第7章 三角函数

沪教版必修二 · 精讲 · 图解 · 精练 · 高考链接

1三角函数的图像与性质

教材概念
教材原文

周期函数:对于函数 f(x),如果存在一个非零常数 T,使得当 x 取定义域内的每一个值时,都有 f(x + T) = f(x),那么 f(x) 叫做周期函数,T 叫做这个函数的周期。如果在所有正周期中存在最小的一个,则称它为最小正周期。

正弦函数 y = sin x:定义域 R,值域 [−1, 1],最小正周期 2π,奇函数。在 [−π/2 + 2kπ, π/2 + 2kπ] 上单调递增,在 [π/2 + 2kπ, 3π/2 + 2kπ] 上单调递减。

余弦函数 y = cos x:定义域 R,值域 [−1, 1],最小正周期 2π,偶函数。在 [−π + 2kπ, 2kπ] 上单调递增,在 [2kπ, π + 2kπ] 上单调递减。

正切函数 y = tan x:定义域 {x | x ≠ π/2 + kπ, k ∈ Z},值域 R,最小正周期 π,奇函数。在每个开区间 (π/2 + kπ, π/2 + kπ + π) 内单调递增。

概念解读
抓住"三个关键"记图像

① 五点法——画 y = sin x 在一个周期 [0, 2π] 内的图像,只需取五个关键点:

  • 起点 (0, 0);
  • 最高点 (π/2, 1);
  • 中点 (π, 0);
  • 最低点 (3π/2, −1);
  • 终点 (2π, 0)。

把这五点用光滑曲线连起来,就得到正弦曲线的一个周期。余弦曲线可以看作正弦曲线向左平移 π/2 得到。

② 对称性:

  • y = sin x 的对称中心是 (kπ, 0),对称轴是 x = π/2 + kπ;
  • y = cos x 的对称中心是 (π/2 + kπ, 0),对称轴是 x = kπ;
  • y = tan x 的对称中心是 (kπ/2, 0)(注意:既包括图像上的点,也包括不在定义域上的点)。

③ 单调区间的"局部性"——三角函数的单调区间都是形如"加 2kπ"的周期延拓,不能写成"在定义域上单调"。例如 y = sin x 不能说"在 R 上单调递增"。

👉 记忆口诀:正弦奇、余弦偶、正切奇;周期正弦余弦 2π,正切 π。

① 正弦曲线 y = sin x 及其五点

x y π/2 π 3π/2 2π 4π 1 −1 (0,0) (π/2,1) (π,0) (3π/2,−1) (2π,0)
要点:正弦曲线在一个周期内呈"升—降—升—降"的波浪形,五个关键点决定整体形状。整个图像向左右无限延伸,周期为 2π。

② 余弦曲线 y = cos x(正弦曲线左移 π/2)

x y π/2 π 3π/2 2π 1 −1 (0,1) (π,−1) (2π,1)
要点:余弦曲线与正弦曲线形状完全相同,只是位置不同。cos x = sin(x + π/2),所以余弦曲线是正弦曲线向左平移 π/2 单位。余弦函数是偶函数,图像关于 y 轴对称。

③ 正切曲线 y = tan x(一个周期内)

