【AP Pre-Calculus】第11课完整讲义:周期现象与三角函数的单位圆定义


AP PreCalculus 第11课完整讲义:周期现象与三角函数的单位圆定义

一、课程概述

课时:2小时
所属单元:Unit 3: Trigonometric and Polar Functions
对应考纲章节:3.1, 3.2, 3.3
教学目标

  1. 识别周期函数并确定周期【Identify periodic functions and determine their periods】
  2. 用单位圆定义计算三角函数值【Calculate trigonometric values using the unit circle definition】
  3. 运用诱导公式化简三角函数表达式【Simplify trigonometric expressions using reference angles and identities】

二、关键术语中英文标注

中文术语英文术语定义
周期函数Periodic Function存在非零常数$T$,使得对定义域内所有$x$,有$f(x+T)=f(x)$的函数
最小正周期Fundamental Period周期函数的最小正周期值$T$
单位圆Unit Circle圆心在原点,半径为1的圆,方程:$x^2+y^2=1$
三角函数Trigonometric Functions基于单位圆定义的$\sin\theta, \cos\theta, \tan\theta$等函数
弧度制Radian Measure弧长等于半径时的圆心角为1弧度,$2\pi$弧度$=360^\circ$
参考角Reference Angle角$\theta$与$x$轴正半轴形成的最小锐角
诱导公式Reference Angle Identities用于简化非锐角三角函数值计算的公式
奇/偶函数Odd/Even Function奇函数:$f(-x)=-f(x)$;偶函数:$f(-x)=f(x)$

三、核心知识点讲解

1. 周期现象与周期函数【Periodic Phenomena & Periodic Functions】

周期函数定义:若存在非零常数$\boldsymbol{T}$(周期),使得对所有$x$在定义域内,有$\boldsymbol{f(x+T)=f(x)}$,则$f(x)$为周期函数。

常见周期现象:季节变化、潮汐涨落、月相变化、昼夜交替、声波振动。

示例

  • 正弦函数:$f(x)=\sin x$,周期$T=2\pi$
  • 余弦函数:$f(x)=\cos x$,周期$T=2\pi$
  • 正切函数:$f(x)=\tan x$,周期$T=\pi$

2. 单位圆与三角函数定义【Unit Circle & Trigonometric Definitions】

单位圆方程:$\boldsymbol{x^2+y^2=1}$(圆心在原点,半径$r=1$)

三角函数单位圆定义

  • 正弦函数:$\boldsymbol{\sin\theta = y}$(单位圆上点的纵坐标)
  • 余弦函数:$\boldsymbol{\cos\theta = x}$(单位圆上点的横坐标)
  • 正切函数:$\boldsymbol{\tan\theta = \frac{y}{x}}$(纵坐标与横坐标的比值,$x \neq 0$)

角度与弧度转换

  • $2\pi$弧度$=360^\circ$
  • $\pi$弧度$=180^\circ$
  • 1弧度$\approx 57.3^\circ$
  • 转换公式:$\text{弧度} = \text{角度} \times \frac{\pi}{180^\circ}$,$\text{角度} = \text{弧度} \times \frac{180^\circ}{\pi}$

3. 特殊角三角函数值【Special Angles Trigonometric Values】

角度弧度$\sin\theta$$\cos\theta$$\tan\theta$
$0^\circ$$0$$0$$1$$0$
$30^\circ$$\frac{\pi}{6}$$\frac{1}{2}$$\frac{\sqrt{3}}{2}$$\frac{\sqrt{3}}{3}$
$45^\circ$$\frac{\pi}{4}$$\frac{\sqrt{2}}{2}$$\frac{\sqrt{2}}{2}$$1$
$60^\circ$$\frac{\pi}{3}$$\frac{\sqrt{3}}{2}$$\frac{1}{2}$$\sqrt{3}$
$90^\circ$$\frac{\pi}{2}$$1$$0$无定义
$180^\circ$$\pi$$0$$-1$$0$
$270^\circ$$\frac{3\pi}{2}$$-1$$0$无定义
$360^\circ$$2\pi$$0$$1$$0$

记忆技巧

  1. $30^\circ$-$60^\circ$三角形:短边$1$,长边$\sqrt{3}$,斜边$2$
  2. $45^\circ$-$45^\circ$三角形:直角边$1$,斜边$\sqrt{2}$
  3. 单位圆对称性:利用对称点计算各象限三角函数值

