對一道經(jīng)典的三角函數(shù)高考試題的多視角探究

　　摘 要：本文從不同的視角出發(fā)，對2018年全國新課標Ⅰ卷的一道填空題進行研究、剖析，使學生在學習過程中懂原理、會方法，思維得到不斷提升，同時也能很好地培養(yǎng)學生數(shù)學核心素養(yǎng).

　　關鍵詞：高考;三角函數(shù);探究

　　《黑龍江教育(高教研究與評估)》(月刊)創(chuàng)刊于2005年，是由黑龍江教育雜志社主辦的高教刊物。曾榮獲”黑龍江省社科十佳期刊。

　　最值是函數(shù)圖象的重要特征，也是函數(shù)的重要性質(zhì)，函數(shù)性質(zhì)在高考中屬于必考內(nèi)容，求函數(shù)的最值，在于研究函數(shù)的圖象和利用其性質(zhì)進行求解.三角函數(shù)的最值問題的求解也是如此，既可以遷移函數(shù)最值的求解方法，也可以根據(jù)三角函數(shù)自身的定義、圖象和性質(zhì)進行研究.在高考備考中，如能從不同的視角出發(fā)，對三角試題進行研究、分析，就能讓學生在學習過程中更好地掌握方法，培養(yǎng)數(shù)學核心素養(yǎng).本文以2018年全國新課標Ⅰ卷的一道填空題為例，闡述解決三角函數(shù)最值問題的多種視角，彰顯其作為高考試題所散發(fā)出來的魅力.

　　1 題目呈現(xiàn)

　　題目 (2018年全國新課標Ⅰ卷)已知函數(shù)f(x)=2sinx+sin2x，則f(x)的最小值.

　　2 解法賞析

　　2.1 導數(shù)的視角

　　解析 因為f(x)=2sinx+sin2x的最小正周期為T=2π，

　　所以f ′(x)=2(cosx+cos2x)=2(2cos2x+cosx-1)=2(2cosx-1)(cosx+1).

　　令f ′(x)=0，即2cos2x+cosx-1=0.

　　所以cosx=12或cosx=-1.

　　當cosx=12，即x=π3或x=5π3時，函數(shù)f(x)取得極值.

　　當cosx=-1，即x=π時，函數(shù)f(x)取得極值.

　　又因為f(5π3)=-3 32，f(π3)=3 32，f(0)=f2π=0，f(π)=0，

　　所以比較大小可知，函數(shù)f(x)最小值為-3 32.

　　評析 利用導數(shù)求函數(shù)的極值，再比較極值與端點的函數(shù)值大小確定函數(shù)最值，是求函數(shù)最值常用的方法.本題利用函數(shù)的周期性在一個周期內(nèi)求三角函數(shù)的極值和周期起始點與終點的函數(shù)值，比較大小獲得函數(shù)的最小值.

　　2.1.2 換元法思想

　　解析 令t=sinx，t∈-1，1，則f(t)=2t+2t1-t2，則f′t=4t2t2-34

　　當x∈-1，-32∪0，32時，f′t<0，ft單調(diào)遞減;

　　當x∈-32，0∪32，1時，f′t>0，ft單調(diào)遞增.

　　則ft在t=-32或32取極小值.

　　因為f32=3 32，f-32=-3 32，所以fx的最小值為-3 32.

　　評析 利用換元法將三角函數(shù)轉(zhuǎn)化為我們熟悉的函數(shù)，再進行求導，判斷函數(shù)在定義域上的單調(diào)性以及求函數(shù)的極值，進而獲得函數(shù)的最值，它變換了函數(shù)表達形式，讓解題更符合習慣，換元是一種很好的轉(zhuǎn)化方式，但是在運用換元法時要注意換元后變量的范圍.

　　2.2 平面幾何的視角

　　解析 fx=2sinx+sin2x=2sinx1+cosx.

　　如圖1，以AB為直徑作單位圓，點C為圓上的任意一點，CD⊥AB于點E.

　　設∠COB=x，則sinx=yC=CE，1+cosx=1+xC=AE，故fx=2sinx1+cosx=2SΔACD，當且僅當x=∠CAD=60°時，SΔACD取得最大值3 34.

　　由于fx=2sinx+sin2x為奇函數(shù)，故當且僅當x=-60°時，fx的最小值是-3 32.

　　評析 由于三角函數(shù)具有單位圓的定義，所以在解決相關問題時也可考慮構(gòu)造單位圓，利用單位圓內(nèi)的有向線段表示各個三角函數(shù)值，再利用數(shù)形結(jié)合轉(zhuǎn)化為三角形面積求最值問題，這個求最值的過程很好地利用了三角函數(shù)的單位圓定義.

　　2.3 不等式視角

　　2.3.1 均值不等式法

　　解析 fx=2sinx+sin2x

　　=2sinx1+cosx

　　=4sinx·cos2x2

　　=8sinx2cos3x2

　　=83 3sin2x2cos2x2cos2x2cos2x2

　　≤83 3sin2x2+cos2x2+cos2x2+cos2x244

　　=83×916=3 32.

　　當且僅當x=π3時，等號成立，此時fx的最大值為3 22，由于該函數(shù)為奇函數(shù)，所以fx的最小值為-3 22.

　　評析 “基本不等式”是求積型函數(shù)最大值的一種模型，可以有條件地將所求拓展為多元基本不等式.除了條件的要求之外，在模型的構(gòu)造技巧上有一定的難度，掌握消元的技巧即和為定值是關鍵，學生在求解函數(shù)最值問題時有必要掌握好這一常規(guī)工具.

　　2.3.2 琴生不等式法

　　解析 當x∈0，π2時，fx=sinx是上凸函數(shù)，由Jensen不等式得，

　　fx=2sinx+sin2x=sinx+sinx+sin(π-2x)

　　≤3·sinx+x+(π-2x)3=3 32.

　　當且僅當x=π3時等號成立，此時fx的最大值為3 22，由于該函數(shù)為奇函數(shù)，所以fx的最小值為-3 22.

　　評析 此方法利用高等數(shù)學中的琴生不等式求解.Jensen不等式是函數(shù)凸凹性的重要結(jié)論，在最值問題中具有廣泛的應用.在高考中借助高等數(shù)學背景考查高中數(shù)學知識越來越熱門，因此了解一些高等數(shù)學知識對解題無疑是如虎添翼.

　　3 試題價值

　　精心設計的高考試題，不僅能為考生提供從不同視角思考問題、分析問題的途徑，也能檢測考生的分析問題、解決問題的能力，正所謂是“橫看成嶺側(cè)成峰，遠近高低各不同”.對知識的理解也是如此，有了這樣的考題，就能讓我們通過試題的多姿多彩領悟到了生命的內(nèi)涵與價值.

　　精心設計的高考試題能從多個不同視角思考問題、理解問題，也能更好地體現(xiàn)教育、考試的公平.

　　精心設計的高考試題能成為后續(xù)學習的范例，為后續(xù)的教與學以及考試、命題提供可模擬、可變式、可拓展、可借鑒的典范，具有很強的操作、參考價值.

　　精心設計的高考試題同樣也承載著學生數(shù)學核心素養(yǎng)培養(yǎng)的重任，它為學生的數(shù)學邏輯推理、直觀想象、數(shù)學運算、數(shù)學建模等核心素養(yǎng)的培養(yǎng)提供必要的載體.這就是高考試題的價值體現(xiàn).

　　參考文獻：

　　[1]吳志鵬，潘敬貞.一道經(jīng)典的三角形高考試題賞析[J].理科考試研究，2019(07)：7-9.