Точка перегиба: различия между версиями
[отпатрулированная версия] | [отпатрулированная версия] |
Jumpow (обсуждение | вклад) Статья расширена Перевод с английского статьи "F26A graph" |
Tosha (обсуждение | вклад) частичный откат Метка: ручная отмена |
||
(не показано 29 промежуточных версий 14 участников) | |||
Строка 1: | Строка 1: | ||
[[Файл:x cubed plot.svg|thumb|180px| График функции ''y'' = ''x''<sup>3</sup> с точкой перегиба (0, 0), также являющейся [[Седловая точка|седловой точкой]].]] |
[[Файл:x cubed plot.svg|thumb|180px| График функции ''y'' = ''x''<sup>3</sup> с точкой перегиба (0, 0), также являющейся [[Седловая точка|седловой точкой]].]] |
||
⚫ | [[Файл:Cubic graph special points (ru).svg|thumb|272px|[[Нуль функции|Корни]], [[Стационарная точка|стационарные точки]], точки перегиба и выпуклость [[Кубическая функция|кубического многочлена]] ''x''<sup>3</sup> − 3''x''<sup>2</sup> − 144''x'' + 432 (чёрная линия) и его [[Производная функции|первой и второй производных]] (красная и синяя линии).]] |
||
⚫ | '''Точка перегиба''' — точка [[Плоская кривая|плоской кривой]], в которой её [[Кривизна#Ориентированная кривизна плоской кривой|ориентированная кривизна]] меняет знак. Если кривая является графиком функции, то в этой точке [[Выпуклая функция|выпуклая]] часть функции отделяется от вогнутой (то есть вторая производная функции меняет знак). |
||
⚫ | [[Файл:Cubic graph special points (ru).svg|thumb|272px|[[Нуль функции|Корни]], [[Стационарная точка|стационарные точки |
||
⚫ | |||
⚫ | |||
⚫ | ''Точка (простого) перегиба'' регулярной кривой — это такая точка этой кривой, в которой касательная к кривой имеет с ней соприкосновение второго порядка и ''разбивает кривую'', то есть точки кривой, лежащие в некоторой окрестности данной точки по разные стороны от этой точки, лежат также по разные стороны от касательной{{sfn|Шикин|1997|c=39}}{{sfn| Bronshtein, Semendyayev|2005|с=231}}. Если кривая 2-регулярна, то условие заменяется на следующее: ориентированная кривизна кривой при переходе через точку перегиба изменяет знак. |
||
⚫ | |||
⚫ | Условие смены знака ориентированной кривизны не равносильно разбиению кривой на вогнутую и выпуклую часть. Так, в случае точки возврата кривая может не иметь касательной. Для исключения этого вышеприведённых определениях требуется регулярность кривой. Более интересный случай — функция <math>y = x^5(1 + \sin^2\frac{1}{x})</math> при <math>x \ne 0, y = 0 </math> при <math>x = 0 </math>, которая в точке 0 касается оси x и пересекает её, но меняет знак вблизи нуля бесконечное число раз; здесь даже существует вторая непрерывная производная{{sfn|Фихтенгольц|2001|с=305}}. Для исключения такого случая требуют, чтобы функция имела изолированный экстремум (см. ниже). |
||
⚫ | |||
⚫ | |||
⚫ | |||
⚫ | ''Точка (простого) перегиба'' регулярной кривой |
||
⚫ | |||
⚫ | [[Дифференцируемая функция]] имеет точку перегиба <math>(x, f(x))</math> тогда и только тогда, когда её [[Производная функции|первая производная]], <math>f'</math>, имеет [[Изолированная точка множества|изолированный]] [[экстремум]] в точке <math>x</math> (это не то же самое, что <math>f</math> имеет экстремум в этой точке). То есть в некоторой окрестности точки <math>x</math> имеется одна и только одна точка, в которой <math>f'</math> имеет (локальный) минимум или максимум. Если все [[экстремум]]ы функции <math>f'</math> [[Изолированная точка множества|изолированы]], то точка перегиба — это точка на графике <math>f</math>, в которой [[Касательная прямая|касательная]] пересекает кривую{{sfn|Фихтенгольц|2001|с=294—305}}{{sfn|Кудрявцев|1981|c=190—195}}. |
||
⚫ | |||
⚫ | |||
⚫ | |||
⚫ | |||
⚫ | |||