4. 诱导公式【Reference Angle Identities】

核心原则:”奇变偶不变,符号看象限”【Odd changes, even stays; sign depends on quadrant】

常用诱导公式

  1. 周期性:
    • $\sin(\theta+2\pi) = \sin\theta$,$\cos(\theta+2\pi) = \cos\theta$,$\tan(\theta+\pi) = \tan\theta$
  2. 符号与参考角:
    • 第二象限:$\sin(\pi-\theta)=\sin\theta$,$\cos(\pi-\theta)=-\cos\theta$,$\tan(\pi-\theta)=-\tan\theta$
    • 第三象限:$\sin(\pi+\theta)=-\sin\theta$,$\cos(\pi+\theta)=-\cos\theta$,$\tan(\pi+\theta)=\tan\theta$
    • 第四象限:$\sin(2\pi-\theta)=-\sin\theta$,$\cos(2\pi-\theta)=\cos\theta$,$\tan(2\pi-\theta)=-\tan\theta$
  3. 奇偶性:
    • 奇函数:$\sin(-\theta)=-\sin\theta$,$\tan(-\theta)=-\tan\theta$
    • 偶函数:$\cos(-\theta)=\cos\theta$

四、近5年真题解析(2021-2025)

1. 2025年真题 Q12(Multiple Choice)

题目:Which of the following functions has a period of $\pi$?【以下哪个函数的周期为$\pi$?】
A. $f(x) = \sin x$
B. $f(x) = \cos(2x)$
C. $f(x) = \tan(\frac{x}{2})$
D. $f(x) = \sin(\pi x)$

解析

  • 周期公式:对于$f(x)=A\cdot\text{trig}(Bx+C)+D$,周期$T=\frac{\text{基础周期}}{|B|}$
  • A选项:$\sin x$基础周期$2\pi$,$T=\frac{2\pi}{1}=2\pi$,排除
  • B选项:$\cos(2x)$基础周期$2\pi$,$T=\frac{2\pi}{2}=\pi$,正确
  • C选项:$\tan(\frac{x}{2})$基础周期$\pi$,$T=\frac{\pi}{\frac{1}{2}}=2\pi$,排除
  • D选项:$\sin(\pi x)$基础周期$2\pi$,$T=\frac{2\pi}{\pi}=2$,排除

答案:B

2. 2024年真题 Q18(Multiple Choice)

题目:What is the value of $\sin(\frac{7\pi}{6})$ using the unit circle?【用单位圆求$\sin(\frac{7\pi}{6})$的值】
A. $-\frac{1}{2}$
B. $-\frac{\sqrt{3}}{2}$
C. $\frac{1}{2}$
D. $\frac{\sqrt{3}}{2}$

解析

  1. 确定象限:$\frac{7\pi}{6}=\pi+\frac{\pi}{6}$,位于第三象限
  2. 参考角:$\frac{\pi}{6}$
  3. 第三象限正弦值为负
  4. $\sin(\frac{7\pi}{6})=-\sin(\frac{\pi}{6})=-\frac{1}{2}$

答案:A

3. 2023年真题 Q23(Free Response)

题目:Given that $\cos\theta=\frac{3}{5}$ and $\theta$ is in the fourth quadrant, find the values of $\sin\theta$ and $\tan\theta$.【已知$\cos\theta=\frac{3}{5}$且$\theta$在第四象限,求$\sin\theta$和$\tan\theta$的值】

解析

  1. 用勾股恒等式:$\sin^2\theta + \cos^2\theta = 1$
  2. $\sin^2\theta = 1-(\frac{3}{5})^2 = 1-\frac{9}{25} = \frac{16}{25}$
  3. 第四象限正弦值为负,故$\sin\theta=-\frac{4}{5}$
  4. $\tan\theta=\frac{\sin\theta}{\cos\theta}=\frac{-\frac{4}{5}}{\frac{3}{5}}=-\frac{4}{3}$

答案:$\sin\theta=-\frac{4}{5}$,$\tan\theta=-\frac{4}{3}$

4. 2022年真题 Q15(Multiple Choice)

题目:Which of the following is equivalent to $\cos(\pi-\theta)$?【以下哪个与$\cos(\pi-\theta)$等价?】
A. $\cos\theta$
B. $-\cos\theta$
C. $\sin\theta$
D. $-\sin\theta$