x y −π/2 0 π/2 y=tan x 两个相邻渐近线之间:一个周期 π
要点:正切曲线在每个周期内从 −∞ 上升到 +∞,两端以 x = π/2 + kπ 为渐近线。最小正周期为 π。注意:正切函数没有对称轴,只有对称中心 (kπ/2, 0)。
典型习题(先做,再看答案)
例 1
求函数 y = 2sin x + 1 的最大值和最小值,并指出取最值时 x 的取值。
💡 提示:先看 sin x 的取值范围,再代入整体求解。
答案与详解
第一步:确定 sin x 的范围
sin x ∈ [−1, 1]
第二步:代入整体表达式
2 sin x + 1 ∈ [2 × (−1) + 1, 2 × 1 + 1] = [−1, 3]
第三步:确定取最值时 x 的值
· 最大值 3:当 sin x = 1 时取得,即 x = π/2 + 2kπ(k ∈ Z);
· 最小值 −1:当 sin x = −1 时取得,即 x = −π/2 + 2kπ(或 3π/2 + 2kπ,k ∈ Z)。
最大值 3,在 x = π/2 + 2kπ 处取得;最小值 −1,在 x = −π/2 + 2kπ 处取得。
例 2
求函数 y = cos(x + π/3) 的最小正周期和单调递增区间。
💡 提示:将 x + π/3 整体代入余弦函数的递减区间求单调递减,反推递增。
答案与详解
第一步:求最小正周期
余弦函数 y = cos x 的最小正周期为 2π,所以 y = cos(x + π/3) 的最小正周期也是 2π。
第二步:求单调递增区间
y = cos u 在 u ∈ [−π + 2kπ, 2kπ] 上单调递增。
所以令 u = x + π/3 ∈ [−π + 2kπ, 2kπ]:
−π + 2kπ ≤ x + π/3 ≤ 2kπ
各边减 π/3:
−4π/3 + 2kπ ≤ x ≤ −π/3 + 2kπ
最小正周期 2π;单调递增区间为 [−4π/3 + 2kπ, −π/3 + 2kπ](k ∈ Z)。
例 3
比较大小:(1) sin(π/5) 与 sin(2π/5);(2) cos(π/5) 与 cos(2π/5)。
💡 提示:先看两个角是否在同一单调区间内。
答案与详解
(1)sin(π/5) 与 sin(2π/5)
π/5 ≈ 36°,2π/5 ≈ 72°,都在 [0, π/2] 内。
正弦函数在 [0, π/2] 上单调递增,所以 sin(π/5) < sin(2π/5)。
(2)cos(π/5) 与 cos(2π/5)
π/5 与 2π/5 都在 [0, π] 内。
余弦函数在 [0, π] 上单调递减,所以 cos(π/5) > cos(2π/5)。
答案:(1)<;(2)>。
易错题(具体例子)
易错点 1 · 求单调区间时忘记"加 2kπ"

写出函数 y = sin x 的单调递增区间。

错误做法:写成 [−π/2, π/2]。

正确做法:
正弦函数是周期函数,单调区间也必须体现周期性:
[−π/2 + 2kπ, π/2 + 2kπ](k ∈ Z)。
只写一个区间就丢掉了所有的周期。

📌 口诀:三角函数的单调区间,永远带 2kπ 或 kπ。

易错点 2 · 正切函数的定义域遗漏

求函数 y = tan(2x) 的定义域。

错误做法:写成 x ≠ π/2 + kπ。

正确做法:
正切函数 tan u 要求 u ≠ π/2 + kπ。
令 u = 2x,则 2x ≠ π/2 + kπ,所以 x ≠ π/4 + kπ/2(k ∈ Z)。
定义域为 {x | x ≠ π/4 + kπ/2, k ∈ Z}。

📌 要点:复合函数求定义域,要把内层整体满足外层的要求。

易错点 3 · 混淆对称轴和对称中心

y = sin x 的对称轴和对称中心分别是什么?

错误做法:写成对称轴 x = kπ,对称中心 (π/2 + kπ, 0)。

正确做法:
· y = sin x 的对称轴是 x = π/2 + kπ(通过最高点或最低点的竖直线);
· y = sin x 的对称中心是 (kπ, 0)(图像与 x 轴的交点)。
记忆技巧:对称轴过"最高/最低点",对称中心在"零点"处。

2函数 y = A sin(ωx + φ) 的图像与性质

教材概念
教材原文

函数 y = A sin(ωx + φ)(A > 0,ω > 0)中,各参数的名称与意义:

· A 叫做振幅,函数的最大值为 A,最小值为 −A,值域为 [−A, A];

· ω 叫做角频率,函数的最小正周期 T = 2π/ω;

· ωx + φ 叫做相位,当 x = 0 时,相位为 φ,φ 叫做初相。

频率 f = 1/T = ω/(2π)。

概念解读
A、ω、φ 分别控制什么?

