3.4 函数的应用(一)
用一次、二次、分段和反比例关系描述实际问题,再用学过的性质求答案。先统一单位、确定实际定义域,算完后检验方案能否实现。先从一个假设的打车计价模型开始。
本节知识点简单函数模型与情境定义域建模的问题、变量、单位与假设模型的检验、修正与外推边界
第 1 步
从例子进入
假设打车按实际里程连续计费、不作里程进位:起步价 10 元,包含前 3 千米;超过 3 千米的部分,每千米 2 元。先点下面不同里程按钮,看出租车计价表怎么跳字:
想一想
下图横轴为里程(千米),纵轴为费用(元);只讨论已经乘车的正里程。
坐了 8 千米,要付多少钱?
看答案与解析
答案:B
B。前 3 千米包在 10 元里,多出来 8−3=5 千米,每千米 2 元,是 10 元。合计 10+10=20 元。
你刚才其实写了一个函数:路程 x 千米(x>3)时,车费 y=10+2(x−3) 元。已乘车且 0<x≤3 千米时 y=10。路程一变,车费跟着变,规则分两段。
这一节就讲这件事:把生活里的规则写成函数,再用函数的性质回答「要付多少」「什么时候最省」「最大能到多少」。写的时候要多想一步:x 能取哪些值、单位是什么、算出来的数合不合实际。
第 2 步
讲清楚
1. 先认识几个词:关系式、单位与允许范围
要用到:3.1 的定义域(回看 3.1);3.2 的单调性与最值(回看 3.2);2.2 的基本不等式(回看 2.2)。先看下面这幅微图解:
2. 核心数学建模法则与闭区间最值公式
一次关系 y=kx+b:在给定闭区间上,可按单调性比较端点;k=0 时为常数。在开区间或无界范围上,要另查最值是否存在,不能直接说“必在端点取得”。
想一想
自己试试:一辆车以 72 km/h 匀速行驶。它行驶的路程 s(单位:米)关于时间 t(单位:秒)的函数是?
看答案与解析
答案:B
B。72 km/h =3600 秒72000 米=20 米/秒,所以 s=20t(t≥0)。选 A 的同学没换算单位;C 是「千米/分钟」的数;D 把除以 3.6 做成了乘以 3.6。
3. 二次函数建模:实际范围、最值与整数限制
想一想
自己试试:某商品进价 40 元。售价定为 x 元(50≤x≤80)时,每天能卖 (100−x) 件。每天的利润最大是多少元?
提示 1:先分清收入与利润
每件的利润是售价减进价。每天总利润应是“每件赚多少”乘“卖出多少件”,先自己写出关于 x 的函数。
提示 2:怎样判断最大值能否取得?
展开或配方得到二次函数,找顶点,再与题目给的售价范围比较。最后核对求出的是利润还是售价,以及销量是否为正。
看答案与解析
答案:A
A。每件赚 x−40 元,利润 y=(x−40)(100−x)=−(x−70)2+900。顶点 x=70 在 [50,80] 里,最大利润 900 元,售价 70 元。选 B 的同学用了「售价 × 销量」,那是收入,忘了减进价;选 C 答的是售价,不是利润。
回头看:若售价上限改为 65 元,先自己判断:还能用顶点值作答案吗?
核对变式:函数没变,范围变了
顶点 70 不在 [50,65] 内;利润在这个区间递增,故售价 65 元时最大,利润为 (65−40)(100−65)=875 元。和菜园题一样,方法可以迁移,顶点能否取到必须重查。
4. 分段函数与反比例模型
想一想
自己试试:某地水费,每月用水 10 吨以内(含 10 吨)每吨 3 元;超过 10 吨的部分每吨 5 元。用水 14 吨交多少钱?
看答案与解析
答案:B
B。前 10 吨 10×3=30 元,多出的 4 吨 4×5=20 元,合计 50 元。选 A 全按 3 元算,选 C 全按 5 元算,都没分段;选 D 是 14×3+4×5,把多出的 4 吨算了两次。
想一想
自己试试:要围一块面积 16 平方米的矩形,一边长 x 米。周长最小是多少米?
