← Trở về thư viện

Toán 11 Bài 3: Hàm số lượng giác - Tập xác định, tính tuần hoàn và đồ thị hàm số

Toàn bộ lý thuyết trọng tâm Bài 3 Toán 11: Khảo sát 4 hàm số lượng giác y = sin x, y = cos x, y = tan x, y = cot x; tập xác định, tập giá trị, tính chẵn lẻ, chu kỳ tuần hoàn, bảng biến thiên, đồ thị sóng sin và các dạng toán GTLN, GTNN kèm 10 câu trắc nghiệm tự chấm.

Mục lục bài viết21 mục

Bài 3. Hàm số lượng giác

Chào mừng các em tiếp tục hành trình khám phá chương trình Toán 11!

Trong hai bài học trước (Bài 1: Giá trị lượng giác và Bài 2: Công thức lượng giác), chúng ta đã tìm hiểu giá trị lượng giác của một góc cố định và những công thức biến đổi đại số tinh tế.

Bây giờ, hãy tưởng tượng biến số xx không còn đứng yên mà liên tục thay đổi theo thời gian tt:

  • Từng đợt sóng biển dâng lên rồi rút xuống theo chu kỳ thủy triều mỗi ngày.
  • Đốm sáng trên màn hình máy đo điện tim (ECG) vạch nên những nhịp đập đều đặn của trái tim.
  • Một cabin trên vòng đu quay khổng lồ nâng người chơi lên đỉnh cao nhất rồi hạ dần xuống vị trí thấp nhất.
  • Âm thanh của một nốt nhạc phát ra từ dây đàn guitar rung động lan tỏa trong không khí.

Tất cả những chuyển động lặp đi lặp lại một cách nhịp nhàng và hoàn hảo đó đều được mô hình hóa toán học bởi Hàm số lượng giác. Đây chính là chiếc cầu nối kỳ diệu giữa hình học góc quay với giải tích biến thiên hiện đại!


BẢN ĐỒ KIẾN THỨC: HỆ THỐNG 4 HÀM SỐ LƯỢNG GIÁC

1. Hàm số y=sin⁡xy = \sin x

• TXĐ: D=RD = \mathbb{R}, TGT: [−1;1][-1; 1].
• Tính chất: Hàm số lẻ, chu kỳ tuần hoàn T=2πT = 2\pi.
• Đồ thị: Đường hình sin lượn sóng, đối xứng qua gốc tọa độ OO.
• Đồng biến trên (−π2+k2π;π2+k2π)\left(-\frac{\pi}{2} + k2\pi; \frac{\pi}{2} + k2\pi\right).

2. Hàm số y=cos⁡xy = \cos x

• TXĐ: D=RD = \mathbb{R}, TGT: [−1;1][-1; 1].
• Tính chất: Hàm số chẵn, chu kỳ tuần hoàn T=2πT = 2\pi.
• Đồ thị: Hình sin tịnh tiến sang trái π2\frac{\pi}{2}, đối xứng qua trục tung OyOy.
• Đồng biến trên (−π+k2π;k2π)(-\pi + k2\pi; k2\pi).

3. Hàm số y=tan⁡xy = \tan x

• TXĐ: D=R∖{π2+kπ}D = \mathbb{R} \setminus \left\{\frac{\pi}{2} + k\pi\right\}, TGT: R\mathbb{R}.
• Tính chất: Hàm số lẻ, chu kỳ cơ sở T=πT = \pi.
• Biến thiên: Luôn đồng biến trên từng khoảng xác định.
• Tiệm cận: Các đường thẳng đứng x=π2+kπx = \frac{\pi}{2} + k\pi.

4. Hàm số y=cot⁡xy = \cot x

• TXĐ: D=R∖{kπ}D = \mathbb{R} \setminus \{k\pi\}, TGT: R\mathbb{R}.
• Tính chất: Hàm số lẻ, chu kỳ cơ sở T=πT = \pi.
• Biến thiên: Luôn nghịch biến trên từng khoảng xác định.
• Tiệm cận: Các đường thẳng đứng x=kπx = k\pi.


Khởi động — Thử thách phản xạ nhanh 5 câu (5 phút)

  1. Tập giá trị: Giá trị của sin⁡x\sin x có thể vượt quá 11 hoặc nhỏ hơn −1-1 được không?
  2. Tính đối xứng: Giữa hai hàm y=sin⁡xy = \sin x và y=cos⁡xy = \cos x, hàm số nào có đồ thị đối xứng qua trục tung OyOy?
  3. Chu kỳ: Nếu góc quay tăng thêm đúng một vòng tròn 360∘360^\circ (2π rad2\pi\text{ rad}), giá trị của sin⁡(x+2π)\sin(x + 2\pi) và cos⁡(x+2π)\cos(x + 2\pi) có thay đổi không?
  4. Điểm gián đoạn: Biểu thức tan⁡x=sin⁡xcos⁡x\tan x = \frac{\sin x}{\cos x} sẽ không xác định tại các góc nào mà tại đó cos⁡x=0\cos x = 0?
  5. Đồ thị: Đồ thị hàm số y=sin⁡xy = \sin x đi qua gốc tọa độ O(0;0)O(0; 0) hay điểm (0;1)(0; 1)?
Mẹo hay

