π2\dfrac{3\pi}{2}2π2\pi
yy0012\dfrac1200−12-\dfrac1200

图象就是正弦曲线纵坐标压到一半的样子(最高 12\frac12、最低 −12-\frac12)。

(2) y=sin⁡3xy = \sin3x,A=1A=1,T=2π3T = \frac{2\pi}{3}。 由 3x=0,π2,π,3π2,2π3x = 0,\frac{\pi}{2},\pi,\frac{3\pi}{2},2\pi 解得 x=0,π6,π3,π2,2π3x = 0,\frac{\pi}{6},\frac{\pi}{3},\frac{\pi}{2},\frac{2\pi}{3},取一个周期 [0,2π3]\left[0,\frac{2\pi}{3}\right]:

xx00π6\dfrac{\pi}{6}π3\dfrac{\pi}{3}π2\dfrac{\pi}{2}2π3\dfrac{2\pi}{3}
yy001100−1-100

图象是正弦曲线横向压到原来的 13\frac13。

(3) y=sin⁡(x−π3)y = \sin\left(x-\frac{\pi}{3}\right),A=1A=1,T=2πT=2\pi。 由 x−π3=0,π2,π,3π2,2πx - \frac{\pi}{3} = 0,\frac{\pi}{2},\pi,\frac{3\pi}{2},2\pi 解得 x=π3,5π6,4π3,11π6,7π3x = \frac{\pi}{3},\frac{5\pi}{6},\frac{4\pi}{3},\frac{11\pi}{6},\frac{7\pi}{3}, 取一个周期 [π3,7π3]\left[\frac{\pi}{3}, \frac{7\pi}{3}\right]:

xxπ3\dfrac{\pi}{3}5π6\dfrac{5\pi}{6}4π3\dfrac{4\pi}{3}11π6\dfrac{11\pi}{6}7π3\dfrac{7\pi}{3}
yy001100−1-100

图象是正弦曲线向右平移 π3\frac{\pi}{3}。

(4) y=2sin⁡(2x−π4)y = 2\sin\left(2x-\frac{\pi}{4}\right),A=2A=2,T=2π2=πT = \frac{2\pi}{2} = \pi。 由 2x−π4=0,π2,π,3π2,2π2x-\frac{\pi}{4} = 0,\frac{\pi}{2},\pi,\frac{3\pi}{2},2\pi 解得 2x=π4,3π4,5π4,7π4,9π42x = \frac{\pi}{4},\frac{3\pi}{4},\frac{5\pi}{4},\frac{7\pi}{4},\frac{9\pi}{4},即 x=π8,3π8,5π8,7π8,9π8x = \frac{\pi}{8},\frac{3\pi}{8},\frac{5\pi}{8},\frac{7\pi}{8},\frac{9\pi}{8}, 取一个周期 [π8,9π8]\left[\frac{\pi}{8},\frac{9\pi}{8}\right]:

xxπ8\dfrac{\pi}{8}3π8\dfrac{3\pi}{8}5π8\dfrac{5\pi}{8}7π8\dfrac{7\pi}{8}9π8\dfrac{9\pi}{8}
yy002200−2-200

核一遍每张表的周期:末列与首列的横坐标之差依次是 2π2\pi、2π3\frac{2\pi}{3}、2π2\pi、π\pi, 与各自的 T=2π∣ω∣T = \frac{2\pi}{|\omega|} 相符 ✓。

练习(第 246 页)第 2 题

  1. 已知函数 y=3sin⁡(x+π5)y = 3\sin \left(x + \frac{\pi}{5}\right) 的图象为 CC.

(1) 为了得到函数 y=3sin⁡(x−π5)y = 3\sin \left(x - \frac{\pi}{5}\right) 的图象,只要把 CC 上所有的点().

(A) 向右平行移动 π5\frac{\pi}{5} 个单位长度 (B) 向左平行移动 π5\frac{\pi}{5} 个单位长度

(C) 向右平行移动 2π5\frac{2\pi}{5} 个单位长度 (D) 向左平行移动 2π5\frac{2\pi}{5} 个单位长度

(2) 为了得到函数 y=3sin⁡(2x+π5)y=3\sin\left(2x+\frac{\pi}{5}\right) 的图象,只要把 C 上所有的点().

(A)横坐标伸长到原来的2倍,纵坐标不变

(B)横坐标缩短到原来的 12\frac{1}{2} ,纵坐标不变

(C)纵坐标伸长到原来的2倍,横坐标不变

(D) 纵坐标缩短到原来的 12\frac{1}{2} ,横坐标不变

(3) 为了得到函数 y=4sin⁡(x+π5)y = 4\sin \left( x + \frac{\pi}{5} \right) 的图象, 只要把 CC 上所有的点 ( ). (A) 横坐标伸长到原来的 43\frac{4}{3} 倍, 纵坐标不变 (B) 横坐标缩短到原来的 34\frac{3}{4} , 纵坐标不变 (C) 纵坐标伸长到原来的 43\frac{4}{3} 倍, 横坐标不变 (D) 纵坐标缩短到原来的 34\frac{3}{4} , 横坐标不变

做法:把”平移 aa 个单位”写成代换 x→x∓ax \to x \mp a,代进 CC 的解析式,看能不能得到目标式子。

(1) 选 (C)。 把 CC:y=3sin⁡(x+π5)y = 3\sin\left(x+\frac{\pi}{5}\right) 向右平移 aa(a>0a>0)个单位, 得到的是把 xx 换成 x−ax-a:

y=3sin⁡((x−a)+π5)=3sin⁡(x+π5−a).y = 3\sin\left((x-a) + \frac{\pi}{5}\right) = 3\sin\left(x + \frac{\pi}{5} - a\right).

要它等于 3sin⁡(x−π5)3\sin\left(x-\frac{\pi}{5}\right),相位只需相差 2π2\pi 的整数倍:

π5−a=−π5+2kπ⟹a=2π5−2kπ, k∈Z,\frac{\pi}{5} - a = -\frac{\pi}{5} + 2k\pi \quad \Longrightarrow \quad a = \frac{2\pi}{5} - 2k\pi,\ k \in \mathbf{Z},

取最小正平移量 a=2π5a = \frac{2\pi}{5},对照选项即 (C)。

关键在”两个相位相差多少”:从 +π5+\frac{\pi}{5} 到 −π5-\frac{\pi}{5} 差了 2π5\frac{2\pi}{5}, 不是 π5\frac{\pi}{5}——这正是这一小问设的坑。

(2) 选 (B)。 把 CC 上所有点的横坐标缩短到原来的 12\frac12,就是把 xx 换成 2x2x:

y=3sin⁡(2x+π5),y = 3\sin\left(2x + \frac{\pi}{5}\right),

正是目标。(横坐标”伸长到 22 倍”对应换成 x2\frac{x}{2},得 3sin⁡(x2+π5)3\sin\left(\frac{x}{2}+\frac{\pi}{5}\right),不对; 纵坐标的伸缩只改振幅 33,与括号无关,(C)(D) 都不对。)

(3) 选 (C)。 两个式子只差振幅:3→43 \to 4,即纵坐标乘以 43\frac{4}{3}。 把 CC 上所有点的纵坐标伸长到原来的 43\frac43 倍,得

y=43⋅3sin⁡(x+π5)=4sin⁡(x+π5),y = \frac43 \cdot 3\sin\left(x+\frac{\pi}{5}\right) = 4\sin\left(x+\frac{\pi}{5}\right),

正是目标。(横坐标的伸缩会改周期,而两式周期都是 2π2\pi,所以 (A)(B) 都不对。)

练习(第 246 页)第 3 题

  1. 函数 y=23sin⁡(12x−π4)y = \frac{2}{3}\sin \left(\frac{1}{2} x - \frac{\pi}{4}\right) 的图象与正弦曲线有什么关系?

