浙江 2017 · 数学 q18

题解图(原卷截图 · 含答案与官方解析)

浙江 2017 · 数学 q18 原卷截图(含答案)

文字转写(题面 + 答案)

题面

18.(14分)已知函数f(x)=sin⁡2x−cos⁡2x−23sin⁡xcos⁡x(x∈R)f ( x ) = \sin^{2} x - \cos^{2} x - 2 \sqrt{3} \sin x \cos x ( x \in R )

(Ⅰ)求f(2π3)f ( \frac{2 \pi}{3} )的值

(Ⅱ)求f(x)的最小正周期及单调递增区间

(Ⅰ)求f(2π3)f ( \frac{2 \pi}{3} )的值

(Ⅱ)求f(x)的最小正周期及单调递增区间

答案

(Ⅰ)22

(Ⅱ)最小正周期 π\pi;单调递增区间 [−5π6+kπ, −π3+kπ]\left[-\dfrac{5\pi}{6}+k\pi,\ -\dfrac{\pi}{3}+k\pi\right](k∈Zk\in\mathbb{Z})

本题的知识树

4 概念 · 4 公式 · 1 题型 · 1 套路 · 3 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 · 最终答案:(Ⅰ)22 (Ⅱ)最小正周期 π\pi;单调递增区间 [−5π6+kπ, −π3+kπ]\left[-\dfrac{5\pi}{6}+k\pi,\ -\dfrac{\pi}{3}+k\pi\right](k∈Zk\in\mathbb{Z})

冷启动:三个问题,其实只有一件事要做

题面给的是

f(x)=sin⁡2x−cos⁡2x−23 sin⁡xcos⁡x,x∈Rf(x)=\sin^{2}x-\cos^{2}x-2\sqrt3\,\sin x\cos x,\qquad x\in\mathbb{R}

然后问三件事:f ⁣(2π3)f\!\left(\dfrac{2\pi}{3}\right) 是多少、最小正周期是多少、在哪些区间上递增。

这三件事看起来是三道小题,其实是一道。原式里有平方、有乘积、角还都是 xx, 这种样子什么性质都读不出来。但只要把它整理成

f(x)=Asin⁡(ωx+φ)f(x)=A\sin(\omega x+\varphi)

这一条标准式,三个问题就同时变成抄写:代一个数进去是第一问,2π∣ω∣\dfrac{2\pi}{|\omega|} 是第二问, 把正弦自己的递增区间平移缩放一下是第三问。

所以真正的工作量全在化式子这一步。这道题的官方解答也是这么走的。

为什么原式读不出周期? 因为 sin⁡2x\sin^{2}x、cos⁡2x\cos^{2}x、sin⁡xcos⁡x\sin x\cos x 三项虽然各自的 最小正周期都是 π\pi,但「几个周期 π\pi 的函数相加,和的最小正周期还是 π\pi」这句话 并不总对(相加可能互相抵消,让周期变小)。要断言最小正周期,得先把和算出来。

上下两块教学图。①上块是一个浅色底板上的四步流程框,从上到下依次写着「\sin^2x-\cos^2x=-\cos 2x(二倍角,把平方降掉)」「2\sqrt{3}\sin x\cos x=\sqrt{3}\sin 2x(二倍角,2\sin x\cos x=\sin 2x)」「f(x)=-\cos 2x-\sqrt{3}\sin 2x=-2\sin\left(2x+\frac{\pi}{6}\right)(辅助角)」,框与框之间用向下的箭头连起来;最后一个框用绿色写出结论「f(x)=2\sin\left(2x+\frac{7\pi}{6}\right)(-\sin\theta=\sin(\theta+\pi),把负号并进相位)」。这一块的标题是「① 化一:两处二倍角降次,辅助角并项」。绿框下面另起两行小结:「读周期:只看 \omega——T=2\pi/\omega=2\pi/2=\pi」「读递增区间:让整块 2x+\frac{7\pi}{6} 落进 [-\pi/2+2k\pi,\ \pi/2+2k\pi],再解出 x」。②下块以 x 为横轴、范围取 [-\pi,\pi],画出曲线 y=2\sin\left(2x+\frac{7\pi}{6}\right),纵向从 -2 到 2。曲线上有两段涂成绿色的递增段:左边一段配文字「递增区间 \left[-\frac{5\pi}{6},\,-\frac{\pi}{3}\right]」,右边一段配文字「再往右一个周期:\left[\frac{\pi}{6},\,\frac{2\pi}{3}\right] ——同一族,写法不唯一」。x=\frac{2\pi}{3} 处标一个黑点(它正落在右边那段绿色区间的右端、也正是曲线的一个最高点),点的右上方注「f\left(\frac{2\pi}{3}\right)=2」,点的正下方另有一行小字「最高点:这段递增区间的右端」。曲线上方还有一段红色双向箭头,左端落在 x=-\frac{\pi}{3} 那个最高点的正上方、右端落在 x=\frac{2\pi}{3} 那个最高点的正上方,箭头上方标注「相邻两个最高点之间 = 最小正周期 T=2\pi/2=\pi」。这一块的标题写「② 三问都在同一条曲线上:y=2\sin\left(2x+\frac{7\pi}{6}\right);绿色是递增区间,每半个周期一段」

