Показательная и логарифмическая функции

Для начала предложим примерный план занятий элективного курса по данной теме

 

№	Тема	Краткое содержание	Часы
1	Как появилась показательная функция? (Урок-экскурсия в прошлое)	1. Интересные исторические факты, рассказы, легенды, связанные с возникновением показательной функции. 2. Показ «нематематических» истоков появления показательной функции. 3. Доклады учащихся.	1
2	Это загадочное число е	1. История появления числа е. 2. Показ связи между числом е и формулой сложных процентов. 3. Решение задач на формулу сложных процентов.	1
3	Свойства показательной функции и их применение к решению уравнений и неравенств	1. Повторение свойств показательной функции. 2. Преобразование графика показательной функции. 3. Применение свойств показательной функции к решению уравнений и неравенств.	2
4	Применение показательной функции в различных областях знаний	1. Решение задач с историческим, практическим содержанием с применением знаний, полученных на уроках.	2
5	Как появилась логарифмическая функция? (Урок-экскурсия в прошлое)	1. Интересные исторические факты, рассказы, легенды, связанные с возникновением логарифмической функции. 2. Показ «нематематических» истоков появления логарифмической функции. 3.Доклады учащихся.	1
6	Свойства логарифмическойфункции и их применение к решению уравнений и неравенств	1. Повторить свойства логарифмической функции. 2. Преобразование графика логарифмической функции. 3. Применение свойств логарифмической функции к решению уравнений и неравенств.	2
7	Применение логарифмической функции	1. Решение задач с историческим, практическим содержанием с применением знаний, полученных на уроках о логарифмической функции, ее графике и свойствах.	2
8	Урок-диспут на тему: «Чем показательная функция похожа на логарифмическую»	Главная цель урока – обобщить и закрепить имеющиеся знания о показательной и логарифмической функции, найти их общие и различные свойства.	1

 

Кратко охарактеризуем этот курс. Элективный курс является предметным с практической направленностью, цель которого - повторение материала, обобщение понятия функции и свойства функций, расширение знаний о показательной и логарифмической функциях.

Но так как курс рассчитан для проведения в гуманитарных классах, то в нем достаточно большую часть занимает материал прикладного характера, то есть обращение к историческим фактам, решение практических, занимательных задач. Вернемся к главному вопросу - реализации межпредметных связей в рамках этого курса. Как было сказано выше, взаимосвязи в основном проявляются в содержании элективного курса. Возможно выделить такие способы установления межпредметных связей:

1. Использование дополнительной информации: интересных фактов, исторических сведений, легенд, особенно при введении новых понятий.

2. Показ применения изучаемого понятия в области предмета, являющегося профильным.

3. Использование практико-ориентированных задач, содержание которых отражает факты предмета, являющегося профильным.

Рассмотрим, как можно реализовывать эти способы в рамках данного элективного курса.

Например, перед изучением показательной функции можно привести следующую легенду.

По преданию шахматы были изобретены в пятом веке нашей эры в Индии. Богатый индусский царь Шерам был так восхищен этой игрой, что решил достойно отблагодарить изобретателя шахмат Сете. Сета попросил награду, на первый взгляд, поразившую своей «скромностью». Он попросил выдать ему за первую клетку шахматной доски одно пшеничное зерно, за вторую клетку два пшеничных зерна, за третью – 4, за четвертую – 8 зерен, за пятую – 16 и так далее до 64 клетки доски. При этом за каждую следующую клетку доски следует выдавать в два раза больше, чем за предыдущую. Царь Шерам был недоволен, так как считал, что Сета, прося столь ничтожную награду, пренебрегает царской милостью. Но оказалось, что Сета попросил такую награду, что никакой даже самый богатый царь не сможет ее выполнить. Давайте разберемся почему так? Попытаемся вместе с придворным царским математиком подсчитать, сколько же зерна пшеницы должен получить изобретатель Сета. Составим таблицу:

 

Номер Клетки	1	2	3	4	5	6
Количество Зерен	1

 

