高中函数 · 生活里的五种模型

学了函数,
到底能解决啥问题

定义域、值域、单调性……以后买菜用得上吗?函数不是买菜用的,但它是给真实世界建模的核心工具。

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序章 · 先选对工具

五种函数,五类真实问题

高中最常见的五种函数,各自擅长一类变化。认准「问题长什么样」,比背一百道题更有用。

还没建立「输入→输出」直觉的,可以先看 通俗理解函数;想搞懂 f(x) 和单调性的,看 函数为什么写成 f(x)?

一次函数

均匀变化:每多一单位,固定加多少

二次函数

有顶点:什么时候最多、最少

指数函数

越涨越快:翻倍、爆发、复利

对数函数

压缩大数:把天文数字缩成好读的尺

三角函数

周期循环:潮汐、日出、摩天轮

学的时候多问一句

「这个函数能用来描述生活中的什么现象?」答案有了,函数就不再是抽象符号,而是看世界的新眼镜。

第一步 · 均匀变化

一次函数:每多一单位,固定加多少

一次函数 y = kx + b 的特点是变化速度恒定(k 固定)。凡是「均匀变化」的事情,都归它管。

y = kx + b
k = 每增加 1 个单位 x,y 固定增加多少 · b = 起步量(x = 0 时的值)

1 打车费用:分段的一次函数

很多城市的出租车计价是:起步价含若干公里,超出后按每公里单价均匀加钱。这就是分段一次函数——前一段是水平线(或很短的斜线),后一段斜率固定。

互动:出租车计价器

你可以试试:拖动里程,看车费怎么沿着一条折线往上走。起步 13 元含 3 公里,之后每公里 2.5 元。

里程
5.0 km
应付车费
¥18.0
当前路段
超出起步
车费 = 起步价 + 超出里程 × 单价
5.0 km

2 购物决策:比较两条直线

两种优惠方案,把支付金额都写成一次函数,看图像谁低——交点之前选一种,交点之后选另一种。

互动:办不办会员卡?

你可以试试:T 恤原价 80 元。办卡先付 50 元,之后每件 50 元;不办卡每件 80 元。拖动件数,看哪条线更低。

办卡总花费
¥150
不办卡总花费
¥240
更省钱的方案
办卡
交点右侧:办卡开始更划算
3 件
办卡 y = 50x + 50 不办卡 y = 80x

一句话:凡是「每增加 1 个单位,固定增加多少」的事情,就是一次函数的地盘。
第二步 · 有转折点

二次函数:什么时候最多、最少

二次函数有顶点——要么最高,要么最低。看到「最大利润」「最低成本」「最大面积」,就往二次函数想。

y = ax² + bx + c
开口向下(a < 0)时,顶点就是最大值;开口向上时,顶点就是最小值

1 利润最大化

某商品进价 80 元,售价 100 元时每天卖 100 件。每涨价 1 元,日销量减少 2 件。售价定为多少时利润最大?

设涨价 x 元:利润 = (20 + x)(100 − 2x)。展开后是开口向下的抛物线,顶点对应最优涨价。

互动:调售价,找最大利润

你可以试试:拖动「涨价幅度」,看利润沿抛物线走。顶点处就是最优定价。

售价
¥110
日销量
80 件
日利润
¥2,400
离最优点
还差 5 元
顶点:涨价 15 元时利润最大
x = 10

2 篱笆围菜地:面积最值

用 40 米篱笆围一个矩形菜地,长和宽各取多少时面积最大?周长固定:2(长 + 宽) = 40,所以长 + 宽 = 20。设宽为 x,则长为 20 − x,面积 A = x(20 − x)。

互动:拖宽度,看菜地变大变小

你可以试试:左边是菜地形状,右边是面积曲线。正方形时面积最大——不是越「扁」越大。

宽 x
8 m
长 20 − x
12 m
面积
96 m²
最大面积
100 m²
菜地形状
A = x(20−x)
x = 8.0 m

一句话:看到「最大 / 最小 / 最多 / 最少」,先问:能写成二次函数吗?能的话,顶点就是答案。
第三步 · 越涨越快

指数函数:爆炸式增长

指数函数一开始不显眼,后面会「爆炸」。复利、种群繁殖、地震能量,都是这条曲线。

y = a · bx
b > 1 时越涨越快;b = 1.05 就是年利率 5% 的复利

1 复利:利滚利

存 1 万元,年利率 5%,利滚利。本金也会「生」利息,所以增长不是一条直线,而是指数曲线。

互动:复利 vs 单利

你可以试试:拖动年数,对比「每年固定加 500」(单利直线)和「每年乘 1.05」(复利曲线)。时间越长,差距越大。

存了多少年
10 年
复利到账
¥16,289
单利到账
¥15,000
复利多赚
¥1,289
本金 1 万 · 年利率 5%
10 年
复利 10000×1.05t 单利 10000+500t

2 水葫芦铺满池塘

水葫芦每天面积大约翻一倍。一开始只占水面的 0.1%,看起来完全没问题——直到某天突然铺满。

互动:池塘哪一天被占满?

