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高考数学一轮复习考点突破讲与练 第4章 第4节 函数y=Asin(ωx+φ)的图象及3角函数模型的简单应用 (含解析)
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第四节 函数y=Asin(ωx+φ)的图象及三角函数模型的简单应用
[考纲要求]
1.了解函数y=Asin(ωx+φ)的物理意义;能画出y=Asin(ωx+φ)的图象,了解参数A,ω,φ对函数图象变化的影响.
2.了解三角函数是描述周期变化现象的重要函数模型,会用三角函数解决一些简单实际问题.
突破点一 函数y=Asin(ωx+φ)的图象
1.函数y=Asin(ωx+φ)的有关概念
y=Asin(ωx+φ)
振幅
周期
频率
相位
初相
(A>0,ω>0)
A
T=
f==
φ
2.用五点法画y=Asin(ωx+φ)一个周期内的简图
用五点法画y=Asin(ωx+φ)一个周期内的简图时,要找五个关键点,如下表所示:
x
-
-
-
ωx+φ
2π
y=Asin(ωx+φ)
0
A
0
-A
0
3.由函数y=sin x的图象变换得到y=Asin(ωx+φ)(A>0,ω>0)的图象的两种方法
一、判断题(对的打“√”,错的打“×”)
(1)利用图象变换作图时“先平移,后伸缩”与“先伸缩,后平移”中平移的单位长度一致.( )
(2)将y=3sin 2x的图象左移个单位后所得图象的解析式是y=3sin.( )
答案:(1)× (2)×
二、填空题
1.函数y=sin的振幅为__________,周期为________,初相为________.
答案:
2.将函数y=sin 2x的图象向左平移个单位长度,再向上平移1个单位长度,所得图象的函数解析式是________.
答案:y=1+cos 2x
3.函数f(x)=2sin(ωx+φ)(ω>0,0<φ<π)的图象如图,则点(ω,φ)的坐标是________.
答案:
考法一 函数y=Asin(ωx+)的图象及变换
1.“五点法”画图
(1)y=sin x的图象在[0,2π]上的五个关键点的坐标为(0,0),,(π,0),,(2π,0).
(2)y=cos x的图象在[0,2π]上的五个关键点的坐标为(0,1),,(π,-1),,(2π,1).
2.三角函数图象的变换
函数y=Asin(ωx+φ)+k(A>0,ω>0)中,参数A,ω,φ,k的变化引起图象的变换:
(1)A的变化引起图象中振幅的变换,即纵向伸缩变换;
(2)ω的变化引起周期的变换,即横向伸缩变换;
(3)φ的变化引起左右平移变换,k的变化引起上下平移变换.图象平移遵循的规律为:“左加右减,上加下减”.
[例1] (2019·大庆实验中学期初)已知函数f(x)=cos(ω>0)的最小正周期为π,则函数f(x)的图象( )
A.可由函数g(x)=cos 2x的图象向左平移个单位长度得到
B.可由函数g(x)=cos 2x的图象向右平移个单位长度得到
C.可由函数g(x)=cos 2x的图象向左平移个单位长度得到
D.可由函数g(x)=cos 2x的图象向右平移个单位长度得到
[解析] 由已知得,ω==2,则f(x)=cos的图象可由函数g(x)=cos 2x的图象向右平移个单位长度得到,故选D.
[答案] D
[例2] (2019·景德镇测试)已知函数f(x)=4cos x·sin+a的最大值为2.
(1)求a的值及f(x)的最小正周期;
(2)画出f(x)在[0,π]上的图象.
[解] (1)f(x)=4cos xsin+a
=4cos x·+a
=sin 2x+2cos2x+a
=sin 2x+cos 2x+1+a
=2sin+1+a,
∵f(x)的最大值为2,
∴a=-1,最小正周期T==π.