⚫ | Для [[Алгебраическая кривая|алгебраической кривой]] несингулярная точка является точкой перегиба тогда и только тогда, когда [[Кратность критической точки|кратность точки]] пересечения касательной с кривой нечётна и больше двух<ref>{{cite web|url=https://www.encyclopediaofmath.org/index.php/Point_of_inflection|title=Point of inflection|work=encyclopediaofmath.org|access-date=2016-12-30|archive-date=2018-04-29|archive-url=https://web.archive.org/web/20180429222121/https://www.encyclopediaofmath.org/index.php/Point_of_inflection|url-status=live}}</ref>. |
||
⚫ | [[Дифференцируемая функция]] имеет точку перегиба ( |
||
⚫ | |||
⚫ | |||
⚫ | Для [[Алгебраическая кривая|алгебраической кривой]] несингулярная точка является точкой перегиба тогда и только тогда, когда [[Кратность критической точки|кратность точки]] пересечения касательной с кривой нечётна и больше двух |
||
Для кривой, заданной [[Параметрическое представление|параметрически]], точка является точкой перегиба, если её [[Кривизна|кривизна]] меняет знак с плюса на минус или наоборот. |
|||
== Свойства == |
== Свойства == |
||
Строка 33: | Строка 28: | ||
Если кривая задана как график дифференцируемой функции <math>f</math>, точка перегиба является точкой экстремума для <math>f'</math>. |
Если кривая задана как график дифференцируемой функции <math>f</math>, точка перегиба является точкой экстремума для <math>f'</math>. |
||
== |
== Необходимое и достаточное условия == |
||
[[Файл:Animated illustration of inflection point.gif|400px|thumb|График функции ''f''(''x'') = sin(2''x'') |
[[Файл:Animated illustration of inflection point.gif|400px|thumb|График функции ''f''(''x'') = sin(2''x'') от −''π''/4 до 5''π''/4. Заметьте, вторая [[Производная функции|производная]] функции ''f'' равна ''f″''(''x'') = −4sin(2''x''). Касательная отражена зелёным цветом, где кривая [[Выпуклая функция|выпукла]] (под [[Касательная прямая|касательной]]), синим, где кривая вогнута (выше касательной), и красным цветом в точках перегиба 0, ''π''/2 и ''π'']] |
||
Если |
Если <math>x</math> является точкой перегиба для <math>f</math>, то вторая производная <math>f''(x)</math> равна нулю, если существует, но это условие не является [[Необходимое и достаточное условие|достаточным]]. Требуется, чтобы наименьший порядок ненулевой производной (выше второй) был нечётным (третья, пятая и т. д. производные). Если наименьший порядок ненулевой производной чётен, точка не является точкой перегиба, а является ''параболической точкой распрямления'' {{sfn|Рашевский|1950|с=18—19}}. В алгебраической геометрии, однако, как точки перегиба, так и точки спрямления обычно называют ''точками перегиба''. |
||
Определение предполагает, что |
Определение предполагает, что <math>f</math> имеет ненулевую производную более высокого порядка по <math>x</math>, которая не обязательно существует. Но если таковая существует, из определения следует, что знак <math>f'(x)</math> постоянен по обеим сторонам от <math>x</math> в [[Окрестность|окрестности]] точки <math>x</math>. |
||
'''Достаточное условие точки перегиба:''' |
'''Достаточное условие точки перегиба:''' |
||
1) Достаточным условием точки перегиба является: |
1) Достаточным условием точки перегиба является: |
||
:Если |
: Если <math>f(x)</math> <math>k</math> раз непрерывно дифференцируема в некоторой окрестности точки <math>x</math>, где <math>k</math> нечётно и <math>k \ge 3</math>, <math>f^{(n)}(x_0)=0</math> для <math>n = 2, \dots ,k-1</math> и <math>f^{(k)}(x_0) \neq 0 </math>, то <math>x_0</math> является точкой перегиба <math>f(x)</math>. |
||
2) Другое достаточное условие требует, чтобы |
2) Другое достаточное условие требует, чтобы <math>f''(x+\varepsilon)</math> и <math>f''(x-\varepsilon)</math> имели разные знаки в окрестности точки ''x'' при условии, что в данной точке существует касательная{{sfn|Bronshtein, Semendyayev|2005|с=231}}. |
