第14讲 数学建模——函数的模型及其应用
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第14讲数学建模——函数的模型及其应用激活思维1.某沙漠地区的某天某时段气温(单位:℃)与时间(单位:h)的函数关系是f(t)=-t2+24t -101(4≤t≤18),则该沙漠地区在该时段的最大温差是( )A. 54 ℃B. 58 ℃C. 64 ℃D. 68 ℃2.用长度为24的材料围一矩形场地,中间加两道隔墙,要使矩形的面积最大,则隔墙的长度为( )A. 3B. 4C. 6D. 123. 将甲桶中的a L水缓慢注入空桶乙中,t min后甲桶中剩余的水量符合指数衰减曲线y=a e nt.假设过5min后甲桶和乙桶的水量相等,若再过m min甲桶中的水只有a4 L,则m的值为( )A. 5B. 8C. 9D. 104.某人2017年7月1日到银行存入一年期款a元,若年利率为x,按复利计算,到2020年7月1日可取回款( )A. a(1+x)3元B. a(1+x)4元C. a+a(1+x)3元D. a(1+x3)元5. 在某个物理实验中,测得变量x和变量y的几组数据如下表:则对x,yA. y=2xB. y=x2-1C. y=2x-2D. y=log2x知识聚焦1. 数学模型及数学建模数学模型就是把实际问题用数学语言抽象概括,再从数学的角度来反映或近似地反映实际问题时,所得出的关于实际问题的数学描述.数学建模是把实际问题加以抽象概括,建立相应的模型,利用这些模型来研究实际问题的一般数学方法.2. 解函数应用题时,要注意四个步骤:第一步:阅读理解;第二步:引入数学符号,建立数学模型;第三步:利用数学的方法将得到的常规函数问题(即数学模型)予以解答,求得结果;第四步:将所得结果再转译成具体问题的解答.以上过程用框图表示如下:3. 指数、对数、幂函数模型性质比较分类解析目标1 利用函数的图表刻画实际问题(例1)2018年翼装飞行世界锦标赛在张家界举行,如图反映了在空中高速飞行的某翼人从某时刻开始15min内的速度v(x)与时间x的关系,若定义“速度差函数”u(x)为时间段[0,x]内的最大速度与最小速度的差,则u(x)的图象是( )A BC D物价上涨是当前的主要话题,特别是菜价,我国某部门为尽快实现稳定菜价,提出四种绿色运输方案.据预测,这四种方案均能在规定的时间T内完成预测的运输任务Q0,各种方案的运输总量Q与时间t的函数关系如图所示,在这四种方案中,运输效率(单位时间的运输量)逐步提高的是( )目标2 已知函数模型求解实际问题(1) 研究发现,当对某学科知识的学习次数x不超过6次时,对该学科的掌握程度f(x)=0.1+15lnaa-x.根据经验,学科甲、乙、丙对应的a的取值区间分别为(115,121],(121,127],(127,133].当学习某学科知识6次时,其掌握程度是85%,则该学科是(参考数据:e0.05≈1.05,e0.85≈2.34)( )A. 甲B. 乙C. 丙D. 三者均可能(2) (2021·青岛调研)某企业准备投入适当的广告费对甲产品进行促销宣传,在一年内预计销售量y(单位:万件)与广告费x(单位:万元)之间的函数关系为y=1+3x x+2(x≥0).已知生产此产品的年固定投入为4万元,每生产1万件此产品仍需再投入30万元,且能全部售完.若每件甲产品售价(单位:元)定为“平均每件甲产品所占生产成本的150%”与“年平均每件甲产品所占广告费的50%”之和,则当广告费为1万元时,该企业甲产品的年利润为( )A. 30.5万元B. 31.5万元C. 32.5万元D. 33.5万元天文学中为了衡量星星的明暗程度,古希腊天文学家喜帕恰斯(Hipparchus,又名依巴谷)在公元前二世纪首先提出了星等这个概念.