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版第3章6指数函数幂函数对数函数增长的比较

§6 指数函数、幂函数、对数函数增长的比较

1.结合实例体会直线上升、指数爆炸、对数增长等不同增长的函数模型的意义,理解它们增长的差异性.(重点)

2.会利用指数函数、幂函数和对数函数的图像对比研究函数的增长快慢.(难点)

[基础·初探]

教材整理 指数函数、幂函数、对数函数增长的

比较

阅读教材P98~P103有关内容,完成下列问题.

1.三种函数的增长趋势

当a>1时,指数函数y=ax是增函数,并且当a越大时,其函数值的增长就越快.

当a>1时,对数函数y=logax是增函数,并且当a越小时,其函数值的增长就越快.

当x>0,n>1时,幂函数y=xn显然也是增函数,并且当x>1时,n越大,其函数值的增长就越快.

2.三种函数的增长对比

对数函数y=logax(a>1)增长最慢,幂函数y=xn(n>0),指数函数y=ax(a>1)增长的快慢交替出现,当x足够大时,一定有ax>xn>logax.

1.判断(正确的打“√”,错误的打“×”)

(1)y=x10比y=1.1x的增长速度更快些.(  )

(2)对于任意的x>0,都有2x>log2x.(  )

(3)对于任意的x,都有2x>x2.(  )

【答案】 

(1)× 

(2)√ (3)×

2.下列函数中,自变量x充分大时,增长速度最慢的是(  )

A.y=6x      B.y=log6x

C.y=x6D.y=6x

【解析】 对数函数的增长速度最慢,即增长最慢的是y=log6x.

【答案】 B

[小组合作型]

指数、对数、幂函数增长趋势的比较

 函数f(x)=2x和g(x)=x3的图像如图361所示.设两函数的图像交于点A(x1,y1),B(x2,y2),且x1

图361

(1)请指出示意图中曲线C1,C2分别对应哪一个函数;

(2)结合函数图像,比较f(8),g(8),f(2016),g(2016)的大小.

【导学号:

04100066】

【精彩点拨】 先观察图像,比较相关区域函数值的大小,最后得出结论.

【尝试解答】  

(1)C1对应的函数为g(x)=x3,C2对应的函数为f(x)=2x.

(2)∵g

(1)=1,f

(1)=2,g

(2)=8,f

(2)=4,g(9)=729,f(9)=512,g(10)=1000,f(10)=1024,

∴f

(1)>g

(1),f

(2)

(2),f(9)g(10).

∴1

∴x1<8

从图像上知,当x1

当x>x2时,f(x)>g(x),且g(x)在(0,+∞)上是增函数.

∴f(2016)>g(2016)>g(8)>f(8).

三种函数模型的表达形式及其增长特点:

(1)指数函数模型:

能用指数型函数f(x)=abx+c(a,b,c为常数,a>0,b>1)表达的函数模型,其增长特点是随着自变量x的增大,函数值增长的速度越来越快,常称之为“指数爆炸”.

(2)对数函数模型:

能用对数型函数f(x)=mlogax+n(m,n,a为常数,m≠0,x>0,a>1)表达的函数模型,其增长的特点是开始阶段增长得较快,但随着x的逐渐增大,其函数值变化得越来越慢,常称之为“蜗牛式增长”.(3)幂函数模型:

能用幂型函数f(x)=axα+b(a,b,α为常数,a≠0,α≠1)表达的函数模型,其增长情况由a和α的取值确定,常见的有二次函数模型和反比例函数模型.

[再练一题]

1.函数f(x)=lgx,g(x)=0.3x-1的图像如图362所示.

图362

(1)试根据函数的增长差异指出曲线C1,C2分别对应的函数;

(2)比较两函数的增长差异(以两图像交点为分界点,对f(x),g(x)的大小进行比较).

【解】 

(1)C1对应的函数为g(x)=0.3x-1,

C2对应的函数为f(x)=lgx.

(2)当xf(x);

当x1g(x);

当x>x2时,g(x)>f(x);

当x=x1或x=x2时,f(x)=g(x).