Giải đáp khởi động:

  1. Không bao giờ! Tập giá trị của sin⁡x\sin x và cos⁡x\cos x luôn luôn bị giới hạn trong đoạn kín [−1;1][-1; 1].
  2. Hàm số y=cos⁡xy = \cos x là hàm chẵn (cos⁡(−x)=cos⁡x\cos(-x) = \cos x), nên đồ thị của nó đối xứng qua trục tung OyOy.
  3. Không thay đổi! Điểm biểu diễn trên đường tròn đơn vị quay về đúng vị trí ban đầu: sin⁡(x+2π)=sin⁡x\sin(x + 2\pi) = \sin x và cos⁡(x+2π)=cos⁡x\cos(x + 2\pi) = \cos x.
  4. Tại các góc x=π2+kπx = \frac{\pi}{2} + k\pi (k∈Zk \in \mathbb{Z}), tức là 90∘,270∘,−90∘,…90^\circ, 270^\circ, -90^\circ, \dots.
  5. Đi qua gốc tọa độ O(0;0)O(0; 0) vì sin⁡0=0\sin 0 = 0. Còn đồ thị hàm y=cos⁡xy = \cos x mới đi qua điểm (0;1)(0; 1) vì cos⁡0=1\cos 0 = 1.

I. Hàm số tuần hoàn và Chu kỳ

1. Định nghĩa hàm số tuần hoàn

Một hàm số y=f(x)y = f(x) xác định trên tập hợp DD được gọi là hàm số tuần hoàn nếu tồn tại một số thực T≠0T \neq 0 sao cho với mọi x∈Dx \in D, ta có:

  1. x−T∈Dx - T \in D và x+T∈Dx + T \in D.
  2. f(x+T)=f(x)f(x + T) = f(x).

Số dương TT nhỏ nhất thỏa mãn tính chất trên (nếu có) được gọi là chu kỳ (hay chu kỳ cơ sở) của hàm số tuần hoàn đó.

2. Chu kỳ của các hàm số lượng giác cơ bản

  • Hai hàm số y=sin⁡xy = \sin x và y=cos⁡xy = \cos x tuần hoàn với chu kỳ T=2πT = 2\pi:sin⁡(x+2π)=sin⁡x,cos⁡(x+2π)=cos⁡x\sin(x + 2\pi) = \sin x, \quad \cos(x + 2\pi) = \cos x
  • Hai hàm số y=tan⁡xy = \tan x và y=cot⁡xy = \cot x tuần hoàn với chu kỳ T=πT = \pi:tan⁡(x+π)=tan⁡x,cot⁡(x+π)=cot⁡x\tan(x + \pi) = \tan x, \quad \cot(x + \pi) = \cot x
Quan trọng

Công thức mở rộng tính chu kỳ nhanh cho bài tập trắc nghiệm: Cho ω>0\omega > 0:

  • Hàm số y=sin⁡(ωx+φ)y = \sin(\omega x + \varphi) và y=cos⁡(ωx+φ)y = \cos(\omega x + \varphi) có chu kỳ:T=2πωT = \frac{2\pi}{\omega}
  • Hàm số y=tan⁡(ωx+φ)y = \tan(\omega x + \varphi) và y=cot⁡(ωx+φ)y = \cot(\omega x + \varphi) có chu kỳ:T=πωT = \frac{\pi}{\omega}
  • Nếu hàm số y=f(x)y = f(x) là tổng hoặc hiệu của hai hàm tuần hoàn có chu kỳ T1=abT_1 = \frac{a}{b} và T2=cdT_2 = \frac{c}{d} (dạng phân số tối giản), thì chu kỳ chung TT là bội chung nhỏ nhất của T1T_1 và T2T_2:T=BCNN(T1,T2)T = \text{BCNN}(T_1, T_2)

II. Khảo sát chi tiết 4 hàm số lượng giác

1. Hàm số y=sin⁡xy = \sin x

  • Tập xác định: D=RD = \mathbb{R}.
  • Tập giá trị: TGT=[−1;1]TGT = [-1; 1], nghĩa là −1⩽sin⁡x⩽1-1 \le \sin x \le 1 với mọi x∈Rx \in \mathbb{R}.
  • Tính chẵn lẻ: Vì với mọi x∈Rx \in \mathbb{R}, ta có −x∈R-x \in \mathbb{R} và sin⁡(−x)=−sin⁡x\sin(-x) = -\sin x nên y=sin⁡xy = \sin x là hàm số lẻ. Do đó, đồ thị của nó nhận gốc tọa độ O(0;0)O(0; 0) làm tâm đối xứng.
  • Tính tuần hoàn: Tuần hoàn với chu kỳ cơ sở T=2πT = 2\pi. Vì vậy, để vẽ toàn bộ đồ thị hàm số y=sin⁡xy = \sin x trên R\mathbb{R}, ta chỉ cần vẽ đồ thị trên một chu kỳ có độ dài 2π2\pi (chẳng hạn đoạn [−π;π][-\pi; \pi] hoặc [0;2π][0; 2\pi]), sau đó tịnh tiến liên tiếp sang trái và sang phải các đoạn có độ dài 2π2\pi.

