📐 第 1 課 · 函式的概念與性質

從跑鞋到函式

炸彈人穿上跑鞋後越跑越快——這個「秘密」裡,藏著函式最核心的思想 👟

🎮 互動教學 ⏱ 約 15 分鐘 📐 人教版必修第一冊 · 第三章

🎯 本課學習目標

1
🎮 穿跑鞋的炸彈人
① 遊戲引入 · 👆 點選體驗 →

🎮 跑起來,觀察規律

給炸彈人穿上不同等級的跑鞋,2️⃣點「開始跑」。觀察:時間每過 1 秒,炸彈人跑了多遠?資料會實時記錄並畫出影象。

速度: 0 米/秒 未穿鞋
當前速度 v
2.0
米/秒
時間 t
0.0
秒
距離 s
0.0
米

📊 實時資料表

t (秒)s (米)s÷t

📈 實時函式影象

💡 觀察要點:每過 1 秒,距離 s 增加了多少?換不同的跑鞋,這個「每秒增加的值」會變嗎?資料點連起來是什麼形狀?
2
📖 從遊戲到數學:什麼是函式?
② 概念講解 · 核心概念

🔍 從遊戲中「抽象」出函式

剛才的遊戲中,我們記錄了 時間 t 和 距離 s 的對應關係。仔細想想:

遊戲中的事實
炸彈人每過 1 秒,就前進一段距離
↓ 抽象
時間 t → 距離 s
關鍵特徵
給定一個時刻,炸彈人有且只有一個位置
↓ 抽象
一個輸入 → 唯一輸出
數學表達
距離 = 速度 × 時間
↓ 抽象
s = v · t

📖 函式的定義

人教版必修第一冊(P63):

📘 定義

一般地,設 A、B 是數字的集合,如果按照某種確定的對應關係 f,使對於集合 A 中的任意一個數 x,在集合 B 中都有唯一確定的數 f(x) 和它對應,那麼就稱 f : A → B 為從集合 A 到集合 B 的一個函式。

記作:y = f(x),x ∈ A

💡 一句話理解:函式就是一種「機器」——扔進去一個數(輸入),出來唯一確定的一個數(輸出)。炸彈人遊戲就是這臺機器:扔進去時間 t,出來唯一的位置 s。

🧩 函式的三要素

① 輸入的範圍(x的取值範圍)(自變數的取值範圍)
遊戲:時間 t 從 0 開始,到停下為止
↓
x 的取值範圍 A
② 對應關係(f 的規則)
遊戲:s = v × t(速度乘以時間)
↓
f: x ↦ f(x) 的變換規則
③ 輸出的範圍(y的所有結果)(函式值的集合)
遊戲:所有可能到達的位置
↓
{f(x) | x ∈ A}
三要素 = 輸入的範圍(x的取值範圍) + 對應關係 + 輸出的範圍(y的所有結果)
(輸入的範圍(x的取值範圍)和對應關係確定後,輸出的範圍(y的所有結果)也就唯一確定了)

📐 函式的表示方法

同一個函式,可以用三種方式表示。剛才的遊戲中,你已經全部見過了:

① 解析式法
用數學式子表示
↓
s = 4t
② 列表法
實時資料表
↓
t: 0,1,2,3...
s: 0,4,8,12...
③ 圖象法
實時函式影象
↓
一條過原點的直線
解析式: s = vt ← 最精確,便於計算
列 表: (t, s) 的對應值 ← 直觀,能看到具體數值
圖 象: 座標平面上的直線 ← 形象,能看出變化趨勢

⭐ 特殊型別:正比例函式

當炸彈人從原點出發(初始位置為 0),距離與時間的關係 s = vt 是一種非常重要的函式:

正比例函式: y = kx (k ≠ 0)
其中 k 叫做「比例係數」

在 s = vt 中,v 就是比例係數 k。它決定了直線的「陡峭程度」——速度越快,直線越陡。 這正是我們下一步要親手驗證的!

3
🔬 調節斜率 k
③ 互動實驗 · 拖動滑塊 →

在正比例函式 y = kx 中,k 叫做斜率。它決定了直線的陡峭程度。 在炸彈人遊戲中,k 就是跑鞋的速度等級。

3.0
y = 3.0 x
💡 當 k = 3.0 時,x 每增加 1,y 增加 3。直線比 45° 角更陡一些。
🎮 遊戲對照:k = 2 對應「脫鞋」、k = 4 對應「普通跑鞋」、k = 7 對應「超級跑鞋」。 把滑塊拖到這三個值,看看直線的陡峭程度是不是正好對應了遊戲中炸彈人的快慢!
4
🎯 挑戰關卡
④ 挑戰關卡 · 共 4 題
1 下列對應關係中,哪些是函式?(多選)
① 每個時間 t 對應炸彈人唯一的位置 s
② 每個人的身高對應他的體重
③ 一個 x 值對應兩個不同的 y 值
2 炸彈人穿普通跑鞋,速度 v = 4 米/秒。如果 s(t) = 4t,求 5 秒後跑了多遠?
用函式記號表示,就是求 s(5) = ?
3 函式 s = vt 的圖象(v ≠ 0)是(  )
回憶剛才遊戲中實時畫出的影象
4 炸彈人穿超級跑鞋(v=7),要在 6 秒內追上前方 30 米處的道具。能追上嗎?
追上意味著 6 秒內跑的距離 ≥ 30 米
⌨️ 小提示:👆 點選選項即可作答,答完 4 題後自動顯示總分。
💻
💻 Python 核心程式碼:用程式碼表達正比例函式
⑤ 本課小結 · 講乾貨
🐍 正比例函式 y = kx ▼ 👆 點選展開程式碼 →
lesson1_proportional.py📋 複製
def position(t, k):
 """正比例函式:距離 = 速度 × 時間"""
 return k * t
# 三種跑鞋的速度
shoes = {'脫鞋': 2, '普通': 4, '超級': 7}
# 計算 5 秒後各跑多遠
for name, k in shoes.items():
 s = position(5, k)
 print(f'{name}跑鞋: 5秒跑了{s}米')
▶ 執行輸出
脫鞋跑鞋: 5秒跑了10米
普通跑鞋: 5秒跑了20米
超級跑鞋: 5秒跑了35米
📈 用 matplotlib 畫函式影象 ▼ 4 行畫出直線 →
lesson1_plot.py📋 複製
import matplotlib.pyplot as pt
t = [0, 1, 2, 3, 4, 5]
k = 4 # 普通跑鞋
s = [k * x for x in t] # 核心:一行算出所有距離
pt.plot(t, s, 'o-')
pt.savefig('line.png')
📝
📝 本課小結
回顧今日所學

今天你學到了什麼?

🎮 從遊戲中來
炸彈人穿跑鞋 → 速度 v 不同 → 時間 t 與距離 s 的對應關係不同
📖 函式定義
兩個非空數集 A、B 之間的唯一確定的對應關係 f: A→B
🧩 三要素
輸入的範圍(x的取值範圍) + 對應關係 + 輸出的範圍(y的所有結果)。確定一個函式,關鍵看前兩個
📐 三種表示
解析式(精確)、列表(直觀)、圖象(形象)
⭐ 正比例函式
y = kx (k≠0),圖象是過原點的直線,k 決定陡峭程度
🔗 遊戲↔數學
跑鞋速度 = 斜率 k;時間 = x;距離 = y;s = vt 就是 y = kx
下節預告:第 2 課 —— 三種語言說同一件事(函式的表示法)
💡 同一個函式,公式、表格、影象三種「說法」
👉 前往第 2 課