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.
Bây giờ, hãy tưởng tượng biến số x không còn đứng yên mà liên tục thay đổi theo thời gian t:
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=sinx
• TXĐ:D=R,TGT:[−1;1]. • Tính chất: Hàm số lẻ, chu kỳ tuần hoàn T=2π. • Đồ thị: Đường hình sin lượn sóng, đối xứng qua gốc tọa độ O. • Đồng biến trên (−2π+k2π;2π+k2π).
2. Hàm số y=cosx
• TXĐ:D=R,TGT:[−1;1]. • Tính chất: Hàm số chẵn, chu kỳ tuần hoàn T=2π. • Đồ thị: Hình sin tịnh tiến sang trái 2π, đối xứng qua trục tung Oy. • Đồng biến trên (−π+k2π;k2π).
3. Hàm số y=tanx
• TXĐ:D=R∖{2π+kπ},TGT:R. • Tính chất: Hàm số lẻ, chu kỳ cơ sở T=π. • Biến thiên: Luôn đồng biến trên từng khoảng xác định. • Tiệm cận: Các đường thẳng đứng x=2π+kπ.
4. Hàm số y=cotx
• TXĐ:D=R∖{kπ},TGT:R. • Tính chất: Hàm số lẻ, chu kỳ cơ sở T=π. • Biến thiên: Luôn nghịch biến trên từng khoảng xác định. • Tiệm cận: Các đường thẳng đứng x=kπ.
Tập giá trị: Giá trị của sinx có thể vượt quá 1 hoặc nhỏ hơn −1 được không?
Tính đối xứng: Giữa hai hàm y=sinx và y=cosx, hàm số nào có đồ thị đối xứng qua trục tung Oy?
Chu kỳ: Nếu góc quay tăng thêm đúng một vòng tròn 360∘ (2π rad), giá trị của sin(x+2π) và cos(x+2π) có thay đổi không?
Điểm gián đoạn: Biểu thức tanx=cosxsinx sẽ không xác định tại các góc nào mà tại đó cosx=0?
Đồ thị: Đồ thị hàm số y=sinx đi qua gốc tọa độ O(0;0) hay điểm (0;1)?
Mẹo hay
Giải đáp khởi động:
Không bao giờ! Tập giá trị của sinx và cosx luôn luôn bị giới hạn trong đoạn kín [−1;1].
Hàm số y=cosx là hàm chẵn (cos(−x)=cosx), nên đồ thị của nó đối xứng qua trục tung Oy.
Không thay đổi! Điểm biểu diễn trên đường tròn đơn vị quay về đúng vị trí ban đầu: sin(x+2π)=sinx và cos(x+2π)=cosx.
Tại các góc x=2π+kπ (k∈Z), tức là 90∘,270∘,−90∘,….
Đi qua gốc tọa độ O(0;0) vì sin0=0. Còn đồ thị hàm y=cosx mới đi qua điểm (0;1) vì cos0=1.
I. Hàm số tuần hoàn và Chu kỳ
1. Định nghĩa hàm số tuần hoàn
Một hàm số y=f(x) xác định trên tập hợp D được gọi là hàm số tuần hoàn nếu tồn tại một số thực T=0 sao cho với mọi x∈D, ta có:
x−T∈D và x+T∈D.
f(x+T)=f(x).
Số dương T 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=sinx và y=cosx tuần hoàn với chu kỳ T=2π:sin(x+2π)=sinx,cos(x+2π)=cosx
Hai hàm số y=tanx và y=cotx tuần hoàn với chu kỳ T=π:tan(x+π)=tanx,cot(x+π)=cotx
Quan trọng
Công thức mở rộng tính chu kỳ nhanh cho bài tập trắc nghiệm:
Cho ω>0:
Hàm số y=sin(ωx+φ) và y=cos(ωx+φ) có chu kỳ:T=ω2π
Hàm số y=tan(ωx+φ) và y=cot(ωx+φ) có chu kỳ:T=ωπ
Nếu hàm số y=f(x) là tổng hoặc hiệu của hai hàm tuần hoàn có chu kỳ T1=ba và T2=dc (dạng phân số tối giản), thì chu kỳ chung T là bội chung nhỏ nhất của T1 và T2:T=BCNN(T1,T2)
II. Khảo sát chi tiết 4 hàm số lượng giác
1. Hàm số y=sinx
Tập xác định:D=R.
Tập giá trị:TGT=[−1;1], nghĩa là −1⩽sinx⩽1 với mọi x∈R.
