内容正文:
第十一节 函数的模型及其应用
课标要求
1.了解指数函数、对数函数以及幂函数的增长特征,知道直线上升、指数增长、对数增长等不同函数类型增长的含义.
2.了解函数模型如指数函数、对数函数、幂函数、分段函数等普遍使用的函数模型在社会生活中的广泛应用.)
[系统主干知识]
1.几种常见的函数模型
函数模型
函数解析式
一次函数模型
f(x)=ax+b(a,b为常数,a≠0)
二次函数模型
f(x)=ax2+bx+c(a,b,c为常数,a≠0)
指数函数模型
f(x)=bax+c(a,b,c为常数,a>0且a≠1,b≠0)
对数函数模型
f(x)=blogax+c(a,b,c为常数,a>0且a≠1,b≠0)
幂函数模型
f(x)=axn+b(a,b,n为常数,a≠0,n≠0)
2.三种函数模型性质比较
y=ax(a>1)
y=logax(a>1)
y=xn(n>0)
在(0,+∞)上的单调性
单调递增
单调递增
单调递增
增长速度
越来越快
越来越慢
相对平稳
图象的变化
随x值增大,图象与y轴接近平行
随x值增大,图象与x轴接近平行
随n值变化而不同
[细作教材小题]
1.(人教A版必修一P155·T9改编)已知甲、乙两种商品在过去一段时间内的价格走势如图所示.假设某商人持有资金120万元,他可以在t1至t4的任意时刻买卖这两种商品,且买卖能够立即成交(其他费用忽略不计).如果他在t4时刻卖出所有商品,那么他将获得的最大利润是( )
A.40万元 B.60万元
C.80万元 D.120万元
解析:选D 当甲商品的价格为6元时,该商人全部买入甲商品,可以买120÷6=20(万份),在t2时刻全部卖出,此时获利20×2=40(万元);当乙商品的价格为4元时,该商人买入乙商品,可以买(120+40)÷4=40(万份),在t4时刻全部卖出,此时获利40×2=80(万元).故该商人共获利40+80=120(万元).
2.(苏教版必修一P241·例4改编)在数学课外活动中,小明同学进行了糖块溶于水的试验,将一块质量为7克的糖块放入到一定量的水中,测量不同时刻未溶解糖块的质量,得到若干组数据,其中在第5分钟末测得的未溶解糖块的质量为3.5克,同时小明发现可以用指数型函数S=ae-kt(a,k为常数)来描述以上糖块的溶解过程,其中S(单位:克)代表t分钟末未溶解糖块的质量,则k=( )
A.ln 2 B.ln 3
C. D.
解析:选C 由题意可得,当t=0时,S=a=7,因为在第5分钟末测得的未溶解糖块的质量为3.5克,所以3.5=7e-5k,解得k=.
逐点清(一) 用函数图象刻画变化过程
[例1] (2024·遵义模拟)如图,有一直角墙角,两边的长度足够长,若P处有一棵树与两墙的距离分别是4 m和a m(0<a<12).不考虑树的粗细,现用16 m长的篱笆,借助墙角围成一个矩形花圃ABCD,设此矩形花圃的最大面积为u,若将这棵树围在矩形花圃内,则函数u=f(a)(单位:m2)的图象大致是( )
解析:选B 设AD的长为x m,则CD的长为(16-x)m,则矩形ABCD的面积为x(16-x)m2.因为要将点P围在矩形ABCD内,所以a≤x≤12.当0<a≤8时,当且仅当x=8时,u=64;当8<a<12时,u=a(16-a).画出函数图象可得其形状与B选项接近.故选B.
[例2] [多选]血药浓度是指药物吸收后在血浆内的总浓度.药物在人体内发挥治疗作用时,该药物的血药浓度应介于最低有效浓度和最低中毒浓度之间.已知成人单次服用1单位某药物后,体内血药浓度及相关信息如图所示:
根据图中提供的信息,下列关于成人使用该药物的说法中,正确的是( )
A.首次服用该药物1单位约10分钟后,药物发挥治疗作用
B.每次服用该药物1单位,两次服药间隔小于2小时,一定会产生药物中毒
C.每间隔5.5小时服用该药物1单位,可使药物持续发挥治疗作用
D.首次服用该药物1单位3小时后,再次服用该药物1单位,不会发生药物中毒
解析:选ABC 从图象中可以看出,首次服用该药物1单位约10分钟后药物发挥治疗作用,A正确;根据图象可知,首次服用该药物1单位约1小时后的血药浓度达到最大值,由图象可知,当两次服药间隔小于2小时时,一定会产生药物中毒,B正确;服药5.5小时时,血药浓度等于最低有效浓度,此时再服药,血药浓度增加,可使药物持续发挥治疗作用,C正确;第一次服用该药物1单位4小时后与第2次服用该药物1单位1小时后,血药浓度之和大于最低中毒浓度,因此一定会发生药物中毒,D错误.
