3.4 函数的应用(一)

人教 A 版 · 本节 11 页原书扫描(原文)+ 本站重写的讲解与习题详解没有考过 ↓

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考过本节的真题

没有考过

本站语料里还没有一道真题考到这一节:现有攻略中没有任何一篇,经由引本节作教材出处的实体连到本节。这一段是两跳派生的(节 ← 实体 ← 攻略),源里没有「节 → 题」的手写声明——新的攻略一上站,清单会自己长出来。它说的是本站已上站的那些卷子里没有考到,不是「高考不考这一节」。

讲解

本站对这一节的重写(不是原书转写):顺序可重组、推导可补全,目标是易读易学 + 与真题关联。原文以上方扫描图为准。

这一节(3.4 函数的应用(一))把前面学过的一次函数、二次函数、幂函数用到现实世界里。整节只有两个例题(个税、汽车行程),但它们示范的是同一件事的完整流程——把实际问题翻译成函数,再用函数的语言求解。学完这一节,你要能:给一个实际问题,设出变量、列出函数解析式(不忘定义域)、用单调性或最值回答问题。

一、函数建模的四步

课本开篇说”体会利用函数模型解决实际问题的过程与方法”。把两个例题放在一起看,套路是固定的四步:

  1. 审题设变量:确定自变量、因变量,写明单位(例 1 的 xx 是全年综合所得收入额、yy 是应缴个税,例 2 的 tt 是时间、ss 是里程表读数);
  2. 找等量关系列解析式:把题里的数量关系翻译成函数式,定义域跟着实际背景走(例 1 收入额不可能为负、例 2 时间只在 [0,5][0, 5] 内有定义);
  3. 求值 / 分析:用函数的性质(单调性、最值)或直接代入求解;
  4. 检验 / 解读:把算出的数放回问题语境里回答(例 1 答”2 752 元”、例 2 答”360 km”)。

这四步就是后面第 4 章”函数的应用(二)“(指数、对数模型)的骨架——本节先拿一次、二次、幂函数练手。

二、例 1 个税:两个函数合成一个

例 1 是 3.1.2 例 8 的续集:那节把”应纳税所得额 → 个税”做成了分段函数 y=f(t)y = f(t),本节再加一层——综合所得收入额 xx 先换算成应纳税所得额 tt(t=0.8x−70160t = 0.8x - 70160),再代入 f(t)f(t)。这是”函数的复合”在应用题里的自然出场:y=f(g(x))y = f(g(x))。

三步走的细节值得背下来:

  1. 先算换算公式:t=x−60000−x(8%+2%+1%+9%)−9600−560=0.8x−70160t = x - 60000 - x(8\% + 2\% + 1\% + 9\%) - 9600 - 560 = 0.8x - 70160——四个扣减项(基本减除、三险一金比例、专项附加、其他扣除)翻译成代数式;
  2. 反推分段端点:令 t=0t = 0 得 x=87700x = 87700。tt 的每一档区间(0∼360000 \sim 36000、36000∼14400036000 \sim 144000……)都要通过 t=0.8x−70160t = 0.8x - 70160 换算成 xx 的区间(87700∼13270087700 \sim 132700、132700∼267700132700 \sim 267700……)——这是本题最易错的一步:yy 的分段区间不是按 xx 均分,是按 tt 的档位反解出来的;
  3. 代入前先确认落在哪段:x=153600x = 153600 落在第三段 132700<x⩽267700132700 < x \leqslant 267700,用 y=0.08x−9536y = 0.08x - 9536,得 y=0.08×153600−9536=2752y = 0.08 \times 153600 - 9536 = 2752(元)。

课本把它整理成一张八段的分段函数表(④式),每一段的系数都是”税率 × 0.8、常数 = 速算扣除数折算”。不需要背这张表,要会走”换算 → 反推端点 → 分段代入”这条流程——这正是分段函数应用题的通用解法。

三、例 2 汽车行程:读图 + 分段

例 2 的图 3.4-1 是速率-时间图:五个时间段([0,1)[0,1)、[1,2)[1,2)、[2,3)[2,3)、[3,4)[3,4)、[4,5][4,5])的速率分别是 50、80、90、75、65 km/h。

(1) 问阴影面积:50×1+80×1+90×1+75×1+65×1=36050 \times 1 + 80 \times 1 + 90 \times 1 + 75 \times 1 + 65 \times 1 = 360。它的实际含义是汽车在这 5 h 内行驶的路程 360 km——“速率 × 时间 = 路程”,在图上就是”高 × 宽 = 矩形面积”。这是高中第一个”曲线下面积 = 物理量”的例子(第 5 章还会见到积分思想的雏形)。

(2) 问里程表读数:s(t)s(t) = 2004(出发前读数)+ 累计路程。每段的起点读数就是上一段的终点值:

s={50t+2004,0⩽t<1,80(t−1)+2054,1⩽t<2,90(t−2)+2134,2⩽t<3,75(t−3)+2224,3⩽t<4,65(t−4)+2299,4⩽t⩽5.s = \begin{cases} 50t + 2004, & 0 \leqslant t < 1, \\ 80(t-1) + 2054, & 1 \leqslant t < 2, \\ 90(t-2) + 2134, & 2 \leqslant t < 3, \\ 75(t-3) + 2224, & 3 \leqslant t < 4, \\ 65(t-4) + 2299, & 4 \leqslant t \leqslant 5. \end{cases}

注意每段写成 v(t−t0)+s0v(t - t_0) + s_0 的形式——t0t_0 是该段的起始时刻、s0s_0 是该段起始时的读数(2004 → 2054 → 2134 → 2224 → 2299,逐段累加)。分段函数应用题里,段与段之间的”接续”最容易出错:上一段末的读数要算准,下一段才能接得上。

四、习题里的应用类型:一张清单

本节的练习和习题 3.4 一共 8 道,覆盖了函数应用最常见的四种题型,做题时先认出是哪一类:

