圖象變換

圖象變換

數學裡的圖象變換,指一個圖形(或表達式)到另一個圖形(或表達式)的演變。圖象變換是函式的一種作圖方法。已知一個函式的圖象,通過某種或多種連續方式變換,得到另一個與之相關的函式的圖象。

方式

常見的函式的圖象變換有四種基本形式:平移變換、對稱變換、伸縮變換和翻折變換。

1 .平移變換

1 )橫向平移變換

將函式y=f(x)的圖象沿x軸方向平移 |m|個單位,得到函式y=f(x+m)(m≠0)的圖象, 當m>0時,向左平移;當m<0時,向右平移。

2 )縱向平移變換

將函式y=f(x)的圖象沿y軸方向平移|n|個單位,得到函式y=f(x)+n(n≠0)的圖象。當n>0時,向上平移;當n<0時,向下平移。

2 .對稱變換

(1)作函式y=f(x)的圖象關於x軸的對稱圖象,得到函式y=-f(x)的圖象。

(2)作函式y=f(x)的圖象關於y軸的對稱圖象,得到函式y=f(-x)的圖象。

(3)作函式y=f(x)的圖象關於原點的對稱圖象,得到函式y=-f(-x)的圖象。

圖一.指數函式的圖象變換 圖一.指數函式的圖象變換

(4)作函式y=f(x)的圖象關於直線y=x的對稱圖象,得到函式y=f (x)的圖象。

(5)作函式y=f(x)的圖象關於直線x=a的對稱圖象,得到函式y=f (2a-x)的圖象。

如圖一。函式y=e^x的圖象,通過(1)~(4)的變換,分別得到y=-e^x,y=e^(-x),y=-e^(-x),y=lnx的圖象。

3 .翻折變換

(1)上下翻折變換

將函式y=f(x)在x軸上方的圖象保留,下方的圖象翻折到上方去,得到函式y=|f(x)|的圖象。

(2)左右翻折變換

將函式y=f(x)在y軸右側的圖象保留,再作其關於y軸的對稱圖象,並去掉y軸左側的原圖象,得到函式y=f(|x|)的圖象。如圖二。函式y=1/e^x的圖象變換得y=1/e^|x|的圖象。

變換

1 .正弦曲線到正弦型曲線的變換

正弦型函式y=Asin(ωx+φ),當A≠0, ω≠0, x∈ R時的曲線,可以由正弦曲線y=sinx,通過以下一系列圖象變換而得到:

(1)橫向平移變換

將函式y=sinx的圖象沿x軸向左(當φ≥0時),向右(當φ<0時)平移|φ|個單位,得到函式y= sin(x+φ)的圖象。

(2)再將函式y= sin(x+φ)的圖象上所有點的橫坐標伸長(當|ω|<1時),縮短(當|ω|>1時)到原來的1/|ω|倍,縱坐標不變,得到函式y=sin(ωx+φ)的圖象。

(3)再將函式y= sin(ωx+φ)的圖象上所有點的縱坐標伸長(當|A|>1時),縮短(當|A|<1時)到原來的|A|倍,橫坐標不變,得到正弦型函式y=Asin(ωx+φ)的圖象。

如圖三。由正弦曲線y=sinx,通過上述變換,得正弦型曲線y=3sin(2x+π/3) 。

圖三.三角函式的圖象變換 圖三.三角函式的圖象變換

2 .簡諧運動的圖象變換

正弦型函式y=Asin(ωx+φ),當A>0, ω>0,x≥0時,它刻劃的是物理的簡諧運動的位移與時間,交流電的電流與時間的函式關係。

這時,上述變換又可依次稱為(1)相位變換、(2)周期變換、(3)振幅變換。

值得注意的是,若先作周期變換,再作相位變換,則平移量不是|φ|,而是|φ/ω|.

新舊圖象的關係

為簡便起見,我們把變換前的圖象叫舊圖象,變換後的圖象叫新圖象。

1 .對應觀點

上述變換,除翻折變換的第(2)項左右翻折變換外,其他的變換,新圖象和舊圖象上的點存在一一對應關係。這是我們解決新舊圖象關係的最基本最關鍵的出發點。也是解決其對應的新舊解析式的最基本最關鍵的出發點。

2 .數形結合觀點

函式的圖象變換,是從“形”的角度使函式發生變化。新舊圖象表示兩個函式。與之對應的兩個函式的解析式也從“式”的角度發生了變化。

3 .保距性

在上述圖象變換中,平移變換和對稱變換能保持圖形上任何兩點之間的距離不變。可以看成“保距”變換。

但是,翻折變換和伸縮變換不具有這一性質 。

4 .可逆性

每種形式的函式的圖象變換都有它自己的變換意義,按照它的變換意義將一個函式y=f(x)的圖象以變成另一個函式y=h(x)的圖象,這是它的正向意義。而根據“相反意義”實施逆變換,將函式y=h(x)的圖象變成函式y=f(x)的圖象,這是它的逆向意義。函式的圖象變換具有雙向意義 。

幾點說明

1 .圖象變換的本質

函式圖象變換的本質,是用圖象的形式表示的函式,由一個函式變化到另一個函式。即新舊圖象是兩個函式。

2. 圖象變換體現的數學思想

函式圖象變換的過程體現了由簡單到複雜,特殊到一般的化歸思想。

3. 圖象變換的基本元素

函式圖象變換的基本元素是自變數“x”。解答有關圖象變換的問題時,“確保x的係數是1”是避免出現錯誤的重要策略 。

4.參考資料

[1]中學數學教師手冊

[2]高中課程標準實驗教科書數學

[3]高中數學教師教學用書

[4]高中數學函式

[5]高等數學手冊

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