三角方程先求一个周期内的解,再用周期补全;求最值时则必须把自变量区间一并变换。
六种三角函数的图像性质
以下 k∈Z;区间整体加 2kπ 表示所有平移后的区间,各分支不得跨越无定义点合并。
| 函数 |
定义域排除点 |
值域 |
奇偶 |
最小正周期 |
| sinx |
无 |
[−1,1] |
奇 |
2π |
| cosx |
无 |
[−1,1] |
偶 |
2π |
| tanx |
π/2+kπ |
R |
奇 |
π |
| cotx |
kπ |
R |
奇 |
π |
| secx |
π/2+kπ |
(−∞,−1]∪[1,+∞) |
偶 |
2π |
| cscx |
kπ |
(−∞,−1]∪[1,+∞) |
奇 |
2π |
| 函数 |
严格递增区间 |
严格递减区间 |
| sinx |
[−π/2,π/2]+2kπ |
[π/2,3π/2]+2kπ |
| cosx |
[−π,0]+2kπ |
[0,π]+2kπ |
| tanx |
(−π/2+kπ,π/2+kπ) |
无 |
| cotx |
无 |
(kπ,(k+1)π) |
| secx |
[0,π/2)+2kπ;(π/2,π]+2kπ |
[π,3π/2)+2kπ;(3π/2,2π]+2kπ |
| cscx |
[π/2,π)+2kπ;(π,3π/2]+2kπ |
[−π/2,0)+2kπ;(0,π/2]+2kπ |
零点、最值与对称性
以下 k∈Z。对称中心允许不在函数图像上,例如正切图像的某些对称中心位于无定义的竖线上。
| 函数 |
零点 |
对称轴 |
对称中心 |
| sinx |
kπ |
x=π/2+kπ |
(kπ,0) |
| cosx |
π/2+kπ |
x=kπ |
(π/2+kπ,0) |
| tanx |
kπ |
无竖直对称轴 |
(kπ/2,0) |
| cotx |
π/2+kπ |
无竖直对称轴 |
(kπ/2,0) |
| secx |
无 |
x=kπ |
(π/2+kπ,0) |
| cscx |
无 |
x=π/2+kπ |
(kπ,0) |
sinx=1cosx=1⟺x=π/2+2kπ,⟺x=2kπ,sinx=−1cosx=−1⟺x=−π/2+2kπ,⟺x=π+2kπ.
正切、余切没有最大值和最小值;正割、余割也都向正、负两侧无界,不能把值域边界 1,−1 当作全局最值。
性质的依据
正弦、余弦的单调方向由单位圆纵坐标、横坐标随旋转的变化得到。对同一正切分支内 x<y,
tany−tanx=cosxcosysin(y−x)>0,
因为 0<y−x<π,两余弦同号。对同一余切分支有
coty−cotx=−sinxsinysin(y−x)<0.
正割、余割是在固定符号区间上取倒数,方向与分母的单调方向相反;这一判断不能跨越零分母。
诱导公式给出周期、奇偶和对称关系。例如 sin(π/2+t)=sin(π/2−t) 给正弦对称轴,而 tan(π/2+t)=−tan(π/2−t) 给正切在 (π/2,0) 的中心对称;关系只在两边均有定义处使用。加整周期得到其余对称位置。
证明周期最小时,还要排除更小的正周期。若 T>0 为余弦周期,则 cosT=cos0=1,所以 T 必是 2π 的正整数倍。正弦在 x=π/2 处取值 1,同样迫使 T∈2πZ。正割、余割分别由 secT=1、csc(π/2+T)=1 得到相同限制。正切由 tanT=0、余切由 cot(π/2+T)=0,得到 T∈πZ。
四种反三角函数的主值区间、单调性和复合规则集中在反三角函数中。定义反函数时必须先选取单射分支。
正弦型函数的图像变换
设
f(x)=Asin(ωx+φ)+d,A=0, ω=0.
其振幅为 ∣A∣,中线为 y=d,全域值域为 [d−∣A∣,d+∣A∣],最小正周期为 2π/∣ω∣。相位 ωx+φ 变化一个整周时,函数完成一次完整振荡。
先确定点如何移动
y=sint 上的点 (t,sint) 对应到新图像的点
(ωt−φ, Asint+d).
这条对应能避免把平移量 φ 与 φ/ω 混淆。以 ω>0 为例,可以先把横坐标除以 ω,再水平平移 −φ/ω;随后将纵坐标乘以 A,再向上平移 d。A<0 时还包含关于水平轴的反射;ω<0 时横向比例为负,也包含左右反射。
从基本图像读取性质
当 A>0,ω>0 时,将相位 t=ωx+φ 放入正弦的各单调区间,即可解出 x 的单调区间。若 A<0 或 ω<0,每出现一次负号,递增与递减的方向交换一次。
对称轴满足
ωx+φ=2π+kπ,
对称中心为
(ωkπ−φ,d),k∈Z.
验证对称中心只需观察其左右等距点的相位分别为 kπ±ωh,两正弦值互为相反数。对称轴左右的相位分别为 π/2+kπ±ωh,两正弦值相等。
若 A=0 或 ω=0,函数为常函数,没有最小正周期,不能套用上面的周期公式。余弦型函数可先用 cost=sin(t+π/2) 化为同一形式。
由图像确定参数时如何消除多解
对 y=Asin(ωx+φ)+d,通常约定 A>0,ω>0。最高、最低值给出 A=(ymax−ymin)/2、d=(ymax+ymin)/2;相邻两个同类极值点的横坐标差才是一个周期,随后 ω=2π/T。
用一个点求 φ 往往有多个候选,还须结合该处上升还是下降,或相邻极值的位置。图像与中线 y=d 的相邻两个交点相距半个周期;不相邻交点的距离可能是半周期的整数倍。若 d=0,与 x 轴的交点不再等同于中线交点,不能把两个相邻零点的距离直接当作半周期。
辅助角公式及完整退化条件
设 a,b∈R 不同时为零,R=a2+b2,选择满足
cosφ=Ra,sinφ=Rb
的角 φ,则
asinx+bcosx=Rsin(x+φ).
