引入
和 都是”上升”的曲线,为什么一个越来越陡、一个越来越缓?
为什么二阶导数的符号能判断凹凸性?它到底在度量什么?
拐点处的二阶导数一定等于零吗?
正文
定义
设 在区间 上连续,若对 内任意两点 ,曲线段总在连接两点的弦的下方,则称曲线在 上是凹的(凹向上、下凸);若总在弦的上方,则称凸的(凹向下、上凸)。
判别法
定理
设 在区间 上二阶可导:
- 若 ,则曲线在 上是凹的(开口向上)
- 若 ,则曲线在 上是凸的(开口向下)
为什么二阶导数能判断? 二阶导数是”斜率的变化率”:
| 二阶导数 | 斜率的变化 | 形状 |
|---|---|---|
| 斜率递增 | 越来越陡(或越来越缓的下降),开口向上 | |
| 斜率递减 | 越来越缓(或越来越陡的下降),开口向下 | |
| 斜率不变 | 直线 |
几何直观
以 为例,,开口向上;斜率为 ,随 增大而增大。
以 为例,,开口向下;斜率为 ,随 增大而减小。
注意术语的混乱:中文教材中”凹凸性”的命名并不统一。有的把开口向上叫”凹”,有的叫”凸”。做题时应以” 开口向上”为准,不要依赖名称。
拐点
定义
连续曲线上凹与凸的分界点称为拐点。
| 判断条件 | 说明 |
|---|---|
| 必要条件 | 或 不存在 |
| 充分条件 | 在 两侧变号 |
""不是充分条件。例如 ,,在 处为 ,但两侧都是正的,曲线始终开口向上, 不是拐点。
判断拐点必须检验变号,这是最容易出错的地方。
与极值的对照
| 项目 | 极值 | 拐点 |
|---|---|---|
| 依据 | 一阶导数 | 二阶导数 |
| 必要条件 | 或不存在 | 或不存在 |
| 充分条件 | 变号 | 变号 |
| 几何意义 | 局部最高/最低 | 弯曲方向改变 |
两者结构完全同构:都是”必要条件 + 变号”。
二阶导数判别极值
| 结论 | ||
|---|---|---|
| 极小值 | ||
| 极大值 | ||
| 失效,需用一阶判别 |
第三行是陷阱: 时无法判断,例如 在 处是极小值, 在 处不是极值。
常见函数示例
| 函数 | 凹凸性 | 拐点 | |
|---|---|---|---|
| 全区间凹 | 无 | ||
| 凸, 凹 | |||
| 周期性变化 | |||
| 全区间凸 | 无 | ||
| 变号 | 两侧凸,中间凹 |
常见误区
| 错误说法 | 问题 |
|---|---|
| ” 就是拐点” | 需检验两侧变号 |
| ”凹函数就是开口向下” | 命名混乱,看 符号 |
| ”拐点处一阶导数必为零” | 不必,如 的拐点处 |
| ” 时极值判别失效,说明无极值” | 需用一阶判别 |
| ”凹凸性与单调性有关” | 是两个独立的性质 |
引出
为什么 不能保证拐点?还需要什么条件?
凹凸性在不等式证明中如何应用?
多元函数的”凹凸性”如何定义?