📐 第 3 課 · 函式的單調性

加速還是剎車?

炸彈人踩油門越來越快、踩剎車越來越慢——函式影象跟著升升降降

🎮 速度實時變化⏱ 約 15 分鐘📐 人教版必修第一冊 · 第三章

🎯 本課學習目標

1
🎮 加速 vs 減速:速度變了,影象怎麼變?
① 遊戲引入 · 選模式後點開始 →

🎮 給炸彈人踩油門或踩剎車

這次速度不是固定的——加速時越來越快,減速時越來越慢。觀察速度表和函式影象如何實時響應。

勻速
📈 加速
📉 減速
模式: 勻速 t = 0.0s

⚡ 實時速度表

4.0 m/s

📈 實時函式影象 s(t)

💡 觀察:加速時影象是「越陡的曲線」還是「直線」?減速時呢?
2
📖 函式的單調性
② 概念講解 · 核心概念

📖 定義(人教版必修第一冊 P76)

📘 單調遞增(越來越大)

設函式 f(x) 的輸入的範圍(x的取值範圍)為 I,區間 D ⊆ I。如果 ∀x₁, x₂ ∈ D,當 x₁ < x₂ 時,都有 f(x₁) < f(x₂),就稱 f(x) 在區間 D 上單調遞增(越來越大)。

📘 單調遞減(越來越小)

類似地,當 x₁ < x₂ 時,都有 f(x₁) > f(x₂),就稱 f(x) 在區間 D 上單調遞減(越來越小)。

💡 通俗理解:單調遞增(越來越大) = 自變數變大,函式值也變大(影象上升);單調遞減(越來越小) = 自變數變大,函式值變小(影象下降)。

🎮 遊戲對照

📈 加速運動
速度越來越快,每秒走的距離越來越長
→
s(t) 單調遞增(越來越大),且增加越來越快(下凸)
➡️ 勻速運動
速度不變,每秒走的距離相同
→
s(t) 單調遞增(越來越大),均勻增加(直線)
📉 減速運動
速度越來越慢,每秒走的距離越來越短
→
s(t) 單調遞增(越來越大),但增加越來越慢(上凸)

📐 關鍵區分

單調遞增(越來越大): 函式值隨 x 增大而增大 ← 影象從左下到右上
單調遞減(越來越小): 函式值隨 x 增大而減小 ← 影象從左上到右下
⚠️ 注意: 減速運動 s(t) 仍是單調遞增(越來越大)!← 只是增加的速度變慢了
⚠️ 易錯點:減速運動時,炸彈人仍在往前走(s 仍在增大),只是每秒走的距離在減小。所以 s(t) 仍然是單調遞增(越來越大)的,只是影象變"平緩"了。
3
🔬 調節加速度
③ 互動實驗 · 拖動滑塊 →

🔬 改變加速度 a,看影象形狀變化

運動公式:s(t) = v₀t + ½at²。調節初速度 v₀ 和加速度 a,觀察影象如何彎曲。

s(t) = 4.0t + ½·1.0t²
💡 a = 1.0 > 0,影象為下凸曲線(越陡越快),表示加速運動。
4
🎯 挑戰關卡
④ 挑戰關卡 · 共 4 題
1函式 f(x) 在區間 [1,5] 上,x 越大 f(x) 越大,那麼 f(x) 在該區間(  )
2炸彈人減速運動時,s(t) 的單調性是(  )
提示:s(t) 是距離,減速時仍在往前走
3s(t) = 4t + t² 的圖象形狀是(  )
4下列函式在 (0,+∞) 上單調遞減(越來越小)的是(  )

5
💻 Python 核心程式碼:判斷單調性
⑤ 本課小結 · 講乾貨
🐍 二次函式 + 單調性判斷 ▼ 核心 10 行 →
lesson3_monotonic.py📋 複製
def s(t, v0=4, a=1):
 """勻加速運動:s = v₀t + ½at²"""
 return v0*t + 0.5*a*t**2
# 判斷單調性:看相鄰兩點的差
def is_increasing(f, xs):
 return all(f(xs[i+1]) > f(xs[i]) for i in range(len(xs)-1))
t = [0, 1, 2, 3, 4, 5]
print([s(x) for x in t])
# [0, 4.5, 10, 16.5, 24, 32.5] → 單調遞增(越來越大)
▶ 執行輸出
[0.0, 4.5, 10.0, 16.5, 24.0, 32.5]
→ 單調遞增(越來越大)(a>0,越來越快)
6
📝 本課小結

今天你學到了什麼?

📈 單調遞增(越來越大)
x 增大 → f(x) 增大,影象從左下到右上
📉 單調遞減(越來越小)
x 增大 → f(x) 減小,影象從左上到右下
🎮 加速 ≠ 遞減
減速運動 s(t) 仍遞增,只是增加變慢(上凸)
📐 二次函式
s=v₀t+½at²,a>0 下凸,a<0 上凸
下節預告:第 4 課 —— 火力與爆炸半徑(冪函式(x的n次方))
💡 火力翻倍,面積翻 4 倍?
👉 前往第 4 課