函数 y = A\sin (\omega x + \varphi)

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正弦型函数三要素图像变换周期相位

函数 y = A\sin(\omega x + \varphi)

精准说出 A、ω、φ 如何改变图像,并能从任意图像反推出解析式

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正弦型函数三要素图像变换周期相位

函数 y = A\sin(\omega x + \varphi)

精准说出 A、ω、φ 如何改变图像,并能从任意图像反推出解析式

1第 1 页 · 函数 y = A\sin(\omega x + \varphi)

生活中的周期运动

上一页我们见到了 y = A sin(ωx + φ)。但为什么弹簧的来回和交流电的起伏,最后都长成这个形状?因为它们背后是同一种运动。

围绕平衡点往复
弹簧被拉离原长会弹回,LC 电路偏离平衡也会回归——都是「偏离→恢复」的循环
周期由系统本身决定
弹簧的 T 仅由 m 和 k 决定,交流电的 T 仅由 L 和 C 决定;振幅再大,周期不变
能量在两种形式间互换
弹簧:动能↔弹性势能;LC 电路:电场能↔磁场能。总能守恒,振幅因此恒定
弹簧振子(机械)对应 →LC 振荡电路(电磁)

位移↔电荷,速度↔电流,质量↔电感,劲度↔1/电容——方程完全同构

x(t)=Asin(ωt+φ),ω=k/m=1LCx(t)=A\sin(\omega t+\varphi),\quad \omega=\sqrt{k/m}=\tfrac{1}{\sqrt{LC}}
2第 2 页 · 生活中的周期运动

从圆周运动到正弦曲线

上一页我们看见了钟摆、风扇这些生活中的周期运动。但一条光滑的正弦曲线,本质上从哪来?答案就藏在一个最简单的运动里——单位圆上的匀速旋转。

单位圆上的匀速运动
取一个半径为 1 的圆,让点 P 以恒定角速度沿圆周逆时针转动
追踪纵坐标 y(t)
每一时刻记录 P 点的 y 坐标,也就是它到 x 轴的有向距离
沿时间轴展开
把不同时刻的 y 值依次描在以时间 t 为横轴的新坐标系里
得到正弦曲线
这些点连成的光滑曲线,正好就是 y = sin(t) 的图像
摩天轮座椅的离地高度对应 →单位圆上点的纵坐标

转到最高点时 y=1,过圆心水平时 y=0,最低点时 y=-1

yP(t)=sin(ωt)y_P(t) = \sin(\omega t)
3第 3 页 · 从圆周运动到正弦曲线

振幅 A:离开平衡位置的幅度

上一页里,正弦曲线来自匀速圆周运动的竖直投影。圆的半径决定了投影来回摆动的范围——这个半径,就是振幅 A。

|A| 决定上下边界
y 的最大值是 |A|,最小值是 -|A|,整个波形被夹在 ±|A| 之间
A 的正负有意义
A < 0 等价于把 A>0 的图像沿 x 轴翻转,相当于多了一个 π 的相位差
A 不能为 0
A = 0 时 y 恒为 0,不再有周期性,函数退化为常数
秋千的摆动对应 →振幅 |A|

荡得越高(偏离平衡位置越远)对应 |A| 越大;|A| 只管荡多远,不管荡多快

y[A,  A]y \in [-|A|,\;|A|]
4第 4 页 · 振幅 A:离开平衡位置的幅度

角频率 ω:往复的快慢

振幅 A 回答「摆多大」,那「摆多快」由谁说了算?这就要请出角频率 ω。

角频率 ω
相位 (ωx+φ) 随 x 变化的快慢,单位是弧度
|ω| 与疏密
|ω| 越大,相同 x 区间内波峰越多,图像越密
周期 T
完成一次完整往复对应的 x 长度,T = 2π/|ω|
钟摆摆动快慢对应 →角频率 |ω|

摆越快频率越高,对应 |ω| 越大,T 越短

T=2πωT = \dfrac{2\pi}{|\omega|}
5第 5 页 · 角频率 ω:往复的快慢

初相 φ:起点的位置

上节 ω 决定了摆动的快慢,但还有一个问题:当你按下秒表那一刻,摆已经走到了哪里?这个'差多少'就是初相 φ 要回答的。

φ 是起点角度
x=0 时刻正弦波对应的相位角,决定曲线从何处起步
控制水平平移
φ>0 曲线整体左移 |φ|,φ<0 曲线整体右移 |φ|
决定起始高度
x=0 时 y₀ = A sin φ,直接给出曲线起点的纵坐标
周期等价
φ 相差 2π 整数倍时曲线完全重合
同速度的跑步选手对应 →φ 是起跑线位置

速度一样(A、ω 相同),但起跑位置不同,过同一标记的先后也不同

y=Asin(ωx+φ),y(0)=Asinφy = A\sin(\omega x + \varphi), \quad y(0) = A\sin\varphi
6第 6 页 · 初相 φ:起点的位置

