stringtranslate.com

Асимптота

График функции с горизонтальной ( y  = 0), вертикальной ( x  = 0) и наклонной асимптотой (фиолетовая линия, заданная y  = 2 x ).
Кривая, пересекающая асимптоту бесконечное число раз.

В аналитической геометрии асимптота ( / ˈ æ s ɪ m p t t / ) кривой это такая линия, что расстояние между кривой и линией приближается к нулю, когда одна или обе координаты x или y стремятся к бесконечности. . В проективной геометрии и связанных с ней контекстах асимптота кривой — это линия, касающаяся кривой в бесконечной точке . [1] [2]

Слово асимптота происходит от греческого ἀσύμπτωτος ( asumptōtos ), что означает «не падать вместе», от ἀ priv. + σύν «вместе» + πτωτ-ός «упавшие». [3] Термин был введен Аполлонием Пергским в его работе о конических сечениях , но в отличие от его современного значения он использовал его для обозначения любой линии, не пересекающей данную кривую. [4]

Существует три вида асимптот: горизонтальная , вертикальная и наклонная . Для кривых, заданных графиком функции y = ƒ ( x ) , горизонтальные асимптоты представляют собой горизонтальные линии, к которым график функции приближается, когда x стремится к +∞ или −∞. Вертикальные асимптоты — это вертикальные линии, вблизи которых функция неограниченно растет. Наклонная асимптота имеет наклон, отличный от нуля, но конечный, так что график функции приближается к нему, когда x стремится к +∞ или −∞.

В более общем смысле, одна кривая является криволинейной асимптотой другой (в отличие от линейной асимптоты ), если расстояние между двумя кривыми стремится к нулю, поскольку они стремятся к бесконечности, хотя термин асимптота сам по себе обычно используется для линейных асимптот.

Асимптоты передают информацию о поведении кривых в большом диапазоне , и определение асимптот функции является важным шагом в построении ее графика. [5] Изучение асимптот функций, понимаемых в широком смысле, составляет часть предмета асимптотического анализа .

Введение

построенный в декартовых координатах . Ось x и y — это асимптоты.

Идея о том, что кривая может сколь угодно близко приближаться к прямой, но на самом деле не становится такой же, может показаться противоречащей повседневному опыту. Представления линии и кривой в виде отметок на листе бумаги или пикселей на экране компьютера имеют положительную ширину. Так что, если бы их протянули достаточно далеко, они бы, казалось бы, слились воедино, по крайней мере, насколько мог различить глаз. Но это физические представления соответствующих математических объектов; линия и кривая — идеализированные понятия, ширина которых равна 0 (см. Линия ). Поэтому понимание идеи асимптоты требует усилий разума, а не опыта.

Рассмотрим график функции, показанной в этом разделе. Координаты точек кривой имеют вид , где x — число, отличное от 0. Например, на графике присутствуют точки (1, 1), (2, 0,5), (5, 0,2), (10, 0,1), ... По мере того, как значения становятся все больше и больше, скажем, 100, 1 000, 10 000 ..., помещая их далеко справа от иллюстрации, соответствующие значения , .01, .001, .0001, . .., станет бесконечно малым относительно показанного масштаба. Но независимо от того, насколько велика ее величина, ее обратная величина никогда не равна 0, поэтому кривая фактически никогда не касается оси X. Аналогично, по мере того как значения становятся все меньше и меньше, скажем, 0,01, 0,001, 0,0001,..., что делает их бесконечно малыми по отношению к показанному масштабу, соответствующие значения , 100, 1000, 10000... становятся больше. и больше. Таким образом, кривая тянется все дальше и дальше вверх по мере приближения к оси Y. Таким образом, оси x и y являются асимптотами кривой. Эти идеи лежат в основе понятия предела в математике, и эта связь более подробно объясняется ниже. [6]

Асимптоты функций

Асимптоты, наиболее часто встречающиеся при изучении математического анализа , представляют собой кривые вида y = ƒ ( x ) . Их можно вычислить с использованием пределов и классифицировать на горизонтальные , вертикальные и наклонные асимптоты в зависимости от их ориентации. Горизонтальные асимптоты — это горизонтальные линии, к которым приближается график функции по мере того, как x стремится к +∞ или −∞. Как следует из названия, они параллельны оси X. Вертикальные асимптоты — это вертикальные линии (перпендикулярные оси x ), вблизи которых функция неограниченно растет. Наклонные асимптоты представляют собой диагональные линии, в которых разница между кривой и линией приближается к 0 по мере того, как x стремится к +∞ или −∞.

