内容正文:
第十节 函数模型的应用
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知识清单
1.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)
反比例函数模型 f(x)=+b(k,b为常数且k≠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,b≠0,a>0,且a≠1)
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对数函数模型 f(x)=blogax+c(a,b,c为常数,b≠0,a>0,且a≠1)
幂函数模型 f(x)=axn+b(a,b为常数,a≠0)
“对勾”函数模型 f(x)=x+(a>0)
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2.指数、对数、幂函数性质比较
性质 函数
y=ax(a>1) y=logax(a>1) y=xn(n>0)
在(0,+∞)
上的增减性 单调________ 单调________ 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的增大逐渐表现为与________平行 随x的增大逐渐表现为与________平行 随n值变化而各有不同
递增
递增
y轴
x轴
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自主诊断
1.思考辨析(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)幂函数增长比直线增长更快.( )
(2)不存在x0,使<logax0.( )
(3)在(0,+∞)上,随着x的增大,y=ax(a>1)的增长速度会超过并远远大于y=xa(a>1)的增长速度.( )
(4)“指数爆炸”是指数型函数y=a·bx+c(a≠0,b>0,b≠1)增长速度越来越快的形象比喻.( )
×
×
√
×
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2.(人教A版必修一P139T1改编)下列选项分别是四种生意预期的获益y关于时间x的函数模型,从足够长远的角度看,使公司获益最大的函数模型是________.
①y=10×1.05x;②y=20+x2;③y=30+lg (x+1);④y=50.
答案:①
解析:结合三类函数的增长差异可知指数型函数增长最快,所以①的预期收益最大.
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3.(人教A版必修一P139T3改编)如图,对数函数y=lg x的图象与一次函数y=f(x)的图象有A,B两个公共点,则一次函数y=f(x)的解析式为________.
答案:f(x)=(lg 2)(x-1)
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4.(人教A版必修一P150T2改编)在一段时间内,某地的野兔快速繁殖,野兔总只数的倍增期为21个月,那么1万只野兔增长到1亿只野兔大约需要________年.(参考数据:lg 2≈0.3)
答案:24
解析:设经过x年后的野兔有y只,由题意可知,y=104·,即y=104·,令y=108,则104·=108,所以=104,两边取常用对数可得,解得x=≈23.3,故1万只野兔增长到1亿只野兔大约需要24年.
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命题点一 用函数图象刻画变化过程
例1 (多选)血药浓度是指药物吸收后在血浆内的总浓度,当血药浓度介于最低有效浓度和最低中毒浓度之间时药物发挥作用.某种药物服用1单位后,体内血药浓度变化情况与相关阈值如图所示(服用药物时间对应0时)
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则下列说法中正确的有( )
A.服药1单位后约10分钟到5.5小时之间药物发挥疗效
B.若每次服药1单位,首次服药后,2.5小时之内不能再次服药
C.若每次服药1单位,首次服药后,3小时之后可以再次服药
D.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
答案:ABD
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解析:对于A,从题图的持续期可以得出,服用药物后10分钟到5.5小时之间,血药浓度介于最低有效浓度和最低中毒浓度之间,药物发挥作用,故A正确;对于B,服药1单位后,若2.5小时后再次服药,则在首次服药3.5小时后,即第2次服药1小时后,体内血药浓度将会超过最低中毒浓度,会引起中毒,因此若每次服药1单位,首次服药后,2.5小时之内不能再次服药,故B正确;对于C,服药1单位后,若3小时后再次服药,则在首次服药4小时后,即第2次服药1小时后,血药浓度将会超过最低中毒浓度,引起中毒,故C错误;
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对于D,第一次服药10分钟到5.5小时之内,药物会持续发挥治疗作用,第1次服药5.5小时后第2次服药,由于第2次服药对应的血药浓度增长速度大于第1次服药对应的血药浓度降低速度,从而体内的血药浓度会超过最低有效浓度,同时观察两次累计的最大值,不会超过最低中毒浓度,故D正确.故选ABD.
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学霸笔记:
(1)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.
(2)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.
