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指数函数

指数函数把输入放在指数位置,形如 f(x)=ax,其中 a>0 且 a≠1。它的特征是输入每增加同样的量,输出总乘同样的倍数。底数大于 1 时增长;底数在 0 与 1 之间时衰减。

从连续翻倍读出函数

设某个理想化数量在 t=0 为 5,每经过一个等长时间单位恰好翻倍,则整数时刻的记录依次为 5、10、20、40。用 N(t)=5⋅2t 表示这个规则。对于任意允许的实数时间,指数运算按指数与分数指数幂的方式扩展;模型还假定中间时刻延续同样的倍数规律。

N(t+1)=5⋅2t+1=2N(t),说明“每增加 1,乘 2”;而 N(t+2)=4N(t)。这与一次函数“每增加 1,加同一个数”不同。如果实际过程只在整数期结算,连续时刻的数值是额外的建模选择,不是离散记录自动给出的事实。

底数决定图像方向

2x 经过 (0,1)、(1,2)、(−1,1/2),始终为正并严格递增。(1/2)x=2−x 也经过 (0,1),却严格递减;它的图像是 2x 关于纵轴的镜像。一般 a>1 时 ax 递增,0<a<1 时递减,定义域均为全体实数,值域均为 (0,∞)。

当 x 沿着使函数变小的方向远去,函数值越来越接近零却不会等于零。因此横轴是水平渐近线,不是“最终衰减为零的时刻”。底数 a=1 给出常数 1,通常从指数函数的研究中单独排除。

一个衰减模型的检查

设一种合成教学案例中的样品,每 3 小时剩余原量的一半,起始量 80 克。把 t 以小时计,模型为 M(t)=80(12)t/3,t≥0. 在 t=6 小时,指数为 2,剩余 80/4=20 克。代回时间 t+3 可得 M(t+3)=M(t)/2,与“每三小时减半”的假设一致。这个函数只有在衰减比例保持稳定、没有补充与额外损失时才适用;真实放射性衰变还涉及大量粒子的随机过程,见指数增长与衰减。

练习:初值为 7,每经过两小时乘 3,写出模型并求四小时的值。N(t)=7⋅3t/2,所以 N(4)=7⋅32=63。检验:0、2、4 小时依次为 7、21、63,确实每两小时乘 3。

参考资料