Вертикальные асимптоты

Линия x = a является вертикальной асимптотой графика функции y = ƒ ( x ) , если верно хотя бы одно из следующих утверждений:

где — предел, когда x приближается к значению a слева (от меньших значений), и — предел, когда x приближается к a справа.

Например, если ƒ( x ) = x /( x –1), числитель приближается к 1, а знаменатель приближается к 0, когда x приближается к 1. Итак

и кривая имеет вертикальную асимптоту x = 1.

Функция ƒ ( x ) может быть определена или не определена в a , и ее точное значение в точке x = a не влияет на асимптоту. Например, для функции

имеет предел +∞ при x → 0 + , ƒ ( x ) имеет вертикальную асимптоту x = 0 , хотя ƒ (0) = 5. График этой функции пересекает вертикальную асимптоту один раз, в точке (0, 5). ). Невозможно, чтобы график функции пересекал вертикальную асимптоту (или вообще вертикальную линию ) более чем в одной точке. Более того, если функция непрерывна в каждой точке, где она определена, невозможно, чтобы ее график пересекал какую-либо вертикальную асимптоту.

Типичным примером вертикальной асимптоты является случай рациональной функции в точке x, у которой знаменатель равен нулю, а числитель не равен нулю.

Если функция имеет вертикальную асимптоту, то не обязательно верно, что производная функции имеет вертикальную асимптоту в том же месте. Примером является

в .

Эта функция имеет вертикальную асимптоту при, поскольку

и

.

Производная - это функция

.

Для последовательности точек

для

приближающийся как слева, так и справа, значения постоянно . Поэтому оба односторонних предела at не могут быть ни , ни . Следовательно, не имеет вертикальной асимптоты при .

Горизонтальные асимптоты

Функция арктангенса имеет две разные асимптоты .

Горизонтальные асимптоты — это горизонтальные линии, к которым приближается график функции при x → ±∞ . Горизонтальная линия y  =  c является горизонтальной асимптотой функции y  =  ƒ ( x ), если

или .

В первом случае ƒ ( x ) имеет y  =  c как асимптоту, когда x стремится к −∞ , а во втором ƒ ( x ) имеет y  =  c как асимптоту, когда x стремится к +∞ .

Например, функция арктангенса удовлетворяет

и

Таким образом, линия y = – π /2 является горизонтальной асимптотой арктангенса, когда x стремится к –∞ , а y = π /2 является горизонтальной асимптотой арктангенса, когда x стремится к +∞ .

Функции могут не иметь горизонтальных асимптот с одной или обеих сторон или могут иметь одну горизонтальную асимптоту, одинаковую в обоих направлениях. Например, функция ƒ( x ) = 1/( x 2 +1) имеет горизонтальную асимптоту при y  = 0, когда x стремится как к −∞ , так и к +∞ , поскольку, соответственно,

Другие распространенные функции, которые имеют одну или две горизонтальные асимптоты, включают x ↦ 1/ x ( график которого имеет гиперболу ), функцию Гаусса , функцию ошибок и логистическую функцию .

Наклонные асимптоты

На графике ось y ( x = 0) и линия y = x являются асимптотами.

Когда линейная асимптота не параллельна осям x или y , она называется наклонной асимптотой или наклонной асимптотой . Функция ƒ ( x ) асимптотична прямой y = mx + n ( m  ≠ 0), если

В первом случае линия y = mx + n является наклонной асимптотой ƒ ( x ), когда x стремится к +∞, а во втором случае линия y = mx + n является наклонной асимптотой ƒ ( x ), когда x стремится к −∞.

Примером может служить ƒ ( x ) =  x + 1/ x , который имеет наклонную асимптоту y  =  x (то есть m  = 1, n  = 0), как видно из пределов

Элементарные методы выявления асимптот

Асимптоты многих элементарных функций можно найти без явного использования пределов (хотя при выводе таких методов обычно используются пределы).

