2021届高考数学一轮复习第二章函数概念及基本初等函数Ⅰ第9节函数模型及其应用教学案含解析新人教A版
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第 9 节 函数模型及其应用
考试要求 1.了解指数函数、对数函数、幂函数的增长特征,结合具体实例体会直线上升、
指数增长、对数增长等不同函数类型增长的含义;2.了解函数模型(如指数函数、对数函数、
幂函数、分段函数等在社会生活中普遍使用的函数模型)的广泛应用.
知 识 梳 理
1.指数、对数、幂函数模型性质比较
函数
性质
y=ax
(a>1)
y=logax
(a>1)
y=xn
(n>0)
在(0,+∞)
上的增减性
单调递增 单调递增 单调递增
增长速度 越来越快 越来越慢 相对平稳
图象的变化
随 x 的增大逐渐表现
为与 y 轴平行
随 x 的增大逐渐表现
为与 x 轴平行
随 n 值变化
而各有不同
2.几种常见的函数模型
函数模型 函数解析式
一次函数模型 f(x)=ax+b(a、b 为常数,a≠0)
二次函数模型 f(x)=ax2+bx+c(a,b,c 为常数,a≠0)
与指数函数
相关的模型
f(x)=bax+c(a,b,c 为常数,a>0 且 a≠1,b≠0)
与对数函数
相关的模型
f(x)=blogax+c(a,b,c 为常数,a>0 且 a≠1,b≠0)
与幂函数
相关的模型
f(x)=axn+b(a,b,n 为常数,a≠0)
[常用结论与微点提醒]
1.“直线上升”是匀速增长,其增长量固定不变;“指数增长”先慢后快,其增长量成倍增
加,常用“指数爆炸”来形容;“对数增长”先快后慢,其增长量越来越小.
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2.充分理解题意,并熟练掌握几种常见函数的图象和性质是解题的关键.
3.易忽视实际问题中自变量的取值范围,需合理确定函数的定义域,必须验证数学结果对实
际问题的合理性.
诊 断 自 测
1.判断下列结论正误(在括号内打“√”或“×”)
(1)某种商品进价为每件 100 元,按进价增加 10%出售,后因库存积压降价,若按九折出售,
则每件还能获利.( )
(2)函数 y=2x 的函数值比 y=x2 的函数值大.( )
(3)不存在 x0,使 ax0
1)的增长速度会超过并远远大于 y=xa(a>0)的增
长速度.( )
解析 (1)9 折出售的售价为 100(1+10%)× 9
10
=99(元).
∴每件赔 1 元,(1)错.
(2)中,当 x=2 时,2x=x2=4.不正确.
(3)中,如 a=x0=1
2
,n=1
4
,不等式成立,因此(3)错.
答案 (1)× (2)× (3)× (4)√
2.(老教材必修 1P107A1 改编)在某个物理实验中,测得变量 x 和变量 y 的几组数据,如下表:
x 0.50 0.99 2.01 3.98
y -0.99 0.01 0.98 2.00
则对 x,y 最适合的拟合函数是( )
A.y=2x B.y=x2-1
C.y=2x-2 D.y=log2x
解析 根据 x=0.50,y=-0.99,代入计算,可以排除 A;根据 x=2.01,y=0.98,代入计
算,可以排除 B,C;将各数据代入函数 y=log2x,可知满足题意.
答案 D
3.(新教材必修第一册 P149 例 4 改编)当生物死亡后,其体内原有的碳 14 的含量大约每经过 5
730 年衰减为原来的一半,这个时间称为“半衰期”.当死亡生物体内的碳 14 含量不足死亡前
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的千分之一时,用一般的放射性探测器就测不到了.若某死亡生物体内的碳 14 用该放射性探
测器探测不到,则它经过的“半衰期”个数至少是( )
A.8 B.9 C.10 D.11
解析 设该死亡生物体内原有的碳 14 的含量为 1,则经过 n 个“半衰期”后的含量为
1
2
n
,由
1
2
n
< 1
1 000
,得 n≥10.
所以,若某死亡生物体内的碳 14 用该放射性探测器探测不到,则它至少需要经过 10 个“半
衰期”.
