Как найти область значения функции синуса

ВИДЕО УРОК

Области определения
тригонометрических функций.

Всякая функция имеет свою
собственную совокупность значений аргумента, при которых она определена, то
есть существует. Эта совокупность всех допустимых значений аргумента, при
которых функция определена, называется областью определения или областью существования функции.

Функции  sin α  и  соs α  определены при любом значении  α. В самом деле, любая точка  М, лежащая на единичной окружности, имеет вполне
определённые координаты  х  и  у, первая из которых
есть косинус угла  α, составленного с
осью  Ох  подвижным радиусом  ОМ, а вторая – синус угла  α.

Функция  tg α  определена
при всех значениях  α, за исключением
случая, когда подвижной радиус перпендикулярен к оси  Ох, то есть кроме значений  α, равных

± ^π/₂, ± ^3π/₂, ± ^5π/₂,
…

И вообще кроме значений  α, равных

 ^π/₂ + kπ,

где  k – любое целое
число.

В самом деле, при этих (и
только при этих) значениях  α  подвижной радиус лежит на оси  Оу, абсцисса  х  конца подвижного радиуса равна нулю  (х = 0)  и поэтому
делить  у  на  х  нельзя.

Функция  сtg α  определена
при всех значениях  α, за исключением
следующих:

0, ±π,
±2π, ±3π,
…

И вообще – за исключением
значений  α, равных  kπ, где  k – любое целое
число, так как при этих (и только при этих) значениях α  подвижной радиус лежит на оси  Ох, ордината  у  его конца равна нулю  (у = 0)  и поэтому
делить  х  на  у  нельзя.

ПРИМЕР:

Найдите область определения функции

f(x) = tg 2x.

РЕШЕНИЕ:

В область определения не войдут следующие точки:

2х ≠ ^π/₂ + kπ.

или

В
результате получим:

х ≠ ^π/₄ + ^πk/₂, k ∈ Z.

Отразим графически.

ОТВЕТ:

Область определения функции  tg 2x  все
действительные числа за исключением

х ≠ ^π/₄ + ^πk/₂, k ∈ Z.

Области значения
тригонометрических функций.

Функции  sin α  и  соs α  принимают все значения между  –1  и  +1, включая и эти числа. В самом деле, синус угла  α, составленного с осью  Ох  подвижным
радиусом  ОМ  единичной окружности, есть ордината  у  точки  М  единичной
окружности, которая, как легко видеть, принимает все значения между  –1  и  +1, включая и эти числа.

Задача нахождения угла  α, имеющего данный синус  у, при условии, что число  у  заключено в
пределах от  –1  до  +1, имеет бесконечное множество решений.

И действительно,
построим на оси  Оу  точку  Р,

ордината
которой равна  у, и через эту точку
проведём прямую параллельную оси  Ох. Пусть  М₁  и  М₂ – точки, в которых эта прямая пересекает единичную
окружность. Если обозначим через  α  любой угол, составленный с осью  Ох  любым из
подвижных радиусов  ОМ₁  и  ОМ₂, то  sin α =
у.
На чертеже

отмечено несколько углов,
составленных с осью  Ох  одним из подвижных радиусов  ОМ₁  и  ОМ₂.

Аналогично убеждаемся в том,
что  соs α  принимает
все значения  от  –1  до  +1, включая и эти числа.

В самом деле, косинус
угла  α, составленного с осью  Ох  подвижным
радиусом  ОМ  единичной окружности, есть абсцисса  х  конца  М  подвижного
радиуса  ОМ, а абсцисса  х  точки
единичной окружности, принимает все значения от 
–1  до  +1, включая и эти числа.

Так же как и для функции  sin α, для заданного числового значения косинуса

соs α = х,

при условии, что число  х  по
абсолютной величине не больше единицы,

–1 ≤ х ≤  +1,

существует бесконечное
множество углов, косинус которых равен  х.