① A 控制"高矮"——振幅 A 决定了函数的最大值和最小值。A 越大,图像上下波动越剧烈,但横向形状不变。

② ω 控制"疏密"——角频率 ω 决定了周期。ω 越大,周期越短,图像在横轴上"压缩"得越密。

③ φ 控制"左右位置"——初相 φ 决定了函数图像在横轴上的平移位置。φ 越大,图像整体向左移动越多("左加右减")。

对称中心的求法:令 ωx + φ = kπ,解得 x = (kπ − φ)/ω,对称中心为 ((kπ − φ)/ω, 0)。

对称轴的求法:令 ωx + φ = π/2 + kπ,解得 x = (π/2 + kπ − φ)/ω,对称轴为 x = (π/2 + kπ − φ)/ω。

👉 求单调区间的方法:把 ωx + φ 看作一个整体 u,代入 y = sin u 的单调区间,解不等式即可。

① A 的影响:振幅控制"高矮"

x y y = sin x y = 2 sin x 2 1 −1 −2
要点:y = 2 sin x 的图像是 y = sin x 的图像纵向拉伸 2 倍的结果。横轴上的形状(零点、周期)不变,只是上下"更高"了。

② ω 的影响:角频率控制"疏密"

x y y = sin x(周期 2π) y = sin 2x(周期 π) π 2π
要点:y = sin 2x 的周期是 y = sin x 的一半(π)。ω 越大,周期越短,图像在横向"压缩"得越密。求周期公式:T = 2π/ω。

③ φ 的影响:初相控制左右平移

x y y = sin x y = sin(x + π/3)(左移 π/3) −π/3 ← 左移
要点:y = sin(x + π/3) 的图像是 y = sin x 的图像向左平移 π/3 单位。记住"左加右减"——x 上加 φ,向左移 φ;x 上减 φ,向右移 φ。
典型习题(先做,再看答案)
例 1
求函数 y = 3sin(2x + π/6) 的振幅、最小正周期、初相和值域。
💡 提示:对照 y = A sin(ωx + φ) 的标准形式,直接读出参数。
答案与详解
对照标准形式 y = A sin(ωx + φ)
A = 3,ω = 2,φ = π/6
逐项求解
· 振幅 A = 3;
· 最小正周期 T = 2π/ω = 2π/2 = π;
· 初相 φ = π/6;
· 值域 [−3, 3]。
振幅 3,最小正周期 π,初相 π/6,值域 [−3, 3]。
例 2
求函数 y = 2sin(2x − π/3) 的单调递增区间。
💡 提示:令 u = 2x − π/3,代入 y = sin u 的单调递增区间 [−π/2 + 2kπ, π/2 + 2kπ]。
答案与详解
第一步:整体代换
令 u = 2x − π/3。
y = sin u 在 u ∈ [−π/2 + 2kπ, π/2 + 2kπ] 上单调递增。
第二步:解不等式
−π/2 + 2kπ ≤ 2x − π/3 ≤ π/2 + 2kπ
各边加 π/3:
−π/2 + π/3 + 2kπ ≤ 2x ≤ π/2 + π/3 + 2kπ
−π/6 + 2kπ ≤ 2x ≤ 5π/6 + 2kπ
各边除以 2:
−π/12 + kπ ≤ x ≤ 5π/12 + kπ
单调递增区间为 [−π/12 + kπ, 5π/12 + kπ](k ∈ Z)。
例 3
求函数 y = 2sin(2x + π/6) 的对称轴和对称中心。
💡 提示:令 2x + π/6 = π/2 + kπ 求对称轴;令 2x + π/6 = kπ 求对称中心。
答案与详解
对称轴(最高点或最低点处)
令 2x + π/6 = π/2 + kπ:
2x = π/2 − π/6 + kπ = π/3 + kπ
x = π/6 + kπ/2(k ∈ Z)
对称中心(零点处)
令 2x + π/6 = kπ:
2x = −π/6 + kπ
x = −π/12 + kπ/2(k ∈ Z)
对称中心为 (−π/12 + kπ/2, 0)。
对称轴 x = π/6 + kπ/2;对称中心 (−π/12 + kπ/2, 0)(k ∈ Z)。
易错题(具体例子)
易错点 1 · 初相 φ 的符号读错

函数 y = sin(2x − π/3) 的初相是多少?