答案 C
4.(2020·西安一中月考)已知 f(x)=x2,g(x)=2x,h(x)=log2x,当 x∈(4,+∞)时,对三
个函数的增长速度进行比较,下列选项中正确的是( )
A.f(x)>g(x)>h(x) B.g(x)>f(x)>h(x)
C.g(x)>h(x)>f(x) D.f(x)>h(x)>g(x)
解析 在同一坐标系内,根据函数图象变化趋势,当 x∈(4,+∞)时,增长速度大小排列为
g(x)>f(x)>h(x).
答案 B
5.(多填题)(2018·浙江卷)我国古代数学著作《张邱建算经》中记载百鸡问题:“今有鸡翁
一,值钱五;鸡母一,值钱三;鸡雏三,值钱一.凡百钱,买鸡百只,问鸡翁、母、雏各几何?”
设鸡翁、鸡母、鸡雏个数分别为 x,y,z,则
x+y+z=100,
5x+3y+1
3
z=100,当 z=81 时,x=________,
y=________.
解析 把 z=81 代入方程组,化简得
x+y=19,
5x+3y=73,
解得 x=8,y=11.
答案 8 11
6.(多填题)(2019·北京卷)李明自主创业,在网上经营一家水果店,销售的水果中有草莓、
京白梨、西瓜、桃,价格依次为 60 元/盒、65 元/盒、80 元/盒、90 元/盒.为增加销量,李明
对这四种水果进行促销:一次购买水果的总价达到 120 元,顾客就少付 x 元.每笔订单顾客网
上支付成功后,李明会得到支付款的 80%.
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(1)当 x=10 时,顾客一次购买草莓和西瓜各 1 盒,需要支付________元;
(2)在促销活动中,为保证李明每笔订单得到的金额均不低于促销前总价的七折,则 x 的最大
值为________.
解析 (1)顾客一次购买草莓和西瓜各 1 盒,原价应为 60+80=140(元),超过了 120 元可以
优惠,所以当 x=10 时,顾客需要支付 140-10=130(元).(2)由题意知,当 x 确定后,顾客
可以得到的优惠金额是固定的,所以顾客支付的金额越少,优惠的比例越大.而顾客要想得到
优惠,最少要一次购买 2 盒草莓,此时顾客支付的金额为(120-x)元,所以(120-
x)×80%≥120×0.7,所以 x≤15.即 x 的最大值为 15.
答案 (1)130 (2)15
考点一 利用函数的图象刻画实际问题
【例 1】 (2017·全国Ⅲ卷)某城市为了解游客人数的变化规律,提高旅游服务质量,收集并
整理了 2014 年 1 月至 2016 年 12 月期间月接待游客量(单位:万人)的数据,绘制了下面的折
线图.
根据该折线图,下列结论错误的是( )
A.月接待游客量逐月增加
B.年接待游客量逐年增加
C.各年的月接待游客量高峰期大致在 7,8 月
D.各年 1 月至 6 月的月接待游客量相对于 7 月至 12 月,波动性更小,变化比较平稳
解析 由题图可知,2014 年 8 月到 9 月的月接待游客量在减少,则 A 选项错误.
答案 A
规律方法 1.当根据题意不易建立函数模型时,则根据实际问题中两变量的变化快慢等特点,
结合图象的变化趋势,验证是否吻合,从中排除不符合实际的情况,选出符合实际情况的答
案.
2.图形、表格能直观刻画两变量间的依存关系,考查了数学直观想象核心素养.
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【训练 1】 高为 H,满缸水量为 V 的鱼缸的轴截面如图所示,其底部破了一个小洞,满缸水
从洞中流出,若鱼缸水深为 h 时水的体积为 v,则函数 v=f(h)的大致图象是( )
解析 由题意知,水深 h 越大,水的体积 v 就越大.
当 h=0 时,v=0,故可排除 A,C;
当 h∈[0,H]时,不妨将水“流出”设想为“流入”.
每当 h 增加一个单位增量Δh 时,根据鱼缸形状可知,函数 v 的变化,开始其增量越来越大,
经过中截面后增量越来越小,故 v=f(h)的图象是先凹后凸的,故选 B.
