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      三角函數(shù)問(wèn)題中的數(shù)學(xué)思想

      2016-12-19 03:06:21劉彧彤
      亞太教育 2016年33期
      關(guān)鍵詞:幾何三角函數(shù)周期性

      劉彧彤

      摘 要:三角函數(shù)在中學(xué)課本中內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立,是研究幾何現(xiàn)象和周期性現(xiàn)象的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)工具,同時(shí)三角函數(shù)又是6類基本的初等函數(shù)之一。三角函數(shù)因此同時(shí)具有了幾何和代數(shù)的背景,其研究方法也具備同樣的特性,三角恒等式揭示了各三角函數(shù)間的內(nèi)在聯(lián)系,同時(shí)又是掌握三角函數(shù)的關(guān)鍵和難點(diǎn)所在。

      關(guān)鍵詞:三角函數(shù);幾何;周期性;初等函數(shù);三角變換

      中圖分類號(hào):g623文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):2095-9214(2016)11-0077-01

      三角函數(shù)是對(duì)角的度量,研究三角函數(shù)可以從三角函數(shù)的定義直接出發(fā),但是如果洞悉了三角函數(shù)背后的幾何,代數(shù),函數(shù),或者不等式等背景,三角函數(shù)又蘊(yùn)含著普遍的嚴(yán)格的數(shù)學(xué)美感。以下從幾個(gè)方面來(lái)觀察三角函數(shù)問(wèn)題。

      一、三角函數(shù)的周期性性質(zhì)

      單位圓直觀的表達(dá)了基本三角函數(shù)的周期特性,周期性是對(duì)函數(shù)變化過(guò)程的歸納法描述,有助于在研究函數(shù)性質(zhì)時(shí)見(jiàn)微知著,對(duì)函數(shù)做出精確的量化推導(dǎo)。

      如,用sinx推導(dǎo)以下函數(shù)的周期性:

      sinωx;sinx;sin2x

      解決這類周期性問(wèn)題的方法,一是利用基本性質(zhì),二是作圖。

      由于ωx∽x,于是sinωx的周期是sinx的坐標(biāo)軸變換;而sinx是對(duì)sinx的值域變換,不影響其周期,影響的是值域;對(duì)于sin2x,我們可以預(yù)見(jiàn)到2π必定是其周期,問(wèn)題的關(guān)鍵是其是否有更短的周期;通過(guò)對(duì)特殊值點(diǎn)(0,π/2,π,3π/2,2π)作圖,易知,2次方函數(shù)周期是π,3次方函數(shù)周期是2π,對(duì)于n次方函數(shù),只需運(yùn)用函數(shù)性質(zhì)進(jìn)行降冪即可判斷。

      二、三角函數(shù)的幾何背景

      我們從直角三角形中這種特殊情形出發(fā),可以得到三角函數(shù)的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系,由此推導(dǎo)到在一般三角形中,這些關(guān)系仍然適用,從作圖的觀點(diǎn)看,三角函數(shù)聯(lián)系了迪卡爾坐標(biāo),單位圓,三角形等幾何形狀,幾何性質(zhì)是研究三角函數(shù)的基本出發(fā)點(diǎn)。

      如,證明arcsinx+arcosx=π/2

      可以想見(jiàn),命題人想表達(dá)的是兩個(gè)角度之間的幾何意義,于是在單位圓內(nèi),可以通過(guò)作圖來(lái)描述這兩個(gè)角度,通過(guò)平面幾何或者解析幾何的方法來(lái)解決。

      在直角三角形中,這個(gè)關(guān)系明確表達(dá)了初直角外另外兩銳角的關(guān)系;于是α+β=π2。

      三、三角函數(shù)的代數(shù)背景

      正弦定理以及余弦定理揭示了三角形中邊與角的量化關(guān)系,將三角形的角度函數(shù)表達(dá)成三邊的數(shù)量,可以將三角函數(shù)完全轉(zhuǎn)化為代數(shù)問(wèn)題,在代數(shù)的領(lǐng)域解決證明與計(jì)算。

      如,在ΔABC中,若9a2+9b2=19c2,試求cotCcotA+cotB;

      在著手解決這個(gè)問(wèn)題之前,我們觀察到題設(shè)僅僅給出了邊的數(shù)量關(guān)系,而要尋求的關(guān)系是三角函數(shù),兩者之間的聯(lián)系是正弦定理和余弦定理,轉(zhuǎn)化的方向就是表達(dá)成關(guān)于角的正余弦比例關(guān)系;于是有:

      cotCcotA+cotB=cosCsinCcosAsinA+cosBsinB=sinAsinBsin2CcosC

      =abc2a2+b2-c22ab

      上式隱含的是三邊的比例關(guān)系,帶入題設(shè)條件可求得5/9。

      四、三角函數(shù)的函數(shù)背景

      三角函數(shù)中的萬(wàn)能函數(shù),以及正余弦等函數(shù)之間的轉(zhuǎn)化,可以將因變量的數(shù)量減少,通過(guò)代換,三角函數(shù)也可以是純粹的條件限制下的函數(shù)問(wèn)題,適用函數(shù)的各種分析方法。

      如,f(x)=sin4x-sinxcosx+cos4x的值域

      觀察這個(gè)問(wèn)題后,首先要把冪降下來(lái),然后尋求將三角函數(shù)轉(zhuǎn)化為單個(gè)變量:f(x)=1-12sin2x-12sin22x

      從上式的形式來(lái)看,關(guān)鍵問(wèn)題已經(jīng)解決了,只要把sin2x當(dāng)作自變量,該函數(shù)可以在一元二次函數(shù)的范疇解決。

      五、三角函數(shù)的不等式背景

      基本的三角函數(shù)大部分屬于有界函數(shù),其取值在某閉合區(qū)間內(nèi),通過(guò)放縮等不等式技巧,可以對(duì)三角函數(shù)進(jìn)行值域估計(jì),不等式證明等。

      如,證明:

      六、三角函數(shù)綜合問(wèn)題

      找出所有滿足14≤sinπn≤13的正整數(shù)解;此題的背景是sinx在某≤π2區(qū)間內(nèi)的單調(diào)性;引入函數(shù)sinx,則x∈(0,π6)時(shí),函數(shù)通過(guò)放縮,有如下關(guān)系:3πx

      于是我們觀察左右界有:sinπ13<π13<14;sinπ9>3ππ9>13;

      于是我們知道,10,11,12是滿足不等式關(guān)系的正整數(shù)。

      (作者單位:郫縣一中)

      參考文獻(xiàn):

      [1]鈕兆嶺.讓概念教學(xué)變得更自然些——“三角函數(shù)的周期性”案例分析[J].中國(guó)數(shù)學(xué)教育,2011(10):13-15.

      [2]程新展.數(shù)學(xué)概念教學(xué)的十種常用策略[J].中國(guó)數(shù)學(xué)教育,2010(8):13-14.

      [3]單墫.評(píng)2012年全國(guó)高中數(shù)學(xué)聯(lián)賽試題[J].中等數(shù)學(xué),2012(12):12-13.

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