第9讲 指数与指数函数
思维导图
知识梳理1.指数与指数运算 (1)根式的性质
①(n a )n =a (a 使n
a 有意义). ②当n 是奇数时,n
a n =a ; 当n 是偶数时,
n
a n
=|a |=?
????a ,a ≥0,
-a ,a <0.
(2)分数指数幂的意义
①a m n
=n
a m (a >0,m ,n ∈N *,且n >1). ②a -m n
=1a m n =1n a m
(a >0,m ,n ∈N *,且n >1).
③0的正分数指数幂等于0,0的负分数指数幂没有意义. (3)有理数指数幂的运算性质 ①a r ·a s =a r +
s (a >0,r ,s ∈Q ); ②a r a s =a r -s
(a >0,r ,s ∈Q ); ③(a r )s =a rs (a >0,r ,s ∈Q );
④(ab )r =a r b r (a >0,b >0,r ∈Q ). 2.指数函数的概念
函数y =a x (a >0,且a ≠1)叫做指数函数,其中指数x 是自变量,函数的定义域是R ,a 是底数. 3.指数函数y =a x (a >0,且a ≠1)的图象与性质
底数 a >1
0 图象 性质 定义域为R ,值域为(0,+∞) 图象过定点(0,1) 当x >0时,恒有y >1;当x <0时,恒有0 当x >0时,恒有0 时,恒有y >1 在定义域R 上为增函数 在定义域R 上为减函数 注意 指数函数y =a x (a >0,且a ≠1)的图象和性质与a 的取值有关,应分a >1与0 来研究 核心素养分析幂函数、指数函数与对数函数是最基本的、应用最广泛的函数,是进一步研究数学的基础。本讲的学习,可以帮助学生学会用函数图象和代数运算的方法研究这些函数的性质;理解这些函数中所蕴含的运算规律;运用这些函数建立模型,解决简单的实际问题,体会这些函数在解决实际问题中的作用。 题型归纳题型1 指数幂的化简与求值 【例1-1】(2019秋?徐州期末)化简2 53 1 4 3 3 (2)(3)(4)(a b a b a b a ------÷,0)b >得( ) A .232b - B .232 b C .7 332b - D .7 332 b 【分析】利用指数幂的运算性质即可得出. 【解答】解:2 5251()3 1 4 31(4)23 3 33 2(3)3(2)(3)(4)42 a b a b a b a b b - - -+---------?--÷==-. 故选:A . 【例1-2】(2019秋?揭阳期末)223 1 125()2 -++= . 【分析】根据指数的运算性质,及根式与分数指数幂的互化及其化简运算法则,可得答案. 【解答】解:223 1 125()2 -+254(3)(3)29ππ=+--+-=-, 故答案为:29π- 【跟踪训练1-1】(2019·安庆期末)化简4a 23 ·b -13÷??? ?-23a -13b 2 3的结果为( ) A .-2a 3b B .-8a b C .-6a b D .-6ab 【分析】根据指数的运算性质,及根式与分数指数幂的互化及其化简运算法则,可得答案. 【解答】 原式=-6a 23-????-13b -13-23=-6ab -1=-6a b . 【跟踪训练1-2】(2019·长沙质检)计算:????-278-2 3+0.002-12-10(5-2)-1+π0=________. 【分析】根据指数的运算性质,及根式与分数指数幂的互化及其化简运算法则,可得答案. 【解答】原式=????-32-2+5001 2-10(5+2)(5-2)(5+2) +1 =49+105-105-20+1=-1679. 【名师指导】 指数幂运算的一般原则 (1)有括号的先算括号里的,无括号的先算指数运算. (2)先乘除后加减,负指数幂化成正指数幂的倒数. (3)底数是小数,先化成分数;底数是带分数的,先化成假分数. (4)若是根式,应化为分数指数幂,尽可能用幂的形式表示,运用指数幂的运算性质来解答. 