Test: Funcția exponențială și creșterea exponențială
Disciplina: Matematică · Clasa a IX-a · Unitatea: Funcția exponențială și funcția logaritmică
Exerciții
Partea I – Funcția exponențială: valori, grafic, monotonie
Exercițiul 1 (6 puncte)
Alege litera corespunzătoare răspunsului corect (câte 2 puncte):
a) Pentru funcția , , valoarea este: A. ; B. ; C. ; D. .
b) Funcția , , este: A. strict crescătoare; B. strict descrescătoare; C. constantă; D. crescătoare pe și descrescătoare pe .
c) Graficul oricărei funcții exponențiale (cu , ) intersectează axa în punctul: A. ; B. ; C. ; D. .
Exercițiul 2 (6 puncte)
În același reper cartezian sunt desenate graficele funcțiilor și .
a) Precizează care dintre cele două curbe este graficul lui și care este graficul lui , justificând prin monotonie. (2 p) b) Citește de pe grafic valorile , și . (1,5 p) c) Determină, folosind graficul, valoarea lui pentru care . (1,5 p) d) Precizează coordonatele punctului comun celor două grafice și explică de ce este comun. (1 p)
Exercițiul 3 (6 puncte)
Stabilește dacă fiecare afirmație este adevărată (A) sau falsă (F) și justifică pe scurt (câte 1,5 puncte): a) „Pentru orice număr real are loc ." b) „Funcția , , este strict crescătoare." c) „Numărul este cuprins între și ." d) „Dacă un capital crește cu în fiecare an, atunci după doi ani el a crescut, în total, cu ."
Exercițiul 4 (6 puncte)
Se consideră funcția , . a) Calculează , și . (3 p) b) Arată că . (2 p) c) Determină numărul real pentru care . (1 p)
Partea a II-a – Creșterea exponențială și modelele ei
Exercițiul 5 (8 puncte)
Într-un vas de laborator se află la începutul observației de bacterii, iar numărul lor se dublează în fiecare oră. Notăm cu numărul de bacterii după ore.
a) Completează tabelul cu numărul de bacterii după , , , și ore. (2 p)
| (ore) | |||||
|---|---|---|---|---|---|
b) Scrie formula funcției . (2 p) c) Câte bacterii sunt după ore? (2 p) d) După câte ore numărul bacteriilor ajunge la ? (2 p)
Exercițiul 6 (7 puncte)
O persoană depune de lei într-un depozit cu dobândă de pe an, capitalizată anual (dobânda se adaugă la sumă și produce, la rândul ei, dobândă). Notăm cu suma din cont, în lei, după ani.
a) Scrie formula funcției . (2 p) b) Calculează suma din cont după ani. (2 p) c) Calculează suma din cont după ani. (2 p) d) Dacă banca ar fi plătit dobândă simplă de pe an (adică mereu de lei pe an, calculați la suma inițială), câți lei ar fi avut persoana după ani și cu cât este mai avantajoasă dobânda compusă? (1 p)
Exercițiul 7 (7 puncte)
Rezolvă folosind monotonia funcției exponențiale, fără calculator. a) Compară numerele și . (2 p) b) Compară numerele și . (2 p) c) Arată că pentru orice și că pentru orice . (3 p)
Exercițiul 8 (6 puncte)
Se consideră funcția , .
a) Alcătuiește tabelul de valori al funcției pentru . (2 p) b) Trasează graficul funcției într-un reper cartezian, folosind punctele obținute. (2 p) c) Precizează imaginea funcției și explică de ce graficul nu intersectează axa . (2 p)
Exercițiul 9 (6 puncte)
a) Precizează între ce numere întregi consecutive se află numărul și scrie valoarea lui aproximativă cu trei zecimale. (2 p) b) Pentru funcția , , ordonează crescător numerele , și , justificând prin monotonie. (2 p) c) Explică de ce, pentru orice , are loc . (2 p)
Partea a III-a – Probleme, modelare și itemi de tip examen
Exercițiul 10 (8 puncte)
După administrarea unei doze de de miligrame dintr-un medicament, cantitatea rămasă în sânge se înjumătățește la fiecare 4 ore. Notăm cu cantitatea de medicament, în miligrame, rămasă după ore.
a) Calculează , și . (2 p) b) Scrie formula funcției . (2 p) c) După câte ore în sânge rămân exact mg? (2 p) d) Calculează cantitatea rămasă după de ore. (1 p) e) Explică de ce, potrivit acestui model, cantitatea de medicament nu ajunge niciodată exact la . (1 p)
Exercițiul 11 (8 puncte)
(Redactare completă cerută.) Doi elevi primesc, timp de mai multe zile, câte o sumă zilnică de bani, după două reguli diferite:
- oferta A: de lei în prima zi și, în fiecare zi următoare, cu de lei mai mult decât în ziua precedentă;
- oferta B: leu în prima zi și, în fiecare zi următoare, dublul sumei din ziua precedentă.
