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同学们 大家好

欢迎来到大学先修课

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

微积分(先修课)课程列表:

第零章 绪论

-0.1 绪论

--0.1.1 绪论

第一章 极限

-1.1 极限概念引例

--1.1.1 极限问题举例

--第1.1节测试 极限概念引例

-1.2 极限的概念

--1.2.1 极限的概念(1)

--1.2.2 极限的概念(2)

--1.2.3 极限的概念(3)

--1.2.4 极限的概念(4)

--1.2.5 极限的概念(5)

--第1.2节测试 极限的概念

-1.3 极限的性质

--1.3.1 极限的性质(1)

--1.3.2 极限的性质(2)

--第1.3节测试 极限的性质

-1.4 极限的运算

--1.4.1 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

--1.5.1 夹逼定理与单调有界收敛定理(1)

--1.5.2 夹逼定理与单调有界收敛定理(2)

--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

--1.6.1 两个重要的极限(1)

--1.6.2 两个重要的极限(2)

--第1.6节测试 两个重要的极限

-1.7 无穷小量

--1.7.1 无穷小量(1)

--1.7.2 无穷小量(2)

--第1.7节测试 无穷小量

第二章 连续函数

-2.1 连续函数的概念

--2.1.1 函数在一点连续的概念

--2.1.2 在一点的单侧连续性

--2.1.3 间断点的分类

--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

--2.1.1 连续函数的运算性质

--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

--2.3.1 局部性质和零点存在定理

--2.3.2 闭区间上连续函数的性质

--第2.3节测试 连续函数的性质

第三章 导数与微分

-3.1 导数与导函数

--3.1.1 导数与导函数(1)

--3.1.2 导数与导函数(2)

--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

--3.3.1 导数的四则运算

--3.3.2 复合函数的链导法则

--3.3.3 反函数求导法

--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

--3.5.1 高阶导数

--第3.5节测试 高阶导数

第四章 微分中值定理和导数的应用

-4.1 极值和极值点

--4.1.1 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

--4.2.1 微分中值定理(1)

--4.2.2 微分中值定理(2)

--第4.2节测试 微分中值定理

-4.3 洛必达法则

--4.3.1 洛必达法则(1)

--4.3.2 洛必达法则(2)

--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

--4.4.1 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

--4.5.1 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

--4.6.1 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

--4.7.1 函数的凸性和拐点(1)

--4.7.2 函数的凸性和拐点(2)

--第4.7节测试 函数的凸性和拐点

-4.8 曲线的渐近线

--4.8.1 曲线渐近线

--第4.8节测试 曲线的渐近线

-4.9 泰勒(Taylor)公式

--4.9.1 泰勒(Taylor)公式(1)

--4.9.2 泰勒(Taylor)公式(2)

--4.9.3 泰勒(Taylor)公式(3)

--第4.9节测试 泰勒公式

-4.10 原函数与微分方程初步

--4.10.1原函数与微分方程初步(1)

--4.10.2 原函数与微分方程初步(2)

--第4.10节测试 原函数与微分方程初步

第五章 定积分

-5.1 定积分问题举例

--5.1.1 定积分问题举例

-5.2 定积分的概念

--5.2.1 定积分的概念(1)

--5.2.2 定积分的概念(2)

--第5.2节测试 定积分的概念

-5.3 定积分的基本性质

--5.3.1 定积分的性质(1)

--5.3.2 定积分的性质(2)

--第5.3节测试 定积分的性质

-5.4 微积分基本定理

--5.4.1 微积分基本定理(1)

--5.4.2 微积分基本定理(2)

--第5.4节测试 微积分基本定理

-5.5 定积分的几何应用

--5.5.1 定积分的几何应用(1)

--5.5.2 定积分的几何应用(2)

--第5.5节测试 定积分的几何应用

-5.6 定积分的物理应用

--5.6.1 定积分的物理应用

第六章 积分法与反常积分

-6.1 换元积分法

--6.1.1 换元积分法(1)

--6.1.2 换元积分法(2)

--6.1.3 换元积分法(3)

--第6.1节测试 换元积分法

-6.2 分部积分法

--6.2.1 分部积分法(1)

--6.2.2 分部积分法(2)

--第6.2节测试 分部积分法

-6.3 有理函数的积分法

--6.3.1 有理函数的积分法(1)

--6.3.2 有理函数的积分法(2)

--第6.3节测试 有理函数的积分法

-6.4 定积分应用举例

--6.4.1 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

--6.5.1 反常积分(1)

--6.5.2 反常积分(2)

--6.5.3 反常积分(3)

--6.5.4 反常积分(4)

--第6.5节测试 反常积分

第七章 无穷级数

-7.1 无穷级数

--7.1.1 无穷级数

--第7.1节测试 无穷级数

-7.2 正项级数

--7.2.1 正项级数

-7.3 比值判敛法和根式判敛法

--7.3.1 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

--7.4.1 一般项级数(1)

--7.4.2 一般项级数(2)

--第7.4节测试 一般项级数

-7.5 幂级数

--7.5.1 幂级数

-7.6 函数的幂级数

--7.6.1 函数的幂级数

--第7.6节测试 函数的幂级数

-7.7 泰勒级数

--7.7.1 泰勒级数

--第7.7节测试 泰勒级数

-7.8 幂级数的简单应用

--7.8.1 幂级数的简单应用

第八章 常微分方程

-8.1 一阶可求解常微分方程

--8.1.1 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

-- 8.2.1 一阶线性微分方程(1)

--8.2.2 一阶线性微分方程(2)

--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

--8.3.1 二阶线性常系数微分方程(1)

--8.3.2 二阶线性常系数微分方程(2)

--8.3.3 二阶线性常系数微分方程(3)

--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

--8.4.1 常系数微分方程简单应用举例(1)

--8.4.2 常系数微分方程简单应用举例(2)

期末考试

-期末考试

--期末考试说明

-期末考试--期末考试

4.8.1 曲线渐近线笔记与讨论

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