曲线的凹凸性与拐点.doc

曲线的凹凸性与拐点为了进一步研究函数的特性并正确地作出函数的图形，需要研究曲线的弯曲方向.在几何上，曲线的弯曲方向是用曲线的“凹凸性”来描述的.一、 曲线的凹凸性从图3-12（a），（b）可以观察到.定义1 如果在某区间内的连续且光滑曲线弧总是位于其任一点切线的上方，则称此曲线弧在该区间内是凹的；如果在某区间内的曲线弧总是位于其任一点切线的下方，则称此曲线弧在该区间内是凸的，相应的区间分别称为凹区间与凸区间.oxyAB（a）BAoxy（b）图3-12 从图3-12还可以看到如下事实：对于凹的曲线弧，其切线的斜率随着的增大而增大，即单调增加；对于凸的曲线弧，其切线的斜率随着的增大而减少，即单调减少.而函数的单调性又可用它的导数，即的二阶导数的符号来判定，故曲线的凹凸性与的符号有关.定理1 设函数在区间上具有二阶导数.（1）如果在区间上，有0，那么曲线在上是凹的；（2）如果在区间上，有0，那么曲线在上是凸的.例1 判定曲线的凹凸性.解 函数的定义域为，而 因此曲线在内是凸的.例2 讨论曲线的凹凸区间.解 函数的定义域为， 显然，当时，；当时，.因此为曲线的凸区间，为曲线的凹区间.二、 曲线的拐点在例2 中，点为凸的曲线弧与凹的曲线弧的连接点，对这种点有如下定义.定义2 在连续曲线上，凹凸曲线弧的分界点，称为曲线的拐点.下面来讨论曲线拐点的求法.由于拐点是曲线凹凸弧的连接点，如果存在且连续，则在拐点的左右近旁必然异号，因此曲线拐点的横坐标，是可能使=0的点，从而可知求拐点的步骤为：（1） 求；（2） 令=0，解出方程=0在某区间内的实根；（3） 对每一个实根，考察在的左右近旁的符号，若在的左右近旁的符号相反，则点是拐点，若在的左右近旁的符号相同，则点不是拐点.例3求曲线的凹凸区间与拐点.解 函数的定义域为 ，令 ，得 .由于的左右近旁不改变符号，（0，0）不是拐点.当时，；当时，. 所以曲线在内是凸的，在）内是凹的；（为拐点. 注意：使不存在而连续的点，也可能成为曲线的拐点.例4 求曲线的拐点.解 定义域为， ，因为令时，方程 无解.而当时，；当时，即曲线在区间内是凸的，在区间内是凹的，又曲线在点处是连续的，所以点（0，0）是曲线的拐点.三、 函数绘图1、渐近线定义3 如果一动点沿某曲线变动，其横坐标或纵坐标趋于无穷远时，它与某一固定直线的距离趋向与零，则称此直线为曲线的渐近线.例如直线 为双曲线的渐近线.但并不是所有的曲线都有渐近线，下面只对两种情况的渐近线予以讨论.（1）水平渐近线如果当自变量时，函数以常量C为极限，即，则称直线为曲线的水平渐近线.（2）铅直渐近线（或垂直渐近线）如果当自变量时，函数为无穷大量，即，则称直线为曲线的铅直渐近线.说明：对时，有时也可能仅当或；对，有时也可能仅当或.例5 求下列曲线的水平或垂直渐近线.（1） （2）.解 （1）因为， 所以直线 是两条铅直渐近线.（2） 因为 ，所以直线为其水平渐近线.2、函数图形的描绘利用导数描绘函数图形的一般步骤为：（1） 确定函数的定义域，考察函数的奇偶性、周期性；（2） 确定函数的单调区间、极值点、凹凸区间以及拐点；（3） 考察渐近线；图3-13（4） 作一些辅助点； （5） 由上面的讨论，画出函数的图形. 例6 作函数的图形.解 （1）函数定义域为；（2）， 令 得 ； 令 得 .列表：012+0-0+-0+极大值1拐点（1，-1）极小值-3说明：“ ”表示上升且为凸的，“ ”表示下降且为凸的，“ ”表示下降且为凹的，“ ”表示上升且为凹的.图3-14（3）无渐近线；（4）取辅助点（、（3，1）；（6） 画图（如图3-13） 例7作函数的图形.解 定义域为 令，得； ，令，得；列表：）0（0+0+拐点极小值渐近线：因为，所以是铅直渐近线；又因为，所以是水平渐近线.作辅助点：（、.作图：（如图3-14）习题1、判定下列曲线的凹凸性：（1）； （2）.2