题型2 指数函数的图象及应用 【例2-1】(1)函数f (x )=21- x 的大致图象为( ) (2)若函数y =|3x -1|在(-∞,k ]上单调递减,则k 的取值范围为________. 【解析】 (1)函数 f (x )=21- x =2× ??? ?12x ,单调递减且过点(0,2),选项A 中的图象符合要求. (2)函数y =|3x -1|的图象是由函数y =3x 的图象向下平移一个单位后,再把位于x 轴下方的图象沿x 轴翻折到x 轴上方得到的,函数图象如图所示. 由图象知,其在(-∞,0]上单调递减,所以k 的取值范围为(-∞,0]. 【跟踪训练2-1】函数f (x )=a x -b 的图象如图所示,其中a ,b 为常数,则下列结论正确的是( ) A .a >1,b <0 B .a >1,b >0 C .00 D .0 【解答】由f (x )=a x -b 的图象可以观察出函数f (x )=a x -b 在定义域上单调递减,所以0 -b 的 图象是在f (x )=a x 的基础上向左平移得到的,所以b <0.故选D. 【跟踪训练2-2】若关于x 的方程|a x -1|=2a (a >0,且a ≠1)有两个不等实根,则a 的取值范围是________. 【解答】方程|a x -1|=2a (a >0,且a ≠1)有两个不等实根转化为函数y =|a x -1|与y =2a 有两个交点. (1)当0<a <1时,如图①,所以0<2a <1,即 0<a <1 2 ; (2)当a >1时,如图②,而y =2a >1不符合要求. 所以0<a <1 2. 【名师指导】 有关指数函数图象问题的解题思路 (1)已知函数解析式判断其图象,一般是取特殊点,判断选项中的图象是否过这些点,若不满足则排除. (2)对于有关指数型函数的图象问题,一般是从最基本的指数函数的图象入手,通过平移、伸缩、对称变换而得到.特别地,当底数a 与1的大小关系不确定时应注意分类讨论. (3)有关指数方程、不等式问题的求解,往往是利用相应的指数型函数图象,数形结合求解. (4)根据指数函数图象判断底数大小的问题,可以通过直线x =1与图象的交点进行判断. 题型3 指数函数的性质及应用 【例3-1】(2019秋?沙坪坝区校级期末)已知函数()x x f x e e -=+,若 1.1(2)a f =,(1)b f =-,2(log 3)c f =,则实数a ,b ,c 的大小关系为( ) A .a b c << B .a c b << C .c b a << D .b c a << 【分析】利用函数()x x f x e e -=+,为偶函数,在(0,)+∞上单调递增,即可得出结论. 【解答】解:函数()x x f x e e -=+,为偶函数,在(0,)+∞上单调递增. 1.1(2)a f =,(1)b f f =-=(1),2(log 3)c f =, 1.121log 322<<<. 则实数a ,b ,c 的大小关系为b c a <<. 故选:D . 【例3-2】 (1)已知实数a ≠1,函数f (x )=? ????4x ,x ≥0,2a -x ,x <0,若f (1-a )=f (a -1),则a 的值为________. (2)设函数f (x )=?????????12x -7,x <0,x ,x ≥0,若f (a )<1,则实数a 的取值范围是________. [解析] (1)当a <1时,41- a =21,解得a =12;当a >1时,代入不成立.故a 的值为12 . (2)若a <0,则f (a )<1?????12a -7<1?????12a <8,解得a >-3,故-3 2 (2)(-3,1) 【例3-3】(2020·无锡校级模拟)已知函数f (x )=a x -1 a x +1 (a >0且a ≠1). (1)求f (x )的定义域和值域; (2)讨论f (x )的奇偶性; (3)讨论f (x )的单调性. 【解析】(1)f (x )的定义域是R ,令y =a x -1a x +1,得a x =-y +1y -1,因为a x -1a x +1 ≠1在定义域内恒成立,所以y ≠1. 