  1. 二次函数最值:练习第 2 题(周长 ll 的矩形面积最大——取正方形,Smax⁡=l216S_{\max} = \frac{l^2}{16})、习题第 2 题(蓄水池造价最小——化为 x+200xx + \frac{200}{x} 的不等式)。核心动作:把目标量写成一个变量的二次函数(或分式),用顶点/配方/均值不等式;
  2. 一次函数 + 盈亏分析:练习第 3 题(成本、收入、利润四条直线,盈亏平衡点 1500 件)、习题第 1 题(行程的分段直线)、习题第 4 题(收支差额读图)。核心动作:y=kx+by = kx + b 里截距是固定成本、斜率是每件(每人)的边际贡献;
  3. 分段函数模型:习题第 1 题(去程/停留/返程三段)、习题第 3 题(阶梯水价)。核心动作:找分界点、每段写解析式、算总额时先判断落在哪段;
  4. 数据拟合:习题第 5 题(弹簧伸长长度与拉力)。核心动作:描点 → 观察近似直线 → 写解析式(拟合不要求精确通过每个点,“基本反映”即可)。

五、这一节考过的真题(怎么用它们)

页面下方”考过本节的真题”那一段是构建期从知识图谱派生出来的完整清单。本节没有直接考过节的真题——“函数的应用”不是独立考点,它的能力(审题、建模、分段、读图)渗透在每一道函数应用题里。最典型的化身是分段函数应用题(如 2013 年浙江第 11 题”超载罚款”、2014 年浙江第 16 题”水位流量”类),考的都是本节练的”找分界点、逐段写式、分段代入”。把本节四类题型练熟,这些题就只剩审题功夫。

六、怎么读这一节

  1. 先把建模四步背下来(设变量 → 列式 → 求解 → 解读),做题时按步骤写,不跳步;
  2. 独立重算例 1:把八段分段函数的端点推导一遍(8770087700、132700132700、267700267700 这些数怎么从 tt 的档位来),再代入 x=153600x = 153600 验算 27522752;
  3. 独立重画例 2 的 ss-tt 图象(五段折线,注意每段斜率就是该段速率),体会”面积 = 路程”;
  4. 做练习第 3 题(成本利润四直线)和习题第 3 题(阶梯水价)——这两题是”一次函数盈亏分析”和”分段函数”的代表;
  5. 有余力做习题第 5 题(弹簧拟合):描点画图、看趋势、写解析式——提前体验”用数据找规律”,这是下一章指数、对数模型的地基。

下一节进入第 3 章收尾(小结、复习参考题 3),再往后第 4 章指数函数与对数函数——那里你会看到”变化率”不同的函数模型(增长越来越快的指数、增长越来越慢的对数),建模套路还是本节这四步。

习题详解(本站解答,无官方答案可核)

人教 A 版学生用书不含答案,教师用书与全解不在本站语料里——因此本节习题的解答无官方答案可核,它们是本站写的。每一道都过了独立 verifier 的 refute 优先复核(默认它有问题,找不出问题才放行),但那不等于官方标准答案:拿它对思路,别拿它对分。

本节页面覆盖第 100–103 页(第 104 页起为「文献阅读与数学写作」活动与章级「小结」「复习参考题 3」,不在习题之列),课本习题共 8 道:第 102 页「练习」3 道、「习题 3.4」5 道(综合运用 3 道、拓广探索 2 道),逐题全做。第 3 题的计费表、第 4 题的三幅图、第 5 题的数据表都在插图中,解答按图读出。每道题先逐字引课本的题面(引用块),再写解答。

练习(第 102 页)第 1 题

  1. 若用模型 y=ax2y=ax^{2} 描述汽车紧急刹车后滑行的距离 y (单位: m) 与刹车时的速率 x (单位: km/h) 的关系,而某种型号的汽车在速率为 60 km/h 时,紧急刹车后滑行的距离为 20 m. 在限速为 100 km/h 的高速公路上,一辆这种型号的车紧急刹车后滑行的距离为 50 m,那么这辆车是否超速行驶?

先由已知数据定出模型中的参数 aa:速率为 60 km/h 时滑行 20 m,代入 y=ax2y = ax^2:

a×602=20,a=203600=1180.a \times 60^2 = 20, \qquad a = \frac{20}{3600} = \frac{1}{180}.

所以滑行距离与速率的关系为

y=1180 x2.y = \frac{1}{180}\,x^2.

这辆车滑行了 50 m,反解速率:

1180 x2=50,x2=9000,x=9000≈94.9 km/h.\frac{1}{180}\,x^2 = 50, \qquad x^2 = 9000, \qquad x = \sqrt{9000} \approx 94.9\ \mathrm{km/h}.

因为 94.9<10094.9 < 100,所以这辆车没有超速。

自检:a=1180a = \frac{1}{180},单位核对:yy 单位 m、xx 单位 km/h,aa 的单位是 m(km/h)2\frac{\mathrm{m}}{(\mathrm{km/h})^2}。9000=3010≈94.87\sqrt{9000} = 30\sqrt{10} \approx 94.87,离限速 100 还差约 5 km/h,结论不超速 ✓。这题是”用模型 + 反解”:给模型、给一组数据求参数,再用模型判断另一个数据。

练习(第 102 页)第 2 题

  1. 某广告公司要为客户设计一幅周长为 ll (单位: m\mathrm{m} )的矩形广告牌,如何设计这个广告牌可以使广告牌的面积最大?

设广告牌的长为 aa(单位:m),则宽为 l2−a\frac{l}{2} - a,面积

S=a(l2−a)=−a2+l2a=−(a−l4)2+l216.S = a\left(\frac{l}{2} - a\right) = -a^2 + \frac{l}{2}a = -\left(a - \frac{l}{4}\right)^2 + \frac{l^2}{16}.

配方后是开口向下的二次函数,顶点在 a=l4a = \frac{l}{4} 处取最大值:

a=l4,宽=l2−l4=l4.a = \frac{l}{4},\quad \text{宽} = \frac{l}{2} - \frac{l}{4} = \frac{l}{4}.

长等于宽,即设计成正方形,最大面积为

Smax⁡=l216 m2.S_{\max} = \frac{l^2}{16}\ \mathrm{m^2}.

自检:aa 的取值范围是 0<a<l20 < a < \frac{l}{2},顶点 a=l4a = \frac{l}{4} 在区间内部 ✓。二次函数最值应用题的标准动作:设一个变量、把目标量配成二次函数、找顶点。“周长固定时面积最大的是正方形”——这个结论在初中就见过,这里用配方给了证明。

练习(第 102 页)第 3 题

  1. 某公司生产某种产品的固定成本为 150 万元,而每件产品的可变成本为 2500 元,每件产品的售价为 3500 元. 若该公司所生产的产品全部销售出去,则

(1)设总成本为 y1y_{1} (单位:万元),单位成本为 y2y_{2} (单位:万元),销售总收入为 y3y_{3} (单位:万元),总利润为 y4y_{4} (单位:万元),分别求出它们关于总产量 xx (单位:件)的函数解析式;

(2) 根据所求函数的图象,对这个公司的经济效益做出简单分析.

