行程问题

𝔁 代数初步与方程·
⭐⭐⭐

🎯 学习目标

  • 理解行程问题中路程、速度和时间三者之间的关系
  • 能根据题意设未知数并列出一元一次方程解决实际问题
  • 掌握相遇问题与追及问题的基本解题思路

📚 核心概念

行程问题是代数应用题中的重要类型,核心是研究物体运动过程中路程(s)、速度(v)和时间(t)三者之间的关系。它们满足基本公式:

s=v×t s = v \times t

也就是说,路程等于速度乘以时间。这个公式可以变形为:

v=st,t=sv v = \frac{s}{t}, \quad t = \frac{s}{v}

在解决实际问题时,我们常遇到两类典型情况:

  1. 相遇问题:两个物体从不同地点相向而行,最终相遇。此时,两人(或两车)所走路程之和等于两地之间的总距离。
  2. 追及问题:两个物体同向而行,速度快的追赶速度慢的。当追上时,两者所走路程相等(若起点相同)或快者比慢者多走初始距离差。

解题的关键步骤通常是:① 理清题意,画出示意图;② 设未知数(通常设时间为 xx);③ 根据等量关系列方程;④ 解方程并检验答案是否合理。

📝 关键公式

  • 基本公式s=v×ts = v \times t

    • 示例:一辆车以60 km/h的速度行驶2小时,路程为 60×2=12060 \times 2 = 120 km。
  • 相遇问题s1+s2=Ss_1 + s_2 = S_{\text{总}},即 v1t+v2t=Sv_1 t + v_2 t = S

    • 示例:甲乙两人相距100 km,分别以30 km/h和20 km/h相向而行,则相遇时间满足 30t+20t=10030t + 20t = 100
  • 追及问题s=s+ds_{\text{快}} = s_{\text{慢}} + ddd 为初始距离差)

    • 示例:小明先走10分钟(即 16\frac{1}{6} 小时),速度4 km/h,小红随后以6 km/h追赶,则追及时满足 6t=4t+4×166t = 4t + 4 \times \frac{1}{6}

💡 经典例题

例题1(相遇问题)

A、B两地相距240千米。甲车从A地出发,每小时行50千米;乙车从B地出发,每小时行70千米。两车同时出发,相向而行,问几小时后相遇?

解题过程

  1. xx 小时后相遇。
  2. 甲车行驶路程:50x50x 千米;乙车行驶路程:70x70x 千米。
  3. 相遇时,两车路程之和等于总距离:
50x+70x=240 50x + 70x = 240
  1. 合并同类项:120x=240120x = 240
  2. 解得:x=2x = 2
  3. 答:2小时后相遇。

例题2(追及问题)

小李骑自行车以15 km/h的速度从家出发去公园。10分钟后,爸爸发现他忘带水壶,立即骑电动车以30 km/h的速度追赶。问爸爸出发后多久能追上小李?

解题过程

  1. 先统一单位:10分钟 = 16\frac{1}{6} 小时。
  2. 设爸爸出发后 xx 小时追上小李。
  3. 此时小李已骑行总时间:x+16x + \frac{1}{6} 小时,路程为 15(x+16)15(x + \frac{1}{6})
  4. 爸爸骑行路程:30x30x
  5. 追上时两人路程相等:
30x=15(x+16) 30x = 15\left(x + \frac{1}{6}\right)
  1. 去括号:30x=15x+156=15x+2.530x = 15x + \frac{15}{6} = 15x + 2.5
  2. 移项得:15x=2.515x = 2.5,解得 x=2.515=16x = \frac{2.5}{15} = \frac{1}{6} 小时(即10分钟)。
  3. 答:爸爸出发后10分钟追上小李。

⚠️ 易错点

  • 单位不统一:如时间用“分钟”而速度用“km/h”,导致计算错误。避免方法:解题前先把所有单位统一成小时或分钟。

  • 混淆相遇与追及的等量关系:相遇是路程相加等于总距离,追及是路程相等(或相差初始距离)。避免方法:画线段图帮助理解运动过程。

  • 设错未知数:有时学生设的是总时间而非关键时间段(如追及时从后出发者开始计时)。避免方法:明确“谁的时间”对应“谁的路程”。

  • 忽略实际意义:解出负数时间或不合理结果却不检验。避免方法:解完方程后代入原题检查是否符合现实。

  • 未考虑先后出发的时间差:在追及问题中忘记先出发者多走了一段时间。避免方法:用“总时间 = 后出发时间 + 提前时间”来表达先出发者的路程。

💡 例题

1

小明从家步行到学校,每分钟走60米,需要15分钟到达。如果他想提前3分钟到达学校,每分钟应该走多少米?