Bảng biến thiên trên đoạn [−π;π][-\pi; \pi]:

xx −π-\pi −π2-\frac{\pi}{2} 00 π2\frac{\pi}{2} π\pi
y=sin⁡xy = \sin x 00 ↘\searrow −1-1 ↗\nearrow 00 ↗\nearrow 11 ↘\searrow 00
  • Khoảng đồng biến: (−π2+k2π;π2+k2π)\left(-\frac{\pi}{2} + k2\pi; \frac{\pi}{2} + k2\pi\right) với k∈Zk \in \mathbb{Z}.
  • Khoảng nghịch biến: (π2+k2π;3π2+k2π)\left(\frac{\pi}{2} + k2\pi; \frac{3\pi}{2} + k2\pi\right) với k∈Zk \in \mathbb{Z}.
  • Các điểm đặc biệt:
    • sin⁡x=0⇔x=kπ\sin x = 0 \Leftrightarrow x = k\pi (k∈Zk \in \mathbb{Z}) (giao điểm với trục hoành).
    • sin⁡x=1⇔x=π2+k2π\sin x = 1 \Leftrightarrow x = \frac{\pi}{2} + k2\pi (k∈Zk \in \mathbb{Z}) (điểm cực đại).
    • sin⁡x=−1⇔x=−π2+k2π\sin x = -1 \Leftrightarrow x = -\frac{\pi}{2} + k2\pi (k∈Zk \in \mathbb{Z}) (điểm cực tiểu).

Đồ thị hàm số y=sin⁡xy = \sin x:

x y O 1 -1 -2π -π π/2 π 2π y = sin x (T = 2π)

Hình 3.1: Đồ thị hàm số sóng sin y=sin⁡xy = \sin x đối xứng qua gốc tọa độ OO với biên độ [−1;1][-1; 1].


2. Hàm số y=cos⁡xy = \cos x

  • Tập xác định: D=RD = \mathbb{R}.
  • Tập giá trị: TGT=[−1;1]TGT = [-1; 1].
  • Tính chẵn lẻ: Với mọi x∈Rx \in \mathbb{R}, ta có −x∈R-x \in \mathbb{R} và cos⁡(−x)=cos⁡x\cos(-x) = \cos x nên y=cos⁡xy = \cos x là hàm số chẵn. Do đó, đồ thị của nó nhận trục tung OyOy làm trục đối xứng.
  • Tính tuần hoàn: Tuần hoàn với chu kỳ cơ sở T=2πT = 2\pi.
  • Mối liên hệ hình học: Vì cos⁡x=sin⁡(x+π2)\cos x = \sin\left(x + \frac{\pi}{2}\right), đồ thị hàm số y=cos⁡xy = \cos x có được bằng cách tịnh tiến đồ thị hàm số y=sin⁡xy = \sin x sang phía bên trái một đoạn bằng π2\frac{\pi}{2} dọc theo trục hoành OxOx.

Bảng biến thiên trên đoạn [−π;π][-\pi; \pi]:

xx −π-\pi 00 π\pi
y=cos⁡xy = \cos x −1-1 ↗\nearrow 11 ↘\searrow −1-1
  • Khoảng đồng biến: (−π+k2π;k2π)(-\pi + k2\pi; k2\pi) với k∈Zk \in \mathbb{Z}.
  • Khoảng nghịch biến: (k2π;π+k2π)(k2\pi; \pi + k2\pi) với k∈Zk \in \mathbb{Z}.
  • Các điểm đặc biệt:
    • cos⁡x=0⇔x=π2+kπ\cos x = 0 \Leftrightarrow x = \frac{\pi}{2} + k\pi (k∈Zk \in \mathbb{Z}).
    • cos⁡x=1⇔x=k2π\cos x = 1 \Leftrightarrow x = k2\pi (k∈Zk \in \mathbb{Z}).
    • cos⁡x=−1⇔x=π+k2π\cos x = -1 \Leftrightarrow x = \pi + k2\pi (k∈Zk \in \mathbb{Z}).

Đồ thị hàm số y=cos⁡xy = \cos x:

x y O 1 -1 -2π -π -π/2 π/2 π 2π y = cos x (T = 2π)

Hình 3.2: Đồ thị hàm số y=cos⁡xy = \cos x đối xứng qua trục tung OyOy, đạt cực đại tại x=0,±2πx = 0, \pm 2\pi.


3. Hàm số y=tan⁡xy = \tan x

  • Tập xác định: D=R∖{π2+kπ,k∈Z}D = \mathbb{R} \setminus \left\{\frac{\pi}{2} + k\pi, k \in \mathbb{Z}\right\}.
  • Tập giá trị: TGT=RTGT = \mathbb{R} (hàm số nhận mọi giá trị từ −∞-\infty đến +∞+\infty).
  • Tính chẵn lẻ: Vì với mọi x∈Dx \in D, −x∈D-x \in D và tan⁡(−x)=−tan⁡x\tan(-x) = -\tan x nên y=tan⁡xy = \tan x là hàm số lẻ. Đồ thị đối xứng qua gốc tọa độ O(0;0)O(0; 0).
  • Tính tuần hoàn: Tuần hoàn với chu kỳ cơ sở T=πT = \pi: tan⁡(x+π)=tan⁡x\tan(x + \pi) = \tan x.
  • Sự biến thiên: Hàm số y=tan⁡xy = \tan x đồng biến trên mỗi khoảng (−π2+kπ;π2+kπ)\left(-\frac{\pi}{2} + k\pi; \frac{\pi}{2} + k\pi\right).
  • Tiệm cận: Các đường thẳng đứng x=π2+kπx = \frac{\pi}{2} + k\pi là các đường tiệm cận đứng của đồ thị (đồ thị tiến sát vô cực nhưng không bao giờ chạm vào các đường này).