(1) 注意单位:2500 元/件 = 0.25 万元/件,3500 元/件 = 0.35 万元/件。

  • 总成本:固定成本 + 可变成本,y1=150+0.25xy_1 = 150 + 0.25x;
  • 单位成本:总成本 ÷ 产量,y2=y1x=150x+0.25y_2 = \dfrac{y_1}{x} = \dfrac{150}{x} + 0.25(x>0x > 0);
  • 销售总收入:y3=0.35xy_3 = 0.35x;
  • 总利润:收入 − 成本,y4=y3−y1=0.35x−(150+0.25x)=0.1x−150y_4 = y_3 - y_1 = 0.35x - (150 + 0.25x) = 0.1x - 150。

(2) 四条函数都是 xx 的一次函数(y2y_2 是反比例 + 常数),图象都是直线(y2y_2 是曲线),关键读数:

  • 盈亏平衡点:令 y4=0y_4 = 0,得 x=1500.1=1500x = \frac{150}{0.1} = 1500 件。产量小于 1500 件时 y4<0y_4 < 0(亏损),等于 1500 件时收支平衡,大于 1500 件时 y4>0y_4 > 0(盈利),且每多生产 1 件利润增加 0.1 万元;
  • 单位成本随产量递减:y2=150x+0.25y_2 = \frac{150}{x} + 0.25 随 xx 增大单调下降,趋近 0.25 万元——固定成本被摊薄,产量越大单位成本越低,这是”规模效应”的数量刻画。

自检:y1y_1 的图象是过 (0,150)(0, 150)、斜率为 0.25 的直线(截距 = 固定成本);y3y_3 的图象是过原点、斜率为 0.35 的直线;y4y_4 是斜率为 0.1 的直线,与 xx 轴交于 (1500,0)(1500, 0) ✓。两线 y1y_1 与 y3y_3 的交点横坐标就是盈亏平衡点 15001500(150+0.25x=0.35x⇒x=1500150 + 0.25x = 0.35x \Rightarrow x = 1500),两种看法一致。

习题 3.4 第 1 题

  1. 某人开汽车以 60 km/h60 \mathrm{~km} / \mathrm{h} 的速率从 A 地到 150 km150 \mathrm{~km} 远处的 B 地,在 B 地停留 1 h1 \mathrm{~h} 后,再以 50 km/h50 \mathrm{~km} / \mathrm{h} 的速率返回 A 地. 把汽车与 A 地的距离 xx (单位: km\mathrm{km}) 表示为时间 tt (单位: h\mathrm{h}) (从 A 地出发时开始) 的函数;再把车速 vv (单位: km/h\mathrm{km} / \mathrm{h}) 表示为时间 tt 的函数,并分别画出这两个函数的图象.

去程:150÷60=2.5150 \div 60 = 2.5 h 到达 B 地,t∈[0,2.5]t \in [0, 2.5] 时 x=60tx = 60t; 停留:t∈[2.5,3.5]t \in [2.5, 3.5](1 h)时 x=150x = 150 不变; 返程:150÷50=3150 \div 50 = 3 h,t∈[3.5,6.5]t \in [3.5, 6.5] 时 x=150−50(t−3.5)x = 150 - 50(t - 3.5)。

所以

x={60t,0⩽t⩽2.5,150,2.5<t<3.5,150−50(t−3.5),3.5⩽t⩽6.5.x = \begin{cases} 60t, & 0 \leqslant t \leqslant 2.5, \\ 150, & 2.5 < t < 3.5, \\ 150 - 50(t - 3.5), & 3.5 \leqslant t \leqslant 6.5. \end{cases}

速度(以出发方向为正,返程取负):

v={60,0⩽t<2.5,0,2.5⩽t⩽3.5,−50,3.5<t⩽6.5.v = \begin{cases} 60, & 0 \leqslant t < 2.5, \\ 0, & 2.5 \leqslant t \leqslant 3.5, \\ -50, & 3.5 < t \leqslant 6.5. \end{cases}

(如果只要求速率大小,返程取 50 即可。)

图象:xx-tt 图是”上升段(斜率 60)→ 水平段(x=150x = 150)→ 下降段(斜率 −50-50)“的折线;vv-tt 图是三段水平线(6060、00、−50-50)。

自检:t=2.5t = 2.5 时去程 x=150x = 150、停留段起点 x=150x = 150,两段衔接 ✓;t=3.5t = 3.5 时返程起点 x=150−0=150x = 150 - 0 = 150 ✓;t=6.5t = 6.5 时 x=150−50×3=0x = 150 - 50 \times 3 = 0,回到 A 地 ✓。分段函数应用题的关键是”接续”——上一段末值 = 下一段初值。

习题 3.4 第 2 题

  1. 要建造一个容积为 1200 m31200 \mathrm{~m}^{3}, 深为 6 m6 \mathrm{~m} 的长方体无盖蓄水池, 池壁的造价为 95 元/m295 \mathrm{~\text{元}} / \mathrm{m}^{2}, 池底的造价为 135 元/m2135 \mathrm{~\text{元}} / \mathrm{m}^{2}, 如何设计水池的长与宽, 才能使水池的总造价控制在 7 万元以内 (精确到 0.1 m0.1 \mathrm{~m})?

