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📈 游乐场 4.3

eˣ 的切线

eˣ 有一个独一无二的性质:曲线上每一点的切线斜率,都正好等于它的高度。

eˣ导数增长半衰期
拖动切点,比较切线的斜率和点的高度。

为什么偏偏是 e?

想一想

🎯斜率等于高度

在 x=0 处,高度 1,斜率 1;在 x=1 处,高度 e,斜率也是 e。

整条曲线都在“按自己的高度增长”。

🔗链式法则

(e^{kx})'=ke^{kx}。内层 kx 的导数是 k,乘到前面。

所以 e^{2x} 增长得更快,e^{-x} 则衰减。

🌱自然增长

只要“变化率 = 常数 × 当前量”,解就是 N=N_0e^{kt}。

细菌、人口、复利、放射性、冷却,都是这个模型。

🎯小挑战

① 求 (e^{4x})'。

② 求 (e^{-2x})'。

③ 半衰期 10 年,k 是多少?

看答案

① 4e^{4x};② -2e^{-2x};③ k=\frac{\ln2}{10}。

k > 0 时增长;k < 0 时衰减。衰减时还能看到半衰期。

为什么半衰期是 ln2 / |k|?

想一想

⏳半衰期的推导

令 N_0e^{-kT}=\frac12N_0,得到 e^{-kT}=\frac12。

两边取对数:-kT=\ln\frac12=-\ln2,所以 T=\frac{\ln2}{k}。

☕冷却的咖啡

牛顿冷却定律:温差的变化率和温差成正比。于是温差按 e^{-kt} 缩小。

咖啡越接近室温,冷得越慢。

🧬碳-14

碳-14 的半衰期约 5730 年。生物死后不再补充碳-14,残留量按指数衰减。

测出残留比例,就能估算年代。

🎯小挑战

① 半衰期 20 年,k 是多少?

② N_0=200,k=0.3,t=2 时 N 约为多少?

看答案

① k=\frac{\ln2}{20};② 200e^{0.6}\approx364。