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数学
题目

设函数 y(x) 由参数方程 {x=t3+3t+1y=t3−3t+1 确定,则曲线 y=y(x) 向上凸的 x 取值范围为 ______.

设函数 y(x) 由参数方程  {x=t3+3t+1y=t3−3t+1 确定,则曲线 y=y(x) 向上凸的 x 取值范围为 ______.

题目解答

答案

由:
x=t3+3t+1
y=t3−3t+1
,
得:
y′=
dy
dt
dx
dt
=
3t2−3
3t2+3
=
t2−1
t2+1
=1−
2
t2+1
,
∴y″=(y′)′=
dy′
dt
•
dt
dx
=
d
dt
(1−
2
t2+1
)•
1
dx
dt
=
4t
(t2+1)2
•
1
3(t2+1)
=
4t
3(t2+1)3
,
令:y″<0,得:t<0 
又x=t 3+3t+1是单调递增的,并且当t<0时,x<1,
∴曲线y=y(x)向上凸的x取值范围为(-∞,1).

解析

考查要点:本题主要考查参数方程确定的函数的凹凸性判断,涉及一阶导数、二阶导数的计算,以及参数方程单调性的分析。

解题核心思路:

  1. 求导方法:通过参数方程求导公式,计算一阶导数 $\frac{dy}{dx}$ 和二阶导数 $\frac{d^2y}{dx^2}$。
  2. 凹凸性判断:根据二阶导数的符号确定曲线的凹凸性($\frac{d^2y}{dx^2} < 0$ 时向上凸)。
  3. 参数转换:结合 $x(t)$ 的单调性,将 $t$ 的范围转换为 $x$ 的范围。

破题关键点:

  • 二阶导数的正确计算:注意链式法则的应用,尤其是 $\frac{d}{dx}\left(\frac{dy}{dx}\right) = \frac{d}{dt}\left(\frac{dy}{dx}\right) \cdot \frac{dt}{dx}$。
  • 单调性分析:通过 $x'(t) = 3t^2 + 3 > 0$ 判断 $x(t)$ 单调递增,从而建立 $t$ 与 $x$ 的一一对应关系。

1. 求一阶导数 $\frac{dy}{dx}$

根据参数方程求导公式:
$\frac{dy}{dx} = \frac{\frac{dy}{dt}}{\frac{dx}{dt}} = \frac{3t^2 - 3}{3t^2 + 3} = \frac{t^2 - 1}{t^2 + 1}.$

2. 求二阶导数 $\frac{d^2y}{dx^2}$

对 $\frac{dy}{dx}$ 关于 $t$ 求导,再乘以 $\frac{dt}{dx}$:
$\frac{d^2y}{dx^2} = \frac{d}{dt}\left(\frac{t^2 - 1}{t^2 + 1}\right) \cdot \frac{1}{\frac{dx}{dt}}.$
计算导数:
$\frac{d}{dt}\left(\frac{t^2 - 1}{t^2 + 1}\right) = \frac{4t}{(t^2 + 1)^2},$
因此:
$\frac{d^2y}{dx^2} = \frac{4t}{(t^2 + 1)^2} \cdot \frac{1}{3(t^2 + 1)} = \frac{4t}{3(t^2 + 1)^3}.$

3. 判断凹凸性

当 $\frac{d^2y}{dx^2} < 0$ 时,曲线向上凸:
$\frac{4t}{3(t^2 + 1)^3} < 0 \implies t < 0.$

4. 转换为 $x$ 的范围

由 $x(t) = t^3 + 3t + 1$,其导数 $x'(t) = 3t^2 + 3 > 0$,故 $x(t)$ 单调递增。当 $t < 0$ 时,$x(t) < x(0) = 1$,因此 $x$ 的取值范围为 $(-\infty, 1)$。

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