(2)由(1)知f(x)=2sin,列表:
x
0
π
2x+
π
2π
f(x)=2sin
1
2
0
-2
0
1
画图如下:
[方法技巧] 三角函数图象变换的两个要点
常规方法
主要有两种:先平移后伸缩;先伸缩后平移.值得注意的是,对于三角函数图象的平移变换问题,其平移变换规则是“左加、右减”,并且在变换过程中只变换其自变量x,如果x的系数不是1,则需把x的系数提取后再确定平移的单位长度和方向
方程思想
可以把判断的两函数变为同名的函数,且x的系数变为一致,通过列方程求解,如y=sin 2x变为y=sin2x+,可设平移φ个单位长度,即由2(x+φ)=2x+解得φ=,向左平移,若φ<0说明向右平移|φ|个单位长度
考法二 由图象求函数y=Asin(ωx+)的解析式
[例3] (1)(2018·怀仁期末联考)若函数f(x)=sin(ωx-φ)的部分图象如图所示,则ω和φ的值是( )
A.ω=1,φ= B.ω=1,φ=-
C.ω=,φ= D.ω=,φ=-
(2)(2019·武邑中学调研)已知函数f(x)=Asinx+φ,y=f(x)的部分图象如图所示,P,Q分别为该图象的最高点和最低点,作PR⊥x轴于点R,点R的坐标为(1,0).若∠PRQ=,则f(0)=( )
A. B.
C. D.
[解析] (1)由图象可知,函数的周期为4-=4π,所以ω==,将代入y=sin,又|φ|≤,得φ=-,故选D.
(2)过点Q作QH⊥x轴于点H.设P(1,A),Q(a,-A).由函数图象得2|a-1|==6,即|a-1|=3.因为∠PRQ=,所以∠HRQ=,则tan∠QRH==,解得A=.又P(1,)是图象的最高点,所以×1+φ=+2kπ,k∈Z.又因为0<φ<,所以φ=,所以f(x)=sin,f(0)=sin =.故选B.
[答案] (1)D (2)B
[方法技巧]
确定y=Asin(ωx+φ)+b(A>0,ω>0)的步骤和方法
(1)求A,b:确定函数的最大值M和最小值m,则A=,b=;
(2)求ω:确定函数的周期T,则可得ω=;
(3)求φ:常用的方法有代入法和五点法.
①代入法:把图象上的一个已知点代入(此时A,ω,b已知)或代入图象与直线y=b的交点求解(此时要注意交点是在上升区间上还是在下降区间上).
②五点法:确定φ值时,往往以寻找“五点法”中的某一个点为突破口.
1.将函数f(x)=cos 2x-sin 2x的图象向左平移个单位长度后得到函数F(x)的图象,则下列说法中正确的是( )
A.F(x)是奇函数,最小值是-2
B.F(x)是偶函数,最小值是-2
C.F(x)是奇函数,最小值是-
D.F(x)是偶函数,最小值是-
解析:选C f(x)=cos 2x-sin 2x=cos,则F(x)=cos= cos=-sin 2x,故选C.
2.已知函数f(x)=sin(ωx+φ)的最小正周期为6π,将其图象向右平移个单位长度后得到函数g(x)=sin ωx的图象,则φ等于( )
A. B.
C. D.
解析:选B 由题意得=6π,∴ω=.∴f(x)=sin.将其图象向右平移 个单位长度后得到的
函数图象的解析式为g(x)=sin=sin=sin x,∴φ-=2kπ(k∈Z).解得φ=2kπ+(k∈Z),∵|φ|<,∴φ=.故选B.
3.已知函数f(x)=Asin(ωx+φ)A>0,ω>0,|φ|<的部分图象如图所示,则将y=f(x)的图象向左平移个单位长度后,得到的图象对应的函数解析式为( )
A.y=-cos 2x B.y=cos 2x
C.y=sin D.y=sin
解析:选C 设函数f(x)的最小正周期为T.由题图知,T=π-,得T=π=, ∴ω=2;由f(x)的最大值为1,得A=1,∴f(x)=sin,将的坐标代入可得sin+φ=1,又∵|φ|<,∴φ=,∴f(x)=sin.f(x)的图象向左平移个单位长度,可得g(x)=sin2x++=sin的图象.故选C.