三个参数是 A=23A = \frac23、ω=12\omega = \frac12、φ=−π4\varphi = -\frac{\pi}{4}。 下面给出两条常走的路,终点相同,中间的平移量不同。

路线一:先平移,后伸缩。

  1. 把 y=sin⁡xy=\sin x 上所有点向右平移 π4\frac{\pi}{4} 个单位,得 y=sin⁡(x−π4)y = \sin\left(x-\frac{\pi}{4}\right);
  2. 再把所有点的横坐标伸长到原来的 22 倍(纵坐标不变),得 y=sin⁡(x2−π4)y = \sin\left(\frac{x}{2}-\frac{\pi}{4}\right);
  3. 再把所有点的纵坐标缩短到原来的 23\frac23(横坐标不变),得 y=23sin⁡(x2−π4)y = \frac23\sin\left(\frac{x}{2}-\frac{\pi}{4}\right)。

路线二:先伸缩,后平移。

  1. 把 y=sin⁡xy=\sin x 上所有点的横坐标伸长到原来的 22 倍,得 y=sin⁡x2y = \sin\frac{x}{2};

  2. 再向右平移 π2\frac{\pi}{2} 个单位(注意不是 π4\frac{\pi}{4}),得

    y=sin⁡x−π22=sin⁡(x2−π4);y = \sin\frac{x-\frac{\pi}{2}}{2} = \sin\left(\frac{x}{2}-\frac{\pi}{4}\right);

  3. 再把纵坐标缩短到原来的 23\frac23,得 y=23sin⁡(x2−π4)y = \frac23\sin\left(\frac{x}{2}-\frac{\pi}{4}\right)。

两条路的平移量为什么不同:平移是对 xx 本身做的。路线二里 xx 前面已经有了系数 12\frac12, 要让括号里多出 −π4-\frac{\pi}{4},xx 得挪 π4÷12=π2\frac{\pi}{4} \div \frac12 = \frac{\pi}{2}。 判断办法:把变换后的式子写出来核一遍,不要只凭口诀。

顺带读出这个函数的两个量:振幅 23\frac23,最小正周期 T=2π1/2=4πT = \frac{2\pi}{1/2} = 4\pi。

练习(第 246 页)第 4 题

  1. 函数 y=sin⁡(x+π12)y = \sin \left(x + \frac{\pi}{12}\right),x∈[0,+∞)x \in \left[0, +\infty\right) 的图象与正弦曲线有什么关系?

关系:把正弦曲线 y=sin⁡xy=\sin x 上横坐标不小于 π12\frac{\pi}{12} 的那一段(即 x′⩾π12x' \geqslant \frac{\pi}{12} 的部分)向左平移 π12\frac{\pi}{12} 个单位,就得到本题的图象。

推一遍。 设平移前正弦曲线上的点是 (x′,sin⁡x′)(x', \sin x'),把它向左平移 π12\frac{\pi}{12} 后, 横坐标变成 x=x′−π12x = x' - \frac{\pi}{12}、纵坐标不变,于是新点满足

y=sin⁡x′=sin⁡(x+π12),y = \sin x' = \sin\left(x + \frac{\pi}{12}\right),

正是本题的解析式。再看定义域:本题要求新点的 x⩾0x \geqslant 0, 即 x′−π12⩾0x' - \frac{\pi}{12} \geqslant 0,也就是 x′⩾π12x' \geqslant \frac{\pi}{12}—— 所以取的是正弦曲线上 x′⩾π12x' \geqslant \frac{\pi}{12} 的那一段,而不是整条曲线。

核一个点:本题图象上 x=0x=0 处的纵坐标是 sin⁡π12\sin\frac{\pi}{12}; 它由正弦曲线上 (π12, sin⁡π12)\left(\frac{\pi}{12},\ \sin\frac{\pi}{12}\right) 左移 π12\frac{\pi}{12} 得到 ✓。

这道题考的就是”变换要带着定义域一起走”:图象整体左移时,定义域的端点也跟着左移。

习题 5.6 第 1 题

  1. 选择题

(1) 为了得到函数 y=cos⁡(x+13)y = \cos \left( x + \frac{1}{3} \right) 的图象,只需把余弦曲线上所有的点().

(A) 向左平行移动 π3\frac{\pi}{3} 个单位长度

(B) 向右平行移动 π3\frac{\pi}{3} 个单位长度

(C) 向左平行移动 13\frac{1}{3} 个单位长度

(D) 向右平行移动 13\frac{1}{3} 个单位长度

(2) 为了得到函数 y=cos⁡x5y = \cos \frac{x}{5} 的图象,只需把余弦曲线上所有的点().

(A)横坐标伸长到原来的5倍,纵坐标不变

(B)横坐标缩短到原来的 15\frac{1}{5} ,纵坐标不变

(C)纵坐标伸长到原来的5倍,横坐标不变

(D) 纵坐标缩短到原来的 15\frac{1}{5} ,横坐标不变

(3) 为了得到函数 y=14cos⁡xy = \frac{1}{4}\cos x 的图象, 只需把余弦曲线上所有的点 ( ). (A) 横坐标伸长到原来的 4 倍, 纵坐标不变 (B) 横坐标缩短到原来的 14\frac{1}{4}, 纵坐标不变 (C) 纵坐标伸长到原来的 4 倍, 横坐标不变 (D) 纵坐标缩短到原来的 14\frac{1}{4}, 横坐标不变

(1) 选 (C)。 把余弦曲线 y=cos⁡xy=\cos x 向左平移 aa(a>0a>0)个单位,就是把 xx 换成 x+ax+a:

y=cos⁡(x+a).y = \cos(x+a).

要它等于 cos⁡(x+13)\cos\left(x+\frac13\right),需 a=13a = \frac13,即向左平移 13\frac13 个单位长度。

这里的 13\frac13 是一个实数,不是 π3\frac{\pi}{3}——横轴上的单位长度就是 11, 括号里加的是几就平移几。(A)(B) 把 13\frac13 误当成 π3\frac{\pi}{3},(D) 方向反了。

(2) 选 (A)。 把横坐标伸长到原来的 55 倍,就是把 xx 换成 x5\frac{x}{5}:

y=cos⁡x5,y = \cos\frac{x}{5},

正是目标。(ω=15<1\omega = \frac15 < 1,图象被拉疏,周期从 2π2\pi 变成 10π10\pi,所以是”伸长”。)

(3) 选 (D)。 把纵坐标缩短到原来的 14\frac14,就是把 yy 乘以 14\frac14:

y=14cos⁡x,y = \frac14\cos x,

正是目标。(振幅从 11 变成 14\frac14,是纵向的事,与横坐标无关。)

三小问对照着看:(1) 改的是相位(左右平移),(2) 改的是周期(横向伸缩), (3) 改的是振幅(纵向伸缩)——三个参数各管一件事,互不干扰。

习题 5.6 第 2 题

  1. 画出下列函数在长度为一个周期的闭区间上的简图,并用信息技术检验:

(1) y=4sin⁡12x;y=4\sin\frac{1}{2}x;

(2) y=12cos⁡3x;y=\frac{1}{2}\cos3x;

(3) y=3sin⁡(2x+π6);y=3\sin\left(2x+\frac{\pi}{6}\right);

(4) y=2cos⁡(12x−π4).y=2\cos\left(\frac{1}{2}x-\frac{\pi}{4}\right).