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跟踪训练 (衔接·人教A版必修一P140T6)在2 h内将某种药物注射进患者的血液中,在注射期间,血液中的药物含量呈线性增加,停止注射后,血液中的药物含量呈指数衰减.下面能反映血液中药物含量Q随时间t变化的图象是( )
答案:B
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解析:在2 h内,血液中的药物含量呈线性增加,则第一段图象为线段,且为增函数,排除A;停止注射后,血液中的药物含量呈指数衰减,排除C;药物含量Q不能为负值,排除D;能反映血液中药物含量Q随时间t变化的图象是B.故选B.
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命题点二 已知函数模型的实际问题
例2 (多选)(链接· 2023年新高考Ⅰ卷)噪声污染问题越来越受到重视.用声压级来度量声音的强弱,定义声压级Lp=20×lg ,其中常数p0(p0>0)是听觉下限阈值,p是实际声压.下表为不同声源的声压级:
声源 与声源的距离/m 声压级/dB
燃油汽车 10 60~90
混合动力汽车 10 50~60
电动汽车 10 40
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已知在距离燃油汽车、混合动力汽车、电动汽车10 m处测得实际声压分别为p1,p2,p3,则( )
A.p1≥p2 B.p2>10p3
C.p3=100p0 D.p1≤100p2
答案:ACD
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解析:由题意可知=40.对于=20×lg -20×lg =20×lg ,因为,所以=20×lg ≥0,即lg ≥0,所以≥1且p1>0,p2>0,可得p1≥p2,故A正确;对于=20×lg -20×lg =20×lg ,因为≥10,所以20×lg ≥10,即lg ,所以且p2>0,p3>0,可得p2≥p3,当且仅当=50时等号成立,故B错误;
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对于C,因为=20×lg =40,即=2,所以=100,即p3=100p0, 故C正确;对于D,由A可知=20×lg ,且≤90-50=40,则≤40,即lg ≤2,可得≤100,且p1>0,p2>0,所以p1≤100p2,故D正确.故选ACD.
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学霸笔记:
(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.
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跟踪训练 在神经网络优化中,指数衰减的学习率模型为L=(D为常数),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,n表示训练迭代轮数,当n=10时,学习率为0.25;当n=30时,学习率为0.062 5,则学习率衰减到0.005以下所需的训练迭代轮数至少为(已知lg 2≈0.3)( )
A.64 B.65
C.66 D.67
答案:D
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解析:由题意有⇒所以L=,即L=<0.005⇒<0.01⇒lg <lg 0.01=-2⇒lg <-2⇒n>≈66.7,所以学习率衰减到0.005以下所需的训练迭代轮数至少为67次.故选D.
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命题点三 构建函数模型的实际问题
例3 为提高人们的身体素质,某工厂更新技术开发研制了一款新型智能按摩椅,通过调研知,往年每年每生产x千台智能按摩椅,获利C(x)千元,且C(x)=更新技术后需要另外投入费用(x+2)千元,且每千台按摩椅比之前多盈利2千元,生产的按摩椅供不应求,均能售完.
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(1)求更新技术后的利润L(x)(千元)关于年产量x(千台)的函数解析式;
答案:由已知,L(x)=C(x)-(x+2)+2x,
又C(x)=
所以L(x)=
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(2)更新技术后,当年产量为多少千台时,工厂所获利润最大?并求出最大利润.
答案:当0<x≤2时,L(x)=20x2-20x+330=202+325,
则当x=2时,L(x)max=370;
当2<x≤5时,L(x)=490--20x=490-≤470-2 =390,当且仅当=20(x-1),即x=3时,L(x)max=390.
因为370<390,所以L(x)的最大值为390,
故当产量为3千台时,该工厂利润最大,最大利润是390千元.
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学霸笔记:解题步骤
(1)建模:抽象出实际问题的数学模型;
(2)推理与运算: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;
(3)评价与解释:对求得的数学结果进行深入讨论,作出评价与解释,并返回到原来的实际问题中去,得到实际问题的解.
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跟踪训练 2024年8月12日,为期16天的巴黎奥运会落下帷幕,回顾这一届奥运会,中国元素在这里随处可见,令游客驻足欣赏;据调查,国内某公司生产的一款巴黎奥运会吉祥物的供货价格=固定价格+浮动价格,其中固定价格为60元,浮动价格=(浮动价格单位:元,销售量单位:万件),假设每件吉祥物的售价为整数,当每件吉祥物售价不超过100元时,销售量为10万件;当每件吉祥物售价超过100元时,售价每增加1元,销售量就减小0.2万件,总利润=(售价-供货价格)×销售量.
