浙江 2015 · 数学 q11

题解图(原卷截图 · 含答案与官方解析)

浙江 2015 · 数学 q11 原卷截图(含答案)

文字转写(题面 + 答案)

题面

11.(6分)(2015•浙江)函数f(x)=sin⁡2x+sin⁡xcos⁡x+1{f} \left( {x} \right) = \sin^{2}{\mathrm{x}} + \sin{\mathrm{x}} \cos{\mathrm{x}} + 1的最小正周期是,单调递减区间是

答案

π;[kπ+3π8,kπ+7π8](k∈Z)[\mathrm{k} \pi + \frac{3 \pi}{8} , \mathrm{k} \pi + \frac{7 \pi}{8}] ( \mathrm{k} \in Z )

本题的知识树

6 概念 · 3 公式 · 1 定理 · 2 题型 · 1 套路 · 2 易错点 · 最深 4 层。长链是构建期派生的,源文件里只有最小一步。

攻略(零基础 → 会做)

三项各有周期,先并成一条正弦 · 周期只看 ω\omega,减区间是峰顶到谷底那一段 · 最终答案:π;[kπ+3π8,kπ+7π8](k∈Z)[\mathrm{k} \pi + \frac{3 \pi}{8} , \mathrm{k} \pi + \frac{7 \pi}{8}] ( \mathrm{k} \in Z )

冷启动:两个空问的都是「化简以后那条曲线」

题面给的是三项之和

f(x)=sin⁡2x+sin⁡xcos⁡x+1,f(x)=\sin^{2}x+\sin x\cos x+1 ,

问最小正周期与单调递减区间。这两问都不该在原式上回答——原式里既有平方、又有乘积, 既读不出振幅也读不出相位。第一步永远是把它并成一条 Asin⁡(ωx+φ)+bA\sin(\omega x+\varphi)+b。

这里有一个几乎每次都有人踩的坑:看见式子里写着 sin⁡x\sin x,就报周期 2π2\pi。 可 sin⁡x\sin x 本身根本没有单独出现——它只以 sin⁡2x\sin^{2}x 与 sin⁡xcos⁡x\sin x\cos x 两种成对的形式出现, 而这两样东西都以 π\pi 为周期:

sin⁡2(x+π)=(−sin⁡x)2=sin⁡2x,sin⁡(x+π)cos⁡(x+π)=(−sin⁡x)(−cos⁡x)=sin⁡xcos⁡x.\sin^{2}(x+\pi)=(-\sin x)^{2}=\sin^{2}x ,\qquad \sin(x+\pi)\cos(x+\pi)=(-\sin x)(-\cos x)=\sin x\cos x .

周期要对整个式子算,不能挑其中一项的。至于减区间,化简之后它就是峰顶到紧随其后的谷底 那一段,长度恰是半个周期。

解法一:整体代换,把 sin⁡u\sin u 的减区间原样搬回来

第一步:降幂 + 倍角,三项并成一条正弦

两处替换各来自倍角的一张面孔:

sin⁡2x=1−cos⁡2x2,sin⁡xcos⁡x=12sin⁡2x.\sin^{2}x=\frac{1-\cos 2x}{2},\qquad \sin x\cos x=\frac{1}{2}\sin 2x .

第一处要用的是 cos⁡2x=1−2sin⁡2x\cos 2x=1-2\sin^{2}x 那一张——手里只有 sin⁡\sin,就挑只含 sin⁡\sin 的那一张, 挑成 2cos⁡2x−12\cos^{2}x-1 就换不掉。代进去:

f(x)=1−cos⁡2x2+12sin⁡2x+1=12(sin⁡2x−cos⁡2x)+32.f(x)=\frac{1-\cos 2x}{2}+\frac{1}{2}\sin 2x+1 =\frac{1}{2}\bigl(\sin 2x-\cos 2x\bigr)+\frac{3}{2} .