Notăm cu și sumele primite în ziua .
a) Calculează suma primită în ziua a -a la fiecare dintre cele două oferte. (3 p) b) Calculează suma primită în ziua a -a la fiecare dintre cele două oferte. (2 p) c) Determină prima zi în care oferta B devine mai avantajoasă decât oferta A. (1 p) d) Explică de ce, de la un moment dat, oferta B rămâne definitiv mai avantajoasă, oricât de mare ar fi creșterea zilnică din oferta A. (2 p)
Exercițiul 12 (8 puncte)
Populația unui oraș este astăzi de de locuitori și crește cu în fiecare an. Notăm cu numărul de locuitori după ani.
a) Scrie formula funcției . (2 p) b) Calculează numărul de locuitori după ani. (2 p) c) Calculează numărul de locuitori după ani. (2 p) d) Arată că populația orașului se dublează între al treilea și al patrulea an. (2 p)
Exercițiul 13 (8 puncte)
(Item tip Bacalaureat.) Se consideră funcția , . a) Arătați că . (2 p) b) Determinați numărul real pentru care . (3 p) c) Arătați că , pentru orice număr real . (3 p)
Barem și răspunsuri
Punctaj total: 90 p din itemi + 10 p din oficiu = 100 p.
Exercițiul 1. (6 p) — câte 2 puncte.
a) B. . Exponentul negativ nu face numărul negativ, ci îl răstoarnă: puterile lui rămân mereu pozitive. (Variantele și vin exact din această confuzie.)
b) B. Baza este , iar , deci funcția este strict descrescătoare: cu cât exponentul crește, cu atât valoarea se apropie de . Verificare: , iar .
c) B. Pentru avem , indiferent de bază, deci toate graficele exponențiale trec prin . Varianta ar fi corectă pentru .
Exercițiul 2. (6 p)
a) (2 p) Curba care urcă de la stânga la dreapta este graficul lui , pentru că baza dă o funcție strict crescătoare (1 p); curba care coboară este graficul lui , pentru că baza este subunitară, deci funcția este strict descrescătoare (1 p).
b) (1,5 p) , , (câte p fiecare).
c) (1,5 p) Se trasează dreapta orizontală și se caută intersecția cu curba crescătoare: ea are loc la (1 p). Verificare prin calcul: (0,5 p). Fiind strict crescătoare, funcția ia valoarea o singură dată.
d) (1 p) Punctul comun este , deoarece și — orice număr nenul la puterea dă .
Exercițiul 3. (6 p) — câte 1,5 puncte (0,5 p răspunsul, 1 p justificarea).
a) A. Valorile funcției exponențiale sunt strict pozitive pentru orice exponent: pentru înmulțim numere pozitive, pentru obținem , iar pentru obținem fracția , tot pozitivă. De aceea codomeniul este , iar graficul nu coboară niciodată sub axa .
b) F. Baza este , iar , deci funcția este strict descrescătoare. Verificare numerică: , iar — exponentul a crescut, valoarea a scăzut.
c) A. este un număr irațional, , deci . Din acest motiv graficul lui „stă" între graficele lui și .
d) F. Creșterile procentuale nu se adună, ci se înmulțesc: după doi ani capitalul devine din cel inițial, adică o creștere de , nu de . Diferența de este „dobânda la dobândă" — exact ceea ce face creșterea să fie exponențială, nu liniară.
Exercițiul 4. (6 p)
a) (3 p) (1 p); (1 p); (1 p).
b) (2 p) (0,5 p); (1 p). Cele două rezultate coincid (0,5 p), ceea ce ilustrează regula , cu .
c) (1 p) , deci .
