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6.5 Graphs of Sine, Cosine and Tangent

三角函数图像 - 正弦、余弦、正切函数的图像特征与应用详解

一、核心知识点:正弦、余弦、正切的图像特征

三角函数的图像具有周期性(即经过一定区间后重复出现),以下是各函数的关键特征:

1. \( y = \sin \theta \) 的图像

  • 周期:\( 360^\circ \)(或 \( 2\pi \) 弧度)。
  • 与 \( x \)-轴交点:\( \dots, -180^\circ, 0^\circ, 180^\circ, 360^\circ, \dots \)(即 \( \theta = k \cdot 180^\circ, k \in \mathbb{Z} \) 时,\( \sin \theta = 0 \))。
  • 极值:最大值 \( 1 \)(当 \( \theta = 90^\circ + k \cdot 360^\circ \) 时);最小值 \( -1 \)(当 \( \theta = -90^\circ + k \cdot 360^\circ \) 时)。

2. \( y = \cos \theta \) 的图像

  • 周期:\( 360^\circ \)(或 \( 2\pi \) 弧度)。
  • 与 \( x \)-轴交点:\( \dots, -90^\circ, 90^\circ, 270^\circ, 450^\circ, \dots \)(即 \( \theta = 90^\circ + k \cdot 180^\circ, k \in \mathbb{Z} \) 时,\( \cos \theta = 0 \))。
  • 极值:最大值 \( 1 \)(当 \( \theta = k \cdot 360^\circ \) 时);最小值 \( -1 \)(当 \( \theta = 180^\circ + k \cdot 360^\circ \) 时)。

3. \( y = \tan \theta \) 的图像

  • 周期:\( 180^\circ \)(或 \( \pi \) 弧度)。
  • 与 \( x \)-轴交点:\( \dots, -180^\circ, 0^\circ, 180^\circ, 360^\circ, \dots \)(即 \( \theta = k \cdot 180^\circ, k \in \mathbb{Z} \) 时,\( \tan \theta = 0 \))。
  • 渐近线:当 \( \theta = 90^\circ + k \cdot 180^\circ \)(\( k \in \mathbb{Z} \))时,图像有垂直渐近线(\( \tan \theta \) 在此处无定义,趋向 \( +\infty \) 或 \( -\infty \)),且无最大值、最小值。

二、重点总结

  1. 周期性的应用:周期决定了图像"重复的间隔",是判断"同一函数值出现的角度"的核心依据(如正弦、余弦每 \( 360^\circ \) 重复,正切每 \( 180^\circ \) 重复)。
  2. 关键点的记忆:牢记正弦、余弦在哪些角度时函数值为 \( 0 \)、\( 1 \)、\( -1 \),以及正切的渐近线位置,这是绘制图像求解三角方程的基础。
  3. 图像的对称性与方程求解:利用图像的对称性(如余弦是偶函数 \( \cos(-\theta) = \cos \theta \),正弦是奇函数 \( \sin(-\theta) = -\sin \theta \)),结合周期性,可找到给定区间内三角方程(如 \( \sin \theta = k \)、\( \cos \theta = k \)、\( \tan \theta = k \))的多个解。

三、练习题(Exercise 6F)及应用

练习题围绕"绘制图像"和"利用图像解三角方程"展开,典型题型如下:

1. 图像绘制题(如第1、2、3题)

示例:绘制 \( y = \cos \theta \) 在 \( -180^\circ \leq \theta \leq 180^\circ \) 的图像。

步骤:标出与 \( x \)-轴交点(\( -90^\circ, 90^\circ \))、\( y \)-轴交点(\( (0, 1) \)),画出最大值 \( 1 \)(\( \theta = 0^\circ \) 时)、最小值 \( -1 \)(\( \theta = \pm 180^\circ \) 时)的光滑曲线。

目的:熟悉图像的形状、关键交点与极值点,为后续"读图像找解"打基础。

2. 利用图像找三角方程的解(如第4题)

示例:已知 \( \cos 30^\circ = \frac{\sqrt{3}}{2} \),利用 \( y = \cos \theta \) 的图像,找另一角度使 \( \cos \theta = \frac{\sqrt{3}}{2} \)。

思路:余弦是偶函数(图像关于 \( y \)-轴对称),因此 \( \cos(-30^\circ) = \cos 30^\circ = \frac{\sqrt{3}}{2} \),即 \( \theta = -30^\circ \) 是另一解。

延伸:对于 \( \tan \theta = \sqrt{3} \),利用正切的周期性(周期 \( 180^\circ \)),解为 \( \theta = 60^\circ + k \cdot 180^\circ \)(如 \( 60^\circ, 240^\circ, -120^\circ \) 等);对于 \( \sin \theta = -\frac{1}{\sqrt{2}} \),利用正弦的对称性与周期性,解为 \( \theta = -45^\circ + k \cdot 360^\circ \) 或 \( \theta = 225^\circ + k \cdot 360^\circ \)(\( k \in \mathbb{Z} \))。

目的:强化"通过图像的周期性、对称性,快速找到三角方程多解"的能力。

三角函数图像特征总结

正弦函数 \( y = \sin \theta \)

  • 周期:360°
  • 振幅:1
  • 过原点:sin 0° = 0
  • 最大值:sin 90° = 1
  • 最小值:sin 270° = -1
  • 零点:0°, 180°, 360°, ...

余弦函数 \( y = \cos \theta \)

  • 周期:360°
  • 振幅:1
  • 过点:cos 0° = 1
  • 最大值:cos 0° = 1
  • 最小值:cos 180° = -1
  • 零点:90°, 270°, 450°, ...

正切函数 \( y = \tan \theta \)

  • 周期:180°
  • 渐近线:θ = 90° + 180°k
  • 零点:0°, 180°, 360°, ...
  • 无最大最小值
  • 奇函数:tan(-θ) = -tan θ