根据图象求正弦函数方程

掌握正弦与余弦曲线分析

欢迎来到本练习题集,旨在帮助您根据正弦函数的图象确定其方程。正弦函数的一般形式为:

\[ y = a \sin[ b ( x - d) ] + c \quad \text{或} \quad y = a \cos[ b ( x - d) ] + c \]

使用这些题目练习直接从图象中识别振幅(\(a\))周期(\(\frac{2\pi}{b}\))相移(\(d\))垂直平移(\(c\))

核心练习题

第 1 题 - 具有负相移的余弦函数

求下方图象中所示正弦函数的方程。

Sinusoidal graph with a max at x = -pi/5
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分步解答:

第一步:求垂直平移与振幅
y 轴上的分度是每个大格代表一个单位。最大值为 \( y_{\text{max}} = 1 \),最小值为 \( y_{\text{min}} = -7 \)。
垂直平移(\(c\)): \[ c = \dfrac{y_{\text{max}} + y_{\text{min}}}{2} = \dfrac{1 + (-7)}{2} = -3 \] 振幅(\(a\)): \[ |a| = \dfrac{y_{\text{max}} - y_{\text{min}}}{2} = \dfrac{1 - (-7)}{2} = 4 \] 因为我们将跟踪一个最大值点来确定平移,所以我们可以使用正余弦函数,即 \( a = 4 \)。

第二步:求周期与 \(b\)
x 轴上的分度是每个大格为 \( \pi \),每个小格为 \( \dfrac{\pi}{5} \)。
点 A 和点 B 是连续的最大值点。它们之间的水平距离即为周期 \( P = 5\pi \)。
\[ P = \dfrac{2\pi}{|b|} = 5\pi \implies |b| = \dfrac{2}{5} \]

第三步:求相移(\(d\))
我们使用余弦形式:\( y = 4 \cos\left[ \dfrac{2}{5}(x - d) \right] - 3 \)。
未平移的余弦函数在 \( x = 0 \) 处有最大值。我们的图象在 A 点处有一个最大值,它在 y 轴左侧一个小格:\( x = -\dfrac{\pi}{5} \)。因此,\( d = -\dfrac{\pi}{5} \)。

结论:
代入所有值,方程为: \[ y = 4 \cos\left[ \dfrac{2}{5}\left(x - \left(-\dfrac{\pi}{5}\right)\right) \right] - 3 \implies \mathbf{y = 4 \cos\left[ \dfrac{2}{5}\left(x + \dfrac{\pi}{5} \right) \right] - 3} \]

第 2 题 - 具有小数振幅的余弦函数

确定下方图象对应的正弦函数。

Sinusoidal graph with smaller amplitude
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第一步:求垂直平移与振幅
y 轴上的一个大格是 1 个单位,因此一个小格是 \( 0.2 \)。从图象中可知,\( y_{\text{max}} = 0.2 \) 且 \( y_{\text{min}} = -1.4 \)。
\[ c = \dfrac{0.2 + (-1.4)}{2} = -0.6 \] \[ |a| = \dfrac{0.2 - (-1.4)}{2} = 0.8 \] 我们将使用正余弦函数,因此 \( a = 0.8 \)。

第二步:求周期与 \(b\)
x 轴的大格为 \( \pi \)。点 A 和点 B 是连续的最大值点,位于 \( A\left(\dfrac{\pi}{2}, 0.2\right) \) 和 \( B\left(\dfrac{9\pi}{2}, 0.2\right) \)。
周期为 A 和 B 之间的距离:\( P = \dfrac{9\pi}{2} - \dfrac{\pi}{2} = 4\pi \)。
\[ \dfrac{2\pi}{|b|} = 4\pi \implies |b| = \dfrac{1}{2} \]

第三步:求相移(\(d\))
使用余弦函数,最大值出现在 A 点,此时 \( x = \dfrac{\pi}{2} \)。这意味着图象向右平移了 \( \dfrac{\pi}{2} \),所以 \( d = \dfrac{\pi}{2} \)。