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(1)当每件吉祥物的售价为85元时,获得的总利润是多少万元?
答案:由题意,当单价售价为85元时,销售量为10万件,浮动价格为0.5元,供货价格为60+0.5=60.5(元),故总利润为10×(85-60.5)=245(万元).
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(2)每件吉祥物的售价为多少元时,单件吉祥物的利润最大,最大为多少元?
答案:当x≤100时,销售量为10万件,供货价格为60.5元,则60.5<x≤100,且x∈N,因此,当x≤100时,单价利润x-60.5≤39.5,即单价利润最大为39.5元;
当x>100时,销售量为10-0.2(x-100)=30-0.2x(万件),
同时,30-0.2x>0,解得100<x<150,且x∈N,
此时单价利润为x-60-
=-+90≤-2+90=80,
当且仅当150-x=,即x=145时,取等号.
因为80>39.5,故当每件吉祥物的售价为145元时,单件吉祥物的利润最大,最大为80元.
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1.(2026·合肥模拟)在跳水运动中,水花半径R(单位:米)与运动员入水速度v(m/s)、入水时身体倾斜角度θ(弧度)、入水截面积S(m2)相关.实验表明,当入水速度v≤5 m/s时,水花半径满足公式:R=k·v2·sin θ·,其中k=0.05为实验常数.某次比赛中一位运动员完成动作207C时,入水速度4.8 m/s、入水时身体倾斜角度θ=7°、入水截面积0.04 m2,则入水产生的水花半径是(注:结果保留3位小数,其中sin 7°≈0.12)( )
A.0.026 m B.0.027 m
C.0.028 m D.0.029 m
答案:C
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解析:由题意可得R=k·v2·sin θ·=0.05×4.82×sin 7°×≈0.05×23.04×0.12×0.2≈0.028(m).故选C.
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2.(2026·长沙模拟)B-S模型在金融、物理等学科具有重要应用.在进行正态分布的合理调整之后,可得一种B-S模型的定价公式:K=-Xn,其中K代表期权的初始合理价格与金融资产现价之差,Xn为执行价格,r为利率,Tn为期权的有效期.已知K=-6 000,r=ln 2,X2=4X1,则T2-T1=( )
A.2 B.3 C.4 D.5
答案:A
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解析:由题意知-6 000=,即6 000=,也即Xn=,由题意有以及X2=4X1,可得4=,所以T2-T1=2.故选A.
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3.遗忘曲线(又称“艾宾浩斯遗忘曲线”)是由德国心理学家艾宾浩斯(H.Ebbinghaus)研究发现,描述了人类大脑对新事物遗忘的规律.陈同学利用信息技术拟合了“艾宾浩斯遗忘曲线”,得到记忆率y与初次记忆经过的时间x(单位:时)的大致关系:y=1-0.6x0.06,若陈同学需要在明天15:00考语文时拥有复习背诵记忆的42%,则他明天复习背诵的时间需大约在(参考数据:()0.06≈0.959 3,()0.06≈1.025,20.06≈1.042 5)( )
A.14:30 B.14:00 C.13:30 D.13:00
答案:A
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解析:令1-0.6x0.06=0.42,则x0.06=≈0.97.∵0.06≈0.959 3,0.06≈1.025,20.06≈1.042 5,∴x的估计值可取0.5,即他复习背诵的时间需大约在14:30.故选A.
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4.(2026·嘉兴一模)为了节约能源,嘉兴市对居民生活用天然气实行“阶梯定价”,计费方式如下表:
每户每年天然气用量 天然气价格
不超过300 m3 2.98元/m3
超过300 m3但不超过480 m3的部分 3.60元/m3
超过480 m3的部分 4.50元/m3
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若某户居民一年的天然气费为2 082元,则此户居民这一年使用的天然气为( )
A.610 m3 B.600 m3
C.558.7 m3 D.462.7 m3
答案:B
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解析:设天然气使用量为x m3,天然气费为f(x)元,则f(x)=由于f(480)=1 542<2 082,则x>480,所以4.5(x-480)+1 542=2 082,解得x=600,所以天然气使用量为600 m3.故选B.
