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        淺議拐點(diǎn)的定義

        2019-09-18 08:24:52馬紀(jì)英薛力峰
        關(guān)鍵詞:分界點(diǎn)凹凸拐點(diǎn)

        馬紀(jì)英, 薛力峰, 吳 勇

        (石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 河北 石家莊 050021)

        拐點(diǎn)在高等數(shù)學(xué)中是一類比較重要的點(diǎn),在導(dǎo)數(shù)和微分的應(yīng)用中占有重要的地位,在函數(shù)的凹凸性中表征著平面曲線的一種內(nèi)在幾何特征,在函數(shù)作圖和圖像描繪中分隔著單調(diào)性相同的凹弧和凸弧。

        1 拐點(diǎn)的定義

        數(shù)學(xué)教材中一般把曲線的凹凸性和拐點(diǎn)放在一起講述,首先定義凹弧和凸弧及其性質(zhì),然后引出拐點(diǎn)。比如:

        例1 如果在某區(qū)間內(nèi)的曲線弧位于其上任意一點(diǎn)切線的上方,則稱此曲線弧在該區(qū)間內(nèi)是凹的;如果在某區(qū)間內(nèi)的曲線弧位于其上任意一點(diǎn)的切線的下方,則稱曲線弧在該區(qū)間內(nèi)是凸的。并把連續(xù)曲線上凹凸部分的分界點(diǎn)稱為此曲線的拐點(diǎn)。

        注:拐點(diǎn)不僅是凹凸部分的分界點(diǎn),而且必須是曲線的連續(xù)點(diǎn),即它是一個有序?qū)崝?shù)對(x0,f(x0))[1]。

        例2 設(shè)f(x)在區(qū)間I上連續(xù),如果對I上任意兩點(diǎn)x1,x2, 恒有

        那么稱f(x) 在I上的圖形是(向上)凹的(或凹弧);如果恒有

        那么稱f(x)在I上的圖形是(向上)凸的(或凸弧)。

        定理 設(shè)f(x)在[a,b]上連續(xù),在(a,b)內(nèi)具有一階和二階導(dǎo)數(shù),那么

        (1)若在(a,b)內(nèi)f″(x)>0,則f(x)在[a,b]上的圖形是凹的;

        (2)若在(a,b)內(nèi)f″(x)<0,則f(x)在[a,b]上的圖形是凸的。

        一般地,設(shè)y=f(x)在區(qū)間I上連續(xù),x0是I內(nèi)的點(diǎn)。如果曲線y=f(x)在經(jīng)過點(diǎn)(x0,f(x0))時,曲線的凹凸性改變了,那么就稱點(diǎn)(x0,f(x0))為這曲線的拐點(diǎn)[2]。

        總之,我們可以看到這些高等數(shù)學(xué)教材中是把拐點(diǎn)定義為了“曲線上凹凸弧的分界點(diǎn)”,至多是稍微嚴(yán)格了一些,把間斷點(diǎn)排除出來,“連續(xù)曲線y=f(x)上凹凸弧的分界點(diǎn)”。

        2 拐點(diǎn)定義的反例

        例3 我們考慮單位圓周x2+y2=1上的點(diǎn)(1,0),我們會發(fā)現(xiàn)平面直角坐標(biāo)系中第一象限的曲線都位于各點(diǎn)切線的下方,即為凸??;第四象限的曲線都位于各點(diǎn)切線的上方,即為凹弧,而點(diǎn)(1,0)即為凹弧與凸弧的分界點(diǎn),故為拐點(diǎn),同理點(diǎn)(-1,0)也是圓周的拐點(diǎn)。

        由于圓周上的點(diǎn)具有圓對稱性,適當(dāng)?shù)匦D(zhuǎn)平面直角坐標(biāo)系,可以使圓周上的點(diǎn)都位于(1,0)或(-1,0)的位置,可以得到每一點(diǎn)都是拐點(diǎn)!我們發(fā)現(xiàn),由于平面直角坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)位置不同,曲線上的同一點(diǎn)既可以在這個平面直角坐標(biāo)系下是拐點(diǎn),又可以在另一個平面直角坐標(biāo)系下不是拐點(diǎn),顯然這樣定義的拐點(diǎn)不能表征平面曲線的內(nèi)在幾何特征,其定義顯然存在不合理的地方。