点拨·建模
判断函数图象与实际问题变化过程相吻合的两种方法
构建函数模型法
当根据题意易构建函数模型时,先建立函数模型,再结合模型选图象
验证法
根据实际问题中两变量的变化快慢等特点,结合图象的变化趋势,验证是否吻合,从中排除不符合实际的情况,选择出符合实际情况的答案
逐点清(二) 已知函数模型的实际问题
[例3] (2024·南通模拟)某人开发的小程序发布经过t天后,用户人数A(t)=500ekt,其中k为常数.已知小程序发布经过10天后有2 000名用户,则用户超过500 000名至少经过的天数为(取lg 2=0.3)( )
A.31 B.32
C.40 D.50
解析:选D 由题意,当t=10时,A(10)=500e10k=2 000,即e10k=4.令A(t)=500ekt>500 000,即ekt>1 000,即4>1 000,取常用对数可得,lg 4>3,即t>==50,故选D.
[例4] (2024·贵阳模拟)深度学习是人工智能的一种具有代表性的实现方法,它是以神经网络为出发点的.在神经网络优化中,指数衰减的学习率模型为L=L0D,其中L表示每一轮优化时使用的学习率,L0表示初始学习率,D表示衰减系数,G表示训练迭代轮数,G0表示衰减速度.已知某个指数衰减的学习率模型的初始学习率为0.6,衰减速度为20,且当训练迭代轮数为20时,学习率衰减为0.54,则学习率衰减到0.06以下(不含0.06)所需的训练迭代轮数至少为(参考数据:lg 2≈0.301 0,lg 3≈0.477 1)( )
A.9 B.12
C.437 D.481
解析:选C 由题中信息可得L0=0.6,G0=20,则L=0.6D.当G=20时,L=0.54,即0.6D=0.54,解得D=0.9,即L=0.6×0.9.由L=0.6×0.9<0.06,得0.9<0.1,所以G>20log0.90.1====≈≈436.68,故学习率衰减到0.06以下(不含0.06)所需的训练迭代轮数至少为437.故选C.
点拨·建模 已知函数模型解决实际问题的关键
(1)认清所给函数模型,弄清哪些量为待定系数.
(2)根据已知利用待定系数法,确定模型中的待定系数.
(3)利用该函数模型,借助函数的性质、导数等求解实际问题,并进行检验.
逐点清(三) 构建函数模型的实际问题
[例5] 第31届世界大运会在成都召开,某网络经销商购进了一批以成都大运会为主题的文化衫进行销售,文化衫的进价为每件30元,当销售单价定为70元时,每天可售出20件,每销售一件需缴纳网络平台管理费2元,为了扩大销售,增加盈利,决定采取适当的降价措施,经调查发现:销售单价每降低1元,则每天可多售出2件(销售单价不低于进价),若设这款文化衫的销售单价为x(元),每天的销售量为y(件).
(1)求每天的销售量y(件)与销售单价x(元)之间的函数关系式;
(2)当销售单价为多少元时,销售这款文化衫每天所获得的利润最大,最大利润为多少元?
解:(1)由题意可知y关于x的函数为一次函数,设y=kx+b,则解得所以y=-2x+160,其中x≥30.
(2)设销售这款文化衫每天所获得的利润为p元,则p=y(x-32)=-2(x-80)(x-32)=-2(x2-112x+2 560),故当x=-=56(元)时,p取最大值,即pmax=-2×(2 560-562)=1 152(元),
即当销售单价为56元时,销售这款文化衫每天所获得的利润最大,最大利润为1 152元.
