设函数 y(x) 由参数方程 {x=t3+3t+1y=t3−3t+1 确定,则曲线 y=y(x) 向上凸的 x 取值范围为 ______.
设函数
题目解答
答案
|
得:
y′=
|
||
|
| 3t2−3 |
| 3t2+3 |
| t2−1 |
| t2+1 |
| 2 |
| t2+1 |
∴y″=(y′)′=
| dy′ |
| dt |
| dt |
| dx |
| d |
| dt |
| 2 |
| t2+1 |
| 1 | ||
|
| 4t |
| (t2+1)2 |
| 1 |
| 3(t2+1) |
| 4t |
| 3(t2+1)3 |
令:y″<0,得:t<0
又x=t 3+3t+1是单调递增的,并且当t<0时,x<1,
∴曲线y=y(x)向上凸的x取值范围为(-∞,1).
解析
考查要点:本题主要考查参数方程确定的函数的凹凸性判断,涉及一阶导数、二阶导数的计算,以及参数方程单调性的分析。
解题核心思路:
- 求导方法:通过参数方程求导公式,计算一阶导数 $\frac{dy}{dx}$ 和二阶导数 $\frac{d^2y}{dx^2}$。
- 凹凸性判断:根据二阶导数的符号确定曲线的凹凸性($\frac{d^2y}{dx^2} < 0$ 时向上凸)。
- 参数转换:结合 $x(t)$ 的单调性,将 $t$ 的范围转换为 $x$ 的范围。
破题关键点:
- 二阶导数的正确计算:注意链式法则的应用,尤其是 $\frac{d}{dx}\left(\frac{dy}{dx}\right) = \frac{d}{dt}\left(\frac{dy}{dx}\right) \cdot \frac{dt}{dx}$。
- 单调性分析:通过 $x'(t) = 3t^2 + 3 > 0$ 判断 $x(t)$ 单调递增,从而建立 $t$ 与 $x$ 的一一对应关系。
1. 求一阶导数 $\frac{dy}{dx}$
根据参数方程求导公式:
$\frac{dy}{dx} = \frac{\frac{dy}{dt}}{\frac{dx}{dt}} = \frac{3t^2 - 3}{3t^2 + 3} = \frac{t^2 - 1}{t^2 + 1}.$
2. 求二阶导数 $\frac{d^2y}{dx^2}$
对 $\frac{dy}{dx}$ 关于 $t$ 求导,再乘以 $\frac{dt}{dx}$:
$\frac{d^2y}{dx^2} = \frac{d}{dt}\left(\frac{t^2 - 1}{t^2 + 1}\right) \cdot \frac{1}{\frac{dx}{dt}}.$
计算导数:
$\frac{d}{dt}\left(\frac{t^2 - 1}{t^2 + 1}\right) = \frac{4t}{(t^2 + 1)^2},$
因此:
$\frac{d^2y}{dx^2} = \frac{4t}{(t^2 + 1)^2} \cdot \frac{1}{3(t^2 + 1)} = \frac{4t}{3(t^2 + 1)^3}.$
3. 判断凹凸性
当 $\frac{d^2y}{dx^2} < 0$ 时,曲线向上凸:
$\frac{4t}{3(t^2 + 1)^3} < 0 \implies t < 0.$
4. 转换为 $x$ 的范围
由 $x(t) = t^3 + 3t + 1$,其导数 $x'(t) = 3t^2 + 3 > 0$,故 $x(t)$ 单调递增。当 $t < 0$ 时,$x(t) < x(0) = 1$,因此 $x$ 的取值范围为 $(-\infty, 1)$。