§7 曲率

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§7曲率
一、弧微分
设函数f(x在区间(a,b内具有连续导数,在曲线f(x上取固定点M0(x0,y0作为度量弧长的基点,并规定依x增大的方向作为曲线的正向。对于曲线上任意一点M(x,y定有向弧M0M的值s如下:s的绝对值等于弧的长度,当有向弧的方向与曲线的方向一致时为正,否则为负,则曲率为lim
MM2
,易有ds1ydx,这就是弧微分公式
x0x
二、曲率及其计算公式
曲率是描述曲线局部性质(弯曲程度)的量。定义:弧段MM的平均曲率为K

.曲线C在点M处的曲率Klim
s0ss
lim
dd
.存在的条件下,K
s0sdsds
注意:
(1直线的曲率处处为零;
(2圆上各点处的曲率等于半径的倒数,且半径越小曲率越大.2.曲率的计算公式
yf(x二阶可导,tany,arctany,dds1y2dx.k
y
dx,
1y2
y(1y
322
.
x(t,二阶可导,y(t,
d2y(t(t(t(tdy(t
.,2
dx3(tdx(t
k
(t(t(t(t
[2(t2(t]
2
3
2
.
1抛物线yaxbxc上哪一点的曲率最大?解:y2axb,y2a,k
2a[1(2axb]
322
.
bb24acb
为抛物线的顶点,显然,x,k最大.(,
2a4a2a

抛物线在顶点处的曲率最大.
三、曲率圆与曲率半径定义:
设曲线yf(x在点M(x,y处的曲率为k(k0.在点M处的曲线的法线上,在凹的一侧取一点D,使DM
1
.D为圆k
,为半径作圆(如图,称此圆为曲线在点M处的曲率圆.
y
D
1k
yf(x
M
o
x

D曲率中心,曲率半径.
注意:
1.曲线上一点处的曲率半径与曲线在该点处的曲率互为倒数.

11,k.k
2.曲线上一点处的曲率半径越大,曲线在该点处的曲率越小(曲线越平坦;曲率半径越小,
率越大(曲线越弯曲.
3.曲线上一点处的曲率圆弧可近似代替该点附近曲线弧(称为曲线在该点附近的二次近似.

y
N
TR
A
M
o
x0x
xx
x

以前我们利用描点法作图,这样作出的图形往往与实际图形相去甚远.这是因为,尽管

我们比较准确地描出曲线上的一些点,但两点之间的其它点未能更细地描出,尤其是曲线的升降、凹凸性及有无极值点等问题不明了.为了提高作图的准确程度,现在我们可以利用函数的一阶与二阶导数,根据曲线的升降、极值点、凹凸性、拐点与渐近线等特性来作图,使图形能正确反映函数的性态.
作函数yf(x图形的一般步骤如下:(1确定函数的定义域;
(2考察函数的奇偶性(对称性、周期性;(3确定水平渐近线与垂直渐近线;
(4yy,找出yy的零点、它们不存在的点以及函数的间断点;(5利用(4中所得的点将定义域划分为若干个区间,列表讨论各个区间上曲线的升降与凹凸性,并讨论每个分界点是否为极值点或产生拐点.
(6描出极值点,拐点与特殊点,再根据上述性质逐段描出曲线.
Def1.若当x(有时仅当xx时,f(xb则称直线yb曲线yf(x的水平渐近线.
例如,由于lim直线y
2x12x1
的水平渐近线.同理可知,2故直线y2是曲线y
xxx

2
y

2
都是曲线yarctanx的水平渐近线.


Def2.若当xc(有时仅当xcxc时,f(x,则称直线xc为曲线yf(x的垂直渐近线.
例如,x0时,所以直线x0是对数曲线ylnx的垂直渐近线.lnx理可知,x0是曲线y

2x1
的垂直渐近线.x
为求曲线yf(x的垂直渐近线,应先找f(x的间断点c,再看当xc(或单侧时,是否有f(x

4作函数y
12
e

x22
的图形.
(1定义域为x(,
(2yf(x为偶函数,图形对称于y轴.我们可先讨论[0,上函数的图形,再据对称性作出左边的图形.
(3limf(x0,有水平渐近线y0.但图形无垂直渐近线.
x

(4y
x2
e

x22
y
x212
e

x22

y0,y0,得[0,上两点x10,x21
(5列表讨论:
x
f(xf(xyf(x

00极大
(0,1

10有拐点
(1,

得极大值点M10,
11
M1,,拐点2
22e


,根据上表所列性质,描出yf(x22e1
(6描出点M1M2和点M32,
[0,上的图形,再利用对称性描出函数在(,0上的图形,所得图形如图315所示.
y
0.5
0.4

M1
0.3
0.2

M2
0.1
3
x
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
M
0
-0.1
-2.5

y=(2*x-1/(x-12
876543210-1-2-2
y

O

x
1
2
3
4
5
6

-1-0.5
0
315
5描绘函数y
316
2x1
的图形.2
(x1
(1定义域为x1(2lim
2x1
垂直渐近线x1
x1(x12
lim
2x1
0水平渐近线y0
x(x12

(3y
2x4x2
y34
(x1(x1
y0,y0,得x1
(4列表讨论如下:

1
,x20.此外,在x31y不存在.2
x
yyyf(x
故有拐点A
111
(,(,0
222

0拐点
+
00+

(0,11
++

(1,
+
718
,、极小值点B(0,1,再在曲线上取两点C(2,3D4,,描
929
出这些点,注意到渐近线和表中所列的性质,描出图形如图316所示.


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