仍用五点法。正弦型的五个关键值取 u=0,π2,π,3π2,2πu = 0,\frac{\pi}{2},\pi,\frac{3\pi}{2},2\pi(对应 0,A,0,−A,00,A,0,-A,0); 余弦型的五个关键值同样取这五个 uu,但对应的纵坐标依次是 A,0,−A,0,AA,0,-A,0,A。

(1) y=4sin⁡x2y = 4\sin\frac{x}{2}:A=4A=4,T=2π1/2=4πT = \frac{2\pi}{1/2} = 4\pi。 由 x2=0,π2,π,3π2,2π\frac{x}{2} = 0,\frac{\pi}{2},\pi,\frac{3\pi}{2},2\pi 得 x=0,π,2π,3π,4πx = 0,\pi,2\pi,3\pi,4\pi:

xx00π\pi2π2\pi3π3\pi4π4\pi
yy004400−4-400

(2) y=12cos⁡3xy = \frac12\cos3x:A=12A=\frac12,T=2π3T = \frac{2\pi}{3}。 由 3x=0,π2,π,3π2,2π3x = 0,\frac{\pi}{2},\pi,\frac{3\pi}{2},2\pi 得 x=0,π6,π3,π2,2π3x = 0,\frac{\pi}{6},\frac{\pi}{3},\frac{\pi}{2},\frac{2\pi}{3}:

xx00π6\dfrac{\pi}{6}π3\dfrac{\pi}{3}π2\dfrac{\pi}{2}2π3\dfrac{2\pi}{3}
yy12\dfrac1200−12-\dfrac120012\dfrac12

(3) y=3sin⁡(2x+π6)y = 3\sin\left(2x+\frac{\pi}{6}\right):A=3A=3,T=πT = \pi。 由 2x+π6=0,π2,π,3π2,2π2x+\frac{\pi}{6} = 0,\frac{\pi}{2},\pi,\frac{3\pi}{2},2\pi 得 2x=−π6,π3,5π6,4π3,11π62x = -\frac{\pi}{6},\frac{\pi}{3},\frac{5\pi}{6},\frac{4\pi}{3},\frac{11\pi}{6},即 x=−π12,π6,5π12,2π3,11π12x = -\frac{\pi}{12},\frac{\pi}{6},\frac{5\pi}{12},\frac{2\pi}{3},\frac{11\pi}{12}:

xx−π12-\dfrac{\pi}{12}π6\dfrac{\pi}{6}5π12\dfrac{5\pi}{12}2π3\dfrac{2\pi}{3}11π12\dfrac{11\pi}{12}
yy003300−3-300

(4) y=2cos⁡(x2−π4)y = 2\cos\left(\frac{x}{2}-\frac{\pi}{4}\right):A=2A=2,T=2π1/2=4πT = \frac{2\pi}{1/2} = 4\pi。 由 x2−π4=0,π2,π,3π2,2π\frac{x}{2}-\frac{\pi}{4} = 0,\frac{\pi}{2},\pi,\frac{3\pi}{2},2\pi 得 x2=π4,3π4,5π4,7π4,9π4\frac{x}{2} = \frac{\pi}{4},\frac{3\pi}{4},\frac{5\pi}{4},\frac{7\pi}{4},\frac{9\pi}{4},即 x=π2,3π2,5π2,7π2,9π2x = \frac{\pi}{2},\frac{3\pi}{2},\frac{5\pi}{2},\frac{7\pi}{2},\frac{9\pi}{2}:

xxπ2\dfrac{\pi}{2}3π2\dfrac{3\pi}{2}5π2\dfrac{5\pi}{2}7π2\dfrac{7\pi}{2}9π2\dfrac{9\pi}{2}
yy2200−2-20022

核一遍四张表的周期:末列减首列依次是 4π4\pi、2π3\frac{2\pi}{3}、π\pi、4π4\pi, 与 T=2π∣ω∣T = \frac{2\pi}{|\omega|} 逐条相符 ✓。

习题 5.6 第 3 题

  1. 说明下列函数的图象可由正弦曲线经过怎样的变换得到(注意定义域):

(1) y=8sin⁡(x4−π8)y=8\sin\left(\frac{x}{4}-\frac{\pi}{8}\right) , x∈[0,+∞)x\in[0,+\infty) ;

(2) y=13sin⁡(3x+π7)y=\frac{1}{3}\sin\left(3x+\frac{\pi}{7}\right) , x∈[0,+∞)x\in[0,+\infty) .

题目特意提醒”注意定义域”,所以每一步都要交代定义域怎么跟着变。 下面都按”先平移、后伸缩、最后改振幅”这一条路线写。

(1) y=8sin⁡(x4−π8)y = 8\sin\left(\frac{x}{4}-\frac{\pi}{8}\right),x⩾0x \geqslant 0。

  1. 把 y=sin⁡xy = \sin x(x∈Rx \in \mathbf{R})向右平移 π8\frac{\pi}{8} 个单位, 得 y=sin⁡(x−π8)y = \sin\left(x-\frac{\pi}{8}\right);
  2. 再把横坐标伸长到原来的 44 倍(纵坐标不变),得 y=sin⁡(x4−π8)y = \sin\left(\frac{x}{4}-\frac{\pi}{8}\right);
  3. 再把纵坐标伸长到原来的 88 倍(横坐标不变),得 y=8sin⁡(x4−π8)y = 8\sin\left(\frac{x}{4}-\frac{\pi}{8}\right);
  4. 最后只保留 x⩾0x \geqslant 0 的那一部分。

定义域怎么走:直接看括号里那个整体。x⩾0x \geqslant 0 时

x4−π8⩾−π8,\frac{x}{4}-\frac{\pi}{8} \geqslant -\frac{\pi}{8},

而括号里的整体正是原正弦曲线的自变量,所以整条变换链用到的是正弦曲线上自变量不小于 −π8-\frac{\pi}{8} 的那一段,x<0x<0 对应的那部分要去掉。

(2) y=13sin⁡(3x+π7)y = \frac13\sin\left(3x+\frac{\pi}{7}\right),x⩾0x\geqslant0。

  1. 把 y=sin⁡xy=\sin x 向左平移 π7\frac{\pi}{7} 个单位,得 y=sin⁡(x+π7)y = \sin\left(x+\frac{\pi}{7}\right);
  2. 再把横坐标缩短到原来的 13\frac13,得 y=sin⁡(3x+π7)y = \sin\left(3x+\frac{\pi}{7}\right);
  3. 再把纵坐标缩短到原来的 13\frac13,得 y=13sin⁡(3x+π7)y = \frac13\sin\left(3x+\frac{\pi}{7}\right);
  4. 最后只保留 x⩾0x \geqslant 0 的那一部分。

同样地,x⩾0x \geqslant 0 时 3x+π7⩾π73x+\frac{\pi}{7} \geqslant \frac{\pi}{7}, 所以用到的是正弦曲线上自变量不小于 π7\frac{\pi}{7} 的那一段。

两小问的对照:(1) 的 ω=14<1\omega = \frac14 < 1,横向伸长、周期变大(T=8πT = 8\pi); (2) 的 ω=3>1\omega = 3 > 1,横向缩短、周期变小(T=2π3T = \frac{2\pi}{3})。 若换成”先伸缩后平移”的路线,平移量要分别改成 π8÷14=π2\frac{\pi}{8} \div \frac14 = \frac{\pi}{2}与 π7÷3=π21\frac{\pi}{7} \div 3 = \frac{\pi}{21}——这一点每次都要重新算。

习题 5.6 第 4 题

  1. 函数 y=Asin⁡(ωx+φ)(A>0,ω>0,0<φ<π)y = A \sin(\omega x + \varphi) (A > 0, \omega > 0, 0 < \varphi < \pi) 在一个周期内的图象如图所示,此函数的解析式为 ____.