7	8	9	10	11	…	63	64

 

Из этой таблицы следует, что на клеточку номер n нужно положить  зерен, например, на клеточку номер 11 нужно положить  зерен, а на клеточку номер 21 -  зерен и т. д. Для того, чтобы подсчитать величину награды, мы должны сложить зерна, лежащие на всех клеточках шахматной доски:

 

 

Заметим, что есть 64 числа , которые образуют геометрическую прогрессию, первый член которой равен 1 , последний -  и знаменатель q = 2. Сумма членов такой последовательности вычисляется по формуле:

 

 

Применим к нашему случаю и получим:

 

 

Читается это гигантское число так: восемнадцать квинтиллионов четыреста сорок шесть квадриллионов семьсот сорок четыре триллиона семьдесят три миллиарда семьсот девять миллионов пятьсот пятьдесят одна тысяча шестьсот пятнадцать. Такую награду должен дать царь Шерам изобретателю шахмат Сете. Представим себе тот объем, который занимает такое количество зерна. Известно, что 15000000 зерен пшеницы вмещается в 1 кубический метр. Разделив S на 15000000, мы получим, что награда должна занять 12 000000000000 м³ - двенадцать триллионов кубических метров. Для того, чтобы поместить такое количество зерна, достаточно, например, построить амбар, в основании которого лежит прямоугольник со сторонами 8 м и 10 м, а высота равна 150000000000 м = 15000000 км, что совпадает с расстоянием от Земли до Солнца! Совершенно ясно, что такого количества зерен нет ни у какого царя и выполнить просьбу Сете невозможно!

После того, как была рассказана эта легенда, можно переходить непосредственно к самой показательной функции.

Вернемся к количеству зерен, который нужно положить в клетку номер n шахматной доски. Обозначим это число через .Тогда

 

 

Таким образом, мы определили на множестве натуральных чисел функцию f , значения которой находятся по формуле: .

Заметим, что если некоторая величина на каждом шагу увеличивается вдвое, то она очень быстро возрастает. Такой рост характерен и для живых существ, если у них нет естественных врагов и достаточно ресурсов(пищи, воды, территории и т. д.). Например, когда однажды в Австралии оказалось на воле пара кроликов, то они размножались настолько быстро, что превратились в угрозу всему сельскому хозяйству страны.[6]

Такие несложные примеры из различных областей знаний, которых можно привести множество, помогают учащимся осознать естественную необходимость существования и изучения понятия показательной функции.

Что касается второго способа, то есть показа применения изучаемого понятия в области предмета, являющегося профильным, то возможен такой вариант. После того, как будет введено число е, на занятии элективного курса нужно установить связь числа е с формулой сложных процентов.

Еще в Древнем мире было широко распространено ростовщичество - дача денег в долг под процент. В Древнем Вавилоне Лихва составляла до 20% в год. При этом, если должник не возвращал вовремя долг, на следующий год проценты начислялись уже не только на основную сумму долга, но и на наросшие проценты и т. д. Во многих случаях это приводило к тому, что должник оказывался несостоятельным и попадал в рабство.

Рассмотрим задачу:

Взята в долг сумма а рублей. Какую сумму надо отдать через n лет, если деньги взяты под р % в год?

Ясно, что за первый год нарастает сумма равна  и общая сумма долга равна  (рублей). На второй год проценты начисляются уже на сумму  и составляют сумму , а потому общая сумма долга равна: . Аналогично, к концу третьего года долг будет составлять , четвертого: . Вообще через n лет сумма долга составит: .

Полученное равенство называют формулой сложных процентов.

Эту формулу применяют для вычисления суммы и в том случае, когда число протекших лет не является целым. Именно, через х лет надо выплатить сумму  рублей.

При а=1 эта формула принимает вид:  и задает показательную функцию с основанием: .

При р=100 имеем .

