浙江 2016 · 数学 q05

题解图(原卷截图 · 含答案与官方解析)

浙江 2016 · 数学 q05 原卷截图(含答案)

文字转写(题面 + 答案)

题面

5.(5分)(2016•浙江)设函数f(x)=sin⁡2x+bsin⁡x+cf ( x ) = \sin^{2} x + b \sin x + c,则f(x)的最小正周期( ) A.与b有关,且与c有关 B.与b有关,但与c无关 C.与b无关,且与c无关 D.与b无关,但与c有关

答案

B

本题的知识树

4 概念 · 1 公式 · 1 题型 · 2 套路 · 1 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)

谁在决定周期 · 常数项先出局,再看 b 把 π 撑成 2π · 最终答案:B

冷启动:题目问的是「有没有关系」,不是「周期是多少」

函数是

f(x)=sin⁡2x+bsin⁡x+c,f(x)=\sin^{2}x+b\sin x+c ,

问它的最小正周期与 bb、cc 各有没有关系。四个选项就是「有关 / 无关」的四种搭配。

「与某个参数有关」是什么意思? 意思是:换一个参数值,最小正周期这个数会变。 所以要判「有关」,找两个参数值让周期不同就够了; 要判「无关」,得说明任意换参数值周期都不变。这两件事的证明力度完全不同,别混着做。

再看这个函数的构造。它其实是关于 sin⁡x\sin x 的二次式:令 u=sin⁡xu=\sin x,则

f(x)=u2+bu+c,u=sin⁡x∈[−1,1].f(x)=u^{2}+bu+c,\qquad u=\sin x\in[-1,1].
  • cc 是加在最外面的常数,只把整张图上下搬家;
  • bb 却坐在 sin⁡x\sin x 这一项的系数上,b=0b=0 与 b≠0b\neq0 会让函数长得很不一样: 没有 bsin⁡xb\sin x 时,ff 只含 sin⁡2x\sin^{2}x,而 sin⁡2x\sin^{2}x 的周期比 sin⁡x\sin x 短一半。

下面两条路:一条把两种情形的最小正周期都正面算出来, 一条不算周期,只盯着最大值点落在哪儿。

上下两块教学图。①上块是平面直角坐标系,横轴从 0 到 4\pi、刻度标着 0、\pi、2\pi、3\pi、4\pi,纵轴从 -1.3 到 3。图上画了三条曲线:一条深蓝色实线是 b=0、c=0 时的 y=\sin^{2}x,在 0 到 4\pi 之间起伏四个完全相同的拱、峰值 1、谷值 0;一条亮蓝色实线是 b=1、c=0 时的 y=\sin^{2}x+\sin x,峰值约 2、谷值约 -0.25,在 0 到 4\pi 之间只重复两次;一条灰色虚线是 b=0、c=1 时的 y=\sin^{2}x+1,形状与深蓝色那条一模一样,只是整体上移 1。x=0 与 x=\pi 处各有一条深蓝色竖直虚线框出深蓝曲线的一个周期,x=0 与 x=2\pi 处各有一条亮蓝色竖直虚线框出亮蓝曲线的一个周期。三条曲线各带一句标注:深蓝的写「b=0,\ c=0:最小正周期 \pi」,亮蓝的写「b=1,\ c=0:最小正周期 2\pi」,灰虚线的写「b=0,\ c=1:只是整体上移,形状不变,周期照旧」。这一块的标题写「① f(x)=\sin^{2}x+b\sin x+c:改 b 撑长周期,改 c 只上下搬家」。②下块是一段文字:抬头「算出来的两件事:」,两行绿字分别是「b:b=0 时周期 \pi,b=1 时周期 2\pi —— 变了,所以「与 b 有关」」和「c:加常数只把图上下平移,f(x+T)-f(x) 一点不变 —— 所以「与 c 无关」」。接着抬头「拿这两件事去对四个选项:」,四行依次是红色的「A.与b有关,且与c有关 —— 把 c 说成有关」、绿色的「B.与b有关,但与c无关 —— 两条都对上了」、红色的「C.与b无关,且与c无关 —— 把 b 说成无关」、红色的「D.与b无关,但与c有关 —— 把 b 说成无关、把 c 说成有关」,最后一行绿字写「官方答案 B」

解法一:降幂之后作差,把周期逼出来

第一步:常数 cc 当场出局

记 g(x)=sin⁡2x+bsin⁡xg(x)=\sin^{2}x+b\sin x,那么 f(x)=g(x)+cf(x)=g(x)+c。对任意实数 TT,

f(x+T)=f(x) 对一切 x 成立  ⟺  g(x+T)+c=g(x)+c  ⟺  g(x+T)=g(x).f(x+T)=f(x)\ \text{对一切 }x\text{ 成立} \iff g(x+T)+c=g(x)+c \iff g(x+T)=g(x).