И действительно, построим на
оси  Ох  точку  Q, абсцисса которой
равна  х, и проведя через эту точку
прямую, параллельную оси  Оу. Пусть  М₁  и  М₂ – точки, в которых эта прямая пересекает единичную
окружность. Если через  α  мы обозначим любой угол, составленный с
осью  Ох  любым из подвижных радиусов  ОМ₁  или  ОМ₂, то  соs α = х.

На чертеже

отмечено несколько углов,
составленных с осью  Ох  одним из подвижных радиусов  ОМ₁  или  ОМ₂.

На чертеже

мы взяли  0 < у
< 1.

На чертеже

мы берём

–1 < х
< 0.

Функция  tg α  принимает
все действительные значения. В самом деле, пусть  р – любое действительное число. Докажем, что
существует и притом бесконечное множество углов, тангенсы которых равны  р.

Построим на оси
тангенсов точку  Р,

ордината которой равна  р. Соединим точку 
Р  с началом
координат и продолжим  РО  за центр до пересечения с единичной
окружностью. Пусть  М₁  и 
М₂ – точки, в которых прямая  РО  пересекает
окружность. Тогда, если  α – угол, составленный
с осью  Ох  любым из подвижных радиусов  ОМ₁  или  ОМ₂, то

tg α = р.

На чертеже

мы считали, что  р ˃ 0. На этом же чертеже отмечено несколько углов,
составленных с осью  Ох  радиусами 
ОМ₁  или  ОМ₂. Тангенсы всех этих углов равны  р.

Наконец, функция  сtg α, как и  tg α, принимает все действительные значения.

В самом деле, пусть  q – любое число. Построим на оси котангенсов
точку  Q, абсцисса которой
равна  q, соединим эту точку  Q  с началом
координат и продолжим  QО  за центр до
пересечения с единичной окружностью.

Обозначим через  М₁  и  М₂  точки пересечения прямой  QО  с единичной окружностью. Тогда котангенс
любого из углов, составленных с осью  Ох  радиусом 
ОМ₁  или  ОМ₂, будет равен  q.

ПРИМЕР:

Найти область значений функции:

у = 5 – 4 sin х.

РЕШЕНИЕ:

Из определения синуса следует,

–1 ≤ sin х ≤ 1.

Далее воспользуемся свойствами числовых неравенств.

Умножим все три части двойного неравенства на  –4.

–4 ≤ –4 sin х ≤ 4.

Прибавим к трём частям двойного неравенства  5.

1 ≤ 5 – 4 sin х ≤ 9.

Так как данная функция непрерывна на всей области определения, то
множество её значений заключено между наименьшим и наибольшим её значением на
всей области определения, если таковые существуют. В данном случае множество
значений функции

у = 5 – 4 sin х

есть множество  [1; 9].

ОТВЕТ:  [1; 9]

ПРИМЕР:

Найти область определения и область значений функции:

y = tg x.

РЕШЕНИЕ:

Функция  y = tg x  определяется формулой

Эта функция определена при значениях х, для которых  соs х ≠ 0.

Известно, что  соs х = 0  при

х = ^π/₂ + πn, n ∈ Z.

Следовательно, областью определения функции  y = tg x  является множество чисел кроме

х = ^π/₂ + πn, n ∈ Z.

Так как уравнение  tg x = а  имеет корни при любом
действительном значении  а, то множеством значений функции  y = tg x  является множество  R  всех действительных чисел.

ПРИМЕР:

Найти область определения функции:

y = sin 3х + tg 2x.

РЕШЕНИЕ:

Нужно выяснить, при каких значениях 
х  выражение

y = sin х + tg 2x

имеет смысл. Выражение  sin 3х  имеет
смысл при любом значении  х, а выражение  tg 2x – при всех значениях 
х  кроме

2х = ^π/₂ + πn, n ∈ Z  или

х = ^π/₄ + ^πn/₂, n ∈ Z.

Следовательно, областью определения данной функции является множество
действительных чисел, кроме

х = ^π/₄ + ^πn/₂, n ∈ Z.