因为a x >0,所以-y +1 y -1>0, 解得-1 所以f (x )的值域为(-1,1). (2)因为f (-x )=a - x -1a -x +1=1-a x 1+a x =-f (x ), 所以f (x )是奇函数. (3)f (x )=(a x +1)-2a x +1=1-2 a x +1 . 设x 1,x 2是R 上任意两个实数,且x 1 2a x 2 +1-2 a x 1+1 = 2(a x 1-a x 2) (a x 1+1)(a x 2+1) . 因为x 1 所以当a >1时,a x 2>a x 1>0, 从而a x 1+1>0,a x 2+1>0,a x 1-a x 2<0, 所以f (x 1)-f (x 2)<0,即f (x 1) 从而a x 1+1>0,a x 2+1>0,a x 1-a x 2>0, 所以f (x 1)-f (x 2)>0,即f (x 1)>f (x 2),f (x )为R 上的减函数. 【跟踪训练3-1】(2019秋?启东市期中)已知函数()2x f x =,若0.2(2)a f =,b f =(2),2(log 5)c f =,则 ( ) A .a b c << B .c b a << C .b a c << D .a c b << 【分析】根据题意,由指数函数的性质分析可得()f x 在R 上为增函数,又由0.212222log 5<<<,分析可得答案. 【解答】解:根据题意,函数()2x f x =,则()f x 在R 上为增函数, 又由0.212222log 5<<<, 则a b c <<; 故选:A . 【跟踪训练3-2】(2020·广州月考)若偶函数f (x )满足f (x )=2x -4(x ≥0),则不等式f (x -2)>0的解集为________. 【解析】因为f (x )为偶函数, 当x <0时,-x >0,则f (x )=f (-x )=2- x -4. 所以f (x )=? ????2x -4,x ≥0, 2-x -4,x <0 当f (x -2)>0时,有? ????x -2≥0,2x -2-4>0或?????x -2<0, 2-x +2-4>0, 解得x >4或x <0. 所以不等式的解集为{x |x >4或x <0}. 【跟踪训练3-3】(2019?山东模拟)若a b b a e e ππ--++,则有( ) A .0a b + B .0a b - C .0a b - D .0a b + 【分析】利用函数单调性求由a b b a e e ππ--++构造函数()x x f x e π-=-,利用函数单调性得答案. 【解答】解法一:取特殊值排除; 当0a =,1b =时,111e π ++,成立,排除A ,B .当1a =,0b =,1 11e π ++成立,排除C . 法二:构造函数利用单调性:令()x x f x e π-=-,则()f x 是增函数, a a b b e e ππ----, f ∴(a )()f b -, 即0a b +. 故选:D . 【名师指导】 1.利用指数函数的性质比较幂值的大小,其方法是:先看能否化成同底数,能化成同底数的先化成同底数幂,再利用函数单调性比较大小,不能化成同底数的,一般引入“1”等中间量比较大小; 2.利用指数函数的性质解简单的指数方程或不等式,其方法是:先利用幂的运算性质化为同底数幂,再利用函数单调性转化为一般不等式求解; 3.指数函数性质的综合应用,其方法是:首先判断指数型函数的性质,再利用其性质求解. 实用标准 指数函数·例题解析 第一课时 【例1】(基础题)求下列函数的定义域与值域: (1)y 3 (2)y (3)y 1 2x ===-+---213321x x 解 (1)定义域为{x|x ∈R 且x ≠2}.值域{y|y >0且y ≠1}. (2)由2x+2-1≥0,得定义域{x|x ≥-2},值域为{|y|y ≥0}. (3)由3-3x-1≥0,得定义域是{x|x ≤2},∵0≤3-3x -1<3, ∴值域是≤<.0y 3 1.指数函数Y=ax (a>0且a ≠1)的定义域是R ,值域是(0,+∞) 2. 