Giải Toán 11 Bài 3: Hàm số lượng giác
Giải Toán 11 trang 22 Tập 1
,
trong đó t là thời gian (tính bằng giây). Hãy tìm thời gian của một chu kì hô hấp đầy đủ và số chu kì hô hấp trong một phút của người đó.
Lời giải:
Sau bài học này, ta sẽ giải quyết được bài toán trên như sau:
Thời gian của một chu kì hô hấp đầy đủ chính là một chu kì tuần hoàn của hàm v(t) và là T = (giây).
Ta có: 1 phút = 60 giây.
Do đó, số chu kì hô hấp trong một phút của người đó là (chu kì).
1. Định nghĩa hàm số lượng giác
HĐ1 trang 22 Toán 11 Tập 1: Hoàn thành bảng sau:
Lời giải:
Lần lượt thay các giá trị và vào sin x, cos x, tan x và cot x, ta hoàn thành được bảng như sau:
Giải Toán 11 trang 23 Tập 1
Luyện tập 1 trang 23 Toán 11 Tập 1: Tìm tập xác định của hàm số
Lời giải:
Biểu thức có nghĩa khi sin x ≠ 0, tức là x ≠ kπ (k ∈ ℤ).
Vậy tập xác định của hàm số là ℝ \ {kπ | k ∈ ℤ}.
2. Hàm số chẵn, hàm số lẻ, hàm số tuần hoàn
HĐ2 trang 23 Toán 11 Tập 1: Cho hai hàm số f(x) = x2 và g(x) = x3, với các đồ thị như hình dưới đây.
a) Tìm các tập xác định Df, Dg của các hàm số f(x) và g(x).
b) Chứng tỏ rằng f(– x) = f(x), ∀ x ∈ Df. Có nhận xét gì về tính đối xứng của đồ thị hàm số y = f(x) đối với hệ trục tọa độ Oxy?
c) Chứng tỏ rằng g(– x) = – g(x), ∀ x ∈ Dg. Có nhận xét gì về tính đối xứng của đồ thị hàm số y = g(x) đối với hệ trục tọa độ Oxy?
Lời giải:
a) Biểu thức x2 và x3 luôn có nghĩa với mọi x ∈ ℝ.
Vậy tập xác định của hàm số f(x) = x2 là Df = ℝ và tập xác định của hàm số g(x) = x3 là Dg = ℝ.
b) ∀ x ∈ Df, ta luôn có f(– x) = (– x)2 = x2 = f(x). Vậy f(– x) = f(x), ∀ x ∈ Df.
Từ hình vẽ ta thấy đồ thị hàm số f(x) = x2 đối xứng với nhau qua trục tung Oy.
c) ∀ x ∈ Dg, ta luôn có g(– x) = (– x)3 = – x3 = – g(x). Vậy g(– x) = – g(x), ∀ x ∈ Dg.
Từ hình vẽ ta thấy đồ thị hàm số g(x) = x3 nhận gốc tọa độ O làm tâm đối xứng.
Giải Toán 11 trang 24 Tập 1
Luyện tập 2 trang 24 Toán 11 Tập 1: Xét tính chẵn, lẻ của hàm số .
Lời giải:
Biểu thức có nghĩa khi x ≠ 0.
Suy ra tập xác định của hàm số là D = ℝ \ {0}.
Do đó, nếu x thuộc tập xác định D thì – x cũng thuộc tập xác định D.
Ta có: g(– x) = = – g(x), ∀ x ∈ D.
Vậy là hàm số lẻ.
HĐ3 trang 24 Toán 11 Tập 1: So sánh:
a) sin(x + 2π) và sin x;
b) cos(x + 2π) và cos x;
c) tan(x + π) và tan x;
d) cot(x + π) và cot x.
Lời giải:
a) Ta có: sin(x + 2π) = sin[π + (x + π)] = – sin(x + π) = – sin(π + x) = – (– sin x) = sin x.
Vậy sin(x + 2π) = sin x.
b) Ta có: cos(x + 2π) = cos[π + (x + π)] = – cos(x + π) = – (– cos x) = cos x.