看答案与解析
答案:B
B。另一边 x16 米,周长 L=2(x+x16)≥2×216=16,x=4(正方形)时取到。选 A 的同学算的是 x+x16 的最小值,忘了周长要乘 2;选 D 答的是边长。
5. 用之前必查:三大高频翻车现场
再深一点(可以先跳过)
y=x1 不能跨过 0 连成一段说:它在 x<0 和 x>0 上各自递减,可 f(−1)=−1<f(1)=1,所以不能说「在定义域上递减」。实际问题里 x 一般是正的,只用右边那一支。
分段函数的图象可以断开:本页按用量连续计费的阶梯电价,在分界点两边算出的钱一样,图象连成折线。真实的打车计价常把不足 1 千米按 1 千米算,车费会一格一格地跳,图象是一级一级的台阶。
整数解怎么比:本例开口向下,且 6 台和 7 台都合法。顶点在 6.75,∣7−6.75∣<∣6−6.75∣,所以 7 台对应的利润更大;也可分别代入检验。其他模型须重新检查开口与允许的整数。
第 3 步
动手
① 阶梯电价
假设按实际用量连续计费。每月用电 x 度:前 200 度每度 0.5 元;200 到 400 度之间的部分每度 0.6 元;超过 400 度的部分每度 0.8 元。拖滑块或图上的点(或选中后按方向键),看电费落在哪一段。
② 进阶:靠墙围菜园,墙长变了最大值在哪
篱笆共 24 米。拉滑块改墙长 a;拖下面曲线上的圆点(或 Tab 选中后用左右方向键)改 x。图窗中的灰色虚线是代数抛物线,实线才是实际能取的部分;圆点示例按 0.5 米步进,不把控件的步长当成定义域。先点「墙长 20 米」,看最大值在顶点;再点「墙长 10 米」,看顶点取不到时最大值跑到哪。
第 4 步
练一练
从易到难排好了。前两道直接用,后三道是建模时最常见的错。
直接用
想一想
- 健身房:年卡 600 元,不限次数;不办卡每次 30 元。一年至少去多少次,办年卡更省钱?
看答案与解析
答案:B
B。去 x 次,不办卡花 y=30x 元。办卡更省要 30x>600,x>20;次数是整数,至少 21 次。去 20 次时两种一样都是 600 元,谈不上「更省」,所以不选 A。
想一想
- 用 40 米栅栏沿河岸围一块矩形场地,靠河一边不用栅栏,河岸足够长。场地面积最大是多少平方米?
卡住了?与菜园例题比较一下
仍只围三边,但栅栏总长变了,河岸也足够长。设垂直河岸的一边为 x,重新写另一边、面积式和允许范围;原来的“墙长限制”还需要保留吗?
看答案与解析
答案:A
A。垂直于河岸的两边各 x 米,另一边 40−2x 米,0<x<20。S=x(40−2x)=−2(x−10)2+200,顶点 x=10 在定义域里,最大 200 平方米(这时平行河岸的一边 20 米)。选 B 的同学把三边当成两边,写成了 x(40−x)。
复盘迁移:仍用“一变量建模、定范围、查顶点”的计划;河岸足够长,少了墙长限制,所以顶点可以取到。迁移时保留思路,重新列本题的条件。
易错
想一想
- 用 24 米长的篱笆,靠着一面墙围一块矩形菜园(靠墙那边不用篱笆)。墙长 10 米。菜园面积最大是多少?
看答案与解析
答案:B
B。设垂直于墙的两边各长 x 米,平行于墙的一边长 24−2x 米,面积 S=x(24−2x)=−2x2+24x。
选 A 的同学直接取了顶点 x=6:这时平行于墙的边长 24−12=12 米,可墙只有 10 米,围不出来。实际要求 0<24−2x≤10,也就是 7≤x<12。在这一段上抛物线一直往下走,所以最大值在 x=7 处:S=7×10=70。在「动手」②里点「墙长 10 米」看看。
对应边界:定义域按实际定。顶点不在定义域里,最大值就不在顶点。
同类二次模型:下面改用限价销售问题,区分完整实际定义域与为了寻找最优而筛出的盈利区段。
想一想
- 某厂每月生产 x 台机器(x 为正整数),月利润 y=−2x2+27x−30(万元)。利润最大时每月生产多少台?
