平均变化率与瞬时变化率
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变化率简介变化率是学习导数的前提,它在描述各种变化规律的过程中起着非常重要的作用,速度和加速度就是两个典型例子.新教材人教A 版中,对于变化率主要从以下两个方面介绍:1、平均变化率;2、瞬时变化率.一、平均变化率函数()y f x =在区间00[,]x x x +∆或(00[,]x x x +∆)上的平均变化率是商yx∆∆,其中x ∆是自变量x 在0x 处的改变量,可正可负,但不能为0,y ∆是函数值相应的改变量,即00()()y f x x f x ∆=+∆-(y ∆为正、负、零均可)所以00()()f x x f x y x x+∆-∆=∆∆,下面通过举例来进一步加深对概念的理解。
例1、求332-=x y 在0x 到x x ∆+0之间的平均变化率.解:当自变量从0x 到x x ∆+0之间变化时,函数的平均变化率为:x f∆∆=∆-∆+=x x f x x f )()(00xx x x ∆---∆+=]33[]3)(3[2020 x x xx x x ∆+=∆∆+∆⋅=36)(3602评注:此类题目只需要紧扣定义式,注意运算过程就可以了. 评注:⑴函数平均变化率的求法可分两步:①求y ∆;②求yx∆∆.⑵不论0x 、x ∆中的哪一个变化,都会引起函数平均变化率的变化。
拓展:函数()y f x =的平均变化率的几何意义为其图象上割线的斜率。
即:函数()y f x =的图象为曲线C ,曲线C 上有一点00(,)P x y 及邻近一点00(,)Q x x y y +∆+∆,则割线PQ 的斜率0000y y y yk x x x x+∆-∆==+∆-∆。
利用平均变化率的几何意义,可解决一些实际问题,举例如下:例2、某电视机厂有甲、乙两条生产流水线,产量S (单位:台)与时间t (单位:天)的关系如图所示,问:(1)0t 天内,甲、乙两条生产线的平均日产量哪个大?(2)在接近0t 天时,甲、乙两条生产线谁的日产量大?0,)x y y ∆+∆解析:(1) 0t 天内,甲、乙两条生产线的平均日产量,即函数1()S f t =与2()S f t =在0[0,]t 内的平均变化率,其都为直线OA 的斜率,所以0t 天内,甲、乙两条生产线的平均日产量相同。
第1课 平均变化率与瞬时变化率一、平均变化率 1.引例(1)气球膨胀率:我们都吹过气球回忆一下吹气球的过程,可以发现,随着气球内空气容量的增加,气球的半径增加越来越慢.从数学角度,如何描述这种现象呢?①气球的体积V (单位:L )与半径r (单位:dm )之间的函数关系是334)(r r V π=。
如果将半径r 表示为体积V 的函数,那么343)(πV V r =, ②当V 从0增加到1时,气球半径增加了33(1)(0)0.62()4r r dm π-=≈,气球的平均膨胀率为3(1)(0)30.62(/)104r r dm L π-=≈- ③当空气容量从V 1增加到V 2时,气球的平均膨胀率是1212)()(V V V r V r --(2)高台跳水:在高台跳水运动中,运动员相对于水面的高度h (单位:m )与起跳后的时间t (单位:s )存在函数关系22618h t t =-++.用运动员在某些时间段内的平均速v 度粗略地描述其运动.思考计算:01t ≤≤的平均速度v在01t ≤≤这段时间里,(1)(0)4(/)10h h v m s -==-;2. 函数的平均变化率(1)定义:对于函数()y f x =,给定自变量的两个值1x 和2x ,当自变量x 从1x 变为2x 时,函数值从()1f x 变为()2f x ,把2121()()f x f x y x x x -∆=∆-称为函数()y f x =从1x 到2x 的平均变化率.习惯上用x ∆表示21x x -,即x ∆=21x x -,可把x ∆看作是相对于x 1的一个“增量”,可用1x x +∆代替x 2;类似地y ∆=()()21f x f x -.