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横にずらして縦に伸ばす〜三角関数のグラフの変形

のグラフは、 を 4 通りに変形した形です。

縦に 倍、横に 倍、右へ 、上へ 。数字の役割はこれで全部です。

一般形は次のように書きます[1]

が振幅、 が周期、 が横のずれ、 が中心の高さ。

つまずくのは のところです。 をそのままずれと読むと外れます。

縦の伸縮は素直

は、 の各点の高さを 3 倍にしたものです。

値は から まで動きます。振幅が になりました。

が負なら上下がひっくり返ります。 軸で折り返した形。

振幅は なので です。折り返しても高さは変わりません。

を足すと全体が上下に動きます。 なら中心線が に上がる。

値の範囲は から になります。 は伸ばすのではなく、まるごと持ち上げる数です。

横の伸縮は逆向きに効く

は、 を横に 倍に縮めた形です。

を掛けたのに縮む。ここが直感に反します。

理由は、中身が同じ値になる が半分で済むからです。 で山になるなら、 で山になる。

周期は です[1] なら なら

が大きいほど波が詰まり、小さいほど間延びします。

縦に 3 倍。振幅
横に 倍。周期
上へ 3。中心線
右へ 3

横のずれは中身を 0 にする x

のずれはいくつでしょう。 ではありません。

中身を にする を探します。 から

つまり右へ です。 で割ったぶんだけ、見た目のずれは小さくなります。

式のほうを変形しても同じことが分かります。

くくり出した形にすると、 から引かれている数がそのままずれになります[1]

でくくる。これが横のずれを読む唯一の確実な手順です。

を「右へ 」と読む誤りは、 でくくらずに だけを見た ときに起きます。

とくくれば、ずれは だと目で見えます。

例:y = 3sin(2x - π/3) + 1

順に読んでいきます。まず でくくる。

なので、

振幅は 、周期は 、右へ 、上へ

値の範囲は から までです。

最大になる も出せます。 の中身が のとき。

から

になります。周期が なので、 ごとに山が来る。

sin と cos は書き換えられる

で書き直します。

を使います[2]

中身から を引いて

同じグラフを で書いただけです。振幅も周期も中心線も変わりません。

問題文が で与えられているときは、 のまま読むほうが早い。書き換えは必要なときだけ。

sin で読む

で中心線を横切って昇る

cos で読む

で山の頂上に来る

まちがえやすい点

のずれを とする誤りが最も多い。 でくくって です。

を「横に 2 倍」とする誤りも同じくらい起きます。中身に掛かる数は逆向きに効きます。

の区別も曖昧になりやすい。前者は上へ、後者は左へ。

外に足すか中に足すかで、動く向きが縦と横に分かれます。中に入っているものは横に効く。

の振幅を とする誤りもあります。振幅は なので

のグラフは、 をどれだけ動かした形ですか。

  • 左へ
  • 左へ
  • 右へ
__RESULT__

とくくります。 に足されているので左へ、量は です。 をそのまま読むと、 で割る手順が抜けています。

値の範囲も確かめます。

のとる値の範囲はどれですか。

__RESULT__

から なので、 から です。 を足すと から になります。 が負でも範囲の幅は変わらず、中心が に移るだけです。

でくくり、振幅、周期、ずれ、中心線の順に読む。グラフの変形はこの手順で片づきます。

参考文献

Graphs of the Sine and Cosine Functions. Algebra and Trigonometry 2e, OpenStax(、周期 、位相 、中心線 ).
É. Bouchet. Trigonométrie, Cours de PCSI, Proposition 1.4( の変換).
$y = 3\sin\left(2x - \dfrac{\pi}{3}\right) + 1$ は、$y = \sin x$ を縦に $3$ 倍、横に $\dfrac{1}{2}$ 倍、右へ $\dfrac{\pi}{6}$、上へ $1$ したものです。つまずくのは横のずれ。$C$ をそのまま読むと外れるので、$2x - \dfrac{\pi}{3} = 2\left(x - \dfrac{\pi}{6}\right)$ と $B$ でくくります。中身に掛かる数が逆向きに効く理由、$y = \sin x + 3$ と $y = \sin(x+3)$ が縦と横に分かれる理由、$\sin$ の式を $\cos$ で書き直す手順まで扱いました。