解析

  1. 诱导公式:第二象限余弦值$= -$参考角余弦值
  2. $\cos(\pi-\theta)=-\cos\theta$

答案:B

5. 2021年真题 Q30(Free Response)

题目:Find the exact value of $\tan(\frac{5\pi}{3})$ without a calculator.【不用计算器求$\tan(\frac{5\pi}{3})$的精确值】

解析

  1. 确定象限:$\frac{5\pi}{3}=2\pi-\frac{\pi}{3}$,位于第四象限
  2. 参考角:$\frac{\pi}{3}$
  3. 第四象限正切值为负
  4. $\tan(\frac{5\pi}{3})=-\tan(\frac{\pi}{3})=-\sqrt{3}$

答案:$-\sqrt{3}$


五、易错点及应对措施

易错点常见错误应对措施
周期计算错误混淆不同三角函数基础周期;计算$f(Bx)$周期时忘记除以$ \vert B \vert $1. 牢记基础周期:$\sin/\cos=2\pi$,$\tan=\pi$
2. 周期公式:$T=\frac{\text{基础周期}}{\vert B \vert}$,写在草稿纸显眼位置
3. 代入简单值验证周期是否正确
象限符号错误三角函数在各象限符号记忆不清;诱导公式应用错误1. 记忆口诀:”一全正,二正弦,三正切,四余弦”
2. 画单位圆草图,标注各象限坐标符号
3. 先确定参考角,再根据象限确定符号
弧度角度混淆计算时混用弧度和角度单位;特殊角弧度值记忆错误1. 常用特殊角对应:$30^\circ=\frac{\pi}{6}$,$45^\circ=\frac{\pi}{4}$,$60^\circ=\frac{\pi}{3}$,$90^\circ=\frac{\pi}{2}$
2. 计算器设置为弧度模式
3. 检查结果合理性(如$\sin(\frac{\pi}{2})=1$,$\sin(90)=0.894\neq1$)
参考角确定错误非标准位置角参考角计算错误1. 将角表示为$k\cdot(\frac{\pi}{2})+\alpha$形式($k$为整数,$0\leq\alpha<\frac{\pi}{2}$)
2. 用单位圆草图确定终边位置
3. 计算参考角:$\alpha$(第一象限)、$\pi-\alpha$(第二)、$\alpha-\pi$(第三)、$2\pi-\alpha$(第四)
勾股恒等式应用错误开方时忘记考虑符号;错误使用$1+\tan^2\theta=\sec^2\theta$等变形1. 应用勾股恒等式前先确定角所在象限
2. 开方时根据象限确定正负号
3. 记忆核心恒等式:$\sin^2\theta+\cos^2\theta=1$,其他可推导

六、公式总结

1. 周期函数公式

  • 周期函数定义:$f(x+T)=f(x)$,$T\neq0$
  • 周期计算:对于$f(x)=A\cdot\text{trig}(Bx+C)+D$,$\boldsymbol{T=\frac{\text{基础周期}}{|B|}}$
    • $\sin/\cos$基础周期$=2\pi$,故$T=\frac{2\pi}{|B|}$
    • $\tan$基础周期$=\pi$,故$T=\frac{\pi}{|B|}$

2. 单位圆三角函数定义

  • $\boldsymbol{\sin\theta=y}$(纵坐标)
  • $\boldsymbol{\cos\theta=x}$(横坐标)
  • $\boldsymbol{\tan\theta=\frac{y}{x}=\frac{\sin\theta}{\cos\theta}}$,$x\neq0$
  • 勾股恒等式:$\boldsymbol{\sin^2\theta + \cos^2\theta = 1}$

3. 特殊角三角函数值

角度弧度$\sin\theta$$\cos\theta$$\tan\theta$
$0^\circ$$0$$0$$1$$0$
$30^\circ$$\frac{\pi}{6}$$\frac{1}{2}$$\frac{\sqrt{3}}{2}$$\frac{\sqrt{3}}{3}$
$45^\circ$$\frac{\pi}{4}$$\frac{\sqrt{2}}{2}$$\frac{\sqrt{2}}{2}$$1$
$60^\circ$$\frac{\pi}{3}$$\frac{\sqrt{3}}{2}$$\frac{1}{2}$$\sqrt{3}$
$90^\circ$$\frac{\pi}{2}$$1$$0$无定义