容积 1200 m31200\ \mathrm{m^3}、深 6 m6\ \mathrm{m},所以底面积为 1200÷6=200 m21200 \div 6 = 200\ \mathrm{m^2}。设长为 xx,则宽为 200x\frac{200}{x}(x>0x > 0)。

  • 池底造价:200×135=27000200 \times 135 = 27000 元;
  • 池壁面积:四个侧面 2×6x+2×6×200x=12(x+200x)2 \times 6x + 2 \times 6 \times \frac{200}{x} = 12\left(x + \frac{200}{x}\right),造价 95×12(x+200x)=1140(x+200x)95 \times 12\left(x + \frac{200}{x}\right) = 1140\left(x + \frac{200}{x}\right) 元;
  • 总造价:C(x)=27000+1140(x+200x)C(x) = 27000 + 1140\left(x + \frac{200}{x}\right) 元。

控制在 7 万元(70000 元)以内:

27000+1140(x+200x)⩽70000,x+200x⩽430001140≈37.72.27000 + 1140\left(x + \frac{200}{x}\right) \leqslant 70000, \qquad x + \frac{200}{x} \leqslant \frac{43000}{1140} \approx 37.72.

x>0x > 0 时两边乘 xx:

x2−37.72x+200⩽0.x^2 - 37.72x + 200 \leqslant 0.

解对应方程 x2−37.72x+200=0x^2 - 37.72x + 200 = 0:判别式 37.722−800≈622.837.72^2 - 800 \approx 622.8,622.8≈24.96\sqrt{622.8} \approx 24.96,两根为

37.72±24.962,即 x1≈6.38, x2≈31.34.\frac{37.72 \pm 24.96}{2},\qquad \text{即}\ x_1 \approx 6.38,\ x_2 \approx 31.34.

二次函数开口向上,所以解为 6.38⩽x⩽31.346.38 \leqslant x \leqslant 31.34,精确到 0.1 m:

6.4⩽x⩽31.3.6.4 \leqslant x \leqslant 31.3.

宽 200x\frac{200}{x} 随 xx 从 31.3 降到 6.4——长与宽都在 6.4 m6.4\ \mathrm{m} 到 31.3 m31.3\ \mathrm{m} 之间(且互为 200200 除以对方)。例如长 10 m、宽 20 m(200÷10200 \div 10)在范围内,造价 27000+1140×30=6120027000 + 1140 \times 30 = 61200 元,不足 7 万 ✓。

自检:边界核对——x=6.38x = 6.38 或 31.3431.34 时 x+200x≈37.72x + \frac{200}{x} \approx 37.72,总造价恰好 ≈70000\approx 70000 元;范围内略少。验证 x=10x = 10:C=27000+1140×30=61200<70000C = 27000 + 1140 \times 30 = 61200 < 70000 ✓。本题的模型是 x+kxx + \frac{k}{x}(k=200k = 200)——它在 x=k≈14.1x = \sqrt{k} \approx 14.1 处取最小值,但题目只要”控制在 7 万以内”(不等式),所以是区间答案而不是唯一最值。

习题 3.4 第 3 题

  1. 为了保护水资源,提倡节约用水,某城市对居民生活用水实行“阶梯水价”。计费方法如下表:

若某户居民本月交纳的水费为 48 元,求此户居民本月用水量.

计费方法表是插图(课本第 103 页),数据按图读出,分三档:

每户每月用水量水价
不超过 12 m312\ \mathrm{m^3} 的部分33 元/m³
超过 12 m312\ \mathrm{m^3} 但不超过 18 m318\ \mathrm{m^3} 的部分66 元/m³
超过 18 m318\ \mathrm{m^3} 的部分99 元/m³

48 元落在哪一档?先算各档满额的累计水费:第一档满 12 m³ 需 12×3=3612 \times 3 = 36 元;若到第三档,第二档满额还需 6×6=366 \times 6 = 36 元,累计至少 7272 元。因为

36<48<72,36 < 48 < 72,

所以这户用水的量超过 12 m³、不超过 18 m³,超出部分按第二档 6 元/m³ 计费:

48−366=2 m3.\frac{48 - 36}{6} = 2\ \mathrm{m^3}.

用水量

12+2=14 m3.12 + 2 = 14\ \mathrm{m^3}.

自检:验证——14 m314\ \mathrm{m^3} 中前 12 m³ 收 3×12=363 \times 12 = 36 元、后 2 m³ 收 6×2=126 \times 2 = 12 元,合计 48 元 ✓,与题给水费一致。这题是分段函数模型的反向使用:给了”函数值”反求”自变量”,必须先判断函数值落在哪一段。

习题 3.4 第 4 题

  1. 图(1)是某条公共汽车线路收支差额 y 关于乘客量 x 的图象.

(1)试说明图(1)上点 A,点 B 以及射线 AB 上的点的实际意义;

(2) 由于目前本条线路亏损, 公司有关人员提出了两种扭亏为赢的建议, 如图 (2)(3) 所示. 你能根据图象, 说明这两种建议是什么吗?

三幅图是插图(课本第 103 页),读图结果先交代:图 (1) 中直线向右上方倾斜(斜率 > 0);点 A 在 y 轴的负半轴上,约为 (0,−1)(0, -1)——纵坐标是负的;点 B 在 x 轴的正半轴上,约为 (2,0)(2, 0)——纵坐标为 0。图 (2) 与图 (1) 相比是平行移动(斜率不变、直线整体上移、与 y 轴交点上移);图 (3) 与图 (1) 相比是变陡(绕点 A 旋转、斜率变大、与 y 轴交点仍是 A)。

(1)

  • 点 A:乘客量为 0 时的收支差额——一个人都不载,只有支出没有收入,所以差额为负(图中读出约 −1-1,即亏损 1 个单位),它就是固定支出(固定成本)的体现;
  • 点 B:收支差额为 0 时的乘客量(图中读出约 2)——此时收入恰好等于支出,是收支平衡点:乘客量小于 B 时亏损、大于 B 时盈利;
  • 射线 AB 上的点:从 A 到 B 再到更远,收支差额随乘客量线性增长——每增加一名乘客,收支差额增加一个固定的数额(直线的斜率 = 每位乘客带来的净收入,即票价 − 每人平均可变成本)。AB 段上的点表示”虽亏损但比 A 时亏损少”,B 处恰好平衡,射线越过 B 的点表示盈利。

(2) 比较图 (2)、图 (3) 与图 (1) 的差别,各自对应的建议:

  • 图 (2):平行上移 = 降低成本。斜率不变说明票价没动(每位乘客的净收入不变),但整条线上移说明”乘客量为 0 时的亏损变小”——即固定成本降低了(比如精简人员、压缩车场等固定开支),同样的乘客量下差额都比原来高;
  • 图 (3):变陡 = 提高票价。绕点 A 旋转、斜率变大说明”乘客量为 0 时的亏损不变”(固定成本没动),但每多一名乘客带来的收入差额增大了——即每位乘客的净收入提高了,通常是提高票价(或降低每人平均可变成本)。

自检:两种建议的判定口诀——“平行移动看截距(固定成本),旋转变陡看斜率(票价/边际)“。图 (2) 无乘客时亏损变小 → 成本降;图 (3) 斜率变大 → 票价涨。两种建议都能让 B 点(盈亏平衡点)左移,即用更少的乘客量就能扭亏,但机制不同。

习题 3.4 第 5 题

描点画出弹簧伸长长度随拉力变化的图象,并写出一个能基本反映这一变化现象的函数解析式.