建立函数模型解决实际问题

 假设你有一笔资金用于投资,现有三种投资方案供你选择,这三种方案的回报如下:

方案一:

每天回报40元;

方案二:

第一天回报10元,以后每天比前一天多回报10元;

方案三:

第一天回报0.4元,以后每天的回报比前一天翻一番.

请问,你会选择哪种投资方案?

【精彩点拨】 首先建立不同回报对应的函数模型,结合其图像解决问题.

【尝试解答】  设第x天所得回报是y元.

由题意,方案一:

y=40(x∈N+);

方案二:

y=10x(x∈N+);

方案三:

y=0.4×2x-1(x∈N+).

作出三个函数的图像如图:

由图可以看出,从每天回报看,在第1天到第3天,方案一最多,在第4天,方案一、二一样多,方案三最少,在第5天到第8天,方案二最多,第9天开始,方案三比其他两个方案所得回报多得多,经验证到第30天,所得回报已超过2亿元,

∴若是短期投资可选择方案一或方案二,长期的投资则选择方案三.

通过计算器计算列出三种方案的累积收入表.

天数累积收益方案

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

40

80

120

160

200

240

280

320

360

400

440

10

30

60

100

150

210

280

360

450

550

660

0.4

1.2

2.8

6

12.4

25.2

50.8

102

204.4

409.2

818.8

∴投资1天到6天,应选方案一,投资7天方案一、二均可,投资8天到10天应选方案二,投资11天及其以上,应选方案三.

解决应用问题的关键是将应用问题转化成数学问题来解决,结合函数图像有助于直观认识函数间在不同范围的大小关系.

[再练一题]

2.有一种树木栽植五年后可成材.在栽植后五年内,年增加20%,如果不砍伐,从第六年到第十年,年增长10%,现有两种砍伐方案:

甲方案:

栽植五年后不砍伐,等到十年后砍伐.

乙方案:

栽植五年后砍伐重栽,再过五年再砍伐一次.

请计算后回答:

十年内哪一个方案可以得到较多的木材?

(不考虑最初的树苗成本,只按成材的树木计算)

【解】 设树林最初栽植量为a,甲方案在10年后树木产量为y1=a(1+20%)5(1+10%)5=a(1.2×1.1)5≈4a.

乙方案在10年后树木产量为

y2=2a(1+20%)5=2a·1.25≈4.98a.

y1-y2=4a-4.98a<0,

因此,乙方案能获得更多的木材.

[探究共研型]

选择函数模型的实际问题

探究 如图363给出了红豆生长时间t(月)与枝数y(枝)的散点图,那么最能拟合诗句“红豆生南国,春来发几枝”所提到的红豆生长时间与枝数的关系的函数模型是?

图363

【提示】 由题中图像可知,该函数模型为指数函数.

 20世纪90年代,气候变化专业委员会向各国政府提供的一项报告指出:

全球气候逐年变暖的一个重要因素是人类在能源利用与森林砍伐中CO2体积分数增加,据测,1990年,1991年,1992年大气中CO2体积分数分别比1989年增加了1个可比单位,3个可比单位,6个可比单位,若用一个函数模拟20世纪90年代中每年CO2体积分数增加的可比单位数y与年份增加数x(即当年数与1989年的差)的关系,模拟函数可选用二次函数f(x)=px2+qx+r(其中p,q,r为常数),或g(x)=abx+c(a,b,c为常数且b>0,b≠1).

(1)根据题目中的数据,求f(x),g(x)的解析式;

(2)如果1994年大气中CO2体积分数比1989年增加了16个可比单位,请问以上哪个函数作为模拟函数较好?

并说明理由.

【精彩点拨】 

(1)列出方程组求系数,从而求解析式;

(2)由x=5得出函数值,通过比较选择模拟函数.

【尝试解答】  

(1)由题目中的数据得

解得

解得

所以f(x)=

x2+

x,g(x)=

·

x-3.