括号里是 asin⁡θ+bcos⁡θa\sin\theta+b\cos\theta 的形状,a=1a=1、b=−1b=-1,合一得 2sin⁡ ⁣(2x−π4)\sqrt{2}\sin\!\left(2x-\dfrac{\pi}{4}\right):

 f(x)=22sin⁡ ⁣(2x−π4)+32 \boxed{\,f(x)=\frac{\sqrt{2}}{2}\sin\!\left(2x-\frac{\pi}{4}\right)+\frac{3}{2}\,}

到这里,剩下的全是照抄。

第二步:周期只看 ω\omega

T=2π∣ω∣=2π2=π.T=\frac{2\pi}{|\omega|}=\frac{2\pi}{2}=\pi .

振幅 22\dfrac{\sqrt{2}}{2} 与中线 32\dfrac{3}{2} 都不影响周期,相位 −π4-\dfrac{\pi}{4} 也不影响—— 只有 ω\omega 影响。第一空填 π\pi。

第三步:把「减」翻译成相位落在哪一段

令 u=2x−π4u=2x-\dfrac{\pi}{4}。sin⁡u\sin u 减,当且仅当

2kπ+π2≤u≤2kπ+3π2(k∈Z).2k\pi+\frac{\pi}{2}\leq u\leq 2k\pi+\frac{3\pi}{2}\qquad(k\in\mathbf{Z}) .

把 uu 换回去,两端同加 π4\dfrac{\pi}{4}:

2kπ+3π4≤2x≤2kπ+7π4,2k\pi+\frac{3\pi}{4}\leq 2x\leq 2k\pi+\frac{7\pi}{4} ,

再同除以 22。ω=2>0\omega=2>0,除的是正数,不等号不翻:

kπ+3π8≤x≤kπ+7π8.k\pi+\frac{3\pi}{8}\leq x\leq k\pi+\frac{7\pi}{8} .

第二空填 [kπ+3π8, kπ+7π8] (k∈Z)\left[k\pi+\dfrac{3\pi}{8},\ k\pi+\dfrac{7\pi}{8}\right]\ (k\in\mathbf{Z})。

顺手核一遍:区间长 7π8−3π8=π2\dfrac{7\pi}{8}-\dfrac{3\pi}{8}=\dfrac{\pi}{2},正是半个周期—— 一条标准正弦在一个周期里恰好一半升、一半降,长度对不上就一定是哪一步算错了。

上下两块教学图。①上块是一条直角坐标系里的曲线,画的是 y=\frac{\sqrt{2}}{2}\sin\left(2x-\frac{\pi}{4}\right)+\frac{3}{2},横轴刻度只标 0、\frac{3\pi}{8}、\frac{7\pi}{8}、\frac{11\pi}{8} 四处,纵轴从 0.5 到 2.5。深蓝色的曲线起伏两个来回;一条深灰虚线横穿在 y=1.5 处,那是中线。x=\frac{3\pi}{8} 与 x=\frac{11\pi}{8} 两个峰顶各有一个亮蓝色实心圆点,x=\frac{7\pi}{8} 的谷底有一个绿色实心圆点。两个峰顶之间上方有一条亮蓝色的双向箭头横贯,箭头上方标「最小正周期 T=\frac{2\pi}{2}=\pi」。从峰顶 \frac{3\pi}{8} 到谷底 \frac{7\pi}{8} 之间整段涂成浅绿底色,色带下部有绿字标「减区间 \left[\frac{3\pi}{8},\frac{7\pi}{8}\right]」。这一块的标题写「① y=\frac{\sqrt{2}}{2}\sin\left(2x-\frac{\pi}{4}\right)+\frac{3}{2}:峰顶到谷底那一段就是减区间」。②下块是一段文字:抬头「第一步:降幂 + 二倍角,把三项并成一条正弦」,蓝字一行「\sin^{2}x=\frac{1-\cos 2x}{2},\sin x\cos x=\frac{1}{2}\sin 2x」,灰字一行「于是 f(x)=\frac{1-\cos 2x}{2}+\frac{1}{2}\sin 2x+1,常数项并成 \frac{3}{2}」,蓝字一行「合起来:\frac{1}{2}(\sin 2x-\cos 2x)+\frac{3}{2}=\frac{\sqrt{2}}{2}\sin\left(2x-\frac{\pi}{4}\right)+\frac{3}{2}」,绿字一行「周期只看 \omega:T=\frac{2\pi}{2}=\pi」;抬头「第二步:把「减」翻译成相位的区间,再解出 x」,蓝字一行「\sin u 在 \left[\frac{\pi}{2},\frac{3\pi}{2}\right] 上减,令 u=2x-\frac{\pi}{4}」,灰字一行「两端同加 \frac{\pi}{4}、同除 2(\omega>0,不等号不翻)」,末行绿字「减区间 \left[k\pi+\frac{3\pi}{8},k\pi+\frac{7\pi}{8}\right]\ (k\in\mathbf{Z})」

