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类型三:范围最值问题

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 求函数在给定区间上的最大值或最小值,核心是确定函数值域的边界。

从哪来 建立在“三角函数”的周期性、单调性特征,以及“函数图像变换”中平移、伸缩对定义域和值域影响的基础上。

为什么 三角函数 $y=A\sin(\omega x+\varphi)+k$ 的值域通常由振幅 $A$ 和垂直位移 $k$ 决定,但在有限区间 $[a, b]$ 上,最值取决于区间端点是否覆盖了函数的极值点(峰顶或谷底)。若区间长度小于半个周期,最值往往出现在端点或区间内的极值点;若区间覆盖完整周期,则直接取全局最值。本质是利用单调性将“求值”转化为“找位置”。

数形结合法(适合直观思维强、空间感好的学生)** 1. 画出 $y=\sin x$ 的标准图像。 2. 根据 $\omega$ 和 $\varphi$ 进行图像变换(伸缩、平移),画出目标函数在指定区间 $[a, b]$ 内的草图。 3. 直接观察图像的最高点和最低点,读出对应的 $x$ 值,代入计算 $y$ 值。 4. **口诀
“画出来,看高低,端点极值比一比”。
讲法
整体代换法(适合逻辑严密、代数运算能力强的学生) 1. 令 $t = \omega x + \varphi$。 2. 根据 $x \in [a, b]$,求出 $t$ 的取值范围 $[t_{min}, t_{max}]$。 3. 问题转化为求 $y = A\sin t + k$ 在 $t \in [t_{min}, t_{max}]$ 上的最值。 4. 结合正弦函数在 $t$ 轴上的单调性区间(如 $[-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}]$ 递增),判断 $t$ 的范围是否包含 $\frac{\pi}{2} + 2k\pi$ 或 $-\frac{\pi}{2} + 2k\pi$。 5. 若包含,最值为 $\pm A + k$;若不包含,比较区间端点处的函数值大小。
端点与极值点比较法(适合考试实战、追求速度的学生)** 1. 先计算区间两个端点 $x=a$ 和 $x=b$ 的函数值 $f(a)$ 和 $f(b)$。 2. 判断区间内是否存在导数为0的点(即 $\omega x + \varphi = \frac{\pi}{2} + k\pi$)。 3. 若存在,计算该极值点的函数值 $f(x_{ext})$。 4. 将 $f(a), f(b), f(x_{ext})$ 三者比较,最大者为最大值,最小者为最小值。 5. **注意
若区间长度大于等于一个周期,直接取 $k+A$ 和 $k-A$,无需比较端点。
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练一道
基础题
求函数 $f(x) = 2\sin(x + \frac{\pi}{6}) + 1$ 在区间 $[0, \frac{\pi}{2}]$ 上的最大值和最小值。
变式
求函数 $g(x) = \sqrt{3}\sin(2x - \frac{\pi}{3}) - 1$ 在区间 $[\frac{\pi}{12}, \frac{\pi}{3}]$ 上的值域。
试试手自己判
检测题
求函数 $h(x) = 2\cos(2x + \frac{\pi}{4})$ 在区间 $[-\frac{\pi}{8}, \frac{\pi}{8}]$ 上的最大值和最小值。
看答案和判分标准
答案:最大值 $\sqrt{2}$,最小值 $-2$。
判对标准:
1. 正确求出相位 $t = 2x + \frac{\pi}{4}$ 的范围为 $[0, \frac{\pi}{2}]$。(2分)
2. 正确判断 $\cos t$ 在 $[0, \frac{\pi}{2}]$ 上单调递减。(2分)
3. 正确计算端点值:$t=0$ 时 $h(x)=2\cos 0 = 2$(此处需修正,见下方解析);$t=\frac{\pi}{2}$ 时 $h(x)=2\cos \frac{\pi}{2} = 0$。
*等等,让我重新快速验算一下检测题以确保答案绝对准确*:
$x \in [-\frac{\pi}{8}, \frac{\pi}{8}] \Rightarrow 2x \in [-\frac{\pi}{4}, \frac{\pi}{4}] \Rightarrow 2x + \frac{\pi}{4} \in [0, \frac{\pi}{2}]$。
令 $t = 2x + \frac{\pi}{4}$,则 $t \in [0, \frac{\pi}{2}]$。
$y = 2\cos t$。
在 $t \in [0, \frac{\pi}{2}]$ 上,$\cos t$ 从 1 递减到 0。
所以 $y$ 从 $2(1)=2$ 递减到 $2(0)=0$。
最大值是 2,最小值是 0。
*之前的草稿答案有误,以下为修正后的标准答案*:
修正答案:最大值 2,最小值 0。
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