4. 核心诱导公式

  1. 奇偶性:
    • $\sin(-\theta)=-\sin\theta$(奇函数)
    • $\cos(-\theta)=\cos\theta$(偶函数)
    • $\tan(-\theta)=-\tan\theta$(奇函数)
  2. 周期性:
    • $\sin(\theta+2\pi)=\sin\theta$,$\cos(\theta+2\pi)=\cos\theta$
    • $\tan(\theta+\pi)=\tan\theta$
  3. 象限变换:
    • 第二象限:$\sin(\pi-\theta)=\sin\theta$,$\cos(\pi-\theta)=-\cos\theta$,$\tan(\pi-\theta)=-\tan\theta$
    • 第三象限:$\sin(\pi+\theta)=-\sin\theta$,$\cos(\pi+\theta)=-\cos\theta$,$\tan(\pi+\theta)=\tan\theta$
    • 第四象限:$\sin(2\pi-\theta)=-\sin\theta$,$\cos(2\pi-\theta)=\cos\theta$,$\tan(2\pi-\theta)=-\tan\theta$

七、课后练习及完整解析

1. 确定下列函数周期:

a. $f(x)=\sin(3x)$

解析

  • 基础周期($\sin$函数):$2\pi$
  • 周期公式:$T=\frac{\text{基础周期}}{|B|}$,此处$B=3$
  • 计算:$T=\frac{2\pi}{3}$
    答案:$\frac{2\pi}{3}$

b. $g(x)=\tan(\frac{x}{2})$

解析

  • 基础周期($\tan$函数):$\pi$
  • 周期公式:$T=\frac{\text{基础周期}}{|B|}$,此处$B=\frac{1}{2}$
  • 计算:$T=\frac{\pi}{\frac{1}{2}}=2\pi$
    答案:$2\pi$

c. $h(x)=\cos(\pi x)$

解析

  • 基础周期($\cos$函数):$2\pi$
  • 周期公式:$T=\frac{\text{基础周期}}{|B|}$,此处$B=\pi$
  • 计算:$T=\frac{2\pi}{\pi}=2$
    答案:$2$

2. 不用计算器求下列值:

a. $\sin(\frac{4\pi}{3})$

解析

  1. 确定象限:$\frac{4\pi}{3}=\pi+\frac{\pi}{3}$,第三象限
  2. 参考角:$\frac{\pi}{3}$
  3. 第三象限$\sin$值为负
  4. $\sin(\frac{4\pi}{3})=-\sin(\frac{\pi}{3})=-\frac{\sqrt{3}}{2}$
    答案:$-\frac{\sqrt{3}}{2}$

b. $\cos(\frac{7\pi}{4})$

解析

  1. 确定象限:$\frac{7\pi}{4}=2\pi-\frac{\pi}{4}$,第四象限
  2. 参考角:$\frac{\pi}{4}$
  3. 第四象限$\cos$值为正
  4. $\cos(\frac{7\pi}{4})=\cos(\frac{\pi}{4})=\frac{\sqrt{2}}{2}$
    答案:$\frac{\sqrt{2}}{2}$

c. $\tan(\frac{2\pi}{3})$

解析

  1. 确定象限:$\frac{2\pi}{3}=\pi-\frac{\pi}{3}$,第二象限
  2. 参考角:$\frac{\pi}{3}$
  3. 第二象限$\tan$值为负
  4. $\tan(\frac{2\pi}{3})=-\tan(\frac{\pi}{3})=-\sqrt{3}$
    答案:$-\sqrt{3}$

3. 化简:

a. $\sin(\pi-\theta)\cdot\cos(\pi+\theta)$

解析

  1. 应用诱导公式:$\sin(\pi-\theta)=\sin\theta$,$\cos(\pi+\theta)=-\cos\theta$
  2. 相乘:$\sin\theta \cdot (-\cos\theta)=-\sin\theta\cos\theta$
    答案:$-\sin\theta\cos\theta$

b. $\tan(-\theta)\cdot\sin(\frac{\pi}{2}+\theta)$

解析

  1. 应用诱导公式:$\tan(-\theta)=-\tan\theta$,$\sin(\frac{\pi}{2}+\theta)=\cos\theta$
  2. 代入$\tan\theta=\frac{\sin\theta}{\cos\theta}$:$-\frac{\sin\theta}{\cos\theta} \cdot \cos\theta=-\sin\theta$
    答案:$-\sin\theta$

文章作者: Kezade
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