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指数函数的经典难题(伸缩却不改变形状)

指数函数的经典难题(伸缩却不改变形状)其实,我们高中学的指数函数的图像就具有这种性质。 除了这些常见的图形外,你还能想到哪些平面图形具有这种性质呢?如果是竖直的线段就不行了,它如果被竖直地压缩,就会变短。所以要想被压缩之后,不改变形状,竖直线段必须上下无限延申,变成竖直直线或者竖直射线。有多条平行的竖直直线,或者无数条平行的竖直直线构成的平面图形也满足这个性质。

直觉告诉我们,物体被压缩都会改变形状。

指数函数的经典难题(伸缩却不改变形状)(1)

那么今天我们来思考这样一个问题:

什么样的平面图形,不管被竖直地压缩多少倍,都不会改变形状?

首先大家能想到的,就是一条水平线段,或者水平射线,水平直线,因为这种线只有长度,没有厚度,不管怎么压缩,都不会改变。

如果是竖直的线段就不行了,它如果被竖直地压缩,就会变短。

指数函数的经典难题(伸缩却不改变形状)(2)

所以要想被压缩之后,不改变形状,竖直线段必须上下无限延申,变成竖直直线或者竖直射线。

有多条平行的竖直直线,或者无数条平行的竖直直线构成的平面图形也满足这个性质。

除了这些常见的图形外,你还能想到哪些平面图形具有这种性质呢?

其实,我们高中学的指数函数的图像就具有这种性质。

首先我们先来看看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。这样的压缩变换把函数y=f(x)的图像变成函数y=af(x)的图像。当函数是指数函数时,(e=2.718....是自然常数)变换过程是:

指数函数的经典难题(伸缩却不改变形状)(3)

这里ln a是指满足ex=a的唯一实数x。

注意新的函数图像也可以由旧的函数图像向右平移|ln a|得到,因为两个函数y=f(x)和y=f(x α)的图像差一个水平方向的平移。

指数函数的经典难题(伸缩却不改变形状)(4)

注意平移是不改变图像的形状的,所以这种压缩变换(x y)---->(x ay)是不改变指数函数图像的形状。

这确实有点违反直觉,所以我将这种现象称为指数函数的图像悖论。

最后,我们总结一下,加法对应平移变换,乘法对应伸缩变换,而指数函数把加法变成乘法,所以指数函数的图像每个伸缩变换都和一个平移变换效果一样!

作为指数函数的反函数,对数函数也有类似现象,这就留给读者去总结吧。

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