Tính chẵn lẻ: Vì với mọi x∈R, ta có −x∈R và sin(−x)=−sinx nên y=sinx là hàm số lẻ. Do đó, đồ thị của nó nhận gốc tọa độ O(0;0) làm tâm đối xứng.
Tính tuần hoàn: Tuần hoàn với chu kỳ cơ sở T=2π. Vì vậy, để vẽ toàn bộ đồ thị hàm số y=sinx trên R, ta chỉ cần vẽ đồ thị trên một chu kỳ có độ dài 2π (chẳng hạn đoạn [−π;π] hoặc [0;2π]), sau đó tịnh tiến liên tiếp sang trái và sang phải các đoạn có độ dài 2π.
Bảng biến thiên trên đoạn [−π;π]:
x
−π
−2π
0
2π
π
y=sinx
0
↘
−1
↗
0
↗
1
↘
0
Khoảng đồng biến:(−2π+k2π;2π+k2π) với k∈Z.
Khoảng nghịch biến:(2π+k2π;23π+k2π) với k∈Z.
Các điểm đặc biệt:
sinx=0⇔x=kπ (k∈Z) (giao điểm với trục hoành).
sinx=1⇔x=2π+k2π (k∈Z) (điểm cực đại).
sinx=−1⇔x=−2π+k2π (k∈Z) (điểm cực tiểu).
Đồ thị hàm số y=sinx:
Hình 3.1: Đồ thị hàm số sóng sin y=sinx đối xứng qua gốc tọa độ O với biên độ [−1;1].
2. Hàm số y=cosx
Tập xác định:D=R.
Tập giá trị:TGT=[−1;1].
Tính chẵn lẻ: Với mọi x∈R, ta có −x∈R và cos(−x)=cosx nên y=cosx là hàm số chẵn. Do đó, đồ thị của nó nhận trục tung Oy làm trục đối xứng.
Tính tuần hoàn: Tuần hoàn với chu kỳ cơ sở T=2π.
Mối liên hệ hình học: Vì cosx=sin(x+2π), đồ thị hàm số y=cosx có được bằng cách tịnh tiến đồ thị hàm số y=sinx sang phía bên trái một đoạn bằng 2π dọc theo trục hoành Ox.
Bảng biến thiên trên đoạn [−π;π]:
x
−π
0
π
y=cosx
−1
↗
1
↘
−1
Khoảng đồng biến:(−π+k2π;k2π) với k∈Z.
Khoảng nghịch biến:(k2π;π+k2π) với k∈Z.
Các điểm đặc biệt:
cosx=0⇔x=2π+kπ (k∈Z).
cosx=1⇔x=k2π (k∈Z).
cosx=−1⇔x=π+k2π (k∈Z).
Đồ thị hàm số y=cosx:
Hình 3.2: Đồ thị hàm số y=cosx đối xứng qua trục tung Oy, đạt cực đại tại x=0,±2π.
3. Hàm số y=tanx
Tập xác định:D=R∖{2π+kπ,k∈Z}.
Tập giá trị:TGT=R (hàm số nhận mọi giá trị từ −∞ đến +∞).
Tính chẵn lẻ: Vì với mọi x∈D,−x∈D và tan(−x)=−tanx nên y=tanx là hàm số lẻ. Đồ thị đối xứng qua gốc tọa độ O(0;0).
Tính tuần hoàn: Tuần hoàn với chu kỳ cơ sở T=π:tan(x+π)=tanx.
Sự biến thiên: Hàm số y=tanxđồng biến trên mỗi khoảng(−2π+kπ;2π+kπ).
Tiệm cận: Các đường thẳng đứng x=2π+kπ 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=tanx:
Hình 3.3: Đồ thị hàm số tang y=tanx gồm các nhánh đồng biến bị giới hạn bởi các đường tiệm cận đứng màu đỏ.
4. Hàm số y=cotx
Tập xác định:D=R∖{kπ,k∈Z}.
Tập giá trị:TGT=R.
Tính chẵn lẻ: Là hàm số lẻ, đồ thị đối xứng qua gốc tọa độ O(0;0).
Tính tuần hoàn: Tuần hoàn với chu kỳ T=π:cot(x+π)=cotx.
Sự biến thiên: Hàm số y=cotxnghịch biến trên mỗi khoảng(kπ;(k+1)π) với k∈Z.
Tiệm cận: Các đường thẳng đứng x=kπ (k∈Z) là các đường tiệm cận đứng.
