定义域与值域
定义域与值域
定义域:任意实数 $x$ 都能作为输入,因此正弦、余弦函数的定义域都是 $\mathbb R$。
值域:单位圆上点的横、纵坐标都在 $[-1,1]$ 内,且这个区间中的每个值都能取到,因此两个函数的值域都是 $[-1,1]$。
周期
周期
角增加一周,终边点回到原位,因此对任意 $k\in\mathbb Z$,
当 $k\ne0$ 时,$2k\pi$ 都是这两个函数的周期。还要排除更小的正周期:若 $T>0$ 是正弦函数的周期,由 $\sin T=\sin0=0$ 可知 $T=m\pi$,其中 $m$ 为正整数;当 $m$ 为奇数时,$\sin(\frac{\pi}{2}+T)=-1\ne1$,所以 $m$ 必为偶数。若 $T>0$ 是余弦函数的周期,则 $\cos T=\cos0=1$,单位圆上只有 $T=2n\pi$ 才满足,其中 $n$ 为正整数。因此两个函数的最小正周期都是 $2\pi$。
同一条曲线,观察不同性质
选择函数与观察内容。拖动蓝色点比较对应位置;方向键也可调整。
奇偶性
奇偶性
定义域 $\mathbb R$ 关于原点对称。由单位圆关于 $x$ 轴的对称关系,
因此正弦函数是奇函数,图象关于原点中心对称;余弦函数是偶函数,图象关于 $y$ 轴对称。周期性还会把这些对称关系重复到其他位置,但奇偶性的判断仍以原点为基准。
轴与中心
对称轴与对称中心
轴对称是指:轴两侧距离相同的点,函数值相等。中心对称是指:绕中心旋转半周后,图象仍与原图象重合。奇偶性只说明原点或 $y$ 轴处的对称;正弦、余弦曲线还有其他对称位置。
先看正弦。由诱导公式,对任意实数 $t$,
这说明 $\frac{\pi}{2}$ 左右等距离处的函数值相同,所以直线 $x=\frac{\pi}{2}$ 是对称轴。两边的角同时加上 $k\pi$ 时,两个函数值同时乘以 $(-1)^k$,仍相等。因此正弦曲线的对称轴为
再由诱导公式,
两个横坐标的中点是 $k\pi$,两个纵坐标互为相反数。因此这两个图象点的中点总是 $(k\pi,0)$,正弦曲线的对称中心为
余弦可以同样判断。由
可知直线 $x=k\pi$ 两侧等距离处的函数值相等,所以余弦曲线的对称轴为
而在 $\frac{\pi}{2}+k\pi$ 两侧,
两个函数值互为相反数,所以余弦曲线的对称中心为
这些位置也可以从曲线上读出:对称轴经过波峰或波谷,对称中心位于曲线与 $x$ 轴的交点。判断时仍要区分“左右同高”和“绕一点旋转半周”,不能把两种对称混为一谈。
单调区间
单调区间
在单位圆的一周中,纵坐标先由 $-1$ 增到 $1$,再由 $1$ 减到 $-1$。利用周期性,对每个 $k\in\mathbb Z$,正弦函数在
上单调递增,在
上单调递减。
横坐标在一周中由 $-1$ 增到 $1$、再由 $1$ 减到 $-1$。因此余弦函数在
上单调递增,在
上单调递减。每个结论都只针对所写的一个闭区间,不能把彼此分开的区间合并成一个单调区间。
最大与最小
最大值和最小值
值域已经保证所有函数值都在 $[-1,1]$ 内;单位圆轴端点又保证边界值能够取得。因此对 $k\in\mathbb Z$,
而
所以两个函数的最大值都是 $1$,最小值都是 $-1$;不同的是它们取得最值的自变量位置相差四分之一周。性质必须连同定义域、区间和取等位置一起理解,不能只记住曲线的起伏外形。