Функция y = tg x. Свойства и график — 11 класс
Алгебра · 11 класс · Тригонометрические функции

Функция y = tg x. Свойства и график

Тема урока: определение функции тангенс; область определения, периодичность и нечётность; график функции y = tg x и её свойства; преобразования графика и чтение свойств функции по графику.

План урока

0–2 минОрганизационный момент. Вопросы по домашнему заданию
2–22 минТренировочная работа «Тригонометрические тождества. Функции y = sin x и y = cos x»
22–25 минРазбор типичных ошибок тренировочной работы
25–30 минПовторение: графики функций y = sin x и y = cos x
30–38 минФункция y = tg x: определение, свойства, график, преобразования
38–40 минПодведение итогов. Задания для самостоятельной работы. Домашнее задание

1. Повторение: графики функций y = sin x и y = cos x

Значение sin x равно ординате точки единичной окружности, соответствующей углу x. Пусть точка равномерно вращается по окружности против часовой стрелки, а лист клетчатой бумаги равномерно протягивается влево сквозь вертикальную прямую.

Если в каждый момент отмечать на этой прямой высоту точки, на листе остаётся след: график функции y = sin x.

Для косинуса окружность на анимации повёрнута на 90°: ось абсцисс направлена вверх. Тогда высота точки над горизонтальным диаметром равна cos x, и на листе остаётся график функции y = cos x.

Горизонтальный масштаб листа: одна клетка соответствует углу π4. Подписи на оси абсцисс движутся вместе с листом.

Область определения ℝ, область значений [−1; 1]: точка не выходит за пределы окружности радиуса 1.
Период 2π: после полного оборота точка возвращается в исходное положение, и след на листе повторяется.
Чётность: функция y = sin x нечётная, функция y = cos x чётная.
Связь графиков: cos x = sin(x + π2), поэтому график косинуса — синусоида, сдвинутая на π2 влево.

Полная таблица свойств функций y = sin x и y = cos x приведена в конспекте предыдущего урока.

2. Определение функции y = tg x

На предыдущем уроке тангенс угла был определён как отношение синуса к косинусу: tg α = sin αcos α.

Каждому действительному числу x, для которого cos x ≠ 0, поставим в соответствие число tg x. Тем самым определена функция y = tg x.

Косинус обращается в нуль в точках x = π2 + πk, k ∈ ℤ. В этих точках тангенс не определён.

D(y): x ≠ π2 + πk, k ∈ ℤ

Геометрический смысл: линия тангенсов

Проведём касательную к единичной окружности в точке (1; 0), то есть прямую x = 1. Прямая OP, где P — точка окружности, соответствующая углу x, пересекает эту касательную в точке T.

Из подобия прямоугольных треугольников следует, что ордината точки T равна sin xcos x = tg x. Поэтому прямую x = 1 называют линией тангенсов.

Для углов II и III четвертей точку T даёт продолжение радиуса OP за точку O. При x, близких к π2, прямая OP почти вертикальна, и ордината точки T неограниченно возрастает.

xOPT(1; tg x)1tg xx = 1

3. Периодичность и нечётность

Период

Точки единичной окружности, соответствующие углам x и x + π, симметричны относительно начала координат. Поэтому sin(x + π) = −sin x и cos(x + π) = −cos x, откуда

tg(x + π) = −sin x−cos x = tg x

Наименьший положительный период функции y = tg x равен π, тогда как у синуса и косинуса он равен 2π.

Чётность

Область определения функции симметрична относительно нуля, и для любого x из неё

tg(−x) = sin(−x)cos(−x) = −sin xcos x = −tg x

Следовательно, функция y = tg x нечётная, и её график симметричен относительно начала координат.

Достаточно построить график на интервале (−π2; π2), длина которого равна периоду. На всей области определения график получается повторением этой части со сдвигом вдоль оси абсцисс на πk.

4. График функции y = tg x

x−π3−π4−π60π6π4π3
tg x−√3 ≈ −1,73−1−√33 ≈ −0,580√33 ≈ 0,581√3 ≈ 1,73

При приближении x к π2 слева значения tg x неограниченно возрастают, при приближении x к −π2 справа неограниченно убывают.

