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學習・解釋・訂正

模型中的振幅、週期及相位

先理解概念,獨立嘗試,再解釋想法如何改變。

高一必修 第一册(A版).pdf · 5.6 · PDF 238 / 印刷頁 231

先重溫:單位圓坐標及符號恆等式選擇及定義域保留

專題 01

模型中的振幅、週期及相位

把參數讀成可觀察改變,還原模型並保留歧義。

學完之後,你能解釋

  • 區分振幅、垂直平移、角頻率及水平平移。
  • 由足夠觀測還原正弦模型,辨認抽樣資料不足的情況。

四參數、四作用

兩種改變均可改圖像高度,但只有一種改變中線。

振幅為 |A|;頻率縮放輸入,故水平平移為 −φ/ω,而非 −φ。

y=D+Asin⁡(ωx+ϕ)y=D+A\sin(\omega x+\phi)
  1. 提出角係數顯示平移。

    ωx+ϕ=ω(x+ϕ/ω)\omega x+\phi=\omega(x+\phi/\omega)
  2. 完整輸入週期令相角增加 2π。

    T=2π/∣ω∣T=2\pi/|\omega|

成立條件

  • 非恆定正弦曲線要求 A≠0、ω≠0;x、φ 角單位須一致。

反例:sin(2x+π/3) 左移 π/6,不是 π/3。

  • 連結公式參數與中線、極值、週期括號及平移零點。

還原與不足抽樣

配合公式須解釋量測時刻及記錄高度。

極值給振幅及中線;完整重複相位確定週期,但有限抽樣等值不代表常數曲線。

D=(ymax⁡+ymin⁡)/2,∣A∣=(ymax⁡−ymin⁡)/2D=(y_{\max}+y_{\min})/2,\quad |A|=(y_{\max}-y_{\min})/2
  1. 由極值求垂直參數。

    ymax⁡=D+∣A∣,ymin⁡=D−∣A∣y_{\max}=D+|A|,\quad y_{\min}=D-|A|
  2. 在整數時刻,完整週期振盪可能不可見。

    sin⁡(2πn)=0,n∈Z\sin(2\pi n)=0,\quad n\in\mathbb Z

成立條件

  • 確定最小週期須真正相鄰極大值;常數函數沒有最小正週期。

反例:記錄 y(n)=2 無法區分 y=2 及 y=2+sin(2πt)。

  • 比較連續曲線、抽樣點及極值表。

預測 → 操作 → 解釋 → 遷移

先留下預測,再探索關係。

課節思考:哪個滑桿改週期而不改振幅及中線?

模型實驗:先預測調整下列參數會改變哪個結果,再以顯示的數值檢查,並與課節問題比較。

振幅 2,週期 360°(6.28319 弧度),實際水平平移 0°。相位 φ=0°;中線 D=0。-3603605-5

振幅 2,週期 360°(6.28319 弧度),實際水平平移 0°。相位 φ=0°;中線 D=0。

圖像的數值資料,可列印
輸入(度)輸出
00
902
1800
270-2
3600

解釋:分解 ωx+φ,比較實際平移 −φ/ω 及相位設定。

遷移:令 A=0 或 ω=0,解釋為何沒有最小正週期。

試一試,把思路寫下來。

每次只看一個提示。訂正時記錄想法如何改變,不只抄下答案。

例題 1–3:先讀完整示範;由已完成的首步接續推理;再獨立選方法,完成後才展開解答。其餘練習可於課後繼續。

01 / 基礎#示範例題

求振幅、中線、最小正週期及水平平移。

y=1+3sin⁡(2x−π/2)y=1+3\sin(2x-\pi/2)
  • x 以弧度計。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
從角內提出 2。
提示 2
2x−π/2=2(x−π/4)。
完整解答
  1. 分開讀垂直及相位參數。