Общее вычисление наклонных асимптот функций

Наклонная асимптота для функции f ( x ) будет задана уравнением y = mx + n . Значение m вычисляется первым и определяется выражением

где a — либо или в зависимости от изучаемого случая. Рекомендуется рассматривать эти два случая отдельно. Если этот предел не существует, то не существует наклонной асимптоты в этом направлении.

Имея m , значение n можно вычислить по формуле

где a должно быть тем же значением, которое использовалось ранее. Если этот предел не существует, то в этом направлении не существует наклонной асимптоты, даже если предел, определяющий m, существует. В противном случае y = mx + n является наклонной асимптотой ƒ ( x ), когда x стремится к a .

Например, функция ƒ ( x ) = (2 x 2 + 3 x + 1)/ x имеет

а потом

так что y = 2 x + 3 является асимптотой ƒ ( x ), когда x стремится к +∞.

Функция ƒ ( x ) = ln  x имеет

а потом
, которого не существует.

Таким образом, y = ln  x не имеет асимптоты, когда x стремится к +∞.

Асимптоты рациональных функций

Рациональная функция имеет не более одной горизонтальной асимптоты или наклонной (наклонной) асимптоты и, возможно, множества вертикальных асимптот.

Степень числителя и степень знаменателя определяют, существуют ли горизонтальные или наклонные асимптоты . Случаи сведены в таблицу ниже, где deg(числитель) — степень числителя, а deg(знаменатель) — степень знаменателя.

Вертикальные асимптоты возникают только тогда, когда знаменатель равен нулю (если и числитель, и знаменатель равны нулю, кратности нуля сравниваются). Например, следующая функция имеет вертикальные асимптоты в точках x = 0 и x = 1, но не в точке x = 2.

Наклонные асимптоты рациональных функций

Черный: график . Красный: асимптота . Зеленый: разница между графиком и его асимптотой для

Когда числитель рациональной функции имеет степень ровно на единицу большую, чем знаменатель, функция имеет наклонную (наклонную) асимптоту. Асимптота — это полиномиальный член после деления числителя и знаменателя. Это явление происходит потому, что при делении дроби будет линейный член и остаток. Например, рассмотрим функцию

показано справа. По мере увеличения значения x f приближается к асимптоте y = x . Это потому, что другой член, 1/( x +1), приближается к 0.

Если степень числителя более чем на 1 превышает степень знаменателя, и знаменатель не делит числитель, то останется ненулевой остаток, который стремится к нулю при увеличении x , но частное не будет линейным, и функция не имеет наклонной асимптоты.

Преобразования известных функций

Если известная функция имеет асимптоту (например, y =0 для f (x)= e x ), то ее сдвиги также имеют асимптоту.

Если известная функция имеет асимптоту, то и масштабирующая функция также имеет асимптоту.

Например, f ( x )= e x -1 +2 имеет горизонтальную асимптоту y =0+2=2 и не имеет вертикальных или наклонных асимптот.

Общее определение

(sec(t), cosec(t)), или x 2 + y 2 = (xy) 2 , с 2 горизонтальными и 2 вертикальными асимптотами.

Пусть A  : ( a , b ) → R 2параметрическая плоская кривая в координатах A ( t ) = ( x ( t ), y ( t )). Предположим, что кривая стремится к бесконечности, то есть:

Линия ℓ является асимптотой A , если расстояние от точки A ( t ) до ℓ стремится к нулю при t  →  b . [7] Согласно определению, асимптоту могут иметь только открытые кривые, имеющие некоторую бесконечную ветвь. Ни одна замкнутая кривая не может иметь асимптоту.

Например, верхняя правая ветвь кривой y  = 1/ x может быть определена параметрически как x  =  t , y  = 1/ t (где t > 0). Во-первых, x  → ∞ при t  → ∞, а расстояние от кривой до оси x равно 1/ t , которое приближается к 0 при t  → ∞. Следовательно, ось x является асимптотой кривой. Кроме того, y  → ∞ при t  → 0 справа, а расстояние между кривой и осью y равно t , которое приближается к 0 при t  → 0. Таким образом, ось y также является асимптотой. Аналогичный аргумент показывает, что нижняя левая ветвь кривой также имеет те же две линии, что и асимптоты.