答案 B
考点二 已知函数模型求解实际问题
【例 2】 为了降低能源损耗,某体育馆的外墙需要建造隔热层,体育馆要建造可使用 20 年的
隔热层,每厘米厚的隔热层建造成本为 6 万元.该建筑物每年的能源消耗费用 C(单位:万元)
与隔热层厚度 x(单位:cm)满足关系:C(x)= k
3x+5
(0≤x≤10,k 为常数),若不建隔热层,
每年能源消耗费用为 8 万元,设 f(x)为隔热层建造费用与 20 年的能源消耗费用之和.
(1)求 k 的值及 f(x)的表达式;
(2)隔热层修建多厚时,总费用 f(x)达到最小?并求最小值.
解 (1)当 x=0 时,C=8,∴k=40,
∴C(x)= 40
3x+5
(0≤x≤10),
∴f(x)=6x+20×40
3x+5
=6x+ 800
3x+5
(0≤x≤10).
(2)由(1)得 f(x)=2(3x+5)+ 800
3x+5
-10.
令 3x+5=t,t∈[5,35],
则 y=2t+800
t
-10≥2 2t·800
t
-10=70(当且仅当 2t=800
t
,即 t=20 时等号成立),
此时 x=5,因此 f(x)的最小值为 70.
∴隔热层修建 5 cm 厚时,总费用 f(x)达到最小,最小值为 70 万元.
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规律方法 1.求解已知函数模型解决实际问题的关注点.
(1)认清所给函数模型,弄清哪些量为待定系数.
(2)根据已知利用待定系数法,确定模型中的待定系数.
2.利用该函数模型,借助函数的性质、导数等求解实际问题,并进行检验.
【训练 2】 (2019·全国Ⅱ卷)2019 年 1 月 3 日嫦娥四号探测器成功实现人类历史上首次月球
背面软着陆,我国航天事业取得又一重大成就.实现月球背面软着陆需要解决的一个关键技术
问题是地面与探测器的通信联系.为解决这个问题,发射了嫦娥四号中继星“鹊桥”,鹊桥沿
着围绕地月拉格朗日 L2 点的轨道运行.L2 点是平衡点,位于地月连线的延长线上.设地球质量
为 M1,月球质量为 M2,地月距离为 R,L2 点到月球的距离为 r,根据牛顿运动定律和万有引力
定律,r 满足方程:
M1
(R+r)2+M2
r2=(R+r)M1
R3.
设α=r
R
.由于α的值很小,因此在近似计算中3α3+3α4+α5
(1+α)2 ≈3α3,则 r 的近似值为( )
A. M2
M1
R B. M2
2M1
R C.
3 3M2
M1
R D.
3 M2
3M1
R
解析 由α=r
R
,得 r=αR,
代入 M1
(R+r)2+M2
r2=(R+r)M1
R3,
整理得3α3+3α4+α5
(1+α)2 =M2
M1
.
又3α3+3α4+α5
(1+α)2 ≈3α3,即 3α3≈M2
M1
,所以α≈
3 M2
3M1
,
故 r=αR≈
3 M2
3M1
R.
答案 D
考点三 构建函数模型的实际问题 多维探究
角度 1 构建二次函数、分段函数模型
【例 3-1】 (2020·济南一中月考)响应国家提出的“大众创业,万众创新”的号召,小王大
学毕业后决定利用所学专业进行自主创业.经过市场调研,生产某小型电子产品需投入年固定
成本 2 万元,每生产 x 万件,需另投入流动成本 W(x)万元,在年产量不足 8 万件时,W(x)=1
3
x2
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+2x.在年产量不小于 8 万件时,W(x)=7x+100
x
-37.每件产品售价 6 元.通过市场分析,小
王生产的商品能当年全部售完.
(1)写出年利润 P(x)(万元)关于年产量 x(万件)的函数解析式;(注:年利润=年销售收入-
固定成本-流动成本)
(2)年产量为多少万件时,小王在这一商品的生产中所获利润最大?最大利润是多少?
解 (1)因为每件商品售价为 6 元,则 x 万件商品销售收入为 6x 万元.依题意得
当 0200.