Đồ thị hàm số y=tan⁡xy = \tan x:

x y O -π/2 π/2 π -π y = tan x (T = π)

Hình 3.3: Đồ thị hàm số tang y=tan⁡xy = \tan x gồm các nhánh đồng biến bị giới hạn bởi các đường tiệm cận đứng màu đỏ.


4. Hàm số y=cot⁡xy = \cot x

  • Tập xác định: D=R∖{kπ,k∈Z}D = \mathbb{R} \setminus \{k\pi, k \in \mathbb{Z}\}.
  • Tập giá trị: TGT=RTGT = \mathbb{R}.
  • Tính chẵn lẻ: Là hàm số lẻ, đồ thị đối xứng qua gốc tọa độ O(0;0)O(0; 0).
  • Tính tuần hoàn: Tuần hoàn với chu kỳ T=πT = \pi: cot⁡(x+π)=cot⁡x\cot(x + \pi) = \cot x.
  • Sự biến thiên: Hàm số y=cot⁡xy = \cot x nghịch biến trên mỗi khoảng (kπ;(k+1)π)(k\pi; (k+1)\pi) với k∈Zk \in \mathbb{Z}.
  • Tiệm cận: Các đường thẳng đứng x=kπx = k\pi (k∈Zk \in \mathbb{Z}) là các đường tiệm cận đứng.

III. Bảng so sánh tổng hợp 4 hàm số lượng giác

Tiêu chí y=sin⁡xy = \sin x y=cos⁡xy = \cos x y=tan⁡xy = \tan x y=cot⁡xy = \cot x
Tập xác định (DD) R\mathbb{R} R\mathbb{R} R∖{π2+kπ}\mathbb{R} \setminus \left\{\frac{\pi}{2} + k\pi\right\} R∖{kπ}\mathbb{R} \setminus \{k\pi\}
Tập giá trị [−1;1][-1; 1] [−1;1][-1; 1] R\mathbb{R} R\mathbb{R}
Tính chẵn / lẻ Hàm lẻ Hàm chẵn Hàm lẻ Hàm lẻ
Tâm / Trục đối xứng Tâm O(0;0)O(0; 0) Trục OyOy Tâm O(0;0)O(0; 0) Tâm O(0;0)O(0; 0)
Chu kỳ cơ sở (TT) 2π2\pi 2π2\pi π\pi π\pi
Tính biến thiên Từng khoảng đb/nb Từng khoảng đb/nb Luôn đồng biến Luôn nghịch biến
Giao điểm trục tung (0;0)(0; 0) (0;1)(0; 1) (0;0)(0; 0) Không có

IV. Các dạng toán trọng tâm và Phương pháp giải

Dạng 1: Tìm tập xác định của hàm số lượng giác

Ghi nhớ

Quy tắc tìm điều kiện xác định:

  1. Hàm số chứa mẫu thức AB\frac{A}{B}: Điều kiện B≠0B \neq 0.
  2. Hàm số chứa căn thức bậc chẵn A\sqrt{A}: Điều kiện A⩾0A \ge 0.
  3. Hàm số chứa tan⁡[u(x)]\tan[u(x)]: Điều kiện u(x)≠π2+kπu(x) \neq \frac{\pi}{2} + k\pi (k∈Zk \in \mathbb{Z}).
  4. Hàm số chứa cot⁡[u(x)]\cot[u(x)]: Điều kiện u(x)≠kπu(x) \neq k\pi (k∈Zk \in \mathbb{Z}).

Ví dụ 1:

Tìm tập xác định của các hàm số sau: a) y=1sin⁡x−cos⁡xy = \frac{1}{\sin x - \cos x}
b) y=tan⁡(2x−π3)y = \tan\left(2x - \frac{\pi}{3}\right)
c) y=1+cos⁡x1−cos⁡xy = \sqrt{\frac{1 + \cos x}{1 - \cos x}}

Lời giải chi tiết:

a) Hàm số xác định khi và chỉ khi mẫu thức khác 00:

sin⁡x−cos⁡x≠0⇔2sin⁡(x−π4)≠0⇔x−π4≠kπ⇔x≠π4+kπ  (k∈Z)\sin x - \cos x \neq 0 \Leftrightarrow \sqrt{2}\sin\left(x - \frac{\pi}{4}\right) \neq 0 \Leftrightarrow x - \frac{\pi}{4} \neq k\pi \Leftrightarrow x \neq \frac{\pi}{4} + k\pi \; (k \in \mathbb{Z})