解法二:求导定号,不背正弦的减区间也能做

这条路的好处是:不必记「sin⁡\sin 在 [π2,3π2]\left[\frac{\pi}{2},\frac{3\pi}{2}\right] 上减」这句话, 只要会求导、会判一个式子的正负。

第一步:求导,导数自己也是一条正弦

f′(x)=2sin⁡xcos⁡x+(cos⁡2x−sin⁡2x)=sin⁡2x+cos⁡2x=2sin⁡ ⁣(2x+π4).f'(x)=2\sin x\cos x+\bigl(\cos^{2}x-\sin^{2}x\bigr)=\sin 2x+\cos 2x =\sqrt{2}\sin\!\left(2x+\frac{\pi}{4}\right) .

注意这里的相位是 +π4+\dfrac{\pi}{4},与 ff 本身的 −π4-\dfrac{\pi}{4} 差一个 π2\dfrac{\pi}{2}—— 求一次导,相位就往前挪四分之一个周期,这是可以拿来自查的。

第二步:导数不大于零的那一段就是减区间

2>0\sqrt{2}>0,所以 f′(x)≤0f'(x)\leq 0 当且仅当 sin⁡ ⁣(2x+π4)≤0\sin\!\left(2x+\dfrac{\pi}{4}\right)\leq 0,即

2kπ+π≤2x+π4≤2kπ+2π ⟹ kπ+3π8≤x≤kπ+7π8.2k\pi+\pi\leq 2x+\frac{\pi}{4}\leq 2k\pi+2\pi \ \Longrightarrow\ k\pi+\frac{3\pi}{8}\leq x\leq k\pi+\frac{7\pi}{8} .

与解法一逐字相同。这里只用到「一段区间上导数不大于零 ⇒\Rightarrow 这段上递减」, sin⁡\sin 的哪一段升、哪一段降完全没有出场。

第三步:周期这一空也能就地解决

先验一个候选:由 sin⁡(x+π)=−sin⁡x\sin(x+\pi)=-\sin x、cos⁡(x+π)=−cos⁡x\cos(x+\pi)=-\cos x,两个负号在 sin⁡2x\sin^{2}x 与 sin⁡xcos⁡x\sin x\cos x 里都被抵掉,于是

f(x+π)=f(x)(∀x),f(x+\pi)=f(x)\qquad(\forall x) ,

π\pi 确实是一个周期。再说明没有更小的:f′f' 在 x=kπ+3π8x=k\pi+\dfrac{3\pi}{8} 处由正变负, 这些点正是 ff 的全部最大值点,相邻两个相差 π\pi。若还有周期 0<T<π0<T<\pi, 把最大值点平移 TT 仍得最大值点,就会挤出一个间距小于 π\pi 的最大值点,矛盾。 故最小正周期就是 π\pi。