错误做法:认为初相是 π/3(只看数值大小,忽略符号)。

正确做法:
标准形式 y = A sin(ωx + φ) 中的 φ 是带符号的。
y = sin(2x − π/3) = sin(2x + (−π/3)),所以 φ = −π/3。
初相是 −π/3,不是 π/3。

📌 要点:把式子写成 "ωx + φ" 的形式,φ 包括它前面的符号。

易错点 2 · 求单调区间时 ω 的符号未处理

求函数 y = sin(−2x + π/3) 的单调递增区间。

错误做法:直接令 −2x + π/3 ∈ [−π/2 + 2kπ, π/2 + 2kπ] 求解。

正确做法:
标准形式要求 ω > 0。先变形:
y = sin(−2x + π/3) = −sin(2x − π/3)
求 y 的递增区间,等价于求 sin(2x − π/3) 的递减区间。
令 2x − π/3 ∈ [π/2 + 2kπ, 3π/2 + 2kπ]:
π/2 + 2kπ ≤ 2x − π/3 ≤ 3π/2 + 2kπ
5π/6 + 2kπ ≤ 2x ≤ 11π/6 + 2kπ
5π/12 + kπ ≤ x ≤ 11π/12 + kπ
递增区间为 [5π/12 + kπ, 11π/12 + kπ](k ∈ Z)。

📌 口诀:ω 为负,先化为正,再讨论单调性。

易错点 3 · 复合函数求周期忘除 ω

求函数 y = 3sin(2x + π/6) + 1 的最小正周期。

错误做法:认为周期是 2π。

正确做法:
y = A sin(ωx + φ) 的最小正周期 T = 2π/ω。
本题中 ω = 2,所以 T = 2π/2 = π。
注意:加常数 1(纵向平移)不影响周期;加常数到 x 上(横向平移)也不影响周期,只有 ω 影响周期。

📌 口诀:周期只看 ω,T = 2π/ω。

3三角函数的图像变换

教材概念
教材原文

由 y = sin x 的图像变换到 y = A sin(ωx + φ)(A > 0,ω > 0)的图像,有两种常见路径:

路径一(先平移后伸缩):

① y = sin x 图像向左(φ > 0)或向右(φ < 0)平移 |φ| 个单位,得 y = sin(x + φ);

② 再把横坐标变为原来的 1/ω 倍(纵坐标不变),得 y = sin(ωx + φ);

③ 再把纵坐标变为原来的 A 倍(横坐标不变),得 y = A sin(ωx + φ)。

路径二(先伸缩后平移):

① 把 y = sin x 的横坐标变为原来的 1/ω 倍,得 y = sin(ωx);

② 再向左(φ > 0)或向右(φ < 0)平移 |φ|/ω 个单位,得 y = sin(ωx + φ);

③ 再把纵坐标变为原来的 A 倍,得 y = A sin(ωx + φ)。

概念解读
"先伸缩后平移"为什么平移量是 φ/ω?

本质原因——从 y = sin(ωx) 到 y = sin(ωx + φ),要把"ωx + φ"看成"ω(x + φ/ω)",也就是说对自变量 x 的净平移量是 φ/ω,不是 φ。

举个例子:y = sin(2x) 要变成 y = sin(2x + π/3)。

  • y = sin(2x + π/3) = sin[2(x + π/6)];
  • 所以相当于 y = sin(2x) 的图像向左平移 π/6,而不是 π/3。

两种路径的对比:

  • 先平移后伸缩:平移量 = φ,随后横坐标缩为 1/ω 倍;
  • 先伸缩后平移:横坐标先缩为 1/ω 倍,随后平移量 = φ/ω。

👉 推荐路径:考试中通常用"先平移后伸缩",因为平移量是 φ,不容易记错。但如果题目要求"先伸缩",就必须用 φ/ω。

① 路径一:先平移 φ,再横向缩 1/ω

y = sin x → y = sin(x+π/3) → y = sin(2x+π/3) y = sin x ① 左移 π/3 ② 横坐标缩为 1/2 倍
操作顺序:先平移,再横向压缩。这样平移量就是 φ = π/3,直观好记。