点拨·建模 构建函数模型解决实际问题的步骤
建模
抽象出实际问题的数学模型
推理、演算
对数学模型进行逻辑推理或数学运算,得到问题在数学意义上的解
评价、解释
对求得的数学结果进行深入讨论,作出评价、解释,然后返回到原来的实际问题中去,得到实际问题的解
逐点验收(一) 用函数图象刻画变化过程
1.如图,一高为H且装满水的鱼缸,其底部有一排水小孔,当小孔打开时,水从孔中匀速流出,水流完所用时间为T.若鱼缸水深为h时,水流出所用时间为t,则函数h=f(t)的图象大致是( )
解析:选B 水匀速流出,所以鱼缸水深h先降低快,中间降低缓慢,最后降低速度又越来越快.
2.(2024·泰州调研)中国茶文化博大精深,茶水的口感与茶叶类型和水的温度有关.经验表明,某种绿茶用85 ℃的水泡制,再等到茶水温度降至60 ℃时饮用,可以产生最佳口感.为分析泡制一杯最佳口感茶水所需时间,某研究人员每隔1 min测量一次茶水的温度,根据所得数据作出如图所示的散点图.观察散点图的分布情况,下列哪个函数模型可以近似地刻画茶水温度y随时间x变化的规律( )
A.y=mx2+n(x>0)
B.y=max+n(m>0,0<a<1)
C.y=max+n(m>0,a>1)
D.y=mlogax+n(m>0,a>0,a≠1)
解析:选B 由函数图象可知符合条件的只有指数函数模型,并且m>0,0<a<1.
逐点验收(二) 函数模型的应用
3.已知某品牌手机电池充满电量为1 200毫安,每经过1小时,电量消耗20%,若电池电量不超过200毫安时充电最佳,那么该手机至少可以待机(待机小时取整数,参考数据:lg 2≈0.30,lg 3≈0.48)( )
A.7小时 B.8小时
C.9小时 D.10小时
解析:选A 由题意可知,1小时后,该手机剩余的电量为1 200×毫安,2小时后,该手机剩余的电量为1 200×2毫安,…,以此类推可知,n(n∈N*)小时后,该手机剩余的电量为1 200×n毫安.由1 200×n≤200,即n≤,所以n≥log====≈≈7.8,因此,该手机至少可以待机7小时.
4.[多选]声强级LI(单位:dB)由公式LI=a+blg I给出,其中I为声强(单位:W/m2).
I(W/m2)
正常人能忍受的最高声强1W/m2
正常人能听到的最低声强10-12W/m2
正常人平时谈话的声强10-6W/m2
某人谈话的声强ITW/m2
LI(dB)
120
0
L正常
80
上面表中是不同声的声强级,则( )
A.LI=10lg B.I=()L-120
C.L正常=60 D.IT=10-8
解析:选BC 由表格可知,当I=1时,LI=a+blg 1=120,得a=120,当I=10-12时,LI=120+blg 10-12=120-12b=0,得b=10,所以LI=120+10lg I=10=10lg 1012I,故A错误;lg I=,则I=10=L-120,故B正确;当I=10-6时,L正常=120+10lg 10-6=120-60=60,故C正确;当LI=80时,IT=10=10-4,故D错误.故选BC.
5.新风机的工作原理是从室外吸入空气,净化后输入室内,同时将等体积的室内空气排向室外.假设某房间的体积为v0,初始时刻室内空气中含有颗粒物的质量为m.已知某款新风机工作时,单位时间内从室外吸入的空气体积为v(v>1),室内空气中颗粒物的浓度与时刻t的函数关系为ρ(t)=(1-λ)+λe-vt,其中常数λ为过滤效率.若该款新风机的过滤效率为,且t=1时室内空气中颗粒物的浓度是t=2时的倍,则v的值约为(参考数据:ln 2≈0.693 1,ln 3≈1.098 6)( )
A.1.386 2 B.1.791 7
C.2.197 2 D.3.583 4
解析:选B 由题意得ρ(1)=+e-v,ρ(2)=+e-2v.因为ρ(1)=ρ(2),所以+e-v=,整理得8e-v-12e-2v=1.令e-v=n,因为v>1,所以n=e-v∈,则12n2-8n+1=0,解得n=(舍去)或n=,故e-v=,解得v=ln 6=ln 2+ln 3≈0.693 1+1.098 6=1.791 7.