求定义域的几个原则:①含根式(被开方数不为负)②含分式,分母不为0③形如a0,(a ≠ 0) 3. 求函数的值域:①利用函数Y=ax 单调性②函数的有界性(x2≥0;ax>0)③换元法.如:y=4x+6×2x-8(1≤x ≤2) 先换元,再利用二次函数图象与性质(注意新元的范围) 【例2】(基础题)指数函数y=a x,y=b x,y=c x,y=d x的图像如图2.6-2所示,则a、b、c、d、1之间的大小关系是 [ ] A.a<b<1<c<d B.a<b<1<d<c C.b<a<1<d<c D.c<d<1<a<b 解选(c),在x轴上任取一点(x,0),则得b<a<1<d<c. 【例3】(基础题)比较大小: (1)2(2)0.6 、、、、的大小关系是:. 2481632 35894 5 12--() (3)4.54.1________3.73.6 解(1)y 221()x ∵,,,,,函数=,>,该函数在-∞,+∞上是增函数,又<<<<,∴<<<<.22224282162133825491 2 28416212313525838949 3859===== 指数函数及其基本性质 指数函数的定义 一般地,函数()10≠>=a a a y x 且叫做指数函数,其中x 是自变量,函数的定义域是R . 问题:指数函数定义中,为什么规定“10≠>a a 且”如果不这样规定会出现什么情况? (1)若a<0会有什么问题?(如2 1 ,2= -=x a 则在实数范围内相应的函数值不存在) (2)若a=0会有什么问题?(对于0≤x ,x a 无意义) (3)若 a=1又会怎么样?(1x 无论x 取何值,它总是1,对它没有研究的必要.) 师:为了避免上述各种情况的发生,所以规定0>a 且 1≠a . 指数函数的图像及性质 函数值的分布情况如下: 指数函数平移问题(引导学生作图理解) 用计算机作出的图像,并在同一坐标系下作出下列函数的图象,并指出它们与指数函数y =x 2的图象的关系(作图略), ⑴y =1 2+x 与y =2 2+x . ⑵y =12 -x 与y =2 2 -x . f (x )的图象 向左平移a 个单位得到f (x +a )的图象; 向右平移a 个单位得到f (x -a )的图象; 向上平移a 个单位得到f (x )+a 的图象; 向下平移a 个单位得到f (x )-a 的图象. 指数函数·经典例题解析 (重在解题方法) 【例1】求下列函数的定义域与值域: (1)y 3 (2)y (3)y 12x ===-+---213321x x 解 (1)定义域为x ∈R 且x ≠2.值域y >0且y ≠1. (2)由2x+2-1≥0,得定义域{x|x ≥-2},值域为y ≥0. (3)由3-3x-1≥0,得定义域是{x|x ≤2},∵0≤3-3x -1<3, ∴值域是≤<.0y 3 及时演练求下列函数的定义域与值域 (1)4 12-=x y ; (2)|| 2()3 x y =; (3)1241++=+x x y ; 【例2】指数函数y =a x ,y =b x ,y =c x ,y =d x 的图像如图2.6-2所示,则a 、b 、c 、d 、1之间的大小关系是 [ ] A .a <b <1<c <d B .a <b <1<d <c C . b <a <1<d <c D .c <d <1<a <b 解 选(c),在x 轴上任取一点(x ,0),则得b <a <1<d <c . 及时演练 专题二函数概念与基本初等函数I 第四讲指数函数、对数函数、幂函数答案部分2019 年 1. 解析由题意知,m 太阳 E E 太阳 ,将数据代入,可得lg 太阳10.1 m lg E 天狼星天狼星 2 , E 天狼星 所以 E .故选A. 太阳 10 10.1 E 天狼星 sin xx , x[ n,n ], 2.解析因为cos x x f x 2 sin x x f x sin x x xcos x x 2 2 所 cos x x 所以f x为 [ n,n ]上的奇函数,因此排除A; n 0 ,因此排除B,C; sin n n f n 又 又 cos n n 2 1 n 2 故选D.3.