你可以试试:拖动天数,看绿色覆盖怎么从「几乎看不见」变成「整个池塘」。铺满前一天,其实已经盖住一半。

第几天
第 6 天
覆盖比例
6.4%
离铺满
还要 4 天
每天翻倍 · 约第 10 天铺满
第 6 天

3 地震能量:差 1 级,差 30 多倍

里氏震级每增加 1 级,释放的能量大约变为原来的 31.6 倍(约 101.5)。7 级看起来只比 6 级大 1,能量却差了三十多倍。

互动:震级 +1,能量跳一截

你可以试试:柱高按 6 级的能量拉满,拖滑条只点亮当前震级、不改刻度。5 级只有满刻度的约 1/32;7、8、9 都会冲出顶端——柱顶写着不同倍数,不是坏了。

里氏震级
6.0
相对 5 级的能量
×31.6
约合能量
6.3×10¹³ J
M = 6.0

一句话:凡是「翻倍」「倍增」「越涨越快」的事情,都是指数函数的舞台。
第四步 · 把大数变小数

对数函数:压缩巨大差距

对数是指数的逆运算。它的任务不是「算一个更吓人的数」,而是把天文数字压成好比较的尺子。

y = loga x
把乘法变成加法,把「差 1000 倍」写成「差 3 个数量级」

1 为什么震级用对数写?

如果直接报能量焦耳数,7 级和 5 级会差出三个数量级,纸上都画不下。写成震级,差距变成「大约 2」,人脑才比较得了。

互动:直线轴 vs 对数轴

你可以试试:上面线性轴的满刻度是 7 级的能量——再大就画出界。下面对数轴上 4~9 级均匀排开。拖到 8、9 级,对比最明显。

当前震级
7.0
相对 4 级能量
×31,623
log10(倍数)
4.50
上:线性轴(满刻度 = 7 级)· 下:对数轴
M = 7.0

2 声音分贝

80 分贝和 90 分贝听起来只差一点,声强却差 10 倍。分贝 = 10 × log10(I / I0),专门用来压缩「差一万倍」的响度。

互动:声强翻倍,分贝只加一点

你可以试试:拖动声强。左边按真实倍数画,大约 100 倍(20 dB)就顶格;右边按分贝,还能继续往上涨。

声强 I / I₀
1,000×
声级
30 dB
大约相当于
耳语
L = 10 log₁₀(I / I₀)
10³ 倍

3 溶液 pH 值

pH = −log10[H⁺]。pH 差 1,氢离子浓度差 10 倍。柠檬汁和纯水只差几个数字,酸性却差出十万倍。

互动:拖动 pH,看氢离子差多少倍

你可以试试:直接拖下面这条彩色色带,从强酸到强碱。数字只走 0~14,[H⁺] 却从 1 变到 10⁻¹⁴。

pH
7.0
[H⁺] mol/L
1.0×10⁻⁷
相对纯水
1×(中性)
0 强酸7 中性14 强碱
pH = 7.0

一句话:对数函数的任务是「把巨大的差距缩成好读的数字」。
第五步 · 循环反复

三角函数:周期节奏

正弦型函数的核心是周期性——事情反复出现,每隔固定时间重复一次。潮汐、日出、摩天轮高度,都是这条波。

y = A · sin(ωx + φ) + k
A 振幅(晃多大)· 周期 T = 2π / ω(多久重复一次)· k 平衡位置
延伸阅读:想从直角三角形和单位圆搞懂 sin、cos、tan 本身,请看 三角函数解析

1 潮汐水位

海水一天大约两次涨潮、两次退潮。高度随时间近似正弦变化——不是精确的天文模型,但已经能抓住「周期循环」这件事。

互动:一天里的潮起潮落

你可以试试:拖动时刻,看水位和正弦曲线同步。这里用周期 12.4 小时的简化模型:h = 2.4 + 1.6 sin(2π t / 12.4)。

时刻
06:00
水位
2.56 m
状态
平潮附近
港口水位
24 小时曲线
06:00

2 一年里的日出时间

夏至附近日出最早,冬至附近最晚,每年循环一次。用一条正弦型曲线就能描出「早—晚—早」的节奏(真实日出还受经纬度、均时差影响,这里抓主趋势)。

互动:拖日历,看出日出门时间

你可以试试:滑过 365 天。曲线在 6 月最低(早)、12 月最高(晚)。北半球中纬度的示意模型,不是某城市的精确时刻表。

日期
6 月 21 日
示意日出
05:12
季节倾向
夏至附近 · 最早
日出时刻 ≈ 6:30 − 1.3 cos(2π (d−172)/365)
第 172 天

3 摩天轮上的高度

座舱绕竖直圆匀速转。离地面的高度 = 圆心高度 − 半径 × cosθ(从最低点起算)。转一圈,高度就完成一次正弦型起伏。

互动:转起来,高度跟着波浪走

你可以试试:拖动转角,或点「匀速旋转」。左边是摩天轮,右边是高度随角度的曲线——正是正弦型。

转角 θ
离地高度
2.0 m
位置
最低点
半径 18 m · 圆心高 20 m
h = 20 − 18 cos θ

一句话:凡是「重复出现」「周期性变化」的事情,三角函数来解决。
总结

五种函数,五副眼镜

一次 · 匀速

打车、会员卡、匀速运动:每多一单位,固定加多少。

二次 · 转折

利润、面积、成本:有最高点或最低点,找顶点。

指数 · 爆发

复利、繁殖、地震能量:一开始慢,后来爆炸。

对数 · 压缩

震级、分贝、pH:把差一万倍的量,缩成好读的尺。

三角 · 循环

潮汐、日出、摩天轮:隔固定时间再来一遍。

带走这一句

函数不是「数学题里才有的东西」,它是描述世界的工具。见到真实问题,先问:均匀、有转折、会爆炸、数字太大,还是在循环?——选对函数,题就做了一半。

接着看:通俗理解函数(输入输出机器)· 函数为什么写成 f(x)?(符号与性质)· 三角函数解析(sin / cos / tan)
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