结论:
该图象的方程为: \[ \mathbf{y = 0.8 \cos\left[ \dfrac{1}{2}\left(x - \dfrac{\pi}{2}\right) \right] - 0.6} \]

第 3 题 - 使用正弦函数

求下方图象的正弦方程,具体要求使用正弦函数。

Sinusoidal graph using sine function logic
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分步解答:

第一步:求垂直平移与振幅
从图象中可知,\( y_{\text{max}} = 0 \) 且 \( y_{\text{min}} = -2 \)。
\[ c = \dfrac{0 + (-2)}{2} = -1 \] \[ |a| = \dfrac{0 - (-2)}{2} = 1 \] 水平中线位于 \( y = -1 \)。

第二步:求周期与 \(b\)
点 A 和点 B 标志着沿中线的一个完整波周期。A 点在 \( x = 0.6 \),B 点在 \( x = 2.6 \)。
周期 \( P = 2.6 - 0.6 = 2 \)。
\[ \dfrac{2\pi}{|b|} = 2 \implies |b| = \pi \]

第三步:求相移(\(d\))
我们使用的是正弦函数:\( y = a \sin[ b(x - d) ] + c \)。
未平移的正弦函数从其中心线开始并向上延伸。我们的图象在 A 点正好做到了这一点,此时 \( x = 0.6 \)(或 \( \dfrac{3}{5} \))。因此,向右平移量为 \( d = 0.6 \)。由于图象从此处向上走,\( a \) 保持正的 \( 1 \)。

结论:
该图象的方程为: \[ \mathbf{y = \sin\left[ \pi\left(x - \dfrac{3}{5}\right) \right] - 1} \]

第 4 题 - 带有分数圆周率相移的余弦函数

确定下列图象的方程。

Sinusoidal graph with a period of pi
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第一步:求垂直平移与振幅
从 y 轴来看,\( y_{\text{max}} = -1 \) 且 \( y_{\text{min}} = -3 \)。
\[ c = \dfrac{-1 + (-3)}{2} = -2 \] \[ |a| = \dfrac{-1 - (-3)}{2} = 1 \] 使用正余弦函数,\( a = 1 \)。

第二步:求周期与 \(b\)
点 A 和点 B 是连续的最大值点,位于 \( A\left(\dfrac{3\pi}{5}, -1\right) \) 和 \( B\left(\dfrac{8\pi}{5}, -1\right) \)。
周期 \( P = \dfrac{8\pi}{5} - \dfrac{3\pi}{5} = \dfrac{5\pi}{5} = \pi \)。
\[ \dfrac{2\pi}{|b|} = \pi \implies |b| = 2 \]

第三步:求相移(\(d\))
最大值出现在 A 点,此时 \( x = \dfrac{3\pi}{5} \)。这是我们向右的水平平移量,所以 \( d = \dfrac{3\pi}{5} \)。

Conclusion:
该图象的方程为: \[ \mathbf{y = \cos\left[ 2\left(x - \dfrac{3\pi}{5} \right) \right] - 2} \]

挑战题

准备好综合运用您的知识了吗?这些题目测试您代数应用概念的能力,以及对反射和现实世界场景的批判性思考。

挑战题 1 - 带有反射的余弦函数

一个正弦图象有一个极小值点在 \( (0, -5) \),其下一个连续的极大值点位于 \( (4, 1) \)。求形如 \( y = a \cos(b(x-d)) + c \) 的函数方程,特别要求 \( a < 0 \)。

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第一步:求振幅与垂直平移
最大值为 \( 1 \),最小值为 \( -5 \)。
\[ c = \dfrac{1 + (-5)}{2} = -2 \]
标准振幅为 \( \dfrac{1 - (-5)}{2} = 3 \)。因为题目要求 \( a < 0 \),我们必须使用反射的余弦曲线,所以 \( a = -3 \)。