Vậy tập xác định là D=R∖{π4+kπ,k∈Z}D = \mathbb{R} \setminus \left\{\frac{\pi}{4} + k\pi, k \in \mathbb{Z}\right\}.

b) Hàm số y=tan⁡(2x−π3)y = \tan\left(2x - \frac{\pi}{3}\right) xác định khi:

2x−π3≠π2+kπ⇔2x≠5π6+kπ⇔x≠5π12+kπ2  (k∈Z)2x - \frac{\pi}{3} \neq \frac{\pi}{2} + k\pi \Leftrightarrow 2x \neq \frac{5\pi}{6} + k\pi \Leftrightarrow x \neq \frac{5\pi}{12} + \frac{k\pi}{2} \; (k \in \mathbb{Z})

Vậy tập xác định là D=R∖{5π12+kπ2,k∈Z}D = \mathbb{R} \setminus \left\{\frac{5\pi}{12} + \frac{k\pi}{2}, k \in \mathbb{Z}\right\}.

c) Biểu thức trong căn là phân thức:

1+cos⁡x1−cos⁡x⩾0vaˋ1−cos⁡x≠0\frac{1 + \cos x}{1 - \cos x} \ge 0 \quad \text{và} \quad 1 - \cos x \neq 0

Vì −1⩽cos⁡x⩽1-1 \le \cos x \le 1 với mọi x∈Rx \in \mathbb{R} nên:

  • Tử số 1+cos⁡x⩾01 + \cos x \ge 0 luôn đúng.
  • Mẫu số 1−cos⁡x⩾01 - \cos x \ge 0 luôn đúng. Do đó phân số luôn không âm. Biểu thức xác định khi mẫu thức khác 00:1−cos⁡x≠0⇔cos⁡x≠1⇔x≠k2π  (k∈Z)1 - \cos x \neq 0 \Leftrightarrow \cos x \neq 1 \Leftrightarrow x \neq k2\pi \; (k \in \mathbb{Z})Vậy tập xác định là D=R∖{k2π,k∈Z}D = \mathbb{R} \setminus \{k2\pi, k \in \mathbb{Z}\}.

Dạng 2: Xét tính chẵn, tính lẻ của hàm số

Ghi nhớ

Quy trình 2 bước chuẩn:

  • Bước 1 (Kiểm tra tập đối xứng): Tìm tập xác định DD. Kiểm tra xem với mọi x∈Dx \in D thì −x∈D-x \in D hay không. Nếu không, kết luận ngay hàm số không chẵn cũng không lẻ.
  • Bước 2 (Kiểm tra quan hệ giá trị): Tính f(−x)f(-x):
    • Nếu f(−x)=f(x)f(-x) = f(x) ∀x∈D⇒f(x)\forall x \in D \Rightarrow f(x) là hàm số chẵn.
    • Nếu f(−x)=−f(x)f(-x) = -f(x) ∀x∈D⇒f(x)\forall x \in D \Rightarrow f(x) là hàm số lẻ.
    • Nếu tồn tại x0x_0 sao cho f(−x0)≠±f(x0)⇒f(-x_0) \neq \pm f(x_0) \Rightarrow hàm số không chẵn không lẻ.

Ví dụ 2:

Xét tính chẵn lẻ của các hàm số sau: a) f(x)=x3sin⁡2xf(x) = x^3 \sin 2x
b) g(x)=tan⁡x+sin⁡xcos⁡2xg(x) = \frac{\tan x + \sin x}{\cos 2x}
c) h(x)=sin⁡x+cos⁡xh(x) = \sin x + \cos x

Lời giải chi tiết:

a) Tập xác định: D=RD = \mathbb{R} (là tập đối xứng).
Với mọi x∈Rx \in \mathbb{R}:

f(−x)=(−x)3⋅sin⁡(2(−x))=(−x3)⋅(−sin⁡2x)=x3sin⁡2x=f(x)f(-x) = (-x)^3 \cdot \sin(2(-x)) = (-x^3) \cdot (-\sin 2x) = x^3 \sin 2x = f(x)

Vậy f(x)f(x) là hàm số chẵn.

b) Điều kiện xác định: cos⁡x≠0\cos x \neq 0 và cos⁡2x≠0⇒D=R∖{π2+kπ,π4+kπ2}\cos 2x \neq 0 \Rightarrow D = \mathbb{R} \setminus \left\{\frac{\pi}{2} + k\pi, \frac{\pi}{4} + \frac{k\pi}{2}\right\} (đối xứng qua gốc OO).
Ta có:

g(−x)=tan⁡(−x)+sin⁡(−x)cos⁡(−2x)=−tan⁡x−sin⁡xcos⁡2x=−tan⁡x+sin⁡xcos⁡2x=−g(x)g(-x) = \frac{\tan(-x) + \sin(-x)}{\cos(-2x)} = \frac{-\tan x - \sin x}{\cos 2x} = -\frac{\tan x + \sin x}{\cos 2x} = -g(x)

Vậy g(x)g(x) là hàm số lẻ.

c) D=RD = \mathbb{R} (đối xứng).
Ta có: h(−x)=sin⁡(−x)+cos⁡(−x)=−sin⁡x+cos⁡xh(-x) = \sin(-x) + \cos(-x) = -\sin x + \cos x.
Nhận xét:

  • Với x=π4x = \frac{\pi}{4}: h(π4)=22+22=2.h\left(\frac{\pi}{4}\right) = \frac{\sqrt{2}}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2} = \sqrt{2}.
  • h(−π4)=−22+22=0.h\left(-\frac{\pi}{4}\right) = -\frac{\sqrt{2}}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2} = 0.
    Vì 0≠20 \neq \sqrt{2} và 0≠−20 \neq -\sqrt{2} nên h(−x)≠h(x)h(-x) \neq h(x) và h(−x)≠−h(x)h(-x) \neq -h(x).
    Vậy h(x)h(x) là hàm số không chẵn, không lẻ.