两边取对数,得 n·lg1.12>lg 2-lg 1.3,
所以 n>lg 2-lg 1.3
lg 1.12
≈0.30-0.11
0.05
=19
5
,
又 n∈N*,所以 n≥4,
所以从 2023 年开始,该公司投入的研发资金开始超过 200 万元.
答案 (1)C (2)③ (3)D
A 级 基础巩固
一、选择题
1.一根蜡烛长 20 cm,点燃后每小时燃烧 5 cm,燃烧时剩下的高度 h(cm)与燃烧时间 t(小时)
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的函数关系用图象表示为( )
解析 由题意得关系式为 h=20-5t(0≤t≤4).图象应为 B 项.
答案 B
2.根据有关资料,围棋状态空间复杂度的上限 M 约为 3361,而可观测宇宙中普通物质的原子总
数 N 约为 1080.则下列各数中与M
N
最接近的是( )
(参考数据:lg 3≈0.48)
A.1033 B.1053 C.1073 D.1093
解析 由题意,lg M
N
=lg 3361
1080=lg 3361-lg 1080
=361lg 3-80lg 10≈93.
所以M
N
≈1093,故与M
N
最接近的是 1093.
答案 D
3.汽车的“燃油效率”是指汽车每消耗 1 L 汽油行驶的里程,如图描述了甲、乙、丙三辆汽
车在不同速度下的燃油效率情况.下列斜述中正确的是( )
A.消耗 1 L 汽油,乙车最多可行驶 5 km
B.以相同速度行驶相同路程,三辆车中,甲车消耗汽油最多
C.甲车以 80 km/h 的速度行驶 1 小时,消耗 10 L 汽油
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D.某城市机动车最高限速 80 km/h,相同条件下,在该市用丙车比用乙车更省油
解析 对于 A,消耗 1 L 汽油,乙车行驶的最大距离大于 5 km,故 A 错;对于 B,以相同速度
行驶时,甲车燃油效率最高,因此以相同速度行驶相同路程时,甲车消耗汽油最少,故 B 错;
对于 C,甲车以 80 km/h 行驶 1 小时,里程为 80 km,燃油效率为 10 km/L,消耗 8 L 汽油,
故 C 错;对于 D,因为在速度低于 80 km/h 时,丙车的燃油效率高于乙车,故 D 正确.
答案 D
4.(2020·武汉模拟)复利是一种计算利息的方法,即把前一期的利息和本金加在一起算作本
金,再计算下一期的利息.某同学有压岁钱 1 000 元,存入银行,年利率为 2.25%,若放入微
信零钱通或者支付宝的余额宝,年利率可达 4.01%.如果将这 1 000 元选择合适方式存满 5 年,
可以多获利息( )
(参考数据:1.022 54≈1.093,1.022 55≈1.118,1.040 15≈1.217)
A.176 元 B.99 元 C.77 元 D.88 元
解析 将 1 000 元钱存入微信零钱通或者支付宝的余额宝,选择复利的计算方法,则存满 5
年后的本息和为 1 000×(1+4.01%)5≈1 217(元),故共得利息 1 217-1 000=217(元).将 1
000 元存入银行,则存满 5 年后的本息和为 1 000×(1+2.25%)5≈1 118(元),即获利息 1 118
-1 000=118(元).故可以多获利息 217-118=99(元).
答案 B
5.我们处在一个有声世界里,不同场合,人们对声音的音量会有不同要求.音量大小的单位是
分贝(dB),对于一个强度为 I 的声波,其音量的大小η可由如下公式计算:η=10lgI
I0
(其中
I0 是人耳能听到声音的最低声波强度),则 70 dB 的声音的声波强度 I1 是 60 dB 的声音的声波
强度 I2 的( )
A.7
6
倍 B.10 7
6
倍
C.10 倍 D.ln 7
6
倍
解析 由η=10lg I
I0
得 I=I010η
10
,所以 I1=I0107,I2=I0106,所以I1
I2
=10,所以 70 dB 的声
音的声波强度 I1 是 60 dB 的声音的声波强度 I2 的 10 倍.
答案 C
二、填空题
6.某公司一年购买某种货物 600 吨,每次购买 x 吨,运费为 6 万元/次,一年的总存储费用为
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4x 万元.要使一年的总运费与总存储费用之和最小,则 x 的值是________.
