Графіки тригонометричних функцій
~15 хв · 9 розділів · 9 тестових запитань
Синусоїда, косинусоїда й тангенсоїда: ключові точки, область визначення, область значень, період, нулі та парність. Як знайти область значень і період функцій y = A sin(kx) + B та y = A cos(kx) + B.
Функція синуса — це перша тригонометрична функція, з якої починають вивчення графіків. Запам'ятай: вона визначена для будь-якого дійсного числа, її графік — плавна хвиля, яка невпинно повторюється.
Область визначення, область значень і період
Область визначення функції y = sin x — уся числова пряма: D = (−∞; +∞). Синус існує для будь-якого кута. Область значень — проміжок від −1 до 1 включно: E = [−1; 1]. Це означає, що значення синуса ніколи не виходять за межі цього відрізка.
Найменший додатний період синуса дорівнює 2π: для будь-якого x справджується рівність sin(x + 2π) = sin x. Через кожні 2π графік повністю повторюється.
Ключові точки й форма графіка
На проміжку [0; 2π] синусоїда проходить через п'ять опорних точок:
x | 0 | π/2 | π |
|---|---|---|---|
y = sin x | 0 | 1 | 0 |
x | 3π/2 | 2π |
|---|---|---|
y = sin x | −1 | 0 |
Отже, ключові точки: (0; 0), (π/2; 1), (π; 0), (3π/2; −1), (2π; 0). Графік починається з нуля, піднімається до одиниці, повертається до нуля, опускається до мінус одиниці й знову повертається до нуля. Далі ця форма повторюється праворуч і ліворуч.
Нулі, найбільше й найменше значення
Нулі функції — точки, у яких графік перетинає вісь Ox:
x = πn, n ∈ Z (тобто …, −2π, −π, 0, π, 2π, …).
Найбільше значення y = 1 синус досягає в точках x = π/2 + 2πn, найменше y = −1 — у точках x = −π/2 + 2πn (або, що те саме, x = 3π/2 + 2πn).
Парність і монотонність
Синус — непарна функція: sin(−x) = −sin x. Це означає, що графік симетричний відносно початку координат (0; 0): ліва частина є дзеркальним відображенням правої, але перевернутим.
Синус зростає на проміжку [−π/2; π/2] і спадає на проміжку [π/2; 3π/2]. Ці проміжки повторюються через 2π.
Косинус дуже схожий на синус, але зсунутий ліворуч на чверть періоду. Його графік називають косинусоїдою.
Область визначення, область значень і період
Як і для синуса, D = (−∞; +∞) і E = [−1; 1]. Найменший додатний період — 2π: cos(x + 2π) = cos x. Косинусоїда — це фактично синусоїда, зсунута ліворуч на π/2: cos x = sin(x + π/2).
Ключові точки
На проміжку [0; 2π] косинусоїда проходить через такі точки:
x | 0 | π/2 | π |
|---|---|---|---|
y = cos x | 1 | 0 | −1 |
x | 3π/2 | 2π |
|---|---|---|
y = cos x | 0 | 1 |
Ключові точки: (0; 1), (π/2; 0), (π; −1), (3π/2; 0), (2π; 1). Зверни увагу: на відміну від синуса, косинусоїда починається з одиниці, а не з нуля.
Нулі, найбільше й найменше значення
Нулі косинуса:
x = π/2 + πn, n ∈ Z (тобто …, −π/2, π/2, 3π/2, …).
Найбільше значення y = 1 косинус має при x = 2πn (…, −2π, 0, 2π, …), найменше y = −1 — при x = π + 2πn (…, −π, π, 3π, …).
Парність: ключова відмінність від синуса
Косинус — парна функція: cos(−x) = cos x. Його графік симетричний відносно осі Oy. Це головна ознака, за якою косинусоїду відрізняють від синусоїди.
Запам'ятай зорові підказки:
синусоїда проходить через
(0; 0)— початок координат;косинусоїда проходить через
(0; 1).
Тангенс різко відрізняється від синуса й косинуса: він не визначений у точках x = π/2 + πn, n ∈ Z, не має найбільшого чи найменшого значення, а його графік складається з окремих гілок.
