当前课程知识点:微积分(先修课) > 第四章 微分中值定理和导数的应用 > 4.8 曲线的渐近线 > 4.8.1 曲线渐近线
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微积分课程
今天我们讲
第四章
微分中值定理和导数的应用
第八节
曲线的渐近线
我们知道
利用函数的一阶导数
和二阶导数
可以判定函数的单调性
和曲线的凸性
从而对函数所表示的
曲线的升降情况
和弯曲情况都有定性的认识
如果函数f(x)的定义域
是无穷区间
那如何反应曲线y等f(x)
在无穷远处的变化情况
在中学平面解析几何中
我们知道双曲线
它的渐进线就很好的反映了
双曲线在无穷远处的变化情况
那对于一般的曲线
y等f(x)来说
能否引进类似的直线呢
这就是本讲要讨论的问题
前面我们已经介绍了
我们怎么样来讨论
函数的单调性
怎么样来讨论
函数在一个区间上的凸性
从几何上讲
也就是我们讨论了
函数图形它的单调性
和函数图形的凸性问题
在这一节中我们
要讨论的问题是
当函数的定义域是无穷区间
或者是函数在某个点的附近
是无穷大量时
我们为了刻画曲线
向无穷远处延伸的变化趋势
我们需要引进
曲线渐近线的概念
下面我们给出
渐近线的一般定义
定义5
当曲线y等f(x)上的动点P
沿着曲线趋于无穷远时
如果动点P
与某条定直线的距离
是趋向于0的
那么这条定直线
我们就称为是
曲线y等f(x)的渐近线
对于渐近线
我们一般分三种具体的情况
来进行讨论
我们先看第一种情况
水平渐近线
如果函数f(x)
在x趋向于正无穷时
它的极限是存在的
极限值等于a
我们就称水平直线y等a
是这条曲线y等f(x)
在x趋向正无穷时的
水平渐近线
类似的我们也可以定义
曲线在x趋向于负无穷时的
水平渐近线
也就是如果f(x)
在x趋向负无穷时
他的极限是等于b
那么我们就称直线y等b
是这条曲线
在x趋向负无穷时的水平渐近线
也就是说
水平渐近线
实际上我们主要就是看
函数在x趋向正无穷
或者是x趋向负无穷时
有没有极限
如果在x趋向正无穷
和x趋向负无穷时
函数都有极限
而且他的极限值是相等的
也就是说如果f(x)
在x趋向于无穷时极限存在
极限值等于c
这时候我们也称
y等c这条直线
是曲线y等f(x)
在x趋向无穷时的
水平渐近线
下面我们来看两道具体的题目
例1
我们求这条曲线的水平渐近线
曲线方程是
y等于x平方除上
1加x再加上x平方
根据水平渐近线的定义
我们就是要求这个函数
在x趋向于正无穷
和x趋向于负无穷时
他们的极限
在这道题中
因为我们知道
这个分式函数
它的分子分母
都是二次多项式
而且平方项的系数都等于1
所以我们知道
这个分式函数
在x趋向无穷时
它的极限是等于1的
那么根据水平渐近线的定义
也就是说y等1这条水平线
就是我们要求的这条曲线的
水平渐近线
下面我们看第二道例题
例2
我们求这条曲线的水平渐近线
曲线方程是
y等于x乘上e的负x次方
因为这个函数
在x趋向正无穷时
它的极限是等于0的
所以y等于0
也就是x轴是这条曲线
在x趋向正无穷时的水平渐近线
因为这个函数在x趋向负无穷时
他是一个负无穷大量
所以这条曲线
在x趋向负无穷时
是不存在水平渐进线的
下面我们来介绍
另外一种渐进线
也就是铅直渐近线
如果存在常数c使得
f(x)在x大于c趋向于c
或者是x小于c
趋向于c的极限过程下
都是无穷大量
那么我们就称直线x等c
是这条曲线的铅直渐近线
因为x等于c
是垂直于x轴的一条直线
有时候我们也将铅直渐近线
称作是垂直渐近线
下面我们通过一道简单的题目
来看一下
如何求一条具体曲线
它的铅直渐近线问题
例3
我们求这条曲线的水平渐近线
和铅直渐近线
曲线方程是
y等于x除上x减2再加上3
我们来看具体的解答过程
因为这个函数
在x趋向于无穷时
它的极限是等于4的
而这个函数我们知道
他在x趋向2时
他是个无穷大量
那么根据水平渐近线