两边同减一个 cc 就完事——ff 与 gg 的周期的全体逐字相同,最小正周期自然也相同。 cc 取什么值都不影响,所以周期与 cc 无关。往下只需研究 gg。

第二步:b=0b=0 时,降幂看出周期 π\pi

由二倍角公式 cos⁡2x=1−2sin⁡2x\cos 2x=1-2\sin^{2}x,得

sin⁡2x=1−cos⁡2x2,于是g(x)=12−12cos⁡2x.\sin^{2}x=\frac{1-\cos 2x}{2}, \qquad\text{于是}\qquad g(x)=\frac{1}{2}-\frac{1}{2}\cos 2x .

y=cos⁡2xy=\cos 2x 的最小正周期是 2π2=π\dfrac{2\pi}{2}=\pi。而 gg 是它「乘 −12-\tfrac12、再加 12\tfrac12」得到的—— 乘一个非零常数、加一个常数都不改变「h(x+T)=h(x)h(x+T)=h(x)」这个等式, 所以 gg 的周期的全体与 cos⁡2x\cos 2x 的完全一样,最小正周期就是

T=π(b=0).T=\pi\qquad(b=0).

第三步:b≠0b\neq0 时,先确认 2π2\pi 是周期

sin⁡(x+2π)=sin⁡x\sin(x+2\pi)=\sin x,所以

g(x+2π)=sin⁡2(x+2π)+bsin⁡(x+2π)=sin⁡2x+bsin⁡x=g(x).g(x+2\pi)=\sin^{2}(x+2\pi)+b\sin(x+2\pi)=\sin^{2}x+b\sin x=g(x).

2π2\pi 确实是周期。但「是周期」不等于「是最小的周期」,下一步才是关键。

第四步:b≠0b\neq0 时,作差把比 2π2\pi 小的全挡掉

构造

F(x)=g(x)−g(x+π).F(x)=g(x)-g(x+\pi).

先算出 FF 是什么。因为 sin⁡(x+π)=−sin⁡x\sin(x+\pi)=-\sin x,所以 sin⁡2(x+π)=sin⁡2x\sin^{2}(x+\pi)=\sin^{2}x,于是

g(x+π)=sin⁡2x−bsin⁡x,F(x)=(sin⁡2x+bsin⁡x)−(sin⁡2x−bsin⁡x)=2bsin⁡x.g(x+\pi)=\sin^{2}x-b\sin x, \qquad F(x)=\bigl(\sin^{2}x+b\sin x\bigr)-\bigl(\sin^{2}x-b\sin x\bigr)=2b\sin x .

现在设 TT 是 gg 的任意一个周期。那么

F(x+T)=g(x+T)−g(x+T+π)=g(x)−g(x+π)=F(x),F(x+T)=g(x+T)-g(x+T+\pi)=g(x)-g(x+\pi)=F(x),

也就是说 gg 的每一个周期都是 FF 的周期。而 b≠0b\neq0 时 F(x)=2bsin⁡xF(x)=2b\sin x, 它的周期恰好是 {2kπ:k∈Z}\{2k\pi: k\in\mathbf{Z}\}(正弦函数的最小正周期是 2π2\pi)。 所以

T∈{2kπ},正的最小者是 2π.T\in\{2k\pi\},\qquad\text{正的最小者是 }2\pi .

结合第三步(2π2\pi 确实是周期),得

T=2π(b≠0).T=2\pi\qquad(b\neq0).

第五步:合起来对选项

T={π,b=0,2π,b≠0.T=\begin{cases}\pi, & b=0,\\[2pt] 2\pi, & b\neq0.\end{cases}

bb 一变,周期就在 π\pi 与 2π2\pi 之间跳——与 bb 有关; 第一步已经说明与 cc 无关。四个选项里说「与 bb 有关,但与 cc 无关」的是 B。

解法二:盯住最大值点,周期只能是它们的间距

这条路一次二倍角公式都不用,只用一个事实: 若 TT 是 ff 的周期,则 ff 的最大值点的全体被平移 TT 后仍是原样。 (因为 f(x0+T)=f(x0)f(x_{0}+T)=f(x_{0}),x0x_{0} 取到最大值,x0+Tx_{0}+T 也取到;反之亦然。)

第一步:换元,把最大值点找出来

令 u=sin⁡xu=\sin x,则 uu 跑遍 [−1,1][-1,1],而

f=u2+bu+c=:φ(u).f=u^{2}+bu+c=:\varphi(u).

