要求一个函数的凹凸区间和拐点,可以按照以下步骤进行:
求出函数的一阶导数
对函数进行求导,得到一阶导数 \( f'(x) \)。
求出函数的二阶导数
对一阶导数再次求导,得到二阶导数 \( f''(x) \)。
找出二阶导数为零或不存在的点
解方程 \( f''(x) = 0 \) 找到可能的拐点位置。
检查二阶导数是否在不连续点(如 \( x = 0 \))处不连续,这些点也可能是拐点。
判断二阶导数的符号变化
在二阶导数等于零的点处,检查二阶导数的符号是否在左侧和右侧异号。如果异号,则该点为拐点;如果同号,则不是拐点。
分析二阶导数的正负变化区间,二阶导数大于零的区间是凹区间,小于零的区间是凸区间。
计算函数值
将二阶导数为零或不存在的点代入原函数,计算函数值。如果函数值在左侧和右侧符号不同,则该点为拐点;否则不是拐点。
构建凹凸性的符号变化表
使用找到的拐点和不连续点,构建函数凹凸性的符号变化表,以帮助确定凹凸区间。
示例
假设函数为 \( y = x^3 - x^4 \):
求一阶导数
\[ y' = 3x^2 - 4x^3 \]
求二阶导数
\[ y'' = 6x - 12x^2 \]
解二阶导数等于零的方程
\[ 6x - 12x^2 = 0 \]
\[ 6x(1 - 2x) = 0 \]
\[ x = 0 \text{ 或 } x = \frac{1}{2} \]
判断二阶导数的符号变化
当 \( x < 0 \) 时,\( y'' = 6x - 12x^2 > 0 \)(因为 \( 6x < 0 \) 且 \( -12x^2 < 0 \))
当 \( 0 < x < \frac{1}{2} \) 时,\( y'' = 6x - 12x^2 > 0 \)(因为 \( 6x > 0 \) 且 \( -12x^2 < 0 \))
当 \( x > \frac{1}{2} \) 时,\( y'' = 6x - 12x^2 < 0 \)(因为 \( 6x > 0 \) 且 \( -12x^2 < 0 \))
计算函数值
在 \( x = 0 \) 处,\( y = 0^3 - 0^4 = 0 \)
在 \( x = \frac{1}{2} \) 处,\( y = \left(\frac{1}{2}\right)^3 - \left(\frac{1}{2}\right)^4 = \frac{1}{8} - \frac{1}{16} = \frac{1}{16} \)
构建凹凸性的符号变化表
凹区间:\( (-\infty, 0) \cup \left(0, \frac{1}{2}\right) \)
凸区间:\( \left(\frac{1}{2}, +\infty\right) \)
确定拐点
\( x = 0 \) 处,二阶导数符号没有变化,不是拐点。
\( x = \frac{1}{2} \) 处,二阶导数符号从正变负,是拐点。
因此,函数 \( y = x^3 - x^4 \) 的凹区间为 \( (-\infty, 0) \cup \left(0, \frac{1}{2}\right) \),凸区间为 \( \left(\frac{1}{2}, +\infty\right) \),拐点是 \( \left(\frac{1}{2}, \frac{1}{16}\right) \)。