星等的数值越小,星星就越亮;星等的数值越大,它的光就越暗.到了1850年,由于光度计在天体光度测量中的应用,英国天文学家普森(M.R.Pogson)又提出了衡量天体明暗程度的亮度的概念.天体的明暗程度可以用星等或亮度来描述.两颗星的星等与亮度满足m1-m2=2.5(lg E2-lg E1),其中星等为m i的星的亮度为E i(i=1,2).已知“心宿二”的星等是1.00,“天津四”的星等是1.25,“心宿二”的亮度是“天津四”的r倍,则与r最接近的是(当|x|较小时,10x≈1+2.3x+2.7x2)( )A. 1.24B. 1.25C. 1.26D. 1.27目标3 构造函数模型求解实际问题响应国家提出的“大众创业,万众创新”的号召,小王大学毕业后决定利用所学专业进行自主创业.经过市场调研,生产某小型电子产品需投入年固定成本2万元,每生产x万件,需另投入流动成本W(x)万元,当年产量不足8万件时,W(x)=1 3x2+2x,当年产量不小于8万件时,W(x)=7x+100 x-37.每件产品售价6元,通过市场分析,小王生产的商品能当年全部售完.(1)写出年利润P(x)(单位:万元)关于年产量x(单位:万件)的函数解析式;(注:年利润=年销售收入-固定成本-流动成本)(2)年产量为多少万件时,小王在这一商品的生产中所获利润最大?最大利润是多少?(2020·西安模拟)某校为了规范教职工绩效考核制度,现准备拟定一函数用于根据当月评价分数x(正常情况0≤x≤100,且教职工平均月评价分数在50分左右,若有突出贡献可以高于100分)计算当月绩效工资y(单位:元).要求绩效工资不低于500元,不设上限且让大部分教职工绩效工资在600元左右,另外绩效工资越低、越高人数要越少.则下列函数最符合要求的是( )A. y=(x-50)2+500B. y=10x25+500C. y=11 000(x-50)3+625D. y=50[10+lg(2x+1)]课堂评价1.如图给出了某种豆类生长枝数y(单位:枝)与时间t(单位:月)的散点图,那么此种豆类生长枝数与时间的关系用下列函数模型近似刻画最好的是( )(第1题)A. y=2t2(t>0)B. y=log2t(t>0)C. y=t3(t>0)D. y=2t(t>0)2.李华经营了甲、乙两家电动轿车销售连锁店,其月利润(单位:元)分别为L1=-5x2+9 00x-16 000,L2=300x-2 000(其中x为销售辆数),若某月两连锁店共销售了110辆,则能获得的最大利润为( )A. 11 000元B. 22 000元C. 33 000元D. 40 000元3.候鸟每年都要随季节的变化而进行大规模的迁徙,研究某种鸟类的专家发现,该种鸟类的飞行速度v(单位:m/s)与其耗氧量Q之间的关系为v=a+b log3Q 10(其中a,b是实数).据统计,该种鸟类在静止时其耗氧量为30个单位,而其耗氧量为90个单位时,其飞行速度为1 m/s.(1) 求出a,b的值;(2) 若这种鸟类为赶路程,飞行的速度不能低于2 m/s,则其耗氧量至少要多少个单位?。
第14讲数学建模——函数的模型及其应用一、单项选择题(选对方法,事半功倍)1. 已知碳14是一种放射性元素,在放射过程中,质量会不断减少.已知1克碳14经过5 730年,质量经过放射消耗到0.5克,则再经过________年,质量可放射消耗到0.125克()A. 5 730B. 11 460C. 22 920D. 45 8402. 在某种新型材料的研制中,实验人员获得了下列一组实验数据,现准备用下列四个函数中的一个近似表示这些数据的规律,其中最接近的一个是()A. y=2x-2B. y=2(x2-1)C. y=log2xD. y=log 1 2x3. 基本再生数R0与世代间隔T是新冠肺炎的流行病学基本参数.基本再生数指一个感染者传染的平均人数,世代间隔指相邻两代间传染所需的平均时间.