学习指南

线性定律 — 直线形式

CIE IGCSE 附加数学· 7.4· 12 分钟阅读

1. 多项式关系的变换★★☆☆☆⏱ 3 min

许多非线性关系仅通过简单的代数整理就可以转化为直线形式,无需使用对数。这适用于x和y的指数均为固定常数的多项式形式,例如

📘 定义

直线形式变换

将非线性关系整理为符合形式的过程,其中Y和X是原变量x和y的函数,m为斜率,c为Y轴截距。

📐 例题

将关系式变换为形式,指出Y、X、m和c分别是什么。

  1. 1

    将给定形式与目标直线结构对比。因变量项为,自变量项为

  2. 2

    定义变换后的变量:

  3. 3

    代入原方程可得:

  4. 4

    确定数值:斜率,截距

Exam tip:

在考试作答时务必清晰标注变换后的Y和X变量,避免丢失步骤分。

2. 幂关系的线性化($y = Ax^n$)★★★☆☆⏱ 3 min

幂关系中x的指数为未知常数n,因此我们使用对数运算法则消去指数,得到线性形式。对等式两边取以10为底的对数,可以将乘积和幂运算转化为加法项。

📐 例题

变换为直线形式,并说明如何通过变换后的图像求出A和n。

  1. 1

    对方程两边取常用对数:

  2. 2

    应用对数乘积法则:

  3. 3

    应用对数幂法则:

  4. 4

    对应形式:,斜率,截距

  5. 5

    计算常数:n等于图像的斜率,,其中c为Y轴截距。

3. 指数关系的线性化($y = Ab^x$)★★★☆☆⏱ 3 min

指数关系中x位于指数位置,因此我们同样使用对数将这类形式线性化。该过程与幂关系的处理几乎完全相同,但变换后的X变量是原变量x本身,而非x的对数函数。

📐 例题

变换为直线形式,并说明如何通过变换后的图像求出A和b。

  1. 1

    两边取常用对数:

  2. 2

    应用乘积法则:

  3. 3

    应用幂法则:

  4. 4

    对应形式:,斜率,截距

  5. 5

    计算常数:

✓ 快速检测
  1. 对于关系式,以为纵轴、x为横轴的变换后图像的斜率是多少?

    显示答案
    $\lg 2 \approx 0.3010$

    正确!斜率等于,其中b是指数的底数,本题中b=2。

4. 线性定律考试题型求解★★★★☆⏱ 4 min

✓ 计算器

大多数考试题会给出实验测得的x和y数值,或者变换后的直线图像,要求你计算未知常数。请务必写出所有变换步骤,以拿到全部步骤分。

📐 例题

绘制变化的图像得到一条直线,其斜率为2,Y轴截距为0.69897。求关系式中A和n的值。

  1. 1

    回顾幂关系的变换形式:

  2. 2

    将斜率与n对应:

  3. 3

    将截距与对应:

  4. 4

    计算A:

  5. 5

    最终关系式:

5. 将$e$与$\ln$相关关系线性化★★★★☆⏱ 4 min

✓ 计算器

自然指数和自然对数属于0606考纲内容,7.4节的线性定律示例包含这类形式。处理这类问题的方法和之前的题型完全一致:选取变换后的变量Y和X,使方程变为的形式,随后从斜率和截距中直接读出未知常数。

📐 例题

变量x和y满足,其中A和B为常数。将绘图可得到一条过点的直线,求A和B的值。

  1. 1

    该方程已经是和的形式:块等于A乘以块再加上常数B。因此将作为纵轴、作为横轴绘图即可,此处无需取对数。

  2. 2

    定义变换变量,原关系变为,因此斜率为A,截距为B。

  3. 3

    根据两个已知点计算斜率:

  4. 4

    将点代入求出B:,因此

  5. 5

    用第二个点验证:,与点吻合,因此

📐 例题

变量x和y满足关系,其中a和n为常数。使用自然对数将绘图,得到一条斜率为0.5、过点的直线,求n和a的值。

  1. 1

    两边同时取自然对数:

  2. 2

    运用对数的乘积法则和幂次法则:,整理可得

  3. 3

    将其与对应,令,可得斜率,截距

  4. 4

    从斜率直接读出n的值:

  5. 5

    该直线过点,因此截距。由于使用的是自然对数,可得(保留三位有效数字)。

  6. 6

    因此,原方程为。请注意底数规则:使用时我们通过还原常数,而使用时则需要用计算。

✓ 快速检测
  1. 对于方程,你应该选取哪两个量分别作为Y轴和X轴来得到一条直线?

    显示答案
    $Y = y^3$ against $X = \ln x$

    正确!项已经单独分离出来与常数相加,因此将绘图即可,此时斜率等于A,截距等于B,无需额外取对数。

Exam tip:

形式在0606考卷中频繁出现。当你看到y带有e的幂次或者出现项时即可识别这类题型,随后选取合适的Y和X变量,确保没有未知量留在对数或指数内部。

6. 处理实验数据表★★★★☆⏱ 5 min

✓ 计算器

最常见的线性定律考题会给出一张实验数值表,要求你:(i) 补全一行变换后的数值,(ii) 说明需要将哪两个量绘图才能得到直线,(iii) 用直线上的两个点求出未知常数。请完成下面使用指数模型的示例。

1

10

2

20

3

40

4

80

5

160

📐 例题

上表中的变量满足关系,其中A和b为常数。(i) 补全的数值行,所有数值保留两位小数。(ii) 说明需要将哪两个量绘图才能得到一条直线。(iii) 利用直线上的两个点求出A和b的值。