解析 一年的总运费与总存储费用之和为 y=6×600
x
+4x=3 600
x
+4x≥2 3 600
x
×4x=
240,当且仅当3 600
x
=4x,即 x=30 时,y 有最小值 240.
答案 30
7.“好酒也怕巷子深”,许多著名品牌是通过广告宣传进入消费者视线的.已知某品牌商品广
告销售的收入 R 与广告费 A 之间满足关系 R=a A(a 为常数),广告效应为 D=a A-A.那么精
明的商人为了取得最大的广告效应,投入的广告费应为________(用常数 a 表示).
解析 令 t= A(t≥0),则 A=t2,
∴D=at-t2=-
t-1
2
a 2
+1
4
a2,
∴当 t=1
2
a,即 A=1
4
a2 时,D 取得最大值.
答案 1
4
a2
8.一个容器装有细沙 a cm3,细沙从容器底下一个细微的小孔慢慢地匀速漏出,t min 后剩余
的细沙量为 y=ae-bt(cm3),经过 8 min 后发现容器内还有一半的沙子,则再经过________min,
容器中的沙子只有开始时的八分之一.
解析 当 t=8 时,y=ae-8b=1
2
a,所以 e-8b=1
2
.
容器中的沙子只有开始时的八分之一时,即 y=ae-bt=1
8
a,e-bt=1
8
=(e-8b)3=e-24b,则 t=24.
所以再经过 16 min 容器中的沙子只有开始时的八分之一.
答案 16
三、解答题
9.候鸟每年都要随季节的变化而进行大规模的迁徙,研究某种鸟类的专家发现,该种鸟类的
飞行速度 v(单位:m/s)与其耗氧量 Q 之间的关系为 v=a+blog3
Q
10
(其中 a,b 是实数).据统计,
该种鸟类在静止时其耗氧量为 30 个单位,而其耗氧量为 90 个单位时,其飞行速度为 1 m/s.
(1)求出 a,b 的值;
(2)若这种鸟类为赶路程,飞行的速度不能低于 2 m/s,则其耗氧量至少要多少个单位?
解 (1)由题意可知,当这种鸟类静止时,它的速度为 0 m/s,此时耗氧量为 30 个单位,
故有 a+blog3
30
10
=0,即 a+b=0.
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当耗氧量为 90 个单位时,速度为 1 m/s,
故有 a+blog3
90
10
=1,即 a+2b=1.
解方程组
a+b=0,
a+2b=1,
得
a=-1,
b=1.
(2)由(1)知,v=-1+log3
Q
10
.
所以要使飞行速度不低于 2 m/s,则有 v≥2,
即-1+log3
Q
10
≥2,解得 Q≥270.
所以若这种鸟类为赶路程,飞行的速度不能低于 2 m/s 时,其耗氧量至少要 270 个单位.
10.某医药机构测定,某种药品服用后每毫升血液中的含药量 y(微克)与时间 t(小时)之间近
似满足如图所示的曲线.
(1)写出服用药品后 y 与 t 之间的函数关系式;
(2)据进一步测定,每毫升血液中含药量不少于 0.50 微克时治疗有效,求服用药品后的有效
时间.
解 (1)由题中图象,设 y=
kt,0≤t≤1,
1
2
t-a
,t>1.
当 t=1 时,由 y=4,得 k=4;
当
1
2
1-a
=4,得 a=3.所以 y=
4t,0≤t≤1,
1
2
t-3
,t>1.
(2)由 y≥0.50,得
0≤t≤1,
4t≥0.50
或
t>1,
1
2
t-3
≥0.50,
解得1
8
≤t≤4,因此服用药品后的有效时间为 4-1
8
=31
8
(小时).
B 级 能力提升
11.将甲桶中的 a L 水缓慢注入空桶乙中,t min 后甲桶中剩余的水量符合指数衰减曲线 y=
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aent.假设过 5 min 后甲桶和乙桶的水量相等,若再过 m min 甲桶中的水只有a
4
L,则 m 的值为
( )
A.5 B.8 C.9 D.10
解析 ∵5 min 后甲桶和乙桶的水量相等,
∴函数 y=f(t)=aent 满足 f(5)=ae5n=1
2
a,
可得 n=1
5
ln 1
2
,∴f(t)=a·
1
2
t
5
,
因此,当 k min 后甲桶中的水只有a
4
L 时,
f(k)=a·
1
2
k
5
=1
4
a,即
1
2
k
5
=1
4
,
∴k=10,由题可知 m=k-5=5.
