函数公式网 对数函数 拉伸而不改变形状——指数函数的图形悖论

拉伸而不改变形状——指数函数的图形悖论

直觉告诉我们,当一个物体被压缩时,它会改变形状。

那么今天我们来思考这样一个问题:

什么样的平面图形无论垂直压缩多少次都不会改变形状?

首先大家能想到的就是水平线段,或者水平射线,或者水平直线,因为这种线只有长度,没有粗细, 无论它如何压缩,它都不会改变。

如果是垂直线段就不行,如果垂直压缩会变短。

所以为了压缩后不改变形状,垂直线段必须上下无限延伸,成为垂直线或垂直射线。

存在多条平行竖线,或由无数条平行竖线组成的平面图形也满足此性质。

除了这些常见的图形,你还能想到还有哪些平面图形具有这个属性呢?

其实我们高中学的指数函数的图形就有这个性质。

首先我们来看一下压缩变换的坐标表示

(x,y)—->(x,ay)

这里 a 是一个小于 1 的任意正数。这样的压缩变换将函数 y=f(x) 的图像变成了函数 y=af(x) 的图像。 当函数为指数函数时,(e=2.718….为自然常数)变换过程为:

这里ln a指的是唯一满足ex=a的实数x。

注意,新函数图像也可以通过将旧函数图像右移|ln a|得到,因为两个函数图像y=f(x)和y=f( x α) 相差一个水平平移。

注意平移不会改变图像的形状,所以这个压缩变换(x,y)—->(x,ay)不会改变指数函数图像的形状。

这确实有点违反直觉,所以我把这种现象称为指数函数的图悖论。

最后总结一下,加法对应的是平移变换,乘法对应的是拉伸变换,指数函数是把加法变成乘法,所以指数函数的图像每一次拉伸变换都和一次平移效果一样 转型!

作为指数函数的反函数对数函数也有类似的现象,留给读者自己总结。

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