  1. 先计算小明家到学校的距离:60米/分钟 × 15分钟 = 900米。
  2. 如果提前3分钟到达,则用时为15-3=12分钟。
  3. 计算新的速度:900米 ÷ 12分钟 = 75米/分钟。
2

设函数 ff 将正整数映射到正整数,且满足:

(i) ff 是递增的(即对所有正整数 nn,都有 f(n+1)>f(n)f(n + 1) > f(n));

(ii) 对所有正整数 mmnn,有 f(mn)=f(m)f(n)f(mn) = f(m) f(n)

(iii) 若 mnm \neq nmn=nmm^n = n^m,则 f(m)=nf(m) = nf(n)=mf(n) = m

求所有可能的 f(30)f(30) 的值之和。

  1. 注意到 24=422^4 = 4^2,由条件 (iii) 可知:f(2)=4f(2) = 4f(4)=2f(4) = 2

  2. 但由条件 (i),有 f(4)>f(3)>f(2)>f(1)f(4) > f(3) > f(2) > f(1),所以 f(4)4f(4) \ge 4。因此只能是 f(2)=4f(2) = 4

  3. 由条件 (ii) 反复使用,得 f(2n)=22nf(2^n) = 2^{2n}(对所有正整数 nn 成立)。

  4. 由 (i) 和 (iii) 得:f(3)2=f(9)>f(8)=64f(3)^2 = f(9) > f(8) = 64,所以 f(3)9f(3) \ge 9

  5. f(3)8=f(38)<f(213)=226f(3)^8 = f(3^8) < f(2^{13}) = 2^{26},所以 f(3)9f(3) \le 9。因此 f(3)=9f(3) = 9,进而 f(3n)=32nf(3^n) = 3^{2n}(对所有正整数 nn 成立)。

  6. 同理,f(5)3=f(53)<f(27)=214f(5)^3 = f(5^3) < f(2^7) = 2^{14},得 f(5)25f(5) \le 25f(5)11=f(511)>f(316)=332f(5)^{11} = f(5^{11}) > f(3^{16}) = 3^{32},得 f(5)25f(5) \ge 25。故 f(5)=25f(5) = 25

  7. 所以 f(30)=f(2)f(3)f(5)=4925=900f(30) = f(2) \cdot f(3) \cdot f(5) = 4 \cdot 9 \cdot 25 = \boxed{900}。 (注:函数 f(n)=n2f(n) = n^2 满足全部条件;且满足 mnm \neq nmn=nmm^n = n^m 的正整数对只有 (2,4)(2,4)(4,2)(4,2)。)

✏️ 练习

1

找出所有满足不等式

5x1<(x+1)2<7x3 5x - 1 < (x + 1)^2 < 7x - 3

xx 的值。

2

一个整系数多项式形如

x3+a2x2+a1x11=0 x^3 + a_2 x^2 + a_1 x - 11 = 0。

请写出这个多项式所有可能的整数根,用逗号分隔。

3

SS 是所有正实数的集合。函数 f:SRf : S \to \mathbb{R} 满足:对任意 x,y>0x, y > 0,有

f(x)f(y)=f(xy)+2005(1x+1y+2004). f(x) f(y) = f(xy) + 2005 \left( \frac{1}{x} + \frac{1}{y} + 2004 \right).

f(2)f(2) 的可能取值个数为 nn,所有可能取值之和为 ss。求 n×sn \times s

4

如果多项式 x5x4+x3px2+qx+4x^5 - x^4 + x^3 - px^2 + qx + 4 能被 (x+2)(x1)(x + 2)(x - 1) 整除,求有序数对 (p,q)(p,q)

5

解不等式:

xx+30.\frac{x}{x + 3} \ge 0.

请用区间表示法写出答案。