在新冠肺炎疫情初始阶段,可以用指数模型:I(t)=e rt描述累计感染病例数I(t)随时间t(单位:天)的变化规律,指数增长率r与R0,T近似满足R0=1+rT.有学者基于已有数据估计出R0=3.28,T=6.据此,在新冠肺炎疫情初始阶段,累计感染病例数增加1倍需要的时间约为(ln 2≈0.69)()A. 1.2天B. 1.8天C. 2.5天D. 3.5天4. (2021·厦门模拟)大西洋鲑鱼每年都要逆流而上,游回到自己出生的淡水流域产卵.记鲑鱼的游速为v(单位:m/s),鲑鱼的耗氧量的单位数为Q.科学研究发现v与log3Q100成正比.当v=1 m/s时,鲑鱼的耗氧量的单位数为890,则当v=2 m/s时,其耗氧量的单位数为()A. 2 670B. 7 120C. 7 921D. 8 010二、多项选择题(练—逐项认证,考—选确定的)5. 小菲在学校选修课中了解到艾宾浩斯遗忘曲线,为了解自己记忆一组单词的情况,她记录了随后一个月的有关数据,绘制图象,拟合了记忆保持量f (x )与时间x (单位:天)之间的函数关系f (x )=⎩⎪⎨⎪⎧ -720x +1,0<x ≤1,15+920x -12,1<x ≤30.(第5题)则下列说法正确的是( )A. 随着时间的增加,小菲的单词记忆保持量降低B. 第一天小菲的单词记忆保持量下降的最多C. 9天后,小菲的单词记忆保持量低于40%D. 26天后,小菲的单词记忆保持量不足20%6. (2020·烟台期末)为了预防新冠病毒感染,某学校每天定时对教室进行喷洒消毒.教室内每立方米空气中的含药量y (单位:mg)随时间x (单位:h)的变化情况如图所示,在药物释放过程中,y 与x 成正比;药物释放完毕后,y 与x 的函数关系式为y =⎝ ⎛⎭⎪⎫18x -a (a 为常数),则( )(第6题)A. 当0≤x ≤0.2时,y =5xB. 当x >0.2时,y =⎝ ⎛⎭⎪⎫18x -0.1 C. 2330小时后,教室内每立方米空气中的含药量可降低到0.25 mg 以下D. 1315小时后,教室内每立方米空气中的含药量可降低到0.25 mg 以下三、 填空题(精准计算,整洁表达)7. 在不考虑空气阻力的情况下,火箭的最大速度v (单位:m/s)和燃料的质量M (单位:kg)、火箭的质量m (单位:kg)的函数关系式是v =2 000·ln ⎝ ⎛⎭⎪⎫1+M m .当燃料质量是火箭质量的________倍时,火箭的最大速度可达到12 km/s.8. (2020·福州三模)“熔喷布”是口罩生产的重要原材料,1吨熔喷布大约可供生产100万只口罩.2020年,制造口罩的企业甲的熔喷布1月份的需求量为100吨,并且从2月份起,每月熔喷布的需求量均比上个月增加10%.企业乙是企业甲熔喷布的唯一供应商,企业乙2020年1月份的产能为100吨,为满足市场需求,从2月份到k 月份(2<k <8且k ∈N ),每个月比上个月增加一条月产量为50吨的生产线投入生产,从k +1月份到9月份不再增加新的生产线.计划截止到9月份,企业乙熔喷布的总产量除供应企业甲的需求外,还剩余不少于990吨的熔喷布可供给其它厂商,则企业乙至少要增加________条熔喷布生产线.(参考数据:1.18≈2.14,1.19≈2.36)9. (2021·天一中学)某地西红柿上市后,通过市场调查,得到西红柿种植成本Q (单位:元/100 kg)与上市时间t (单位:天)的数据如下表:Q 与上市时间t 的变化关系:Q =at +b ,Q =at 2+bt +c ,Q =a ·b t ,Q =a ·log b t .利用你选取的函数,求得西红柿种植成本最低时的上市天数是________;最低种植成本是________元/100 kg.四、 解答题(让规范成为一种习惯)10. 