Хотя в данном определении используется параметризация кривой, понятие асимптоты не зависит от параметризации. Фактически, если уравнение линии таково, то расстояние от точки A ( t ) = ( x ( t ), y ( t )) до линии определяется выражением

если γ( t ) является изменением параметризации, то расстояние становится

которое стремится к нулю одновременно с предыдущим выражением.

Важный случай — когда кривая представляет собой график реальной функции (функции одной действительной переменной и возвращающей действительные значения). График функции y  =  ƒ ( x ) представляет собой множество точек плоскости с координатами ( x , ƒ ( x )). Для этого используется параметризация

Эту параметризацию следует рассматривать на открытых интервалах ( a , b ), где a может быть −∞, а b может быть +∞.

Асимптота может быть как вертикальной, так и невертикальной (наклонной или горизонтальной). В первом случае его уравнением является x  =  c для некоторого действительного числа c . Невертикальный случай имеет уравнение y = mx + n , где m и — действительные числа. В конкретных примерах могут присутствовать все три типа асимптот одновременно. В отличие от асимптот для кривых, которые являются графиками функций, общая кривая может иметь более двух невертикальных асимптот и может пересекать свои вертикальные асимптоты более одного раза.

Криволинейные асимптоты

x 2 +2 x +3 является параболической асимптотой ( x 3 +2 x 2 +3 x +4)/ x

Пусть A  : ( a , b ) → R 2 — параметрическая плоская кривая в координатах A ( t ) = ( x ( t ), y ( t )), а B — другая (непараметризованная) кривая. Предположим, как и раньше, что кривая А стремится к бесконечности. Кривая B является криволинейной асимптотой A , если кратчайшее расстояние от точки A ( t ) до точки на B стремится к нулю при t  →  b . Иногда B называют просто асимптотой A , когда нет риска путаницы с линейными асимптотами. [8]

Например, функция

имеет криволинейную асимптоту y = x 2 + 2 x + 3 , которая известна как параболическая асимптота , поскольку представляет собой параболу , а не прямую линию. [9]

Асимптоты и зарисовки кривых

Асимптоты используются в процедурах построения кривых . Асимптота служит ориентиром, показывающим поведение кривой по направлению к бесконечности. [10] Чтобы получить лучшее приближение кривой, также использовались криволинейные асимптоты [11] , хотя термин «асимптотическая кривая» кажется предпочтительным. [12]

Алгебраические кривые

Кубическая кривая , лист Декарта (сплошная линия) с единственной вещественной асимптотой (пунктирная линия).

Асимптотами алгебраической кривой в аффинной плоскости являются линии, которые касаются проективизированной кривой через точку, находящуюся на бесконечности . [13] Например, таким образом можно определить асимптоты единичной гиперболы . Асимптоты часто рассматриваются только для вещественных кривых [14] , хотя при таком определении они имеют смысл и для кривых над произвольным полем . [15]

Плоская кривая степени n пересекает свою асимптоту не более чем в n -2 других точках по теореме Безу , поскольку пересечение на бесконечности имеет кратность не менее двух. Для коники есть пара прямых, которые не пересекают конику ни в одной комплексной точке: это две асимптоты коники.

Плоская алгебраическая кривая определяется уравнением вида P ( x , y ) = 0, где P — многочлен степени n.

где Pk однороден степени k . _ _ Исчезновение линейных множителей члена высшей степени P n определяет асимптоты кривой: полагая Q = P n , если P n ( x , y ) = ( axby ) Q n −1 ( x , y ) , то линия

является асимптотой, если и оба не равны нулю. Если и , асимптоты нет, но кривая имеет ветвь, похожую на ветвь параболы. Такая ветвь называетсяпараболическая ветвь , даже если она не имеет ни одной параболы, являющейся криволинейной асимптотой. Есликривая имеет особую точку на бесконечности, которая может иметь несколько асимптот или параболических ветвей.