突破点二 三角函数模型的简单应用
三角函数模型在实际中的应用体现在两个方面:
(1)已知函数模型,利用三角函数的有关性质解决问题,其关键是准确理解自变量的意义及自变量与函数之间的对应法则.
(2)把实际问题抽象转化成数学问题,建立三角函数模型,再利用三角函数的有关知识解决问题,其关键是建模.
塔斯马尼亚·琼斯试图寻回丢失的Zambeji钻石.钻石是埋在死亡峡谷内4公里的一个地方,这里被野蛮的昆虫所侵扰.为了寻回钻石,塔斯马尼亚将要闯入这个峡谷,挖取钻石,并从原路返回.在这个峡谷中,昆虫密度是时间的一个连续函数.密度记为C,是指每平方米的昆虫数量,这个C的函数表达式为
C(t)=
这里的t是午夜后的小时数,m是一个实常数.
(1)求m的值;
(2)求出昆虫密度的最小值和出现最小值时的时间t;
(3)如果昆虫密度超过1 250只/平方米,那么昆虫的侵扰将是致命性的,午夜后几点,昆虫的密度首次出现非致命性的侵扰.
解:(1)因为C(t)是一个连续的函数,所以当t=8时,得到C(8)=1 000×(1+2)2-1 000=8 000=m,即m=8 000.
(2)当cos =-1时,C达到最小值.即=(2k+1)π,k∈Z,解得t=10,14.所以在10:00和14:00时,昆虫密度达到最小值,最小值为0.
(3)令1 0002-1 000≤1 250,
则2≤2.25,∴cos ≤-0.5.
即2kπ+π≤≤2kπ+π,k∈Z,
4k+≤t≤4k+,k∈Z.
又8≤t≤16,∴tmin=,即上午9:20,昆虫的密度首次出现非致命性的侵扰.
解决三角函数实际应用题的4个注意点
(1)活用辅助角公式准确化简;
(2)准确理解题意,实际问题数学化;
(3)“ωx+φ”整体处理;
(4)活用函数图象性质,数形结合.
1.某城市一年中12个月的平均气温与月份的关系可近似地用三角函数y=a+Acos(x=1,2,3,…,12)来表示,已知6月份的平均气温最高,为28 ℃,12月份的平均气温最低,为18 ℃,则10月份的平均气温值为________℃.
解析:依题意知,a==23,A==5,所以y=23+5cos,当x=10时,y=23+5cos×4=20.5.
答案:20.5
2.如图,某地夏天从8~14时用电量变化曲线近似满足函数y=Asin(ωx+φ)+b.
(1)求这一天的最大用电量及最小用电量.
(2)写出这段曲线的函数解析式.
解:(1)最大用电量为50万kW·h,
最小用电量为30万kW·h.
(2)由图象可知,8~14时的图象是y=Asin(ωx+φ)+b的半个周期的图象,
∴A=×(50-30)=10,b=×(50+30)=40.
∵×=14-8,∴ω=.
∴y=10sin+40.
将x=8,y=30代入上式,解得φ=.
∴所求解析式为y=10sin+40,x∈[8,14].
[课时跟踪检测]
[A级 基础题——基稳才能楼高]
1.函数y=2sin的振幅、频率和初相分别为( )
A.2,, B.2,,
C.2,, D.2,,-
解析:选A 由振幅、频率和初相的定义可知,函数y=2sin的振幅为2,频率为,初相为.
2.(2019·七台河联考)已知函数f(x)=cos,则以下判断中正确的是( )
A.函数f(x)的图象可由函数y=cos 2x的图象向左平移个单位长度得到
B.函数f(x)的图象可由函数y=cos 2x的图象向左平移个单位长度得到
C.函数f(x)的图象可由函数y=sin 2x的图象向右平移个单位长度得到
D.函数f(x)的图象可由函数y=sin 2x的图象向左平移个单位长度得到
解析:选A 因为f(x)=cos,所以函数f(x)的图象可由函数y=cos 2x的图象向左平移个单位长度得到,故选A.
3.函数f(x)=tan ωx(ω>0)的图象的相邻两支截直线y=2所得线段长为,则f的值是( )
A.- B.
