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- 2021-06-16 发布
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第 5 讲 指数与指数函数
一、知识梳理
1.根式
(1)根式的概念
①若 xn=a,则 x 叫做 a 的 n 次方根,其中 n>1 且 n∈N+..式子n a叫做根式,这里 n 叫
做根指数,a 叫做被开方数.
②a 的 n 次方根的表示:
xn=a⇒
x=n a,当 n 为奇数且 n∈N+.,n>1 时,
x=±n a,当 n 为偶数且 n∈N+.时.
(2)根式的性质
①(n a)n=a(n∈N+.,且 n>1);
②n an=
a,n 为奇数,
|a|= a,a≥0,
-a,a<0,n 为偶数.
2.有理数指数幂
(1)幂的有关概念
①正分数指数幂:a
m
n=n am(a>0,m,n∈N+.,且 n>1);
②负分数指数幂:a-m
n= 1
a
m
n
=
1
n am
(a>0,m,n∈N+.,且 n>1);
③0 的正分数指数幂等于 0,0 的负分数指数幂无意义.
(2)有理数指数幂的运算性质
①aras=ar+s(a>0,r,s∈Q);
②(ar)s=ars(a>0,r,s∈Q);
③(ab)r=arbr(a>0,b>0,r∈Q).
3.指数函数的图象与性质
y=ax (a>0 且 a≠1) a>1 00 时,y>1;当 x<0 时,00 时,01
在 R 上是增函数 在 R 上是减函数
常用结论
1.指数函数图象的画法
画指数函数 y=ax(a>0,且 a≠1)的图象,应抓住三个关键点:(1,a),(0,1), -1,1
a .
2.
指数函数的图象与底数大小的比较
如图是指数函数(1)y=ax,(2)y=bx,(3)y=cx,(4)y=dx 的图象,底数 a,b,c,d 与 1
之间的大小关系为 c>d>1>a>b>0.由此我们可得到以下规律:在第一象限内,指数函数 y=
ax(a>0,a≠1)的图象越高,底数越大.
3.指数函数 y=ax(a>0,且 a≠1)的图象和性质跟 a 的取值有关,要特别注意应分 a>1
与 00 且 a≠1)的图象恒过定点 A,则 A 的坐标为________.
解析:令 x-2=0,则 x=2,f(2)=3,即 A 的坐标为(2,3).
答案:(2,3)
一、思考辨析
判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)n an=(n a)n=a.( )
(2)(-1)
2
4=(-1)
1
2= -1.( )
(3)函数 y=a-x 是 R 上的增函数.( )
(4)函数 y=ax2+1(a>1)的值域是(0,+∞).( )
(5)函数 y=2x-1 是指数函数.( )
(6)若 am0,且 a≠1),则 m1 时,a=2;当 00 且 2
1
x-1≠1.
答案:(0,1)∪(1,+∞)
指数幂的化简与求值(自主练透)
1.化简
1
4
-1
2·
( 4ab-1)3
(0.1)-1·(a3·b-3)
1
2
(a>0,b>0)=________.
解析:原式=2×23·a
3
2·b-3
2
10·a
3
2·b-3
2
=21+3×10-1=8
5.
答案:8
5
2.计算: -27
8
-2
3+0.002-1
2-10( 5-2)-1+π0=________.
解析:原式= -3
2
-2
+500
1
2- 10( 5+2)
( 5-2)( 5+2)
+1=4
9
+10 5-10 5-20+1=-
167
9 .
答案:-167
9
3.化简:
a
4
3-8a
1
3b
4b
2
3+23 ab+a
2
3
÷ a-2
3-23 b
a ×
a·3 a2
5
a·3 a
=________(a>0).
解 析 : 原 式 = a
1
3[(a
1
3)3-(2b
1
3)3]
(a
1
3)2+a
1
3·(2b
1
3)+(2b
1
3)2
÷ a
1
3-2b
1
3
a
×
(a·a
2
3)
1
2
(a
1
2·a
1
3)
1
5
= a
1
3 (a
1
3 -
2b
1
3)× a
a
1
3-2b
1
3
×a
5
6
a
1
6
=a2.