Область визначення
Оскільки tg x = sin x / cos x, то функція не визначена там, де знаменник дорівнює нулю, тобто де cos x = 0. Це точки x = π/2 + πn (n ∈ Z). Отже,
D: x ≠ π/2 + πn, n ∈ Z.
В області визначення не входять точки …, −3π/2, −π/2, π/2, 3π/2, …. У цих точках графік має вертикальні асимптоти — прямі, до яких гілки необмежено наближаються, але ніколи їх не перетинають.
Область значень і період
На відміну від синуса й косинуса, тангенс може набувати будь-якого дійсного значення:
E = (−∞; +∞).
Найменший додатний період тангенса — π, а не 2π: tg(x + π) = tg x. Це тому, що чисельник і знаменник одночасно змінюють знак, і відношення залишається тим самим.
Ключові точки й форма графіка
Тангенсоїда складається з окремих однакових гілок. У межах одного періоду, наприклад на (−π/2; π/2), графік проходить через точки:
x | −π/4 | 0 | π/4 |
|---|---|---|---|
y = tg x | −1 | 0 | 1 |
Біля лівої межі x → −π/2⁺ гілка спадає до −∞, біля правої межі x → π/2⁻ піднімається до +∞. Кожна наступна гілка виглядає так само, зсунута на π праворуч чи ліворуч.
Нулі, парність і монотонність
Нулі тангенса збігаються з нулями синуса:
x = πn, n ∈ Z.
Тангенс — непарна функція: tg(−x) = −tg x. Графік симетричний відносно початку координат.
На кожному проміжку вигляду (−π/2 + πn; π/2 + πn) тангенс зростає. Важливо: він зростає на кожному такому проміжку окремо, але не на всій області визначення — між гілками є розриви.
У завданнях трапляються не лише sin x чи cos x, а й функції виду y = A sin(kx) + B або y = A cos(kx) + B, графіки яких отримують перетвореннями синусоїди чи косинусоїди. Тут A — амплітуда (розмах коливань), k змінює період, а B зсуває графік угору чи вниз.
Область значень: формула B − |A| ≤ y ≤ B + |A|
Оскільки sin(kx) і cos(kx) завжди лежать у межах [−1; 1], то після множення на A і додавання B отримуємо:
E = [B − |A|; B + |A|].
Тобто найменше значення дорівнює B − |A|, найбільше — B + |A|. Знак A впливає лише на те, у якому напрямі спершу йде графік, але не на межі проміжку — ми завжди беремо модуль.
Приклади
y = 3 cos x − 1: |A| = 3, B = −1 → E = [−1 − 3; −1 + 3] = [−4; 2]
y = −2 sin x: |A| = 2, B = 0 → E = [−2; 2]
y = 5 − 2 sin x: A = −2, B = 5 → E = [5 − 2; 5 + 2] = [3; 7]
Період: формули 2π/|k| і π/|k|
Коефіцієнт k стискає або розтягує графік уздовж осі Ox:
Функція | Період | Приклад |
|---|---|---|
y = sin(kx) | 2π/|k| | sin 2x → T = π |
y = cos(kx) | 2π/|k| | cos(x/3) → T = 6π |
y = tg(kx) | π/|k| | tg 3x → T = π/3 |
Важливо: множник A і доданок B НЕ впливають на період. Наприклад, y = 3 sin 2x − 1 має той самий період π, що й y = sin 2x.
Читання параметрів за графіком
Якщо на НМТ дано графік функції виду y = A sin(kx) + B або y = A cos(kx) + B, параметри знаходять так:
амплітуда: |A| = (максимум − мінімум) / 2;
середня лінія: B = (максимум + мінімум) / 2;
період: відстань між двома сусідніми максимумами (або мінімумами, або точками, де графік перетинає середню лінію в одному напрямі).
Профільний рівень — загальні відомості
Дослідження функції на періодичність і загальні властивості періодичних функцій програма відносить до профільного рівня. Для більшості завдань достатньо знати періоди основних тригонометричних функцій і наведені формули 2π/|k| та π/|k|. Утім, НМТ рівнів не розрізняє, тож такі завдання не виключені.
Розгляньмо чотири типові задачі, які можуть трапитися на НМТ.
Приклад 1. Область значень функції y = 4 − 3 cos x
Завдання. Знайдіть область значень функції y = 4 − 3 cos x.
