Смысл коэффициента k: ступенька прямой
В уроке «Коэффициенты k и b» мы выяснили, что знак числа $k$ показывает, куда наклонена прямая $y = kx + b$. В этом уроке разберем, что значит само число $k$ — например, $2$, $-3$ или $\frac{2}{3}$, — и научимся находить его по графику. Поможет простая модель: прямая на клетчатой сетке похожа на лестницу из одинаковых ступенек. С ее помощью мы сравним крутизну прямых, узнаем параллельные прямые и решим задание 11 ОГЭ. А еще ответим на вопрос: что значит число $12\%$ на дорожном знаке «Крутой подъем»?
Ступенька: шаг вправо на 1 — подъем на k
Возьмем функцию $y = 2x + 1$ (здесь $k = 2$, $b = 1$) и составим таблицу значений.
| $x$ | $0$ | $1$ | $2$ | $3$ |
|---|---|---|---|---|
| $y = 2x + 1$ | $1$ | $3$ | $5$ | $7$ |
| Изменение $y$ | — | $+2$ | $+2$ | $+2$ |
Каждый раз, когда $x$ увеличивается на $1$, значение $y$ увеличивается на $2$ — ровно на число $k$. Это не случайность: $2(x + 1) + 1 = (2x + 1) + 2$, и для любой функции $k(x + 1) + b = (kx + b) + k$.
На графике это видно как лестница. От любой точки прямой сделаем шаг вправо на одну клетку и поднимемся на две — снова окажемся на прямой. Все ступеньки одинаковые, поэтому график ровный — прямая, а не кривая. Горизонтальную часть ступеньки назовем шагом, вертикальную — подъемом.
Правило
Число $k$ в формуле $y = kx + b$ показывает, на сколько изменяется $y$, когда $x$ увеличивается на $1$.
На графике $k$ — подъем ступеньки при шаге вправо на одну клетку (если одна клетка по каждой оси — единица). Число $k$ называют угловым коэффициентом: от него зависит угол наклона прямой.
Пример
Линейная функция при $x = 2,\ 3,\ 4,\ 5$ принимает значения $y = -7,\ -4,\ -1,\ 2$. Найдите $k$ и запишите формулу.
Решение. Значения $x$ идут через $1$, а $y$ каждый раз растет на $3$: $-7 \to -4 \to -1 \to 2$. Значит, $k = 3$ и $y = 3x + b$. Чтобы найти $b$, подставим точку $(2;\ -7)$: $-7 = 3 \cdot 2 + b$, откуда $b = -13$.
Проверка. При $x = 5$: $3 \cdot 5-13 = 2$. Совпадает с таблицей.
Ответ: $y = 3x-13$.
Ступенька вниз: отрицательный k
Теперь возьмем $y = -3x + 4$. При $x = 0,\ 1,\ 2$ получаем $y = 4,\ 1,\ -2$. С каждым шагом $x$ на $1$ значение $y$ уменьшается на $3$: изменение равно $k = -3$. На графике ступенька идет вниз: шаг вправо на $1$ клетку, спуск на $3$ клетки.
Так ступенька объясняет знак $k$ из урока «Коэффициенты k и b». Если $k > 0$, ступеньки идут вверх и функция возрастает. Если $k < 0$, ступеньки идут вниз и функция убывает. Если $k = 0$, ступенек нет: $y$ не меняется, график — горизонтальная прямая $y = b$.
Пример
Постройте график функции $y = -2x + 3$ без таблицы (по таблице такие графики строили в уроке «Построение графика линейной функции»).
Решение. Число $b = 3$, поэтому прямая проходит через точку $(0;\ 3)$. Число $k = -2$: от этой точки делаем шаг вправо на $1$ и спуск на $2$ — точка $(1;\ 1)$. Еще одна ступенька — точка $(2;\ -1)$. Проводим прямую через эти точки.
Проверка. $-2 \cdot 2 + 3 = -1$. Точка $(2;\ -1)$ лежит на прямой.
