2.5 渐近线:铅直、水平、斜渐近线的传统求法

忠实整理渐近线的三种类型(铅直、水平、斜)及其定义与求法,包括斜渐近线的传统极限方法、参数方程与极坐标下的渐近线、导数极限与函数渐近行为的关系。

2.5 渐近线:铅直、水平、斜渐近线的传统求法

渐近线三种类型:铅直看 limf(x)=\lim f(x) = \infty;水平看 limxf(x)=c\lim\limits_{x \to \infty} f(x) = c;斜渐近线先求 k=limxf(x)x0k = \lim\limits_{x \to \infty} \dfrac{f(x)}{x} \ne 0,再求 b=limx[f(x)kx]b = \lim\limits_{x \to \infty} [f(x) - kx]。掌握传统方法足以完美解决所有问题,算极限属于基本功。

来源:邂逅遗憾 27 考研数学思维课,第二章”导数”,资料页 159—162。本文保留资料中的定理、例题、原解与手写批注。

一、三种渐近线的定义

① 铅直渐近线:若 limxx0+f(x)=\lim\limits_{x \to x_0^+} f(x) = \infty(或 limxx0f(x)=\lim\limits_{x \to x_0^-} f(x) = \infty),则 x=x0x = x_0 为铅直渐近线。

例:y=tanxy = \tan xx=π2x = \dfrac{\pi}{2} 处;y=lnxy = \ln xx0+x \to 0^+ 时。

② 水平渐近线:若 limx+f(x)=y1\lim\limits_{x \to +\infty} f(x) = y_1,则 y=y1y = y_1 为水平渐近线(xx \to -\infty 同理)。

:左右水平渐近线可以不同。如 y=exy = e^{-|x|}x+x \to +\infty 时趋于 00xx \to -\infty 时也趋于 00;而 y=arctanxy = \arctan xx+x \to +\infty 时趋于 π2\dfrac{\pi}{2}xx \to -\infty 时趋于 π2-\dfrac{\pi}{2}

③ 斜渐近线

  • limx+f(x)x=a10\lim\limits_{x \to +\infty} \dfrac{f(x)}{x} = a_1 \ne 0limx+[f(x)a1x]=b1\lim\limits_{x \to +\infty} [f(x) - a_1 x] = b_1,则 y=a1x+b1y = a_1 x + b_1x+x \to +\infty 方向的斜渐近线。
  • xx \to -\infty 方向同理。
  • 若两个方向结果相同,则只有一条斜渐近线。

重要提醒:掌握传统方法(求极限)足以完美解决所有问题,算极限属于基本功。泰勒近似法在某些情况下(如 sin\sin 内趋于无穷的量)容易出错,思维课只讲传统方法。

二、斜渐近线的计算

解答题例 2.59

y=(x1)eπ2+arctanxy = (x-1)e^{\frac{\pi}{2} + \arctan x}x+x \to +\infty 时的斜渐近线。

解答

kk

k=limx+yx=limx+(x1)xeπ2+arctanx=1eπ2+π2=eπk = \lim_{x \to +\infty} \frac{y}{x} = \lim_{x \to +\infty} \frac{(x-1)}{x} \cdot e^{\frac{\pi}{2} + \arctan x} = 1 \cdot e^{\frac{\pi}{2} + \frac{\pi}{2}} = e^{\pi}

bb

b=limx+[(x1)eπ2+arctanxeπx]b = \lim_{x \to +\infty} [(x-1)e^{\frac{\pi}{2}+\arctan x} - e^{\pi} x]

x+x \to +\inftyarctanx=π21x+o ⁣(1x)\arctan x = \dfrac{\pi}{2} - \dfrac{1}{x} + o\!\left(\dfrac{1}{x}\right),故

eπ2+arctanx=eπ1x+o(1x)=eπe1x+o(1x)=eπ(11x+o ⁣(1x))e^{\frac{\pi}{2}+\arctan x} = e^{\pi - \frac{1}{x} + o(\frac{1}{x})} = e^{\pi} \cdot e^{-\frac{1}{x}+o(\frac{1}{x})} = e^{\pi}\left(1 - \frac{1}{x} + o\!\left(\frac{1}{x}\right)\right) (x1)eπ2+arctanx=eπ(x1)(11x+o ⁣(1x))=eπ(x2+o(1))(x-1)e^{\frac{\pi}{2}+\arctan x} = e^{\pi}(x-1)\left(1 - \frac{1}{x} + o\!\left(\frac{1}{x}\right)\right) = e^{\pi}\left(x - 2 + o(1)\right)

b=limx+[eπ(x2)eπx]=2eπb = \lim\limits_{x \to +\infty} [e^{\pi}(x - 2) - e^{\pi} x] = -2e^{\pi}