本题的完整题面为”5. 下表是拉力 F(单位:N)与弹簧伸长长度 x(单位:cm)的相关数据:<表格> 描点画出弹簧伸长长度随拉力变化的图象,并写出一个能基本反映这一变化现象的函数解析式。“——题号、引语与数据表格都在课本第 103 页的插图上,表格数据按图读出:

拉力 FF(N)12345
伸长长度 xx(cm)14.228.841.357.570.2

描点画图:在 FF-xx 坐标系里描出五个点 (1,14.2)(1, 14.2)、(2,28.8)(2, 28.8)、(3,41.3)(3, 41.3)、(4,57.5)(4, 57.5)、(5,70.2)(5, 70.2)。五个点大致落在一条直线上(拉力为 0 时伸长长度应为 0,直线可认为过原点),说明 xx 与 FF 近似成正比——这正是胡克定律:弹性限度内弹簧的伸长量与拉力成正比。

写解析式:用最小二乘思想求过原点的最佳直线 x=kFx = kF,斜率

k=∑Fx∑F2=1×14.2+2×28.8+3×41.3+4×57.5+5×70.212+22+32+42+52=776.755≈14.12.k = \frac{\sum F x}{\sum F^2} = \frac{1 \times 14.2 + 2 \times 28.8 + 3 \times 41.3 + 4 \times 57.5 + 5 \times 70.2}{1^2 + 2^2 + 3^2 + 4^2 + 5^2} = \frac{776.7}{55} \approx 14.12.

所以

x≈14.1F(F∈[0,5], 单位:N→cm).x \approx 14.1 F\qquad (F \in [0, 5],\ \text{单位:N}\to\text{cm}).

(如果只取两点 (1,14.2)(1, 14.2) 与 (5,70.2)(5, 70.2) 估斜率,得 k=70.2−14.24=14k = \frac{70.2 - 14.2}{4} = 14,写 x≈14Fx \approx 14F 也可以——“基本反映”不要求精确通过每个点。)

自检:拟合值与实测值对照——F=3F = 3 时 14.12×3≈42.414.12 \times 3 \approx 42.4(实测 41.3,差 1.1 cm);F=4F = 4 时 14.12×4≈56.514.12 \times 4 \approx 56.5(实测 57.5,差 1.0 cm);F=5F = 5 时 14.12×5=70.614.12 \times 5 = 70.6(实测 70.2,差 0.4 cm)。最大偏差约 1 cm,相对于十几厘米的伸长量在 7% 以内,算是”基本反映” ✓。本题体验的是数据拟合的第一种形态:描点 → 看出线性趋势 → 写近似解析式;第 4 章指数、对数模型是它的升级版。

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3.4 函数的应用(一)

我们学习过的一次函数、二次函数、幂函数等都与现实世界有紧密联系。下面通过一些实例感受它们的广泛应用,体会利用函数模型解决实际问题的过程与方法。

例1 设小王的专项扣除比例、专项附加扣除金额、依法确定的其他扣除金额与3.1.2例8相同,全年综合所得收入额为 xx (单位:元),应缴纳综合所得个税税额为 yy (单位:元).

(1) 求 y 关于 x 的函数解析式;

(2)如果小王全年的综合所得由117600元增加到153600元,那么他全年应缴纳多少综合所得个税?

分析:根据3.1.2例8中公式②,可得应纳税所得额 tt 关于综合所得收入额 xx 的解析式 t=g(x)t = g(x),再结合 y=f(t)y = f(t) 的解析式③,即可得出 yy 关于 xx 的函数解析式.

解:(1)由个人应纳税所得额计算公式,可得

t=x−60000−x(8%+2%+1%+9%)−9600−560=0.8x−70160.\begin{array}{r l} t & = x - 6 0 0 0 0 - x (8 \% + 2 \% + 1 \% + 9 \%) - 9 6 0 0 - 5 6 0 \\ & = 0. 8 x - 7 0 1 6 0. \end{array}

令 t=0t = 0 ,得 x=87700x = 87700

根据个人应纳税所得额的规定可知,当 0⩽x⩽877000 \leqslant x \leqslant 87700 时,t=0t = 0。所以,个人应纳税所得额 tt 关于综合所得收入额 xx 的函数解析式为

t={0,0⩽x⩽87700,0.8x−70160,x>87700.t = \left\{ \begin{array}{l l} 0, & 0 \leqslant x \leqslant 8 7 7 0 0, \\ 0. 8 x - 7 0 1 6 0, & x > 8 7 7 0 0. \end{array} \right.

结合 3.1.2 例 8 的解析式③,可得:

当 0⩽x⩽87 7000 \leqslant x \leqslant 87\ 700 时,t = 0,所以 y = 0;

当 87 700<x⩽132 70087\ 700 < x \leqslant 132\ 700 时, 0<t⩽36 0000 < t \leqslant 36\ 000 ,所以

y=t×3%=0.024x−2104.8;y = t \times 3\% = 0.024x - 2104.8;

当 132700<x⩽267700132700 < x \leqslant 267700 时,36000<t⩽14400036000 < t \leqslant 144000,所以

y=t×10%−2520=0.08x−9536;y = t \times 10\% - 2520 = 0.08x - 9536;

当 267700<x⩽462700267700 < x \leqslant 462700 时,144000<t⩽300000144000 < t \leqslant 300000,所以

y=t×20%−16920=0.16x−30952;y = t \times 20\% - 16920 = 0.16x - 30952;

当 462700<x⩽612700462700 < x \leqslant 612700 时,300000<t⩽420000300000 < t \leqslant 420000,所以

y=t×25%−31920=0.2x−49460;y = t \times 25\% - 31920 = 0.2x - 49460;

当 612700<x⩽912700612700 < x \leqslant 912700 时,420000<t⩽660000420000 < t \leqslant 660000,所以

y=t×30%−52920=0.24x−73968;y = t \times 30\% - 52920 = 0.24x - 73968;

当 912700<x⩽1287700912700 < x \leqslant 1287700 时,660000<t⩽960000660000 < t \leqslant 960000,所以

y=t×35%−85 920=0.28x−110 476;y = t \times 35\% - 85\ 920 = 0.28x - 110\ 476;

当 x>1287700x > 1287700 时, t>960000t > 960000 ,所以

y=t×45%−181 920=0.36x−213 492.y = t \times 45\% - 181\ 920 = 0.36x - 213\ 492.

