摘要
本课以极限的第一个几何应用,即渐近线,结束本单元对极限的研究。在代数与几何中,有理函数和含根式的函数的垂直、水平和斜渐近线是借助符号表和多项式除法求出的,而函数在渐近线附近的性态被当作直观事实接受下来。这里用单侧极限、无穷远处的极限和无穷极限来定义渐近线,并证明那些被接受的事实。我们证明:一条直线是渐近线,当且仅当曲线到它的距离趋于零;求出斜渐近线的斜率和截距的公式;并推出在每一端至多有一条渐近线。本课还纠正一个常见的看法,即曲线不能与其渐近线相交;提出一种不用导数作函数图像的方法,并把它应用于代数与几何中的函数,这些函数的符号表和多项式除法现在用极限来补全。
学习目标
- 用极限定义垂直、水平和斜渐近线,并把它们与曲线到直线的距离联系起来。
- 证明斜渐近线的斜率和截距的公式,以及每一端非垂直渐近线的唯一性。
- 证明代数与几何中所承认的、关于有理函数在其分母零点附近的性态的事实,并判定曲线相对于其渐近线的位置。
- 综合定义域、对称性、与坐标轴的交点、符号表和渐近线,作出代数函数和三角函数的图像。
定义
在代数与几何中关于有理函数的那一课里,渐近线是这样一条直线:曲线沿着它的某一分支远离时,越来越接近这条直线。有了本单元的极限,这一想法可以精确地写出来。远离的方式有两种:自变量趋近一个数而函数值无限增大,或者自变量无限增大。前者对应垂直渐近线;后者对应其余的渐近线。
设 是定义域为 的函数。
- 直线 称为 的图像的垂直渐近线,如果 在 处的单侧极限中至少有一个是 或 。
- 若 无上界,直线 称为 的图像在 处的渐近线,如果 。当 时称它为水平渐近线,当 时称它为斜渐近线。同样可定义在 处的渐近线。
三点说明使定义更加精确。第一:水平渐近线 (在 处)不过就是命题 ,见关于自变量趋于无穷大时的极限的那一课。第二:非垂直渐近线在每一端分别定义,在 处和在 处可以不同,如反正切的直线 和 。第三:若 趋于 ,其中 是一个非一次的函数(例如分子次数比分母次数高出二或更多时,除法所得的商多项式),则称曲线 为曲线渐近线;后文关于斜渐近线所说的一切对它也成立,只有斜率和截距的公式除外。
定义度量的是纵坐标之差,即曲线与直线之间的竖直距离。而直观的想法说的是曲线到直线的距离,它沿垂线度量。下面的命题表明,两者同时趋于零。
设 是图像上横坐标为 的点, 是直线 。则 是 的图像在 处的渐近线,当且仅当 。 到直线的距离等于竖直距离乘以一个正常数。图中的曲线是 ,其渐近线是直线 。
证明
直线 的方程为 。由关于平面向量的那一课中点到直线的距离公式, 到 的距离等于竖直距离除以 ,它与 无关。
由关于极限的运算法则的那一课中的引理“作为趋于零的距离的极限”,推广到无穷远处, 趋于 当且仅当其绝对值趋于 ;而绝对值趋于 ,当且仅当它与正常数 的乘积也是如此,这由线性组合法则得出。
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