拐点

✍ dations ◷ 2024-12-22 19:01:02 #几何术语,微分学

拐点(Inflection point)或称反曲点,是一条连续曲线改变凹凸性的点,或者等价地说,是使切线穿越曲线的点。

决定曲线的拐点有助于理解曲线的外形,这在描绘曲线图形时特别有用。

若曲线图形在一点由凸转凹,或由凹转凸,则称此点为拐点。直观地说,拐点是使切线穿越曲线的点。

若该曲线图形的函数在某点的二阶导数为零或不存在,且二阶导数在该点两侧符号相反,该点即为函数的拐点。这是寻找拐点时最实用的方法之一。

拐点的必要条件:设 f ( x ) {\displaystyle f(x)} ( a , b ) {\displaystyle (a,b)} 内二阶可导, x 0 ( a , b ) {\displaystyle x_{0}\in (a,b)} ,若 ( x 0 , f ( x 0 ) ) {\displaystyle (x_{0},f(x_{0}))} 是曲线 y = f ( x ) {\displaystyle y=f(x)} 的一个拐点,则 f ( x 0 ) = 0 {\displaystyle f''(x_{0})=0} 。比如, f ( x ) = x 4 {\displaystyle f(x)=x^{4}} ,有 f ( 0 ) = 0 {\displaystyle f''(0)=0} ,但是0两侧全是凸,所以0不是函数 f ( x ) = x 4 {\displaystyle f(x)=x^{4}} 的拐点。

拐点的充分条件:设 f ( x ) {\displaystyle f(x)} ( a , b ) {\displaystyle (a,b)} 内二阶可导, f ( x 0 ) = 0 {\displaystyle f''(x_{0})=0} ,若在 x 0 {\displaystyle x_{0}} 两侧附近 f ( x ) {\displaystyle f''(x)} 异号,则点 ( x 0 , f ( x 0 ) ) {\displaystyle (x_{0},f(x_{0}))} 为曲线的拐点。否则(即 f ( x 0 ) {\displaystyle f''(x_{0})} 保持同号), ( x 0 , f ( x 0 ) ) {\displaystyle (x_{0},f(x_{0}))} 不是拐点。

拐点可以根据 f ( x ) {\displaystyle f'(x)} 为零或不为零,进行分类:

例如: y = x 3 {\displaystyle y=x^{3}} 的点 ( 0 , 0 ) {\displaystyle (0,0)} 是一个鞍点,切线为 x {\displaystyle x} 轴,切线正好将图像分为两半。

平面参数曲线的拐点是使其曲率变号的点,此时曲率中心(居于曲线凹侧)从曲线的一侧换至另一侧。

双正则点是使得参数曲线的一阶与二阶微分(它们是向量)线性无关的点。在双正则点上,曲线既无拐点亦非直线。在非双正则点上曲率为零,但是不一定有变号。在寻找参数曲线的拐点时,我们通常先以微分找出非双正则点,继之研究其局部性状,以判定是否为拐点。

注:某些作者偏好将拐点定义为“使一阶与二阶微分平行的点”,在此定义下,切线不一定在该点穿越曲线本身。

C {\displaystyle C} 为域 F {\displaystyle F} 上的平面代数曲线,其拐点定义为一平滑点 P C ( F ) {\displaystyle P\in C(F)} ,使得该点切线 L P {\displaystyle L_{P}} C {\displaystyle C} P {\displaystyle P} 点的相交重数 3 {\displaystyle \geq 3}

注意到一条曲线与 C {\displaystyle C} P {\displaystyle P} 点相切的充要条件是相交重数 2 {\displaystyle \geq 2} 。当 F = R {\displaystyle F=\mathbb {R} } 时,代数曲线的拐点定义等价于上节注记中的广义定义。

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