考研数学:常见的曲线

1. 三次抛物线(\(y = ax^3\),\(a\neq0\))

概念:是一种三次函数的图像,其一般形式为\(y = ax^3+bx^2+cx + d\),当\(b = c = d=0\)时即为三次抛物线。

性质:

奇函数,关于原点对称。因为\(f(-x)=a(-x)^3=-ax^3=-f(x)\)。

当\(a>0\)时,函数在\((-\infty,+\infty)\)上单调递增;当\(a < 0\)时,函数在\((-\infty,+\infty)\)上单调递减。

其导数\(y^\prime=3ax^2\),二阶导数\(y^{\prime\prime} = 6ax\),在\(x = 0\)处,二阶导数为0,该点可能是函数的拐点。

举例:如\(y = x^3\),当\(x = 1\)时,\(y = 1\);当\(x=-1\)时,\(y=-1\)。

2. 半立方抛物线(\(y^2=ax^3\),\(a>0\))

概念:是一种隐函数曲线,其方程两边同时开方可以表示为\(y=\pm\sqrt{ax^3}\)。

性质:

关于\(x\)轴对称,因为把\(y\)换成\(-y\),方程不变。

在原点处有尖点,切线垂直于\(x\)轴。

举例:若\(a = 1\),当\(x = 1\)时,\(y=\pm1\)。

3. 概率曲线(正态分布曲线,\(y=\frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma}e^{-\frac{(x - \mu)^2}{2\sigma^2}}\))

概念:在概率论与统计学中,正态分布是一种非常重要的连续概率分布,其概率密度函数图像即为概率曲线。

性质:

关于\(x = \mu\)对称,\(\mu\)为均值。即\(f(\mu + h)=f(\mu - h)\)。

当\(x=\mu\)时,函数取得最大值\(y=\frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma}\)。

曲线在\(x\)轴上方,并且与\(x\)轴围成的面积为1,即\(\int_{-\infty}^{\infty}\frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma}e^{-\frac{(x - \mu)^2}{2\sigma^2}}dx = 1\)。

举例:标准正态分布是\(\mu = 0\),\(\sigma = 1\)的正态分布,其概率密度函数为\(y=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}e^{-\frac{x^2}{2}}\)。

4. 箕舌线(\(y=\frac{8a^3}{x^2 + 4a^2}\))

概念:是一种平面曲线。

性质:

函数的定义域为\((-\infty,+\infty)\),值域为\((0,2a)\)。

是偶函数,关于\(y\)轴对称,因为\(f(-x)=f(x)\)。

举例:当\(a = 1\)时,\(y=\frac{8}{x^2 + 4}\)。

5. 蔓叶线(\(y^2=\frac{x^3}{2a - x}\))

概念:是一种平面代数曲线,它是古希腊数学家狄奥克莱斯(Diocles)为了解决倍立方问题而发现的。

性质:

关于\(x\)轴对称。

有渐近线\(x = 2a\),当\(x\rightarrow2a^+\)时,\(y\rightarrow\pm\infty\)。

举例:设\(a = 1\),可以通过给定\(x\)的值来计算\(y\)的值。

6. 笛卡尔叶形线(\(x^3+y^3-3axy = 0\))

概念:是一种代数曲线,它的方程是一个隐函数。

性质:

经过原点\((0,0)\)。

关于直线\(y = x\)对称,因为将\(x\)和\(y\)互换后方程不变。

举例:可以通过隐函数求导来研究其切线斜率等性质。例如,在点\((0,0)\)处切线斜率需要用隐函数求导来确定。

7. 星形线(\(x^{\frac{2}{3}}+y^{\frac{2}{3}}=a^{\frac{2}{3}}\))

概念:是一种内摆线,它也可以看作是一个半径为\(a\)的圆在\(x\)轴和\(y\)轴上滚动时,圆周上一点的轨迹。

性质:

是封闭曲线。

关于\(x\)轴、\(y\)轴和原点对称。

其参数方程为\(x=a\cos^3t\),\(y=a\sin^3t\)(\(0\leq t\leq2\pi\))。

举例:当\(a = 1\)时,通过参数方程可以方便地描绘出曲线轨迹。

8. 摆线(\(x = r(t - \sin t)\),\(y=r(1 - \cos t)\))

概念:一个圆沿一条直线运动时,圆边界上一定点所形成的轨迹。

性质:

周期为\(2\pi r\),每经过\(2\pi r\)的水平距离,曲线重复一次。

当\(t = 2k\pi\)(\(k\in Z\))时,\(y = 0\),这些点是曲线与\(x\)轴的交点。

举例:设\(r = 1\),当\(t=\pi\)时,\(x=\pi -  0=\pi\),\(y = 2\)。

9. 心形线(\(r = a(1+\cos\theta)\)或\(r=a(1 - \cos\theta)\),极坐标方程)

概念:是一种在极坐标系下的曲线,其形状像心脏。

性质:

关于极轴对称。

曲线所围成的面积为\(\frac{3}{2}\pi a^2\)。

举例:当\(a = 1\),\(\theta=\frac{\pi}{2}\)时,\(r = 1\)。

10. 阿基米德螺线(\(r=a\theta\),极坐标方程)

概念:当一点\(P\)沿动射线\(OP\)以等速率运动的同时,这射线又以等角速度绕点\(O\)旋转,点\(P\)的轨迹称为阿基米德螺线。

性质:

螺线从极点开始向外盘旋,相邻两圈的间距相等,都为\(2\pi a\)。

过极点的射线与螺线相交的点到极点的距离构成等差数列。

举例:当\(a = 1\),\(\theta = 2\pi\)时,\(r = 2\pi\)。

11. 对数螺线(\(r = ae^{b\theta}\),极坐标方程)

概念:它是一种等角螺线,在自然界中如贝壳等的形状常呈现对数螺线的形态。

性质:

等角性质:曲线上任意一点的切线与该点的极径所成的角为常数。

它经过相似变换后仍然是对数螺线。

举例:设\(a = 1\),\(b = 1\),当\(\theta = 0\)时,\(r = 1\)。

12. 双曲螺线(\(r=\frac{a}{\theta}\),极坐标方程)

概念:在极坐标系下的一种曲线。

性质:

当\(\theta\rightarrow0^+\)时,\(r\rightarrow+\infty\);当\(\theta\rightarrow+\infty\)时,\(r\rightarrow0\)。

曲线有渐近线\(y = a\)(在直角坐标系下转换后)。

举例:当\(a = 1\),\(\theta = 1\)时,\(r = 1\)。

13. 伯努利双纽线(\((x^2 + y^2)^2=2a^2(x^2 - y^2)\)或\(r^2 = 2a^2\cos2\theta\),极坐标方程)

概念:是一种特殊的平面曲线,它的形状像数字“8”。

性质:

关于\(x\)轴和\(y\)轴都对称。

曲线经过原点,且在原点处有两条切线,夹角为直角。

举例:当\(a = 1\),在极坐标下,当\(\theta=\frac{\pi}{4}\)时,\(r^2=0\),即\(r = 0\)。

14. 三叶玫瑰线(\(r=a\cos3\theta\)或\(r=a\sin3\theta\),极坐标方程)

概念:在极坐标系下的曲线,形状像有三片花瓣的玫瑰。

性质:

是周期函数,周期为\(\frac{2\pi}{3}\)。

关于极轴对称。

举例:当\(a = 1\),\(\theta=\frac{\pi}{6}\)时,\(r = 0\)。

15. 四叶玫瑰线(\(r=a\cos2\theta\)或\(r=a\sin2\theta\),极坐标方程)

概念:极坐标系下的曲线,形状像有四片花瓣的玫瑰。

性质:

周期为\(\pi\)。

关于\(x\)轴、\(y\)轴和原点对称。

举例:当\(a = 1\),\(\theta=\frac{\pi}{4}\)时,\(r = 0\)。

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