C.1 D.
解析:选D 由题意可知该函数的周期为,
∴=,ω=2,f(x)=tan 2x.
∴f=tan =.
4.(2019·贵阳检测)已知函数f(x)=Asin(ωx+φ)ω>0,-<φ<的部分图象如图所示,则φ的值为( )
A.- B.
C.- D.
解析:选B 由题意,得=-=,所以T=π,由T=,得ω=2,由图可知A=1,所以f(x)=sin(2x+φ).又因为f=sin=0,-<φ<,所以φ=.
5.(2019·武汉一中模拟)函数f(x)=Asin(ωx+φ)+b的部分图象如图所示,则f(2 019)=( )
A.1 B.
C. D.
解析:选C 由函数图象可知最小正周期T=4,所以f(2 019)=f(504×4+3)=f(3),观察图象可知f(3)=,所以f(2 019)=.故选C.
6.据市场调查,某种商品一年内每件出厂价在7千元的基础上,按月呈f(x)=Asin(ωx+φ)+BA>0,ω>0,|φ|<的模型波动(x为月份),已知3月份达到最高价9千元,9月份价格最低为5千元.则7月份的出厂价格为________元.
解析:作出函数简图如图:三角函数模型为:y=Asin(ωx+φ)+B,由题意知:A=2 000,B=7 000,T=2×(9-3)=12,∴ω==.将(3,9 000)看成函数图象的第二个特殊点,则有×3+φ=,∴φ=0,故f(x)=2 000sinx+7 000(1≤x≤12,x∈N*).∴f(7)=2 000×sin+7 000=6 000.故7月份的出厂价格为6 000元.
答案:6 000
[B级 保分题——准做快做达标]
1.函数y=sin在区间上的简图是( )
解析:选A 令x=0,得y=sin=-,排除B、D.由f=0,f=0,排除C,故选A.
2.(2018·天津高考)将函数y=sin的图象向右平移个单位长度,所得图象对应的函数( )
A.在区间上单调递增
B.在区间上单调递减
C.在区间上单调递增
D.在区间上单调递减
解析:选A 将函数y=sin的图象向右平移个单位长度后的解析式为y=sin=sin 2x,则函数y=sin 2x的一个单调递增区间为,一个单调递减区间为.由此可判断选项A正确.
3.(2019·大同一中质检)将函数f(x)=tan(0<ω<10)的图象向右平移个单位长度之后与函数f(x)的图象重合,则ω=( )
A.9 B.6
C.4 D.8
解析:选B 函数f(x)=tan的图象向右平移个单位长度后所得图象对应的函数解析式为f(x)=tan=tan,∵平移后的图象与函数f(x)的图象重合,∴-+=+kπ,k∈Z,解得ω=-6k,k∈Z.又0<ω<10,∴ω=6.故选B.
4.(2019·日照一模)函数f(x)=Acos(ωx+φ)(A>0,ω>0,-π<φ<0)的部分图象如图所示,为了得到g(x)=Asin ωx的图象,只需将函数y=f(x)的图象( )
A.向左平移个单位长度
B.向左平移个单位长度
C.向右平移个单位长度
D.向右平移个单位长度
解析:选B 由题图知A=2,=-=,∴T=π,∴ω=2,∴f(x)=2cos(2x+φ),将代入得cos=1,∵-π<φ<0,∴-<+φ<,∴+φ=0,∴φ=-,∴f(x)=2cos=2sin,故将函数y=f(x)的图象向左平移个单位长度可得到g(x)的图象.
5.(2019·郑州一中入学测试)定义运算:=a1a4-a2a3,将函数f(x)=(ω>0)的图象向左平移个单位长度,所得图象对应的函数为偶函数,则ω的最小值是( )
A. B.
C. D.
解析:选B 依题意得f(x)=cos ωx-sin ωx=2cos,且函数f= 2cosω+=2cos是偶函数,于是有+=kπ,k∈Z,即ω= ,k∈Z.又ω>0,所以ω的最小值是=,选B.
