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22三角函数★★★★☆
已知函数 f(x)=sin⁡(ωx+φ)f(x) = \sin (\omega x + \varphi)(ω>0\omega > 0,0⩽φ⩽π0 \leqslant \varphi \leqslant \pi)是 R\mathbf{R} 上的偶函数,其图象关于点 M(3π4,0)M\left(\frac{3\pi}{4}, 0\right) 对称,且在区间 [0,π2]\left[0, \frac{\pi}{2}\right] 上是单调函数. 求 ω\omega 和 φ\varphi 的值.
\begin{solution} 由于 f(x)f(x) 是偶函数,对任意 xx 有
0=f(x)−f(−x)=sin⁡(ωx+φ)−sin⁡(−ωx+φ)=2cos⁡φsin⁡ωx0=f(x)-f(-x)=\sin(\omega x+\varphi)-\sin(-\omega x+\varphi)=2\cos\varphi\sin\omega x
又 ω>0\omega>0,故 cos⁡φ=0\cos\varphi=0. 结合 0⩽φ⩽π0\leqslant\varphi\leqslant\pi,得 φ=π2\varphi=\frac{\pi}{2},从而 f(x)=cos⁡ωxf(x)=\cos\omega x.
图象关于 M(3π4,0)M\left(\frac{3\pi}{4},0\right) 对称,故对任意 xx 有
cos⁡(ω(3π2−x))=−cos⁡ωx\cos\left(\omega\left(\frac{3\pi}{2}-x\right)\right)=-\cos\omega x
令 t=ωxt=\omega x,则上式对任意 t∈Rt\in\mathbf{R} 成立. 由
cos⁡(3πω2−t)=cos⁡3πω2cos⁡t+sin⁡3πω2sin⁡t\cos\left(\frac{3\pi\omega}{2}-t\right)=\cos\frac{3\pi\omega}{2}\cos t+\sin\frac{3\pi\omega}{2}\sin t
可得 cos⁡3πω2=−1\cos\frac{3\pi\omega}{2}=-1,sin⁡3πω2=0\sin\frac{3\pi\omega}{2}=0, 所以 3πω2=(2m+1)π\frac{3\pi\omega}{2}=(2m+1)\pi,即 ω=2(2m+1)3\omega=\frac{2(2m+1)}{3},其中 mm 为非负整数.
在区间 [0,π2]\left[0,\frac{\pi}{2}\right] 上,ωx\omega x 的取值范围为 [0,(2m+1)π3]\left[0,\frac{(2m+1)\pi}{3}\right]. 当 m=0m=0 或 m=1m=1 时,cos⁡ωx\cos\omega x 在该区间上单调递减;当 m⩾2m\geqslant2 时,ωx\omega x 在该区间内越过 π\pi,函数先减后增,不满足单调性. 因此
(ω,φ)=(23,π2)或(2,π2)(\omega,\varphi)=\left(\frac{2}{3},\frac{\pi}{2}\right)\quad\text{或}\quad\left(2,\frac{\pi}{2}\right)
\end{solution}

2003 · 天津 · 文 · 第 22 题 · 解答题

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