正弦函数

定义

正弦函数的定义

在直角三角形中,设一个锐角为 θ\theta,则正弦定义为:

sin⁡θ=对边斜边\sin \theta = \frac{{对边}}{{斜边}}

其中,“对边”是指与角 θ\theta 相对的那条直角边,“斜边”是三角形的最长边。

符号说明
符号类型读音/说明在本文中的含义
θ\theta希腊字母Theta(西塔)表示角的大小(锐角)

性质

  • 定义域:R\mathbb{R}
  • 值域:[−1,1][-1, 1]
  • 周期:2π2\pi
  • 奇偶性:奇函数
  • 单调性:在 [−π2,π2][-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}] 上递增
  • 对称性:关于原点对称

图像

发散思维

1. 弦是什么

弦(xián,chord):在圆中,连接圆上任意两点的线段称为弦。通过圆心的弦叫做直径,是最长的弦。

历史背景:早在公元前 1800 年,古巴比伦人就使用弦长表解决天文和测量问题。古希腊数学家希帕恰斯和托勒密创建了详细的弦表,记录给定圆心角对应的弦长。

弦与正弦的关系:正弦函数(sine)的名称来源于”弦”的概念。在圆中,从圆心向弦的中点作垂线,将弦分成两等份,这一半的弦长就是现代正弦函数的雏形。后来印度天文学家将”半弦”的概念进一步发展,形成了现代的正弦函数。

2. “sine” 这个名称是怎么来的

正弦函数的英文名称”sine”经历了一段有趣的”翻译旅行”:

  • 印度:公元 5 世纪,印度天文学家阿耶波多创造了”jya”(正弦)一词
  • 阿拉伯:“jya”音译为阿拉伯文的”jiba”,但被误读为”jaib”(意为”湾”或”海湾”)
  • 欧洲:12 世纪,“jaib”被翻译成拉丁文”sinus”(也意为”湾”)
  • 现代:最终演变为英语”sine”

这就是为什么正弦函数的名称是”音译+误译”的产物,原本与”弦”相关,但在翻译过程中变成了”湾”的含义。

练习题

练习1

已知 y=sin⁡xy = \sin x,求其定义域和值域。

正弦函数定义域值域

解题思路:

正弦函数 y=sin⁡xy = \sin x 由单位圆上的点 (cos⁡x,sin⁡x)(\cos x, \sin x) 定义,对任意实数 xx 都有意义;而该点的纵坐标取值范围恰好是 [−1,1][-1, 1]。

详细步骤:

  1. 由单位圆上点的定义,sin⁡x\sin x 对任何实数 xx 都有意义,所以定义域是 R\mathbb{R}。
  2. 单位圆上点的纵坐标满足 −1≤sin⁡x≤1-1 \leq \sin x \leq 1,所以值域是 [−1,1][-1, 1]。
  3. 当 x=π2x = \frac{\pi}{2} 时 sin⁡x=1\sin x = 1,当 x=−π2x = -\frac{\pi}{2} 时 sin⁡x=−1\sin x = -1,两个端点都能取到。

最终答案:

定义域:R\mathbb{R};值域:[−1,1][-1, 1]。

练习2

画出 y=sin⁡xy = \sin x 和 y=cos⁡xy = \cos x 的大致图像,并比较它们的周期性和对称性。

正弦函数余弦函数周期奇偶性

解题思路:

先确定两条曲线的形状与关键点,再比较周期与对称性:正弦图像过原点、余弦图像过点 (0,1)(0, 1),两者只相差一个 π2\frac{\pi}{2} 的水平平移。

详细步骤:

  1. y=sin⁡xy = \sin x 的图像过原点,在 [−π2,π2][-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}] 上单调递增;y=cos⁡xy = \cos x 的图像过点 (0,1)(0, 1),在 [0,π][0, \pi] 上单调递减。
  2. 由 cos⁡x=sin⁡(x+π2)\cos x = \sin(x + \frac{\pi}{2}),两条图像只相差一个 π2\frac{\pi}{2} 的水平平移。
  3. 两者平移 2π2\pi 后都回到原位,所以周期均为 2π2\pi。
  4. 由 sin⁡(−x)=−sin⁡x\sin(-x) = -\sin x 知 sin⁡x\sin x 是奇函数、图像关于原点对称;由 cos⁡(−x)=cos⁡x\cos(-x) = \cos x 知 cos⁡x\cos x 是偶函数、图像关于 yy 轴对称。

最终答案:

y=sin⁡xy = \sin x 和 y=cos⁡xy = \cos x 周期均为 2π2\pi,sin⁡x\sin x 是奇函数,cos⁡x\cos x 是偶函数。

练习3

已知 y=sin⁡xy = \sin x,求其最小正周期。

正弦函数周期

解题思路:

先由诱导公式得到 2π2\pi 是一个周期,再借助零点的分布排除更小的正周期。

详细步骤:

  1. 由诱导公式 sin⁡(x+2π)=sin⁡x\sin(x + 2\pi) = \sin x,说明 2π2\pi 是 y=sin⁡xy = \sin x 的一个周期。
  2. 再看零点的分布:sin⁡x=0\sin x = 0 当且仅当 x=kπx = k\pi,所以任何正周期都必须是 π\pi 的整数倍。
  3. 而 sin⁡(x+π)=−sin⁡x≠sin⁡x\sin(x + \pi) = -\sin x \neq \sin x,故 π\pi 不是周期,最小的正整数倍只能是 2π2\pi。

最终答案:

最小正周期为 2π2\pi。

练习4

下列函数中,哪些是奇函数?
(A) y=sin⁡xy = \sin x
(B) y=cos⁡xy = \cos x
(C) y=tan⁡xy = \tan x
(D) y=x2y = x^2

正弦函数余弦函数正切函数奇函数偶函数

解题思路:

逐个用 f(−x)=±f(x)f(-x) = \pm f(x) 检验奇偶性:正弦、正切对奇变号,余弦、二次幂对奇不变号。

详细步骤:

  1. (A) f(−x)=sin⁡(−x)=−sin⁡x=−f(x)f(-x) = \sin(-x) = -\sin x = -f(x),所以 y=sin⁡xy = \sin x 是奇函数。
  2. (B) f(−x)=cos⁡(−x)=cos⁡x=f(x)f(-x) = \cos(-x) = \cos x = f(x),所以 y=cos⁡xy = \cos x 是偶函数。
  3. (C) f(−x)=tan⁡(−x)=−tan⁡x=−f(x)f(-x) = \tan(-x) = -\tan x = -f(x),所以 y=tan⁡xy = \tan x 是奇函数。
  4. (D) f(−x)=(−x)2=x2=f(x)f(-x) = (-x)^2 = x^2 = f(x),所以 y=x2y = x^2 是偶函数。

最终答案:

(A)、(C) 是奇函数,(B)、(D) 不是。


总结

本文出现的符号

符号类型读音/说明在本文中的含义
π\pi希腊字母Pi(派)圆周率,用于表示正弦函数的周期(2π2\pi)
R\mathbb{R}数学符号双线体 R(Real numbers)表示实数集,正弦函数的定义域

中英对照

中文术语英文术语音标说明
正弦函数sine function/saɪn ˈfʌŋkʃən/三角函数之一,记作 sin⁡x\sin x
正弦sine/saɪn/函数名称,简写为 sin⁡\sin
对边opposite side/ˈɒpəzɪt saɪd/直角三角形中与角相对的直角边
斜边hypotenuse/haɪˈpɒtənjuːz/直角三角形中最长的边
周期period/ˈpɪəriəd/函数值重复出现的最小间隔
定义域domain/dəʊˈmeɪn/自变量的取值范围
值域range/reɪndʒ/函数值的取值范围
奇函数odd function/ɒd ˈfʌŋkʃən/满足 f(−x)=−f(x)f(-x) = -f(x) 的函数
弦(xián)chord/kɔːd/圆中连接圆上任意两点的线段

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