Vậy cos(x + 2π) = cos x.
c) Ta có: tan(x + π) = tan(π + x) = tan x.
Vậy tan(x + π) = tan x.
d) Ta có: cot(x + π) = cot(π + x) = cot x.
Vậy cot(x + π) = cot x.
Lời giải:
Hàm số hằng f(x) = c (c là hằng số) có tập xác định D = ℝ.
Với T là số dương bất kì và với mọi x ∈ D, ta luôn có:
+) x + T ∈ D và x – T ∈ D;
+) f(x + T) = c = f(x) (vì f(x) là hàm số hằng nên với mọi x thì giá trị của hàm số đều có giá trị bằng c).
Vậy hàm số hằng f(x) = c (c là hằng số) là hàm số tuần hoàn với chu kì là một số dương bất kì.
Giải Toán 11 trang 25 Tập 1
Luyện tập 3 trang 25 Toán 11 Tập 1: Xét tính tuần hoàn của hàm số y = tan2x.
Lời giải:
Biểu thức tan 2x có nghĩa khi .
Suy ra hàm số y = tan 2x có tập xác định là D = .
Với mọi số thực x, ta có:
+) ;
+) .
Vậy y = tan 2x là hàm số tuần hoàn với chu kì .
3. Đồ thị và tính chất của hàm số y = sin x
HĐ4 trang 25 Toán 11 Tập 1: Cho hàm số y = sin x.
a) Xét tính chẵn, lẻ của hàm số.
b) Hoàn thành bảng giá trị sau của hàm số y = sin x trên đoạn [– π; π] bằng cách tính giá trị của sin x với những x không âm, sau đó sử dụng kết quả câu a để suy ra giá trị tương ứng của sin x với những x âm.
Bằng cách lấy nhiều điểm M(x; sin x) với x ∈ [– π; π] và nối lại ta được đồ thị hàm số y = sin x trên đoạn [– π; π].
c) Bằng cách làm tương tự câu b cho các đoạn khác có độ dài bằng chu kì T = 2π, ta được đồ thị của hàm số y = sin x như hình dưới đây.
Từ đồ thị ở Hình 1.14, hãy cho biết tập giá trị, các khoảng đồng biến, các khoảng nghịch biến của hàm số y = sin x.
Lời giải:
a) Hàm số y = f(x) = sin x có tập xác định là D = ℝ.
Do đó, nếu x thuộc tập xác định D thì – x cũng thuộc tập xác định D.
Ta có: f(– x) = sin (– x) = – sin x = – f(x), ∀ x ∈ D.
Vậy y = sin x là hàm số lẻ.
b) Ta có: sin 0 = 0, , sin π = 0.
Vì y = sin x là hàm số lẻ nên , ,
, sin(– π) = – sin π = 0.
Vậy ta hoàn thành được bảng như sau:
Giải Toán 11 trang 26 Tập 1
Luyện tập 4 trang 26 Toán 11 Tập 1: Tìm tập giá trị của hàm số y = 2sin x.
Lời giải:
Ta có: – 1 ≤ sin x ≤ 1 với mọi x ∈ ℝ.
Suy ra 2 . (– 1) ≤ 2sin x ≤ 2 . 1 hay – 2 ≤ 2sin x ≤ 2 với mọi x ∈ ℝ.
Vậy hàm số y = 2sin x có tập giá trị là [– 2; 2].
Vận dụng 1 trang 26 Toán 11 Tập 1: Xét tình huống mở đầu.
a) Giải bài toán ở tình huống mở đầu.
b) Biết rằng quá trình hít vào xảy ra khi v > 0 và quá trình thở ra xảy ra khi v < 0.
Trong khoảng thời gian từ 0 đến 5 giây, khoảng thời điểm nào thì người đó hít vào? người đó thở ra?
Lời giải:
a) Thời gian của một chu kì hô hấp đầy đủ chính là một chu kì tuần hoàn của hàm v(t) và là T = (giây).
Ta có: 1 phút = 60 giây.
Do đó, số chu kì hô hấp trong một phút của người đó là (chu kì).
b) Ta có:
+) v > 0 khi
Mà – 1 ≤ sin ≤ 1 với mọi x ∈ ℝ. Do đó, .