Ошибка
Строят прямую $y = -2x + 1$ так: от точки $(0;\ 1)$ шагают на $1$ влево и опускаются на $2$ — получают точку $(-1;\ -1)$. Проверим: $-2 \cdot (-1) + 1 = 3$, а не $-1$. Точка не на прямой. Шаг всегда делаем вправо, то есть увеличиваем $x$. Тогда знак $k$ сам подсказывает, подниматься или спускаться. При шаге влево двигаться по вертикали нужно в обратную сторону: из $(0;\ 1)$ в $(-1;\ 3)$.
Дробный k: длинная ступенька и k по графику
Рассмотрим прямую $y = \frac{2}{3}x-1$. При шаге вправо на $1$ подъем равен $\frac{2}{3}$ клетки. Вершина такой ступеньки не попадает в узел сетки, и по рисунку ее трудно прочитать. Сделаем ступеньку длиннее. От точки $(0;\ -1)$, где прямая пересекает ось $y$, шагнем вправо на $3$: подъем равен $3 \cdot \frac{2}{3} = 2$ клетки. Получаем узел $(3;\ 1)$.
Отношение подъема к шагу не зависит от длины ступеньки. Шаг $n$ — это $n$ маленьких ступенек с шагом $1$, и каждая поднимается на $k$. Значит, подъем равен $n \cdot k$, а подъем : шаг $= \frac{n \cdot k}{n} = k$. Например, шаг $3$ — подъем $2$, шаг $6$ — подъем $4$, и $\frac{4}{6} = \frac{2}{3}$. Поэтому $k$ можно найти по любым двум точкам прямой.
Как найти k по графику
- Найдите на прямой две точки в узлах сетки.
- Идите от левой точки к правой. Шаг — на сколько клеток вправо, подъем — на сколько клеток вверх (спуск записывается со знаком «минус»).
- Разделите: $k = \dfrac{\text{подъем}}{\text{шаг}}$.
Если масштаб по осям разный, считайте не клетки, а единицы по числам на осях.
Пример
Прямая проходит через точки $(0;\ 2)$ и $(4;\ -1)$. Найдите формулу этой прямой.
Решение. Точка $(0;\ 2)$ лежит на оси $y$, значит, $b = 2$. От $(0;\ 2)$ к $(4;\ -1)$: шаг $4$ вправо, по вертикали от $2$ до $-1$ — спуск на $3$. Значит, $k = \frac{-3}{4} = -\frac{3}{4}$.
Проверка. $-\frac{3}{4} \cdot 4 + 2 = -3 + 2 = -1$. Точка $(4;\ -1)$ лежит на прямой.
Ответ: $y = -\frac{3}{4}x + 2$.
Ошибка
Делят шаг на подъем: для ступеньки «$3$ вправо, $2$ вверх» пишут $k = \frac{3}{2}$. Проверим: при $k = \frac{3}{2}$ из точки $(0;\ -1)$ шаг $2$ дает подъем $3$ — точка $(2;\ 2)$. А на прямой $y = \frac{2}{3}x-1$ при $x = 2$ значение $y = \frac{1}{3}$. Неверная прямая получается круче настоящей. Запомните: $k$ — сколько вверх на одну клетку вправо, поэтому подъем стоит в числителе.
Потренируйтесь в интерактиве: постройте ступеньку до узла на прямой и найдите $k$. Если ошибетесь, интерактив подскажет, в чем причина.
Крутизна и параллельные прямые
Сравним прямые $y = 0{,}5x$, $y = x$, $y = 3x$ и $y = -3x$. Чтобы сравнение было честным, клетки по обеим осям одинаковые.
У прямой $y = 0{,}5x$ подъем на шаг $1$ — полклетки, она пологая. У $y = 3x$ — три клетки, она крутая. Высота ступеньки равна $\lvert k \rvert$, а знак $k$ показывает только направление: вверх или вниз. Поэтому прямые $y = 3x$ и $y = -3x$ одинаково крутые.
Правило
Чем больше $\lvert k \rvert$, тем круче прямая. При $\lvert k \rvert < 1$ прямая положе прямой $y = x$, при $\lvert k \rvert > 1$ — круче.