6.(2019·绵阳一诊)已知函数f(x)=2sin(ω>0)图象的最高点与相邻最低点的距离是,若将y=f(x)的图象向右平移个单位长度得到y=g(x)的图象,则函数y=g(x)图象的一条对称轴方程是( )
A.x= B.x=
C.x= D.x=0
解析:选B 函数f(x)=2sin的最大值为2,由=1可得函数f(x)的周期T=2×1=2,所以ω=π,因此f(x)=2sin.将y=f(x)的图象向右平移个单位长度得到的图象对应的函数解析式为g(x)=2sin=2sin,当x=时,g=2sin=2,为函数的最大值,故直线x=为函数y=g(x)图象的一条对称轴.故选B.
7.(2019·涞水波峰中学期中)已知函数f(x)=2sin(ωx+φ)ω>0,φ∈的部分图象如图所示,其中f(0)=1,|MN|=,将f(x)的图象向右平移1个单位长度,得到函数g(x)的图象,则g(x)的解析式是( )
A.g(x)=2cos x B.g(x)=2sin
C.g(x)=2sin D.g(x)=-2cos x
解析:选A 设函数f(x)的最小正周期为T.由题图及|MN|=,得=,则T=6,ω=.又由f(0)=1,φ∈得sin φ=,φ=.所以f(x)=2sinx+.则g(x)=2sin=2cos x.故选A.
8.(2019·北京东城期中)函数f(x)=Asin(ωx+φ)(A>0,ω>0,0<φ<π)的部分图象如图所示,其中A,B两点间距离为5,则ω+φ=________.
解析:∵AB=5= ,∴T=6=,∴ω=.∵f(2)=-2,∴π+φ=2kπ+π,k∈Z.又∵0<φ<π,∴φ=π,∴φ+ω=π.
答案:π
9.(2019·临沂重点中学质量调研)已知函数f(x)=sin(ωx+φ)的图象上的一个最高点和与它相邻的一个最低点的距离为2,且图象过点,则函数f(x)=____________.
解析:依题意得 =2,ω>0,所以ω=,所以f(x)=sin.因为该函数图象过点,所以sin(π+φ)=-,即sin φ=.因为-≤φ≤,所以φ=,所以f(x)=sin.
答案:sin
10.已知函数f(x)=Acos2(ωx+φ)+1A>0,ω>0,0<φ<的最大值为3,f(x)的图象与y轴的交点坐标为(0,2),其相邻两条对称轴间的距离为2,则f(1)+f(2)+…+f(2 017)+f(2 018)=________.
解析:∵函数f(x)=Acos2(ωx+φ)+1=A·+1=cos(2ωx+2φ)+1+A>0,ω>0,0<φ<的最大值为3,∴+1+=3,∴A=2.根据函数图象相邻两条对称轴间的距离为2,可得函数的最小正周期为4,即=4,∴ω=.再根据f(x)的图象与y轴的交点坐标为(0,2),可得cos 2φ+1+1=2,∴cos 2φ=0,又0<φ<,∴2φ=,φ=.故函数f(x)的解析式为f(x)=cosx++2=-sinx+2,∴f(1)+f(2)+…+f(2 017)+f(2 018)=-sin+sin+sin+…+sin+sin+2×2 018=-504×0-sin- sin π+4 036=-1+4 036=4 035.
答案:4 035
11.(2019·天津新四区示范校期末联考)已知函数f(x)=Asin(ωx+φ)的部分图象如图所示.
(1)求函数f(x)的解析式;
(2)若α为第二象限角且sin α=,求f(α)的值.
解:(1)由题图可知,函数f(x)的最小正周期T=2=π,∴ω==2.
又∵函数f(x)的图象过点,且点处于函数图象下降部分,
∴2×+φ=π+2kπ,k∈Z,∴φ=+2kπ,k∈Z.
∵0<φ<,∴φ=.∴f(x)=Asin.
∵函数图象过点(0,1),∴Asin =1,∴A=2,
∴f(x)=2sin.