+) v < 0 khi
Mà – 1 ≤ sin ≤ 1 với mọi x ∈ ℝ. Do đó, .
+) Với t ∈ (0; 3) ta có .
+) Với t ∈ (3; 5] ta có .
Vậy trong khoảng thời gian từ 0 đến 5 giây, khoảng thời điểm sau 0 giây đến trước 3 giây thì người đó hít vào và khoảng thời điểm sau 3 giây đến 5 giây thì người đó thở ra.
4. Đồ thị và tính chất của hàm số y = cos x
HĐ5 trang 26 Toán 11 Tập 1: Cho hàm số y = cos x.
a) Xét tính chẵn, lẻ của hàm số.
b) Hoàn thành bảng giá trị sau của hàm số y = cos x trên đoạn [– π; π] bằng cách tính giá trị của cos x với những x không âm, sau đó sử dụng kết quả câu a để suy ra giá trị tương ứng của cos x với những x âm.
Bằng cách lấy nhiều điểm M(x; cos x) với x ∈ [– π; π] và nối lại ta được đồ thị hàm số y = cos x trên đoạn [– π; π].
c) Bằng cách làm tương tự câu b cho các đoạn khác có độ dài bằng chu kì T = 2π, ta được đồ thị của hàm số y = cos x như hình dưới đây.
Từ đồ thị ở Hình 1.15, hãy cho biết tập giá trị, các khoảng đồng biến, các khoảng nghịch biến của hàm số y = cos x.
Lời giải:
a) Hàm số y = f(x) = cos x có tập xác định là D = ℝ.
Do đó, nếu x thuộc tập xác định D thì – x cũng thuộc tập xác định D.
Ta có: f(– x) = cos (– x) = cos x = f(x), ∀ x ∈ D.
Vậy y = cos x là hàm số chẵn.
b) Ta có: cos 0 = 1, , cos π = – 1.
Vì y = cos x là hàm số chẵn nên , ,
, cos(– π) = cos π = – 1.
Vậy ta hoàn thành được bảng như sau:
c) Quan sát Hình 1.15, ta thấy đồ thị hàm số y = cos x có:
+) Tập giá trị là [– 1; 1];
+) Đồng biến trên mỗi khoảng (do đồ thị hàm số đi lên từ trái sang phải trên mỗi khoảng này) và nghịch biến trên mỗi khoảng (do đồ thị hàm số đi xuống từ trái sang phải trên mỗi khoảng này).
Giải Toán 11 trang 27 Tập 1
Luyện tập 5 trang 27 Toán 11 Tập 1: Tìm tập giá trị của hàm số y = – 3cos x.
Lời giải:
Ta có: – 1 ≤ cos x ≤ 1 với mọi x ∈ ℝ.
Suy ra (– 3) . (– 1) ≥ – 3cos x ≥ (– 3) . 1 hay – 3 ≤ – 3cos x ≤ 3 với mọi x ∈ ℝ.
Vậy hàm số y = – 3cos x có tập giá trị là [– 3; 3].
Giả sử một vật dao động điều hòa theo phương trình x(t) = – 5cos 4πt (cm).
a) Hãy xác định biên độ và pha ban đầu của dao động.
b) Tính pha của dao động tại thời điểm t = 2 (giây). Hỏi trong khoảng thời gian 2 giây, vật thực hiện được bao nhiêu dao động toàn phần?
Lời giải:
a) Ta có: – 5cos 4πt = 5cos(4πt + π).
Khi đó vật dao động điều hòa theo phương trình x(t) = 5cos(4πt + π) (cm) với biên độ dao động là A = 5 > 0 và pha ban đầu của dao động là φ = π.
b) Pha của dao động tại thời điểm t = 2 (giây) là ωt + φ = 4π . 2 + π = 9π.
Dao động điều hòa có chu kì là , có nghĩa là khoảng thời gian để vật thực hiện một dao động toàn phần là 0,5 giây. Do đó, trong khoảng thời gian 2 giây, vật thực hiện được 2 : 0,5 = 4 dao động toàn phần.