  1. 1

    (i) 部分:对每个y值取常用对数:(均保留两位小数)。

  2. 2

    (ii) 部分:对两边同时取常用对数:

  3. 3

    将其与对比:将作为纵轴,作为横轴绘图。此时斜率为,截距为

  4. 4

    (iii) 部分:变换后的点位于同一条直线上。选取两个间距较大的点,例如

  5. 5
    m=2.201.0051=1.204=0.30m = \frac{2.20 - 1.00}{5 - 1} = \frac{1.20}{4} = 0.30
  6. 6

    斜率等于,因此,可得

  7. 7

    将点代入求出截距,因此

  8. 8

    随后可得

  9. 9

    因此,原方程为。代入x=3验证:,与表中数值吻合。

Exam tip:

当你从直线上选取两个点计算斜率时,请选择间距较大、且位于清晰网格交点上的点,这样可以将舍入误差控制在较小范围内,保证你拿到步骤分。

7. 作图并从图上估读常数★★★★★⏱ 6 min

✓ 计算器

在上一节中,两个点是直接从表格里取的。而在这类题分值最高的版本中,题目会给你方格纸:你必须自己把变换后的点描到图上,用肉眼画出一条最佳拟合直线,然后从你画的直线上读取数值来估计斜率和截距。由于实验点会略有散布,这些都是估计值,因此答案通常保留1到2位有效数字,并接受一个较小的取值范围。

1

4.0

2

11.0

3

21.5

4

31.5

5

45.5

📐 例题

上表中的变量 满足关系 ,其中 为常数。在方格纸上将 作图,画出直线并利用该图估计 的值。

  1. 1

    确定作图对象。对 两边取常用对数:。与 对比,将 作为纵轴、 作为横轴作图;斜率为 ,纵轴截距为

  2. 2

    列出变换后的数值表,每个值保留两位小数。

  3. 3

    描出五个点 。它们接近一条直线,因此用直尺沿这些点画出一条最佳拟合直线,使直线上下两侧的点数大致相等。

  4. 4

    通过读取直线上间距较大的两个点来估计斜率(这两个点位于你所画的直线上,不必是描出的数据点)。例如该直线大约经过

  5. 5
    n=m1.650.750.700.10=0.900.60=1.5n = m \approx \frac{1.65 - 0.75}{0.70 - 0.10} = \frac{0.90}{0.60} = 1.5
  6. 6

    通过读取直线在 处与纵轴的交点来估计截距:此处

  7. 7

    反向还原变换以求出常数:

  8. 8

    写出结果:。用表中 验证:,与测得的 接近,说明估计合理。

✓ 快速检测
  1. 要从最佳拟合直线上估计斜率,应该使用哪两个点?

    显示答案
    位于所画直线上、且彼此间距较大的两个点

    正确!从你用直尺画出的最佳拟合直线上读取这两个点(它们不必是原始数据点),并选取间距较大的点,使斜率估计更准确。

Exam tip:

分值最高的线性定律题会给你方格纸,要求你把变换后的点描出来、画出一条最佳拟合直线,再从直线上读出常数。得分点在于准确描点、用直尺画出合理的最佳拟合直线、以及从直线上估读数值——而不是靠任何表格捷径或回归公式。

8. 常见陷阱

错误做法:

混淆指数关系和幂关系对应的X变量

原因:

幂关系使用作为X,指数关系使用x作为X,混淆两者会得到错误的梯度值

正确做法:

对于;对于,务必写出转换步骤确认

错误做法:

使用以10为底的对数时,直接取而不是

原因:

转换后图像的截距是,而不是A本身

正确做法:

始终将10(如果使用ln则取e)取截距的次方,得到A的值

错误做法:

忘记对等式两边的所有项取对数

原因:

漏掉常数A的对数会导致线性形式无效

正确做法:

将幂/指数关系线性化时,对等式两边的每一项都取对数

错误做法:

使用最小二乘回归计算梯度/截距

原因:

回归运算超出0606的考试范围,所有题目都会给出直线或两个点用于计算梯度

正确做法:

使用直线上给定的两个点计算梯度,或使用题目中给出的指定梯度

错误做法:

重排为并声称这是直线形式

原因:

该形式没有带梯度的X项,不符合的结构

正确做法:

如示例所示,使用对数将幂和指数关系线性化

9. 速查表

关系类型

原始方程

转换后Y

转换后X

梯度m

截距c

常数计算方式

简单多项式

A

B

,

幂关系

n

,

指数关系

x

,

y的指数形式

A

B

,

幂关系(自然对数)

n

,

含x对数项的形式

A

B

,

10. 常见问题

线性化时应该使用以10为底的对数还是自然对数?

对于CIE 0606考试,除非另有说明,否则标准用法是以10为底的对数。两种对数都可行,只要你保持一致:如果使用自然对数ln,则A应取而不是

我可以不对所有非线性关系使用对数吗?

只有像这类简单多项式形式可以直接重排,不需要对数。幂关系和指数关系需要使用对数来消去变量上的指数。

深入阅读

下一步

在掌握线性定律的直线形式后,你可以将该技能用于解答CIE IGCSE附加数学考试卷1(非计算器)和卷2(计算器)中的实验数据类问题。如果你后续继续学习A-Level数学,该技能也是曲线拟合、运动学等后续主题的基础。接下来,请练习结合线性定律、对数运算法则和直线图像计算的历年真题,提升你的答题速度和考试准确率。