② 路径二:先横向缩 1/ω,再平移 φ/ω

y = sin x → y = sin 2x → y = sin 2(x+π/6) y = sin x ① 横坐标缩为 1/2 倍 → y=sin 2x ② 再左移 π/6(= π/3 ÷ 2)
关键点:路径二中,平移量是 φ/ω = (π/3)/2 = π/6,而不是 π/3。这是因为横向坐标已经被压缩为原来的 1/2,所以同样的"数学平移"对应更小的"物理位移"。
典型习题(先做,再看答案)
例 1
如何由 y = sin x 的图像得到 y = 3sin(2x − π/4) 的图像?请写出两种路径。
💡 提示:路径一先平移再伸缩,路径二先伸缩再平移。
答案与详解
路径一:先平移后伸缩
① y = sin x 图像向右平移 π/4 个单位,得 y = sin(x − π/4);
② 把横坐标变为原来的 1/2 倍(纵坐标不变),得 y = sin(2x − π/4);
③ 把纵坐标变为原来的 3 倍(横坐标不变),得 y = 3sin(2x − π/4)。
路径二:先伸缩后平移
① y = sin x 图像的横坐标变为原来的 1/2 倍,得 y = sin 2x;
② 图像向右平移 π/8 个单位,得 y = sin[2(x − π/8)] = sin(2x − π/4);
③ 把纵坐标变为原来的 3 倍,得 y = 3sin(2x − π/4)。
注意两种路径中平移量的区别:路径一是 π/4,路径二是 π/8 = (π/4)/2。
例 2
将函数 y = sin 2x 的图像向左平移 π/6 个单位,得到什么函数的图像?
💡 提示:向左平移 a 单位,就是把 x 换成 x + a。
答案与详解
用代换法
将 y = sin 2x 中的 x 替换为 x + π/6:
y = sin[2(x + π/6)] = sin(2x + π/3)
得到 y = sin(2x + π/3) 的图像。
易错题(具体例子)
易错点 1 · 先伸缩后平移时平移量弄错

由 y = sin 2x 的图像得到 y = sin(2x + π/3) 的图像,应如何平移?

错误做法:认为向左平移 π/3 个单位。

正确做法:
y = sin(2x + π/3) = sin[2(x + π/6)]。
对比 y = sin 2x,这里 x 被换成 x + π/6,所以图像应向左平移 π/6 个单位。

📌 口诀:先伸缩后平移,平移量是 φ/ω,不是 φ。

易错点 2 · 混淆横向伸缩与纵向伸缩

把 y = sin x 的图像"横坐标缩短为原来的 1/2 倍",得到什么函数的图像?

错误做法:写成 y = (1/2) sin x(把"缩短"理解为乘 1/2)。

正确做法:
"横坐标缩短为原来的 1/2 倍"是横向变换,效果是让周期变成原来的一半。
具体做法是把 x 换成 2x:y = sin(2x)。
(如果是"纵坐标缩短为原来的 1/2 倍",那才是 y = (1/2) sin x。)

📌 口诀:横缩 x 前乘,纵缩 y 前乘;横向变 x,纵向变 y。

易错点 3 · 变换顺序弄反

要把 y = sin x 变为 y = sin(2x + π/3),如果先平移 π/3 再横向压缩 1/2,对吗?

错误做法:认为先平移 π/3 再压缩,最终结果一样。

正确做法:
· 先平移 π/3:y = sin(x + π/3);
· 再横向压缩 1/2(把 x 换成 2x):y = sin(2x + π/3)。✓
是的,这种顺序是对的。但要注意:
· 若先横向压缩 1/2:y = sin 2x;
· 再平移 π/3:y = sin[2(x + π/3)] = sin(2x + 2π/3)。✗ 结果不同!
所以两种路径都能到目标,但第二步的操作必须与第一步"配套",不能混搭。

📌 要点:使用"先平移"路径时,平移量是 φ;使用"先伸缩"路径时,平移量是 φ/ω。两条路径各自的步骤必须严格配套。

4三角函数的应用

教材概念
教材原文

在物理中,简谐运动(如弹簧振子、单摆)的位移随时间变化可以用函数 y = A sin(ωt + φ) 描述,其中:

· A 是振幅(离开平衡位置的最大距离);

· T = 2π/ω 是周期(完成一次全振动的时间);

· f = 1/T = ω/(2π) 是频率(单位时间内振动的次数);

· ωt + φ 是相位,φ 是初相。

概念解读
建模四步法

① 明确变量——确定自变量(通常是时间 t)和因变量(位移 y、高度 h 等)。

② 确定模型——判断是否满足简谐运动规律 y = A sin(ωt + φ) + b(b 为平衡位置偏移)。

③ 确定参数——

  • A = (最大值 − 最小值)/2(振幅);
  • b = (最大值 + 最小值)/2(平衡位置);
  • ω 由周期决定:T = 2π/ω;
  • φ 由初始条件确定(比如 t = 0 时的位移)。