斜渐近线为 y=eπx2eπy = e^{\pi} x - 2e^{\pi}

解答题例 2.60(2020 真题)

y=x1+x(1+x)xy = \dfrac{x^{1+x}}{(1+x)^x}x>0x > 0)在 x+x \to +\infty 时的斜渐近线。

解答

kk

k=limx+yx=limx+xx(1+x)x=limx+(x1+x)x=limx+(11+1x)x=1ek = \lim_{x \to +\infty} \frac{y}{x} = \lim_{x \to +\infty} \frac{x^x}{(1+x)^x} = \lim_{x \to +\infty} \left(\frac{x}{1+x}\right)^x = \lim_{x \to +\infty} \left(\frac{1}{1+\frac{1}{x}}\right)^x = \frac{1}{e}

bbb=limx+[x1+x(1+x)xxe]b = \lim\limits_{x \to +\infty} \left[\dfrac{x^{1+x}}{(1+x)^x} - \dfrac{x}{e}\right]

t=1x0+t = \dfrac{1}{x} \to 0^+,则

y=x1+x(1+x)x=x(x1+x)x=1t(11+t)1/ty = \frac{x^{1+x}}{(1+x)^x} = x \cdot \left(\frac{x}{1+x}\right)^x = \frac{1}{t} \cdot \left(\frac{1}{1+t}\right)^{1/t} ln(11+t)1/t=ln(1+t)t=tt22+o(t2)t=1+t2+o(t)\ln\left(\frac{1}{1+t}\right)^{1/t} = -\frac{\ln(1+t)}{t} = -\frac{t - \frac{t^2}{2} + o(t^2)}{t} = -1 + \frac{t}{2} + o(t) (11+t)1/t=e1+t2+o(t)=1e(1+t2+o(t))\left(\frac{1}{1+t}\right)^{1/t} = e^{-1+\frac{t}{2}+o(t)} = \frac{1}{e}\left(1 + \frac{t}{2} + o(t)\right) y=1t1e(1+t2+o(t))=1et+12e+o(1)=xe+12e+o(1)y = \frac{1}{t} \cdot \frac{1}{e}\left(1 + \frac{t}{2} + o(t)\right) = \frac{1}{et} + \frac{1}{2e} + o(1) = \frac{x}{e} + \frac{1}{2e} + o(1)

b=12eb = \dfrac{1}{2e}

斜渐近线为 y=1ex+12ey = \dfrac{1}{e}x + \dfrac{1}{2e}

:此结论小题直接用,大题就老老实实洛必达。这个结论就是用洛必达证明的。

三、导数极限与渐近行为

选择题例 2.61

f(x)f(x)(0,+)(0, +\infty) 上可导,则下列结论正确的是( )

  • A. 若 limx+f(x)=0\lim\limits_{x \to +\infty} f'(x) = 0,则 limx+f(x)x=0\lim\limits_{x \to +\infty} \dfrac{f(x)}{x} = 0
  • B. 若 limx+f(x)x=0\lim\limits_{x \to +\infty} \dfrac{f(x)}{x} = 0,则 limx+f(x)=0\lim\limits_{x \to +\infty} f'(x) = 0
  • C. 若 limx+f(x)\lim\limits_{x \to +\infty} f'(x) 存在,则 f(x)f(x) 有水平渐近线
  • D. 若 f(x)f(x) 有水平渐近线,则 limx+f(x)\lim\limits_{x \to +\infty} f'(x) 存在
解答

A 正确:由洛必达法则(\dfrac{\infty}{\infty} 型),limx+f(x)x=limx+f(x)1=0\lim\limits_{x \to +\infty} \dfrac{f(x)}{x} = \lim\limits_{x \to +\infty} \dfrac{f'(x)}{1} = 0

洛之后极限存在,可以推原极限存在。

B 错误:反例 f(x)=lnxf(x) = \ln xf(x)x=lnxx0\dfrac{f(x)}{x} = \dfrac{\ln x}{x} \to 0,但 f(x)=1x0f'(x) = \dfrac{1}{x} \to 0

再取 f(x)=xf(x) = \sqrt{x}f(x)x=1x0\dfrac{f(x)}{x} = \dfrac{1}{\sqrt{x}} \to 0f(x)=12x0f'(x) = \dfrac{1}{2\sqrt{x}} \to 0

实际上 B 的反例:f(x)=x+sinxf(x) = x + \sin xf(x)x=1+sinxx10\dfrac{f(x)}{x} = 1 + \dfrac{\sin x}{x} \to 1 \ne 0,不满足条件。