||
{{sfn|Bronshtein, Semendyayev|2005|с=231}}. |
|||
==Классификация точек перегиба== |
== Классификация точек перегиба == |
||
⚫ | |||
⚫ | |||
⚫ | |||
⚫ | |||
⚫ | |||
⚫ | |||
⚫ | |||
⚫ | |||
⚫ | |||
⚫ | |||
⚫ | |||
⚫ | |||
⚫ | |||
⚫ | Некоторые функции меняют выпуклость/вогнутость в некоторой точке, но не имеют в этой точке перегиба. Вместо этого они могут менять кривизну при переходе вертикальной асимптоты или в точке разрыва. Возьмём, например, функцию <math> 2 x^2 / (x^2-1) </math>. Она выпукла при <math>|x| > 1</math> и вогнута при <math>|x| < 1</math>. Однако у этой функции нет точки перегиба, поскольку <math>1</math> и <math>-1</math> не принадлежат области определения функции. |
||
⚫ | |||
⚫ | Некоторые функции меняют выпуклость/вогнутость в некоторой точке, но не имеют в этой точке перегиба. Вместо этого они могут менять кривизну при переходе вертикальной асимптоты или в точке разрыва. Возьмём, например, функцию |
||
== См. также == |
== См. также == |
||
Строка 69: | Строка 62: | ||
* [[Вершина кривой]], локальный минимум или максимум кривизны |
* [[Вершина кривой]], локальный минимум или максимум кривизны |
||
== |
== Примечания == |
||
{{примечания|2}} |
{{примечания|2}} |
||
==Литература== |
== Литература == |
||
*{{книга |
* {{книга |
||
|автор=Е.В. Шикин, М.М. Франк-Каменецкий |
|автор=Е.В. Шикин, М.М. Франк-Каменецкий |
||
|ref=Шикин |
|ref=Шикин |
||
Строка 92: | Строка 85: | ||
|isbn=978-3-540-72121-5 |
|isbn=978-3-540-72121-5 |
||
}} |
}} |
||
*{{книга |
* {{книга |
||
|автор= Л.Д. Кудрявцев |
|автор= Л. Д. Кудрявцев |
||
|ref=Кудрявцев |
|ref=Кудрявцев |
||
|часть= Гл. 1. Дифференциальное исчисление функций одного переменного |
|часть= Гл. 1. Дифференциальное исчисление функций одного переменного |
||
Строка 103: | Строка 96: | ||
|страницы=190—195 |
|страницы=190—195 |
||
}} |
}} |
||
*{{книга |
* {{книга |
||
|автор=Г. М.Фихтенгольц |
|автор=Г. М. Фихтенгольц |
||
|ref=Фихтенгольц |
|ref=Фихтенгольц |
||
|часть=Гл. IV. Исследование функций с помощью производных |
|часть=Гл. IV. Исследование функций с помощью производных |
||
Строка 115: | Строка 108: | ||
|ISBN=5-9221-0156-0 |
|ISBN=5-9221-0156-0 |
||
}} |
}} |
||
*{{книга |
* {{книга |
||
|автор=П.К. Рашевский |
|автор=П. К. Рашевский |
||
|ref=Рашевский |
|ref=Рашевский |
||
|заглавие=Курс дифференциальной геометрии |
|заглавие=Курс дифференциальной геометрии |
||
Строка 123: | Строка 116: | ||
|издательство=Государственное издательство техническо-теоретической литературы |
|издательство=Государственное издательство техническо-теоретической литературы |
||
}} |
}} |
||
* {{MathWorld|title=Inflection Point|urlname=InflectionPoint}} |
* {{MathWorld|title=Inflection Point|urlname=InflectionPoint}} |
||
* {{springer|title=Point of inflection|id=p/p073190}} |
* {{springer|title=Point of inflection|id=p/p073190}} |
||
==Ссылки== |
== Ссылки == |
||
* [http://www.cut-the-knot.org/Curriculum/Calculus/FourthDegree.shtml Inflection Points of Fourth Degree Polynomials] |
* [http://www.cut-the-knot.org/Curriculum/Calculus/FourthDegree.shtml Inflection Points of Fourth Degree Polynomials] |
||
⚫ | |||
[[Категория:Дифференциальное исчисление]] |
[[Категория:Дифференциальное исчисление]] |
||
[[Категория:Кривые]] |
[[Категория:Кривые]] |
||
[[Категория:Аналитическая геометрия]] |
[[Категория:Аналитическая геометрия]] |
||
⚫ |
Текущая версия от 01:35, 22 августа 2024
Точка перегиба — точка плоской кривой, в которой её ориентированная кривизна меняет знак. Если кривая является графиком функции, то в этой точке выпуклая часть функции отделяется от вогнутой (то есть вторая производная функции меняет знак).