5. Đồ thị và tính chất của hàm số y = tan x
HĐ6 trang 28 Toán 11 Tập 1: Cho hàm số y = tan x.
a) Xét tính chẵn, lẻ của hàm số.
b) Hoàn thành bảng giá trị sau của hàm số y = tan x trên khoảng .
Bằng cách lấy nhiều điểm M(x; tan x) với x ∈ và nối lại ta được đồ thị hàm số y = tan x trên khoảng .
c) Bằng cách làm tương tự câu b cho các khoảng khác có độ dài bằng chu kì T = π, ta được đồ thị của hàm số y = tan x như hình dưới đây.
Từ đồ thị ở Hình 1.16, hãy tìm tập giá trị và các khoảng đồng biến của hàm số y = tan x.
Lời giải:
a) Hàm số y = f(x) = tan x có tập xác định là D = ℝ \ .
Do đó, nếu x thuộc tập xác định D thì – x cũng thuộc tập xác định D.
Ta có: f(– x) = tan (– x) = – tan x = – f(x), ∀ x ∈ D.
Vậy y = tan x là hàm số lẻ.
b) Ta có: tan 0 = 0, .
Vì y = tan x là hàm số lẻ nên , ,
.
Vậy ta hoàn thành được bảng như sau:
c) Quan sát Hình 1.16, ta thấy đồ thị hàm số y = tan x có:
+) Tập giá trị là ℝ;
+) Đồng biến trên mỗi khoảng (do đồ thị hàm số đi lên từ trái sang phải trên mỗi khoảng này).
Giải Toán 11 trang 29 Tập 1
Lời giải:
Hàm số y = tan x nhận giá trị âm ứng với phần đồ thị nằm dưới trục hoành. Từ đồ thị ở Hình 1.16 ta suy ra trên đoạn thì y < 0 khi .
6. Đồ thị và tính chất của hàm số y = cot x
HĐ7 trang 29 Toán 11 Tập 1: Cho hàm số y = cot x.
a) Xét tính chẵn, lẻ của hàm số.
b) Hoàn thành bảng giá trị sau của hàm số y = cot x trên khoảng (0; π).
Bằng cách lấy nhiều điểm M(x; cot x) với x ∈ (0; π) và nối lại ta được đồ thị hàm số y = cot x trên khoảng (0; π).
c) Bằng cách làm tương tự câu b cho các khoảng khác có độ dài bằng chu kì T = π, ta được đồ thị của hàm số y = cot x như hình dưới đây.
Từ đồ thị ở Hình 1.17, hãy tìm tập giá trị và các khoảng nghịch biến của hàm số y = cotx.
Lời giải:
a) Hàm số y = f(x) = cot x có tập xác định là D = ℝ \ {kπ | k ∈ ℤ}.
Do đó, nếu x thuộc tập xác định D thì – x cũng thuộc tập xác định D.
Ta có: f(– x) = cot (– x) = – cot x = – f(x), ∀ x ∈ D.
Vậy y = cot x là hàm số lẻ.
b) Ta có: ,
.
Vậy ta hoàn thành được bảng như sau:
c) Quan sát Hình 1.17, ta thấy đồ thị hàm số y = cot x có:
+) Tập giá trị là ℝ;
+) Nghịch biến trên mỗi khoảng (do đồ thị hàm số đi xuống từ trái sang phải trên mỗi khoảng này).
Giải Toán 11 trang 30 Tập 1
Lời giải:
Hàm số y = cot x nhận giá trị dương ứng với phần đồ thị nằm trên trục hoành. Từ đồ thị ở Hình 1.17 ta suy ra trên đoạn thì y > 0 khi .
Bài tập
Bài 1.14 trang 30 Toán 11 Tập 1: Tìm tập xác định của các hàm số sau:
a) ;
b) .
Lời giải:
a) Biểu thức có nghĩa khi sin x ≠ 0, tức là x ≠ kπ, k ∈ ℤ.
Vậy tập xác định của hàm số là D = ℝ \ {kπ | k ∈ ℤ}.
b) Biểu thức có nghĩa khi .
Vì – 1 ≤ cos x ≤ 1 nên 1 + cos x ≥ 0 với mọi x ∈ ℝ và 2 – cos x ≥ 1 > 0 với mọi x ∈ ℝ.