6.“环境就是民生,青山就是美丽,蓝天也是幸福”,随着经济的发展和社会的进步,人们的环境保护意识日益增强,某家化工厂产生的废气中污染物的含量为1.8 mg/cm3,排放前每过滤一次,该污染物的含量都会减少20%,环保部门为了保护好当地优越的生态环境,要求废气中该污染物的含量不能超过0.3 mg/cm3,若要使该工厂的废气达标排放,那么该污染物排放前需要过滤的次数至少为________.(参考数据:lg 2≈0.3,lg 3≈0.477)
解析:设该污染物排放前需要过滤的次数为n(n∈N*),则由题意得1.8×(1-20%)n≤0.3,即n≥6,所以lgn≥lg 6,nlg≥lg 2+lg 3,n(1-3lg 2)≥lg 2+lg 3,所以n≥.因为lg 2≈0.3,lg 3≈0.477,所以≈=7.77,所以n≥7.77,因为n∈N*,所以n的最小值为8.
答案:8
细节、微点提醒
(1)理解三个术语:“直线上升”是匀速增长,其增长量固定不变;“指数增长”先慢后快,其增长量成倍增加,常用“指数爆炸”来形容;“对数增长”先快后慢,其增长速度缓慢.
(2)充分理解题意,并熟练掌握几种常见函数的图象和性质是解题的关键.
(3)解题时,易忽视实际问题中自变量的取值范围,需合理确定函数的定义域,必须验证数学结果对实际问题的合理性.
[课时跟踪检测]
一、强基训练,提高自信心
1.在某种新型材料的研制中,实验人员获得了下列一组实验数据,现准备用下列四个函数中的一个近似地表示这些数据的规律,其中最接近的一个是( )
x
1.992
3
4
5.15
6.126
y
1.517
4.041 8
7.5
12
18.01
A.y=2x-2 B.y=(x2-1)
C.y=log2x D.y=logx
解析:选B 由题表可知函数在(0,+∞)上单调递增,且y的变化随x的增大而增大得越来越快,分析选项可知B符合,故选B.
2.地震发生时会释放大量的能量,这些能量是造成地震灾害的元凶.研究表明地震释放的能量E(单位:焦耳)的常用对数与震级M之间满足线性关系,若4级地震所释放的能量为6.3×1010焦耳,6级地震所释放的能量为6.3×1013焦耳,则平原县发生的5.5级地震所释放的能量约为(参考数据:lg 6.3≈0.8,100.05≈1.1)( )
A.8×1011焦耳 B.1.1×1011焦耳
C.8×1012焦耳 D.1.1×1013焦耳
解析:选D 由题意可设lg E=λM+μ,则解得所以lg E=1.5M+4.8,所以E=101.5M+4.8.当M=5.5时,E=101.5×5.5+4.8=1013.05=100.05×1013≈1.1×1013焦耳.故选D.
3.某品牌塑料袋经自然降解后残留量y与时间t年之间的关系为y=y0·ekt,其中y0为初始量,k为光解系数.已知该品牌塑料袋2年后残留量为初始量的75%.该品牌塑料袋残留量为初始量的10%,大约需要经过(参考数据:lg 2≈0.301,lg 3≈0.477)( )
A.20年 B.16年
C.12年 D.7年
解析:选B 依题意有t=2时,75%y0=y0·e2k,则ek=.当y0·ekt=10%y0时,有t=0.1,lg()t=lg 0.1,t=====16.
4.“空气质量指数(AQI)”是定量描述空气质量状况的无量纲指数.当AQI大于200时,表示空气重度污染,不宜开展户外活动.某地某天0~24时的空气质量指数y随时间t变化的趋势由函数y=描述,则该天适宜开展户外活动的时长至多为( )
A.5小时 B.6小时 C.7小时 D.8小时
解析:选C 由题知,当AQI大于200时,表示空气重度污染,不宜开展户外活动,即当AQI小于等于200时,适宜开展户外活动,即y≤200.因为y=所以当0≤t≤12时,只需-10t+290≤200,解得9≤t≤12;当12<t≤24时,只需56-24≤200,解得12<t≤16.综上,适宜开展户外活动的时间段为9≤t≤16,共计7个小时.