所以,函数解析式为

y={0,0⩽x⩽87700,0.024x−2104.8,87700<x⩽132700,0.08x−9536,132700<x⩽267700,0.16x−30952,267700<x⩽462700,0.2x−49460,462700<x⩽612700,0.24x−73968,612700<x⩽912700,0.28x−110476,912700<x⩽1287700,0.36x−213492,x>1287700.(4◯)y = \left\{ \begin{array}{l} 0, 0 \leqslant x \leqslant 8 7 7 0 0, \\ 0. 0 2 4 x - 2 1 0 4. 8, 8 7 7 0 0 < x \leqslant 1 3 2 7 0 0, \\ 0. 0 8 x - 9 5 3 6, 1 3 2 7 0 0 < x \leqslant 2 6 7 7 0 0, \\ 0. 1 6 x - 3 0 9 5 2, 2 6 7 7 0 0 < x \leqslant 4 6 2 7 0 0, \\ 0. 2 x - 4 9 4 6 0, 4 6 2 7 0 0 < x \leqslant 6 1 2 7 0 0, \\ 0. 2 4 x - 7 3 9 6 8, 6 1 2 7 0 0 < x \leqslant 9 1 2 7 0 0, \\ 0. 2 8 x - 1 1 0 4 7 6, 9 1 2 7 0 0 < x \leqslant 1 2 8 7 7 0 0, \\ 0. 3 6 x - 2 1 3 4 9 2, x > 1 2 8 7 7 0 0. \end{array} \right.\tag{\text{\textcircled{4}}}

(2) 根据④,当 x=153 600 时,

y=0.08×153600−9536=2752.y = 0. 0 8 \times 1 5 3 6 0 0 - 9 5 3 6 = 2 7 5 2.

所以,小王全年需要缴纳的综合所得个税税额为 2 752 元.

根据个人收入情况,利用上面获得的个税和综合所得收入关系的函数解析式,就可以直接求得应缴纳的个税.

例 2 一辆汽车在某段路程中行驶的平均速率 v (单位: km/h) 与时间 t (单位: h) 的关系如图 3.4-1 所示,

(1)求图 3.4-1 中阴影部分的面积,并说明所求面积的实际含义;

(2) 假设这辆汽车的里程表在汽车行驶这段路程前的读数为 2004 km2004 \mathrm{~km}, 试建立行驶这段路程时汽车里程表读数 ss (单位: km\mathrm{km}) 与时间 tt 的函数解析式, 并画出相应的图象.

你能根据图 3.4-1 画出汽车行驶路程关于时间变化的图象吗?

分析:当时间 tt 在[0,5]内变化时,对于任意的时刻 tt 都有唯一确定的行驶路程与之相对应。根据图3.4-1,在时间段[0,1),[1,2),[2,3),[3,4),[4,5]内行驶的平均速率分别为 50km/h50\mathrm{km / h},80km/h80\mathrm{km / h},90km/h90\mathrm{km / h},75km/h75\mathrm{km / h},65km/h65\mathrm{km / h},因此在每个时间段内,行驶路程与时间的关系也不一样,需要分段表述。

解:(1)阴影部分的面积为

50×1+80×1+90×1+75×1+65×1=360.5 0 \times 1 + 8 0 \times 1 + 9 0 \times 1 + 7 5 \times 1 + 6 5 \times 1 = 3 6 0.

阴影部分的面积表示汽车在这 5 h5 \, h 内行驶的路程为 360 km360 \, km .

(2) 根据图 3.4-1,有

s={50t+2004,0⩽t<1,80(t−1)+2054,1⩽t<2,90(t−2)+2134,2⩽t<3,75(t−3)+2224,3⩽t<4,65(t−4)+2299,4⩽t⩽5.s = \left\{ \begin{array}{l l} 5 0 t + 2 0 0 4, & 0 \leqslant t < 1, \\ 8 0 (t - 1) + 2 0 5 4, & 1 \leqslant t < 2, \\ 9 0 (t - 2) + 2 1 3 4, & 2 \leqslant t < 3, \\ 7 5 (t - 3) + 2 2 2 4, & 3 \leqslant t < 4, \\ 6 5 (t - 4) + 2 2 9 9, & 4 \leqslant t \leqslant 5. \end{array} \right.

这个函数的图象如图 3.4-2 所示.

图3.4-2

本题的解答过程表明,函数图象对分析和理解题意很有帮助。因此,我们要注意提高读图能力。另外,本题用到了分段函数,解决现实问题时经常会用到这类函数。

练习

  1. 若用模型 y=ax2y=ax^{2} 描述汽车紧急刹车后滑行的距离 y (单位: m) 与刹车时的速率 x (单位: km/h) 的关系,而某种型号的汽车在速率为 60 km/h 时,紧急刹车后滑行的距离为 20 m. 在限速为 100 km/h 的高速公路上,一辆这种型号的车紧急刹车后滑行的距离为 50 m,那么这辆车是否超速行驶?

  2. 某广告公司要为客户设计一幅周长为 ll (单位: m\mathrm{m} )的矩形广告牌,如何设计这个广告牌可以使广告牌的面积最大?

  3. 某公司生产某种产品的固定成本为 150 万元,而每件产品的可变成本为 2500 元,每件产品的售价为 3500 元. 若该公司所生产的产品全部销售出去,则

(1)设总成本为 y1y_{1} (单位:万元),单位成本为 y2y_{2} (单位:万元),销售总收入为 y3y_{3} (单位:万元),总利润为 y4y_{4} (单位:万元),分别求出它们关于总产量 xx (单位:件)的函数解析式;

(2) 根据所求函数的图象,对这个公司的经济效益做出简单分析.