答案:a2
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.
[提醒] 运算结果不能同时含有根号和分数指数幂,也不能既有分母又含有负指数,形
式力求统一.
指数函数的图象及应用(典例迁移)
(1)函数 f(x)=21-x 的大致图象为( )
(2)若函数 y=|3x-1|在(-∞,k]上递减,则 k 的取值范围为________.
【解析】 (1)函数 f(x)=21-x=2×
1
2
x
,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]上递减,所以 k 的取值范围为(-∞,0].
【答案】 (1)A (2)(-∞,0]
【迁移探究 1】 (变条件)本例(2)变为:若函数 f(x)=|3x-1|-k 有一个零点,则 k 的取
值范围为________.
解析:
函数 f(x)有一个零点,即 y=|3x-1|与 y=k 有一个交点.由本例(2)得 y=|3x-1|的图象如
图所示,
故当 k=0 或 k≥1 时,直线 y=k 与函数 y=|3x-1|的图象有唯一的交点,所以函数 f(x)
有一个零点.
答案:{0}∪[1,+∞)
【迁移探究 2】 (变条件)若本例(2)的条件变为:函数 y=|3x-1|+m 的图象不经过第二
象限,则实数 m 的取值范围是________.
解析:作出函数 y=|3x-1|+m 的图象如图所示.
由图象知 m≤-1,即 m∈(-∞,-1].
答案:(-∞,-1]
应用指数函数图象的 4 个技巧
(1)画指数函数 y=ax(a>0,且 a≠1)的图象,应抓住三个关键点:(1,a),(0,1),-1,1
a .
(2)已知函数解析式判断其图象一般是取特殊点,判断所给的图象是否过这些点,若不
满足则排除.
(3)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.
(4)有关指数方程、不等式问题的求解,往往利用相应的指数型函数图象,数形结合求
解.
1.
函数 f(x)=ax-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.00 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}.
答案:{x|x>4 或 x<0}
3.已知函数 f(x)=ax-1
ax+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:(1)f(x)的定义域是 R,令 y=ax-1
ax+1
,得 ax=-y+1
y-1
,因为ax-1
ax+1
≠1 在定义域内恒成
立,所以 y≠1.
因为 ax>0,所以-y+1
y-1
>0,
解得-11 时,a x2>ax1>0,
从而 ax1+1>0,a x2+1>0,ax1-a x2<0,
所以 f(x1)-f(x2)<0,即 f(x1)a x2>0,
从而 ax1+1>0,a x2+1>0,ax1-a x2>0,
所以 f(x1)-f(x2)>0,即 f(x1)>f(x2),f(x)为 R 上的减函数.
[基础题组练]
1.函数 f(x)=1-e|x|的图象大致是( )
解析:选 A.将函数解析式与图象对比分析,因为函数 f(x)=1-e|x|是偶函数,且值域是(-
∞,0],只有 A 满足上述两个性质.
2.(2019·高考全国卷Ⅰ)已知 a=log20.2,b=20.2,c=0.20.3,则( )
A.a1,c=0.20.3∈(0,1),所以 a0 时,f(x)=1-2-x,-f(x)=2-x-1,此时-x<0,则 f(-
x)=2-x-1=-f(x);当 x<0 时,f(x)=2x-1,-f(x)=1-2x,此时-x>0,则 f(-x)=1-2-(-
x)=1-2x=-f(x).即函数 f(x)是奇函数,且单调递增,故选 C.
5.设 x>0,且 10,所以 b>1,
因为 bx1,
因为 x>0,所以a
b>1,
所以 a>b,所以 10,且 a≠1)的图象经过第二、三、四象限,则 ab 的取值范围是
________.
解析:因为函数 y=ax-b 的图象经过第二、三、四象限,所以函数 y=ax-b 递减且其
图象与 y 轴的交点在 y 轴的负半轴上.令 x=0,则 y=a0-b=1-b,由题意得 01.
故 ab∈(0,1).
答案:(0,1)
7.不等式
1
2
x2+ax
<
1
2
2x+a-2
恒成立,则 a 的取值范围是________.