(第4题)

题面里的”如图”是本节页面上方第 248 页扫描图里第 4 题那一幅,引文已逐字带上。 先把图上读到的条件列出来(读者可对着那张图核):

  1. 纵轴上标了 22 与 −2-2,曲线的最高点纵坐标是 22、最低点纵坐标是 −2-2;
  2. 最高点的横坐标是 −π12-\dfrac{\pi}{12}(图上用虚线标出);
  3. 最低点的横坐标是 5π12\dfrac{5\pi}{12}(图上用虚线标出)。

以下只用这三条读数。

第一步:定 AA。 由读数 1,A=2A = 2。

第二步:定 ω\omega。 相邻的最高点与最低点相隔半个周期,由读数 2、3,

T2=5π12−(−π12)=6π12=π2,\frac{T}{2} = \frac{5\pi}{12} - \left(-\frac{\pi}{12}\right) = \frac{6\pi}{12} = \frac{\pi}{2},

故 T=πT = \pi,于是

ω=2πT=2ππ=2.\omega = \frac{2\pi}{T} = \frac{2\pi}{\pi} = 2.

第三步:定 φ\varphi。 在最高点处 ωx+φ=π2+2kπ\omega x + \varphi = \frac{\pi}{2} + 2k\pi。 把 x=−π12x = -\frac{\pi}{12}、ω=2\omega = 2 代入:

2×(−π12)+φ=π2+2kπ⟹φ=π2+π6+2kπ=2π3+2kπ.2 \times \left(-\frac{\pi}{12}\right) + \varphi = \frac{\pi}{2} + 2k\pi \quad \Longrightarrow \quad \varphi = \frac{\pi}{2} + \frac{\pi}{6} + 2k\pi = \frac{2\pi}{3} + 2k\pi.

第四步:用给定范围筛。 题设 0<φ<π0<\varphi<\pi,取 k=0k=0 得 φ=2π3\varphi = \frac{2\pi}{3}。

所以解析式是

y=2sin⁡(2x+2π3).y = 2\sin\left(2x + \frac{2\pi}{3}\right).

核一遍最低点:把 x=5π12x = \frac{5\pi}{12} 代入, 2×5π12+2π3=5π6+4π6=9π6=3π22\times\frac{5\pi}{12} + \frac{2\pi}{3} = \frac{5\pi}{6} + \frac{4\pi}{6} = \frac{9\pi}{6} = \frac{3\pi}{2}, 而 sin⁡3π2=−1\sin\frac{3\pi}{2} = -1,故 y=−2y = -2 ✓,与读数 3 相符。

习题 5.6 第 5 题

  1. 将函数 y=3sin⁡(2x+π4)y = 3\sin \left(2x + \frac{\pi}{4}\right) 的图象向左平移 π3\frac{\pi}{3} 后得到函数 y=g(x)y = g(x) 的图象,求 y=g(x)y = g(x) 的解析式.

向左平移 π3\frac{\pi}{3} 就是把解析式里的 xx 换成 x+π3x + \frac{\pi}{3}(左加右减,加在 xx 上):

g(x)=3sin⁡[2(x+π3)+π4]=3sin⁡(2x+2π3+π4).g(x) = 3\sin\left[2\left(x+\frac{\pi}{3}\right) + \frac{\pi}{4}\right] = 3\sin\left(2x + \frac{2\pi}{3} + \frac{\pi}{4}\right).

通分把括号里的常数并起来:2π3+π4=8π12+3π12=11π12\frac{2\pi}{3} + \frac{\pi}{4} = \frac{8\pi}{12} + \frac{3\pi}{12} = \frac{11\pi}{12},故

g(x)=3sin⁡(2x+11π12).g(x) = 3\sin\left(2x + \frac{11\pi}{12}\right).

注意 π3\frac{\pi}{3} 要乘上 ω=2\omega = 2 才是括号里增加的量(2×π3=2π32 \times \frac{\pi}{3} = \frac{2\pi}{3})—— 把 xx 换成 x+π3x+\frac{\pi}{3} 之后一定要先分配再合并,直接在括号里加 π3\frac{\pi}{3} 是这道题最常见的错。

核一个点:原函数在 x0x_0 处取最高值时 2x0+π4=π22x_0+\frac{\pi}{4} = \frac{\pi}{2},即 x0=π8x_0 = \frac{\pi}{8}; 左移 π3\frac{\pi}{3} 后最高点应在 x=π8−π3=−5π24x = \frac{\pi}{8}-\frac{\pi}{3} = -\frac{5\pi}{24}。 代入 gg:2×(−5π24)+11π12=−5π12+11π12=6π12=π22\times\left(-\frac{5\pi}{24}\right)+\frac{11\pi}{12} = -\frac{5\pi}{12}+\frac{11\pi}{12} = \frac{6\pi}{12} = \frac{\pi}{2} ✓, 确实取最高值。

习题 5.6 第 6 题

  1. 某时钟的秒针端点 A 到中心点 O 的距离为 5 cm,秒针绕点 O 匀速旋转,当时间 t=0 时,点 A 与钟面上标 12 的点 B 重合。将 A,B 两点间的距离 d(单位:cm)表示成 t(单位:s)的函数,则 d=____d=\_\_\_\_ , t∈[0,60]t\in[0,60] 。

第一步:算转过的角。 秒针 60 s60\ \mathrm{s} 转一圈(2π2\pi),角速度是 2π60=π30 rad/s\frac{2\pi}{60} = \frac{\pi}{30}\ \mathrm{rad/s}。 经过 tt 秒转过的角为

θ=π30t.\theta = \frac{\pi}{30}t.

第二步:建系直算,避开分类。 以 OO 为原点、OBOB 所在方向为 yy 轴正方向建立直角坐标系, 则 B=(0,5)B = (0, 5)。秒针转过角 θ\theta 后(顺时针还是逆时针不影响两点间的距离),

A=(5sin⁡θ, 5cos⁡θ).A = (5\sin\theta,\ 5\cos\theta).

(这一步用的是三角函数的定义:半径为 55 的圆上、与 yy 轴正方向成 θ\theta 角的点, 坐标就是 (5sin⁡θ,5cos⁡θ)(5\sin\theta, 5\cos\theta)。)由两点间距离公式,

d2=(5sin⁡θ−0)2+(5cos⁡θ−5)2=25sin⁡2θ+25cos⁡2θ−50cos⁡θ+25=50(1−cos⁡θ),d^2 = (5\sin\theta - 0)^2 + (5\cos\theta - 5)^2 = 25\sin^2\theta + 25\cos^2\theta - 50\cos\theta + 25 = 50(1-\cos\theta),

最后一步用了 sin⁡2θ+cos⁡2θ=1\sin^2\theta+\cos^2\theta = 1。再用二倍角的降幂形式 1−cos⁡θ=2sin⁡2θ21-\cos\theta = 2\sin^2\frac{\theta}{2},得

d2=100sin⁡2θ2,d=10∣sin⁡θ2∣.d^2 = 100\sin^2\frac{\theta}{2}, \qquad d = 10\left|\sin\frac{\theta}{2}\right|.

第三步:去绝对值并核范围。 t∈[0,60]t \in [0,60] 时

θ2=πt60∈[0,π],\frac{\theta}{2} = \frac{\pi t}{60} \in [0, \pi],

这一段上 sin⁡⩾0\sin \geqslant 0,故绝对值可以直接去掉:

d=10sin⁡πt60.d = 10\sin\frac{\pi t}{60}.

这条路比”作垂线解等腰三角形”稳:后者要求 ∠AOB\angle AOB 是三角形的内角(须落在 (0,π)(0,\pi) 内), 而 t>30t>30 时秒针转过的角已经超过 π\pi、∠AOB\angle AOB 变成 2π−θ2\pi-\theta, t=0,30,60t=0,30,60 三处三角形还会退化——坐标法把这些情形一次性吞掉了,不必分类。

 d=10sin⁡πt60 t∈[0,60].\boxed{\ d = 10\sin\frac{\pi t}{60}\ } \qquad t \in [0,60].