看答案与解析
答案:B
B。顶点横坐标 x=427=6.75,可台数只能是整数,A 不合实际意义。离顶点最近的两个整数是 6 和 7,都代进去算:x=6 时 y=60,x=7 时 y=61。所以 7 台,最大月利润 61 万元。
对应边界:该是整数的回到整数。定义域是正整数,不是一段区间。
想一想
- 按「动手」①的阶梯电价(前 200 度每度 0.5 元,200 到 400 度的部分每度 0.6 元,超过 400 度的部分每度 0.8 元),小王家这个月交了 148 元电费。他家用电多少度?
看答案与解析
答案:C
C。先判断在哪一段:用满 200 度是 100 元,用满 400 度是 220 元,100<148≤220,所以在第二段。100+0.6(x−200)=148,得 x=280。
A 是全按 0.5 元算(148÷0.5),B 是全按 0.6 元算,都忘了分段。拿 A 验一下:296 度应交 100+0.6×96=157.6 元,不是 148 元。在「动手」①里把点拖到 280 看看。
对应边界:分段反求先定段,再检验。解出的 x 要落在这一段里。
同类分段收费:下面用按实际时长计费的租车问题,练习先定段、再解式、后验根。
第 5 步
高考真题
选择题点选项自动判对错;填空题写法不同时,看答案自己判。要用到后面章节的题收在最后,学到那里再做。
2008 全国Ⅰ卷(文科) 第 2 题 · 单选
汽车经过启动、加速行驶、匀速行驶、减速行驶之后停车,若把这一过程中汽车的行驶路程s看作时间t的函数,其图象可能是( )。
看答案与解析
答案:A
路程不会倒退;同样一段时间里,走得越快,路程增加越多,图线就越陡。
把四个运动阶段翻译为图象变化
启动时速度为0,图线从原点平缓开始。加速时,相等时间内增加的路程越来越多,图线逐渐变陡。匀速时,相等时间内增加量相同,对应一段上升直线。减速直至停车时,相等时间内增加量逐渐减小,图线逐渐变平。
核对四个图象
A呈现从平缓到陡直、再变平的上升过程,符合全部阶段。B、C都在后段再次变陡,不能表示最终减速停车;D后段路程减少,更不符合累计行驶路程。故选A。
读实际情境中的函数图象,要把横纵坐标的意义与相同横向增量对应的纵向增量联系起来。
2012 新课标卷(理科) 第 18 题 · 解答
某花店每天以每枝5元的价格从农场购进若干枝玫瑰花,然后以每枝10元的价格出售,如果当天卖不完,剩下的玫瑰花作垃圾处理。 (1)若花店一天购进16枝玫瑰花,求当天的利润y(单位:元)关于当天需求量n(单位:枝,n∈N)的函数解析式。
答案与解析
答案:y={10n−80,80,0≤n≤16,n>16,n∈N
思路
成本由购进量决定,收入由实际卖出量决定;实际卖出量不能超过16枝。
- 确定成本与实际销量
购进16枝的成本固定为 16×5=80 元。当 0≤n≤16 时实际卖出n枝;当 n>16 时最多卖出16枝。剩余花无收入,故不能只扣掉已售花的成本。
- 按需求量分段写出利润
利润等于收入减进货成本,因此 y={10n−80,10×16−80=80,0≤n≤16,n>16, n∈N。也可紧凑写为 y=10min(n,16)−80,但分段形式更清楚地显示库存约束。
易错点
- 把利润写成5n,误把未售出的进货成本忽略。
- 在需求量超过库存后仍写收入为10n。
- 遗漏需求量只能取自然数。
小结
实际函数模型要区分需求、供给和实际销量;约束改变表达式,输入类型决定定义域。