书城教材教辅探索未知——函数的巧妙运用
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第5章 指数函数与对数函数(3)

工人们停止了撞击。所有的眼睛全都注视着这只华丽的船,船上的白色篷帆在斜阳下像镀了金一样。快艇很快就出现在船坞的正前面。船坞上成千的人都出神地看着它。突然听到一声惊呼,“特拉波科罗”号正当快艇的右舷对着它的时候,开始摇摆着滑下去了。两条船就要相撞了。已经没有时间、没有方法能够防止这场惨祸了。“特拉波科罗”号很快地斜着向下面滑去……船头上卷起了因摩擦而起的白雾,船尾已经淹没在了水里。

突然出现了一个人,他抓住“特拉波科罗”号前部的缆索,用力地拉,几乎把身子弯得接近了地面。不到一分钟,他已经把缆绳绕在钉在地里的铁桩上。他冒着被摔死的危险,用超人的气力,用手拉住缆索大约有10秒钟。最后,缆索断了。可是这10秒时间已经很足够:“特拉波科罗”号进水以后,只轻轻擦了一下快艇,就向前驶了开去。快艇脱了险。

下面用数学的方法来分析一下“特拉波科罗”号事件:公元1748年,瑞士数学家欧拉在他的传世之作《无穷小分析引论》中研究了滚轮摩擦的问题。

欧拉发现:对于一个很小的转角a,绳子的张力差的量值T与T及a成正比。上图中T1、T2分别是人的拉力方向的力和船的拉力方向的力,T=T2—T1,T则近似的等于T1、T2。即T∝α,写成等式为:T=—kTα式中k为摩擦系数,负号是因为问题中张力的值是减少的。其中T=T0e—ka。这就是著名的欧拉滚轮摩擦公式。

现在转到故事中来。假定“特拉波科罗”号船体重50吨,船台坡度为1∶10,那么船的下滑力约为5吨,即5000千克;又假设马蒂夫来得及把缆绳在铁桩上绕了三圈,即a=2π×3=6π;而绳索与铁桩之间的摩擦系数k=0.33。

把上述数值代入欧拉公式,便可得到马蒂夫拉住绳子另一头所需要的气力T(千克力,1千克力≈10牛)为:

T=5000×e—0.33×6π。

T的值是很容易用对数的方法求出来的。

lgT=lg5000—0.33×6×3×3.1416lge。

=3.6990—0.33×6×3.1416×0.4343。

=0.9975。

T=9.943(千克力)

这就是说,儒勒·凡尔纳笔下那位力挽狂澜的“大力士”。实际上所用的力气不足10千克。这是连一个少年都能做得到的。

变量中的常量

众所周知,目前的银行存款中,存8年期的利率,往往比存1年期或存3年期的利率高。读者可能以为这仅仅是为了鼓励人们去存较长期限的储蓄。实际上这是本该如此的。因为倘若存长期的利率没有比存短期的利率高出一定限度,那么甚至于存短期的储蓄对储户更加合算。

为说明上述的道理,我们假定所有存款的年利率均为12.5%。让我们看一看究竟会出现什么毛病。

假设某甲,持本金100元存入银行,一存8年,容易算出,8年后他连本带利恰好取回200元。

又设某乙,也持本金100元存入银行,存4年;4年后取出,旋即又将本利再次存入,又存4年。容易算出,头尾8年某乙连本带利共可收回a2=100×(1+12)2=225(元)

瞧,某乙把一次8年期的存款,分为两次4年期存。本身只多办一道手续,结果竟多得了25元,这相当于本金的四分之一,可算是一笔不少的钱数。

再设某丙、某丁、某戊,把8年的期限分得更细,分别等分成3次存、4次存和5次存。每次取出后又立即将款全数存入。这样,头尾8年,各人分别得款(单位元):

a3=100×(1+13)3=237.04。

a4=100×(1+14)4=244.14。

a5=100×(1+15)5=248.83。

同样,某N,也有本金100元,但把8年期限等分成n次存,每次取出后再度存入,则8年后可得(单位元):

an=100×(1+1n)n。

可以证明,当分划期限越短时,到期本利和越高。不过,当n无限增大时,变量an也不可能无限增大,它以一个常量为极限,这个常量为:

α=limn→∞αn。

=limn→∞[100×(1+1n)n]。

=100e=271.83。

这就是说,如果存1年期的利率为12.5%,那么存8年期的年利率就必须不低于:

P=a100—18=27183—18=2148%。

否则便会出现一种混乱的局面:储户为了谋求较高的利息,不惜花时间频繁地取出又存进。

变量中的常量,往往具有深刻的意义。在柯尔詹姆斯基的《趣味数学》中,有一则关于旅行的别致故事:

甲、乙两人骑自行车旅行,某甲中途车坏,只好停下来修理,但最后因无法修复而决定舍弃坏车,继续前进。然而,此时两人只有一车,于是约定:一人骑车,一人步行。骑车的人到某一地方把车留下,改为步行;而后面步行的人,起到留车的地方换成骑车。骑一段时间后又改成步行,把车留给后者。如此这般,两人轮流骑车。问从某甲车坏时起,最少需要花多长时间,两人才能同时抵达目的地?假定车坏处(O)与目的地(E)之间的距离为60公里,自行车速度为15公里/小时,步行速度为5公里/小时。

下面让我们通过作图来探讨一下可能的解答:

以O为原点,时间为x轴,距离为Y轴,建立坐标系XOY,由于人步行的速度和自行车速度都是变化过程中的常量,因此它们分别表现为坐标系XOY中的射线OC和OD。

令E1、E2分别为甲、乙两人车坏后第一次和第二次相遇的地点。此时,某甲先是步行到A1,然后骑车经过E1抵达A2,又改成步行到E2;而某乙则先骑车到B1,然后由B1步行经E1到达B2,又改成骑车抵E2;当然,在E2相遇后各人依然继续前行。由于车速和人速始终保持不变,所以表示骑车或表示步行的线段,应当各自平行。即四边形OA1E1B1及E1B2E2A2均为平行四边形。又注意到甲改步行为骑车,与乙改骑车为步行,位于同一地点。因此线段A1B1及A2B2等都平行于x轴。假定两次换车的地点距O处分别为y1,y2公里。则因射线OC、OD的方程为:

OC:y=5x。

OD:y=15x。

可得A、B两点的坐标如下:

A(y15),B(y115,y1)

从而E1点坐标(xE1,yE1)为:

xE1=xA+xB=y15+y115=415y1。

yE1=yA+yB=2y1。

yE1xE1=2y1415y1。

=152。

所以yE1=(152)xE1。

这表明E1点位于由原点发出的斜率为152的射线上。同理,E2,E3,也应当都位于这条射线上。再由于O点离目的地E距离为60公里,因此到达的时间x应满足:

60=(152)x。

从而x=8(小时)

上述结果表明:不管甲乙两人在路途上骑车、步行怎样换来换去,只要是同时到达目的地,所用的时间总是8小时。这一类变量中的常量,并不是所有人一开始都能知道的。

有时某些变化的量中,总保持着某种特定的关系。一个最常见的例子,就是两个正数x1、x2的以下关系式x1+x22≥x1x2。

等式当且仅当x1=x2时才成立。

上面的正数算术平均值与几何平均值的关系式,可以推广到n个数。即对于n个正数x1,x2…,xn有:

x1+x2+…+xnn≥nx1x2…xn。

等号当且仅当x1=x2=…=xn时才成立。

上述不等式的一个简单而巧妙的证明,是利用对数函数y=lgx图像的凸性。所谓函数图像在某区间的凸性是指:在该区间函数图像上的任意两点所连成的线段,整个地位于函数图像的下方(或上方)。对数函数y=lgx图像的凸性是很容易证明的,读者不妨试试。

现设x1,x2,…xn为n个正数,已按从小到大排列。又A1为相应于横坐标为x1的、y=lgx图像上的点。易知,多边形A1,A2,…An为凸多边形,因此点系重心G(x,y)必位于多边形内。即有lgx≥y。

x=x1+x2+…xnn。

y=lgx1+lgx2+…lgxnn=lgnx1x2…xn。

所以lgx1+x2+…+xnn≥lgnx1x2…xn。

从而x1+x2+…+xnn≥nx1x2…xn。

等号当且仅当x1,x2…xn都相等时才成立。

上述不等式在数学的许多领域,有着广泛和有趣的应用。