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数学
题目

若f""(x)不变号,且曲线y=f(x)在点(1,1)处的曲率圆为x 2 +y 2 =2,则函数f(x)在区间(1,2)内()A. 有极值点,无零点。B. 无极值点,有零点。C. 有极值点,有零点。D. 无极值点,无零点。

若f""(x)不变号,且曲线y=f(x)在点(1,1)处的曲率圆为x 2 +y 2 =2,则函数f(x)在区间(1,2)内()

A. 有极值点,无零点。

B. 无极值点,有零点。

C. 有极值点,有零点。

D. 无极值点,无零点。

题目解答

答案

B. 无极值点,有零点。

解析

考查要点:本题综合考查曲率的计算、函数的凹凸性与极值的关系,以及零点存在定理的应用。

解题核心思路:

  1. 曲率条件:利用曲率圆方程确定点$(1,1)$处的$f'(1)$和$f''(1)$,结合曲率公式推导。
  2. 凹凸性分析:由$f''(x)$不变号可知函数在整个区间内的凹凸性一致,结合曲率圆的凹侧方向确定$f''(x)$的符号。
  3. 极值点判断:通过$f'(x)$的单调性分析,判断区间内是否存在导数为零的点。
  4. 零点存在性:结合函数在端点的值及连续性,应用中间值定理判断零点存在性。

破题关键点:

  • 曲率圆的几何意义:曲率圆的圆心位置反映凹侧方向,切线斜率与主法线斜率的关系。
  • 导数与极值的关系:$f''(x)$符号决定$f'(x)$的单调性,从而判断极值点是否存在。
  • 函数值的变化趋势:通过泰勒展开或函数凹凸性分析函数值的变化,结合中间值定理判断零点。

1. 确定$f'(1)$和$f''(1)$

曲率圆方程为$x^2 + y^2 = 2$,圆心在原点$(0,0)$,半径$R = \sqrt{2}$。曲率$\kappa = \frac{1}{R} = \frac{1}{\sqrt{2}}$。

曲率公式为:
$\kappa = \frac{|f''(x)|}{\left(1 + [f'(x)]^2\right)^{3/2}}$

在点$(1,1)$处,代入$\kappa = \frac{1}{\sqrt{2}}$:
$\frac{|f''(1)|}{\left(1 + [f'(1)]^2\right)^{3/2}} = \frac{1}{\sqrt{2}}$

主法线方向分析:曲率圆圆心指向原点,主法线方向为$(-1,-1)$,斜率为$1$。切线斜率$f'(1)$与主法线斜率乘积为$-1$,故$f'(1) = -1$。

代入$f'(1) = -1$:
$\frac{|f''(1)|}{(1 + (-1)^2)^{3/2}} = \frac{|f''(1)|}{(2)^{3/2}} = \frac{1}{\sqrt{2}} \implies |f''(1)| = 2$

凹侧方向:曲率圆圆心在凹侧,向下凹对应$f''(x) < 0$,故$f''(1) = -2$。

2. 分析函数性质

  • 凹凸性:$f''(x) \neq 0$且不变号,结合$f''(1) = -2$,知$f''(x) < 0$在$(1,2)$内恒成立,函数为凸函数(下凹)。
  • 导数单调性:$f''(x) < 0 \implies f'(x)$在$(1,2)$内单调递减。

3. 极值点判断

  • $f'(1) = -1$,且$f'(x)$单调递减,故在$(1,2)$内$f'(x) < -1$,无$f'(x) = 0$的点,即无极值点。

4. 零点存在性

  • 泰勒展开近似:在$x=1$处展开:
    $f(x) \approx 1 - (x-1) - (x-1)^2$
    当$x=2$时,$f(2) \approx -1$。
  • 中间值定理:$f(1) = 1 > 0$,$f(2) \approx -1 < 0$,且$f(x)$连续,故在$(1,2)$内至少存在一个零点。

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