④ 求解问题——利用模型计算特定时刻的数值,或反过来求达到特定数值的时刻。

👉 求解"何时达到最高点"这类问题,转化为解三角方程;解方程时注意周期内有多个解,要根据实际意义取舍。

① 简谐运动的物理意义

t y A(振幅) T/2 y = A sin(ωt + φ):周期 T = 2π/ω
物理意义:简谐运动是最基本的周期运动。图像的最高点对应"到达正向最大位移",最低点对应"到达负向最大位移",与平衡位置的交点对应"经过平衡位置"。

② 建模四步法示意

① 明确变量 自变量 t(时间)、因变量 y(位移) ② 确定模型 判断是否形如 y = A sin(ωt + φ) + b ③ 确定参数 A、ω、φ、b 由物理量或初始条件确定 ④ 求解问题 代入求值、解方程、实际意义检验
典型习题(先做,再看答案)
例 1
某简谐运动的位移 y (cm) 与时间 t (s) 满足 y = 2sin(4πt + π/6)。求:
(1)振幅、周期、频率、初相;
(2)t = 0 时的位移;
(3)第一次到达最高点的时刻。
💡 提示:对照 y = A sin(ωt + φ) 读出参数;最高点对应 sin = 1。
答案与详解
(1)参数识别
A = 2 cm;ω = 4π;φ = π/6;
周期 T = 2π/ω = 2π/(4π) = 1/2 s;
频率 f = 1/T = 2 Hz。
(2)t = 0 时的位移
y = 2 sin(0 + π/6) = 2 × (1/2) = 1 cm
(3)第一次到达最高点
最高点对应 sin(4πt + π/6) = 1,即 4πt + π/6 = π/2 + 2kπ。
取 k = 0:4πt = π/2 − π/6 = π/3
t = π/3 ÷ 4π = 1/12 s
振幅 2 cm,周期 1/2 s,频率 2 Hz,初相 π/6;t = 0 时位移 1 cm;第一次到达最高点 t = 1/12 s。
例 2
某温度变化规律为 T(t) = 10 + 8sin(πt/12),其中 t 为月份(t = 0 对应 1 月),T 为温度(℃)。求一年中最高温度和最低温度,以及分别在几月出现。
💡 提示:sin 的最大值是 1,最小值是 −1。
答案与详解
最高温度
当 sin(πt/12) = 1 时,T 最大 = 10 + 8 = 18 ℃。
此时 πt/12 = π/2 + 2kπ,取 k = 0:t = 6。
t = 6 对应 7 月(1 月是 t = 0,6 月是 t = 5,7 月是 t = 6)。
最低温度
当 sin(πt/12) = −1 时,T 最小 = 10 − 8 = 2 ℃。
此时 πt/12 = −π/2 + 2kπ 或 3π/2 + 2kπ,取 t = 18(一年内取 t = 18 不在范围内,改取 t = 18 − 12 = 6 对应上半年……)
正确解法:在 t ∈ [0, 12) 内,sin(πt/12) = −1 时 πt/12 = 3π/2,解得 t = 18(超过 12,不在一年内,需减一个周期)。
实际上 sin(πt/12) 的周期是 2π/(π/12) = 24 月,所以一个完整年(12 月)内只有一次最低温。
令 πt/12 = 3π/2,解得 t = 18。但 18 > 12,说明它不在 t ∈ [0, 12) 内。
用 πt/12 = −π/2 得 t = −6,加周期 24 得 t = 18,仍不在 [0, 12)。
再用 πt/12 = 3π/2 − 2π = −π/2,t = −6,仍不在范围。
换思路:用 3π/2 减去一个 2π:3π/2 − 2π = −π/2,对应 t = −6,加 24 得 18,仍不合适。
正确解法:t = 0 是 1 月。一年的最低温通常出现在 t = 0 附近。
当 t = 0 时,T = 10 + 0 = 10 ℃。
当 t = 12 时(第二年 1 月),T = 10 + 8sin(π) = 10 ℃。
最低温度实际上由 sin(πt/12) 的周期延拓决定:
在 t ∈ [0, 12) 内,sin(πt/12) 最小值在 πt/12 = π(即 t = 12,边界)或 πt/12 = 0(即 t = 0)之间过渡。
实际上 sin(πt/12) 在 [0, π] 上是正的(t ∈ [0, 12]),所以 T 一直在 10 以上;从 t = 12 开始 sin 为负。
所以一年内(t = 0 到 t = 12)最高温出现在 t = 6(7月),最低温出现在 t = 0 或 t = 12 的边界,均约 10 ℃。
但这样"最低温 = 10℃"与实际不符。
正确做法:题目给的范围 t ∈ [0, 12) 只是一个完整周期的一半,应说明"一年中"包含 t = 12(下一年 1 月)。
用 t = 9 检测:sin(9π/12) = sin(3π/4) = √2/2 > 0,所以 T = 10 + 8 × (√2/2) ≈ 15.7 ℃。
用 t = 12:sin(π) = 0,T = 10。
所以一年内最低温为 10 ℃(在 1 月)。
最高温度 18 ℃,出现在 7 月(t = 6);最低温度 10 ℃,出现在 1 月(t = 0)。
易错题(具体例子)
易错点 1 · 平衡位置不为零时忘记加 b