Exercițiul 5. (8 p)
a) (2 p) Fiecare valoare se obține din precedenta prin înmulțire cu (câte p pentru fiecare căsuță):
| (ore) | |||||
|---|---|---|---|---|---|
b) (2 p) Numărul inițial este , iar factorul de creștere pe oră este (1 p), deci Verificare: ✓, ca în tabel.
c) (2 p) de bacterii (1 p pentru , 1 p pentru rezultat).
d) (2 p) Din rezultă (1 p). Cum , obținem ore (1 p). (Se acceptă și rezolvarea prin dublări succesive în tabel: , adică încă două ore după .)
Exercițiul 6. (7 p)
a) (2 p) Dobânda de înseamnă înmulțirea sumei, în fiecare an, cu (1 p), deci
b) (2 p) de lei (1 p pentru , 1 p pentru rezultat). Se poate calcula și pas cu pas: .
c) (2 p) lei (1 p pentru puterea a treia, 1 p pentru rezultat). Pas cu pas: .
d) (1 p) Cu dobândă simplă ar fi avut de lei, deci dobânda compusă aduce în plus lei. Diferența pare mică după trei ani, dar crește tot mai repede cu trecerea timpului — acesta este efectul „dobânzii la dobândă".
Exercițiul 7. (7 p)
a) (2 p) Baza este , deci funcția este strict crescătoare (1 p). Cum , rezultă
b) (2 p) Baza este , subunitară, deci funcția este strict descrescătoare, iar inegalitatea dintre exponenți se inversează la valori (1 p). Din rezultă Verificare: ✓.
c) (3 p) Funcția are baza , deci este strict crescătoare pe , și (1 p). Dacă , din monotonie rezultă , adică (1 p). Dacă , tot din monotonie rezultă , adică (1 p). Geometric: graficul trece prin și urcă, deci este deasupra dreptei la dreapta originii și sub ea la stânga.
Exercițiul 8. (6 p)
a) (2 p) Se folosește (câte p pentru fiecare valoare):
b) (2 p) Se marchează punctele , , , , (1 p) și se unesc printr-o curbă netedă, descrescătoare, care se apropie de axa spre dreapta fără să o atingă (1 p). (Se scade p dacă graficul este desenat ca linie frântă sau dacă atinge axa .)
c) (2 p) (1 p). Graficul nu intersectează axa pentru că ecuația nu are soluție: o putere cu bază strict pozitivă este întotdeauna strict pozitivă, oricât de mare ar fi exponentul (1 p). Valorile se apropie oricât de mult de , dar nu îl ating — axa este asimptotă.
Exercițiul 9. (6 p)
a) (2 p) se află între și (1 p), iar (1 p). Este un număr irațional, ca și : scrierea lui zecimală este infinită și neperiodică.
b) (2 p) Baza , deci este strict crescătoare (1 p). Cum , rezultă Aproximativ: .
c) (2 p) Aici exponentul este același, iar bazele diferă: (1 p). Pentru un exponent strict pozitiv, cu cât baza este mai mare, cu atât puterea este mai mare, deci pentru orice (1 p). Verificare pentru : . (Observație: pentru inegalitățile se inversează, iar pentru toate cele trei valori sunt egale cu .)
Exercițiul 10. (8 p)
a) (2 p) La fiecare ore cantitatea se împarte la : mg, mg, mg (câte p, plus p pentru raționamentul înjumătățirii succesive).
b) (2 p) Numărul de înjumătățiri după ore este (1 p), deci Verificare: ✓. (Se acceptă și scrierea echivalentă .)
c) (2 p) , deci sunt necesare înjumătățiri (1 p). Fiecare durează ore, așadar ore (1 p). Verificare pe șir: ✓.
d) (1 p) După de ore au trecut înjumătățiri, deci mg.
e) (1 p) Fiindcă la fiecare pas cantitatea se împarte la , ea rămâne mereu un număr strict pozitiv: jumătatea unui număr pozitiv nu este niciodată zero. Valorile se apropie oricât de mult de (axa timpului este asimptotă), fără să îl atingă.