5.[多选]目前部分城市处于垃圾的包围之中,且城市垃圾中的快递行业产生的包装垃圾正在逐年攀升,有关数据显示,某城市从2018年到2021年产生的包装垃圾量如下表:
年份x
2018
2019
2020
2021
包装垃圾产生量y(万吨)
4
6
9
13.5
有下列函数模型:①y=a·bx-2 018;②y=sin+b.则以下说法正确的是(参考数据:lg 2≈0.301 0,lg 3≈0.477 1)( )
A.选择模型①,函数模型解析式为y=4×x-2 018,近似反映该城市近几年包装垃圾产生量y(万吨)与年份x的函数关系
B.选择模型②,函数模型解析式为y=sin+4,近似反映该城市近几年包装垃圾产生量y(万吨)与年份x的函数关系
C.若不加以控制,任由包装垃圾如此增长下去,从2023年开始,该城市的包装垃圾将超过40万吨
D.若不加以控制,任由包装垃圾如此增长下去,从2024年开始,该城市的包装垃圾将超过40万吨
解析:选AD 若选y=4×x-2 018,计算可得对应数据近似值为4,6,9,13.5,若选y=sin+4,计算可得对应数据近似值不会大于5,故A正确,B错误;按照选择函数模型y=4×x-2 018,令y>40,即4×x-2 018>40,∴x-2 018>10,∴x-2 018>log10,∴x-2 018>=≈5.678 6,∴x>2 023.678 6,即从2024年开始,该城市的包装垃圾将超过40万吨,故C错误,D正确.
6.[多选]为预防流感病毒感染,某学校每天定时对教室进行喷洒消毒,教室内每立方米空气中的含药量y(单位:mg)随时间x(单位:h)的变化情况如图所示.在药物释放过程中,y与x成正比;药物释放完毕后,y与x的函数关系式为y=x-a(a为常数),则( )
A.当0≤x≤0.2时,y=5x
B.当x>0.2时,y=x-0.1
C.小时后,教室内每立方米空气中的含药量可降低到0.25 mg以下
D.小时后,教室内每立方米空气中的含药量可降低到0.25 mg以下
解析:选AD 当0≤x≤0.2时,设y=kx,则1=0.2k,故k=5,故A正确;当x>0.2时,把(0.2,1)代入y=x-a,可得0.2-a=1,∴a=0.2,故B错误;令x-0.2<0.25,即3x-0.6<2,∴3x-0.6>2,解得x>,故C错误,D正确.故选AD.
7.研究表明大气中二氧化碳的含量对地表温度有明显的影响:当大气中二氧化碳的含量每增加25%,地球平均温度就要上升0.5 ℃.若到2050年,预测大气中二氧化碳的含量是目前的4倍,则地球平均温度将上升约__________℃.(参考数据:lg 2≈0.301 0)
解析:设目前大气中二氧化碳的含量为a,依题意,当二氧化碳的含量为1.25a时,地球平均温度上升0.5 ℃,当二氧化碳的含量为a×1.252时,地球平均温度上升(0.5×2)℃,依次类推,当大气中二氧化碳的含量为a×1.25n时,地球平均温度上升(0.5×n)℃.令a×1.25n=4a,即1.25n=4,方程两边同时取常用对数,则n===≈≈6,所以到2050年,地球平均温度将上升约0.5×6=3(℃).
答案:3
8.研究发现某人的行车速度v(km/h)与行驶地区的人口密度p(人/km2)有如下关系:v=50×(0.5+2-0.000 04p),若此人在人口密度为a人/km2的地区的行车速度为70 km/h,则他在人口密度为2a人/km2的地区的行车速度是________ km/h.
解析:由70=50×(0.5+2-0.000 04a),得2-0.000 04a=0.9,所以当人口密度为2a人/km2时,他的行车速度v=50×(0.5+2-0.000 04×2a)=50×[0.5+(2-0.000 04a)2]=65.5 km/h.
答案:65.5
二、创优训练,冲刺“双一流”
9.记地球与太阳的平均距离为R,地球公转周期为T,万有引力常量为G,则太阳的质量M=(单位:kg).由lg≈28.7,lg 2≈0.3, lg π≈0.5,计算得太阳的质量约为( )
A.2×1029 kg B.2×1030 kg
C.3×1029 kg D.3×1030 kg
解析:选B 由题意在M=中两边取对数得,lg M=lg+lg 4π2=lg+2lg π+2lg 2.因为lg≈28.7,lg 2≈0.3, lg π≈0.5,所以lg M≈28.7+2×0.5+0.3+lg 2=30+lg 2,所以M=10lg M=1030+lg 2=10lg 2×1030=2×1030.故选B.