Определения
[править | править код]Точка (простого) перегиба регулярной кривой — это такая точка этой кривой, в которой касательная к кривой имеет с ней соприкосновение второго порядка и разбивает кривую, то есть точки кривой, лежащие в некоторой окрестности данной точки по разные стороны от этой точки, лежат также по разные стороны от касательной[1][2]. Если кривая 2-регулярна, то условие заменяется на следующее: ориентированная кривизна кривой при переходе через точку перегиба изменяет знак. Точкой высшего (вырожденного) перегиба кривой называется такая её точка, касательная к кривой в которой имеет с ней соприкосновение, порядок которого не ниже трёх, и касательная разбивает кривую[1].
Условие смены знака ориентированной кривизны не равносильно разбиению кривой на вогнутую и выпуклую часть. Так, в случае точки возврата кривая может не иметь касательной. Для исключения этого вышеприведённых определениях требуется регулярность кривой. Более интересный случай — функция при при , которая в точке 0 касается оси x и пересекает её, но меняет знак вблизи нуля бесконечное число раз; здесь даже существует вторая непрерывная производная[3]. Для исключения такого случая требуют, чтобы функция имела изолированный экстремум (см. ниже).
Точка кривой называется точкой распрямления, если кривизна кривой в этой точке равна нулю[4]. Иногда точку распрямления кривой, не являющуюся точкой перегиба этой кривой, называют параболической точкой распрямления[1].
Дифференцируемая функция имеет точку перегиба тогда и только тогда, когда её первая производная, , имеет изолированный экстремум в точке (это не то же самое, что имеет экстремум в этой точке). То есть в некоторой окрестности точки имеется одна и только одна точка, в которой имеет (локальный) минимум или максимум. Если все экстремумы функции изолированы, то точка перегиба — это точка на графике , в которой касательная пересекает кривую[5][6].
Высшей (вырожденной) вершиной регулярной кривой называется такая её точка, в которой соприкасающаяся окружность имеет с ней касание, порядок которого выше третьего[1].
Восходящая точка перегиба — это точка перегиба, где производная имеет локальный минимум, и нисходящая точка перегиба— это точка перегиба, где производная имеет локальный максимум.
Для алгебраической кривой несингулярная точка является точкой перегиба тогда и только тогда, когда кратность точки пересечения касательной с кривой нечётна и больше двух[7].
Свойства
[править | править код]Точка перегиба однозначно характеризуется двумя свойствами:
- в точке кривая имеет единственную касательную,
- в достаточно малой окрестности точки кривая расположена внутри одной пары противоположных углов, образуемых касательной и нормалью.
Если кривая задана как график дифференцируемой функции , точка перегиба является точкой экстремума для .