解析:由函数y ,y log x 1 ,单调性相反,且函数 x 1 log a 1 a 图像恒 a x 2 2 1 可各满足要求的图象为D.故选D.过 ,0 2 2010-2018 年 1 1. D【解析】c log 1 y log x 为增函数, 3 log 5,因为 3 5 3 7 所以 log 5 log 3 3 log 3 1. 3 2 因为函数 1 x 1 1 1 0 y ()为减函数,所以()()1,故c a b,故选D. 3 4 2. B【解析】当x 0时,因为 ex 4 ex 4 x 0 ,所以此时 x e e f (x) x 2 1 0 ,故排除A. D; 1 又f (1) e 2 e ,故排除C,选B. 3. B【解析】解法一设所求函数图象上任一点的坐标为(x, y),则其关于直线x 1的对称 点的坐标为(2 x, y) ,由对称性知点(2 x, y) 在函数f (x) ln x 的图象上,所以y ln(2 x) ,故选B. 解法二由题意知,对称轴上的点(1, 0) 即在函数y ln x 的图象上也在所求函数的图象上,代入选项中的函数表达式逐一检验, 排除A, 2(1 x) ,0 x 2知,f (x) 在(0,1) 上单调递增,在(1, 2) 上 高考数学-指数函数图像和性质及经典例题 【基础知识回顾】 一、指数公式部分 有理指数幂的运算性质 (1)r a ·s r r a a += ),,0(Q s r a ∈>; (2)rs s r a a =)( ),,0(Q s r a ∈>; (3)s r r a a a b =)( ),0,0(Q r b a ∈>>. 正数的分数指数幂的意义 )1,,,0(*>∈>=n N n m a a a n m n m )1,,,0(1 1*>∈>= = - n N n m a a a a n m n m n m 二、指数函数 1.指数函数的概念:一般地,函数)1a ,0a (a y x ≠>=且叫做指数函数,其中x 是自变量,函数的定义域为R . 2.指数函数的图象和性质 1.在同一坐标系中画出下列函数的图象: (1)x )31(y = (2)x )2 1 (y = (3)x 2y = (4)x 3y = (5)x 5y = 【指数函数性质应用经典例题】 例1.设a 是实数, 2 ()()21 x f x a x R =- ∈+,试证明:对于任意,()a f x 在R 上为增函数. 证明:设1212,,x x R x x ∈<,则 12()()f x f x -12 22()()2121 x x a a =- --++ 21222121 x x = - ++ 121 22(22)(21)(21) x x x x -=++, 由于指数函数2x y =在R 上是增函数, 且12x x <, 所以1222x x < 即1 2220x x -<, 又由20x >, 得1 1 20x +>,2120x +>, ∴12()()0f x f x -< 即12()()f x f x <, 所以,对于任意,()a f x 在R 上为增函数. 例2.已知函数2 ()1 x x f x a x -=+ +(1)a >, 求证:(1)函数()f x 在(1,)-+∞上为增函数;(2)方程()0f x =没有负数根. 指数函数 1.指数函数の定义: 函数)1 (≠ > =a a a y x且叫做指数函数,其中x是自变量,函数定义域是R 2.指数函数の图象和性质: 在同一坐标系中分别作出函数y=x2,y= x ? ? ? ? ? 2 1 ,y=x 10,y= x ? ? ? ? ? 10 1 の图象. 我们观察y=x2,y= x ? ? ? ? ? 2 1 ,y=x 10,y= x ? ? ? ? ? 10 1 图象特征,就可以得到)1 (≠ > =a a a y x且の图象和性质。 a>1 0 ()x f c の大小关系是_____. 分析:先求b c ,の值再比较大小,要注意x x b c ,の取值是否在同一单调区间. 解:∵(1)(1)f x f x +=-, ∴函数()f x の对称轴是1x =. 