III. Bảng so sánh tổng hợp 4 hàm số lượng giác
Tiêu chí
y=sinx
y=cosx
y=tanx
y=cotx
Tập xác định (D)
R
R
R∖{2π+kπ}
R∖{kπ}
Tập giá trị
[−1;1]
[−1;1]
R
R
Tính chẵn / lẻ
Hàm lẻ
Hàm chẵn
Hàm lẻ
Hàm lẻ
Tâm / Trục đối xứng
Tâm O(0;0)
Trục Oy
Tâm O(0;0)
Tâm O(0;0)
Chu kỳ cơ sở (T)
2π
2π
π
π
Tính biến thiên
Từng khoảng đb/nb
Từng khoảng đb/nb
Luôn đồng biến
Luôn nghịch biến
Giao điểm trục tung
(0;0)
(0;1)
(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:
Hàm số chứa mẫu thức BA: Điều kiện B=0.
Hàm số chứa căn thức bậc chẵn A: Điều kiện A⩾0.
Hàm số chứa tan[u(x)]: Điều kiện u(x)=2π+kπ (k∈Z).
Hàm số chứa cot[u(x)]: Điều kiện u(x)=kπ (k∈Z).
Ví dụ 1:
Tìm tập xác định của các hàm số sau:
a) y=sinx−cosx1 b) y=tan(2x−3π) c) y=1−cosx1+cosx
Lời giải chi tiết:
a) Hàm số xác định khi và chỉ khi mẫu thức khác 0:
Mẫu số 1−cosx⩾0 luôn đúng.
Do đó phân số luôn không âm. Biểu thức xác định khi mẫu thức khác 0:1−cosx=0⇔cosx=1⇔x=k2π(k∈Z)Vậy tập xác định là D=R∖{k2π,k∈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 D. Kiểm tra xem với mọi x∈D thì −x∈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):
Nếu f(−x)=f(x)∀x∈D⇒f(x) là hàm số chẵn.
Nếu f(−x)=−f(x)∀x∈D⇒f(x) là hàm số lẻ.
Nếu tồn tại x0 sao cho f(−x0)=±f(x0)⇒ hàm số không chẵn không lẻ.
Ví dụ 2:
Xét tính chẵn lẻ của các hàm số sau:
a) f(x)=x3sin2x b) g(x)=cos2xtanx+sinx c) h(x)=sinx+cosx
Lời giải chi tiết:
a) Tập xác định: D=R (là tập đối xứng). Với mọi x∈R:
c)D=R (đối xứng). Ta có: h(−x)=sin(−x)+cos(−x)=−sinx+cosx. Nhận xét:
Với x=4π:h(4π)=22+22=2.
h(−4π)=−22+22=0. Vì 0=2 và 0=−2 nên h(−x)=h(x) và h(−x)=−h(x). Vậy 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:
Đánh giá trực tiếp: Dựa vào bất đẳng thức nền tảng:−1⩽sinu⩽1,−1⩽cosu⩽1,0⩽sin2u⩽1,0⩽∣cosu∣⩽1
Đưa về bình phương hoàn chỉnh / Đặt ẩn phụ: Biến đổi y=asin2x+bsinx+c, đặt t=sinx với t∈[−1;1], sau đó khảo sát tam thức bậc hai g(t)=at2+bt+c trên [−1;1].
Phương pháp điều kiện có nghiệm của dạng asinx+bcosx=c: Tồn tại nghiệm ⇔c2⩽a2+b2⇔−a2+b2⩽asinx+bcosx⩽a2+b2.
Ví dụ 3:
Tìm giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của:
a) y=3cos(2x−4π)−5 b) y=2sin2x−cos2x+1 c) y=sinx+3cosx+2
Lời giải chi tiết:
a) Với mọi x∈R, ta có:
−1⩽cos(2x−4π)⩽1⇔−3⩽3cos(2x−4π)⩽3
Cộng cả ba vế với −5:
−8⩽y⩽−2
ymax=−2, đạt được khi cos(2x−4π)=1⇔2x−4π=k2π⇔x=8π+kπ.
ymin=−8, đạt được khi cos(2x−4π)=−1⇔x=85π+kπ.
b) Áp dụng công thức nhân đôi cos2x=1−2sin2x:
y=2sin2x−(1−2sin2x)+1=4sin2x
Vì 0⩽sin2x⩽1⇒0⩽4sin2x⩽4.
ymax=4 khi sin2x=1⇔cosx=0⇔x=2π+kπ.
ymin=0 khi sinx=0⇔x=kπ.
c) Biến đổi biểu thức dạng asinx+bcosx:
y=2(21sinx+23cosx)+2=2sin(x+3π)+2
Vì −1⩽sin(x+3π)⩽1 nên:
−2+2⩽y⩽2+2⇔0⩽y⩽4
Vậy ymax=4 và ymin=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)+B
Trong đó:
∣A∣ là biên độ dao động (bằng một nửa khoảng cách giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất: ∣A∣=2ymax−ymin).