和铅直渐近线的定义
我们就知道
y等4这条直线
是这条曲线的水平渐近线
x等2这条垂直x轴的直线
就是这条曲线的垂直渐近线
也就是铅直渐近线
下面我们来介绍
渐近线的第三种情况
也就是曲线的斜渐近线
如果存在实数a b
使得f(x)减掉ax减b
在x趋向正无穷时
它的极限是等于0的
那么我们就称直线
y等于ax加上b
是这条曲线在x趋向
正无穷时的斜渐近线
从几何上讲
上面这个极限等于0
也就是说曲线上的点
当离原点的距离
越来越远时
它到直线y等ax加b
它的距离是趋向于0的
类似的我们可以定义
y等f(x)
在x趋向负无穷时的
斜渐近线
也就是如果存在a b
使得f(x)减掉ax再减掉b
在x趋向负无穷时的极限
是等于0的
那么我们就称
直线y等ax加b
是这条曲线
在x趋向负无穷时的斜渐近线
我们有了斜渐近线的概念之后
那么对一条具体的曲线来说
我们如何判断
他有没有斜渐近线
如何求斜渐近线的方程
这就是我们下面要解决的问题
定理13
直线y等ax加b
是曲线y等f(x)
在x趋向正无穷时的斜渐近线
它的充分必要条件是
f(x)除上x
在x趋向正无穷时的极限
就等于a
f(x)减掉ax
在x趋向正无穷时的极限
就等于b
这个定理就给出了
判断一条曲线
在x趋向正无穷时
是否有渐近线
以及如何求渐近线方程的
这个方法
下面我们来证明这个定理
首先我们证明充分性
也就是在两个极限等式
已知的前提下
我们来说明直线y等ax加b
是曲线的斜渐近线
事实上
因为f(x)减掉ax
在x趋向正无穷时的极限
是等于b的
事实上
我们利用极限的运算性质
就会知道f(x)
减去ax再减去b
在x趋向正无穷时
它的极限是等于0的
而这正好是直线y等ax加b
是曲线y等f(x)
它的斜渐近线的定义
所以我们就得到了直线
y等ax加b
就是曲线y等f(x)
在x趋向正无穷时的斜渐近线
下面我们来看一下
必要性的证明
因为我们的条件是
f(x)减掉ax再减掉b
在x趋向正无穷时的极限
是等于0的
也就是说f(x)减掉ax
在x趋向正无穷时的极限
是等于b的
这样我们就能得到
f(x)除上x减去a
我们通分之后
也就是f(x)减掉ax除上x
我们要考虑这个极限
因为在这个分式中
分之的极限是b
分母是无穷大量
所以这个极限是等于0的
这个极限等于0就意味着
f(x)除上x它的极限
是等于a的
所以在知道y等ax加b
是曲线的斜渐近线的条件下
我们就得到了
f(x)比上x的极限
是等于a
f(x)减去ax的极限等于b
这个结论
这就是这个定理中
必要性的证明
这样我们就证明了
这个定理
下面我们来看几个具体的例子
例4
我们假设f(x)等于1/x加上
e的x次方加1的自然对数
我们求曲线
y等f(x)的渐近线
在这个题目中
我们也就是
对这条具体的曲线来说
我们来看他有没有水平渐近线
有没有铅直渐近线
以及有没有斜渐近线
首先我们知道
这个函数在x趋向0时
他是一个无穷大量
所以x等0也就是y轴
就是这条曲线的
一条垂直渐近线
在x趋向负无穷时
我们能够知道
这个函数他的极限
是等于0的
这说明y等0就是这条曲线
在x趋向负无穷时的
水平渐近线
对于这个函数来说
我们可以看出
在x趋向正无穷时
他是一个正无穷大量
这说明
在x趋向正无穷时
这条曲线是不存在
水平渐近线的
它不存在水平渐近线
这就需要我们来判断
这个时候他是否存在斜渐近线
所以我们来求这个函数
除上x在x趋向正无穷时的极限
我们对ln 1加e^x
利用对数的运算性质
做一个简单的变形
那么我们就容易得到
x趋向正无穷时
这个函数的极限是等于1的
我们接下来再来看这个函数
减掉1乘上x
也就是这个函数减掉x之后
他的极限
我们同样利用对数的运算性质
将ln 1 加e^x变成x加上
ln 1加e^-x
这样我们就可以看出
这个函数在x趋向正无穷时的极限
是等于0的
我们利用这两个极限值
1和0就得到了一条直线y等x
根据前面的定理
我们就知道y等x
就是这条曲线