Предположим теперь, что начисление процентов происходит не ежегодно, а ежемесячно, но зато процентная ставка в 12 раз меньше. Тогда через х лет сумма долга будет выражаться формулой .Вычисления показывают, что  Если начисление процентов будет производиться ежедневно, но процентная ставка будет в 365 раз меньше (29 февраля начисления не производятся), то через х лет сумма долга будет выражаться формулой: . Вычисления показывают, что: .

Это значение весьма близко к значению числа е. Можно показать, что по увеличению n значение числа приближается к е.

Другие примеры применения показательной и логарифмической функции в различных областях знаний представлены в приложении 1 .

Использование таких примеров полезно при введении понятия показательной и логарифмической функции и их свойств.

Учащиеся отвлекаются от сухого изложения материала, формул, которые просто заучивают наизусть, не понимая зачем. Такие примеры позволяют осмысленно применять знания и, пожалуй, самое главное, делают изучение математики интереснее и легче.

Третий способ осуществления межпредметных связей может быть реализован с помощью задач, содержание которых связано профилирующим предметом. Отбирать задачный материал для данного элективного курса необходимо, учитывая принципы, выделенные в I главе.

После того как была установлена связь числа е с формулой сложных процентов можно предложить учащимся следующие задачи:

1. В романе М. Е. Салтыкова-Щедрина «Господа Головлевы» есть такой эпизод. Порфирий Владимирович сидит в кабинете, исписывая цифирными выкладками листы. На этот раз его занимает вопрос: сколько было бы теперь денег, если бы маменька подаренные ему при рождении дедушкой на зубок сто рублей не присвоила себе, а положила их в ломбард на имя малолетнего Порфирия? Выходит,однако, немного: всего 800 рублей. Предполагается, что Порфирию в момент счета было 53 года. Попробуйте установить, по скольку процентов платил в год ломбард.

2. На покупку новой техники фермер взял в банке 20000 рублей. Вычислите сумму долга, если деньги были взяты 6,5 лет тому назад и процентная ставка равна 4%.

3. В новелле О. Бальзака «Гобсек» один из героев, господин Дервиль, взял у ростовщика Гобсека сумму в 150000 сроком на 5 лет по 15% годовых. Какую сумму вернул Дервиль Гобсеку по прошествии этого срока?

4. В магазине «Обувь для Вас» цену на весь товар сначала повысили на 10 %, а через месяц снизили на 10 %. Дороже или дешевле стал товар по сравнению с начальной ценой?

5. За 3 года работы количество читателей в библиотеке увеличилось со 100 человек до 1080. Найдите средний годовой процент увеличения количества читателей.

6. Участник лотереи выиграл 5000 рублей и положил их на хранение в банк. За хранение денег Сбербанк начисляет 8% годовых. В течении 5лет вкладчик не снимал деньги со счета. Сколько денег будет на счете вкладчика через год, через два года, через пять лет? Запишите формулу для вычисления количества денег на счете через n лет.

7. В автоинспекции города подсчитали, что число легковых автомобилей увеличивается на 15 % ежегодно. Во сколько раз увеличилось число автомобилей за 5 лет?

Соответствие предложенных задач с выделенными в I главе принципами достигается за счет:

·связи задач с материалом, изученным на уроке: формула сложных процентов уже известна учащимся;

·сюжета задач;

·используемых методов работы с задачей. Главным образом применяются эвристические приемы: беседа, поиск сходной задачи среди ранее решеных, переформулировка задачи и др.

·формулирования вопросов задачи, то есть использования задач просто на нахождение какой-то величины, на оценку величины, на вывод закономерности.

Рассмотрим, какие методы работы с учащимися лучше использовать во время проведения элективного курса. Учитывая особенности учащихся гуманитарных классов, лучше использовать активные методы, некоторые из которых были выделены в I главе: метод проектов, метод реферативно-исследовательской деятельности, метод использования информационных и коммуникационных технологий. Так, например, учащимся можно предложить проекты, касающиеся свойств показательной и логарифмической функции:

· Свойства показательной и логарифмической функций.

· Преобразование графиков показательной и логарифмической функций.