两条件能同时成立,是因为它们的平方和为1。由正弦和角式展开右边,即为左边。a,b>0 时可取第一象限角;一般情形须用两个符号共同确定象限,不能只写 tanφ=b/a,因为 a 可能为零且正切不能区分相差 π 的角。
若 x 遍历实数,则值域 [−R,R],上、下端分别要求 x+φ=π/2+2kπ 和 3π/2+2kπ。若 x 有区间限制,应先平移成相位区间,再检查端点和相位极值点;振幅只给全局界,未必在该区间达到。a=b=0 时函数恒为零,辅助角无需也无法按上述比值唯一确定。
三角变形可按目标选取:和差倍半角公式统一角;倒数商关系与万能公式统一函数名称;和积公式改变代数结构。使用分式变形时同步保留排除的角。
常见特殊系数对应的形式为
sinx±cosxsinx±3cosx3sinx±cosx=2sin(x±π/4),=2sin(x±π/3),=2sin(x±π/6).
这六式分别将相应特殊角的正弦、余弦代入和差角公式即可验证。它们对所有实数 x 成立;应用于给定区间的最值时仍须检查相位范围。
四种基本三角方程的全部实数解
下列 k∈Z,反三角函数采用主值约定。
| 方程 |
参数条件 |
通解 |
| sinx=a |
∣a∣≤1 |
x=kπ+(−1)karcsina |
| cosx=a |
∣a∣≤1 |
x=2kπ±arccosa |
| tanx=a |
a∈R |
x=kπ+arctana |
| cotx=a |
a∈R |
x=kπ+arccota |
前两式在 ∣a∣>1 时无实数解;a=±1 时两支表示可能重复,作为解集只算一次。
为什么不能只保留反三角函数的一个值
单位圆上纵坐标相同的两点关于纵轴对称,所以
sinx=sinα⟺x=α+2kπ 或 x=π−α+2kπ.
取 α=arcsina,将偶数、奇数下标合并,就得到表中正弦通解。横坐标相同的两点关于横轴对称,所以
cosx=cosα⟺x=2kπ±α.
正切相同表示终边所在直线斜率相同,终边可同向或反向,因此两角相差 kπ;余切在每个长度为 π 的分支上一一对应,同样得到表中通解。
一般方程的处理顺序
先记下原式的定义域,再用恒等变换化为基本方程。求出相位的所有解后,解回自变量,最后筛选题目规定的区间和原式的非零条件。
平方可能引入符号不符的根,除以 sinx 或 cosx 可能漏根,半角正切换元可能遗漏奇数倍 π。这些操作都要回到原式检查,不能只验证变形后的方程。
例:由相位区间求单调性和最值
研究 y=2sin(2x−π/3)+1。振幅为 2,中线为 y=1,最小正周期为 π,全域值域为 [−1,3]。
令 t=2x−π/3。正弦递增的相位区间为 [−π/2+2kπ,π/2+2kπ],所以解不等式得到
−12π+kπ≤x≤125π+kπ,k∈Z.
最大值点由 2x−π/3=π/2+2kπ 得到 x=5π/12+kπ。若只研究 x∈[0,π/6],相位在 [−π/3,0] 内,函数递增,值域为 [1−3,1],并不能取得全域最大值 3。
例
sinx+cosx=1 化为 2sin(x+π/4)=1,得 x=2kπ 或 x=π/2+2kπ。
求该和在 x∈[0,π/6] 的最大值,变换后角在 [π/4,5π/12],正弦递增,最大值为 (1+3)/2,不是全域最大值 2。
例:三角方程要保留同一周期内的两支解
在 [0,2π] 内解 sin(2x)=1/2。通解为
2x=6π+2kπ或2x=65π+2kπ.
所以 x=π/12+kπ 或 x=5π/12+kπ。筛选区间得到 π/12,5π/12,13π/12,17π/12 四个解。
若要求 sin(2x)≥1/2,先在相位轴写 2x∈[π/6+2kπ,5π/6+2kπ],再除以 2 并与原区间取交集。先处理相位、后处理自变量,比直接凭图猜点数更可靠。
两个不同频率的正弦和何时有周期
设 α,β>0,α=β,且 A,B 为非零常数。函数
f(x)=Asinαx+Bsinβx
有正周期,当且仅当 α/β 为有理数。
充分性:若 α/β=m/n,m,n 为正整数,则 T=2πm/α=2πn/β 是共同周期。
必要性:设 T>0 是 f 的周期。对 f(x+T)=f(x) 连续求导两次,得到 f′′ 也以 T 为周期。而
f′′+β2f=A(β2−α2)sinαx,
同理另一线性组合分离出 sinβx,所以两者都以 T 为周期。对正弦周期恒等式分别取相位为 0,π/2 的自变量,得到 sinαT=0,cosαT=1,故 αT=2πm;同理 βT=2πn,且 m,n 为正整数。因此比值为 m/n。
特别地,sinx+sin(2x) 不是周期函数。不能仅凭“两个原函数没有共同周期”就略过必要性证明;一般函数相加可能发生抵消。这里利用不同频率和非零系数排除了抵消。
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