在x趋向正无穷时的斜渐近线
这样我们就把
这条曲线所有的渐近线
都求出来了
我们可以通过一个具体的图形
来看一看我们求的
这个函数的大概图像
下面是这个函数的一个定性图
从图中我们可以看出
x等0是他的一条铅直渐近线
y等0是这条曲线
在x趋向负无穷时的
水平渐近线
而直线y等x是这条曲线
在x趋向正无穷时的斜渐近线
在本节的最后
我们一起来讨论一个
比较综合的例题
也就是讨论函数作图的问题
在函数作图的问题中
我们需要讨论以下几个方面
第一个方面
我们要知道
我们作图的函数定义域是什么
也就是说我们要知道
在多大的范围内来作图
第二个方面我们要求
函数的单调区间
和函数的极值
第三个方面
我们要求函数的凸性区间
和曲线的拐点
第四个方面我们要求
曲线的渐近线
根据前面讨论的
函数的这些性态
我们最后就可以画出
函数的图像的定性图
所以说函数做图问题
是一个综合性很强的问题
我们在具体做题时
要注意的
把需要讨论的几个方面
讨论清楚
下面我们来看一个具体的函数
我们假设f(x)就等于
2加x乘上e的1/x次方
我们来做这个函数的图像
f(x)的定义域
我们容易求的就是
负无穷到0并上0到正无穷
也就是说这个函数
是在x等0是没有定义的
为了讨论单调性和求极值
我们求这个函数的一阶导数
它的一阶导数就等于
x加1乘上x减2除上x平方
再乘上e的1/x次方
我们令一阶导等于0
就得到一阶导等于0的点是两个
分别是x等-1和x等2
而一阶导不存在的点
就是他没有定义的点是x等0
我们可以得到
这个函数它的单调递增区间
是负无穷到-1和2到正无穷
单调递减区间
是(-1,0)和(0,2)
他在-1这点取到极大值1/e
在x等于2这点取到极小值
是4倍的根下e
我们为了讨论它的凸性
和求曲线的拐点
我们来求二阶导数
它的二阶导数就等于
5倍x加2除上x四次方再乘上
e的1/x次方
我们令二阶导数等于0
就会得到二阶导等于0的点是
x等于-2/5
同样在没有定义的点
x等0这点
二阶导也是不存在的
我们进一步分析就会得到
这个函数它的上凸区间
是负无穷到负的2/5
下凸区间(-2/5,0)
和0到正无穷
x等-2/5对应的点
就是这条线的拐点
又因为这个函数
在x小于0趋向于0时
他的极限是等于0的
而在x大于0趋向于0时
他是个正无穷大量
这样我们就知道直线x等0
是这条曲线的垂直渐近线
因为这个函数
在x趋向于正负无穷时
他都是无穷大量
所以它不存在水平渐近线
我们来看他是否存在斜渐近线
因为f(x)比上x
在x趋向无穷时
它的极限是等于1的
而f(x)减去x
在x趋向无穷时的极限
这是一个无穷减无穷型的
不定式极限
我们将x提出转化成
无穷乘0型的一个不定式极限
我们将乘以x
变成除以1/x
我们令t等1/x
我们这个极限
就变成了1加2t
乘上e的t次方
减去1除上t
在t趋向于0时的极限
这是一个0比0型的分式极限
我们利用洛必达法则
就会求出
这个极限值是等于3的
我们利用两个极限值1和3
就得到了直线y等x加3
是这条曲线在x趋向无穷时的
斜渐近线
利用我们前面得到的
定义域 单调性 极值
曲线的凸区间以及拐点
还有我们得到的
曲线的渐近线
我们就可以定性的画出
这个函数的图像
我们从图上可以看出
这个函数在负无穷到
负的2/5上是上凸的
在负的2/5到0以及0到正无穷
是下凸的
y等x加3是
他在x趋向正无穷
和x趋向负无穷时的
一条斜渐近线
而y轴就是
他在x大于0趋向0时的
垂直渐近线
所以这样我们就得到了
这个函数他比较准确的定性图
在这一讲中
我们介绍了
曲线的水平渐近线
铅直渐近线
斜渐近线的概念
并给出了判断
各种渐近线是否存在
以及求各种渐近线方程的
一般方法
极限是处理渐近线问题的
基本工具
熟练准确的极限运算
是正确求得渐近线方程的
基本保证
函数做图问题
可以综合的检验
对导数应用的掌握情况
下一讲将介绍泰勒公式
谢谢同学们
下一讲 再见
-0.1 绪论