Do đó, 2 – cos x ≠ 0 với mọi x ∈ ℝ và với mọi x ∈ ℝ.
Vậy tập xác định của hàm số là D = ℝ.
Bài 1.15 trang 30 Toán 11 Tập 1: Xét tính chẵn lẻ của các hàm số sau:
a) y = sin 2x + tan 2x;
b) y = cos x + sin2 x;
c) y = sin x cos 2x;
d) y = sin x + cos x.
Lời giải:
a) Biểu thức sin 2x + tan 2x có nghĩa khi cos 2x ≠ 0 (do ), tức là .
Suy ra tập xác định của hàm số y = f(x) = sin 2x + tan 2x là .
Do đó, nếu x thuộc tập xác định D thì – x cũng thuộc tập xác định D.
Ta có: f(– x) = sin (– 2x) + tan (– 2x) = – sin 2x – tan 2x = – (sin 2x + tan 2x) = – f(x), ∀ x ∈ D.
Vậy y = sin 2x + tan 2x là hàm số lẻ.
b) Tập xác định của hàm số y = f(x) = cos x + sin2 x là D = ℝ.
Do đó, nếu x thuộc tập xác định D thì – x cũng thuộc tập xác định D.
Ta có: f(– x) = cos (– x) + sin2 (– x) = cos x + (– sin x)2 = cos x + sin2 x = f(x), ∀ x ∈ D.
Vậy y = cos x + sin2 x là hàm số chẵn.
c) Tập xác định của hàm số y = f(x) = sin x cos 2x là D = ℝ.
Do đó, nếu x thuộc tập xác định D thì – x cũng thuộc tập xác định D.
Ta có: f(– x) = sin (– x) . cos (– 2x) = – sin x . cos 2x = – f(x), ∀ x ∈ D.
Vậy y = sin x cos 2x là hàm số lẻ.
d) Tập xác định của hàm số y = f(x) = sin x + cos x là D = ℝ.
Do đó, nếu x thuộc tập xác định D thì – x cũng thuộc tập xác định D.
Ta có: f(– x) = sin (– x) + cos (– x) = – sin x + cos x ≠ – f(x).
Vậy y = sin x + cos x là hàm số không chẵn, không lẻ.
Bài 1.16 trang 30 Toán 11 Tập 1: Tìm tập giá trị của các hàm số sau:
a) y = ;
b) y = .
Lời giải:
a) Ta có: với mọi x ∈ ℝ
với mọi x ∈ ℝ
với mọi x ∈ ℝ
với mọi x ∈ ℝ
⇔ – 3 ≤ y ≤ 1 với mọi x ∈ ℝ.
Vậy tập giá trị của hàm số y = là [– 3; 1].
b) Vì – 1 ≤ cos x ≤ 1 với mọi x ∈ ℝ nên 0 ≤ 1 + cos x ≤ 2 với mọi x ∈ ℝ.
Do đó, với mọi x ∈ ℝ.
Suy ra với mọi x ∈ ℝ.
Hay với mọi x ∈ ℝ.
Vậy tập giá trị của hàm số y = là .
Lời giải:
Ta có đồ thị của hàm số y = tan x như hình vẽ dưới đây.
Ta có tan x = 0 khi hàm số y = tan x nhận giá trị bằng 0 ứng với các điểm x mà đồ thị giao với trục hoành. Từ đồ thị ở hình trên ta suy ra y = 0 hay tan x = 0 khi x = kπ, k ∈ ℤ.
a) Tìm chu kì của sóng.
b) Tìm chiều cao của sóng, tức là khoảng cách theo phương thẳng đứng giữa đáy và đỉnh của sóng.
Lời giải:
a) Chu kì của sóng là (giây).
b) Chiều cao của sóng tức là chiều cao của nước đạt được trong một chu kì dao động.
Ta có: h(20) = = 90 (cm).
Vậy chiều cao của sóng là 90 cm.
Xem thêm các bài giải SGK Toán 11 Kết nối tri thức hay, chi tiết khác:
Bài 1: Giá trị lượng giác của góc lượng giác