ПРИМЕР:

Найти
область значения тригонометрической функции:

у = 3 соs х – 2.

РЕШЕНИЕ:

Для нахождения
области значения функции

у = 3 соs х – 2

используем
тот факт, что функция  у = соs х  изменяет своё значение от  –1  до  1, то есть имеет место двойное неравенство:

–1 ≤ соs х ≤ 1.

Умножим
все части этого неравенства на  3:

–3 ≤ 3 соs х ≤ 3.

Вычтем
из всех частей полученного неравенства  2, получим:

–3 – 2 ≤ 3 соs х – 2 ≤ 3 – 2,

–5 ≤ 3 соs х – 2 ≤ 1.

Таким
образом, область значений функции будет промежуток

[–5; 1].

ОТВЕТ:  [–5; 1]

ПРИМЕР:

Найти
область значения тригонометрической функции:

у = 3 соs х – 4 sin х.

РЕШЕНИЕ:

Для нахождения
области значения функции

у = 3 соs х – 4 sin х

воспользуемся следующей формулой:

В нашем случае 
а = 3, b = –4, то есть:

Следовательно,
областью значений является промежуток:

[–5; 5].

ОТВЕТ:  [–5; 5]

Алгебра и начала математического анализа, 11 класс

Урок №1. Область определения и множество значений тригонометрических функций.

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме

• Овладение понятиями “область определения”, “область определения тригонометрических функций”, “множество значений функции”, “множество значений тригонометрических функций”;
• Нахождение области определения и множества значений тригонометрических функций вида y=af(kx+b)+c и y=|f(k|x|+b)|, где f(x) – косинус, синус, тангенс или котангенс действительного числа от значения коэффициентов a, k, b.;
• Объяснение зависимости области определения и множества значений функции вида y=af(kx+b)+c и y=|f(k|x|+b)|, где f(x) – косинус, синус, тангенс или котангенс действительного числа от значения коэффициентов a, k, b.

Глоссарий по теме

Областью определения функций y = sin x и y = cos x является множество R всех действительных чисел.

Множеством значений функции y = sin x и y = cos x  является отрезок -1 ≤ y ≤ 1. Данные функции ограничены сверху и снизу.

Областью определения функции y = tg x  является множество чисел x ≠ π/2 + πk, kЄ Z.

Областью определения функции y = сtg x  является множество чисел x ≠ πk, kЄ Z.

Множеством значений функции y = tg x и y =сtg x  является множество R всех действительных чисел, т.к. уравнения tg x = a  и сtg x = a  имеют корни при любом действительном значении a. Функции неограниченные.

Основная литература:

Колягин Ю.М., Ткачева М.В., Федорова Н.Е. и др., под ред. Жижченко А.Б Алгебра и начала математического анализа (базовый и профильный уровни) 11 кл. – М.: Просвещение, 2010.–336 с.

Дополнительная литература:

Шахмейстер, А.Х. Тригонометрия / А.Х. Шахмейстер.— СПб.: Петроглиф, 2014. — 750 с.

Открытые электронные ресурсы:

Открытый банк заданий ЕГЭ ФИПИ [Электронный ресурс].– Режим доступа: http://ege.fipi.ru/

Решу ЕГЭ образовательный портал для подготовки к экзаменам [Электронный ресурс].– Режим доступа: https://ege.sdamgia.ru/

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Актуализация знаний

Вопросы:

1. Что такое функция?
2. Что такое область определения функции? Чем является область определения функции геометрически?
3. Что такое множество значений функции? Чем является множество значений функции геометрически?

Ответы на вопросы:

1. Если каждому значению x из некоторого множества чисел поставлено в соответствие по определенному правилу число y, то говорят, что на этом множестве задана функция. При этом х называют независимой переменной или аргументом, а у – зависимой переменной или функцией. Зависимость переменной у от переменной х называют функциональной зависимостью. Записывают y=f(x).
2. Областью определения функции называют множество всех допустимых значений переменной x. Геометрически – это проекция графика функции на ось Ох.