核两个特殊时刻:t=0t=0 时 d=0d=0(AA 与 BB 重合)✓; t=30t=30 时 d=10sin⁡π2=10d = 10\sin\frac{\pi}{2} = 10,此时秒针转了半圈、AA 与 BB 是直径两端, 距离等于直径 10 cm10\ \mathrm{cm} ✓;t=60t=60 时 d=0d=0(转回原处)✓。

这道题的关键动作:把”两点间距离”换成”弦长”,再用半角写成 2rsin⁡θ22r\sin\frac{\theta}{2}。

习题 5.6 第 7 题

  1. 如图,一个半径为 3 m 的筒车按逆时针方向每分转 1.5 圈,筒车的轴心 O 距离水面的高度为 2.2 m. 设筒车上的某个盛水筒 P 到水面的距离为 d(单位:m)(在水面下则 d 为负数),若以盛水筒 P 刚浮出水面时开始计算时间,则 d 与时间 t(单位:s)之间的关系为

d=Asin⁡(ωt+φ)+K(A>0,ω>0,−π2<φ<π2).d = A \sin (\omega t + \varphi) + K \left(A > 0, \omega > 0, - \frac {\pi}{2} < \varphi < \frac {\pi}{2}\right).

(1) 求 A,ω,φ,KA, \omega, \varphi, K 的值 ( φ\varphi 精确到 0.0001);

(2) 盛水筒出水后至少经过多长时间就可到达最高点(精确到 0.01 s)?

(1)

AA 与 KK: 盛水筒绕轴心 OO 做圆周运动,PP 到水面的距离 dd 等于”轴心到水面的高度” 加上”PP 相对于轴心的高度”。后者在 −3-3 与 33 之间摆动(半径 3 m3\ \mathrm{m}),所以

A=3,K=2.2.A = 3, \qquad K = 2.2.

ω\omega: 每分钟转 1.51.5 圈,即每秒转 1.5×2π60=3π60=π20\frac{1.5 \times 2\pi}{60} = \frac{3\pi}{60} = \frac{\pi}{20} 弧度,故

ω=π20.\omega = \frac{\pi}{20}.

φ\varphi: 由”以 PP 刚浮出水面时开始计时”知 t=0t=0 时 d=0d = 0,代入解析式:

3sin⁡φ+2.2=0⟹sin⁡φ=−2.23=−1115.3\sin\varphi + 2.2 = 0 \quad \Longrightarrow \quad \sin\varphi = -\frac{2.2}{3} = -\frac{11}{15}.

还要定 φ\varphi 在哪个范围:题设 −π2<φ<π2-\frac{\pi}{2}<\varphi<\frac{\pi}{2}, 在这一段上正弦是单调递增的,故满足 sin⁡φ=−1115\sin\varphi = -\frac{11}{15} 的 φ\varphi 唯一,且为负:

φ=arcsin⁡(−1115)≈−0.8232.\varphi = \arcsin\left(-\frac{11}{15}\right) \approx -0.8232.

(顺带核一下它与”刚浮出水面”这一物理条件相容:PP 刚出水时高度正在上升, 即 dd 在 t=0t=0 处递增,这要求 cos⁡φ>0\cos\varphi>0;而 −π2<φ<0-\frac{\pi}{2}<\varphi<0 时 cos⁡φ>0\cos\varphi>0 ✓。)

所以

A=3,ω=π20,φ≈−0.8232,K=2.2.A = 3, \qquad \omega = \frac{\pi}{20}, \qquad \varphi \approx -0.8232, \qquad K = 2.2.

(2) dd 取最大值当且仅当 sin⁡(π20t+φ)=1\sin\left(\frac{\pi}{20}t+\varphi\right) = 1,即

π20t+φ=π2+2kπ,k∈Z.\frac{\pi}{20}t + \varphi = \frac{\pi}{2} + 2k\pi, \qquad k \in \mathbf{Z}.

取最早的一次(k=0k=0):

π20t=π2−φ≈1.5708+0.8232=2.3940,\frac{\pi}{20}t = \frac{\pi}{2} - \varphi \approx 1.5708 + 0.8232 = 2.3940,

故

t≈2.3940×20π≈2.3940×6.3662≈15.24 (s).t \approx 2.3940 \times \frac{20}{\pi} \approx 2.3940 \times 6.3662 \approx 15.24\ (\mathrm{s}).

所以盛水筒出水后至少约经过 15.24 s15.24\ \mathrm{s} 到达最高点。

核一遍合理性:转一圈要 601.5=40 s\frac{60}{1.5} = 40\ \mathrm{s},从出水到最高点转过的角约 2.394 rad≈137∘2.394\ \mathrm{rad} \approx 137^\circ,用时约 137360×40≈15.2 s\frac{137}{360}\times40 \approx 15.2\ \mathrm{s} ✓, 与上面算出的一致。

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如图 5.6-3,以 O 为原点,以与水平面平行的直线为 x 轴建立直角坐标系。设 t=0 时,盛水筒 M 位于点 P0P_{0} ,以 Ox 为始边, OP0OP_{0} 为终边的角为 φ\varphi ,经过 t s 后运动到点 P(x,y)P(x, y) 。于是,以 Ox 为始边,OP 为终边的角为 ωt+φ\omega t + \varphi ,并且有

y=rsin⁡(ωt+φ).(1◯)y = r \sin (\omega t + \varphi).\tag{\text{\textcircled{1}}}

所以,盛水筒 MM 距离水面的高度 HH 与时间 tt 的关系是

H=rsin⁡(ωt+φ)+h.(2◯)H = r \sin (\omega t + \varphi) + h.\tag{\text{\textcircled{2}}}

函数②就是要建立的数学模型,只要将它的性质研究清楚,就能把握盛水筒的运动规律。由于 hh 是常量,我们可以只研究函数①的性质。

图5.6-3

5.6.2 函数 y=Asin⁡(ωx+φ)y = A\sin \left( {\omega x + \varphi }\right) 的图象

上面我们利用三角函数的知识建立了一个形如 y=Asin⁡(ωx+φ)y=A\sin(\omega x+\varphi) (其中 A>0, ω>0\omega>0 )的函数。显然,这个函数由参数 A, ω\omega , φ\varphi 所确定。因此,只要了解这些参数的意义,知道它们的变化对函数图象的影响,就能把握这个函数的性质。

思考

从解析式看,函数 y=sin⁡xy = \sin x 就是函数 y=Asin⁡(ωx+φ)y = A\sin (\omega x + \varphi) 在 A=1,ω=1,φ=0A = 1, \omega = 1, \varphi = 0 时的特殊情形.

(1)能否借助我们熟悉的函数 y=sin⁡xy = \sin x 的图象与性质研究参数 A,ω,φA, \omega, \varphi 对函数 y=Asin⁡(ωx+φ)y = A\sin (\omega x + \varphi) 的影响?

(2) 函数 y=Asin⁡(ωx+φ)y=A\sin(\omega x+\varphi) 含有三个参数,你认为应按怎样的思路进行研究?

1. 探索 φ\varphi 对 y=sin⁡(x+φ)y = \sin (x + \varphi) 图象的影响

为了更加直观地观察参数 φ\varphi 对函数图象的影响, 下面借助信息技术做一个数学实验. 如图 5.6-4, 取 A=1,ω=1A = 1, \omega = 1, 动点 MM 在单位圆 O1O_{1} 上以单位角速度按逆时针方向运动. 如果动点 MM 以 Q0Q_{0} 为起点 (此时 φ=0\varphi = 0), 经过 xx s 后运动到点 PP, 那么点 PP 的纵坐标y 就等于 sin⁡x\sin x . 以 (x,y)(x, y) 为坐标描点,可得正弦函数 y=sin⁡xy = \sin x 的图象.