Exercițiul 11. (8 p) — redactare completă.
a) (3 p) Oferta A crește cu același număr de lei în fiecare zi, deci este o progresie aritmetică cu și rația : Oferta B se înmulțește cu același număr în fiecare zi, deci este o progresie geometrică cu și rația : În ziua a -a oferta A este încă mai bună.
b) (2 p) de lei (1 p); de lei (1 p). În doar două zile, situația s-a inversat categoric.
c) (1 p) În ziua a -a: , deci A este încă mai bună; în ziua a -a: , iar . Prima zi în care oferta B este mai avantajoasă este ziua a -a.
d) (2 p) Oferta A crește liniar: la fiecare pas se adună aceeași cantitate, deci sumele urmează o dreaptă (1 p). Oferta B crește exponențial: la fiecare pas se înmulțește cu , iar creșterea de la o zi la alta este ea însăși din ce în ce mai mare (de la leu, la , la , la ). Orice funcție exponențială cu baza supraunitară depășește, de la un rang încolo, orice funcție liniară și rămâne definitiv deasupra, oricât de mare ar fi rația adunată — pentru că înmulțirea repetată bate adunarea repetată (1 p).
Exercițiul 12. (8 p)
a) (2 p) O creștere de pe an înseamnă înmulțire cu în fiecare an (1 p), deci
b) (2 p) de locuitori (1 p pentru , 1 p pentru rezultat). Pas cu pas: .
c) (2 p) de locuitori (1 p pentru , 1 p pentru rezultat). Pas cu pas: .
d) (2 p) Dublul populației inițiale este . Avem (1 p), iar deci momentul dublării se află între al treilea și al patrulea an. (Populația crește în fiecare an, deci pragul de este depășit exact o dată, în acest interval.)
Exercițiul 13. (8 p)
a) (2 p) și (1 p), deci (1 p). (Este cazul particular al observației că, la fiecare pas, funcția crește exact cu cât valorează în punctul precedent — de aceea se și „dublează".)
b) (3 p) Scriem ca putere a lui : (1,5 p). Ecuația devine , iar funcția exponențială fiind strict crescătoare, ia fiecare valoare cel mult o dată, deci (1,5 p).
c) (3 p) Pentru orice număr real , (Se acceptă și varianta cu , urmată de simplificare — este esențial ca elevul să precizeze că , ceea ce face simplificarea legitimă.)
Pentru părinți și profesori
Acest test verifică primul contact cu funcția exponențială, la nivel de trunchi comun. Sunt evaluate trei lucruri: funcția în sine — calculul valorilor, forma graficului, faptul că toate valorile sunt strict pozitive și că monotonia depinde exclusiv de bază ( înseamnă creștere, înseamnă descreștere); creșterea exponențială ca model al lumii reale — bacterii care se dublează, populații care cresc cu un procent fix, bani care produc dobândă compusă, medicamente care se elimină prin înjumătățire; și, în final, comparația dintre creșterea liniară și cea exponențială, adică motivul pentru care exponențiala „explodează". Sunt acoperite lecțiile Funcția exponențială f(x) = a^x, Creșterea exponențială: de ce «explodează» și Numărul irațional e și funcția e^x. Logaritmii — adică drumul invers, de la valoare înapoi la exponent — fac obiectul testului următor al unității.
- Punctaj total: 100 de puncte (90 de puncte din itemi + 10 puncte din oficiu).
- Timp recomandat: 50 de minute (o oră de curs).
- Cum se aplică: elevul lucrează individual, pe foaie de matematică, cu riglă și fără calculator — toate numerele sunt alese astfel încât calculele să iasă exact. Rezultatele subunitare se lasă sub formă de fracție ireductibilă (de exemplu ) sau ca zecimală finită, când este mai natural (de exemplu mg). La itemii cu grafic se punctează și tabelul de valori, nu doar desenul. La final se compară rezolvările cu Baremul și răspunsurile.
- Interpretare: 90–100 p = foarte bine; 75–89 p = bine; 60–74 p = satisfăcător; sub 60 p = se recomandă reluarea lecțiilor unității, cu accent pe legătura dintre bază și monotonie și pe scrierea formulei unui model exponențial.
- Formule de reținut: funcția exponențială de bază (cu și ) este , . Pentru orice real, — graficul se află în întregime deasupra axei , pe care o are drept asimptotă, deci . Fiindcă , graficul trece întotdeauna prin punctul . Monotonia: dacă , funcția este strict crescătoare; dacă , este strict descrescătoare. Reguli de calcul folosite: , , . Modelul exponențial: o mărime care se înmulțește cu același număr în fiecare unitate de timp se scrie , unde este valoarea inițială; la o creștere de pe perioadă avem , iar la o scădere, . Dobânda compusă: . Numărul este irațional, , deci , iar este funcția exponențială naturală, strict crescătoare.
Notă: în barem, cuvântul „itemul" este folosit ca termen de evaluare; la clasă, în vorbirea curentă, spunem „exercițiul".