于是,平均变化率可表示为yx∆∆. (2)平均变化率的几何意义设(())A x f x 11,,(())B x f x 22,是曲线()y f x =上任意不同的两点,函数()y f x =的平均变化率hto211121()()()()f x f x f x x f x y x x x x-+∆-∆==∆-∆为割线AB 的斜率,如右图所示. 【例1】已知函1()f x x x=+,分别计算()f x 在自变量x 从1变到2和从3变到5时的平均变化率,并判断在哪个区间上函数值变化得较快. 【解析】自变量x 从1变到2时,函数()f x 的平均变化率为 f (2)-f (1)2-1=2+12-(1+1)1=12;自变量x 从3变到5时,函数()f x 的平均变化率为 f (5)-f (3)5-3=5+15-⎝ ⎛⎭⎪⎫3+132=1415.因为12<1415,所以函数1()f x x x =+在自变量x 从3变到5时函数值变化得较快.归纳:计算平均变化率的步骤:①求自变量的增量21x x x ∆=-; ②求函数的增量()()21y f x f x ∆=-;③求平均变化率2121()()f x f x y x x x -∆=∆- 二、瞬时变化率 1. 瞬时速度:(1)引例:在上例“高台跳水”中,22618h t t =-++,计算运动员在03t ≤≤这段时间里的平均速度,并思考以下问题: ①运动员在这段时间内使静止的吗?②你认为用平均速度描述运动员的运动状态有什么问题吗?探究过程:如图是函数22618h t t =-++的图像,结合图形可知,(3)(0)h h =, 所以(3)(0)0(/)30h h v m s -==-,虽然运动员在03t ≤≤这段时间里的平均速度为)/(0m s ,但实际情况是运动员仍然运动,并非静止,可以说明用平均速度不能精确描述运动员的运动状态. (2)定义:我们把物体在某一时刻的速度称为瞬时速度 ③运动员在1t =的瞬时速度v 是多少? 运动员在[1,1]t +∆的平均速度为22(1)(1)2(1)6(1)216122(/)h h t h t t v t m s t t t∆+∆--+∆++∆+⨯-⨯====-⋅∆+∆∆∆所以运动员在1t =的瞬时速度为00limlim(22)2(/)t t hv t m s t ∆→∆→∆==-⋅∆+=∆2. 瞬时变化率:一般地,函数()y f x =在0x x =处的瞬时变化率是0000()()limlimx x f x x f x yx x∆→∆→+∆-∆=∆∆,我们称它为函数()y f x =在0x x =处的导数,记作0()f x '或0|x x y =',即00000()()()lim limx x f x x f x yf x x x ∆→∆→+∆-∆'==∆∆ 【例2】如果某物体的运动路程s 与时间t 满足函数2)2(1(s t s =+的单位为m ,t 的单位为)s ,求此物体在1.2s 末的瞬间速度.【解析】224[()1]2()()21 1.2 1.2.82s t t t ∆∆-==+++∆+∆2,004.82limlim() 4.8t t t st ∆→∆→∆∆=∆+=,即 1.2| 4.8t s ==',故物体在1.2 s 末的瞬时速度为4.8 /m s . 【例3】已知函数()2f x x x =-+(1) 求函数()f x 在1x =-附近的平均变化率 (2) 求函数()f x 在1x =-的瞬时变化率 解:(1)(1)(1)y f x f ∆=-+∆--22(1)(1)[(1)(1)]x x =--+∆+-+∆---+-2()3x x =-∆+⋅∆所以,函数()f x 在1x =-附近的平均变化率为2()33y x xx x x∆-∆+⋅∆==-∆∆∆ (2)函数()f x 在1x =-的瞬时变化率为00(1)limlim(33)x x yf x x ∆→∆→∆'-=-∆==∆【例4】将原油精炼为汽油、柴油、塑胶等各种不同产品,需要对原油进行冷却和加热,如果第xh 时,原油的温度(单位:C )为2()715(08)f x x x x =-+≤≤,计算第2h 时和第6h 时,原油温度的瞬时变化率,并说明它们的意义.