Ошибка
Сравнивают крутизну по самому числу $k$: «$-4 < 1$, значит, $y = -4x$ положе, чем $y = x$». Но у $y = -4x$ на каждую клетку вправо приходится спуск на $4$ клетки, а у $y = x$ — подъем на $1$. Сравнивать нужно модули: $\lvert -4 \rvert = 4 > 1$, поэтому $y = -4x$ круче.
Если у двух прямых одинаковые ступеньки, они идут «в ногу»: на каждом шаге обе поднимаются на одно и то же число клеток. Расстояние между ними по вертикали не меняется, и они никогда не встретятся.
Правило
Если у прямых $y = k_1x + b_1$ и $y = k_2x + b_2$ угловые коэффициенты равны ($k_1 = k_2$), а $b_1 \ne b_2$, то прямые параллельны. Если $k_1 \ne k_2$, прямые пересекаются.
Пример
Какие из прямых параллельны: $y = 2x-5$, $y = -2x + 1$, $y = 1 + 2x$, $y = 2-5x$?
Решение. Найдем $k$ — число, на которое умножается $x$, где бы оно ни стояло. $k = 2$, $k = -2$, $k = 2$, $k = -5$. Одинаковые угловые коэффициенты у первой и третьей прямой, а $b$ у них разные: $-5$ и $1$.
Ответ: параллельны $y = 2x-5$ и $y = 1 + 2x$.
k — скорость изменения величины
В задачах $x$ и $y$ — величины с единицами измерения. Пусть поездка на такси стоит так: $100$ рублей за посадку и $25$ рублей за каждый километр (условный тариф). Стоимость $y$ (руб.) зависит от пути $x$ (км): $y = 25x + 100$.
Ступенька здесь — «$1$ км вправо, $25$ рублей вверх». Число $k = 25$ показывает, на сколько рублей дорожает поездка с каждым километром. Поэтому у $k$ есть единица измерения: рубли на километр. Число $b = 100$ — стоимость при $x = 0$, то есть посадка.
Правило
Если $y = kx + b$ описывает зависимость величин, то $k$ — скорость изменения $y$: на сколько меняется $y$ при увеличении $x$ на единицу. Единица $k$ — единица $y$, деленная на единицу $x$: руб./км, л/мин, км/ч.
Ошибка
Считают клетки, не глядя на масштаб: «ступенька на графике тарифа — шаг $1$ клетка, подъем $1$ клетка, значит, $k = 1$». Но одна клетка по оси $y$ здесь равна $25$ рублям. Подъем — $25$ рублей, $k = 25$. Если масштаб по осям разный, шаг и подъем читают по числам на осях.
Пример
В бочке $200$ л воды. Через кран каждую минуту вытекает $8$ л. Запишите формулу объема воды $V$ (л) через время $t$ (мин) и объясните смысл $k$. Через сколько минут бочка опустеет?
Решение. Каждую минуту объем уменьшается на $8$ л, значит, $k = -8$ л/мин. В начале ($t = 0$) воды $200$ л, $b = 200$. Формула: $V = -8t + 200$. Бочка пуста, когда $V = 0$: $-8t + 200 = 0$, $t = 25$.
Ответ: $V = -8t + 200$; объем уменьшается на $8$ л в минуту; бочка опустеет через $25$ минут.
Теперь вернемся к вопросу из начала урока. На знаке «Крутой подъем» написано $12\%$. Это значит, что на каждые $100$ м по горизонтали дорога поднимается на $12$ м. Если нарисовать дорогу на графике (по горизонтали — расстояние, по вертикали — высота), получится прямая со ступенькой «$100$ м вправо, $12$ м вверх».
Значит, $k = \frac{12}{100} = 0{,}12$. Процент уклона — это угловой коэффициент, умноженный на $100$. Уклон $100\%$ — подъем на $1$ м на каждый метр, как у прямой $y = x$: такая прямая наклонена под углом $45^\circ$.