A > 1:纵向拉伸

看 A>1 时,y=sin(x) 的每个点如何被纵向拉伸。

图解渲染中…
a2原始 sin 函数的上下边界b2本页条件:A 大于 1d1|A| 是绝对值,保证非负
7第 7 页 · A > 1:纵向拉伸

0 < |A| < 1:纵向压缩

从 sin x 出发,看 |A| 在不同区间如何改造波形

图解渲染中…
a3按 |A| 取值分叉成三种变形a4本页重点:波沿 y 方向被压扁
8第 8 页 · 0 < |A| < 1:纵向压缩

A 的符号:上下颠倒

前面看过 A > 1 把波拉高、0 < |A| < 1 把波压扁。可一旦 A 取负数,图像会发生一次戏剧性的翻转——山峰变山谷,山谷变山峰。

上下镜像
A 变负相当于把整条曲线沿 x 轴对折一次
峰谷互换
原本的最高点变成最低点,最低点变成最高点
幅度守恒
翻转只改方向,不改 |A|,最大偏移量数值不变
等价移相
负 A 可吸收进初相,恰好抵消一个 π
波形图对着镜子看对应 →A 取负数的效果

镜像后波形一模一样,只是上下颠倒——这正是 x 轴做对称轴的几何含义

y=sin(x)=sin(x+π)y = -\sin(x) = \sin(x + \pi)
9第 9 页 · A 的符号:上下颠倒

|ω| > 1:横向压缩

从 |ω|>1 出发,箭头即因果:T=2π/|ω| 缩短 → 横向压缩

图解渲染中…
d2周期公式:|ω| 越大,一个完整波所跨的 x 越短d4几何结果:y 方向不变,只在 x 方向被挤压d5ω=2 时,原来 0~2π 一个波,现在塞进两个d7边界提示:A 管纵向、φ 管起点,ω 都不碰
10第 10 页 · |ω| > 1:横向压缩

0 < |ω| < 1:横向拉伸

沿箭头方向读:先看条件 |ω|<1,再到周期公式、T 变大、波形拉宽、往复变慢。虚线是数值例证。

图解渲染中…
B周期公式 T = 2π/|ω|,|ω| 越小 T 越大Gω = 1/2 时 T = 4π,是标准周期 2π 的 2 倍C虚线箭头把数值例证接回主因果链
11第 11 页 · 0 < |ω| < 1:横向拉伸

ω 的符号:左右翻转

上页我们让 |ω| 在 0 到 1 之间伸缩,那只是横向的压扁或拉长。今天换一面:ω 的正负号。它不改幅度也不改周期,但会让图象相对原版左右互换。

关于 y 轴镜像
ω 换成 -ω 后,新曲线相对原曲线左右互换;振幅 |A| 与周期 2π/|ω| 都不变
sin 的奇函数性质
sin(-x) = -sin(x);水平镜像等价于上下翻转
波形传播方向反向
ω > 0 时波向右传,ω < 0 时波向左传;但静态图象仅互为镜像
镜子里看钟摆对应 →ω 取负

镜中钟摆左右互换,但摆动快慢和幅度都一样

ω<0: Asin(ωx+φ)=Asin(ωxφ)\omega < 0:\ A\sin(\omega x + \varphi) = -A\sin(|\omega| x - \varphi)
12第 12 页 · ω 的符号:左右翻转

φ > 0:向左平移

顺着箭头读:从原函数零点出发,加 φ 后解方程,符号决定方向。

图解渲染中…
n4由 ωx+φ=0 解出;此图设 ω>0,否则以 |ω| 替换
13第 13 页 · φ > 0:向左平移

φ < 0:向右平移

顺箭头读:从原波到右移后的新波,关键是看零点从 x=0 跑到哪儿。

图解渲染中…
n4「内部」指 ωx+φ 这个角;令其=0 即找零点n7右移距离=|φ|/|ω|,与上页左移公式对称
14第 14 页 · φ < 0:向右平移

从 y = sin x 到 y = A\sin(\omega x + \varphi)

按“平移、横向伸缩、纵向伸缩”的顺序,把标准正弦曲线改造成一般形式。

1
相位平移
先写成 sin(x+φ),φ>0 左移,φ<0 右移
2
横向伸缩
再把 x 换成 ωx;|ω| 改横向尺度,ω<0 左右翻转
3
纵向伸缩
最后乘 A;|A| 改纵向尺度,A<0 上下翻转
15第 15 页 · 从 y = sin x 到 y = A\sin(\omega x + \varphi)

三步变换的顺序细节

为何先平移再伸缩与先伸缩再平移不同

三步变换的顺序细节
为何先平移再伸缩与先伸缩再平移不同
16第 16 页 · 三步变换的顺序细节

匀速圆周运动的位置函数

上一页把「圆周运动」和「正弦曲线」画了等号。这页要解释等号为什么成立——圆上匀速运动的点,它的坐标究竟怎么就成了三角函数。

圆的设定
圆心取为原点 O,点 P 沿半径为 R 的圆做匀速转动
角度随时间线性增长
t 时刻转过的角 θ = ωt + φ₀,ω 是角速度
纵坐标的表达式
P 的纵坐标 y_P = R sin θ = R sin(ωt + φ₀)
三角函数的来历
对比 y = A sin(ωx + φ):A=R、自变量 x↔t、初相 φ=φ₀
摩天轮上的人对应 →圆上点的纵坐标