    ∣A∣=3,D=1|A|=3,\quad D=1
  2. 相位平移除以頻率,再求完整週期。

    h=π/4,T=πh=\pi/4,\quad T=\pi

振幅 3;中線 1;週期 π;右移 π/4。

檢查與易錯點:正弦內 −π/2 相位不是水平位移。

先思考,待同學準備好再展開提示。

02 / 鞏固#示範例題

正弦曲線最小 −1、最大 5、最小週期 π。求 D、正 A、正 ω,說明尚未決定甚麼。

y=D+Asin⁡(ωx+ϕ)y=D+A\sin(\omega x+\phi)

已提供首步,請接續推理:決定垂直參數。

D=2,A=3D=2,\quad A=3
  • A>0、ω>0;x 以弧度計。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
用中點、半極差,再用週期。
提示 2
題目未提供水平參考點。
完整解答
  1. 決定垂直參數。

    D=2,A=3D=2,\quad A=3
  2. 決定頻率但保留自由相位。

    ω=2,ϕ undetermined\omega=2,\quad\phi\text{ undetermined}

D=2、A=3、ω=2;相位未固定。

檢查與易錯點:配合極值高度及週期長度不足以水平定位一周。

先思考,待同學準備好再展開提示。

03 / 遷移#示範例題

正弦曲線值域 −2 至 6、最小週期 2π/3,於 x=π/6 向上穿中線。構造一方程。

A>0,ω>0A>0,\quad\omega>0
  • x 以弧度計;最小及最大值均取得。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
用值域求 A、D,週期求 ω。
提示 2
Aω 正時,向上過中線對應零正弦相位。
完整解答
  1. 求伸縮及頻率。

    D=2,A=4,ω=3D=2,\quad A=4,\quad\omega=3
  2. 把向上交點放在指定輸入。

    y=2+4sin⁡(3(x−π/6))y=2+4\sin(3(x-\pi/6))

y=2+4sin(3(x−π/6))。

檢查與易錯點:交點方向消除半周歧義。

先思考,待同學準備好再展開提示。

04 / 基礎#獨立練習

求振幅。

y=−2cos⁡3xy=-2\cos3x
  • 除另訂較小定義域外,輸入均為實數。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
振幅是到中線的非負距離。
提示 2
取係數絕對值。
完整解答
  1. 值域關於零對稱。

    −2≤y≤2-2\le y\le2
  2. 極差一半給振幅。

    (2−(−2))/2=2(2-(-2))/2=2

2。

檢查與易錯點:負號使曲線垂直反射。

先思考,待同學準備好再展開提示。

05 / 基礎#獨立練習

求最小正週期。

y=5sin⁡4xy=5\sin4x
  • x 以弧度計。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
一個正弦週期需相角改變 2π。
提示 2
解 4T=2π。
完整解答
  1. 設定完整相角增加。

    4T=2π4T=2\pi
  2. 振幅不改週期長度。

    T=π/2T=\pi/2

π/2。

檢查與易錯點:頻率縮放水平輸入,不是垂直振幅。

推理清單・自評/教師評核
  • 設定完整相角增加。
  • 振幅不改週期長度。

先思考,待同學準備好再展開提示。

06 / 基礎#獨立練習

求相對 sin 2x 的水平平移。

y=sin⁡(2x+π/3)y=\sin(2x+\pi/3)
  • x 以弧度計。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
提出 2。
提示 2
把輸入寫成 2(x−h)。
完整解答
  1. 顯示位移輸入。

    2x+π/3=2(x+π/6)2x+\pi/3=2(x+\pi/6)
  2. 連符號讀 h。

    h=−π/6h=-\pi/6

左移 π/6。

檢查與易錯點:讀水平距離前相位須除以 2。

推理清單・自評/教師評核
  • 顯示位移輸入。
  • 連符號讀 h。

先思考,待同學準備好再展開提示。

07 / 基礎#獨立練習

求中線及值域。

y=2sin⁡x+3y=2\sin x+3
  • 除另訂較小定義域外,輸入均為實數。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
由 −1≤sin x≤1 開始。
提示 2
先伸縮再平移。
完整解答
  1. 界限乘 2。