故2b =,又(0)3f =,∴3c =. ∴函数()f x 在(]1-, ∞上递减,在[)1+,∞上递增. 若0x ≥,则321x x ≥≥,∴(3)(2)x x f f ≥; 若0x <,则321x x <<,∴(3)(2)x x f f >. 综上可得(3)(2)x x f f ≥,即()()x x f c f b ≥. 评注:①比较大小の常用方法有:作差法、作商法、利用函数の单调性或中间量等.②对于含有参数の大小比较问题,有时需要对参数进行讨论. 2.求解有关指数不等式 例2 已知2321(25)(25)x x a a a a -++>++,则x の取值围是___________. 分析:利用指数函数の单调性求解,注意底数の取值围. 解:∵2225(1)441a a a ++=++>≥, ∴函数2(25)x y a a =++在()-+,∞∞上是增函数, ∴31x x >-,解得1 4x >.∴x の取值围是14 ??+ ??? , ∞. 评注:利用指数函数の单调性解不等式,需将不等式两边都凑成底数相同の指数式,并判断底数与1の大小,对于含有参数の要注意对参数进行讨论. 3.求定义域及值域问题 例3 求函数y = 解:由题意可得2160x --≥,即261x -≤, ∴20x -≤,故2x ≤. ∴函数()f x の定义域是(]2-, ∞. 令26x t -=,则y =, 又∵2x ≤,∴20x -≤. ∴2061x -<≤,即01t <≤. ∴011t -<≤,即01y <≤. ∴函数の值域是[)01, . 指数函数典型例题详细解析 指数函数·例题解析 第一课时 【例1】(基础题)求下列函数的定义域与值域: (1)y 3 (2)y (3)y 12x ===-+---21 3321 x x 解 (1)定义域为{x|x ∈R 且x ≠2}.值域{y|y >0且y ≠1}. (2)由2x+2-1≥0,得定义域{x|x ≥- 2},值域为{|y|y ≥0}. (3)由3-3x-1≥0,得定义域是{x|x ≤2},∵0≤3-3x -1<3, ∴值域是≤<. 0y 3 1.指数函数Y=ax (a>0且a ≠1)的定义域是R ,值域是(0,+∞) 2. 求定义域的几个原则:①含根式(被开方数不为负)②含分式,分母不为0③形如a0,(a ≠ 0) 3. 求函数的值域:①利用函数Y=ax 单调性②函数的有界性(x2≥0;ax>0)③换元法.如:y=4x+6×2x-8(1≤x≤2) 先换元,再利用二次函数图象与性质(注意新元的范围) 【例2】(基础题)指数函数y=a x,y=b x,y =c x,y=d x的图像如图2.6-2所示,则a、b、c、d、1之间的大小关系是 [ ] A.a<b<1<c<d B.a<b<1<d<c C.b<a<1<d<c D.c<d<1<a<b 解 选(c),在x 轴上任取一点(x ,0),则得b <a <1<d <c . 【例3】(基础题)比较大小: (1)2(2)0.6 、、、、的大小关系是:. 2481632 35894 5 12--() (3)4.54.1________3.73.6 解(1)y 221()x ∵,,,,,函数=,>,该函数在-∞,+∞上是增函数,又<<<<,∴<<< <.22224282162133825491 2 28416212313525838949 3859===== 解 (2)0.6110.6∵>,>, ∴>. ---- 45 12 451 232 32 ()() 解 (3)借助数4.53.6打桥,利用指数函数的单调性,4.54.1>4.53.6,作函数y 1=4.5x ,y 2=3.7x 的图像如图2.6-3,取x =3.6,得4.53.6>3.73.6 ∴ 4.54.1>3.73.6. 说明 如何比较两个幂的大小:若不同底先化为同底的幂,再利用指数函数的单调性进行比较,如例2中的(1).若是两个不同底且指数也不同的幂比较大小时,有指数函数典型例题详细解析汇报
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