图5.6-4

探究

在单位圆上拖动起点 Q0Q_{0} ,使点 Q0Q_{0} 绕点 O1O_{1} 旋转 π6\frac{\pi}{6} 到 Q1Q_{1} ,你发现图象有什么变化?如果使点 Q0Q_{0} 绕点 O1O_{1} 旋转 −π6,π3,−π3-\frac{\pi}{6},\frac{\pi}{3}, - \frac{\pi}{3} ,或者旋转一个任意角 φ\varphi 呢?

当起点位于 Q1Q_{1} 时, φ=π6\varphi = \frac{\pi}{6} ,可得函数 y=sin⁡(x+π6)y = \sin \left(x + \frac{\pi}{6}\right) 的图象.

进一步,在单位圆上,设两个动点分别以 Q0Q_{0},Q1Q_{1} 为起点同时开始运动。如果以 Q0Q_{0} 为起点的动点到达圆周上点 PP 的时间为 xx s,那么以 Q1Q_{1} 为起点的动点相继到达点 PP 的时间是 (x−π6)\left(x - \frac{\pi}{6}\right) s。这个规律反映在图象上就是:如果 F(x,y)F(x, y) 是函数 y=sin⁡xy = \sin x 图象上的一点,那么 G(x−π6,y)G\left(x - \frac{\pi}{6}, y\right) 就是函数 y=sin⁡(x+π6)y = \sin\left(x + \frac{\pi}{6}\right) 图象上的点,如图5.6-4所示。这说明,把正弦曲线 y=sin⁡xy = \sin x 上的所有点向左平移 π6\frac{\pi}{6} 个单位长度,就得到 y=sin⁡(x+π6)y = \sin\left(x + \frac{\pi}{6}\right) 的图象。

分别说一说旋转 −π6-\frac{\pi}{6} , π3\frac{\pi}{3} , −π3-\frac{\pi}{3} 时的情况.

一般地,当动点 MM 的起点位置 QQ 所对应的角为 φ\varphi 时,对应的函数是 y=sin⁡(x+φ)y = \sin (x + \varphi) (φ≠0)(\varphi \neq 0),把正弦曲线上的所有点向左(当 φ>0\varphi > 0 时)或向右(当 φ<0\varphi < 0 时)平移 ∣φ∣|\varphi| 个单位长度,就得到函数 y=sin⁡(x+φ)y = \sin (x + \varphi) 的图象.

  1. 探索 ω(ω>0)\omega (\omega > 0) 对 y=sin⁡(ωx+φ)y = \sin (\omega x + \varphi) 图象的影响

下面,仍然通过数学实验来探索。如图5.6-5,取圆的半径 A=1A = 1。为了研究方便,不妨令 φ=π6\varphi = \frac{\pi}{6}。当 ω=1\omega = 1 时得到 y=sin⁡(x+π6)y = \sin \left(x + \frac{\pi}{6}\right) 的图象。

图5.6-5

探究

取 ω=2\omega = 2 ,图象有什么变化?取 ω=12\omega = \frac{1}{2} 呢?取 ω=3\omega = 3 , ω=13\omega = \frac{1}{3} ,图象又有什么变化?当 ω\omega 取任意正数呢?

取 ω=2\omega = 2 时,得到函数 y=sin⁡(2x+π6)y = \sin \left(2x + \frac{\pi}{6}\right) 的图象.

进一步,在单位圆上,设以 Q1Q_{1} 为起点的动点,当 ω=1\omega = 1 时到达点 PP 的时间为 x1sx_{1}\mathrm{s},当 ω=2\omega = 2 时到达点 PP 的时间为 x2sx_{2}\mathrm{s}. 因为 ω=2\omega = 2 时动点的转速是 ω=1\omega = 1 时的2倍,所以 x2=12x1x_{2} = \frac{1}{2} x_{1}. 这样,设 G(x,y)G(x, y) 是函数 y=sin⁡(x+π6)y = \sin \left(x + \frac{\pi}{6}\right) 图象上的一点,那么 K(12x,y)K\left(\frac{1}{2} x, y\right) 就是函数 y=sin⁡(2x+π6)y = \sin \left(2x + \frac{\pi}{6}\right) 图象上的相应点,如图5.6-5所示. 这说明,把 y=sin⁡(x+π6)y = \sin \left(x + \frac{\pi}{6}\right) 的图象上所有点的横坐标缩短到原来的 12\frac{1}{2} (纵坐标不变),就得到 y=sin⁡(2x+π6)y = \sin \left(2x + \frac{\pi}{6}\right) 的图象. y=sin⁡(2x+π6)y = \sin \left(2x + \frac{\pi}{6}\right) 的周期为 π\pi,是 y=sin⁡(x+π6)y = \sin \left(x + \frac{\pi}{6}\right) 的周期的 12\frac{1}{2}.

同理,当 ω=12\omega=\frac{1}{2} 时,动点的转速是 ω=1\omega=1 时的 12\frac{1}{2} ,以 Q1Q_{1} 为起点,到达点 P 的时间是 ω=1\omega=1 时的 2 倍。这样,把 y=sin⁡(x+π6)y=\sin\left(x+\frac{\pi}{6}\right) 图象上所有点的横坐标伸长到原来的 2 倍(纵坐标不变),就得到 y=sin⁡(12x+π6)y=\sin\left(\frac{1}{2}x+\frac{\pi}{6}\right) 的图象。 y=sin⁡(12x+π6)y=\sin\left(\frac{1}{2}x+\frac{\pi}{6}\right) 的周期为 4π4\pi ,是 y=sin⁡(x+π6)y=\sin\left(x+\frac{\pi}{6}\right) 的周期的 2 倍。

ω=13\omega = \frac {1}{3}

一般地,函数 y=sin⁡(ωx+φ)y = \sin (\omega x + \varphi) 的周期是 2πω\frac{2\pi}{\omega},把 y=sin⁡(x+φ)y = \sin (x + \varphi) 图象上所有点的横坐标缩短(当 ω>1\omega > 1 时)或伸长(当 0<ω<10 < \omega < 1 时)到原来的 1ω\frac{1}{\omega} 倍(纵坐标不变),就得到 y=sin⁡(ωx+φ)y = \sin (\omega x + \varphi) 的图象.

3. 探索 A(A>0)A(A > 0) 对 y=Asin⁡(ωx+φ)y = A\sin (\omega x + \varphi) 图象的影响

下面通过数学实验探索 A 对函数图象的影响. 为了研究方便, 不妨令 ω=2,φ=π6\omega=2,\quad\varphi=\frac{\pi}{6} . 当A=1时,如图5.6-6,可得 y=sin⁡(2x+π6)y=\sin\left(2x+\frac{\pi}{6}\right) 的图象.

图5.6-6

探究

改变 AA 的取值,使 AA 取 2,12,3,132, \frac{1}{2}, 3, \frac{1}{3} 等,你发现图象有什么变化?当 AA 取任意正数呢?

当 A=2 时,得到函数 y=2sin⁡(2x+π6)y=2\sin\left(2x+\frac{\pi}{6}\right) 的图象.

进一步,设射线 O1Q1O_{1}Q_{1} 与以 O1O_{1} 为圆心、2为半径的圆交于 T1T_{1}. 如果单位圆上以 Q1Q_{1} 为起点的动点,以 ω=2\omega = 2 的转速经过 xx s 到达圆周上点 PP,那么点 PP 的纵坐标是 sin⁡(2x+π6)\sin \left(2x + \frac{\pi}{6}\right);相应地,点 T1T_{1} 在以 O1O_{1} 为圆心、2为半径的圆上运动到点 TT,点 TT 的纵坐标是 2sin⁡(2x+π6)2\sin \left(2x + \frac{\pi}{6}\right). 这样,设 K(x,y)K(x, y) 是函数 y=sin⁡(2x+π6)y = \sin \left(2x + \frac{\pi}{6}\right) 图象上的一点,那么点 N(x,2y)N(x, 2y) 就是函数 y=2sin⁡(2x+π6)y = 2\sin \left(2x + \frac{\pi}{6}\right) 图象上的相应点,如图5.6-6所示. 这说明,把 y=sin⁡(2x+π6)y = \sin \left(2x + \frac{\pi}{6}\right) 图象上所有点的纵坐标伸长到原来的2倍(横坐标不变),就得到 y=2sin⁡(2x+π6)y = 2\sin \left(2x + \frac{\pi}{6}\right) 的图象.