    −2≤2sin⁡x≤2-2\le2\sin x\le2
  2. 加 3;兩正弦極值都能取得。

    1≤y≤51\le y\le5

中線 3;值域 [1,5]。

檢查與易錯點:垂直平移改中點,不改振幅。

推理清單・自評/教師評核
  • 界限乘 2。
  • 加 3;兩正弦極值都能取得。

先思考,待同學準備好再展開提示。

08 / 鞏固#獨立練習

sin 2x 與 2sin x 是同一函數嗎?給出決定性輸入,說明參數作用差異。

f=sin⁡2x,g=2sin⁡xf=\sin2x,\quad g=2\sin x
  • x 以弧度計。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
選產生不同角及高度的輸入。
提示 2
試 x=π/2。
完整解答
  1. 同一輸入代入兩式。

    f(π/2)=0,g(π/2)=2f(\pi/2)=0,\quad g(\pi/2)=2
  2. 辨認水平及垂直伸縮。

    Tf=π,Tg=2πT_f=\pi,\quad T_g=2\pi

不是;一個改頻率,另一個改振幅。

檢查與易錯點:反例及參數解釋用途不同,兩者皆有用。

推理清單・自評/教師評核
  • 同一輸入代入兩式。
  • 辨認水平及垂直伸縮。

先思考,待同學準備好再展開提示。

09 / 鞏固#獨立練習

此函數有最小正週期嗎?說明。

y=0sin⁡(3x+1)+4y=0\sin(3x+1)+4
  • 除另訂較小定義域外,輸入均為實數。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
用 2π/ω 前先化簡。
提示 2
輸出總為 4。
完整解答
  1. 辨認常數函數。

    y=4y=4
  2. 任何正平移均保留它,故沒有最小正平移。

    T>0⇒f(x+T)=f(x)T>0\Rightarrow f(x+T)=f(x)

沒有最小正週期。

檢查與易錯點:非恆定正弦曲線週期公式要求振幅及頻率非零。

推理清單・自評/教師評核
  • 辨認常數函數。
  • 任何正平移均保留它,故沒有最小正平移。

先思考,待同學準備好再展開提示。

10 / 鞏固#獨立練習

相鄰極大值在 π/8、5π/8,求正 ω。

y=D+Asin⁡(ωx+ϕ),A≠0y=D+A\sin(\omega x+\phi),\quad A\ne0
  • 極大值相鄰;ω>0,弧度。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
相鄰極大值相距一最小週期。
提示 2
距離為 π/2。
完整解答
  1. 量度週期。

    T=5π/8−π/8=π/2T=5\pi/8-\pi/8=\pi/2
  2. 反求週期頻率關係。

    ω=2π/T=4\omega=2\pi/T=4

4。

檢查與易錯點:非相鄰極大值會留下整數週期歧義。

先思考,待同學準備好再展開提示。

11 / 鞏固#獨立練習

求最小非負的向上零點。

y=sin⁡(3x−π)y=\sin(3x-\pi)
  • x 以弧度計;x≥0。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
正頻率正弦在相角為 0 的 2π 倍數時向上過零。
提示 2
解 3x−π=2kπ,選首個允許 x。
完整解答
  1. 定位向上交點,不是所有零點。

    3x−π=2kπ3x-\pi=2k\pi
  2. 選最小非負代表。

    x=π/3x=\pi/3

π/3。

檢查與易錯點:x=0 是零點但向下穿越,所以方向重要。

推理清單・自評/教師評核
  • 定位向上交點,不是所有零點。
  • 選最小非負代表。

先思考,待同學準備好再展開提示。

12 / 遷移#獨立練習

潮汐模型以小時 t 計。在 0≤t≤24 何時高度不超過 3 米?列模型週期及所有區間。

H(t)=4+2cos⁡(πt/6)H(t)=4+2\cos(\pi t/6)
  • 假設模型在 0≤t≤24 成立;t 小時、高度米。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
把高度門檻轉成餘弦不等式。
提示 2
一相角週期內 cos θ≤−1/2 在 2π/3 至 4π/3。
完整解答
  1. 讀以小時計的週期。