某跨国饮料公司在对全世界所有人均GDP(即人均纯收入)在0.5~8千美元的地区销售该公司A 饮料的情况调查时发现:该饮料在人均GDP 处于中等的地区销售量最多,然后向两边递减.(1) 下列几个模拟函数中:①y =ax 2+bx ;②y =kx +b ;③y =log a x +b ;④y =ax +b (x 表示人均GDP ,单位:千美元,y 表示年人均A 饮料的销售量,单位:L).用哪个模拟函数来描述人均A 饮料销售量与地区的人均GDP 关系更合适?说明理由.(2) 当人均GDP 为1千美元时,年人均A 饮料的销售量为2 L ,当人均GDP 为4千美元时,年人均A 饮料的销售量为5 L ,把(1)中你所选的模拟函数求出来,并求出各个地区中,年人均A 饮料的销售量最多是多少.11. 近年来,共享单车的出现为市民“绿色出行”提供了极大的方便,某共享单车公司计划在甲、乙两座城市共投资240万元,根据行业规定,每个城市至少要投资80万元,由前期市场调研可知:甲城市收益p 与投入a (单位:万元)满足p =42a -6,乙城市收益Q 与投入a (单位:万元)满足Q =⎩⎪⎨⎪⎧ a 4+2,80≤a ≤120,32,120<a ≤160.设甲城市的投入为x (单位:万元),两个城市的总收益为f (x )(单位:万元).(1) 当投资甲城市128万元时,求此时公司总收益;(2) 试问如何安排甲、乙两个城市的投资,才能使公司总收益最大?。
第14讲数学建模——函数的模型及其应用一、单项选择题(选对方法,事半功倍)1. (2020·太原二模)春天来了,某池塘中的荷花枝繁叶茂,已知每一天新长出荷叶覆盖水面面积是前一天的2倍,若荷叶20天可以完全长满池塘水面,则当荷叶刚好覆盖水面面积一半时,荷叶已生长了()A. 10天B. 15天C. 19天D. 2天2. 已知每生产100 g饼干的原材料加工费为1.8元.某食品加工厂对饼干采用两种包装,包装费用、销售价格如下表所示:①买小包装实惠;②买大包装实惠;③卖3小包比卖1大包盈利多;④卖1大包比卖3小包盈利多.A. ①③B. ①④C. ②③D. ②④3. (2020·淮北二模)某汽车销售公司在A,B两地销售同一种品牌的汽车,在A地的销售利润(单位:万元)为y1=4.1x-0.1x2,在B地的销售利润(单位:万元)为y2=2x,其中x为销售量(单位:辆),若该公司在两地共销售16辆该种品牌的汽车,则能获得的最大利润是()A. 10.5万元B. 11万元C. 43万元D. 43.025万元4. (2020·北京海淀一模)形如22n+1(n是非负整数)的数称为费马数,记为F n.数学家费马根据F0,F1,F2,F3,F4都是质数提出了猜想:费马数都是质数.多年之后,数学家欧拉计算出F5不是质数,那么F5的位数是(参考数据:lg 2≈0.3010)()A. 9B. 10C. 11D. 125. 如图所示,液体从一个圆锥形漏斗漏入一个圆柱形桶中,开始时漏斗中盛满液体,经过3 s漏完,圆柱形桶中液面上升速度是一个常量,则漏斗中液面下降的高度H与下降时间t之间的函数关系的图象只可能是()(第5题)6. 某学校数学建模小组为了研究双层玻璃窗户中每层玻璃厚度d (每层玻璃的厚度相同)及两层玻璃间夹空气层厚度l 对保温效果的影响,利用热传导定律得到热传导量q 满足关系式q =λ1||ΔT d ⎝ ⎛⎭⎪⎫λ1l λ2d +2,其中玻璃的热传导系数λ1=4×10-3焦耳/(厘米·度),不流通、干燥空气的热传导系数λ2=2.5×10-4焦耳/(厘米·度),ΔT 为室内外温度差,q 值越小,保温效果越好,现有4种型号的双层玻璃窗户,具体数据如下表:A. A 型B. B 型C. C 型D. D 型二、 多项选择题(练—逐项认证,考—选确定的)7. 