人距圆心恒为 R,但上下高度随转角按 sin 规律变化

y=Rsin(ωt+φ0)y = R\sin(\omega t + \varphi_0)
17第 17 页 · 匀速圆周运动的位置函数

参数与圆周运动的对应

左右两列一一对应:左边是圆周运动的物理量,右边是正弦函数的三个参数。

图解渲染中…
R圆周运动中点 P 到圆心的距离O点 P 每秒转过的弧度,单位 rad/sFt=0 时 P 与 x 轴正方向的夹角
18第 18 页 · 参数与圆周运动的对应

自测:参数识别

点击作答

弹簧振子的位移满足 x(t) = 4sin(2t + π/6) cm(t 单位:秒)。t = 0 时,振子距平衡位置多远?

19第 19 页 · 自测:参数识别

由图象读出振幅 A

上页我们知道了 A 代表离开平衡位置的最大距离。如果图象已经画好,怎么把这个数值「读」出来?

最高点
图象中 y 取最大值的那个点
平衡位置
上下波动的中线,y = 0
A 的绝对值
等于最高点到平衡位置的距离
A 的符号
最高点在上方 A>0,在下方 A<0
钟摆摆到最高点对应 →正弦图象的最高点

摆锤离静止位置(平衡位置)的距离,就是振幅 A 的大小

A=ymax|A| = y_{\max}
20第 20 页 · 由图象读出振幅 A

由图象读出周期 T

上页我们从图上读出了振幅 A——最高点离 x 轴多远。这次反过来,读周期 T:相邻两个峰之间的水平距离。

相邻两峰的距离 = T
在图象上找两个相邻的最高点,它们在 x 轴上的间隔就是 T
不局限于峰
相邻的谷、相邻的零点,水平距离也都等于 T
由 T 反推 ω
ω = 2π/T;T 越大则 ω 越小,函数振荡得越慢
海浪相邻两个浪尖对应 →正弦曲线相邻两个峰

一个浪尖≈一个峰;相邻浪尖的水平距离≈周期 T

T=2πωT = \dfrac{2\pi}{|\omega|}
21第 21 页 · 由图象读出周期 T

由图象读出初相 φ

上页从图象读出了 T 进而算出 ω,最后一步是 φ。φ 控制「起点」,但它在图象上没有刻度直接写出来——要把图象和 y = sin x 叠在一起,找一处两者「对得上」的关键位置,才能把 φ 反推出来。

选特征点
通常取离 y 轴最近、曲线由下向上穿过 x 轴的那个零点
对应 sin x
上升零点在 y = sin x 中对应 x = 2kπ,这是已知锚点
列方程求 φ
ωx₀ + φ = 2kπ,解得 φ = -ωx₀ + 2kπ
取最小 |φ|
在所有解里挑 |φ| 最小的那个,约定 |φ| ≤ π
倒带找关键帧对应 →找图象对应点

sin x 像完整影片,关键帧在 x=0;图象上同帧出现在 x₀,x₀ 就是 φ 留下的偏移

ωx0+φ=2kπ, kZ\omega x_0 + \varphi = 2k\pi,\ k \in \mathbb{Z}
22第 22 页 · 由图象读出初相 φ

本节要点回顾

  • A、ω、φ几何作用域正交,三者在变换上互不串扰
  • ω先φ后与φ先ω后,落到不同位置——顺序敏感
  • φ对应的平移量需用|φ|/ω,不能直接当|φ|用
  • 从图反参数:最值定A,周期定ω,过零定φ
  • A负上下翻转,ω负左右翻转,三符号都进入图象
延伸主题:正弦型函数叠加和差化积与辅助角傅里叶级数初步
23第 23 页 · 本节要点回顾

课后思考

先独立思考每问,再对照参考答案——重点体会思路,不必死记结论。

1为什么改变 φ 不会改变周期和振幅?它究竟管什么?

参考答案先看公式:周期 T=2π/ω、振幅 |A|,两者都与 φ 无关。所以 φ 只决定 x=0 那一刻的相位值,即「起点位置」。

2真实弹簧有阻尼,振幅随时间衰减——y = A sin(ωx + φ) 还适用吗?

参考答案原公式假设 A 是常数,描述等幅振动。阻尼情况下振幅随时间衰减,需改写为 A·exp(-λx)·sin(ωx+φ) 等形式,超出本节范围。

3用匀速圆周运动推导 sin 函数时,「匀速」这条件能不能去掉?去掉后会怎样?

参考答案匀速保证角度 ωt 随 t 线性增加;变速时角度非线性,无法写成 ωx+φ 形式,函数不再是标准 sin。

24第 24 页 · 课后思考