        例4 考慮曲線

        我們發(fā)現(xiàn),x<0 時,函數(shù)y=f(x)的圖形是凹弧,x≥0時,函數(shù)y=f(x)的圖形是凸弧,點(diǎn)(0,0)正是凹弧和凸弧的分界點(diǎn),按照上述拐點(diǎn)的定義,曲線上的點(diǎn)(0,0)即為曲線y=f(x)的拐點(diǎn)。

        實(shí)際上,根據(jù)《數(shù)學(xué)大辭典》的解釋,這種點(diǎn)稱為尖點(diǎn),也就是在曲線上該點(diǎn)處存在著不同的左右切線的點(diǎn)。尖點(diǎn)和拐點(diǎn)是不同類型的點(diǎn),在尖點(diǎn)處不存在曲線的切線。

        3 拐點(diǎn)的重新定義

        許多著名的著作對拐點(diǎn)的定義更嚴(yán)密,很嚴(yán)格一些。比如:菲赫金哥爾茨著的《微積分學(xué)教程》中就這樣定義:

        曲線上一點(diǎn)M(x0,f(x0))叫做曲線的拐點(diǎn),如果它把使函數(shù)f(x)為凸的那部分曲線(向下凹)和使這函數(shù)為凹的那部分曲線(向上凹)分開;曲線在這點(diǎn)由切線的一側(cè)進(jìn)入另一側(cè)[3]。

        所以,我們可以重新定義:

        如果在某區(qū)間內(nèi)的曲線弧位于其上任意一點(diǎn)切線的上方,則稱此曲線弧為凹??;如果在某區(qū)間內(nèi)的曲線弧位于其上任意一點(diǎn)的切線的下方,則稱曲線弧為凸弧。設(shè)曲線y=f(x)在點(diǎn)(x0,f(x0))處有穿過曲線的切線,且在切點(diǎn)兩側(cè)近旁曲線凹凸向不同,這時稱點(diǎn)(x0,f(x0)為曲線y=f(x)的拐點(diǎn),過拐點(diǎn)的切線稱為拐切線。

        4 拐點(diǎn)的計(jì)算和應(yīng)用

        根據(jù)凹凸性和拐點(diǎn)的定義及定理可知,由f″(x)的符號可以判定曲線的凹凸性,而拐點(diǎn)由位于凹弧和凸弧的交界處,所以拐點(diǎn)左、右兩側(cè)鄰近f″(x)符號相異,只要找出f″(x)符號發(fā)生變化的分界點(diǎn)即可,也就是找出f″(x)=0的點(diǎn)和f(x)二階導(dǎo)數(shù)不存在的點(diǎn)。

        所以,若f(x)由一個函數(shù)表達(dá)式表示時,可以總結(jié)如下步驟:

        (1)求函數(shù)定義域;

        (2)求出f″(x);

        (3)令f″(x)=0,解出方程在討論區(qū)間內(nèi)的實(shí)根,同時求出討論區(qū)間內(nèi)f″(x)不存在的點(diǎn);

        (4)對求出的每一個實(shí)根和二階導(dǎo)數(shù)不存在的點(diǎn)x0進(jìn)行判斷,檢查f″(x)在x0左、右兩側(cè)鄰近的符號,當(dāng)兩側(cè)符號相反時,點(diǎn)(x0,f(x0)就是拐點(diǎn),當(dāng)兩側(cè)符號相同時,點(diǎn)(x0,f(x0))不是拐點(diǎn)。

        若f(x)不是由一個函數(shù)表達(dá)式表示,而是分段函數(shù)的類型,需要考慮分段點(diǎn)處的情形:(1)分段點(diǎn)處左、右兩側(cè)鄰近f″(x)的符號是否相反;(2)分段點(diǎn)處的切線是否唯一,也即左、右斜率是否相同,也即左、右導(dǎo)數(shù)是否相同。

        5 小 結(jié)

        拐點(diǎn)絕不是單單用于函數(shù)圖像的描繪,在許多領(lǐng)域,尤其是工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。拐點(diǎn)作為上凹和下凹趨勢的分界點(diǎn),形成了專門處理各種趨勢的拐點(diǎn)法,在材料力學(xué)、流體力學(xué)、熱力學(xué)、空氣動力學(xué)、土木工程、機(jī)械工程、信號處理,甚至金融學(xué)的股票、期貨分析等方面都有著廣泛而深入的應(yīng)用。

        因此,在應(yīng)用之前,弄清楚拐點(diǎn)的確切定義有著非凡的意義。

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