B là đường cơ sở (mức cân bằng): B=2ymax+ymin.
T=ω2π là chu kỳ hoàn thành một vòng lặp.
ω=T2π là tần số góc.
φ là pha ban đầu.
Bài toán thực tế 1: Mực nước thủy triều tại Cảng Hải Phòng
Độ sâu h(t) (tính bằng mét) của mực nước tại luồng vào cảng tàu sau t giờ tính từ lúc 0h sáng được cho bởi công thức:
h(t)=3cos(6πt)+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 m. Hỏi trong khoảng thời gian từ 0h đến 12h, tàu có thể vào cảng trong những khoảng thời gian nào?
Lời giải chi tiết:
a) Vì −1⩽cos(6πt)⩽1 nên:
−3+9⩽h(t)⩽3+9⇔6 m⩽h(t)⩽12 m
Mực nước cao nhất là 12 m (khi cos=1⇔6πt=0⇔t=0h).
Mực nước thấp nhất là 6 m (khi cos=−1⇔6πt=π⇔t=6h).
b) Tàu vào an toàn khi h(t)⩾10.5:
3cos(6πt)+9⩾10.5⇔3cos(6πt)⩾1.5⇔cos(6πt)⩾21
Trong nửa chu kỳ đầu t∈[0;12], góc α=6πt∈[0;2π]:
Ta có cosα⩾21 khi α∈[0;3π] hoặc α∈[35π;2π].
Trường hợp 1: 0⩽6πt⩽3π⇔0⩽t⩽2 (tức là từ 0h sáng đến 2h sáng).
Trường hợp 2: 35π⩽6πt⩽2π⇔10⩽t⩽12 (tức là từ 10h sáng đến 12h trưa).
Vậy tàu hàng có thể vào cảng an toàn vào hai khung giờ: 0h−2h và 10h−12h.
V. Trắc nghiệm Tự chấm Ôn luyện Kiến thức (10 câu)
VI. Bài tập Tự luyện & Thử thách Thực tế
Bài tập Tự luyện
Tìm tập xác định của các hàm số sau:
a) y=sin2x−12cosx−1 b) y=cot(3x+6π) c) y=cos2x+1
Xét tính chẵn, lẻ của các hàm số sau:
a) y=x2cos3x b) y=∣x∣−1sin2x c) y=tanx+cotx
Tìm giá trị lớn nhất, giá trị nhỏ nhất của các hàm số sau:
a) y=3−2sin2(x−6π) b) y=cos2x+2cosx−3 trên R c) y=3sinx−4cosx+5
Thử thách Thực tế: Vòng quay Mặt trời Sun Wheel
Vòng quay Mặt trời tại Đà Nẵng có đường kính khổng lồ 115 m và quay đều với chu kỳ T=15 phút (tức 1 vòng mất 15 phút). Cabin đón khách ở vị trí thấp nhất cách mặt đất 5 m.
Nhiệm vụ:
1. Giả sử cabin đón khách lúc thời điểm t=0 (phút). Hãy thiết lập công thức hàm số h(t) biểu thị độ cao của cabin so với mặt đất theo thời gian t.
2. Sau khi quay được 3.75 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 m so với mặt đất là bao lâu?
Mẹo hay
Hướng dẫn giải:
Bán kính vòng quay là R=2115=57.5 m. Tâm của vòng quay cách mặt đất: H0=5+57.5=62.5 m. Tần số góc ω=T2π=152π (rad/phút). Tại t=0, cabin ở đáy thấp nhất h(0)=5 m, nên hàm số có dạng:h(t)=−57.5cos(152πt)+62.5(đơn vị: mét)
Tại t=3.75 phút=415 phút, góc quay là 152π⋅415=2π. cos(2π)=0⇒h(3.75)=62.5 m (ngang độ cao tâm trục quay).
Độ cao h(t)>90 m:−57.5cos(152πt)+62.5>90⇔−57.5cos(152πt)>27.5⇔cos(152πt)<−57.527.5≈−0.478Ta có arccos(−0.478)≈2.069 rad. Do tính đối xứng, góc quay thỏa mãn nằm trong khoảng (2.069;2π−2.069)=(2.069;4.214). Thời gian tương ứng: Δt=ωΔα=152π2(π−2.069)≈5.12 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.