正确反例:f(x)=lnxf(x) = \ln xlnxx0\dfrac{\ln x}{x} \to 0f(x)=1x0f'(x) = \dfrac{1}{x} \to 0,这个反而满足。

f(x)=sin(x2)f(x) = \sin(x^2)sin(x2)x0\dfrac{\sin(x^2)}{x} \to 0(有界/无穷),但 f(x)=2xcos(x2)f'(x) = 2x\cos(x^2) 极限不存在。B 错误。

C 错误limx+f(x)\lim\limits_{x \to +\infty} f'(x) 存在不一定为 00。若 limf(x)=a0\lim f'(x) = a \ne 0,则 f(x)axf(x) \sim ax \to \infty,无水平渐近线。

D 错误f(x)f(x) 有水平渐近线(limf(x)=c\lim f(x) = c),推不出 limf(x)\lim f'(x) 存在。反例:f(x)=sin(x2)xf(x) = \dfrac{\sin(x^2)}{x}f(x)0f(x) \to 0,但 f(x)=2cos(x2)sin(x2)x2f'(x) = 2\cos(x^2) - \dfrac{\sin(x^2)}{x^2} 极限不存在。

核心:导数是函数的命根子,只可能导数推函数,函数推不出导数!

答案:A

四、参数方程与极坐标下的渐近线(数三不要求)

解答题例 2.62(参数方程)

设曲线由参数方程 x=t1+t3x = \dfrac{t}{1+t^3}y=t21+t3y = \dfrac{t^2}{1+t^3} 确定,求 y=y(x)y = y(x) 的斜渐近线。

解答

t1t \to -1 时,1+t301 + t^3 \to 0xx \to \inftyyy \to \infty

kk

k=limxyx=limt1t2/(1+t3)t/(1+t3)=limt1t=1k = \lim_{x \to \infty} \frac{y}{x} = \lim_{t \to -1} \frac{t^2/(1+t^3)}{t/(1+t^3)} = \lim_{t \to -1} t = -1

bb

b=limx(ykx)=limt1(y+x)=limt1t2+t1+t3=limt1t(t+1)(1+t)(1t+t2)b = \lim_{x \to \infty} (y - kx) = \lim_{t \to -1} (y + x) = \lim_{t \to -1} \frac{t^2 + t}{1+t^3} = \lim_{t \to -1} \frac{t(t+1)}{(1+t)(1-t+t^2)} =limt1t1t+t2=11+1+1=13= \lim_{t \to -1} \frac{t}{1-t+t^2} = \frac{-1}{1+1+1} = -\frac{1}{3}

斜渐近线为 y=x13y = -x - \dfrac{1}{3}

选择题例 2.63(极坐标)

设曲线极坐标方程为 r(3θπ)=1r(3\theta - \pi) = 1,则其斜渐近线为( )

  • A. y=2x32y = \sqrt{2}x - \dfrac{3}{2}
  • B. y=2x+32y = \sqrt{2}x + \dfrac{3}{2}
  • C. y=3x23y = \sqrt{3}x - \dfrac{2}{3}
  • D. y=3x+23y = \sqrt{3}x + \dfrac{2}{3}
解答

化为参数方程:x=rcosθ=cosθ3θπx = r\cos\theta = \dfrac{\cos\theta}{3\theta - \pi}y=rsinθ=sinθ3θπy = r\sin\theta = \dfrac{\sin\theta}{3\theta - \pi}

θπ3\theta \to \dfrac{\pi}{3} 时,3θπ03\theta - \pi \to 0xx \to \infty

kk

k=limxyx=limθπ3sinθcosθ=tanπ3=3k = \lim_{x \to \infty} \frac{y}{x} = \lim_{\theta \to \frac{\pi}{3}} \frac{\sin\theta}{\cos\theta} = \tan\frac{\pi}{3} = \sqrt{3}

bb

b=limθπ3sinθ3cosθ3θπb = \lim_{\theta \to \frac{\pi}{3}} \frac{\sin\theta - \sqrt{3}\cos\theta}{3\theta - \pi}

分子在 θ=π3\theta = \dfrac{\pi}{3} 处为 32312=0\dfrac{\sqrt{3}}{2} - \sqrt{3} \cdot \dfrac{1}{2} = 0,分母为 00,用洛必达:

b=limθπ3cosθ+3sinθ3=12+3323=12+323=23b = \lim_{\theta \to \frac{\pi}{3}} \frac{\cos\theta + \sqrt{3}\sin\theta}{3} = \frac{\frac{1}{2} + \sqrt{3} \cdot \frac{\sqrt{3}}{2}}{3} = \frac{\frac{1}{2} + \frac{3}{2}}{3} = \frac{2}{3}

斜渐近线为 y=3x+23y = \sqrt{3}x + \dfrac{2}{3}

答案:D

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