Такие проекты будут иметь своей целью систематизацию знаний и полное исследование данных функций, особенное внимание должно быть обращено исследованию методами математического анализа и вопросам преобразования графиков функций.

· Использование свойств показательной и логарифмической функции при решении уравнении и неравенств.

Цель такого проекта – выделить, какие типы уравнений и неравенств можно легко решить с помощью свойств функций.

Все проекты требуют серьезной подготовки, но привлечь внимание учащихся можно, используя для реализации таких проектов информационные технологии. С проектами учащиеся выступают на занятии.

Другие вопросы элективного курса будут с интересом восприниматься учащимися, если предложить им различные доклады, то есть использовать метод реферативно-исследовательской деятельности. Например:

· Применение логарифмов в природе.

· Применение логарифмов в технике.

· Применение логарифмов в музыке.

· Применение логарифмов в живописи.

· Логарифмы и звезды.

Такие доклады наилучшим образом способствуют установлению межпредметных связей.

Не стоит забывать о таких творческих заданиях, как составление кроссвордов и чайнвордов, которые можно предложить для решения учащимся на заключительных занятиях.

Метод использования информационных технологий может применяться во всех вышеперечисленных видах работ при выборе соответствующего материала, что позволит повысить интерес к предмету, освоить некоторые компьютерные технологии (создание публикаций, презентаций), сделать свои проекты и доклады наглядными и интересными.

Мы рассмотрели, как можно реализовывать межпредметные связи за счет содержания излагаемого материала. Выше было отмечено, что также возможно осуществление связей и через частичное использование на занятиях по математике методов профилирующей науки.

У каждой науки есть свои специфические методы. В математике, например, это векторный метод, метод геометрических преобразований, метод уравнений и неравенств и другие. Рассмотрим, как методы, специфические для других наук, могут быть использованы в обучении математики.

Специфическими методами изучения экономики являются методы анализа и математического моделирования. Построение математических моделей можно широко использовать и на элективных курсах по алгебре и началам анализа, например, построение моделей работы предприятия, спроса и предложения на товары. Построение всех этих моделей нуждается в хорошем знании показательной и логарифмической функций.

В исторических науках часто применяются сравнительные методы. При изучении математики эти методы также имеют место. Особенно полезны эти методы при сравнении показательной и логарифмической функций, их графиков и свойств.

В литературе часто применяется метод художественного перевода. На уроках иностранных языков также широко используется перевод с одного языка на другой. На уроках математики можно реализовывать этот метод, предлагая учащимся задания, где необходимо перевести задание с естественного языка на язык математики, то есть записать некоторое математическое предложение с помощью формул, и наоборот.

Например: 1) Имеется график функции , требуется описать все свойства этой функции; 2) Имеется словесное описание показательной функции:

· Область определения - множество действительных чисел – R;

· Множество значений – множество всех положительных действительных чисел - ;

· Функция возрастает на всей числовой прямой;

· Известно, что .

Требуется записать функцию формулой и схематично построить ее график.

Конечно, при проведении элективных курсов в гуманитарных классах желательно использовать разнообразные, нестандартные формы, приемы и средства проведения занятий. В качестве формы проведения занятия можно использовать урок-путешествие (особенно при рассмотрении некоторых исторических фактов), урок-диспут (можно использовать такую форму на обобщающем занятии при сравнении показательной и логарифмической функции), различные лабораторные работы. На каждом таком уроке межпредметные связи будут в большей части осуществляться за счет содержания.

Выбирая формы работы с учащимися, не стоит говорить о том, какие из них предпочтительнее для реализации межпредметных связей, так как на различных уроках используются различные формы: индивидуальная, групповая и фронтальная. Выбор формы будет существенно зависеть от особенностей класса и излагаемого материала.

Таким образом, мы кратко охарактеризовали элективный курс по теме «Показательная и логарифмическая функции» с точки зрения реализации межпредметных связей. Было показано, как осуществить эти связи на основе содержания материала и методов профилирующих наук, приведены примеры задач, которые могут быть использованы на элективном курсе, даны некоторые методические рекомендации.