作者： 荒原之梦

一、题目

设函数 $f(x)$ 在 $(-\infty,+\infty)$ 上连续，其 $2$ 阶导函数 $f”(x)$ 的图形如图 1 所示，则曲线 $y$ $=$ $f(x)$ 的拐点的个数为 ( )

( A ) $0$.

( B ) $1$.

( C ) $2$.

( D ) $3$.

二、解析

如图 2 所示，令左边的曲线与 $x$ 轴的交点为点 $x_{1}$, 坐标原点为点 $x_{2}$, 右边曲线与 $x$ 轴的交点为点 $x_{3}$:

由于本题涉及 2 阶导数，因此可以通过拐点存在的充分条件中的第一充分条件来判定：

若曲线 $y$ $=$ $f(x)$ 在 $x$ $=$ $x_{0}$ 处 $f”(x_{0})$ $=$ $0$ (或 $f”(x_{0})$ 不存在，但 $f(x)$ 在 $x$ $=$ $x_{0}$ 处连续)，若 $f”(x)$ 在 $x_{0}$ 的左、右两侧邻域内异号，则 $(x_{0}$, $f(x_{0}))$ 为曲线 $y$ $=$ $f(x)$ 的拐点。

我们知道，对于连续函数的图像曲线而言，拐点处的图像曲线要么等于零，要么不存在。图 2 中的 $x_{1}$, $x_{2}$, $x_{3}$ ( $f”(x_{2})$ 虽然不存在，但是由题目中给出的“函数 $f(x)$ 在 $(-\infty,+\infty)$ 上连续”的条件我们知道，$f”(x_{2})$ 在点 $x_{2}$ 的左右两侧邻域是连续的，可能是原函数的一个拐点。)三个点均满足该条件。但是点 $x_{1}$ 两侧的函数都为正($f”(x)$ 的图像在 $x$ 轴上方)，因此，不满足“左右两侧邻域内异号”的条件，因此，点 $x_{1}$ 不是函数 $f(x)$ 的拐点。点 $x_{2}$ 和 $x_{3}$ 两侧邻域的函数图像均异号，因此点 $x_{2}$ 和 $x_{3}$ 满足函数拐点存在的充分条件，函数 $f(x)$ 有两个拐点。

综上可知，本题的正确选项是：$C$.

EOF

一、题目

曲线 $y$ $=$ $(x-1)$ $(x-2)^{2}$ $(x-3)^{3}$ $(x-4)^{4}$ 的拐点是 ( )

( A ) $(1,0)$.

( B ) $(2,0)$.

( C ) $(3,0)$.

( D ) $(4,0)$.

二、解析

本题主要涉及求导，曲线的凹凸性，曲线凹凸性的判定，拐点的定义，拐点存在的充分条件这些知识。

曲线凹凸性的定义如下：

设函数 $f(x)$ 在区间 $I$ 上连续，若对 $I$ 上任意两点 $x_{1}$, $x_{2}$, 恒有：

$f(\frac{x_{1}+x_{2}}{2})$ $<$ $(>)$ $\frac{f(x_{1})+f(x_{2})}{2}$,

则称曲线 $y$ $=$ $f(x)$ 在区间 $I$ 上是向凹（凸）的.

曲线凹凸性的判定如下：

设函数 $f(x)$ 在 $[a,b]$ 上连续，在 $(a,b)$ 内具有二阶导数，那么：

① 如果在 $(a,b)$ 内 $f”(x)$ $>$ $0$, 则曲线 $y$ $=$ $f(x)$ 在 $[a,b]$ 上是凹的;

② 如果在 $(a,b)$ 内 $f”(x)$ $<$ $0$, 则曲线 $y$ $=$ $f(x)$ 在 $[a,b]$ 上是凸的.

拐点的定义如下：

设函数 $f(x)$ 在区间 $I$ 内连续，$x_{0}$ 是 $I$ 的内点，如果曲线 $y$ $=$ $f(x)$ 在经过点 $(x_{0},$ $f(x_{0}))$ 时凹凸性发生了改变，则称点 $(x_{0},$ $f(x_{0}))$ 为曲线的拐点.

拐点存在的充分条件如下：

第一充分条件：若曲线 $y$ $=$ $f(x)$ 在 $x$ $=$ $x_{0}$ 处 $f”(x_{0})$ $=0$ (或 $f”(x_{0})$ 不存在，但 $f(x)$ 在 $x$ $=$ $x_{0}$ 处连续)，若 $f”(x)$ 在 $x_{0}$ 的左右两侧邻域异号，则 $(x_{0},$ $f(x_{0}))$ 为曲线 $y$ $=$ $f(x)$的拐点.
第二充分条件：设 $f(x)$ 在 $x$ $=$ $x_{0}$ 的某邻域内有三阶导数，且 $f”(x_{0})$ $=$ $0$, $f”'(x_{0})$ $\neq$ $0$, 则 $(x_{0},$ $f(x_{0}))$ 为 $f(x)$ 的拐点.