Необходимое и достаточное условия
[править | править код]Если является точкой перегиба для , то вторая производная равна нулю, если существует, но это условие не является достаточным. Требуется, чтобы наименьший порядок ненулевой производной (выше второй) был нечётным (третья, пятая и т. д. производные). Если наименьший порядок ненулевой производной чётен, точка не является точкой перегиба, а является параболической точкой распрямления [8]. В алгебраической геометрии, однако, как точки перегиба, так и точки спрямления обычно называют точками перегиба.
Определение предполагает, что имеет ненулевую производную более высокого порядка по , которая не обязательно существует. Но если таковая существует, из определения следует, что знак постоянен по обеим сторонам от в окрестности точки .
Достаточное условие точки перегиба:
1) Достаточным условием точки перегиба является:
- Если раз непрерывно дифференцируема в некоторой окрестности точки , где нечётно и , для и , то является точкой перегиба .
2) Другое достаточное условие требует, чтобы и имели разные знаки в окрестности точки x при условии, что в данной точке существует касательная[2].
Классификация точек перегиба
[править | править код]Точки перегиба можно классифицировать согласно производной :
- если равно нулю, точка является стационарной точкой перегиба;
- если не равно нулю, точка является нестационарной точкой перегиба.
Примером седловой точки является точка графика . Касательной служит ось , и она разделяет график в этой точке.
Нестационарные точки перегиба можно продемонстрировать графиком функции , если его чуть повернуть относительно начала координат. Касательная в начале координат всё ещё делит график на две части, но градиент не равен нулю.
Функции с разрывами
[править | править код]Некоторые функции меняют выпуклость/вогнутость в некоторой точке, но не имеют в этой точке перегиба. Вместо этого они могут менять кривизну при переходе вертикальной асимптоты или в точке разрыва. Возьмём, например, функцию . Она выпукла при и вогнута при . Однако у этой функции нет точки перегиба, поскольку и не принадлежат области определения функции.
См. также
[править | править код]- Критическая точка
- Экологический порог[англ.]
- Конфигурация Гессе образована девятью точками перегиба эллиптической кривой
- Стрельчатая S-образная арка[англ.], архитектурная форма с точками перегиба
- Вершина кривой, локальный минимум или максимум кривизны
Примечания
[править | править код]- ↑ 1 2 3 4 Шикин, 1997, с. 39.
- ↑ 1 2 Bronshtein, Semendyayev, 2005, с. 231.
- ↑ Фихтенгольц, 2001, с. 305.
- ↑ Шикин, 1997, с. 27.
- ↑ Фихтенгольц, 2001, с. 294—305.
- ↑ Кудрявцев, 1981, с. 190—195.
- ↑ Point of inflection . encyclopediaofmath.org. Дата обращения: 30 декабря 2016. Архивировано 29 апреля 2018 года.
- ↑ Рашевский, 1950, с. 18—19.
Литература
[править | править код]- Е.В. Шикин, М.М. Франк-Каменецкий. Кривые на плоскости и в пространстве (справочник). — Москва: «ФАЗИС», 1997. — ISBN 5-7036-0027-8, ББК 22.15.
- I.N. Bronshtein, K.A. Semendyayev, G. Musiol, H. Muehlig. Handbook of Mathematics. — 5. — Berlin, Heidelberg, New York: Springer, 2005. — ISBN 978-3-540-72121-5.
- Л. Д. Кудрявцев. Гл. 1. Дифференциальное исчисление функций одного переменного // Математический анализ. — Москва: «Высшая школа», 1981. — Т. 1. — С. 190—195.
- Г. М. Фихтенгольц. Гл. IV. Исследование функций с помощью производных // Курс дифференциального и интегрального исчисления. — 8-е. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. — Т. 1. — ISBN 5-9221-0156-0.
- П. К. Рашевский. Курс дифференциальной геометрии. — Москва, Ленинград: Государственное издательство техническо-теоретической литературы, 1950.
- Weisstein, Eric W. Inflection Point (англ.) на сайте Wolfram MathWorld.
- Hazewinkel, Michiel, ed. (2001), "Point of inflection", Encyclopedia of Mathematics, Springer, ISBN 978-1-55608-010-4
Ссылки
[править | править код]Для улучшения этой статьи желательно:
|