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5.(2026·邯郸模拟)某金融产品的价格增长模型遵循连续复利模型,公式为P(t)=P0·ert,其中r为年收益率,t为投资时间(单位:年),e为自然对数的底数,P0为初始资金,P(t)为t年后的资金,已知某产品年收益率r=5%,则使初始资金翻倍至少需要(参考数据:ln 2≈0.693 1)( )
A.12年 B.13年 C.14年 D.15年
答案:C
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解析:由题意可知P(t)=2P0,r=5%,代入公式可得2P0=P0·e0.05t,所以e0.05t=2,0.05t=ln 2,所以t=≈13.862,所以至少需要14年.故选C.
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6.(2026·深圳模拟)某生物科研小组培育了甲、乙两种固氮菌,其数量(单位:个)分别记为y1和y2.设培育时间为t(单位:天),据统计,两者数量满足以下关系:y1=3×4t,y2=8×3t.若要求甲种菌数量首次超过乙种菌,则大约需要( )
A.3天 B.4天 C.5天 D.6天
答案:B
解析:由题意y1>y2,3×4t>8×3t,整理得t>,当t=3时,t=<;当t=4时,t=>,函数y=t在(0,+∞)上单调递增,又t∈N*,所以t≥4.故选B.
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7.(2026·哈尔滨模拟)“百日冲刺”是学校针对高三学生进行的高考前激情教育,某班主任根据历年学生经历“百日冲刺”之后的成绩变化,构造了一个关于经过时间t(30≤t≤100)(单位:天)与增加总分数f(t)(单位:分)的函数模型f(t)=,k为增分转化系数,P为“百日冲刺”后的一模总分,f(50)=P.已知某学生在距离高考还有99天的一模考试中总分为600分,依据此模型估计此学生在高考中可能取得的总分为(参考数据:lg 51≈1.71,结果保留整数)( )
A.658 B.668 C.678 D.688
答案:B
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解析:因为f(50)=P,所以,解得k==0.338 75,f(99)=≈68,所以估计此学生在高考中可能取得的总分为600+68=668(分).故选B.
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8.(2026·房山模拟)生物学家通过数学建模,得到恒温动物(如豚鼠、兔、小狗等)的脉搏率f(单位:次/分钟)和体重W(单位:克)的关系模型为ln f=ln k-,其中k为常数.已知一只体重为300克的豚鼠的脉搏率为300次/分钟,若一只小狗的体重为5 000克,则该小狗的脉搏率最接近的是( )
A.120次/分 B.110次/分
C.100次/分 D.90次/分
答案:A
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解析:由题意可知,ln 300=ln k-,解得ln k=ln 300+,若一只小狗的体重为5 000克,则ln f=ln k-=ln 300+,∴3ln f=3ln 300+ln 300-ln 5 000=4ln 300-ln 5 000=ln 1 620 000,即ln f3=ln 1 620 000,∴f3=1 620 000,比较选项,903=729 000,1203=1 728 000,1103=1 331 000,1003=1 000 000,所以最接近的脉搏率f=120次/分钟.故选A.
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9.某智能手机生产厂家对旗下的某款手机的续航能力进行了一轮测试(一轮测试时长为6小时),得到了剩余电量y(单位:百分比)与测试时间t(单位:h)的函数图象如图所示,则下列判断中正确的有( )
A.测试结束时,该手机剩余电量为85%
B.该手机在前5 h内电量始终在匀速下降
C.该手机在0 h~3 h内电量下降的速度比3 h~5 h内下降的速度更快
D.该手机在5 h~6 h进行了充电操作
答案:ACD
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解析:对于A,由题图可得,当t=6时,y=85,所以测试结束时,该手机剩余电量为85%,故A正确;对于B,由题图可得该手机在前5 h内电量下降不是一条直线,故不是匀速下降,故B错误;对于C,由题图可得,在0 h~3 h内电量下降的速度为,在3 h~5 h内下降的速度为=10,由>10,故C正确;对于D,由题图可得该手机在5 h~6 h电量上升了55,所以进行了充电操作,故D正确.故选ACD.