某食品的保鲜时间t (单位:h)与存储温度x (单位:℃)满足函数关系t =⎩⎨⎧64,x ≤0,2kx +6,x >0,且该食品在4 ℃的保鲜时间是16 h .已知甲在某日上午10时购买了该食品,并将其遗放在室外,且此日的室外温度随时间变化如图所示,则下列结论正确的是( )(第7题)A. 该食品在6 ℃的保鲜时间是8 hB. 当x ∈[-6,6]时,该食品的保鲜时间t 随着x 的增大而逐渐减少C. 到了此日13时,甲所购买的食品还在保鲜时间内D. 到了此日14时,甲所购买的食品已然过了保鲜时间8. (2020·济南月考)甲、乙、丙、丁四个物体同时从某一点出发向同一方向运动,它们的路程f i (x )(i =1,2,3,4)关于时间x (x ≥0)的函数关系式分别为f 1(x )=2x -1,f 2(x )=x 2,f 3(x )=x ,f 4(x )=log 2(x +1),则下列结论正确的是( )A. 当x >1时,甲走在最前面B. 当x >1时,乙走在最前面C. 当0<x <1时,丁走在最前面,当x >1时,丁走在最后面D. 如果它们一直运动下去,最终走在最前面的是甲9. 小菲在学校选修课中了解到艾宾浩斯遗忘曲线,为了解自己记忆一组单词的情况,她记录了随后一个月的有关数据,绘制图象,拟合了记忆保持量f (x )与时间x (天)之间的函数关系f (x )=⎩⎪⎨⎪⎧-720x +1,0<x ≤1,15+920x -12,1<x ≤30.(第9题)则下列说法正确的是( )A. 随着时间的增加,小菲的单词记忆保持量降低B. 第一天小菲的单词记忆保持量下降的最多C. 9天后,小菲的单词记忆保持量低于40%D. 26天后,小菲的单词记忆保持量不足20%三、 填空题(精准计算,整洁表达)10. 某食品的保鲜时间y (单位:h)与储藏温度x (单位:℃)满足函数关系y =e kx +b (e =2.718…为自然对数的底数,k ,b 为常数).若该食品在0 ℃的保鲜时间是192 h ,在22 ℃的保鲜时间是48 h ,则该食品在33 ℃的保鲜时间是________h.11. 声强级L 1(单位:dB)由公式L 1=10lg ⎝ ⎛⎭⎪⎫I 10-12给出,其中I 为声强(单位:W/m 2).(1) 若平时常人交谈时的声强约为10-6 W/m 2,则其声强级为________dB. (2) 一般正常人听觉能忍受的最高声强为1 W/m 2,能听到的最低声强为10-12W/m 2,则正常人听觉的声强级范围为________dB.12. 加工爆米花时,爆开且不糊的粒数占加工总粒数的百分比称为“可食用率”.在特定条件下,可食用率p 与加工时间t (单位:min)满足函数关系p =at 2+bt +c (a ,b ,c 是常数),如图记录了三次实验的数据.根据上述函数模型和实验数据,可以得到最佳加工时间为________min.(第12题)四、 解答题(让规范成为一种习惯)13. 汽车智能辅助驾驶已开始得到应用,其自动刹车的工作原理是用雷达测出车辆与前方障碍物之间的距离(并结合车速转化为所需时间),当此距离等于报警距离时就开始报警提醒,等于危险距离时就自动刹车.若将报警时间划分为4段,分别为准备时间t 0、人的反应时间t 1、系统反应时间t 2、制动时间t 3,相应的距离分别为d 0,d 1,d 2,d 3,如图所示.当车速为v (单位:m/s),且v ∈(0,33.3]时,通过大数据统计分析得到下表给出的数据(其中系数k随地面湿滑程度等路面情况而变化,k∈[1,2]).(第13题)(1) d(v);并求当k=1,在汽车达到报警距离时,若人和系统均未采取任何制动措施,仍以此速度行驶的情况下,汽车撞上固定障碍物的最短时间(精确到0.1 s);(2) 若要求汽车不论在何种路面情况下行驶,报警距离均小于50 m,则汽车的行驶速度应限制在多少千米/小时?。