Розв'язання. Маємо формулу y = B − A cos x, де A = 3, B = 4 (тут B — це вільний член, а A = 3 є додатним, тому |A| = 3). Область значень: [B − |A|; B + |A|] = [4 − 3; 4 + 3] = [1; 7].
Відповідь: [1; 7].
Чому неправильні інші варіанти:
[−3; 3] — забули додати доданок 4, узяли лише множник
−3 cos x;[−1; 1] — узяли область значень голого косинуса;
[4; 7] — неправильно визначили нижню межу:
4 − 3 = 1, а не 4;[−7; −1] — переплутали знаки, відняли 4 від амплітуди.
Приклад 2. Найменший додатний період y = cos(x/3)
Завдання. Знайдіть найменший додатний період функції y = cos(x/3).
Розв'язання. Запишемо cos(x/3) = cos((1/3)·x), отже k = 1/3. Період косинуса з коефіцієнтом k дорівнює 2π/|k| = 2π / (1/3) = 2π · 3 = 6π.
Відповідь: 6π.
Чому неправильні інші варіанти:
2π/3 — поділили 2π на 3 замість помножити на 3 (тобто взяли
k = 3, а не1/3);3π — переплутали формулу з тангенсом:
π/|k| = π : (1/3) = 3π;2π — забули врахувати коефіцієнт
k;π/3 — узяли
k = 3замість1/3і ще й формулу тангенсаπ/k.
Приклад 3. Логічні пари: функції та їхні властивості
Завдання. Установіть відповідність між функцією (1–3) та її властивістю (А–Д).
1) y = sin x 2) y = cos x 3) y = tg x
А) функція парна; Б) не визначена в точці x = π/2; В) нулі x = πn і E = [−1; 1]; Г) період π і E = [−1; 1]; Д) найбільше значення дорівнює 2.
Розв'язання. Зіставляємо за вивченими властивостями:
1)
y = sin x— нуліπn, область значень[−1; 1]. Це варіант В.2)
y = cos x— парна функція. Це варіант А.3)
y = tg x— не визначена вx = π/2. Це варіант Б.
Відповідь: 1 — В, 2 — А, 3 — Б.
Властивості Г і Д є дистракторами: Г поєднує період тангенса з областю значень синуса, а Д не відповідає жодній з основних функцій.
Приклад 4. Упізнай формулу за описом графіка
Завдання. Синусоїда проходить через початок координат і зростає в ньому, найбільше значення дорівнює 2, найменше — −2, а відстань між сусідніми максимумами дорівнює π. Яка формула задає цю функцію?
Розв'язання. Амплітуда |A| = (2 − (−2))/2 = 2, отже A = ±2. Оскільки графік зростає в початку координат, це синус (косинус у нулі дорівнював би ±2). Період T = π. Для синуса T = 2π/|k|, тому |k| = 2π/T = 2π/π = 2. Отже, y = 2 sin 2x.
Відповідь: y = 2 sin 2x.
Чому інші варіанти неправильні:
y = 2 sin x — період
2π, а неπ;y = sin 2x — амплітуда 1, а не 2;
y = 2 cos 2x — проходить через
(0; 2), а не через(0; 0);y = 2 sin(x/2) — період
4π, а неπ.
Збираю найпоширеніші помилки, які коштують балів на НМТ. Прочитай уважно й запам'ятай.
Період
y = sin 2xвважають4π. Правильно:2π / 2 = π. Помилка виникає, коли множать2πнаkзамість ділити. Формула:T = 2π / |k|— чим більшийk, тим коротший період.Область значень
y = 3 cos x − 1записують як[−3; 3]. Забувають доданок−1(абоB). Правильно:[−4; 2]. Завжди додавайBдо обох меж.При від'ємному
Aзаписують проміжок із лівою межею, більшою за праву, наприклад для−2 sin xпишуть[2; −2]. Правильно:[−2; 2]— ліва межа завжди менша за праву. Бери модуль|A|:E = [B − |A|; B + |A|].Вважають
tg xвизначеним у точціπ/2або приписують йомуE = [−1; 1]. Тангенс не існує вπ/2 + πn, і його значення — уся числова пряма(−∞; +∞).Переплутують графіки синуса й косинуса. Запам'ятай: синусоїда проходить через
(0; 0), косинусоїда — через(0; 1).Вважають
cos xнепарною, аsin x— парною. Навпаки:cos x— парна (симетрія відносно Oy),sin x— непарна (симетрія відносно початку координат).Записують нулі
cos xякπn. Правильно:x = π/2 + πn. Нулі синуса й тангенса —πn, а косинус перетинає вісь Ox у точкахπ/2 + πn.