Dạng 3: Tìm giá trị lớn nhất (GTLN) và giá trị nhỏ nhất (GTNN)

Ghi nhớ

Các phương pháp phổ biến:

  1. Đánh giá trực tiếp: Dựa vào bất đẳng thức nền tảng:−1⩽sin⁡u⩽1,−1⩽cos⁡u⩽1,0⩽sin⁡2u⩽1,0⩽∣cos⁡u∣⩽1-1 \le \sin u \le 1, \quad -1 \le \cos u \le 1, \quad 0 \le \sin^2 u \le 1, \quad 0 \le |\cos u| \le 1
  2. Đưa về bình phương hoàn chỉnh / Đặt ẩn phụ: Biến đổi y=asin⁡2x+bsin⁡x+cy = a\sin^2 x + b\sin x + c, đặt t=sin⁡xt = \sin x với t∈[−1;1]t \in [-1; 1], sau đó khảo sát tam thức bậc hai g(t)=at2+bt+cg(t) = at^2 + bt + c trên [−1;1][-1; 1].
  3. Phương pháp điều kiện có nghiệm của dạng asin⁡x+bcos⁡x=ca\sin x + b\cos x = c:
    Tồn tại nghiệm ⇔c2⩽a2+b2⇔−a2+b2⩽asin⁡x+bcos⁡x⩽a2+b2\Leftrightarrow c^2 \le a^2 + b^2 \Leftrightarrow -\sqrt{a^2+b^2} \le a\sin x + b\cos x \le \sqrt{a^2+b^2}.

Ví dụ 3:

Tìm giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của: a) y=3cos⁡(2x−π4)−5y = 3\cos\left(2x - \frac{\pi}{4}\right) - 5
b) y=2sin⁡2x−cos⁡2x+1y = 2\sin^2 x - \cos 2x + 1
c) y=sin⁡x+3cos⁡x+2y = \sin x + \sqrt{3}\cos x + 2

Lời giải chi tiết:

a) Với mọi x∈Rx \in \mathbb{R}, ta có:

−1⩽cos⁡(2x−π4)⩽1⇔−3⩽3cos⁡(2x−π4)⩽3-1 \le \cos\left(2x - \frac{\pi}{4}\right) \le 1 \Leftrightarrow -3 \le 3\cos\left(2x - \frac{\pi}{4}\right) \le 3

Cộng cả ba vế với −5-5:

−8⩽y⩽−2-8 \le y \le -2
  • ymax⁡=−2y_{\max} = -2, đạt được khi cos⁡(2x−π4)=1⇔2x−π4=k2π⇔x=π8+kπ.\cos\left(2x - \frac{\pi}{4}\right) = 1 \Leftrightarrow 2x - \frac{\pi}{4} = k2\pi \Leftrightarrow x = \frac{\pi}{8} + k\pi.
  • ymin⁡=−8y_{\min} = -8, đạt được khi cos⁡(2x−π4)=−1⇔x=5π8+kπ.\cos\left(2x - \frac{\pi}{4}\right) = -1 \Leftrightarrow x = \frac{5\pi}{8} + k\pi.

b) Áp dụng công thức nhân đôi cos⁡2x=1−2sin⁡2x\cos 2x = 1 - 2\sin^2 x:

y=2sin⁡2x−(1−2sin⁡2x)+1=4sin⁡2xy = 2\sin^2 x - (1 - 2\sin^2 x) + 1 = 4\sin^2 x

Vì 0⩽sin⁡2x⩽1⇒0⩽4sin⁡2x⩽40 \le \sin^2 x \le 1 \Rightarrow 0 \le 4\sin^2 x \le 4.

  • ymax⁡=4y_{\max} = 4 khi sin⁡2x=1⇔cos⁡x=0⇔x=π2+kπ.\sin^2 x = 1 \Leftrightarrow \cos x = 0 \Leftrightarrow x = \frac{\pi}{2} + k\pi.
  • ymin⁡=0y_{\min} = 0 khi sin⁡x=0⇔x=kπ\sin x = 0 \Leftrightarrow x = k\pi.

c) Biến đổi biểu thức dạng asin⁡x+bcos⁡xa\sin x + b\cos x:

y=2(12sin⁡x+32cos⁡x)+2=2sin⁡(x+π3)+2y = 2\left(\frac{1}{2}\sin x + \frac{\sqrt{3}}{2}\cos x\right) + 2 = 2\sin\left(x + \frac{\pi}{3}\right) + 2

Vì −1⩽sin⁡(x+π3)⩽1-1 \le \sin\left(x + \frac{\pi}{3}\right) \le 1 nên:

−2+2⩽y⩽2+2⇔0⩽y⩽4-2 + 2 \le y \le 2 + 2 \Leftrightarrow 0 \le y \le 4

Vậy ymax⁡=4y_{\max} = 4 và ymin⁡=0y_{\min} = 0.


