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三、正切函数 y = tan x

三角函数的概念、图像与公式 · 高一
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比值,即 $y = \tan x = \frac{\sin x}{\cos x}$,其中 $x \neq k\pi + \frac{\pi}{2}, k \in \mathbb{Z}$。

从哪来 它建立在“一、函数的定义”之上,明确了自变量与因变量的对应关系;同时依托“三、函数图像”,通过单位圆中的三角函数线直观呈现其几何意义。

为什么 在直角三角形中,正切定义为对边比邻边。推广到任意角 $x$,在单位圆中,终边与直线 $x=1$ 交于点 $P(1, y)$,则 $y$ 即为 $\tan x$。因为当终边垂直于 $x$ 轴时($x = k\pi + \frac{\pi}{2}$),交点不存在(平行无交点),故该处无定义。这解释了为何正切函数有间断点,且值域为全体实数。

直观几何法** **适合学生类型
形象思维强、空间想象力好、对抽象代数公式感到困难的学生。 操作:在黑板上画出单位圆,动态演示终边旋转。重点展示终边与 $y$ 轴平行时,与直线 $x=1$ 的交点“飞到了无穷远”。让学生亲眼看到 $\tan x$ 的几何长度是如何随角度变化而剧烈变化的,从而理解其周期性(每转 $180^\circ$ 图形重合)和渐近线的存在。
代数推导法** **适合学生类型
逻辑推理能力强、偏好公式推导、对几何直观不敏感的学生。 操作:从 $\tan x = \frac{\sin x}{\cos x}$ 出发。先复习 $\sin x$ 和 $\cos x$ 的周期都是 $2\pi$,但 $\cos x$ 在 $x = \frac{\pi}{2} + k\pi$ 处为 0。引导学生分析分母为 0 时函数无意义,从而确定定义域。再证明 $\tan(x + \pi) = \frac{\sin(x+\pi)}{\cos(x+\pi)} = \frac{-\sin x}{-\cos x} = \tan x$,从而得出最小正周期为 $\pi$。
对比辨析法** **适合学生类型
容易混淆正弦、余弦、正切性质,需要建立知识网络的学生。 操作:列表对比 $y=\sin x$、$y=\cos x$、$y=\tan x$。 1. 定义域:前两者为 $\mathbb{R}$,正切为 $\{x | x \neq k\pi + \frac{\pi}{2}\}$。 2. 值域:前两者为 $[-1, 1]$,正切为 $\mathbb{R}$。 3. 奇偶性:$\sin x$ 奇,$\cos x$ 偶,$\tan x$ 奇。 4. 单调性:正切在每个连续区间 $(k\pi - \frac{\pi}{2}, k\pi + \frac{\pi}{2})$ 内单调递增,但不能说在整个定义域上单调递增。 通过对比,强化正切函数的特殊性(有间断点、值域无限)。
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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
判断函数 $f(x) = \tan x + \frac{1}{\tan x}$ 的奇偶性,并求其值域。
试试手自己判
检测题
已知 $\alpha$ 是第二象限角,且 $\tan \alpha = -2$,求 $\frac{\sin \alpha + \cos \alpha}{\sin \alpha - \cos \alpha}$ 的值。
看答案和判分标准
答案:$-3$
判对标准:
1. 学生能正确利用 $\tan \alpha = \frac{\sin \alpha}{\cos \alpha}$ 将原式分子分母同除以 $\cos \alpha$(或同除以 $\sin \alpha$),转化为关于 $\tan \alpha$ 的表达式。
2. 代入 $\tan \alpha = -2$ 计算正确。
过程:原式 $= \frac{\tan \alpha + 1}{\tan \alpha - 1} = \frac{-2 + 1}{-2 - 1} = \frac{-1}{-3} = \frac{1}{3}$? 等等,这里需要仔细检查题目设计。

*自我修正*:如果 $\alpha$ 在第二象限,$\sin \alpha > 0, \cos \alpha < 0$。
$\tan \alpha = -2 \implies \frac{\sin \alpha}{\cos \alpha} = -2 \implies \sin \alpha = -2\cos \alpha$。
代入原式:$\frac{-2\cos \alpha + \cos \alpha}{-2\cos \alpha - \cos \alpha} = \frac{-\cos \alpha}{-3\cos \alpha} = \frac{1}{3}$。

*再次检查*:题目问的是 $\frac{\sin \alpha + \cos \alpha}{\sin \alpha - \cos \alpha}$。
若 $\tan \alpha = -2$,则 $\sin \alpha = -2\cos \alpha$。
分子:$-2\cos \alpha + \cos \alpha = -\cos \alpha$。
分母:$-2\cos \alpha - \cos \alpha = -3\cos \alpha$。
结果:$\frac{-\cos \alpha}{-3\cos \alpha} = \frac{1}{3}$。

*为什么刚才写 -3?* 可能是笔误。正确答案应为 $1/3$。

重新设定检测题以确保区分度:
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