10.净水机通过分级过滤的方式使自来水逐步达到纯净水的标准,其工作原理中有多次的PP棉滤芯过滤,其中第一级过滤一般由孔径为5微米的PP棉滤芯(聚丙烯熔喷滤芯)构成,其结构是多层式,主要用于去除铁锈、泥沙、悬浮物等各种大颗粒杂质,假设每一层PP棉滤芯可以过滤掉三分之一的大颗粒杂质,若过滤前水中大颗粒杂质含量为80 mg/L,现要满足过滤后水中大颗粒杂质含量不超过2 mg/L,则PP棉滤芯的层数最少为(参考数据:lg 2≈0.30,lg 3≈0.48)( )
A.9 B.8 C.7 D.6
解析:选A 设经过n层PP棉滤芯过滤后的大颗粒杂质含量为y,则y=80×n=80×n.令80×n≤2,解得n≤,两边取常用对数得nlg≤lg,即nlg≥lg 40,即n(lg 3-lg 2)≥1+2lg 2.因为lg 2≈0.30,lg 3≈0.48,所以(0.48-0.30)n≥1.60,解得n≥.因为n∈N*,所以n的最小值为9.故选A.
11.“活水围网”养鱼技术具有养殖密度高、经济效益好的特点.研究表明:“活水围网”养鱼时,某种鱼在一定的条件下,每尾鱼的平均生长速度v(单位:千克/年)是养殖密度x(单位:尾/立方米)的函数.当x不超过4尾/立方米时,v的值为2千克/年;当4<x≤20时,v是x的一次函数,当x达到20尾/立方米时,因缺氧等原因,v的值为0千克/年.
(1)当0<x≤20时,求v关于x的函数解析式;
(2)当养殖密度x为多大时,鱼的年生长量(单位:千克/立方米)可以达到最大?并求出最大值.
解:(1)由题意得当0<x≤4时,v=2;
当4<x≤20时,设v=ax+b,a≠0,
显然v=ax+b在(4,20]上单调递减,
由已知得解得
所以v=-x+.
故函数v=
(2)设年生长量为f(x)千克/立方米,依题意并由(1)可得f(x)=
当0<x≤4时,f(x)单调递增,
故f(x)max=f(4)=4×2=8.
当4<x≤20时,f(x)=-x2+x=-(x2-20x)=-(x-10)2+,f(x)max=f(10)=12.5.
所以当0<x≤20时,f(x)的最大值为12.5.
即当养殖密度为10尾/立方米时,鱼的年生长量可以达到最大,最大值为12.5千克/立方米.
12.某公司生产一类电子芯片,且该芯片的年产量不超过35万件,每万件电子芯片的计划售价为16万元.已知生产此类电子芯片的成本分为固定成本与流动成本两个部分,其中固定成本为30万元/年,每生产x万件电子芯片需要投入的流动成本为f(x)(单位:万元),当年产量不超过14万件时,f(x)=x2+4x;当年产量超过14万件时,f(x)=17x+-80.假设该公司每年生产的芯片都能够被销售完.
(1)写出年利润g(x)(万元)关于年产量x(万件)的函数解析式;(注:年利润=年销售收入-固定成本-流动成本)
(2)如果你作为公司的决策人,为使公司获得的年利润最大,每年应生产多少万件该芯片?
解:(1)根据题意得,当0≤x≤14时,g(x)=16x-f(x)-30=-x2+12x-30,当14<x≤35时,g(x)=16x-f(x)-30=50-x-,故g(x)=
(2)当0≤x≤14时,g(x)=-x2+12x-30,且当0≤x≤9时,g(x)单调递增,当9<x≤14时,g(x)单调递减,此时g(x)max=g(9)=-×81+12×9-30=24.当14<x≤35时,g(x)=50-x-≤50-2=10,当且仅当x=20时,等号成立.因为24>10,故当x=9时,g(x)取得最大值24,即为使公司获得的年利润最大,每年应生产9万件该芯片.
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