解析:由题意,y=
1
2
x
是减函数,
因为
1
2
x2+ax
<
1
2
2x+a-2
恒成立,
所以 x2+ax>2x+a-2 恒成立,
所以 x2+(a-2)x-a+2>0 恒成立,
所以Δ=(a-2)2-4(-a+2)<0,
即(a-2)(a-2+4)<0,
即(a-2)(a+2)<0,
故有-20,
等价于方程 2am2-m-1=0 在(0,+∞)上有解,
记 g(m)=2am2-m-1,
当 a=0 时,解为 m=-1<0,不成立.
当 a<0 时,开口向下,对称轴 m= 1
4a<0,
过点(0,-1),不成立.
当 a>0 时,开口向上,
对称轴 m= 1
4a>0,过点(0,-1),必有一个根为正,综上得 a>0.
[综合题组练]
1.已知 0aa,babb,所以在 ab,ba,aa,bb 中最大的是
ab.故选 C.
2.已知函数 f(x)=|2x-1|,af(c)>f(b),则下列结论中,一定成立的是( )
A.a<0,b<0,c<0
B.a<0,b≥0,c>0
C.2-a<2c
D.2a+2c<2
解析:选 D.
作出函数 f(x)=|2x-1|的图象,如图,
因为 af(c)>f(b),
结合图象知,00,
所以 0<2a<1.
所以 f(a)=|2a-1|=1-2a<1,
所以 f(c)<1,所以 0f(c),
所以 1-2a>2c-1,
所以 2a+2c<2,故选 D.
3.设 y=f(x)在(-∞,1]上有定义,对于给定的实数 K,定义 fK(x)= f(x),f(x)≤K,
K,f(x)>K.
给出函数 f(x)=2x+1-4x,若对于任意 x∈(-∞,1],恒有 fK(x)=f(x),则( )
A.K 的最大值为 0
B.K 的最小值为 0
C.K 的最大值为 1
D.K 的最小值为 1
解析:选 D.根据题意可知,对于任意 x∈(-∞,1],若恒有 fK(x)=f(x),则 f(x)≤K 在
x≤1 上恒成立,即 f(x)的最大值小于或等于 K 即可.
令 2x=t,则 t∈(0,2],f(t)=-t2+2t=-(t-1)2+1,可得 f(t)的最大值为 1,所以 K≥1,
故选 D.
4.设 a>0,且 a≠1,函数 y=a2x+2ax-1 在[-1,1]上的最大值是 14,则实数 a 的值
为________.
解析:令 t=ax(a>0,且 a≠1),
则原函数化为 y=f(t)=(t+1)2-2(t>0).
①当 01 时,x∈[-1,1],t=ax∈
1
a
,a ,
此时 f(t)在
1
a
,a 上是增函数.所以 f(t)max=f(a)=(a+1)2-2=14,解得 a=3 或 a=-5(舍
去).综上得 a=1
3
或 3.
答案:1
3
或 3
5.已知定义域为 R 的函数 f(x)=-2x+b
2x+1+a
是奇函数.
(1)求 a,b 的值;
(2)若对任意的 t∈R,不等式 f(t2-2t)+f(2t2-k)<0 恒成立,求 k 的取值范围.
解:(1)因为 f(x)是定义在 R 上的奇函数,所以 f(0)=0,
即-1+b
2+a
=0,解得 b=1,
所以 f(x)=-2x+1
2x+1+a
.
又由 f(1)=-f(-1)知-2+1
4+a
=-
-1
2
+1
1+a
,解得 a=2.
(2)由(1)知 f(x)=-2x+1
2x+1+2
=-1
2
+ 1
2x+1
,
由上式易知 f(x)在 R 上为减函数,
又因为 f(x)是奇函数,
从而不等式 f(t2-2t)+f(2t2-k)<0 等价于 f(t2-2t)<-f(2t2-k)=f(-2t2+k).
因为 f(x)是 R 上的减函数,由上式推得 t2-2t>-2t2+k.
即对一切 t∈R 有 3t2-2t-k>0,
从而Δ=4+12k<0,
解得 k<-1
3.
故 k 的取值范围为 -∞,-1
3 .