По комплексным числам P n разбивается на линейные множители, каждый из которых определяет асимптоту (или несколько для нескольких множителей). В действительных числах P n разбивается на факторы, которые являются линейными или квадратичными факторами. Только линейные факторы соответствуют бесконечным (действительным) ветвям кривой, но если линейный фактор имеет кратность больше единицы, кривая может иметь несколько асимптот или параболических ветвей. Может также случиться так, что такой кратный линейный фактор соответствует двум комплексно-сопряженным ветвям и не соответствует ни одной бесконечной ветви действительной кривой. Например, кривая x 4 + y 2 - 1 = 0 не имеет вещественных точек вне квадрата , но ее член высшего порядка дает линейный множитель x с кратностью 4, что приводит к единственной асимптоте x =0.

Асимптотический конус

Гиперболы, полученные разрезанием одного и того же прямого кругового конуса плоскостью и их асимптоты.

Гипербола _

имеет две асимптоты

Уравнение объединения этих двух линий имеет вид

Аналогично, гиперболоид

говорят, что он имеет асимптотический конус [16] [17]

Расстояние между гиперболоидом и конусом приближается к 0, поскольку расстояние от начала координат приближается к бесконечности.

В более общем смысле, рассмотрим поверхность, которая имеет неявное уравнение , где являются однородными полиномами степени и . Тогда уравнение определяет конус с центром в начале координат. Он называется асимптотическим конусом , потому что расстояние до конуса точки поверхности стремится к нулю, когда точка на поверхности стремится к бесконечности.

Смотрите также

Рекомендации

Общие ссылки
Конкретные ссылки
  1. ^ Уильямсон, Бенджамин (1899), «Асимптоты», элементарный трактат по дифференциальному исчислению.
  2. ^ Нунемахер, Джеффри (1999), «Асимптоты, кубические кривые и проективная плоскость», Mathematics Magazine , 72 (3): 183–192, CiteSeerX 10.1.1.502.72 , doi : 10.2307/2690881, JSTOR  2690881 
  3. ^ Оксфордский словарь английского языка , второе издание, 1989 г.
  4. ^ Д. Э. Смит, История математики, том 2, Дувр (1958), стр. 318
  5. ^ Апостол, Том М. (1967), Исчисление, Vol. 1: Исчисление с одной переменной и введение в линейную алгебру (2-е изд.), Нью-Йорк: John Wiley & Sons , ISBN 978-0-471-00005-1, §4.18.
  6. ^ Ссылка на раздел: «Асимптота» The Penny Cyclopædia vol. 2, Общество распространения полезных знаний (1841 г.) Чарльз Найт и компания, Лондон, с. 541
  7. ^ Погорелов, А.В. (1959), Дифференциальная геометрия , Перевод из первого русского изд. автор LF Boron, Гронинген: P. Noordhoff NV, MR  0114163, §8.
  8. ^ Фаулер, Р.Х. (1920), Элементарная дифференциальная геометрия плоских кривых, Кембридж, University Press, hdl : 2027/uc1.b4073882, ISBN 0-486-44277-2, п. 89 и след.
  9. ^ Уильям Николсон, Британская энциклопедия, или словарь искусств и наук; содержащий точный и популярный взгляд на нынешнее улучшенное состояние человеческих знаний , Vol. 5, 1809 г.
  10. ^ Фрост, П. Элементарный трактат по отслеживанию кривых (1918) онлайн.
  11. ^ Фаулер, Р.Х. Элементарная дифференциальная геометрия плоских кривых Кембридж, University Press, 1920, стр. 89 и далее (онлайн на archive.org)
  12. ^ Фрост, П. Элементарный трактат по отслеживанию кривых , 1918, стр. 5.
  13. ^ К.Г. Гибсон (1998) Элементарная геометрия алгебраических кривых , § 12.6 Асимптоты, ISBN издательства Кембриджского университета 0-521-64140-3
  14. ^ Кулидж, Джулиан Лоуэлл (1959), Трактат об алгебраических плоских кривых , Нью-Йорк: Dover Publications , ISBN 0-486-49576-0, МР  0120551, стр. 40–44.
  15. ^ Кунц, Эрнст (2005), Введение в плоские алгебраические кривые , Бостон, Массачусетс: Birkhäuser Boston, ISBN 978-0-8176-4381-2, МР  2156630, п. 121.
  16. ^ LP Siceloff, G. Wentworth, DE Smith Аналитическая геометрия (1922) с. 271
  17. ^ П. Фрост Геометрия твердого тела (1875). Это более общая трактовка асимптотических поверхностей.

Внешние ссылки