习题3.4

综合运用

  1. 某人开汽车以 60 km/h60 \mathrm{~km} / \mathrm{h} 的速率从 A 地到 150 km150 \mathrm{~km} 远处的 B 地,在 B 地停留 1 h1 \mathrm{~h} 后,再以 50 km/h50 \mathrm{~km} / \mathrm{h} 的速率返回 A 地. 把汽车与 A 地的距离 xx (单位: km\mathrm{km}) 表示为时间 tt (单位: h\mathrm{h}) (从 A 地出发时开始) 的函数;再把车速 vv (单位: km/h\mathrm{km} / \mathrm{h}) 表示为时间 tt 的函数,并分别画出这两个函数的图象.

  2. 要建造一个容积为 1200 m31200 \mathrm{~m}^{3}, 深为 6 m6 \mathrm{~m} 的长方体无盖蓄水池, 池壁的造价为 95 元/m295 \mathrm{~\text{元}} / \mathrm{m}^{2}, 池底的造价为 135 元/m2135 \mathrm{~\text{元}} / \mathrm{m}^{2}, 如何设计水池的长与宽, 才能使水池的总造价控制在 7 万元以内 (精确到 0.1 m0.1 \mathrm{~m})?

  3. 为了保护水资源,提倡节约用水,某城市对居民生活用水实行“阶梯水价”。计费方法如下表:

若某户居民本月交纳的水费为 48 元,求此户居民本月用水量.

拓广探索

  1. 图(1)是某条公共汽车线路收支差额 y 关于乘客量 x 的图象.

(1)试说明图(1)上点 A,点 B 以及射线 AB 上的点的实际意义;

(2) 由于目前本条线路亏损, 公司有关人员提出了两种扭亏为赢的建议, 如图 (2)(3) 所示. 你能根据图象, 说明这两种建议是什么吗?

(1)

(2)

(3)

描点画出弹簧伸长长度随拉力变化的图象,并写出一个能基本反映这一变化现象的函数解析式.

文献阅读与数学写作

函数的形成与发展

自17世纪近代数学产生以来,函数一直处于数学的核心位置。数学和科学的绝大部分都与函数内容有关,在数学、物理和其他学科中,函数关系随处可见。例如,圆柱体的体积和表面积是其底面半径的函数,气体膨胀的体积是温度的函数,运动物体的路程是时间的函数,等等。

如果用心搜集、广泛阅读、仔细观察,那么就会在很多书籍、网页中发现有关函数的介绍,也能在生活中发现许多函数应用的实例。

请同学们根据下面的建议和参考选题,通过自主活动,了解函数的发展历程及其广泛应用。

一、目标

  1. 了解函数形成、发展的历史.

  2. 体验文献综述的写作过程与方法.

二、实施建议

  1. 确定选题:根据个人兴趣初步确定选题范围,明确阅读方向,拟定写作题目.

  2. 搜集资料:针对写作题目,通过查阅书籍、上网等方式搜集素材,包括文字、图片、数据以及音像资料等,并记录相关资料。

  3. 素材整理:认真分析素材,按照一定的主题进行归纳概括,并用文献综述的方式形成读书报告.

  4. 交流讨论:开展组内或全班交流、讨论和总结.

三、参考选题

  1. 函数产生的社会背景.

  2. 函数概念发展的历史过程.

  3. 函数符号的故事.

  4. 数学家与函数.

众多数学家对函数的完善作出了贡献,例如开普勒、伽利略、笛卡儿、牛顿、莱布尼茨和欧拉等。可以选取一位或多位数学家,说明他们对函数发展作出的贡献,感受数学家的精神。

可以从以上选题中选择一个,也可以采用自己的题目。

四、文献综述的结构

  1. 标题.

  2. 提要或前言:简要介绍研究意义;介绍搜集的资料范围及资料来源,包括查阅了哪些主要著作、查询了哪些网络资料库(如中国学术期刊全文数据库、中国学位论文全文数据库等),搜索到的相关论文的篇目数量等。

  3. 正文:这是文献综述的核心部分。应在归类整理的基础上,对自己搜集到的有用资料进行系统介绍。

  4. 参考文献:列出所有参考文献,并按论文中的参考文献的格式将作者名、文献名、文献页码、文献出处、时间等信息全面标示出来。

一、本章知识结构

二、回顾与思考

本章我们用集合的语言与对应关系进一步描述了函数概念。与初中的函数定义相比较,突出了函数概念的本质:两个数集之间的一种确定的对应关系;明确了函数的三个构成要素:定义域、对应关系和值域;引入了函数符号: y=f(x)y=f(x) 。与初中基于变量关系的函数定义相比,本章基于两个实数集之间对应关系的函数定义,抽象层次显然提高了。在今后的学习中我们会逐渐体会到这种函数定义的必要性,例如,在这种定义下,不同的函数可以进行加、减、乘、除等运算,从而使函数研究的内容和应用的范围得到扩展。

函数是描述变量之间依赖关系的重要数学模型。函数的表示方法主要有解析法、图象法、列表法等。在解决问题时,面对不同的需要,选择恰当的方法表示函数是很重要的。

研究函数的基本性质不仅是解决实际问题的需要,也是数学本身的自然要求。例如:事物的变化趋势,用料最省、利润最大、效率最高,对称性等,这些特性反映在函数上,就是函数的基本性质,如单调性、最大(小)值和奇偶性等。在研究这些基本性质时,一般是先从几何直观(观察图象)入手,然后运用自然语言描述函数的图象特征,最后抽象到用数学符号刻画相应的数量特征。研究某个函数的性质,则要利用单调性、奇偶性等定义,通过推理、运算来实现。这是一个渐进的过程,也是数学学习和研究中经常使用的方法。

本章的学习对后面研究有关函数问题具有指导作用,我们可以按照下面的“逻辑图”获得研究内容:

例如,一次函数、二次函数、反比例函数、幂函数、指数函数、对数函数、三角函数等

请你带着下面的问题,复习一下全章内容吧!

  1. 通过本章学习,你对函数概念有什么新的认识?

  2. 你能结合具体实例,分析、比较函数的各种表示方法的特点吗?

  3. 函数的性质一般包括哪些方面?为什么要研究这些性质?你能总结一下研究函数性质的一般过程和方法吗?

