7. Геометрический смысл второй производной.
Вторая производная
имеет также важное значение в анализе и в геометрии; в самом деле, представляя собой скорость изменения наклона
кривой
вторая производная дает указание на то, как изогнута кривая. Если в некотором промежутке вторая производная больше нуля, то скорость изменения наклона
положительна. Положительный знак скорости изменения некоторой функции указывает на то, что эта функция возрастает с возрастанием аргумента
Следовательно, неравенство
указывает на то, что наклон
есть возрастающая функция
и, значит, при увеличении
кривая становится более крутой там, где наклон ее положителен, и более пологой там, где наклон отрицателен. Условимся говорить, что в этом случае кривая вогнута (рис. 270). Аналогично, если
то будем говорить, что кривая
выпукла (рис. 271).
Парабола
всюду вогнута, так как ее вторая производная
всегда положительна. Кривая
вогнута при
и выпукла при
(рис. 153); это видно по ее второй производной
в чем читатель может легко убедиться сам. Между прочим, при
имеем
(но нет ни минимума, ни максимума!), а также и
при
Эта точка называется точкой перегиба. В точках, которые так называются, касательная (в данном случае ось
) пересекает кривую.
Если буква
обозначает длину дуги кривой, а буква а — угол наклона, то функция
есть функция переменного
При передвижении точки по кривой функция
будет меняться. Скорость этого изменения
принято называть кривизной кривой в точке, для которой длина дуги равна
Без доказательства отметим, что кривизна к может быть выражена с помощью первой и второй производных от функции
определяющей кривую, согласно следующей