Dạng 4: Ứng dụng thực tế của Hàm số lượng giác

Trong thực tế, nhiều đại lượng biến thiên có tính chu kỳ được biểu diễn bởi hàm dạng sin:

y=Asin⁡(ωt+φ)+Bhoặcy=Acos⁡(ωt+φ)+By = A\sin(\omega t + \varphi) + B \quad \text{hoặc} \quad y = A\cos(\omega t + \varphi) + B

Trong đó:

  • ∣A∣|A| là biên độ dao động (bằng một nửa khoảng cách giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất: ∣A∣=ymax⁡−ymin⁡2|A| = \frac{y_{\max} - y_{\min}}{2}).
  • BB là đường cơ sở (mức cân bằng): B=ymax⁡+ymin⁡2B = \frac{y_{\max} + y_{\min}}{2}.
  • T=2πωT = \frac{2\pi}{\omega} là chu kỳ hoàn thành một vòng lặp.
  • ω=2πT\omega = \frac{2\pi}{T} là tần số góc.
  • φ\varphi là pha ban đầu.

Bài toán thực tế 1: Mực nước thủy triều tại Cảng Hải Phòng

Độ sâu h(t)h(t) (tính bằng mét) của mực nước tại luồng vào cảng tàu sau tt giờ tính từ lúc 0h0\text{h} sáng được cho bởi công thức:

h(t)=3cos⁡(πt6)+9h(t) = 3\cos\left(\frac{\pi t}{6}\right) + 9

a) Xác định mực nước cao nhất và thấp nhất trong ngày.
b) Một tàu hàng trọng tải lớn có thể vào cảng an toàn khi độ sâu nước đạt tối thiểu 10.5 m10.5\text{ m}. Hỏi trong khoảng thời gian từ 0h0\text{h} đến 12h12\text{h}, tàu có thể vào cảng trong những khoảng thời gian nào?

Lời giải chi tiết:

a) Vì −1⩽cos⁡(πt6)⩽1-1 \le \cos\left(\frac{\pi t}{6}\right) \le 1 nên:

−3+9⩽h(t)⩽3+9⇔6 m⩽h(t)⩽12 m-3 + 9 \le h(t) \le 3 + 9 \Leftrightarrow 6\text{ m} \le h(t) \le 12\text{ m}
  • Mực nước cao nhất là 12 m12\text{ m} (khi cos⁡=1⇔πt6=0⇔t=0h\cos = 1 \Leftrightarrow \frac{\pi t}{6} = 0 \Leftrightarrow t = 0\text{h}).
  • Mực nước thấp nhất là 6 m6\text{ m} (khi cos⁡=−1⇔πt6=π⇔t=6h\cos = -1 \Leftrightarrow \frac{\pi t}{6} = \pi \Leftrightarrow t = 6\text{h}).

b) Tàu vào an toàn khi h(t)⩾10.5h(t) \ge 10.5:

3cos⁡(πt6)+9⩾10.5⇔3cos⁡(πt6)⩾1.5⇔cos⁡(πt6)⩾123\cos\left(\frac{\pi t}{6}\right) + 9 \ge 10.5 \Leftrightarrow 3\cos\left(\frac{\pi t}{6}\right) \ge 1.5 \Leftrightarrow \cos\left(\frac{\pi t}{6}\right) \ge \frac{1}{2}

Trong nửa chu kỳ đầu t∈[0;12]t \in [0; 12], góc α=πt6∈[0;2π]\alpha = \frac{\pi t}{6} \in [0; 2\pi]: Ta có cos⁡α⩾12\cos \alpha \ge \frac{1}{2} khi α∈[0;π3]\alpha \in \left[0; \frac{\pi}{3}\right] hoặc α∈[5π3;2π]\alpha \in \left[\frac{5\pi}{3}; 2\pi\right].

  • Trường hợp 1: 0⩽πt6⩽π3⇔0⩽t⩽20 \le \frac{\pi t}{6} \le \frac{\pi}{3} \Leftrightarrow 0 \le t \le 2 (tức là từ 0h0\text{h} sáng đến 2h2\text{h} sáng).
  • Trường hợp 2: 5π3⩽πt6⩽2π⇔10⩽t⩽12\frac{5\pi}{3} \le \frac{\pi t}{6} \le 2\pi \Leftrightarrow 10 \le t \le 12 (tức là từ 10h10\text{h} sáng đến 12h12\text{h} trưa).

Vậy tàu hàng có thể vào cảng an toàn vào hai khung giờ: 0h−2h0\text{h} - 2\text{h} và 10h−12h10\text{h} - 12\text{h}.