复习参考题3

复习巩固

  1. 求下列函数的定义域:

(1) y=x−2x+5y=\sqrt{x-2}\sqrt{x+5} ;

(2) y=x−4∣x∣−5y = \frac{\sqrt{x - 4}}{|x| - 5}.

  1. 已知函数 f(x)=1−x1+xf(x) = \frac{1 - x}{1 + x},求:

(1) f(a)+1(a≠−1)f(a)+1(a\neq-1) ;

(2) f(a+1)(a≠−2)f(a + 1)(a\neq -2)

  1. 设 f(x)=1+x21−x2f(x) = \frac{1 + x^2}{1 - x^2},求证:

(1) f(−x)=f(x)f(-x)=f(x);

(2) f(1x)=−f(x)(x≠0).f\left(\frac{1}{x}\right) = -f(x) (x \neq 0).

  1. 已知函数 f(x)=4x2−kx−8f(x) = 4x^{2} - kx - 8 在 [5, 20] 上具有单调性,求实数 kk 的取值范围.

  2. 已知幂函数 y=f(x)y = f(x) 的图象过点 (2,22)\left(2, \frac{\sqrt{2}}{2}\right),试求出此函数的解析式,并画出图象,判断奇偶性、单调性.

  3. 某公司生产某种电子仪器的固定成本为 20 000 元,每生产一台仪器需增加投入 100 元,已知总收入 R(单位:元)关于月产量 x(单位:台)满足函数:

R={400x−12x2,0⩽x⩽400,80000,x>400.R = \left\{ \begin{array}{l l} 4 0 0 x - \frac {1}{2} x ^ {2}, 0 \leqslant x \leqslant 4 0 0, \\ 8 0 0 0 0, x > 4 0 0. \end{array} \right.

(1) 将利润 P(单位:元) 表示为月产量 x 的函数;

(2) 当月产量为何值时,公司所获利润最大?最大利润为多少元?(总收入=总成本+利润)

综合运用

  1. 已知函数 f(x)={x(x+4),x⩾0,x(x−4),x<0,f(x) = \begin{cases} x(x + 4), & x \geqslant 0, \\ x(x - 4), & x < 0, \end{cases} 求 f(1),f(−3),f(a+1)f(1), f(-3), f(a + 1) 的值.

  2. 证明:

(1) 若 f(x)=ax+bf(x)=ax+b ,则 f(x1+x22)=f(x1)+f(x2)2f\left(\frac{x_{1}+x_{2}}{2}\right)=\frac{f(x_{1})+f(x_{2})}{2} ;

(2) 若 g(x)=x2+ax+bg(x) = x^{2} + ax + b,则 g(x1+x22)⩽g(x1)+g(x2)2g\left(\frac{x_1 + x_2}{2}\right) \leqslant \frac{g(x_1) + g(x_2)}{2}.

9.(1)已知奇函数 f(x)f(x) 在 [a,b][a, b] 上单调递减,那么它在 [−b,−a][-b, -a] 上单调递增还是单调递减?

(2) 已知偶函数 g(x)g(x) 在 [a,b][a, b] 上单调递减,那么它在 [−b,−a][-b, -a] 上单调递增还是单调递减?

  1. 某地区上年度电价为 0.8 元/(kW·h),年用电量为 a kW·h,本年度计划将电价下降到 0.55 元/(kW·h) 至 0.75 元/(kW·h) 之间,而用户期望电价为 0.4 元/(kW·h)。经测算,下调电价后新增用电量和实际电价与用户的期望电价的差成反比(比例系数为 k)。该地区的电力成本价为 0.3 元/(kW·h)。

(1)写出本年度电价下调后电力部门的收益 y(单位:元)关于实际电价 x(单位:元/(kW·h))的函数解析式;(收益=实际电量×(实际电价-成本价))

(2)设 k=0.2ak = 0.2a ,当电价最低定为多少时,仍可保证电力部门的收益比上年至少增长 20%20\% ?

拓广探索

  1. 经济学家在研究供求关系时,一般用纵轴表示产品价格(自变量),而用横轴来表示产品数量(因变量)。下列供求曲线,哪条表示厂商希望的供应曲线,哪条表示客户希望的需求曲线?为什么?

(1)

(2)(第11题)

  1. 试讨论函数 y=x−1xy = x - \frac{1}{x} 的定义域、值域、单调性、奇偶性,并画出函数图象.
  1. 如图,△OAB\triangle OAB 是边长为 2 的正三角形,记 △OAB\triangle OAB 位于直线 x=t(t>0)x = t (t > 0) 左侧的图形的面积为 f(t)f(t)。试求函数 y=f(t)y = f(t) 的解析式,并画出函数 y=f(t)y = f(t) 的图象。

  2. 某商场经营一批进价为 30 元/件的商品,在市场试销中发现,此商品的销售单价 x(单位:元)与日销售量 y(单位:件)之间有如下表所示的关系.

(1) 根据表中提供的数据描出实数对 (x,y)(x, y) 的对应点,根据画出的点猜想 y 与 x 之间的函数关系,并写出一个函数解析式;

(2) 设经营此商品的日销售利润为 P(单位:元),根据上述关系,写出 P 关于 x 的函数解析式,并求销售单价为多少元时,才能获得最大日销售利润.

第四章指数函数与对数函数

良渚遗址位于浙江省杭州市余杭区良渚和瓶窑镇,1936年首次发现。这里的巨型城址,面积近630万平方米,包括古城、水坝和多处高等级建筑。考古学家利用遗址中遗存物碳14的残留量测定,古城存在时期为公元前3300年~前2300年。你知道考古学家在测定遗址年代时用了什么数学知识吗?

实际上,考古学家所用的数学知识就是本章即将学习的指数函数。指数函数在解决实际问题中有着广泛的应用。例如,在自然条件下,细胞的分裂、人口的增长、放射性物质的衰减等问题,都可以利用指数函数构建数学模型来刻画它们的变化规律。

通过幂函数的学习,我们已经体验了研究一类函数的过程和方法。在本章,我们将类比幂函数的研究方法,学习指数函数和对数函数的概念、图象和性质,并对这几类基本初等函数的变化差异进行比较。在此基础上,通过解决简单实际问题,体会如何根据变化差异,选择合适的函数类型构建数学模型,刻画现实问题的变化规律。