利用导数解三角函数问题

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  导数是研究函数性质的一种强有力工具,利用导数可解决函数单调性、极值、最值等问题,三角函数是函数的一个特例,是函数概念的下位概念,解三角函数问题时,一般思路是通过恒等变形,利用三角函数的性质求解.但是若能注意题目的特点,利用导数处理相关问题,不仅可以突破难点,开拓思路,提高解题效率,而且简单易懂,便于掌握.
  一、求三角函数的单调区间
  例1 函数y=sin(-3x+π4),x∈R在什么区间上是增函数.
  解:
  y′=cos(-3x+π4)(-3x+π4)′=-
  3cos(-3x+π4),有y′≥0,得
  cos(-3x+π4)≤0,即
  cos(3x-π4)≤0,所以
  2kπ+π2≤3x-π4
  ≤2kπ+3π2,
  2kπ3+
  π4≤x≤2kπ3
  +7π12,k∈Z.因此函数
  y=sin(-3x+π4)在区间
  [2kπ3+π4,
  2kπ3+7π12],
  k∈
  Z上是增函数.
  点评:这是人教A版71页的一道习题,特别容易出错,原因在于忽视了函数
  y=sin(-3x+π4)是复合函数.利用导数解决,题目显得很常规,过程也很简洁.
  二、求三角函数的最值
  例2 若函数f (x)=3sin2x+2cos2x+m在区间
  [0,π2]上的最大值为6,求常数m的值及此函数当
  x∈R时的最小值,并求相应的x取值集合.
  解:f ′(x)=23cos2x-4cosxsinx.即
  f ′(x)=23cos2x-2sin2x.令
  f ′(x)=0,得tan2x=3.即
  x=π6,由于
  f (0)=2+m,
  f (π2)=m,
  f (π6)=3+m.所以
  3+m=6,m=3.当
  x∈R时,令
  f ′(x)=0,得tan2x=3.即
  x=π6+kπ,k∈Z 或
  x=2π3+kπ,k∈Z.所以函数的最小值为
  f (2π3+kπ)=2,此时x取值集合为
  {x|x=2π3+kπ,k∈Z}
  .
  点评:这是人教A版147页的一道习题,常见的解法是化成正弦型函数,利用单调性、有界性求最值.利用导数,不但可以求化简成一个角的一个三角函数的最值,还可以求其它类型三角函数的最值.
  三、求三角函数的奇偶性
  例3 (2013年山东数学(理))将函数
  y=sin(2x+φ)的图象沿x轴向左平移
  π8个单位后,得到一个偶函数的图象,则φ的一个可能取值为( )
  (A) 3π4 (B) π4 (C) 0 (D)
  -π4
  解:函数y=sin(2x+φ)的图象沿x轴向左平移
  π8个单位,得到
  y=sin[2(x+π8)+φ],即
  y=sin(2x+π4+φ)是偶函数.所以
  y′=2cos(2x+π4+φ)为奇函数,
  y′|x=0=0,所以
  cos(π4+φ)=0,
  π4+φ=kπ+π2,
  k∈Z.所以
  φ=kπ+π4,k∈Z.当
  k=0时,φ=π4.
  点评:正(余)型函数x∈R
  在对称轴x=a处若取得最值,则也取得极值,于是有
  y′|=0x=0.特别地,偶函数有y′|=0x=0.可导偶函数的导函数是奇函数,可导奇函数的导函数是偶函数.
  四、求三角函数的周期性
  例4 函数f (x)=sin4x+cos2x的最小正周期为( )
  (A) π4 (B) π2 (C)
  π (D) 2π
  解:
  f ′(x)=4sin3xcosx-2cosxsinx.令
  f ′(x)=0,得
  sinx=0或
  cosx=0或
  sin2x=12.当
  sinx=0或cosx=0时,
  f (x)=1,当
  sin2x=12时,
  f (x)=34.因此函数f (x)的最大值为1,由
  sinx=0,解得
  x=kπ,
  k∈Z.由
  cosx=0,解得
  x=kπ+π2,
  k∈Z.根据两个相邻最高点之间的长度恰好是一个最小正周期,故函数f (x)的最小正周期为π2.
  点评:可导的周期函数,其导函数仍是周期函数,且原函数的周期是导函数的一个周期. 正(余)型函数两个相邻最高点
  之间的长度恰好是一个最小正周期.
  五、求三角函数的对称性
  例5 若函数f (x)=sinx+acosx的图象关于直线
  x=π6对称,则a=.
  解:
  f ′(x)=cosx-asinx.因为函数
  f (x)的图象关于直线
  x=π6对称,所以
  f ′(π6)=0,即
  cosπ6-a
  sinπ6=0,从而
  a=3.
  点评:正(余)弦型函数既是中心对称图形也是轴对称图形,所有过最高点或最低点垂直于x轴的直线都是对称轴,利用导数研究,对称轴处取得极值,其导数值为0.
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