解:在第2h 时和第6h 时,原油温度的瞬时变化率就是'(2)f 和'(6)f 根据导数定义,0(2)()f x f x fx x+∆-∆=∆∆ 22(2)7(2)15(27215)3x x x x+∆-+∆+--⨯+==∆-∆所以00(2)limlim(3)3x x ff x x ∆→∆→∆'==∆-=-∆同理可得:(6)5f '=在第2h 时和第6h 时,原油温度的瞬时变化率分别为3-和5,说明在2h 附近,原油温度大约以3/C h 的速率下降,在第6h 附近,原油温度大约以5/C h 的速率上升.第1课 平均变化率与瞬时变化率同步作业1.已知函数21y x =+,则在2x =,0.1x ∆=时,y ∆的值为( ) A .0.40 B .0.41 C .0.43 D .0.44【答案】B【解析】2()(21)0.4120.1y +==+2Δ+1-2.一运动物体的运动路程()s t 与时间x 的函数关系为2()2s t t t =-+,则()s t 从2到2t +∆的平均速度为( )A .t -2ΔB .t --2ΔC .t +2ΔD .()t t -2Δ2Δ【答案】B【解析】因为s (2)=-22+2×2=0,所以s (2+Δt )=-(2+Δt )2+2(2+Δt )=-2Δt-(Δt )2, 所以s (2+Δt )-s (2)2+Δt -2=-2-Δt .3.一个物体的运动方程为1s t t =-+2,其中s 的单位是:m t ,的单位是:s ,那么物体在t =3s 时的瞬时速度为( )A .7 m/sB .6 m/sC .5 m/sD .8 m/s 【答案】C【解析】:因为221(3)(3)(133)5t t t s t t∆=∆=∆∆-+∆++--++∆所以()005l i 5i /ml m()t t st t ∆→∆→=+=∆∆∆m s4.若函数f (x )=-x 2+10的图象上一点331,24⎛⎫⎪⎝⎭及邻近一点331,24x y ⎛⎫+∆+∆ ⎪⎝⎭,则y x ∆∆=( )A .3B .-3C .-3-()2x ∆ D .-x ∆-3【答案】D【详解】()233322y f x f x x ⎛⎫⎛⎫∆=+∆-=-∆-∆ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭,()233x x y x x x-∆-∆∆∴==--∆∆∆.故选:D. 5. 一直线运动的物体,从时间t 到t t ∆+时,物体的位移为s ∆,则tst ∆∆→∆0lim为( )A .从时间t 到t t ∆+一段时间内物体的平均速度B .在t 时刻时该物体的瞬时速度C .当时间为t ∆时物体的速度D .在时间t t ∆+时刻物体的瞬时速度 6.(多选)一球沿某一斜面自由滚下,测得滚下的垂直距离h (单位:m)与时间t (单位:s)之间的函数表达式为h (t )=2t 2+2t ,则下列说法正确的是( ) A .前3 s 内球滚下的垂直距离的增量Δh =24 m ;B .在时间[2,3]内球滚下的垂直距离的增量Δh =12 m ;C .前3 s 内球的平均速度为6 m/s ;D .在时间[2,3]内球的平均速度为12 m/s. 【答案】ABD【解析】前3 s 内,Δt =3 s ,Δh =h (3)-h (0)=24(m),此时平均速率为Δh Δt =243=8(m/s),故A 正确,C 不正确;在时间[2,3]内,Δt =3-2=1(s),Δh =h (3)-h (2)=12(m),故平均速度为ΔhΔt=12(m/s),所以BD 正确.综上,A BD都正确.7.2019年4月5日,某地上午9:20的气温为23.4 ℃,下午1:30的气温为15.9 ℃,则在这段时间内气温的平均变化率为__________℃/min. 【答案】-0.03【解析】从上午9:20到下午1:30,共250 min ,这段时间内气温的变化量为15.9-23.4=-7.5(℃)(即气温下降7.5 ℃),所以在这段时间内气温的平均变化率为-7.5250=-0.03(℃/min).8.一做直线运动的物体,其位移()s m 与时间()t s 的关系是23s t t =-,则该物体的初速度是________. 