Прямые x = π2 + πk называют вертикальными асимптотами графика: график неограниченно приближается к ним, но не пересекает их.

График функции y = tg x называется тангенсоидой. Он состоит из бесконечного числа одинаковых ветвей; каждая ветвь получается из центральной сдвигом вдоль оси абсцисс на πk.

На рисунке изображены три ветви; точки из таблицы значений отмечены на центральной ветви, асимптоты показаны штриховыми линиями.

xy03π2−−ππ2−π2π3π21−12−23−3y = tg x
График функции y = tg x; асимптоты x = π2 + πk.

5. Свойства функции y = tg x

Свойствоy = tg x  (k ∈ ℤ)
Область определенияx ≠ π2 + πk
Область значенийℝ
Наименьший положительный периодπ
Чётностьнечётная: tg(−x) = −tg x
Нулиx = πk
Положительна(πk; π2 + πk)
Отрицательна(−π2 + πk; πk)
Монотонностьвозрастает на каждом интервале (−π2 + πk; π2 + πk)
Наибольшее и наименьшее значенияне существуют
Вертикальные асимптотыx = π2 + πk
Типичная ошибка. Функция y = tg x не является возрастающей на всей области определения. Например, π4 < 3π4, однако tg π4 = 1, а tg 3π4 = −1. Функция возрастает на каждом интервале (−π2 + πk; π2 + πk) в отдельности.
Сравнение значений тангенса
  1. С помощью периода перенесите оба аргумента в интервал (−π2; π2).
  2. Сравните полученные аргументы и воспользуйтесь возрастанием функции на этом интервале.

Пример: tg 2 = tg(2 − π), tg 3 = tg(3 − π), где 2 − π ≈ −1,14 и 3 − π ≈ −0,14. Так как −1,14 < −0,14, получаем tg 2 < tg 3.

Пример. Наибольшее и наименьшее значения на отрезке

Найдите наибольшее и наименьшее значения функции y = tg x на отрезке [−π6; π4].

Отрезок содержится в интервале (−π2; π2), на котором функция возрастает. Следовательно, наименьшее значение достигается на левом конце отрезка, а наибольшее — на правом.

y(−π6) = −√33,  y(π4) = 1.

Ответ: наименьшее значение −√33, наибольшее значение 1.

Если отрезок содержит точку вида π2 + πk, функция определена не во всех точках отрезка; в этом случае наибольшего или наименьшего значения может не существовать.

6. Преобразования графика. Чтение свойств по графику

Графики функций, заданных формулами, близкими к y = tg x, получаются из тангенсоиды известными преобразованиями. Правила те же, что и для любой функции y = f(x).

y = tg x + b: сдвиг вдоль оси ординат на b (вверх при b > 0). Асимптоты не изменяются, нули смещаются.
y = tg(x − a): сдвиг вдоль оси абсцисс на a (вправо при a > 0). Асимптоты: x = π2 + a + πk, нули: x = a + πk.
y = −tg x: симметрия относительно оси абсцисс. Функция убывает на каждом интервале (−π2 + πk; π2 + πk).
y = tg kx, k > 0: сжатие к оси ординат в k раз при k > 1 (растяжение при 0 < k < 1). Наименьший положительный период равен πk.

Пример. Свойства функции y = tg(x − π4)

График получается сдвигом тангенсоиды на π4 вправо.

Асимптоты: x − π4 = π2 + πk, то есть x = 3π4 + πk.

Нули: x − π4 = πk, то есть x = π4 + πk.

Монотонность: функция возрастает на каждом интервале (−π4 + πk; 3π4 + πk).

Область значений ℝ, наименьший положительный период π.

xy0−π5π4−π4−π43π4π5π41−1
Штриховой серой линией показан график y = tg x, сплошной зелёной — график y = tg(x − π4); асимптоты x = 3π4 + πk отмечены оранжевым пунктиром.

