漫步微积分4.2 - 凹凸性和拐点

图像有个最显著的特征,就是它弯曲的朝向。图1的左边,曲线是凹的,右边是凸的。二阶导的符号可以向我们提供凹凸信息。

这里写图片描述 图1

正的二阶导$f’’(x)>0$说明$f’(x)$的斜率是$x$的增函数。这意味着切线从左到右逆时针转动,如图2左边。我们说曲线是凹的(凹面是空心的那一边)。除了切点外,曲线位于切线的上方。同样的,如果二阶导是负的$f’’(x)<0$,那么$f’(x)$的斜率是减函数,切线从左到右顺时针转动,如图2右边。我们说曲线是凸的。除了切点以外,曲线位于切线的下方。

这里写图片描述 图2
大部分曲线在某些区间为凹的,在其他区间为凸的。像图2中的点P,通过它后凹凸性会改变,这样的点叫做拐点。如果$f''(x)$是连续的,且在点$P$两侧符号相反,那么P本身就是零点。找拐点主要就是求解等式$f''(x)=0$,检查每个根两边的凹凸性。 例1:考虑函数 $$ y=f(x)=2x^3-12x^2+18x-2 $$ 的凹凸性,计算一阶导 $$ f'(x)=6x^2-24x+18=6(x-1)(x-3) $$ 二阶导 $$ f''(x)=12x-24=12(x-2). $$ 驻点($f'(x)=0$的根)是$x=1,x=3$,对应的值为$y=6,y=-2$。 可能的拐点是$x=2$,因为它是$f''(x)=0$的根。很明显$x<2$ 时函数为正,$x>2$时函数为负,所以图像在$x=2$左边为凸,右边为凹。所以的确存在一个拐点,如图3。
这里写图片描述 图3

例2:有理函数

比较容易画出来,因为它关于$y$轴对称。在$x=0$处有最小值,因为此时分母最小,当$|x|\to \infty$时,$y\to 0$。 从直觉上它的图像如图4。很明存在两个拐点,接下来的问题是如果确定他们的位置。首先,计算一阶导

二阶导

解等式$y’’=0$的$x=\pm1/\sqrt{3}$,拐点的位置。我们可以根据每部分凹凸性来证实最开始我们对它的大致印象。当$x^2<\frac{1}{3}$时,$y’’<0$。当$x^2>\frac{1}{3}$时,$y’’>0$。这些事实告诉我们$-1/\sqrt{3}<x<1/\sqrt{3}$时,图像时凸的,其余部分是凹的。

这里写图片描述 图4

注解1:我们已经在例子中说明,知道了$f’’(x_0)=0$不能保证$x=x_0$是拐点。我们还必须知道图像在$x_0$两侧的凹凸情况。考虑一个最简单的函数$y=f(x)=x^4$(图5)。$f’(x)=4x^3,f’’(x)=12x^2$,所以$x=0$处$f’’(x)=0$。然而,$f’’(x)$在$x=0$点的两侧均是正的,因此这个点对应的是极小值,不是拐点。函数$y=x^5-5x^4$给出了一个更复杂的类似情况。

这里写图片描述 图5

$y’’=0$的根是$x=0,x=3$。然而,$y’’$在$x=0$处没有改变符号,所有只有$x=3$是拐点。图像在该点左边是凸的,右边是凹的。

注解2:我们很容易做出函数$y=x^{1/3}=\sqrt[3]{x}$的图像(图6),明显在$x=0$处有拐点。我们也可以通过求二阶导验证它

所以如果$x<0$,$y''$为正,$x>0$,$y’’$为负。然而,$y’’$在$x=0$处不存在。为了找到拐点,我们不仅要考虑$y’’=0$,还得考虑$y’’$不存在的情况。

这里写图片描述 图6

注解3:有一个二阶导测试,也就是用二阶导来确定驻点是否为极大或极小值(非正式的用图7 来说明:如果$f’(x_0)=0$且$f’’(x_0)<0$,那么它是极大值(左图);如果$f’(x_0)=0$且$f’’(x_0)>0$,那么它是极小值(右图))。有时候这个测试非常有用,但是经常被夸大了。之后我们会看到许多应用来确定极大极小值,没有哪种测试是万能的。

这里写图片描述 图7

漫步微积分十五——凹凸性和拐点