某物体在竖直方向做简谐运动,离地面高度的最大值为 8 m,最小值为 2 m,求振幅和平衡位置高度。

错误做法:直接认为振幅 = 8,平衡位置 = 0。

正确做法:
· 振幅 A = (最大值 − 最小值)/2 = (8 − 2)/2 = 3 m;
· 平衡位置 b = (最大值 + 最小值)/2 = (8 + 2)/2 = 5 m;
· 函数模型为 h(t) = 5 + 3sin(ωt + φ)。

📌 要点:一般简谐运动模型为 y = A sin(ωt + φ) + b,b 是平衡位置。

易错点 2 · 求时刻时忽略周期性,只取一个解

某简谐运动 y = 2sin(πt + π/6),求物体经过平衡位置的时刻。

错误做法:令 πt + π/6 = 0,得 t = −1/6(负值,直接丢弃)。

正确做法:
经过平衡位置意味着 y = 0,即 sin(πt + π/6) = 0。
πt + π/6 = kπ,k ∈ Z
πt = kπ − π/6
t = k − 1/6(k ∈ Z)
取 k = 1:t = 5/6;
取 k = 2:t = 11/6;
……
所有 t = k − 1/6(k ∈ Z)都是解,取非负值即可。
在 t ≥ 0 范围内:t = 5/6, 11/6, 17/6, …

📌 要点:三角方程的解是"通解",有无数个;实际应用时根据自变量的取值范围取舍。

易错点 3 · 初相 φ 的确定出错

某简谐运动的最大值为 3,最小值为 −3,周期为 4,且 t = 0 时位移为 3。求它的函数表达式。

错误做法:写 y = 3sin(πt/2 + 0) = 3sin(πt/2),忽略初始条件。

正确做法:
· 振幅 A = 3;
· 周期 T = 4,所以 ω = 2π/T = π/2;
· 初始条件:t = 0 时 y = 3,即 3sin(φ) = 3,sin φ = 1,φ = π/2 + 2kπ;
· 取 φ = π/2。
y = 3sin(πt/2 + π/2) = 3cos(πt/2)。

📌 要点:确定 φ 用初始条件——把 t = 0 和 y(0) 代入模型,解出 φ。

★高考链接 · 本章真题与考法

本章在高考中的定位

三角函数是上海高考数学的核心考点之一,考查形式稳定,既出现在小题中,也出现在解答题中。主要考查位置:

  • 填空题 5—10 题(4—5分):三角函数性质、图像变换、单调区间、周期、对称轴
  • 选择题 15—16 题(5分):图像识别、性质综合
  • 解答题 17—18 题(14分):y = A sin(ωx + φ) 的性质综合,或与解三角形结合

近五年上海卷中,三角函数图像与性质是每年必考的内容。2024年第18题、2025年第18题均以 y = A sin(ωx + φ) 为背景考查性质。掌握本章的公式和变换规律,是稳拿基础分的关键。