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10.已知放射性物质质量随时间t的衰变公式N(t)=N0e-t,τ,N0表示物质的初始质量,τ是一个具有时间量纲的数.半衰期T指的是放射性物质质量从初始质量到衰变成一半所需的时间,已知铀234、铀235、铀238对应的τ的取值分别为35.58万年,10.2亿年,64.75亿年.若铀234、铀235和铀238的半衰期分别为T1,T2,T3,则(取ln 2=0.7)( )
A.T=τln 0.5 B.T与τ成正比例关系
C.T1>T2 D.T3>10 000T1
答案:BD
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11.(2026·重庆二模)从2024年3月1日起,新的酒驾检验标准开始实施,只要每100 mL血液中乙醇含量大于或等于20 mg,就是酒驾,属于违法行为;而大于或等于80 mg则认定为醉驾,属于犯罪行为.张师傅某次饮酒后,若其血液中的乙醇含量y(单位:mg/mL)与酒后代谢时间x(单位:h)的数量关系满足y=,则张师傅此次饮酒后( )
A.当代谢时间x=0.5时,血液中的乙醇含量最低
B.血液中的乙醇含量开始是代谢时间x的增函数,然后是代谢时间x的减函数
C.若执意驾车,完全不可能被认定为酒驾违法行为,更不可能被认定为醉驾犯罪行为
D.若执意驾车,饮酒后0.5 h接受乙醇含量测试,将被认定为醉驾
答案:BD
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解析:由题意可知x>0,则y=,由对勾函数可知y=x+在(0,0.5)上单调递减,在(0.5,+∞)上单调递增,则y=在(0,0.5)上单调递增,在(0.5,+∞)上单调递减,故B正确;当x=0.5时,y=取到最大值1,即当代谢时间x=0.5时,血液中的乙醇含量最高为1 mg/mL,即每100 mL血液中乙醇含量为100 mg,故A错误;因为100>80,可知饮酒后0.5 h接受乙醇含量测试,将被认定为醉驾,故C错误,D正确.故选BD.
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12.声音在空气中传播的速度随温度的变化而变化,科学家测得一定温度下声音传播的速度v(m/s)与温度t(℃)部分对应数值如下表:研究发现v,t满足公式v=at+b(a,b为常数,且a≠0).当温度t为20 ℃时,声音传播的速度v为________m/s.
温度t(℃) -10 0 10 30
声音传播的速度v(m/s) 324 330 336 348
答案:342
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解析:由题意,当t=0时,v=330,则330=a×0+b ①,当t=10时,v=336,则336=a×10+b ②,联立 ①②解得b=330,a=0.6,所以v=0.6t+330,将t=20代入,则v=0.6×20+330=342(m/s).
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13.(2026·武汉二模)为了响应节能减排号召,某地政府决定大规模铺设光伏太阳能板,该地区未来第x年底光伏太阳能板的保有量y(单位:万块)满足模型y=,其中N为饱和度,y0为初始值,p为年增长率.若该地区2024年底的光伏太阳能板保有量约为20万块,以此为初始值,以后每年的增长率均为10%,饱和度为1 020万块,那么2030年底该地区光伏太阳能板的保有量约__________万块.(结果四舍五入保留到整数,参考数据:e-0.5≈0.61,e-0.6≈0.55,e-0.7≈0.49)
答案:36
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解析:根据题意,所给模型中y0=20,N=1 020,p=10%=0.1,x=6,则2030年底该地区光伏太阳能板的保有量为y=,因为e-0.6≈0.55,所以y=≈36,所以2030年底该地区光伏太阳能板的保有量约36万块.
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14.(2026·临沂模拟)2025年山东省春节晚会准备在某市召开,该市筹备组将提前对其使用场所进行消毒,在药物喷洒过程中,该场所空气中的含药量y(毫克/每立方米)与时间x(小时)成正比(0<x<1,4),药物喷洒完毕后(此时含药量y=1,3),y与x满足关系y=3b-x(b为常数,x≥1,4).据测定,空气中每立方米的含药量降低到1,9毫克以下时,该场所才能进入使用,则筹备组进行消毒工作至少应该提前__________分钟.
答案:75
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解析:设y=kx,由题意,x=,可得k=,即有y=x.
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当x≥时,y=3b-x的图象经过,可得=3-1,解得b=-,则y=,由0<x<,y随着x的增大而增大,当x≥,y随着x的增大而减小,则=3-2,即--x≤-2,解得x≥小时即为75分钟,所以工作人员至少在会议开始时提前75分钟进行消毒工作.
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