φ\varphi 是开口向上的二次函数,所以它在闭区间 [−1,1][-1,1] 上的最大值必在端点取到:

φ(1)=1+b+c,φ(−1)=1−b+c.\varphi(1)=1+b+c,\qquad \varphi(-1)=1-b+c .
  • 若 b>0b>0:φ(1)>φ(−1)\varphi(1)>\varphi(-1),最大值 1+b+c1+b+c 只在 u=1u=1 取到;
  • 若 b<0b<0:最大值 1−b+c1-b+c 只在 u=−1u=-1 取到;
  • 若 b=0b=0:两端相等,最大值 1+c1+c 在 u=1u=1 和 u=−1u=-1 都取到。

注意 cc 只是给最大值加了个数,不改变「在哪个 uu 取到」——这已经透出「与 cc 无关」。

第二步:b≠0b\neq0 时,最大值点每隔 2π2\pi 才出现一次

以 b>0b>0 为例(b<0b<0 完全对称)。最大值点就是使 sin⁡x=1\sin x=1 的那些 xx:

M={π2+2kπ: k∈Z}.M=\Bigl\{\frac{\pi}{2}+2k\pi:\ k\in\mathbf{Z}\Bigr\}.

设 T>0T>0 是 ff 的周期。把 x0=π2x_{0}=\dfrac{\pi}{2} 平移 TT:f(x0+T)=f(x0)f\bigl(x_{0}+T\bigr)=f(x_{0}) 是最大值, 所以 x0+T∈Mx_{0}+T\in M,即

π2+T=π2+2kπ ⟹ T=2kπ.\frac{\pi}{2}+T=\frac{\pi}{2}+2k\pi\ \Longrightarrow\ T=2k\pi .

T>0T>0 迫使 k⩾1k\geqslant1,故 T⩾2πT\geqslant 2\pi。又 sin⁡(x+2π)=sin⁡x\sin(x+2\pi)=\sin x 使 2π2\pi 确实是周期, 所以

Tmin⁡=2π(b≠0).T_{\min}=2\pi\qquad(b\neq0).

第三步:b=0b=0 时,最大值点密了一倍

此时最大值点是使 sin⁡x=±1\sin x=\pm1 的那些 xx:

M0={π2+kπ: k∈Z},M_{0}=\Bigl\{\frac{\pi}{2}+k\pi:\ k\in\mathbf{Z}\Bigr\},

相邻两点只差 π\pi。同样的推理给出 T=kπT=k\pi,故 T⩾πT\geqslant\pi; 而 f(x+π)=sin⁡2(x+π)+c=sin⁡2x+c=f(x)f(x+\pi)=\sin^{2}(x+\pi)+c=\sin^{2}x+c=f(x),π\pi 确实是周期。所以

Tmin⁡=π(b=0).T_{\min}=\pi\qquad(b=0).

第四步:两条结论

  • 与 bb 有关:b=0b=0 给 π\pi、b≠0b\neq0 给 2π2\pi,两个值不同—— 这就是一对反例,把「与 bb 无关」直接否掉。
  • 与 cc 无关:整条推理里 cc 只出现在最大值的数值上(1+∣b∣+c1+|b|+c), 从没影响过最大值点的位置,也没影响过 f(x+T)=f(x)f(x+T)=f(x) 这个等式(两边同加 cc)。 所以换任何 cc,最小正周期都不变。

「与 bb 有关,但与 cc 无关」——选 B。

回头看:两条路各自强在哪儿

解法一是三角题的标准打法:先降幂把 sin⁡2x\sin^{2}x 换成 cos⁡2x\cos 2x, 再用 F(x)=f(x)−f(x+π)F(x)=f(x)-f(x+\pi) 这一手把「π\pi 到底行不行」问出来。 作差这一步很值得记:它把混在一起的两项拆开,只留下周期长的那一项, 于是周期的下界一步到手。

解法二几乎不动手算,靠的是一条通用事实——周期平移保持最大值点的分布。 它的好处是把 bb 的作用讲透了:b≠0b\neq0 打破了 sin⁡x\sin x 与 −sin⁡x-\sin x 的对称, 最大值只剩一半的位置,点与点之间的间距从 π\pi 拉成 2π2\pi,周期也就跟着翻倍。 这条路对「ff 是 sin⁡x\sin x 的某个函数」这一大类题都管用。

一句话记住这道题:加在最外面的常数从不影响周期; 真正影响周期的,是那一项会不会把 sin⁡x\sin x 与 −sin⁡x-\sin x 区别对待。

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