V. Trắc nghiệm Tự chấm Ôn luyện Kiến thức (10 câu)


VI. Bài tập Tự luyện & Thử thách Thực tế

Bài tập Tự luyện

  1. Tìm tập xác định của các hàm số sau: a) y=2cos⁡x−1sin⁡2x−1y = \frac{2\cos x - 1}{\sin^2 x - 1}
    b) y=cot⁡(3x+π6)y = \cot\left(3x + \frac{\pi}{6}\right)
    c) y=cos⁡2x+1y = \sqrt{\cos 2x + 1}

  2. Xét tính chẵn, lẻ của các hàm số sau: a) y=x2cos⁡3xy = x^2 \cos 3x
    b) y=sin⁡2x∣x∣−1y = \frac{\sin 2x}{|x| - 1}
    c) y=tan⁡x+cot⁡xy = \tan x + \cot x

  3. Tìm giá trị lớn nhất, giá trị nhỏ nhất của các hàm số sau: a) y=3−2sin⁡2(x−π6)y = 3 - 2\sin^2\left(x - \frac{\pi}{6}\right)
    b) y=cos⁡2x+2cos⁡x−3y = \cos^2 x + 2\cos x - 3 trên R\mathbb{R}
    c) y=3sin⁡x−4cos⁡x+5y = 3\sin x - 4\cos x + 5


Thử thách Thực tế: Vòng quay Mặt trời Sun Wheel

Vòng quay Mặt trời tại Đà Nẵng có đường kính khổng lồ 115 m115\text{ m} và quay đều với chu kỳ T=15 phuˊtT = 15\text{ phút} (tức 1 vòng mất 15 phút). Cabin đón khách ở vị trí thấp nhất cách mặt đất 5 m5\text{ m}.

Nhiệm vụ:
1. Giả sử cabin đón khách lúc thời điểm t=0t = 0 (phút). Hãy thiết lập công thức hàm số h(t)h(t) biểu thị độ cao của cabin so với mặt đất theo thời gian tt.
2. Sau khi quay được 3.75 phuˊt3.75\text{ phút}, cabin đang ở độ cao bao nhiêu mét so với mặt đất?
3. Trong một chu kỳ quay 15 phút, khoảng thời gian mà cabin ở độ cao trên 90 m90\text{ m} so với mặt đất là bao lâu?
Mẹo hay

Hướng dẫn giải:

  1. Bán kính vòng quay là R=1152=57.5 mR = \frac{115}{2} = 57.5\text{ m}. Tâm của vòng quay cách mặt đất: H0=5+57.5=62.5 mH_0 = 5 + 57.5 = 62.5\text{ m}.
    Tần số góc ω=2πT=2π15 (rad/phuˊt)\omega = \frac{2\pi}{T} = \frac{2\pi}{15}\text{ (rad/phút)}.
    Tại t=0t = 0, cabin ở đáy thấp nhất h(0)=5 mh(0) = 5\text{ m}, nên hàm số có dạng:h(t)=−57.5cos⁡(2π15t)+62.5(đơn vị: meˊt)h(t) = -57.5\cos\left(\frac{2\pi}{15}t\right) + 62.5 \quad (\text{đơn vị: mét})
  2. Tại t=3.75 phuˊt=154 phuˊtt = 3.75\text{ phút} = \frac{15}{4}\text{ phút}, góc quay là 2π15⋅154=π2\frac{2\pi}{15} \cdot \frac{15}{4} = \frac{\pi}{2}.
    cos⁡(π2)=0⇒h(3.75)=62.5 m\cos\left(\frac{\pi}{2}\right) = 0 \Rightarrow h(3.75) = 62.5\text{ m} (ngang độ cao tâm trục quay).
  3. Độ cao h(t)>90 mh(t) > 90\text{ m}:−57.5cos⁡(2π15t)+62.5>90⇔−57.5cos⁡(2π15t)>27.5⇔cos⁡(2π15t)<−27.557.5≈−0.478-57.5\cos\left(\frac{2\pi}{15}t\right) + 62.5 > 90 \Leftrightarrow -57.5\cos\left(\frac{2\pi}{15}t\right) > 27.5 \Leftrightarrow \cos\left(\frac{2\pi}{15}t\right) < -\frac{27.5}{57.5} \approx -0.478Ta có arccos⁡(−0.478)≈2.069 rad\arccos(-0.478) \approx 2.069\text{ rad}.
    Do tính đối xứng, góc quay thỏa mãn nằm trong khoảng (2.069;2π−2.069)=(2.069;4.214)(2.069; 2\pi - 2.069) = (2.069; 4.214).
    Thời gian tương ứng: Δt=Δαω=2(π−2.069)2π15≈5.12 phuˊt\Delta t = \frac{\Delta \alpha}{\omega} = \frac{2(\pi - 2.069)}{\frac{2\pi}{15}} \approx 5.12\text{ phút} (khoảng 5 phút 7 giây du khách được ngắm toàn cảnh thành phố trên độ cao 90m!).
NHỚ LẠI · ĐỐI CHIẾU · ÔN TẬP

Tự kiểm tra kiến thức

Các thẻ lấy từ nội dung bài học. Với câu điền khuyết, bấm vào dấu “…” để chọn cụm từ phù hợp; với thẻ nhớ lại, em tự đối chiếu và đánh giá.

✦ Mẹo học tập

Học từng chút một, nghỉ ngơi đều đặn.