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3. 正切函数 y=tan x

三角函数的概念、性质与应用 · 高三
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 正切函数是正弦与余弦的商,即 $y=\frac{\sin x}{\cos x}$,定义域为 $\{x|x \neq k\pi + \frac{\pi}{2}, k \in \mathbb{Z}\}$。

从哪来 它建立在4. 三角函数(正弦、余弦的定义及关系)和3. 函数图像变换(利用商函数性质或几何意义推导图像)之上。

为什么 正切函数的本质是直角三角形中“对边比邻边”,在单位圆中表现为终边与 $x$ 轴交点 $(1,0)$ 到终边与 $y=x$ 平行线交点的纵坐标。 因为 $\cos x$ 在 $x=k\pi+\frac{\pi}{2}$ 处为 0,导致比值无意义,所以图像在这些位置断开,形成渐近线。 又因为 $\tan(x+\pi) = \frac{\sin(x+\pi)}{\cos(x+\pi)} = \frac{-\sin x}{-\cos x} = \tan x$,所以图像每隔 $\pi$ 重复一次,呈现周期性。 这种“无限延伸”且“中间穿过原点”的特征,是由分子分母符号变化及零点位置共同决定的。

几何直观法
在单位圆中,设角 $\alpha$ 终边交单位圆于 $P$,过 $A(1,0)$ 作 $x$ 轴垂线交终边于 $T$,则线段 $AT$ 的长度(带符号)即为 $\tan \alpha$。 *
适合:空间想象力强、喜欢几何图形、对抽象代数公式感到困难的学生。 * 操作:动态演示角 $\alpha$ 从 $0$ 增加到 $\frac{\pi}{2}$ 时,点 $T$ 沿直线 $x=1$ 向上无限远离,直观展示渐近线。
代数推导法
从 $y=\frac{\sin x}{\cos x}$ 出发,分析分子分母的符号和零点。 *
适合:逻辑推理能力强、擅长代数运算、习惯从公式出发的学生。 * 操作:列表分析 $x$ 在 $(-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2})$ 区间内,$\sin x$ 和 $\cos x$ 的正负及大小变化,推导出 $y$ 从 $-\infty$ 增至 $+\infty$ 的单调性。
图像变换法
将 $y=\tan x$ 看作 $y=\sin x$ 和 $y=\cos x$ 的“商”。 *
适合:已经熟练掌握正弦、余弦图像,喜欢通过对比记忆的学生。 * 操作:在坐标系中同时画出 $y=\sin x$ 和 $y=\cos x$,观察两曲线交点($\tan x=1$ 或 $-1$)以及 $\cos x=0$ 的位置,理解正切图像如何“穿过”正弦曲线并在余弦零点处“断裂”。
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练一道
基础题
求函数 $y=\tan(2x+\frac{\pi}{3})$ 的定义域和最小正周期。
变式
已知 $\tan(\alpha + \frac{\pi}{4}) = 2$,求 $\frac{\sin \alpha + \cos \alpha}{\sin \alpha - \cos \alpha}$ 的值。
试试手自己判
检测题
函数 $y = \tan x$ 的图像关于哪个点中心对称?
看答案和判分标准
答案:$(\frac{k\pi}{2}, 0), k \in \mathbb{Z}$。
判对标准:
若学生回答 $(k\pi, 0)$,判部分正确,指出还漏掉了 $(\frac{\pi}{2} + k\pi, 0)$ 这类点(虽然这些点不在定义域内,但图像关于这些点中心对称的几何性质成立,更准确的说法是图像关于 $(\frac{k\pi}{2}, 0)$ 中心对称,其中 $k$ 为整数,但需注意 $x=\frac{\pi}{2}$ 处无定义,对称中心应为 $(\frac{k\pi}{2}, 0)$ 中使得该点为图像“中心”的点。实际上,正切图像关于 $(\frac{k\pi}{2}, 0)$ 中心对称,其中 $k$ 为整数。更严谨的表述是:图像关于点 $(\frac{k\pi}{2}, 0)$ 中心对称,$k \in \mathbb{Z}$。*修正*:标准答案应为 $(\frac{k\pi}{2}, 0), k \in \mathbb{Z}$。若学生只写 $(k\pi, 0)$,需引导其思考 $x=\frac{\pi}{2}$ 附近的对称性。
* 若学生回答 $(\frac{\pi}{4}, 1)$ 等任意点,判错误。
* 最佳判对:能写出 $(\frac{k\pi}{2}, 0), k \in \mathbb{Z}$ 并简要说明理由(如 $f(\frac{k\pi}{2}+x) + f(\frac{k\pi}{2}-x) = 0$ 或图形直观)。
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