答案 A
12.某位股民购进某支股票,在接下来的交易时间内,他的这支股票先经历了 n 次涨停(每次
上涨 10%),又经历了 n 次跌停(每次下跌 10%),则该股民这支股票的盈亏情况(不考虑其他费
用)为( )
A.略有盈利 B.略有亏损
C.没有盈利也没有亏损 D.无法判断盈亏情况
解析 设该股民购这支股票的价格为 a 元,则经历 n 次涨停后的价格为 a(1+10%)n=a×1.1n
元,经历 n 次跌停后的价格为 a×1.1n×(1-10%)n=a×1.1n×0.9n=a×(1.1×0.9)n=0.99n·a
<a,故该股民这支股票略有亏损.
答案 B
13.物体在常温下的温度变化可以用牛顿冷却规律来描述:设物体的初始温度是 T0,经过一定
时间 t(单位:min)后的温度是 T,则 T-Ta=(T0-Ta)
1
2
t
h
,其中 Ta 称为环境温度,h 称为半衰
期.现有一杯用 85 ℃热水冲的速溶咖啡,放在 21 ℃的房间中,如果咖啡降到 37 ℃需要 16 min,
那么这杯咖啡要从 37 ℃降到 29 ℃,还需要________ min.
解析 由题意知 Ta=21 ℃.
令 T0=85 ℃,T=37 ℃,
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得 37-21=(85-21)·
1
2
16
h
,解得 h=8.
令 T0=37 ℃,T=29 ℃,
则 29-21=(37-21)·
1
2
t
8
,解得 t=8.
答案 8
14.(2020·佛山一中月考)近年来,“共享单车”的出现为市民“绿色出行”提供了极大的方
便,某共享单车公司计划在甲、乙两座城市共投资 240 万元.根据行业规定,每个城市至少要
投资 80 万元,由前期市场调研可知:甲城市收益 P 与投入 a(单位:万元)满足 P=4 2a-6,
乙城市收益 Q 与投入 a(单位:万元)满足 Q=
1
4
a+2,80≤a≤120,
32,1200,
- 16 -
故 f(x)的最大值为 88.
因此,当甲城市投资 128 万元,乙城市投资 112 万元时,总收益最大,且最大收益为 88 万元.
C 级 创新猜想
15.(多选题)(2020·济南月考)甲、乙、丙、丁四个物体同时从某一点出发向同一方向运动,
它们的路程 fi(x)(i=1,2,3,4)关于时间 x(x≥0)的函数关系式分别为 f1(x)=2x-1,f2(x)
=x2,f3(x)=x,f4(x)=log2(x+1),则下列结论正确的是( )
A.当 x>1 时,甲走在最前面
B.当 x>1 时,乙走在最前面
C.当 01 时,丁走在最后面
D.如果它们一直运动下去,最终走在最前面的是甲
解析 甲、乙、丙、丁的路程 fi(x)(i=1,2,3,4)关于时间 x(x≥0)的函数关系式分别为
f1(x)=2x-1,f2(x)=x2,f3(x)=x,f4(x)=log2(x+1),它们对应的函数模型分别为指数型
函数模型、二次函数模型、一次函数模型、对数型函数模型.
当 x=2 时,f1(2)=3,f2(2)=4,所以 A 不正确;
当 x=5 时,f1(5)=31,f2(5)=25,所以 B 不正确;
根据四种函数的变化特点,对数型函数的增长速度是先快后慢,又当 x=1 时,甲、乙、丙、
丁四个物体走过的路程相等,从而可知,当 01 时,丁走在最
后面,所以 C 正确;
指数型函数的增长速度是先慢后快,当运动的时间足够长时,最前面的物体一定是按照指数
型函数模型运动的物体,即一定是甲物体,所以 D 正确.
答案 CD