(2)∵α为第二象限角且sin α=,∴cos α=-,
∴sin 2α=2sin αcos α=-,cos 2α=cos2α-sin2α=,
∴f(α)=2sin=2sin 2αcos +cos 2αsin =2=.
12.(2019·西安长安区质检)设函数f(x)=sin-2cos2x.
(1)试说明y=f(x)的图象由函数y=sin x的图象经过怎样的变化得到;
(2)若函数y=g(x)与y=f(x)的图象关于直线x=2对称,当x∈[0,1]时,求函数y=g(x)的最值.
解:(1)∵函数f(x)=sin-2cos2=sin xcos -cos xsin -cos x-1=sin x-cos x-1=sin-1,∴把函数y=sin 的图象向先右平移1个单位长度,再向下平移1个单位长度,得到函数y=f(x)的图象.
(2)∵函数y=g(x)与y=f(x)的图象关于直线x=2对称,
∴g(x)=f(4-x)=sin-1=sin x-1.
当x∈[0,1]时,x∈,故当x=0时,函数y=g(x)取得最小值-1;当x=1时,函数y=g(x)取得最大值.
[C级 难度题——适情自主选做]
1.(2019·惠州调研)将函数f(x)=2sin的图象向左平移个单位长度,再向上平移1个单位长度,得到g(x)的图象,若g(x1)·g(x2)=9,且x1,x2∈[-2π,2π],则2x1-x2的最大值为( )
A. B.
C. D.
解析:选B 由题意可得,g(x)=2sin+1,所以g(x)max=3,又g(x1)·g(x2)=9,所以g(x1)=g(x2)=3,由g(x)=2sin+1=3,得2x+=+2kπ(k∈Z),即x=+kπ(k∈Z),因为x1,x2∈[-2π,2π],所以(2x1-x2)max=2×-=,故选B.
2.设定义在R上的函数f(x)=sin(ωx+φ)ω>0,-<φ<,给出以下四个论断:①f(x)的最小正周期为π;②f(x)在区间上是增函数;③f(x)的图象关于点对称;④f(x)的图象关于直线x=对称.以其中两个论断作为条件,另两个论断作为结论,写出你认为正确的一个命题(写成“p⇒q”的形式)__________.(用到的论断都用序号表示)
解析:若f(x)的最小正周期为π,则ω=2,函数f(x)=sin(2x+φ).同时若f(x)的图象关于直线x=对称,则sin=±1,又-<φ<,∴2×+φ=,
∴φ=,此时f(x)=sin,②③成立,故①④⇒②③.若f(x)的最小正周期为π,则ω=2,函数f(x)=sin(2x+φ),同时若f(x)的图象关于点对称,则2×+φ=kπ,k∈Z,又-<φ<,∴φ=,此时f(x)=sin,②④成立,故①③⇒②④.
答案:①④⇒②③或①③⇒②④
3.水车在古代是进行灌溉引水的工具,是人类的一项古老的发明,也是人类利用自然和改造自然的象征.如图是一个半径为R的水车,一个水斗从点A(3,-3)出发,沿圆周按逆时针方向匀速旋转,且旋转一周用时60秒.经过t秒后,水斗旋转到P点,设P的坐标为(x,y),其纵坐标满足y=f(t)=Rsin(ωt+φ).
则下列叙述正确的是________.
①R=6,ω=,φ=-;
②当t∈[35,55]时,点P到x轴的距离的最大值为6;
③当t∈[10,25]时,函数y=f(t)单调递减;
④当t=20时,|PA|=6.
解析:①由点A(3,-3),可得R=6,
由旋转一周用时60秒,可得T==60,则ω=,
由点A(3,-3),可得∠AOx=,
则φ=-,故①正确;
②由①知,f(t)=6sin,
当t∈[35,55]时,t-∈,
即当t-=时,点P(0,-6),点P到x轴的距离的最大值为6,故②正确;
③当t∈[10,25]时,t-∈,由正弦函数的单调性可知,函数y=f(t)在[10,25]上有增有减,故③错误;
④f(t)=6sin,
当t=20时,水车旋转了三分之一周期,
则∠AOP=,所以|PA|=6,故④正确.
答案:①②④
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