上下两块教学图。①上块是一条直角坐标系里的曲线,画的是 y=\frac{\sqrt{2}}{2}\sin\left(2x-\frac{\pi}{4}\right)+\frac{3}{2},横轴刻度只标 0、\frac{3\pi}{8}、\frac{7\pi}{8}、\frac{11\pi}{8} 四处,纵轴从 0.5 到 2.5。深蓝色的曲线起伏两个来回;一条深灰虚线横穿在 y=1.5 处,那是中线。x=\frac{3\pi}{8} 与 x=\frac{11\pi}{8} 两个峰顶各有一个亮蓝色实心圆点,x=\frac{7\pi}{8} 的谷底有一个绿色实心圆点。两个峰顶之间上方有一条亮蓝色的双向箭头横贯,箭头上方标「最小正周期 T=\frac{2\pi}{2}=\pi」。从峰顶 \frac{3\pi}{8} 到谷底 \frac{7\pi}{8} 之间整段涂成浅绿底色,色带下部有绿字标「减区间 \left[\frac{3\pi}{8},\frac{7\pi}{8}\right]」。这一块的标题写「① y=\frac{\sqrt{2}}{2}\sin\left(2x-\frac{\pi}{4}\right)+\frac{3}{2}:峰顶到谷底那一段就是减区间」。②下块是一段文字:抬头「第一步:降幂 + 二倍角,把三项并成一条正弦」,蓝字一行「\sin^{2}x=\frac{1-\cos 2x}{2},\sin x\cos x=\frac{1}{2}\sin 2x」,灰字一行「于是 f(x)=\frac{1-\cos 2x}{2}+\frac{1}{2}\sin 2x+1,常数项并成 \frac{3}{2}」,蓝字一行「合起来:\frac{1}{2}(\sin 2x-\cos 2x)+\frac{3}{2}=\frac{\sqrt{2}}{2}\sin\left(2x-\frac{\pi}{4}\right)+\frac{3}{2}」,绿字一行「周期只看 \omega:T=\frac{2\pi}{2}=\pi」;抬头「第二步:把「减」翻译成相位的区间,再解出 x」,蓝字一行「\sin u 在 \left[\frac{\pi}{2},\frac{3\pi}{2}\right] 上减,令 u=2x-\frac{\pi}{4}」,灰字一行「两端同加 \frac{\pi}{4}、同除 2(\omega>0,不等号不翻)」,末行绿字「减区间 \left[k\pi+\frac{3\pi}{8},k\pi+\frac{7\pi}{8}\right]\ (k\in\mathbf{Z})」

两条路怎么选

解法一解法二
主力工具合一 + 把 sin⁡\sin 的减区间搬过来求导 + 判导数的正负
要背什么sin⁡u\sin u 在 [π2,3π2]\left[\frac{\pi}{2},\frac{3\pi}{2}\right] 上减只要「导数不大于零则递减」
周期怎么来化简后一眼读 ω\omega直接验 f(x+π)=f(x)f(x+\pi)=f(x),再排除更小的
主要风险降幂时挑错倍角余弦那张面孔;除以 ω\omega 时把不等号写翻求导后仍要合一,少算一项就全错
适合场合这一类题的通法,考场首选忘了正弦的单调区间,或题目本来就在考导数

两条路的分水岭是**「sin⁡\sin 的减区间」这句话你打算背还是打算推**。

解法一是通法:只要题目形如「化简后问周期 / 单调区间 / 最值 / 对称轴」,全都照搬这三步, 而且第三步的一次不等式几乎不会出错——前提是记住 [π2,3π2]\left[\dfrac{\pi}{2},\dfrac{3\pi}{2}\right] 是减的那一段(增的是 [−π2,π2]\left[-\dfrac{\pi}{2},\dfrac{\pi}{2}\right],两者别记反)。

解法二把三角问题降格成了「一个式子什么时候不大于零」,代价是仍要合一一次(f′f' 也得并成一条), 好处是它对任何可导函数都成立:以后遇到 sin⁡\sin 与多项式混在一起、根本化不成一条正弦的式子, 只剩这一条路。这道题的价值,正在于用一道能两条路都走通的小题,把这两把工具摆在一起比一比。

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