同理,把 y=sin⁡(2x+π6)y = \sin \left(2x + \frac{\pi}{6}\right) 图象上所有点的纵坐标缩短到原来的 12\frac{1}{2} (横坐标不变),就得到 y=12sin⁡(2x+π6)y = \frac{1}{2}\sin \left(2x + \frac{\pi}{6}\right) 的图象.

说一说 A=3A = 3 , A=13A = \frac{1}{3} 时的情况.

一般地,函数 y=Asin⁡(ωx+φ)y = A\sin (\omega x + \varphi) 的图象,可以看作是把 y=sin⁡(ωx+φ)y = \sin (\omega x + \varphi) 图象上所有点的纵坐标伸长(当 A>1A > 1 时)或缩短(当 0<A<10 < A < 1 时)到原来的 AA 倍(横坐标不变)而得到。从而,函数 y=Asin⁡(ωx+φ)y = A\sin (\omega x + \varphi) 的值域是 [−A,A][-A, A],最大值是 AA,最小值是 −A-A。

思考

你能总结一下从正弦函数图象出发,通过图象变换得到 y=Asin⁡(ωx+φ)y = A\sin (\omega x + \varphi) (A>0A > 0, ω>0\omega > 0) 图象的过程与方法吗?

一般地,函数 y=Asin⁡(ωx+φ)(A>0,ω>0)y = A\sin (\omega x + \varphi)(A > 0, \omega > 0) 的图象,可以用下面的方法得到:先画出函数 y=sin⁡xy = \sin x 的图象;再把正弦曲线向左(或右)平移 ∣φ∣|\varphi| 个单位长度,得到函数 y=sin⁡(x+φ)y = \sin (x + \varphi) 的图象;然后把曲线上各点的横坐标变为原来的 1ω\frac{1}{\omega} 倍(纵坐标不变),得到函数 y=sin⁡(ωx+φ)y = \sin (\omega x + \varphi) 的图象;最后把曲线上各点的纵坐标变为原来的 AA 倍(横坐标不变),这时的曲线就是函数 y=Asin⁡(ωx+φ)y = A\sin (\omega x + \varphi) 的图象.

这一过程的步骤如下:

● ●

补全步骤 2 和 3 的函数及图象.

从上述步骤可以清楚地看到,参数 AA , ω\omega , φ\varphi 是如何对函数图象产生影响的.

例1 画出函数 y=2sin⁡(3x−π6)y = 2\sin \left(3x - \frac{\pi}{6}\right) 的简图.

解:先画出函数 y=sin⁡xy = \sin x 的图象;再把正弦曲线向右平移 π6\frac{\pi}{6} 个单位长度,得到函数 y=sin⁡(x−π6)y = \sin \left(x - \frac{\pi}{6}\right) 的图象;然后使曲线上各点的横坐标变为原来的 13\frac{1}{3},得到函数 y=sin⁡(3x−π6)y = \sin \left(3x - \frac{\pi}{6}\right) 的图象;最后把曲线上各点的纵坐标变为原来的2倍,这时的曲线就是函数 y=2sin⁡(3x−π6)y = 2\sin \left(3x - \frac{\pi}{6}\right) 的图象,如图5.6-7所示.

图5.6-7

下面用“五点法”画函数 y=2sin⁡(3x−π6)y=2\sin\left(3x-\frac{\pi}{6}\right) 在一个周期 (T=2π3)\left(T=\frac{2\pi}{3}\right) 内的图象.

令 X=3x−π6X = 3x - \frac{\pi}{6},则 x=13(X+π6)x = \frac{1}{3}\left(X + \frac{\pi}{6}\right)。列表(表5.6-1),描点画图(图5.6-8)。

图5.6-8

例 2 摩天轮是一种大型转轮状的机械建筑设施,游客坐在摩天轮的座舱里慢慢地往上转,可以从高处俯瞰四周景色。如图 5.6-9,某摩天轮最高点距离地面高度为 120 m,转盘直径为 110 m,设置有 48 个座舱,开启后按逆时针方向匀速旋转,游客在座舱转到距离地面最近的位置进舱,转一周大约需要 30 min。

(1)游客甲坐上摩天轮的座舱,开始转动 t mint \, min 后距离地面的高度为 H mH \, m ,求在转动一周的过程中,H 关于 t 的函数解析式;

图5.6-9

(2) 求游客甲在开始转动 5 min5 \, min 后距离地面的高度;

(3)若甲、乙两人分别坐在两个相邻的座舱里,在运行一周的过程中,求两人距离地面的高度差 h (单位:m)关于 t 的函数解析式,并求高度差的最大值(精确到 0.1).

分析:摩天轮上的座舱运动可以近似地看作是质点在圆周上做匀速旋转。在旋转过程中,游客距离地面的高度 HH 呈现周而复始的变化,因此可以考虑用三角函数来刻画。

解:如图5.6-10,设座舱距离地面最近的位置为点 PP 以轴心 OO 为原点,与地面平行的直线为 xx 轴建立直角坐标系.

(1)设 t=0 mint=0\ min 时,游客甲位于点 P(0,−55)P(0,-55) ,以 OP 为终边的角为 −π2-\frac{\pi}{2} ;根据摩天轮转一周大约需要 30 min,可知座舱转动的角速度约为 π15\frac{\pi}{15} rad/min,由题意可得

图5.6-10

H=55sin⁡(π15t−π2)+65,0⩽t⩽30.H = 5 5 \sin \left(\frac {\pi}{1 5} t - \frac {\pi}{2}\right) + 6 5, 0 \leqslant t \leqslant 3 0.

(2) 当 t=5 时,

H=55sin⁡(π15×5−π2)+65=37.5.H = 5 5 \sin \left(\frac {\pi}{1 5} \times 5 - \frac {\pi}{2}\right) + 6 5 = 3 7. 5.

所以,游客甲在开始转动 5 min 后距离地面的高度约为 37.5 m.

(3) 如图 5.6-10, 甲、乙两人的位置分别用点 AA, BB 表示, 则 ∠AOB=2π48=π24\angle AOB = \frac{2\pi}{48} = \frac{\pi}{24}. 经过 tmin⁡t \min 后甲距离地面的高度为 H1=55sin⁡(π15t−π2)+65H_{1} = 55 \sin \left(\frac{\pi}{15} t - \frac{\pi}{2}\right) + 65, 点 BB 相对于点 AA 始终落后 π24rad\frac{\pi}{24} \mathrm{rad}, 此时乙距离地面的高度为 H2=55sin⁡(π15t−13π24)+65H_{2} = 55 \sin \left(\frac{\pi}{15} t - \frac{13\pi}{24}\right) + 65. 则甲、乙距离地面的高度差 h=∣H1−H2∣=55∣sin⁡(π15t−π2)−sin⁡(π15t−13π24)∣=55∣sin⁡(π15t−π2)+sin⁡(13π24−π15t)∣h = |H_{1} - H_{2}| = 55 \left| \sin \left(\frac{\pi}{15} t - \frac{\pi}{2}\right) - \sin \left(\frac{\pi}{15} t - \frac{13\pi}{24}\right) \right| = 55 \left| \sin \left(\frac{\pi}{15} t - \frac{\pi}{2}\right) + \sin \left(\frac{13\pi}{24} - \frac{\pi}{15} t\right) \right|, 利用 sin⁡θ+sin⁡φ=2sin⁡θ+φ2cos⁡θ−φ2\sin \theta + \sin \varphi = 2 \sin \frac{\theta + \varphi}{2} \cos \frac{\theta - \varphi}{2}, 可得

h=110∣sin⁡π48sin⁡(π15t−π48)∣,0⩽t⩽30.h = 1 1 0 \left| \sin \frac {\pi}{4 8} \sin \left(\frac {\pi}{1 5} t - \frac {\pi}{4 8}\right) \right|, 0 \leqslant t \leqslant 3 0.