7. Задания для самостоятельной работы

Решите задания в тетради. Затем откройте плашку «Проверить себя» под заданием и сравните ответ и ход решения.

Основные задания

1.Найдите значения: а) tg π4; б) tg(−π3); в) tg π; г) tg 5π4.
Проверить себя
а) 1; б) −√3; в) 0; г) tg 5π4 = tg(π + π4) = tg π4 = 1.
2.Принадлежат ли графику функции y = tg x точки A(π4; 1) и B(3π4; 1)?
Проверить себя
A принадлежит, так как tg π4 = 1. B не принадлежит, так как tg 3π4 = −1 ≠ 1.
3.По графику укажите промежуток интервала (−π2; π2), на котором tg x < 0.
Проверить себя
(−π2; 0).
4.Сравните числа tg π7 и tg π5.
Проверить себя
Оба аргумента лежат в интервале (−π2; π2), где тангенс возрастает, и π7 < π5. Следовательно, tg π7 < tg π5.
5.По графику функции y = cos x укажите промежуток отрезка [−π; π], на котором функция возрастает.
Проверить себя
[−π; 0]. На отрезке [0; π] функция убывает.

Дополнительные задания

6.Найдите наименьший положительный период функции y = tg 3x.
Проверить себя
π3: график y = tg 3x получается сжатием тангенсоиды к оси ординат в 3 раза.
7.Сравните числа tg 1 и tg 2.
Проверить себя
1 ∈ (0; π2), поэтому tg 1 > 0; 2 ∈ (π2; π), поэтому tg 2 < 0. Следовательно, tg 1 > tg 2.
8.Найдите область определения функции y = tg(x + π6).
Проверить себя
x + π6 ≠ π2 + πk, то есть x ≠ π3 + πk, k ∈ ℤ.
9.Известно, что tg α = 2. Найдите tg(α + π), tg(−α) и tg(α − 3π).
Проверить себя
2; −2; 2. Используются периодичность (период π) и нечётность тангенса.
10.С помощью графиков функций y = sin x и y = cos x найдите на отрезке [0; 2π] корни уравнения sin x = cos x.
Проверить себя
π4 и 5π4. В этих точках графики пересекаются; при cos x ≠ 0 уравнение равносильно уравнению tg x = 1.

Домашнее задание

Выполните задания одного из уровней: базового (№1–7) или повышенного (№1п–7п). Задачи 8* и 9* выполняются по желанию.

Задания охватывают функцию y = tg x и графики функций y = sin x и y = cos x. При выполнении используйте свойства этих функций и их графики.

Базовый уровень

1.Вычислите: а) tg π3 · tg π6; б) tg π4 − tg(−π4); в) √3 · tg(−π6) + tg π.
2.Определите знак числа: а) tg 2π3; б) tg 5π4; в) tg(−π5); г) tg 2.
3.Постройте в тетради по точкам график функции y = tg x на интервале (−π2; π2) и проведите асимптоты. Пользуясь периодичностью, достройте ветвь на интервале (π2; 3π2). По графику укажите нули функции на интервале (−π2; 3π2) и промежутки, на которых tg x > 0.
4.Сравните числа: а) tg π8 и tg π6; б) tg(−1) и tg(−1,2).
5.Найдите наибольшее и наименьшее значения функции y = tg x на отрезке [−π4; π3].
6.Постройте в одной системе координат графики функций y = sin x и y = cos x на отрезке [0; 2π]. По графикам укажите: а) абсциссы точек пересечения графиков; б) промежуток, на котором sin x > cos x.
7.а) Найдите наибольшее и наименьшее значения функции y = cos x на отрезке [π3; 3π2]. б) Найдите область значений функции y = 2 sin x − 1.