Множество значений функции — множество всех значений, которые функция принимает на области определения. Геометрически – это проекция графика функции на ось Оy.

Найдите область определения функции и множество значений функции:

1) ; 2) ; 3) .

Ответы:

D(f): 1) ; 2) ; 3)

E(f): 1); 2) ; 3) .

Объяснение нового материала

С помощью единичной окружности сделайте выводы об области определения и множестве значений тригонометрических функций.

Заполните таблицу:

Функция	Область определения	Множество значений

Ответ:

Функция	Область определения	Множество значений

Итак, Областью определения функций y = sin x и y = cos x является множество R всех действительных чисел.

 Множеством значений функции y = sin x и y = cos x  является отрезок -1 ≤ y ≤ 1. Данные функции ограничены сверху и снизу.

Областью определения функции y = tg x  является множество чисел x ≠ π/2 + πk, kЄ Z.

Областью определения функции y = сtg x  является множество чисел x ≠ πk, kЄ Z.

Множеством значений функции y = tg x и y =сtg x  является множество R всех действительных чисел, т.к. уравнения tg x = a  и сtg x = a  имеют корни при любом действительном значении a. Функции неограниченные.

Примеры и разборы решения заданий тренировочного модуля:

Пример 1. Найти область определения функции .

;

;

;

Ответ: −.

Пример 2. Найти все решения уравнения

;

;

Ответ:

.

Зачастую в рамках решения задач по тригонометрии нам приходится искать множество значений функции на области определения или отрезке. Например, такой поиск нужно делать, если приходится решать разные типы неравенств, при оценке выражений и др.

В рамках этого материала мы расскажем, что из себя представляет область значений функции, приведем основные методы, которыми  можно вычислить область значения и область определения функции, и разберем задачи различной степени сложности. Для наглядности отдельные положения проиллюстрированы графически. Прочитав эту статью, вы получите исчерпывающее представление о том, что такое область значения функции.

Начнем с базовых определений.

Множество значений функции y = f(x) – это множество всех значений на некотором интервале x, которые данная функция принимает при переборе всех значений x∈X.

Область значений функции y=f(x) – это множество всех ее значений, которые она может принять при переборе значений x из области x∈(f).

Область значений некоторой функции обычно принято называть и обозначать E(f).

Обратите внимание, что понятие множества значений функции не всегда тождественно области ее значений. Эти понятия будут равнозначны только в том случае, если интервал значений x при нахождении множества значений совпадет с областью определения функции.

Важно также различать область значений и область допустимых значений переменной x для выражения в правой части y=f(x). Область допустимых значений x для выражения f(x) и будет областью определения данной функции.

Ниже приводится иллюстрация, на которой показаны некоторые примеры, как построить графики функций и их построение. Синие линии – это графики функций, красные – асимптоты, рыжие точки и линии на оси ординат – это области значений функции.

Как найти область значения функции? Очевидно, что область или множество значений функции можно найти или получить при проецировании графика функции на ось Oy. При этом она может представлять собой как одно число, так и множество чисел, отрезок, интервал, открытый луч, объединение числовых промежутков и др.

Рассмотрим основные способы, как определить область значения функции.

Первый этап – определить тип функции. Функция может быть квадратичной, а также содержать дроби и корни. 

Начнем с определения множества значений непрерывной функции y = f(x) на некотором отрезке, обозначенном [a; b]. Мы знаем, что функция, непрерывная на некотором отрезке, достигает на нем своего минимума и максимума, то есть наибольшего maxx∈a; bf(x) и наименьшего значения minx∈a; bf(x). Значит, у нас получится отрезок minx∈a; bf(x); maxx∈a; bf(x), в котором и будут находиться множества значений исходной функции. Тогда все, что нам нужно сделать, – это найти на этом отрезке указанные точки минимума и максимума.

Возьмем задачу, в которой нужно определить область значений арксинуса.

Перейдем к нахождению множества значений непрерывной функции y = f(x) в промежутках (a; b), причем a; +∞, -∞; b, -∞; +∞.