回到本题。本题的原式是：

$y$ $=$ $(x-1)$ $(x-2)^{2}$ $(x-3)^{3}$ $(x-4)^{4}$.

观察可知，当 $x$ $=$ $1$, $2$, $3$, $4$ 时都可以使 $y$ $=$ $0$, 而我们在找拐点的时候，最重要的就是找到哪个点是大于零的，哪个点是小于零的或者哪个点是等于零的，上面式子的设定从计算上来看可以很快地找到这些特殊点。

求拐点的过程中少不了要计算导数，但是上面的式子太长，求导之后会更长，为了方便计算，尽可能避免出错，我们作如下约定：

令：

$A$ $=$ $(x-1)$;

$B$ $=$ $(x-2)^{2}$;

$C$ $=$ $(x-3)^{3}$;

$D$ $=$ $(x-4)^{4}$.

之后，我们有：

原式 $=$ $y$ $=$ $ABCD$.

于是我们有：

$y’$ $=$ $A’BCD$ $+$ $A(BCD)’$;

$y”$ $=$ $A”BCD$ $+$ $A'(BCD)’$ $+$ $A'(BCD)’$ $+$ $A(BCD)”$;

$y”’$ $=$ $A”’BCD$ $+$ $A”(BCD)’$ $+$ $A”(BCD)’$ $+$ $A'(BCD)”$ $+$ $A”(BCD)’$ $+$ $A’BCD”$ $+$ $A'(BCD)”$ $+$ $A(BCD)”’$;

令 $y’$ $=$ $0$, 则有：

$y'(2)$ $=$ $y'(3)$ $=$ $y'(4)$ $=$ $0$;

$y'(1)$ $\neq$ $0$. ($x$ $=$ $1$ 对应 $A$, 但是 $A’$ 是一个常数，不受 $x$ 的影响，因此 $x$ $=$ $1$ 不会使 $y’$ $=$ $0$, 以下计算过程中的判断与此类似.)

令 $y”$ $=$ $0$, 则有：

$y”(3)$ $=$ $y”(4)$ $=$ $0$;

$y”(1)$ $\neq$ $0$, $y”(2)$ $\neq$ $0$.

令 $y”’$ $=$ $0$, 则有：

$y”'(4)$ $=$ $0$;

$y”'(1)$ $\neq$ $0$, $y”'(2)$ $\neq$ $0$, $y”'(3)$ $\neq$ $0$.

通过上面的计算我们知道，$y”(3)$ $=$ $0$ 且 $y”'(3)$ $\neq$ $0$, 因此，根据拐点存在的充分条件中的第二充分条件，点 $(3,0)$ 是曲线 $y$ 的拐点。

综上可知，本题的正确选项是：C

EOF

一、题目

当 $x$ $\rightarrow$ $0$ 时，$f(x)$ $=$ $x$ $-$ $\sin ax$ 与 $g(x)$ $=$ $x^{2}$ $\ln(1-bx)$ 是等价无穷小，则（）

( A ) $a$ $=$ $1$, $b$ $=$ $-$ $\frac{1}{6}$.

( B ) $a$ $=$ $1$, $b$ $=$ $\frac{1}{6}$.

( C ) $a$ $=$ $-1$, $b$ $=$ $-\frac{1}{6}$.

( D ) $a$ $=$ $-1$, $b$ $=$ $\frac{1}{6}$.

二、解析

由于 $f(x)$ 和 $g(x)$ 是等价无穷小，因此，根据“无穷小的比较”中关于等价无穷小的定理：

设 $\lim$ $\alpha(x)$ $=$ $0$, $\lim$ $\beta(x)$ $=$ $0$,
若 $\lim$ $\frac{\alpha (x)}{\beta (x)}$ $=$ $1$, 则 $\alpha(x)$ 与 $\beta(x)$ 是等价无穷小，记为 $\alpha(x)$ $\sim \beta(x)$.

因此，我们有：

$\lim_{x \rightarrow 0}$ $\frac{f(x)}{g(x)}$ $=$ $\lim_{x\rightarrow 0}$ $\frac{x-\sin ax}{x^{2}\ln(1-bx)}$ $=$ $1$.

在“常用的等价无穷小”中，同时和 $\sin x$ 与 $x$ 有关的等价无穷小两个，如下：

$\sin x$ $\sim x$;

$x$ $-$ $\sin x$ $\sim$ $\frac{1}{6}x^{3}$.

同时和 $\ln x$ 与 $x$ 有关的等价无穷小也有两个，如下：

$\ln(1+x)$ $\sim x$;

$x$ $-$ $\ln(1+x)$ $\sim$ $\frac{1}{2}x^{2}$.

