一元函数微分学的几何与物理应用

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一元函数微分学的几何与物理应用

一、研究对象

1. 祖孙三代

函数、导数、积分。

2. 分段函数

3. 参数方程

直角坐标和极坐标。

4. 隐函数

二、研究内容

1. 切线、法线、截距

切线斜率为一阶导数,法线斜率为切线斜率的负倒数,带值计算即可得到截距。

2. 极值、单调性

一阶导判单调性,一阶导存在且为 0 判极值,也就是说一阶导若不存在,则极值不存在。

1)判别极值的第一充分条件:

  • 目标点处一阶导为 0;
  • 目标点处两边一阶导数异号。

    2)判别极值的第二充分条件:

  • 目标点处二阶可导,且一阶导为 0 ,二阶导不为 0 ;
  • 二阶导大于 0 ,取得极小值;
  • 二阶导小于 0 ,取得极大值。

    3)判别极值的第三充分条件:

  • 目标点处 n 阶可导,且前 n-1 阶导数为 0 ,n 阶导数不为 0 ;
  • n 为偶数,且 n 阶导数大于 0 ,取得极小值;
  • n 为偶数,且 n 阶导数小于 0 ,取得极大值;

    3. 拐点,凹凸性

    将函数两端点所连直线的大小与函数中点的大小进行比较,若前者大于后者,则函数为凹的,反之为凸的。

连接曲线的凹弧与凸弧的分界点称为该曲线的拐点。

二阶导判凹凸性,二阶导存在且为 0 判拐点,也就是说二阶导若不存在,则拐点不存在。

1)判断拐点的第一充分条件:

  • 目标点处二阶导为 0 ;
  • 目标点处二阶导数异号。

    2)判断拐点的第二充分条件:

  • 目标点处(邻域)函数三阶可导;
  • 目标点处二阶导为 0 ;
  • 目标点处三阶导不为 0 。

    3)判断拐点的第三充分条件:

  • 目标点处 n 阶可导;
  • 前 n-1 阶导数为 0 ,n 阶导数不为 0 ;
  • n 为奇数。

    4. 渐近线

    1)铅锤渐近线:

    若 $\lim_{x\to x^+_0}f(x)=\infty$ (或 $\lim_{x\to x^-_0}f(x)=\infty$ ),则 $x=x_0$ 为一条铅锤渐近线。

    2)水平渐近线:

    若 $\lim_{x\to +\infty}f(x)=y_1$ ,则 $y=y_1$ 为一条水平渐近线;
    若 $\lim_{x\to -\infty}f(x)=y_2$ ,则 $y=y_2$ 为一条水平渐近线;
    若 $\lim_{x\to +\infty}f(x)=\lim_{x\to -\infty}f(x)=y_0$ ,则 $y=y_0$ 为一条水平渐近线。

    3)斜渐近线:

    若 $\lim_{x\to+\infty}\frac{f(x)}{x}=k_1$ ,$\lim_{x\to+\infty}[f(x)-k_1x]=b_1$ ,则 $y=k_1x+b_1$ 是曲线 $y=f(x)$ 的一条渐近线;
    若 $\lim_{x\to-\infty}\frac{f(x)}{x}=k_2$ ,$\lim_{x\to-\infty}[f(x)-k_2x]=b_2$ ,则 $y=k_2x+b_2$ 是曲线 $y=f(x)$ 的一条渐近线;
    若 $\lim_{x\to+\infty}\frac{f(x)}{x}=\lim_{x\to-\infty}\frac{f(x)}{x}=k$ ,$\lim_{x\to+\infty}[f(x)-kx]=\lim_{x\to-\infty}[f(x)-kx]=b$ ,则 $y=kx+b$ 是曲线 $y=f(x)$ 的一条渐近线。

    5. 最值

    极值不一定是最值,分界点、端点等可疑点也有可能是最值。

    6. 曲率与曲率半径

    7. 相关变化率

    根据物理规律处理相关数据,最终得到正确的模型。