【答案】3 m/s【解析】2000(0)(0)00333lim lim lim() /t t t t t V s t tt ∆→∆→∆→+=∆-==-+⨯=∆+-∆23ΔΔΔm s 初,故物体的初速度为3 m/s.9.如图所示,函数y =f (x )在[x 1,x 2],[x 2,x 3],[x 3,x 4]这几个区间内,平均变化率最大的一个区间是________. 【答案】[x 3,x 4]【解析】由平均变化率的定义可知,函数y =f (x )在区间[x 1,x 2],[x 2,x 3],[x 3,x 4]上的平均变化率分别为:f (x 2)-f (x 1)x 2-x 1,f (x 3)-f (x 2)x 3-x 2,f (x 4)-f (x 3)x 4-x 3,结合图象可以发现函数y =f (x )的平均变化率最大的一个区间是[x 3,x 4].10.某河流在一段时间min x 内流过的水量为3m y ,已知y 是x 的函数,且()y f x ==x 从1变到8时,y 关于x 的平均变化率是多少?它代表什么实际意义?【详解】当x 从1变到8时,y 关于x 的平均变化率为()()()381211m /min 8177f f --==-,它表示时间从1min 增加到8min 的过程中,每增加1min ,水流量平均增加31m 7. 11.求函数2()24y f x x x +==在3x =处的瞬时变化率.解:()()()y x x ⨯⨯22Δ23Δ43Δ2343=+++-+()()x x x x x 2212Δ2Δ4Δ2Δ16Δ=++=+, 所以Δy Δx =2(Δx )2+16Δx Δx=2Δx +16.所以函数2()24y f x x x +==在3x =处的瞬时变化率为00limlim()16216x x yx x ∆→∆→∆+∆==∆12.已知()0)(f x kx b k =+≠在区间[-2,6]上的平均变化率为2,且函数图象过点(0)2,,试求该一次函数的表达式.【解析】因为函数()f x 的图象过点(0,2),所以b =2,即f (x )=kx +2. 因为Δy Δx =f (6)-f (-2)6-(-2)=2,即(6k +2)-(-2k +2)8=2,解得k =2,所以该一次函数的表达式为f (x )=2x +2. 13.求函数()2x f x =与1()12g x x =-在区间[1,](0)a a a -<上的平均变化率,并比较它们的大小.【详解】()2x f x =在区间[1,](0)a a a -<上的平均变化率为11()(1)222(1)a a a f f a f a x a a --∆--==-=∆--; 1()12g x x =-在区间[1,](0)a a a -<上的平均变化率为: 111(1)1()(1)122(1)12a a g g a g a x a a ⎛⎫⎡⎤---- ⎪⎢⎥∆--⎝⎭⎣⎦===∆--. 0,11a a <∴-<-111222a --∴<=,()2x f x ∴=在区间[1,](0)a a a -<上的平均变化率比1()12g x x =-在区间[1,](0)a a a -<上的平均变化率小.。
导数——平均变化率与瞬时变化率本讲教育信息】⼀. 教学内容:导数——平均变化率与瞬时变化率⼆. 本周教学⽬标:1、了解导数概念的⼴阔背景,体会导数的思想及其内涵.2、通过函数图象直观理解导数的⼏何意义.三. 本周知识要点:(⼀)平均变化率1、情境:观察某市某天的⽓温变化图2、⼀般地,函数f(x)在区间[x1,x2]上的平均变化率平均变化率是曲线陡峭程度的“数量化”,曲线陡峭程度是平均变化率“视觉化”.(⼆)瞬时变化率——导数1、曲线的切线如图,设曲线c是函数的图象,点是曲线 c 上⼀点作割线PQ,当点Q 沿着曲线c⽆限地趋近于点P,割线PQ⽆限地趋近于某⼀极限位置PT我们就把极限位置上的直线PT,叫做曲线c在点P 处的切线割线PQ的斜率为,即当时,⽆限趋近于点P的斜率.2、瞬时速度与瞬时加速度1)瞬时速度定义:运动物体经过某⼀时刻(某⼀位置)的速度,叫做瞬时速度.2)确定物体在某⼀点A处的瞬时速度的⽅法:要确定物体在某⼀点A处的瞬时速度,从A点起取⼀⼩段位移AA1,求出物体在这段位移上的平均速度,这个平均速度可以近似地表⽰物体经过A点的瞬时速度.