Задание 11 ОГЭ: формула по графику
В задании 11 ОГЭ нужно установить соответствие между графиками функций и формулами. Для линейных функций его решает ступенька. Разберем задачу.
Обратите внимание
На рисунках ОГЭ обычно подписаны только $0$ и $1$ на осях. Это значит, что одна клетка по каждой оси — единица, и ступеньку можно считать по клеткам.
Задача
Установите соответствие между графиками А, Б, В и формулами: 1) $y = 2x + 2$; 2) $y = 0{,}5x + 2$; 3) $y = -2x + 2$.
Решение. У всех формул $b = 2$, все прямые пересекают ось $y$ в точке $(0;\ 2)$ — по $b$ их не различить. Смотрим на знак $k$: график А идет вниз, значит, $k < 0$ — это формула 3. Графики Б и В идут вверх. Ступенька Б: шаг $1$, подъем $2$, $k = 2$ — формула 1. Ступенька В: шаг $2$, подъем $1$, $k = 0{,}5$ — формула 2.
Ответ: А — 3, Б — 1, В — 2.
Как сопоставить график и формулу
- Знак $k$. Прямая идет вверх слева направо — $k > 0$, вниз — $k < 0$.
- Число $b$. Где прямая пересекает ось $y$: выше начала координат ($b > 0$), ниже ($b < 0$) или в нем ($b = 0$).
- Высота ступеньки. Если по знакам формулы не различить, найдите $\lvert k \rvert$ по ступеньке: подъем : шаг.
Вывод
Число $k$ в формуле $y = kx + b$ — это ступенька прямой: на сколько меняется $y$, когда $x$ увеличивается на $1$.
- $k > 0$ — ступеньки вверх, $k < 0$ — вниз, $k = 0$ — горизонтальная прямая.
- По графику $k = \dfrac{\text{подъем}}{\text{шаг}}$ между двумя узлами; подъем в числителе, шаг всегда вправо.
- Чем больше $\lvert k \rvert$, тем круче прямая; при равных $k$ и разных $b$ прямые параллельны.
- В задаче $k$ — скорость изменения величины с единицей «единица $y$ на единицу $x$».
Где это пригодится. Ступенька помогает быстро строить прямые без таблицы, читать графики тарифов, движения и расхода, понимать уклоны дорог и пандусов. На физике скорость равномерного движения — это $k$ на графике пути. В ОГЭ по ступеньке решают задание 11.
Что дальше. В уроке «Функция y = |x| и ее график» график состоит из двух лучей: у правого ступенька вверх ($k = 1$), у левого — вниз ($k = -1$).
Часто задаваемые вопросы
На сколько изменяется $y$, когда $x$ увеличивается на $1$. На графике это подъем (или спуск) ступеньки при шаге вправо на одну клетку. Знак $k$ показывает направление, а модуль — крутизну.
Найдите на прямой две точки в узлах сетки и идите от левой к правой. Посчитайте шаг (вправо) и подъем (вверх; спуск — с минусом). Разделите подъем на шаг. Если масштабы осей разные, считайте по числам на осях, а не по клеткам.
Шаг $n$ складывается из $n$ шагов по $1$, и на каждом прямая поднимается на $k$. Поэтому подъем равен $n \cdot k$, и подъем : шаг $= k$ при любом $n$. Например, у прямой $y = \frac{2}{3}x-1$ шаг $3$ дает подъем $2$, шаг $6$ — подъем $4$.
Сравните числа при $x$. Если угловые коэффициенты равны, а числа $b$ разные, прямые параллельны. Если $k$ разные, прямые пересекаются.
Получите полный доступ ко всем материалам и занимайтесь в удобном темпе — без ограничений.
- Более 700 000 учеников и 50 000 учителей по всей России.
- Повышение среднего балла по предмету до 20 % после месяца занятий.
- Всплеск интереса к учебе и более глубокое понимание предметов.
Создайте бесплатный аккаунт — и откройте больше возможностей:
- Отслеживайте прогресс освоения тем
- Получайте персональные подборки полезных уроков и заданий
- Проводите работу над ошибками после занятий