    T=2π/(π/6)=12T=2\pi/(\pi/6)=12
  2. 把相角區間轉為時間,再重複一次。

    t∈[4,8]∪[16,20]t\in[4,8]\cup[16,20]

週期 12 小時;[4,8] 及 [16,20] 小時高度≤3 米。

檢查與易錯點:水平變量是時間;相角為無量綱角 πt/6。

推理清單・自評/教師評核
  • 讀以小時計的週期。
  • 把相角區間轉為時間,再重複一次。

先思考,待同學準備好再展開提示。

13 / 遷移#獨立練習

裝置只在整數時刻抽樣,總記錄 2。構造符合所有記錄的常數及非恆定正弦模型,再建議一個可區分它們的量測。

y(n)=2,n∈Zy(n)=2,\quad n\in\mathbb Z
  • 讀數精確;未假設頻率限制。
考點與先備課節

範圍:JM01 / JM02

計算過程與解釋

逐步建立思路

提示 1
完整週期振盪可在每個整數消失。
提示 2
試加 sin(2πt)。
完整解答
  1. 構造兩相容模型。

    f(t)=2,g(t)=2+sin⁡(2πt)f(t)=2,\quad g(t)=2+\sin(2\pi t)
  2. 檢驗每個整數樣本。

    g(n)=2+sin⁡(2πn)=2g(n)=2+\sin(2\pi n)=2
  3. 選未抽樣的四分之一周時刻。

    f(1/4)=2,g(1/4)=3f(1/4)=2,\quad g(1/4)=3

模型 f=2 及 g=2+sin(2πt);在 t=1/4 量測。

檢查與易錯點:相同樣本不能證明連續訊號恆定;新增量測提供區分檢驗。

推理清單・自評/教師評核
  • 構造兩相容模型。
  • 檢驗每個整數樣本。
  • 選未抽樣的四分之一周時刻。

先思考,待同學準備好再展開提示。

專注一道題目

課末檢核與訂正

回看最近核對的答案及解釋;改動草稿後須重新核對。書面推理需要自評或教師評核。

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    教師備課與評核

    40 分鐘教案

    分鐘環節教師及學生任務
    5讀位移用相位診斷,選答前要求提出係數。
    8分開參數圖上標振幅、中線及完整週期。
    10還原及限定同桌由極值還原,討論相位為何仍自由。
    12解釋及抽樣小組解潮汐門檻,設計區分抽樣模型的量測。
    5離堂方向區分向上交點及任意零點。

    提問順序

    • 哪個量測特徵固定哪個參數?
    • 兩不同連續曲線可否符合所有樣本?

    板書發展

    • 讀水平平移前提出係數。
      ω(x+ϕ/ω)\omega(x+\phi/\omega)
    • 模型保留時間單位。
      T=12 hoursT=12\text{ hours}

    預期正誤回答

    • 「值域決定 A、D,不決定相位」是正確限制。
    • 「讀數全相同,函數便恆定」超出數據支持。

    追問

    • 哪項觀測固定交點方向?

    補救

    • 相位錯誤時,直接解 ωx+φ=0,再比較所稱平移。

    離堂檢核

    • y=−3sin(2x)+1,求振幅、值域及最小週期。預期 3、[−2,4]、π。

    評核清單與作答示例

    • 2 分:參數作用。
      完整:相位除以頻率;部分:直接把相位當位移。
    • 2 分:證據及歧義。
      完整:兩相符模型加 t=1/4 區分檢驗;部分:只寫兩式未驗樣本。

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    教材與來源說明 ↗