第四章 · 第五节
函数的应用(二)
指数函数模型 · 对数函数模型 · 实际问题建模

📖 知识点学习

🎯 学习目标

  • 掌握指数函数模型及其应用
  • 掌握对数函数模型及其应用
  • 能建立函数模型解决实际问题
  • 理解不同增长模型的特点
知识点一:指数函数模型
指数增长模型
y=a(1+r)^t,其中 a 为初始值,r 为增长率,t 为时间。常见于人口增长、细胞繁殖、复利计算等。
指数衰减模型
y=a(1−r)^t,其中 a 为初始值,r 为衰减率。常见于放射性衰变、药物代谢等。
知识点二:对数函数模型
对数模型
y=c·log_a x + b,常见于声音强度(分贝)、地震震级(里氏级数)、溶液pH值等。
常见对数应用
  • 声音分贝:L=10·lg(I/I₀)
  • 里氏震级:M=lg(A/A₀)
  • pH值:pH=−lg[H⁺]
知识点三:不同函数的增长差异
指数增长
y=a^x
爆炸式增长
对数增长
y=log_a x
缓慢增长
幂函数
y=xⁿ
中等增长
增长速度比较
在(0,+∞)上,当 x 充分大时:对数函数 < 幂函数 < 指数函数。即指数增长最快,对数增长最慢。

🎬 动画讲解

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🧪 互动实验:增长模型对比

💡 调节时间 t,观察指数增长 y=2^t 与线性增长 y=2t 的差异
⚙ 增长对比
指数 2^t8.00
线性 2t6.00
对数 log₂t1.58
增长最快指数
📋 实验结论
指数函数 y=2^t 增长最快,线性 y=2t 次之,对数 y=log₂t 增长最慢。当 t 较大时指数远超其他两种。

📝 例题精讲

💡 提示:点击「下一步」按钮,逐步查看详细解题过程
例题 1人口增长
某地区人口100万,年增长率2%,多少年后人口达到150万?(lg1.5≈0.176, lg1.02≈0.0086)
🔍 解题过程
1设 t 年后人口150万:100×(1.02)^t=150,即(1.02)^t=1.5。
2取对数:t·lg1.02=lg1.5,t=lg1.5/lg1.02≈0.176/0.0086≈20.5年。
✅ 约21年后人口达到150万。
例题 2放射性衰变
某放射性物质质量为m,每经过一年剩余原来的90%。求经过多少年剩余量不到原来的一半。
🔍 解题过程
1t年后剩余 m×0.9^t,令 m×0.9^t < m/2,即 0.9^t < 0.5。
2取对数:t·lg0.9 < lg0.5,因lg0.9<0不等号变向,t > lg0.5/lg0.9≈(−0.301)/(−0.046)≈6.5。
✅ 约7年后剩余量不到原来的一半。

🚀 拓展提升

指数爆炸

指数增长的特点是开始缓慢,到某个临界点后突然爆炸式增长。这解释了为何传染病早期看似可控但后期迅速蔓延。

半衰期

放射性物质衰变到原来一半所需的时间叫半衰期。若每年衰减率为 r,则半衰期 T=lg0.5/lg(1−r)。碳-14半衰期约5730年,用于考古年代测定。

对数尺度

  • 分贝:声音强度比的以10为底对数×10
  • pH值:氢离子浓度的负对数
  • 里氏震级:地震振幅比的以10为底对数
  • 对数尺度可压缩大范围数据便于比较

✏️ 练习巩固

💡 提示:每道题作答后会立即显示解析,请认真思考后再作答
第 1 题★☆☆ 基础
人口年增长率2%,经过t年后人口变为原来的多少倍?
A1+2t
B1.02^t
C1+0.02t
D2^t
第 2 题★☆☆ 基础
下列函数增长最快的是?
Ay=log₂x
By=2^x
Cy=2x
Dy=x²
第 3 题★★☆ 巩固
某物质每年衰减10%,5年后剩余原来的约多少?(0.9⁵≈0.59)
A约90%
B约59%
C约50%
D约40%
第 4 题★★☆ 巩固
pH值公式 pH=−lg[H⁺],若[H⁺]=10⁻³,则pH=?
A−3
B3
C0.003
D1000
第 5 题★★★ 拓展
某地区人口100万,年增长率2%,约多少年后人口翻倍?(lg2≈0.301, lg1.02≈0.0086)

🧠 知识点问答

老师来考考你!下面的问题都来自本节课的知识点,看看你掌握了多少。每次点击"再考一次"题目顺序都会随机打乱哦!
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课程完成!

恭喜你完成了「函数的应用(二)」的学习!也完成了第四章全部内容!

📌 核心要点:
① 指数增长模型 y=a(1+r)^t(人口、复利等)
② 指数衰减模型 y=a(1−r)^t(衰变、代谢等)
③ 对数模型用于分贝、震级、pH值等
④ 增长速度:对数 < 幂函数 < 指数
⑤ 建模关键:设变量→建关系→求解→还原