Тригонометричні функції входять до розділу «Функції» програми, тема «Функціональна залежність. Лінійні, квадратні, степеневі, показникові, логарифмічні та тригонометричні функції, їх основні властивості». Властивості періодичних функцій і дослідження на періодичність програма відносить до вимог профільного рівня. НМТ рівнів не розрізняє, тож такі завдання не виключені.
У демоваріанті НМТ-2026 завдання № 16 (логічні пари 1–3 → А–Д, по 1 балу за кожну правильно встановлену пару) містить тригонометричну функцію поруч із логарифмічною та дробово-раціональною. Тобто від тебе можуть вимагати зіставити функцію з її властивостями.
У завданнях № 1–15 (вибір однієї правильної відповіді з п'яти, 0 або 1 бал) можуть запитувати:
область значень функції виду
y = A sin(kx) + Bабоy = A cos(kx) + B;найменший додатний період;
вибір графіка, що відповідає заданій тригонометричній функції.
У довідкових матеріалах, доступних під час НМТ в електронній формі, є означення синуса, косинуса й тангенса через одиничне коло, а також таблиця значень тригонометричних функцій для кутів 0, π/6, π/4, π/3, π/2, π, 3π/2, 2π. Графіків, формул періодів або областей значень у довідці немає — це треба знати напам'ять.
Чому період y = sin 2x дорівнює π, а не 4π?
Формула періоду для y = sin(kx) — T = 2π / |k|. Для k = 2 маємо T = 2π / 2 = π. Якщо k більший за 1, графік стискається, тому період стає меншим, а не більшим. Легка помилка — множити 2π на k і отримувати 4π. Насправді треба ділити.
Як швидко відрізнити синусоїду від косинусоїди?
Подивись на значення в точці x = 0:
якщо графік проходить через
(0; 0)— це синусоїда (y = sin x);якщо проходить через
(0; 1)— це косинусоїда (y = cos x); графік, що проходить через(0; −1), — цеy = −cos x.
Інший спосіб: у точці x = 0 синусоїда проходить через нуль і зростає, а косинусоїда має вершину — найбільше значення cos 0 = 1.
Чому тангенс не визначений у точці π/2?
За означенням, tg x = sin x / cos x. У точці x = π/2 маємо cos(π/2) = 0, а ділити на нуль не можна. У всіх точках, де cos x = 0, тобто при x = π/2 + πn, тангенс не існує. На графіку це видно як вертикальні асимптоти — гілки тангенсоїди необмежено наближаються до цих прямих, але ніколи їх не перетинають.
Як знайти область значень, якщо перед косинусом стоїть від'ємне число?
Завжди бери модуль коефіцієнта. Формула E = [B − |A|; B + |A|] працює для будь-якого знака A. Наприклад, для y = −5 cos x + 2:|A| = 5, B = 2, отже E = [2 − 5; 2 + 5] = [−3; 7]. Знак мінуса перед A лише перевертає графік догори дном, але межі області значень не змінює.
Чи змінює доданок B період функції?
Ні, B зсуває графік угору або вниз (вздовж осі Oy), але не впливає на період. Період визначає лише коефіцієнт k при аргументі. Наприклад, y = 2 sin 3x + 5 має період 2π/3 — такий самий, як і y = sin 3x.
Збери в пам'яті ключові факти — вони стануть у пригоді на НМТ.
sin x і cos x:
D = (−∞; +∞),E = [−1; 1], період2π.tg x:
x ≠ π/2 + πn,E = (−∞; +∞), періодπ.Парність:
sin xіtg x— непарні,cos x— парна.Нулі: у
sin xіtg x—x = πn, уcos x—x = π/2 + πn.Для
y = A sin(kx) + Bтаy = A cos(kx) + B: область значеньE = [B − |A|; B + |A|], період2π/|k|(для синуса й косинуса) іπ/|k|(для тангенса).Синусоїда проходить через
(0; 0), косинусоїда — через(0; 1).