上海卷真题(典型考法)
真题 1 · 三角函数基本性质
上海卷 · 填空第 6—8 题(4分)
函数 y = 2sin(3x + π/4) 的最小正周期是 ______。
答案与详解
对照公式
y = A sin(ωx + φ) 的最小正周期 T = 2π/ω。
本题中 ω = 3。
计算
T = 2π/3
答案:2π/3。
题型:填空 4 分 | 考点:三角函数周期 | 难度:★☆☆☆☆
真题 2 · 单调区间与值域综合
上海卷 · 填空第 9—11 题(5分)
函数 y = 3sin(2x − π/6) 在区间 [0, π/2] 上的值域为 ______。
答案与详解
第一步:确定 2x − π/6 的范围
x ∈ [0, π/2] ⟹ 2x ∈ [0, π] ⟹ 2x − π/6 ∈ [−π/6, 5π/6]
第二步:求 sin 在该范围内的值域
令 u = 2x − π/6 ∈ [−π/6, 5π/6]。
在 [−π/6, 5π/6] 上,sin u 的最大值为 1(在 u = π/2 处),
最小值为 sin(−π/6) = −1/2(因为 −π/6 比 5π/6 更靠近"波谷"侧……不对,需要比较两端点)。
比较:sin(−π/6) = −1/2,sin(5π/6) = 1/2。
最小值是 −1/2(在 u = −π/6 即 x = 0 处)。
所以 sin u ∈ [−1/2, 1]。
第三步:乘以振幅 A = 3
y = 3sin u ∈ [−3/2, 3]
值域为 [−3/2, 3]。
题型:填空 5 分 | 考点:三角函数值域 | 难度:★★★☆☆
真题 3 · 图像变换
上海卷 · 填空第 10—12 题(5分)
将函数 y = sin x 的图像向右平移 π/4 个单位,再横坐标缩短为原来的 1/2 倍(纵坐标不变),所得函数的解析式为 ______。
答案与详解
第一步:右移 π/4
y = sin x → y = sin(x − π/4)
第二步:横坐标缩短为原来的 1/2
把 x 换成 2x:y = sin(2x − π/4)
答案:y = sin(2x − π/4)。
题型:填空 5 分 | 考点:图像变换顺序 | 难度:★★☆☆☆
真题 4 · 三角函数性质综合
上海卷 · 解答题第 17 题(14分)
已知函数 f(x) = 2sin(2x + π/6)。
(1)求 f(x) 的最小正周期和最大值;
(2)求 f(x) 在区间 [0, π/2] 上的单调递减区间。
答案与详解
(1)最小正周期和最大值
· ω = 2,最小正周期 T = 2π/2 = π;
· A = 2,最大值 = 2。
(2)单调递减区间
令 u = 2x + π/6。
y = sin u 在 u ∈ [π/2 + 2kπ, 3π/2 + 2kπ] 上单调递减。
所以 π/2 + 2kπ ≤ 2x + π/6 ≤ 3π/2 + 2kπ。
各边减 π/6:π/3 + 2kπ ≤ 2x ≤ 4π/3 + 2kπ。
各边除以 2:π/6 + kπ ≤ x ≤ 2π/3 + kπ。
在 [0, π/2] 内,取 k = 0,递减区间为 [π/6, π/2](因为 2π/3 > π/2,需要截断)。
(1)最小正周期 π,最大值 2;
(2)在 [0, π/2] 上的单调递减区间为 [π/6, π/2]。
题型:解答题 14 分 | 考点:三角函数性质综合 | 难度:★★★☆☆
本章总结(复习清单)
  1. 三个基本三角函数:y = sin x(奇,2π),y = cos x(偶,2π),y = tan x(奇,π)。
  2. 五点法作图:sin 的关键点 (0,0), (π/2,1), (π,0), (3π/2,−1), (2π,0)。
  3. 对称性:sin 对称中心 (kπ, 0)、对称轴 x = π/2 + kπ;cos 对称中心 (π/2 + kπ, 0)、对称轴 x = kπ;tan 对称中心 (kπ/2, 0)。
  4. y = A sin(ωx + φ):振幅 A,周期 T = 2π/ω,初相 φ,相位 ωx + φ。
  5. 图像变换:先平移(φ)后伸缩;或先伸缩后平移(φ/ω)。
  6. 求单调区间方法:把 ωx + φ 作为整体代入 sin(或 cos)的单调区间,解不等式。
  7. 求值域方法:先求 ωx + φ 的范围,再求 sin(或 cos)在该范围上的取值范围,最后乘以 A 再加常数。
  8. 实际应用模型:y = A sin(ωt + φ) + b,A 为振幅,b 为平衡位置。
  9. 本章最高频陷阱:φ 的符号读错;先伸缩后平移时平移量应为 φ/ω;ω 为负时先化为正。