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2. 伸缩变换

直线、圆与圆锥曲线 · 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 通过改变函数图像上点的横坐标或纵坐标,使图像沿坐标轴方向拉伸或压缩的几何变换。

从哪来 它建立在类型二:基本不等式应用之上。虽然基本不等式主要处理代数最值,但其核心逻辑——“在约束条件下寻找极值或特定关系”——为理解伸缩变换中变量比例变化对函数性质(如周期、振幅)的影响提供了代数直觉基础,即通过调整变量系数来改变函数的“尺度”。

为什么 伸缩变换的本质是自变量或因变量的线性缩放。 从代数角度看,$y=f(x)$ 变为 $y=f(\omega x)$ 或 $y=A f(x)$。 1. 横坐标伸缩:若 $x$ 变为 $\omega x$,为了保持函数值 $y$ 不变,新的自变量 $x'$ 必须满足 $x' = x/\omega$。这意味着图像上的点沿 $x$ 轴方向被压缩($\omega>1$)或拉伸($0<\omega<1$)。这是为了适应频率或周期的变化。 2. 纵坐标伸缩:若 $y$ 变为 $A y$,则图像上每一点的纵坐标直接乘以 $A$,导致图像沿 $y$ 轴方向拉伸或压缩。 这种变换保留了函数的基本形状(单调性、对称性等拓扑性质),只改变了其“尺度”,是研究复杂函数(如三角函数)从简单原型(如 $y=\sin x$)推导出的核心工具。

代数代换法** **适合学生
逻辑严密、擅长代数推导、对几何直观不敏感的学生。 讲解步骤: 1. 设原函数图像上任意一点为 $P(x, y)$,满足 $y=f(x)$。 2. 变换后图像上对应点为 $P'(x', y')$。 3. 根据定义,横坐标伸缩系数为 $\omega$,则 $x' = \frac{1}{\omega}x$,即 $x = \omega x'$。 4. 代入原方程:$y' = f(\omega x')$。 5. 结论:新函数解析式为 $y=f(\omega x)$。强调“点动函数不动”或“函数动点不动”的代数对应关系。
几何直观法(橡皮筋模型)** **适合学生
空间想象力强、喜欢视觉化理解、对抽象代数感到困难的学生。 讲解步骤: 1. 想象函数图像是一条画在弹性橡皮筋上的曲线。 2. 横坐标伸缩:握住 $y$ 轴,沿 $x$ 轴方向拉伸或压缩橡皮筋。若压缩到原来的 $1/2$,则所有点的横坐标减半,为了保持曲线形状,$x$ 前面的系数必须变为 $2$(因为 $f(2x)$ 的周期是 $f(x)$ 的一半)。 3. 纵坐标伸缩:握住 $x$ 轴,沿 $y$ 轴方向拉伸或压缩。若拉伸 $2$ 倍,则所有点的纵坐标翻倍,解析式变为 $y=2f(x)$。 4. 强调:横坐标变换是“反向”的(系数变大,图像变窄),纵坐标变换是“同向”的(系数变大,图像变高)。
参数意义法(物理类比)** **适合学生
理科思维强、对物理概念(如频率、振幅)有共鸣的学生。 讲解步骤: 1. 以 $y=\sin x$ 为例。 2. 纵坐标伸缩:$y=A\sin x$。$A$ 是振幅,决定波峰的高度。$A$ 越大,波越高。这是能量的放大。 3. 横坐标伸缩:$y=\sin(\omega x)$。$\omega$ 是角频率,决定波的疏密。$\omega$ 越大,单位长度内波的个数越多,图像越“挤”。 4. 记忆口诀:“纵看振幅,横看频率;系数大,纵变高,横变密”。
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练一道
基础题
将函数 $y=\sin x$ 的图像上所有点的横坐标缩短到原来的 $\frac{1}{2}$(纵坐标不变),得到函数 $y=g(x)$ 的图像,求 $g(x)$ 的解析式。
变式
将函数 $y=\sin x$ 的图像上所有点的纵坐标伸长到原来的 $3$ 倍(横坐标不变),再将所得图像上所有点的横坐标缩短到原来的 $\frac{1}{4}$(纵坐标不变),求最终得到的函数解析式。
看解答过程
式变为 $y = 3\sin x$。 2. 第二步:横坐标缩短到原来的 $\frac{1}{4}$。 根据规则,横坐标变为原来的 $\frac{1}{4}$,意味着 $x$ 的系数变为 $4$。 将 $x$ 替换为 $4x$,解析式变为 $y = 3\sin(4x)$。 3. 最终答案:$y = 3\sin(4x)$。
试试手自己判
检测题
若函数 $y=f(x)$ 的图像经过点 $(2, 3)$,将其图像上所有点的横坐标伸长到原来的 2 倍(纵坐标不变),得到函数 $y=g(x)$ 的图像。求 $g(x)$ 图像上对应的点坐标,并说明 $g(x)$ 的解析式与 $f(x)$ 的关系。
看答案和判分标准
答案:1. 对应点坐标:$(4, 3)$。 2. 解析式关系:$g(x) = f(\frac{1}{2}x)$。
判对标准:
1. 点坐标正确:横坐标 $2 \times 2 = 4$,纵坐标不变为 $3$。
2. 解析式正确:横坐标伸长到 2 倍,系数变为 $\frac{1}{2}$,即 $g(x) = f(\frac{1}{2}x)$。
3. 若学生写出 $g(x) = f(2x)$ 或点坐标为 $(1, 3)$,则判错。
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