--0.1.1 绪论
-1.1 极限概念引例
--第1.1节测试 极限概念引例
-1.2 极限的概念
--第1.2节测试 极限的概念
-1.3 极限的性质
--第1.3节测试 极限的性质
-1.4 极限的运算
--第1.4节测试 极限的运算
-1.5 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(1) 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(2) 夹逼定理与单调有界收敛定理
-1.6 两个重要的极限
--第1.6节测试 两个重要的极限
-1.7 无穷小量
--第1.7节测试 无穷小量
-2.1 连续函数的概念
--第2.1节测试 连续函数的概念
-2.2. 初等函数的连续性结论
--第2.2节测试 初等函数的连续性结论
-2.3 连续函数的性质
--第2.3节测试 连续函数的性质
-3.1 导数与导函数
--第3.1节测试 导数与导函数
-3.2 微分
--3.2.1 微分
--第3.2节测试 微分
-3.3 导数的运算
--第3.3节测试 导数的运算
-3.4 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--3.4.1 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--第3.4节测试 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
-3.5 高阶导数
--第3.5节测试 高阶导数
-4.1 极值和极值点
--第4.1节测试 极值和极值点
-4.2 微分中值定理
--第4.2节测试 微分中值定理
-4.3 洛必达法则
--第4.3节测试(1) 洛必达法则
--第4.3节测试(2) 洛必达法则
-4.4 函数单调性的判定
--第4.4节测试 函数单调性的判断
-4.5 函数的极值及其求法
--第4.5节测试 函数的极值及其求法
-4.6 函数的最值及其应用
--第4.6节测试 函数的最值及其应用
-4.7 曲线的凸性和拐点
--第4.7节测试 函数的凸性和拐点
-4.8 曲线的渐近线
--第4.8节测试 曲线的渐近线
-4.9 泰勒(Taylor)公式
--第4.9节测试 泰勒公式
-4.10 原函数与微分方程初步
--第4.10节测试 原函数与微分方程初步
-5.1 定积分问题举例
-5.2 定积分的概念
--第5.2节测试 定积分的概念
-5.3 定积分的基本性质
--第5.3节测试 定积分的性质
-5.4 微积分基本定理
--第5.4节测试 微积分基本定理
-5.5 定积分的几何应用
--第5.5节测试 定积分的几何应用
-5.6 定积分的物理应用
-6.1 换元积分法
--第6.1节测试 换元积分法
-6.2 分部积分法
--第6.2节测试 分部积分法
-6.3 有理函数的积分法
--第6.3节测试 有理函数的积分法
-6.4 定积分应用举例
--第6.4节测试 定积分应用举例
-6.5 反常积分
--第6.5节测试 反常积分
-7.1 无穷级数
--第7.1节测试 无穷级数
-7.2 正项级数
-7.3 比值判敛法和根式判敛法
--第7.3节测试 比值判敛法和根式判敛法
-7.4 一般项级数
--第7.4节测试 一般项级数
-7.5 幂级数
-7.6 函数的幂级数
--第7.6节测试 函数的幂级数
-7.7 泰勒级数
--第7.7节测试 泰勒级数
-7.8 幂级数的简单应用
-8.1 一阶可求解常微分方程
--第8.1节测试 一阶可求解常微分方程
-8.2 一阶线性微分方程
--第8.2节测试 一阶线性微分方程
-8.3 二阶线性常系数微分方程
--第8.3节测试 二阶线性常系数微分方程
-8.4 常系数微分方程简单应用举例
-期末考试
--期末考试说明
-期末考试--期末考试