解法一:合成一个正弦,再用整体代换把正弦自己的递增区间搬过来

第一步:两处二倍角,把平方和乘积都换掉

原式里有两块碍事的东西,各用一次二倍角公式:

sin⁡2x−cos⁡2x=−(cos⁡2x−sin⁡2x)=−cos⁡2x\sin^{2}x-\cos^{2}x=-\left(\cos^{2}x-\sin^{2}x\right)=-\cos 2x 23 sin⁡xcos⁡x=3⋅(2sin⁡xcos⁡x)=3 sin⁡2x2\sqrt3\,\sin x\cos x=\sqrt3\cdot\left(2\sin x\cos x\right)=\sqrt3\,\sin 2x

代回去:

f(x)=−cos⁡2x−3 sin⁡2xf(x)=-\cos 2x-\sqrt3\,\sin 2x

现在只剩一次项,角统一成 2x2x——这正是能用辅助角的形态。

cos⁡2x\cos 2x 有三种写法(cos⁡2x−sin⁡2x\cos^{2}x-\sin^{2}x、1−2sin⁡2x1-2\sin^{2}x、2cos⁡2x−12\cos^{2}x-1)。 这里要的是第一种,因为只有它能把题面的 sin⁡2x−cos⁡2x\sin^{2}x-\cos^{2}x 整块吃掉。选错一种, 式子里会留下常数项,后面全乱。

第二步:辅助角,合成一个正弦

现在的形状是 asin⁡2x+bcos⁡2xa\sin 2x+b\cos 2x,其中 a=−3a=-\sqrt3(sin⁡2x\sin 2x 的系数)、b=−1b=-1(cos⁡2x\cos 2x 的系数)。 振幅

a2+b2=3+1=2\sqrt{a^{2}+b^{2}}=\sqrt{3+1}=2

提出振幅:

f(x)=2(−32sin⁡2x−12cos⁡2x)f(x)=2\left(-\frac{\sqrt3}{2}\sin 2x-\frac12\cos 2x\right)

括号里两个系数的平方和恰是 11,所以存在 φ\varphi 使 cos⁡φ=−32\cos\varphi=-\dfrac{\sqrt3}{2}、sin⁡φ=−12\sin\varphi=-\dfrac12。 两个都是负的,φ\varphi 在第三象限,取 φ=π+π6=7π6\varphi=\pi+\dfrac{\pi}{6}=\dfrac{7\pi}{6}。于是

 f(x)=2sin⁡ ⁣(2x+7π6) \boxed{\,f(x)=2\sin\!\left(2x+\frac{7\pi}{6}\right)\,}

代一个数回验:x=0x=0 时原式 =0−1−0=−1=0-1-0=-1;标准式 =2sin⁡7π6=2×(−12)=−1=2\sin\dfrac{7\pi}{6}=2\times\left(-\dfrac12\right)=-1。对上了。

(也可以写成 f(x)=−2sin⁡ ⁣(2x+π6)f(x)=-2\sin\!\left(2x+\dfrac{\pi}{6}\right),两者靠 −sin⁡θ=sin⁡(θ+π)-\sin\theta=\sin(\theta+\pi) 互换。 下面用带正号的那一条,因为正号形态可以直接套正弦的递增区间,不必再想外层负号的方向。)

第三步(Ⅰ):代进去

f ⁣(2π3)=2sin⁡ ⁣(2×2π3+7π6)=2sin⁡ ⁣(4π3+7π6)=2sin⁡ ⁣(8π6+7π6)=2sin⁡15π6=2sin⁡5π2f\!\left(\frac{2\pi}{3}\right)=2\sin\!\left(2\times\frac{2\pi}{3}+\frac{7\pi}{6}\right) =2\sin\!\left(\frac{4\pi}{3}+\frac{7\pi}{6}\right) =2\sin\!\left(\frac{8\pi}{6}+\frac{7\pi}{6}\right)=2\sin\frac{15\pi}{6}=2\sin\frac{5\pi}{2}

而 5π2=π2+2π\dfrac{5\pi}{2}=\dfrac{\pi}{2}+2\pi,所以 sin⁡5π2=sin⁡π2=1\sin\dfrac{5\pi}{2}=\sin\dfrac{\pi}{2}=1。

f ⁣(2π3)=2f\!\left(\frac{2\pi}{3}\right)=2

22 正是振幅,说明这一点恰好落在一个最高点上——图里那个点就是它。

第四步(Ⅱ):周期

标准式 y=Asin⁡(ωx+φ)y=A\sin(\omega x+\varphi) 的最小正周期只由 ω\omega 决定:

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

第五步(Ⅱ):整体代换,把递增区间搬过来

正弦自己的递增区间是 [−π2+2kπ, π2+2kπ]\left[-\dfrac{\pi}{2}+2k\pi,\ \dfrac{\pi}{2}+2k\pi\right](k∈Zk\in\mathbb{Z})。 把整块 2x+7π62x+\dfrac{7\pi}{6} 当成那个自变量,塞进去:

−π2+2kπ ≤ 2x+7π6 ≤ π2+2kπ-\frac{\pi}{2}+2k\pi\ \le\ 2x+\frac{7\pi}{6}\ \le\ \frac{\pi}{2}+2k\pi

三段同时减 7π6\dfrac{7\pi}{6}:

−π2−7π6+2kπ ≤ 2x ≤ π2−7π6+2kπ-\frac{\pi}{2}-\frac{7\pi}{6}+2k\pi\ \le\ 2x\ \le\ \frac{\pi}{2}-\frac{7\pi}{6}+2k\pi

左端 −3π6−7π6=−10π6=−5π3-\dfrac{3\pi}{6}-\dfrac{7\pi}{6}=-\dfrac{10\pi}{6}=-\dfrac{5\pi}{3}, 右端 3π6−7π6=−4π6=−2π3\dfrac{3\pi}{6}-\dfrac{7\pi}{6}=-\dfrac{4\pi}{6}=-\dfrac{2\pi}{3}。三段同时除以 22(正数,不等号方向不变):

 −5π6+kπ ≤ x ≤ −π3+kπ,k∈Z \boxed{\ -\frac{5\pi}{6}+k\pi\ \le\ x\ \le\ -\frac{\pi}{3}+k\pi,\qquad k\in\mathbb{Z}\ }

区间长度 −π3−(−5π6)=π2=T2-\dfrac{\pi}{3}-\left(-\dfrac{5\pi}{6}\right)=\dfrac{\pi}{2}=\dfrac{T}{2}, 正好是半个周期——每个周期里恰有一段上坡一段下坡,长度对得上,说明没算错。

解法二:第一问直接代角硬算,第二问合成一个余弦、取它的递减段

这条路的用意是:第一问根本不需要化式子,而第二问即使化,也不一定非化成正弦不可。

第一步(Ⅰ):把 x=2π3x=\dfrac{2\pi}{3} 直接代进原式

题面给的是 f(x)=sin⁡2x−cos⁡2x−23 sin⁡xcos⁡xf(x)=\sin^{2}x-\cos^{2}x-2\sqrt3\,\sin x\cos x。2π3\dfrac{2\pi}{3} 是特殊角:

sin⁡2π3=32,cos⁡2π3=−12\sin\frac{2\pi}{3}=\frac{\sqrt3}{2},\qquad \cos\frac{2\pi}{3}=-\frac12

三项分别算:

sin⁡22π3=34,cos⁡22π3=14,23 sin⁡2π3cos⁡2π3=23⋅32⋅(−12)=−32\sin^{2}\frac{2\pi}{3}=\frac34,\qquad \cos^{2}\frac{2\pi}{3}=\frac14, \qquad 2\sqrt3\,\sin\frac{2\pi}{3}\cos\frac{2\pi}{3}=2\sqrt3\cdot\frac{\sqrt3}{2}\cdot\left(-\frac12\right)=-\frac32

合起来:

f ⁣(2π3)=34−14−(−32)=12+32=2f\!\left(\frac{2\pi}{3}\right)=\frac34-\frac14-\left(-\frac32\right)=\frac12+\frac32=2

注意最后那个减号:题面第三项前面是减号,而这一项本身算出来是负的,负负得正。 这是这条路唯一会翻车的地方。

第二步(Ⅱ):同样先降次,但这次合成余弦

降次那两步和解法一一样,只用两次二倍角公式:

sin⁡2x−cos⁡2x=−cos⁡2x,23 sin⁡xcos⁡x=3 sin⁡2x\sin^{2}x-\cos^{2}x=-\cos 2x,\qquad 2\sqrt3\,\sin x\cos x=\sqrt3\,\sin 2x f(x)=−cos⁡2x−3 sin⁡2x=−(cos⁡2x+3 sin⁡2x)f(x)=-\cos 2x-\sqrt3\,\sin 2x=-\left(\cos 2x+\sqrt3\,\sin 2x\right)

括号里那一块,用差角余弦去凑:

2cos⁡ ⁣(2x−π3)=2(cos⁡2xcos⁡π3+sin⁡2xsin⁡π3)=2(12cos⁡2x+32sin⁡2x)=cos⁡2x+3 sin⁡2x2\cos\!\left(2x-\frac{\pi}{3}\right)=2\left(\cos 2x\cos\frac{\pi}{3}+\sin 2x\sin\frac{\pi}{3}\right) =2\left(\frac12\cos 2x+\frac{\sqrt3}{2}\sin 2x\right)=\cos 2x+\sqrt3\,\sin 2x

正好就是括号里那一块。于是

 f(x)=−2cos⁡ ⁣(2x−π3) \boxed{\,f(x)=-2\cos\!\left(2x-\frac{\pi}{3}\right)\,}

回验:x=0x=0 时原式 =0−1−0=−1=0-1-0=-1;这条式子 =−2cos⁡(−π3)=−2×12=−1=-2\cos\left(-\dfrac{\pi}{3}\right)=-2\times\dfrac12=-1。对上了。

用差角余弦时最容易记反:cos⁡(A−B)=cos⁡Acos⁡B+sin⁡Asin⁡B\cos(A-B)=\cos A\cos B+\sin A\sin B,是加号。 写成减号的话凑出来的是 cos⁡2x−3sin⁡2x\cos 2x-\sqrt3\sin 2x,和括号里的东西差一个符号。

第三步(Ⅱ):周期

余弦形态一样读:∣ω∣=2\left|\omega\right|=2,所以

T=2π2=πT=\frac{2\pi}{2}=\pi

第四步(Ⅱ):外层带负号,要的是余弦的递减段

记 u=2x−π3u=2x-\dfrac{\pi}{3}。因为 ω=2>0\omega=2>0,uu 随 xx 严格增大;而 f=−2cos⁡uf=-2\cos u 里外层 带负系数,所以

f 随 x 递增⟺cos⁡u 随 u 递减f\ \text{随}\ x\ \text{递增}\quad\Longleftrightarrow\quad \cos u\ \text{随}\ u\ \text{递减}

这个反向是本题最容易掉的一步:看见「求递增区间」就去套余弦的递增区间,答案会整体错半个周期。

余弦的递减区间是 [2kπ, π+2kπ]\left[2k\pi,\ \pi+2k\pi\right](k∈Zk\in\mathbb{Z}),代进去:

2kπ ≤ 2x−π3 ≤ π+2kπ2k\pi\ \le\ 2x-\frac{\pi}{3}\ \le\ \pi+2k\pi

三段同时加 π3\dfrac{\pi}{3} 再除以 22:

π6+kπ ≤ x ≤ 2π3+kπ,k∈Z\frac{\pi}{6}+k\pi\ \le\ x\ \le\ \frac{2\pi}{3}+k\pi,\qquad k\in\mathbb{Z}

第五步:这和解法一的答案是同一族

解法一得到 [−5π6+kπ, −π3+kπ]\left[-\dfrac{5\pi}{6}+k\pi,\ -\dfrac{\pi}{3}+k\pi\right],这里得到 [π6+kπ, 2π3+kπ]\left[\dfrac{\pi}{6}+k\pi,\ \dfrac{2\pi}{3}+k\pi\right],两者差一个 π\pi:

π6−π=−5π6,2π3−π=−π3\frac{\pi}{6}-\pi=-\frac{5\pi}{6},\qquad \frac{2\pi}{3}-\pi=-\frac{\pi}{3}

也就是把 kk 换成 k−1k-1 就完全重合。kk 跑遍全体整数时,两种写法给出的是同一族区间。

顺带把第一问也对上了:x=2π3x=\dfrac{2\pi}{3} 恰是 k=0k=0 那一段的右端点,即一段上坡的终点, 所以那里是最高点,函数值就是振幅 22——和第一步硬算的结果一致。

回头看:两条路各自强在哪儿

解法一解法二
第(Ⅰ)问先化式,再代直接代原式
合成的目标正弦,且负号并进相位余弦,负号留在外面
读递增区间直接套正弦的递增区间要先反向成余弦的递减区间
得到的区间[−5π6+kπ, −π3+kπ]\left[-\frac{5\pi}{6}+k\pi,\ -\frac{\pi}{3}+k\pi\right][π6+kπ, 2π3+kπ]\left[\frac{\pi}{6}+k\pi,\ \frac{2\pi}{3}+k\pi\right]

三条可以带走的经验:

  1. 只要看到平方或 sin⁡xcos⁡x\sin x\cos x,先降次。 降完角统一了,才谈得上合并。
  2. 负号要么并进相位,要么就一路盯住它。 最怕的是并了一半:式子写成 −2sin⁡(⋯ )-2\sin(\cdots), 却去套正弦的递增区间。
  3. 单调区间的写法不唯一。 只要 kk 跑遍整数后得到的是同一族,就都算对。 自查办法是量一量区间长度:应当恰好是半个周期。

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