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。
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。
将关系式变换为形式,指出Y、X、m和c分别是什么。
- 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
定义变换后的变量:,。
- 3
代入原方程可得:。
- 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。
将变换为直线形式,并说明如何通过变换后的图像求出A和n。
- 1
对方程两边取常用对数:。
- 2
应用对数乘积法则:。
- 3
应用对数幂法则:。
- 4
对应形式:,,斜率,截距。
- 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。
将变换为直线形式,并说明如何通过变换后的图像求出A和b。
- 1
两边取常用对数:。
- 2
应用乘积法则:。
- 3
应用幂法则:。
- 4
对应形式:,,斜率,截距。
- 5
计算常数:,。
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。
绘制随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
回顾幂关系的变换形式:。
- 2
将斜率与n对应:。
- 3
将截距与对应:。
- 4
计算A:。
- 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和这类形式。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。
变量x和y满足,其中A和B为常数。将对绘图可得到一条过点和的直线,求A和B的值。
- 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
定义变换变量和,原关系变为,因此斜率为A,截距为B。
- 3
根据两个已知点计算斜率:。
- 4
将点代入求出B:,因此。
- 5
用第二个点验证:,与点吻合,因此,。
变量x和y满足关系,其中a和n为常数。使用自然对数将对绘图,得到一条斜率为0.5、过点的直线,求n和a的值。
- 1
对两边同时取自然对数:。
- 2
运用对数的乘积法则和幂次法则:,整理可得。
- 3
将其与对应,令、,可得斜率,截距。
- 4
从斜率直接读出n的值:。
- 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
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。
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,因此将对绘图即可,此时斜率等于A,截距等于B,无需额外取对数。
Exam tip:
和形式在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 |
上表中的变量和满足关系,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
(i) 部分:对每个y值取常用对数:,,,,(均保留两位小数)。
- 2
(ii) 部分:对两边同时取常用对数:。
- 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
(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,例如和。
- 5
- 6
斜率等于,因此,可得。
- 7
将点代入求出截距:,因此。
- 8
随后可得。
- 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 |
上表中的变量 和 满足关系 ,其中 和 为常数。在方格纸上将 对 作图,画出直线并利用该图估计 和 的值。
- 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
列出变换后的数值表,每个值保留两位小数。:。:。
- 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
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 和 。
- 5
- 6
通过读取直线在 处与纵轴的交点来估计截距:此处 。
- 7
反向还原变换以求出常数:,。
- 8
写出结果:。用表中 验证:,与测得的 接近,说明估计合理。
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:
将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。