当位移⾜够⼩时,物体在这段时间内的运动可认为是匀速的,所得的平均速度就等于物体经过A点的瞬时速度.我们现在已经了解了⼀些关于瞬时速度的知识,现在已经知道物体做直线运动时,它的运动规律⽤函数表⽰为s=s(t),也叫做物体的运动⽅程或位移公式,现在有两个时刻t0,t0+Δt,现在问从t0到t0+Δt这段时间内,物体的位移、平均速度各是:位移为Δs=s(t0+Δt)-s(t0)(Δt称时间增量)平均速度根据对瞬时速度的直观描述,当位移⾜够⼩,现在位移由时间t来表⽰,也就是说时间⾜够短时,平均速度就等于瞬时速度.现在是从t0到t0+Δt,这段时间是Δt. 时间Δt⾜够短,就是Δt⽆限趋近于0.当Δt→0时,位移的平均变化率⽆限趋近于⼀个常数,那么称这个常数为物体在t= t0的瞬时速度同样,计算运动物体速度的平均变化率,当Δt→0时,平均速度⽆限趋近于⼀个常数,那么这个常数为在t= t0时的瞬时加速度.3、导数3、导数设函数在(a,b)上有定义,.若⽆限趋近于0时,⽐值⽆限趋近于⼀个常数A,则称f(x)在x=处可导,并称该常数A为函数在处的导数,记作.⼏何意义是曲线上点()处的切线的斜率.导函数(导数):如果函数在开区间内的每点处都有导数,此时对于每⼀个,都对应着⼀个确定的导数,从⽽构成了⼀个新的函数,称这个函数为函数在开区间内的导函数,简称导数,也可记作.【典型例题】例1、⽔经过虹吸管从容器甲中流向容器⼄,t s后容器甲中⽔的体积(单位:),计算第⼀个10s内V的平均变化率.解:在区间[0,10]上,体积V的平均变化率为即第⼀个10s内容器甲中⽔的体积的平均变化率为.例2、已知函数,,分别计算在区间[-3,-1],[0,5]上函数及的平均变化率.解:函数在[-3,-1]上的平均变化率为在[-3,-1]上的平均变化率为函数在[0,5]上的平均变化率为在[0,5]上的平均变化率为例3、已知函数,分别计算函数在区间[1,3],[1,2],[1,1.1],[1,1.001]上的平均变化率.解:函数在区间[1,3]上的平均变化率为函数在[1,2]上的平均变化率为函数在[1,1.1]上的平均变化率为函数在[1,1.001]上的平均变化率为例4、物体⾃由落体的运动⽅程s=s(t)=gt2,其中位移单位m,时间单位s,g=9.8 m/s2. 求t=3这⼀时段的速度.解:取⼀⼩段时间[3,3+Δt],位置改变量Δs=g(3+Δt)2-g·32=(6+Δt)Δt,平均速度g(6+Δt)当Δt⽆限趋于0时,⽆限趋于3g=29.4 m/s.例5、已知质点M按规律s=2t2+3做直线运动(位移单位:cm,时间单位:s),(1)当t=2,Δt=0.01时,求.(1)当t=2,Δt=0.01时,求.(2)当t=2,Δt=0.001时,求.(3)求质点M在t=2时的瞬时速度.分析:Δs即位移的改变量,Δt即时间的改变量,即平均速度,当Δt越⼩,求出的越接近某时刻的速度.解:∵=4t+2Δt∴(1)当t=2,Δt=0.01时,=4×2+2×0.01=8.02 cm/s.(2)当t=2,Δt=0.001时,=4×2+2×0.001=8.002 cm/s.(3) Δt0,(4t+2Δt)=4t=4×2=8 cm/s例6、曲线的⽅程为y=x2+1,那么求此曲线在点P(1,2)处的切线的斜率,以及切线的⽅程.解:设Q(1+,2+),则割线PQ的斜率为:斜率为2∴切线的斜率为2.切线的⽅程为y-2=2(x-1),即y=2x.【模拟试题】1、若函数f(x)=2x2+1,图象上P(1,3)及邻近点Q(1+Δx,3+Δy),则=()A. 4B. 4ΔxC. 4+2ΔxD. 2Δx2、⼀直线运动的物体,从时间到时,物体的位移为,那么时,为()A. 从时间到时,物体的平均速度;B. 在时刻时该物体的瞬时速度;C. 当时间为时物体的速度;D. 从时间到时物体的平均速度3、已知曲线y=2x2上⼀点A(1,2),求(1)点A处的切线的斜率.