Начнем с определения наибольшей и наименьшей точки, а также промежутков возрастания и убывания на заданном интервале. После этого нам нужно будет вычислить односторонние пределы в концах интервала и/или пределы на бесконечности. Иными словами, нам надо определить поведение функции в заданных условиях. Для этого у нас есть все необходимые данные.

Если нам надо определить множество значений функции y = f(x) на промежутках [a; b), (a; b], [a; +∞), (-∞; b], то нам понадобится провести точно такие же исследования. Эти случаи мы пока не будем разбирать: далее они нам еще встретятся в задачах.

А как быть в случае, если область определения некоторой функции представляет из себя объединение нескольких промежутков? Тогда нам надо вычислить множества значений на каждом из этих промежутков и объединить их.

Это можно увидеть на графике:

Особый случай – периодические функции. Их область значения совпадает с множеством значений на том промежутке, который отвечает периоду этой функции.

Если вам нужно знать области значений таких функций, как степенная, показательная, логарифмическая, тригонометрическая, обратная тригонометрическая, то советуем вам перечитать статью об основных элементарных функциях. Теория, которую мы приводим здесь, позволяет проверить указанные там значения (или указать). Их желательно выучить, поскольку они часто требуются при решении задач. Если вы знаете области значений основных функций, то легко сможете находить области функций, которые получены из элементарных с помощью геометрического преобразования.

Еще один пример запишем без пояснений, т.к. он полностью аналогичен предыдущему.

Теперь разберем, как найти область значений функции, которая не является непрерывной. Для этого нам надо разбить всю область на промежутки и найти множества значений на каждом из них, после чего объединить то, что получилось. Чтобы лучше понять это, советуем повторить основные виды точек разрыва функции.

Решение показано на графике:

Содержание:

Рассматривая произвольное действительное число

Таким образом, мы установим соответствие между множеством действительных чисел и множеством значений синусов углов. Каждому действительному числу соответствует единственное значение синуса. Такое соответствие определяет тригонометрическую функцию 

Определение функция y=sin x

Определение:

Зависимость, при которой каждому действительному числу  соответствует значение  называется функцией 

Рассмотрим свойства функции  и построим ее график:

Область определения функции y=sin x

Областью определения функции  является множество всех действительных чисел, так как для любого  существует 

Графически это означает, что для любой абсциссы найдется точка графика функции 

Множеством значений функции y=sin x

Множеством значений функции  является промежуток  так как ординаты точек единичной окружности (значения синусов чисел) изменяются от -1 до 1.

Графически это означает, что график функции  расположен в полосе между прямыми  (рис. 74).

 

Периодичность функции y=sin x

Периодичность функции Точки единичной окружности  совпадают для любого  (рис. 75), значит, значения синусов этих углов также совпадают, т. е. 

Говорят, что число  является периодом функции 

Определение:

Функция  называется периодической функцией с периодом  если для любого значения  из области определения функции числа  также принадлежат области определения и при этом верно равенство

Чтобы определить, является ли функция периодической с периодом  необходимо проверить:

1. принадлежат ли области определения функции числа  если  принадлежит области определения функции;
2. выполняется ли равенство 

Определим, верно ли, что число  является периодом функции 

1. Числа  принадлежат области определения функции, так как 
2. Проверим, выполняется ли равенство  для всех 

Пусть 

Значит, число  не является периодом функции 

Периодом функции  являются числа вида  Число  является наименьшим положительным периодом функции 

Функция  является периодической с наименьшим положительным периодом  (рис. 76). Это означает, что ее график состоит из повторяющихся частей, поэтому достаточно его построить на отрезке длиной  (например,  а затем повторить построение на каждом следующем отрезке длиной 

Четность (нечетность) функции y=sin x

Четность (нечетность) функции y=sin x  — симметрична относительно нуля. Так как точки  единичной окружности симметричны относительно оси абсцисс для любого  то ординаты этих точек противоположны, т. е.  (рис. 77). Значит, функция  нечетная.