当 π15t−π48=π2(或3π2)\frac{\pi}{15}t-\frac{\pi}{48}=\frac{\pi}{2}\left(\text{或}\frac{3\pi}{2}\right) ,即 t≈7.8t\approx7.8 (或22.8)时,h的最大值为 110sin⁡π48≈7.2110\sin\frac{\pi}{48}\approx7.2 . 所以,甲、乙两人距离地面的高度差的最大值约为7.2 m.

练习

  1. 画出下列函数在长度为一个周期的闭区间上的简图,并用信息技术检验: (1) y=12sin⁡x;y=\frac{1}{2}\sin x; (2) y=sin⁡3x;y=\sin 3x; (3) y=sin⁡(x−π3);y=\sin\left(x-\frac{\pi}{3}\right); (4) y=2sin⁡(2x−π4).y=2\sin\left(2x-\frac{\pi}{4}\right).

  2. 已知函数 y=3sin⁡(x+π5)y = 3\sin \left(x + \frac{\pi}{5}\right) 的图象为 CC.

(1) 为了得到函数 y=3sin⁡(x−π5)y = 3\sin \left(x - \frac{\pi}{5}\right) 的图象,只要把 CC 上所有的点().

(A) 向右平行移动 π5\frac{\pi}{5} 个单位长度 (B) 向左平行移动 π5\frac{\pi}{5} 个单位长度

(C) 向右平行移动 2π5\frac{2\pi}{5} 个单位长度 (D) 向左平行移动 2π5\frac{2\pi}{5} 个单位长度

(2) 为了得到函数 y=3sin⁡(2x+π5)y=3\sin\left(2x+\frac{\pi}{5}\right) 的图象,只要把 C 上所有的点(). (A)横坐标伸长到原来的2倍,纵坐标不变 (B)横坐标缩短到原来的 12\frac{1}{2} ,纵坐标不变 (C)纵坐标伸长到原来的2倍,横坐标不变 (D) 纵坐标缩短到原来的 12\frac{1}{2} ,横坐标不变

(3) 为了得到函数 y=4sin⁡(x+π5)y = 4\sin \left( x + \frac{\pi}{5} \right) 的图象, 只要把 CC 上所有的点 ( ). (A) 横坐标伸长到原来的 43\frac{4}{3} 倍, 纵坐标不变 (B) 横坐标缩短到原来的 34\frac{3}{4} , 纵坐标不变 (C) 纵坐标伸长到原来的 43\frac{4}{3} 倍, 横坐标不变 (D) 纵坐标缩短到原来的 34\frac{3}{4} , 横坐标不变

  1. 函数 y=23sin⁡(12x−π4)y = \frac{2}{3}\sin \left(\frac{1}{2} x - \frac{\pi}{4}\right) 的图象与正弦曲线有什么关系?

  2. 函数 y=sin⁡(x+π12)y = \sin \left(x + \frac{\pi}{12}\right),x∈[0,+∞)x \in \left[0, +\infty\right) 的图象与正弦曲线有什么关系?

复习巩固

  1. 选择题

(1) 为了得到函数 y=cos⁡(x+13)y = \cos \left( x + \frac{1}{3} \right) 的图象,只需把余弦曲线上所有的点().

(A) 向左平行移动 π3\frac{\pi}{3} 个单位长度

(B) 向右平行移动 π3\frac{\pi}{3} 个单位长度

(C) 向左平行移动 13\frac{1}{3} 个单位长度

(D) 向右平行移动 13\frac{1}{3} 个单位长度

(2) 为了得到函数 y=cos⁡x5y = \cos \frac{x}{5} 的图象,只需把余弦曲线上所有的点(). (A)横坐标伸长到原来的5倍,纵坐标不变 (B)横坐标缩短到原来的 15\frac{1}{5} ,纵坐标不变 (C)纵坐标伸长到原来的5倍,横坐标不变 (D) 纵坐标缩短到原来的 15\frac{1}{5} ,横坐标不变

(3) 为了得到函数 y=14cos⁡xy = \frac{1}{4}\cos x 的图象, 只需把余弦曲线上所有的点 ( ). (A) 横坐标伸长到原来的 4 倍, 纵坐标不变 (B) 横坐标缩短到原来的 14\frac{1}{4}, 纵坐标不变 (C) 纵坐标伸长到原来的 4 倍, 横坐标不变 (D) 纵坐标缩短到原来的 14\frac{1}{4}, 横坐标不变

  1. 画出下列函数在长度为一个周期的闭区间上的简图,并用信息技术检验: (1) y=4sin⁡12x;y=4\sin\frac{1}{2}x; (2) y=12cos⁡3x;y=\frac{1}{2}\cos3x; (3) y=3sin⁡(2x+π6);y=3\sin\left(2x+\frac{\pi}{6}\right); (4) y=2cos⁡(12x−π4).y=2\cos\left(\frac{1}{2}x-\frac{\pi}{4}\right).

  2. 说明下列函数的图象可由正弦曲线经过怎样的变换得到(注意定义域): (1) y=8sin⁡(x4−π8)y=8\sin\left(\frac{x}{4}-\frac{\pi}{8}\right) , x∈[0,+∞)x\in[0,+\infty) ; (2) y=13sin⁡(3x+π7)y=\frac{1}{3}\sin\left(3x+\frac{\pi}{7}\right) , x∈[0,+∞)x\in[0,+\infty) .

  1. 函数 y=Asin⁡(ωx+φ)(A>0,ω>0,0<φ<π)y = A \sin(\omega x + \varphi) (A > 0, \omega > 0, 0 < \varphi < \pi) 在一个周期内的图象如图所示,此函数的解析式为 ____.

  2. 将函数 y=3sin⁡(2x+π4)y = 3\sin \left(2x + \frac{\pi}{4}\right) 的图象向左平移 π3\frac{\pi}{3} 后得到函数 y=g(x)y = g(x) 的图象,求 y=g(x)y = g(x) 的解析式.

(第4题)

  1. 某时钟的秒针端点 A 到中心点 O 的距离为 5 cm,秒针绕点 O 匀速旋转,当时间 t=0 时,点 A 与钟面上标 12 的点 B 重合。将 A,B 两点间的距离 d(单位:cm)表示成 t(单位:s)的函数,则 d=____d=\_\_\_\_ , t∈[0,60]t\in[0,60] 。

  2. 如图,一个半径为 3 m 的筒车按逆时针方向每分转 1.5 圈,筒车的轴心 O 距离水面的高度为 2.2 m. 设筒车上的某个盛水筒 P 到水面的距离为 d(单位:m)(在水面下则 d 为负数),若以盛水筒 P 刚浮出水面时开始计算时间,则 d 与时间 t(单位:s)之间的关系为

d=Asin⁡(ωt+φ)+K(A>0,ω>0,−π2<φ<π2).d = A \sin (\omega t + \varphi) + K \left(A > 0, \omega > 0, - \frac {\pi}{2} < \varphi < \frac {\pi}{2}\right).

(第7题)

(1) 求 A,ω,φ,KA, \omega, \varphi, K 的值 ( φ\varphi 精确到 0.0001);

(2) 盛水筒出水后至少经过多长时间就可到达最高点(精确到 0.01 s)?