第二步:求周期与 \( b \)
极小值点和紧接着的极大值点之间的水平距离正好代表半个周期。
半周期 = \( 4 - 0 = 4 \)。因此,完整周期 \( P = 8 \)。
\[ \dfrac{2\pi}{|b|} = 8 \implies b = \dfrac{2\pi}{8} = \dfrac{\pi}{4} \]

第三步:求相移
标准的负余弦曲线(\( - \cos \))在 y 轴上(当 \( x=0 \) 时)从其极小值开始。既然我们图象的极小值也位于 \( x = 0 \),则不需要进行水平相移。因此,\( d = 0 \)。

结论:
\[ \mathbf{y = -3\cos\left(\dfrac{\pi}{4}x\right) - 2} \]

挑战题 2 - 现实世界的正弦建模

受控实验室房间内的温度呈正弦规律变化。它在下午 2:00(\( t = 14 \))达到最高温度 \( 24^\circ \text{C} \),在凌晨 2:00(\( t = 2 \))达到最低温度 \( 18^\circ \text{C} \)。求对时间 \( t \)(以小时为单位)的温度 \( T \) 进行建模的正弦函数 \( T(t) = a \sin(b(t - d)) + c \)。

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第一步:求振幅与垂直平移
最大值 \( = 24 \),最小值 \( = 18 \)。
垂直平移(平均温度):\( c = \dfrac{24 + 18}{2} = 21 \)
振幅:\( a = \dfrac{24 - 18}{2} = 3 \)

第二步:求周期与 \( b \)
最小值(\( t=2 \))与最大值(\( t=14 \))之间的时间差为 12 小时。这代表半个周期。
周期 \( P = 24 \) 小时。
\[ \dfrac{2\pi}{|b|} = 24 \implies b = \dfrac{2\pi}{24} = \dfrac{\pi}{12} \]

第三步:求正弦函数的相移
正弦函数从其中线(\( y=21 \))开始并向上走。我们需要找出发生这种情况时的时刻 \( t \)。向上穿过中线这一点正好发生在最小值和最大值的中点。
时间中点:\( t = \dfrac{2 + 14}{2} = 8 \)(即上午 8:00)。
因此,正弦波从 \( t = 8 \) 开始其周期,这意味着平移量为 \( d = 8 \)。

结论:
\[ \mathbf{T(t) = 3\sin\left(\dfrac{\pi}{12}(t - 8)\right) + 21} \]

挑战题 3 - 代数求解相移

一个正弦函数由方程 \( y = 5\sin(3x - C) + 4 \) 给出。已知该图象通过坐标点 \( \left(\dfrac{\pi}{9}, 6.5\right) \)。求相位常数 \( C \) 的最小正值。

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第一步:代入坐标点
将 \( x = \dfrac{\pi}{9} \) 和 \( y = 6.5 \) 代入方程中:
\[ 6.5 = 5\sin\left(3\left(\dfrac{\pi}{9}\right) - C\right) + 4 \]

第二步:隔离正弦项
两边减去 4:
\[ 2.5 = 5\sin\left(\dfrac{\pi}{3} - C\right) \]
除以 5:
\[ 0.5 = \sin\left(\dfrac{\pi}{3} - C\right) \]

第三步:解三角方程
我们知道正弦函数在诸如 \( \dfrac{\pi}{6} \) 和 \( \dfrac{5\pi}{6} \) 等角度时等于 \( 0.5 \)。让我们将内部表达式分别等于这些主值。

情况 1:
\[ \dfrac{\pi}{3} - C = \dfrac{\pi}{6} \implies C = \dfrac{\pi}{3} - \dfrac{\pi}{6} \implies \mathbf{C = \dfrac{\pi}{6}} \]

情况 2:
\[ \dfrac{\pi}{3} - C = \dfrac{5\pi}{6} \implies C = \dfrac{\pi}{3} - \dfrac{5\pi}{6} \implies C = -\dfrac{3\pi}{6} = -\dfrac{\pi}{2} \]

由于题目要求的是最小正值,我们选择情况 1 的结果。

结论:
最小正值为 \( C = \dfrac{\pi}{6} \)