切线、法线、临界点、拐点
IB 数学 AI HL· 4.4 Applications of Differentiation· 15 分钟阅读
1. 曲线的切线与法线★★☆☆☆⏱ 5 min
✓ 计算器
切线与法线
曲线在处的切线斜率等于函数在处的一阶导数。法线在该点与切线垂直,因此法线斜率是切线斜率的负倒数。
例:
若切线斜率,则法线斜率
求在处的切线和法线方程。
- 1
首先求该点的坐标:
- 2
- 3
该点是。求导得到斜率函数:
- 4
- 5
计算处切线的斜率:
- 6
- 7
垂直法线的斜率为:
- 8
- 9
对两条直线都使用点斜式:
- 10
切线:
法线:
Exam tip:
如果题目要求,一定要将最终直线方程写成的形式,形式错误会扣分。
2. 临界点(驻点)★★☆☆☆⏱ 4 min
✓ 计算器
临界点(驻点)
曲线上一阶导数等于零的点:,即该点的切线为水平线(斜率 = 0)。
例:
所有局部极大值点和局部极小值点都是临界点。
求的所有临界点。
- 1
计算一阶导数:
- 2
- 3
令,求解:
- 4
- 5
解为和,计算对应的值:
- 6
- 7
临界点是和。
3. 临界点的分类★★★☆☆⏱ 6 min
✓ 计算器
IB考试中最常用的临界点分类方法是二阶导数测试:若,通过计算判断该点的性质:
若:该点为局部极大值点(下凹)
若:该点为局部极小值点(上凹)
若:该测试无法得出结论,需使用一阶导数符号测试
使用二阶导数测试对上个例子中的临界点和进行分类。
- 1
由求二阶导数:
- 2
- 3
计算处的:
- 4
- 5
因为,所以是局部极大值点。
- 6
计算处的:
- 7
- 8
因为,所以是局部极小值点。
4. 拐点★★★☆☆⏱ 5 min
✓ 计算器
拐点
曲线凹凸性发生改变的点。若处是拐点,则需满足且在两侧符号改变。
例:
在该点处从负变正(或从正变负)。
求的拐点。
- 1
我们已经知道二阶导数为:
- 2
- 3
令,求解:
- 4
- 5
验证在两侧符号发生改变:
- 6
时:(下凹)
时:(上凹) - 7
凹凸性发生改变,因此存在拐点。计算该点的坐标:
- 8
- 9
拐点是。
5. 常见陷阱
错误做法:
求切线/法线方程时忘记计算点的坐标
原因:
点斜式需要点的两个坐标才能得到完整方程
正确做法:
求直线方程前,一定要将代入原函数得到
错误做法:
直接将切线斜率用作法线斜率,或是只取倒数而不取负倒数
原因:
垂直直线的斜率乘积为,不是
正确做法:
若切线斜率为,则法线斜率为(时)
错误做法:
假设所有临界点都是极大值点或极小值点
原因:
水平拐点也满足,但不是极值点
正确做法:
一定要用一阶或二阶导数测试对所有临界点进行分类
错误做法:
仅因为就断言存在拐点,不做符号检验
原因:
例如,但凹凸性没有改变,因此不存在拐点
正确做法:
一定要检验两侧的符号,确认凹凸性发生改变
6. 速查表
概念 | 核心条件 | 结果/方程 |
|---|---|---|
处的切线 | ||
处的法线 | ||
临界点 | 处切线为水平线 | |
局部极大值点 | 下凹的极值点 | |
局部极小值点 | 上凹的极值点 | |
拐点 | ,凹凸性改变 | 曲线曲率方向发生改变 |
真题中的出现
AI 根据考纲规律估算的考点位置,请对照官方真题核实准确性。仅作复习重点参考。
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下一步
本小节涵盖的技能是IB AI HL中所有微分应用问题的基础。你会用切线和法线解决变化率问题,用临界点解决实际优化问题,并用所有这些概念根据导数信息绘制准确的曲线。掌握本小节内容是在微积分长问答题中拿满分的关键,这类问题在考试中占分比重很大。