Повышенный уровень

1п.а) Найдите область определения функции y = tg 2x. б) Найдите наименьший положительный период функции y = tg x3.
2п.Постройте эскиз графика функции y = tg(x + π4). Укажите уравнения асимптот, нули функции и промежутки возрастания.
3п.Расположите в порядке возрастания числа tg 1, tg 2, tg 3, tg 4.
4п.Найдите наибольшее и наименьшее значения функции y = tg²x − 2 tg x на отрезке [0; π3].
5п.С помощью графика решите на интервале (−π2; π2) неравенство: а) tg x ≥ 1; б) tg x < −√3.
6п.Постройте эскиз графика функции y = 2 cos(x − π3) на отрезке [0; 2π]. Укажите область значений функции, её наибольшее и наименьшее значения на этом отрезке и точки, в которых они достигаются.
7п.Расположите в порядке возрастания числа sin 1, cos 1, tg 1.
8*.задача на размышление Сколько корней имеет уравнение tg x = x на отрезке [0; 2π]?
9*.задача на размышление При каких значениях a уравнение tg x = a имеет на отрезке [0; π] ровно один корень?
Ответы для самопроверки

1. а) √3 · √33 = 1; б) 1 − (−1) = 2; в) √3 · (−√33) + 0 = −1.

2. а) −; б) +; в) −; г) −, так как 2 ∈ (π2; π).

3. Нули: 0 и π. tg x > 0 на интервалах (0; π2) и (π; 3π2).

4. а) π8 < π6, поэтому tg π8 < tg π6; б) −1,2 < −1, оба числа лежат в (−π2; π2), поэтому tg(−1,2) < tg(−1).

5. Функция возрастает на [−π4; π3]: наименьшее значение tg(−π4) = −1, наибольшее значение tg π3 = √3.

6. а) π4 и 5π4; б) (π4; 5π4).

7. а) На [π3; π] косинус убывает, на [π; 3π2] возрастает. Наименьшее значение −1 при x = π; на концах cos π3 = 12, cos 3π2 = 0, наибольшее значение 12. б) −1 ≤ sin x ≤ 1, поэтому −3 ≤ 2 sin x − 1 ≤ 1, E(y) = [−3; 1].

1п. а) 2x ≠ π2 + πk, x ≠ π4 + πk2, k ∈ ℤ; б) 3π.

2п. Сдвиг тангенсоиды на π4 влево. Асимптоты x = π4 + πk; нули x = −π4 + πk; возрастает на каждом интервале (−3π4 + πk; π4 + πk).

3п. tg 2 = tg(2 − π), tg 3 = tg(3 − π), tg 4 = tg(4 − π), где 2 − π ≈ −1,14; 3 − π ≈ −0,14; 4 − π ≈ 0,86 и все аргументы, вместе с числом 1, лежат в (−π2; π2). Так как −1,14 < −0,14 < 0,86 < 1, получаем tg 2 < tg 3 < tg 4 < tg 1.

4п. Пусть t = tg x; на отрезке [0; π3] t принимает все значения из [0; √3]. Квадратичная функция f(t) = t² − 2t имеет вершину t = 1, f(1) = −1; на концах f(0) = 0, f(√3) = 3 − 2√3 ≈ −0,46. Наименьшее значение −1 (при x = π4), наибольшее значение 0 (при x = 0).

5п. а) [π4; π2); б) (−π2; −π3).

6п. График y = cos x сдвигается на π3 вправо и растягивается вдоль оси ординат в 2 раза. E(y) = [−2; 2]. Наибольшее значение 2 при x = π3, наименьшее значение −2 при x = 4π3.

7п. Число 1 лежит в интервале (π4; π3), поэтому cos 1 < √22 < sin 1 < 1 < tg 1. Ответ: cos 1, sin 1, tg 1.

8*. 2. Корень x = 0; на (0; π2) выполняется tg x > x, так как отрезок линии тангенсов длиннее соответствующей дуги. На (π2; π] и (3π2; 2π] tg x ≤ 0 < x. На (π; 3π2) функция tg x возрастает от 0 до +∞ и пересекает прямую y = x ровно один раз (x ≈ 4,49).

9*. При a ≠ 0. На [0; π2) тангенс принимает каждое неотрицательное значение ровно один раз, на (π2; π] — каждое неположительное. Значение 0 достигается дважды: при x = 0 и x = π.