(2)因为f(5)=15,g(5)=17.25,f(5)更接近16,

所以选用f(x)=

x2+

x作为模拟函数好.

解决函数应用题时的常用方法:

(1)先依据给出的数据作出散点图,大体估计函数模型,设出函数模型,列出方程组求系数,即可确定出函数模型.

(2)将求出的函数通过数据比较确定出最适合的函数模型.

[再练一题]

3.某地西红柿从2月1日起开始上市.通过市场调查,得到西红柿种植成本Q(单位:

元/102kg)与上市时间t(单位:

天)的数据如下表:

时间t

50

110

250

种植成本Q

150

108

150

(1)根据上表数据,从下列函数中选取一个函数,描述西红柿种植成本Q与上市时间t的变化关系.

Q=at+b,Q=at2+bt+c,

Q=a·bt,Q=a·logbt.

(2)利用你选取的函数,求西红柿种植成本最低时的上市天数及最低种植成本.

【解】 

(1)由表中数据知,当时间t变化时,种植成本并不是单调的,

故只能选择Q=at2+bt+c,

解得Q=

t2-

t+

.

(2)Q=

(t-150)2+

(t-150)2+100,

∴当t=150天时,西红柿的种植成本最低,为100元/102kg.

1.以下四种说法中,正确的是(  )

A.幂函数增长的速度比一次函数增长的速度快

B.对任意的x>0,xa>logax

C.对任意的x>0,ax>logax

D.一定存在x0,使x>x0,总有ax0>xn>logax

【解析】 对于A,幂函数的增长速度受幂指数影响,幂指数与一次项系数不确定,增长速度不能比较,而B、C都受a的影响.

【答案】 D

2.下列函数中,随着x的增长,函数值增长速度最快的是(  )

A.y=50       B.y=1000x

C.y=0.4·2x-1D.y=

lnx

【解析】 随着x的增大,函数值增长速度最快的是指数型函数,故选C.

【答案】 C

3.某种储蓄按复利计算利息,若本金为a元,每期利率为r,存期是x,本利和(本金加利息)为y元,则本利和y随存期x变化的函数关系式是________.

【解析】 已知本金为a元,利率为r,则1期后本利和为y=a+ar=a(1+r),2期后本利和为y=a(1+r)+a(1+r)r=a(1+r)2,3期后本利和为y=a(1+r)3,…,x期后本利和为y=a(1+r)x,x∈N+.

【答案】 y=a(1+r)x,x∈N+

4.三个变量y1,y2,y3随自变量x的变化情况如下表:

x

1

3

5

7

9

11

y1

5

135

625

1715

3645

6633

y2

5

29

245

2189

19685

177149

y3

5

6.1

6.61

6.95

7.20

7.40

其中关于x呈对数型函数变化的变量是____________________________________________________________________.

呈指数型函数变化的变量是________,呈幂函数型函数变化的变量是________.

【解析】 由表中数据可知,y1随x的增加成倍增加,属于幂函数型函数变化,y2随x的增加成“几何级数”增加,属于指数型函数变化,y3随x的增加增加越来越慢,属于对数函数变化.

【答案】 y3 y2 y1

5.用模型f(x)=ax+b来描述某企业每季度的利润f(x)(亿元)和生产成本投入x(亿元)的关系.统计表明,当每季度投入1(亿元)时利润y1=1(亿元),当每季度投入2(亿元)时利润y2=2(亿元),当每季度投入3(亿元)时利润y3=2(亿元).又定义:

当f(x)使[f

(1)-y1]2+[f

(2)-y2]2+[f(3)-y3]2的数值最小时为最佳模型.

(1)当b=

时,求相应的a使f(x)=ax+b成为最佳模型;

(2)根据题

(1)得到的最佳模型,请预测每季度投入4(亿元)时利润y4(亿元)的值.

【导学号:

04100067】

【解】 

(1)b=

时,[f

(1)-y1]2+[f

(2)-y2]2+[f(3)-y3]2

=14

2+

∴a=

时,f(x)=

x+

为最佳模型.

(2)f(x)=

,则y4=f(4)=

.

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