(2)点A处的切线⽅程.4、求曲线y=x2+1在点P(-2,5)处的切线⽅程.5、求y=2x2+4x在点x=3处的导数.6、⼀球沿⼀斜⾯⾃由滚下,其运动⽅程是s=s(t)=t2(位移单位:m,时间单位:s),求⼩球在t=5时的瞬时速度7、质点M按规律s=2t2+3做直线运动(位移单位:cm,时间单位:s),求质点M在t=2时的瞬时速度.【试题答案】1、B2、B3、解:(1)时,k=∴点A处的切线的斜率为4.(2)点A处的切线⽅程是y-2=4(x-1)即y=4x-24、解:时,k=∴切线⽅程是y-5=-4(x+2),即y=-4x-3.5、解:Δy=2(3+Δx)2+4(3+Δx)-(2×32+4×3)=2(Δx)2+16Δx,=2Δx+16∴时,y′|x=3=166、解:时,瞬时速度v=(10+Δt)=10 m/s.∴瞬时速度v=2t=2×5=10 m/s.7、解:时,瞬时速度v==(8+2Δt)=8cm/s。
2.1平均变化率与瞬时变化率(讲义+典型例题+小练)一、平均变化率设0x 是函数)(x f y =定义域的一点,如果自变量x 在0x 处有增量x ∆,则函数值y 也引起相应的增量)()(00x f x x f y -∆+=∆;比值xx f x x f x y ∆-∆+=∆∆)()(00称为函数)(x f y =在点0x 到x x ∆+0之间的平均变化率;例1:1.若函数()2f x x t =-,当1x m ≤≤时,平均变化率为2,则m 等于( )A .5B .2C .3D .1【答案】D 【解析】 【分析】直接利用平均变化率的公式求解. 【详解】 解:由题得.故选:D2.求函数y =x 3在x 0到x 0+Δx 之间的平均变化率.【答案】320x +3x 0·Δx +(Δx )2【解析】 【分析】利用函数的解析式求出区间两个端点的函数值;利用平均变化率公式求出即可. 【详解】当自变量从x 0到x 0+Δx ,函数的平均变化率为00()()f x x f x x +∆-∆=3300()x x x x +∆-∆ =23233000033()()x x x x x x x x +⋅∆+∆+∆-∆ =2300233()()x x x x x x⋅∆+∆+∆∆ =320x +3x 0·Δx +(Δx )2.举一反三:1.求函数223y x x =-+在区间23,212⎡⎤⎢⎥⎣⎦和252,12⎡⎤⎢⎥⎣⎦上的平均变化率.【答案】在区间23,212⎡⎤⎢⎥⎣⎦和252,12⎡⎤⎢⎥⎣⎦上的平均变化率分别为2312和2512.【解析】【分析】根据题意,由平均变化率的定义求出函数在两个区间上的平均变化率,即可得答案. 【详解】解:根据题意,函数2223(1)2y x x x =-+=-+,在区间23[12,2]的平均变化率为2223[(21)2][(1)2]23122312212y x -+--+==-, 在区间[2,25]12的平均变化率为2225[(1)2][(21)2]25122512212y x -+--+==-. 2.小球在光滑斜面上向下滚动,从开始滚动算起时间t 内所经过的距离为()2s t at =,求小球在时间段[]2,2h +内的平均速度. 【答案】4a ah + 【解析】 【分析】利用平均速度的定义直接可求. 【详解】因为小球在t 内所经过的距离为()2s t at =,所以在时间段[]2,2h +内的平均速度为()()()222222422s h s a h a a ah h h+-+⨯==++--.3.如图,直线l 为经过曲线上点P 和Q 的割线.(1)若(1,2)P ,(5,7)Q ,求l 的斜率;(2)当点Q 沿曲线向点P 靠近时,l 的斜率变大还是变小? 【答案】(1)54(2)斜率变大 【解析】 【分析】(1)直接根据两点的斜率公式计算可得;(2)根据直线的倾斜角的变化及直线的斜率与倾斜角的关系判断即可; (1)解:因为(1,2)P ,(5,7)Q ,所以725514l k -==-; (2)解:当Q 沿曲线向点P 靠近时,直线的倾斜角α(锐角)在变大,又tan k α=,所以直线l 的斜率变大了;二.瞬时变化率设0x 是函数)(x f y =定义域的一点,如果自变量x 在0x 处有增量x ∆,则函数值y 也引起相应的增量)()(00x f x x f y -∆+=∆;当x ∆、△y 都趋向0时。