那么，我们现在需要考虑的问题就是：需要组合使用哪两个等价无穷小化简原式？

这里选择并确定使用哪两个等价无穷小的依据就是题目中给出的“等价无穷小”。也就是说，在对原式进行化简运算的过程中，必须保证分子分母互为等价无穷小，每一步都要遵守这个原则，最后化简出来的结果中分子分母也必须互为等价无穷小，只有这样才可以和原式划等号。

由前面的计算我们知道，原式的分子是：

$x$ $-$ $\sin ax$

原式的分母是：

$x^{2}$ $\ln(1-bx)$

于是，分子的有效化简形式有以下四种：

$x$ $-$ $\sin ax$ $=$ $x$ $-$ $ax$ (1)

或者：

$x$ $-$ $\sin ax$ $=$ $\sin x$ $-$ $\sin ax$ (2)

或者：

$x$ $-$ $\sin ax$ $=$ $x$ $-$ $[ax$ $-$ $\frac{1}{6}$ $(ax)^{3}]$ $=$ $x$ $-$ $ax$ $+$ $\frac{1}{6}$ $a^{3}$ $x^{3}$ (3)

或者：

$x$ $-$ $\sin ax$ $=$ $\frac{1}{6}x^{3}$ $+$ $\sin x$ $-$ $\sin ax$ (4)

分母的有效化简形式有以下两种：

$x^{2}$ $\ln(1-bx)$ $=$ $x^{2}$ $(-bx)$ $=$ $-bx^{3}$ (5)

或者：

$x^{2}$ $\ln(1-bx)$ $=$ $x^{2}$ $[(-bx)$ $-$ $\frac{1}{2}$ $(-bx)^{2}]$ $=$ $-bx^{3}$ $-$ $\frac{1}{2}$ $b^{2}$ $x^{4}$ (6)

由于要保证每一步计算过程中分子分母都是等价无穷小，因此，我们首先要看看那些式子组合起来可以形成等价无穷小。

(1) 到 (6) 六个式子中变量 $x$ 的次方数情况如下：

(1): 只包含 $1$ 次方；

(2): 只包含 $1$ 次方；

(3): 包含 $1$ 次方和 $3$ 次方；

(4): 包含 $1$ 次方和 $3$ 次方；

(5): 只包含 $3$ 次方；

(6): 包含 $3$ 次方和 $4$ 次方。

由于分母对应的 (5) 和 (6) 两个式子都包含 $3$ 次方，分子对应的 (1) 式和 (2) 式无论如何变化也不会出现 $3$ 次方，无法与分母构成等价无穷小，因此排除。此外，(4) 式有 $\sin x$ 和 $\sin ax$, 而分母中并没有对应的形式，因此 (4) 式被基本排除。

现在就剩下分子对应的 (3) 式和分母对应的 (5) 式和 (6) 式了。由于 (6) 式中含有 $x$ 的 4 次方，而 (3) 式无论如何变化也不会出现 4 次方，因此，正确的化简过程应该在 (3) 式和 (5) 式中产生。

基于以上分析，尝试化简如下：

原式 $=$ $\lim_{x\rightarrow 0}$ $\frac{x-ax+\frac{1}{6}a^{3}x^{3}}{-bx^{3}}$ $=$ $\lim_{x\rightarrow0}$ $\frac{(1-a)x+\frac{1}{6}a^{3}x^{3}}{-bx^{3}}$

分母中没有 $1$ 次方，因此，为了保证“分子分母互为等价无穷小”这个条件始终成立，唯一的办法就是令 $1$ $-$ $a$ $=0$, 接下来，根据 $f(x)$ $\sim$ $g(x)$ 所得的分子分母的对应关系，我们可以得到：

$\frac{1}{6}a^{3}$ $=$ $-b$

两式联立：

$\left\{\begin{matrix}1-a=0,\\ \frac{1}{6}a^{3}=-b.\end{matrix}\right.$

解得：

$\left\{\begin{matrix} a=1,\\ b=-\frac{1}{6}.\end{matrix}\right.$

综上可知，本题的正确选项是：$A$

通过本题，我们可以总结出使用等价无穷小化简原式过程中的以下规律：

• 注意原式分子分母的无穷小类型（等价，高阶，低阶，同阶，$K$ 阶），计算过程中要以始终保持一致的无穷小类型为所有计算的前提；
• 使用常见等价无穷小化简的时候一般都是由繁化简，即化简的趋势都是使式子中尽可能只出现 $x$, 例如将 $\sin x$ 化为 $x$, 将 $\ln(1+x)$ 化为 $x$ 等。
• 此外，把式子中的一部分化为和另一部分相同类型的形式更有可能简化运算，例如在本题中，分母是 $x^{2}$ $\ln(1-bx)$, 则把 $\ln(1-bx)$ 化为 $-bx$ 显然会让式子在形式上更统一，更有利于后面的计算；
• 化简过程要严格按照公式进行，特别要注意负号和变量前面的参数，必要时要先加上括号维持原来的形式，之后一步步计算。