Для построения ее графика достаточно построить его часть для неотрицательных значений аргумента и отобразить эту часть симметрично относительно начала координат.

Нули функции y=sin x

Нули функции. Ординаты точек  и  равны нулю. Значит,  в точка  (рис. 78), т. е. график функции пересекает ось абсцисс в точках с абсциссами 

Промежутки знакопостоянства функции y=sin x

На промежутках  функция  принимает положительные значения, так как ординаты точек единичной окружности положительны в первой и во второй четвертях (рис. 79, а).

На промежутках функция  принимает отрицательные значения, так как ординаты точек единичной окружности отрицательны в третьей и четвертой четвертях (рис. 79, б).

Монотонность функции y=sin x

Монотонность функции. Так как ординаты точек единичной окружности увеличиваются от -1 до 1 при изменении угла от  (рис. 80, а) и уменьшаются от 1 до -1 при изменении угла от  (рис. 80, б), то с учетом периодичности определим промежутки возрастания функции  и промежутки убывания функции 

Функции  возрастает на промежутках  и убывает на промежутках 
Наибольшее значение функции  равно 1 и достигается в точках 

Наименьшее значение функции  равно  и достигается в точках 

На основании проведенного исследования построим график функции  на отрезке от  длина которого равна  т. е. длине периода функции 

На этом периоде функция 

На рисунке 81 изображена часть графика функции  на промежутке от 

Перенесем эту часть на другие периоды и получим график функции (рис. 82). График функции  называется синусоидой.

Примеры заданий и их решения

Пример №1

Определите, принадлежит ли графику функции  точка: 

Решение:

а) Подставим в формулу  значение аргумента  найдем соответствующее значение функции 

Полученное значение функции равно ординате точки  значит, точка  принадлежит графику функции 

б)    При  получим  Точка  не принадлежит графику функции 

в)    При  получим  Точка  принадлежит графику функции 

г)    При  получим  Точка  не принадлежит графику функции 

Пример №2

Найдите область определения и множество значений функции:

Решение:

а) Так как область определения функции  все действительные числа, т.е значит,    Таким образом, 

Множеством значений функции  является отрезок  значит,  Тогда по свойству неравенств  Таким образом, 

б)  Поскольку  то по свойству неравенств

 т.е. 

Пример №3

Найдите наибольшее значение функции 

Решение:

Так как  значит,  тогда  Таким образом, имеем:  Наибольшее значение функции  равно 7.

• Заказать решение задач по высшей математике

Пример №4

Найдите значение выражения, используя свойство периодичности функции 

Решение:

Так как число  является наименьшим положительным периодом функции  Тогда:

Пример №5

Найдите значение выражения, используя свойство нечетности функции 

Решение:

Так как функция  нечетная, то

 Тогда:

Пример №6

Исследуйте функцию на четность (нечетность):

Решение:

a)  — область определения симметрична относительно нуля;

 значит, функция является нечетной.

 область определения симметрична относительно нуля; 

значит, функция является четной.

Пример №7

Найдите нули функции:

Решение:

а) Пусть  Нулями функции  являются числа Тогда  значит,  Таким тобразом, числа  являются нулями функции 

б) Пусть    Нулями функции  являются числа  Тогда  значит, 

Таким образом, числа  являются нулями функции 

Пример №8

Определите знак произведения 

Решение:

Так как  то  т. е. угол 4 радиана принадлежит промежутку  на котором функция  принимает отрицательные значения, значит, 

Углы 2 радиана и 1 радиан принадлежат промежутку  на котором функция  принимает положительные значения, т. е.  Значит, 

Пример №9

Что больше:  или 

Решение. Так как функция  возрастает на промежутке то из того, что следует, что 

Пример №10

Постройте график функции:

Решение:

а) График функции  получаем из графика функции  сдвигом его вдоль оси абсцисс на  влево (рис. 84).

б)    График функции  получаем из графика функции  сдвигом его вдоль оси ординат на 2 единицы вверх (рис. 85).