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- 2021-07-01 发布
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第8讲 指数与指数函数
1.根式
n次
方根
概念
如果xn=a,那么x叫作a的 ,其中n>1,n∈N*
性质
当n是 时,a的n次方根为x= na
当n是 时,正数a的n次方根为x=±na,负数的偶次方根
0的任何次方根都是0,记作n0=0
根式
概念
式子na叫作 ,其中n叫作 ,a叫作
性质
当n为奇数时,nan=
当n为偶数时,nan=|a|=
2.有理数指数幂
(1)幂的有关概念
①正数的正分数指数幂:amn=nam(a>0,m,n∈N*,且n>1).
②正数的负分数指数幂:a-mn=1amn=1nam(a>0,m,n∈N*,且n>1).
③0的正分数指数幂等于 ,0的负分数指数幂 .
(2)有理数指数幂的性质
①aras= (a>0,r,s∈Q);
②(ar)s= (a>0,r,s∈Q);
③(ab)r= (a>0,b>0,r∈Q).
3.指数函数的图像与性质
y=ax(a>0
且a≠1)
a>1
00时, ;
当x<0时,
当x>0时, ;
当x<0时,
在R上是
在R上是
常用结论
1.函数y=ax+b(a>0且a≠1)的图像恒过定点(0,1+b).
2.指数函数y=ax(a>0且a≠1)的图像以x轴为渐近线.
题组一 常识题
1.[教材改编] 若x+x-1=3,则x2-x-2= .
2.[教材改编] 已知2x-1<23-x,则x的取值范围是 .
3.[教材改编] 函数y=ax-1+2(a>0且a≠1)的图像恒过定点 .
4.[教材改编] 下列所给函数中值域为(0,+∞)的是 .
①y=-5x;②y=131-x;③y=12x-1;④y=1-2x.
题组二 常错题
◆索引:忽略n的范围导致式子nan(a∈R)化简出错;不能正确理解指数函数的概念致错;指数函数问题时刻注意底数的两种情况;复合函数问题容易忽略指数函数的值域致错.
5.计算3(1+2)3+4(1-2)4= .
6.若函数f(x)=(a2-3)·ax为指数函数,则a= .
7.若函数f(x)=ax在[-1,1]上的最大值为2,则a= .
8.函数y=21x-1的值域为 .
探究点一 指数幂的化简与求值
例1 (1)计算:823--780+4(3-π)4+[(-2)6]12= .
(2)已知x12+x-12=5,则x2+x-2-6x+x-1-5的值为 .
[总结反思] 指数幂运算的一般原则:
(1)指数幂的运算首先将根式、分数指数幂统一为分数指数幂,以便利用法则计算.
(2)先乘除后加减,负指数幂化成正指数幂的倒数.
(3)底数是负数,先确定符号;底数是小数,先化成分数;底数是带分数的,先化成假分数.
(4)运算结果不能同时含有根号和分数指数,也不能既有分母又含有负指数.
变式题 (1)计算:2x-1312x13+x43= ( )
A.3 B.2
C.2+x D.1+2x
(2)已知a,b是方程x2-6x+4=0的两根,且a>b>0,则a-ba+b= .
探究点二 指数函数的图像及应用
例2 (1)函数y=xax|x|(a>1)的图像大致是 ( )
A B C D
图2-8-1
(2)[2018·辽阳一模] 设函数f(x)=|2x-1|,x≤2,-x+5,x>2,若互不相等的实数a,b,c满足f(a)=f(b)=f(c),则2a+2b+2c的取值范围是 ( )
A.(16,32) B.(18,34)
C.(17,35) D.(6,7)
[总结反思] (1)研究指数函数y=ax(a>0,a≠1)的图像要抓住三个特殊点:(1,a),(0,1),-1,1a.
(2)与指数函数有关的函数图像问题的研究,往往利用相应指数函数的图像,通过平移、对称变换得到其图像.
(3)一些指数方程、不等式问题的求解,往往结合相应的指数型函数图像,利用数形结合求解.
变式题 (1)已知函数f(x)=(x-a)(x-b)(a>b)的图像如图2-8-2所示,则函数g(x)=ax+b的图像大致是( )
图2-8-2
A B C D
图2-8-3
(2)函数f(x)=|ax+b|(a>0,a≠1,b∈R)的图像如图2-8-4所示,则a+b的取值范围是 .
图2-8-4
探究点三 利用指数函数的性质解决有关问题
微点1 比较指数式的大小
例3 (1)[2018·凯里一中二模] 已知a=0.5-2.1,b=20.5,c=0.22.1,则a,b,c的大小关系是 ( )
A.c(1-a)b
B.(1-a)b>(1-a)b2
C.(1+a)a>(1+b)b
D.(1-a)a>(1-b)b
[总结反思] 指数式的大小比较,依据的就是指数函数的单调性,原则上化为同底的指数式,并要注意底数范围是(0,1)还是(1,+∞),若不能化为同底,则可化为同指数,或利用中间变量比较.
微点2 解简单的指数方程或不等式
例4 (1)已知函数f(x)=a+14x+1的图像过点1,-310,若-16≤f(x)≤0,则实数x的取值范围是 .
(2)方程4x+|1-2x|=11的解为 .
[总结反思] (1)af(x)=ag(x)⇔f(x)=g(x).(2)af(x)>ag(x),当a>1时,等价于f(x)>g(x);当0b>c
B.a>c>b
C.c>a>b
D.b>c>a
2.【微点1】[2018·河南八市联考] 设函数f(x)=x2-a与g(x)=ax(a>1且a≠2)在区间(0,+∞)上具有不同的单调性,则M=(a-1)0.2与N=1a0.1的大小关系是( )
A.M=N B.M≤N
C.MN
3.【微点2】当x∈(-∞,-1]时,不等式(m2-m)·4x-2x<0恒成立,则实数m的取值范围是 ( )
A.(-1,2)
B.(-4,3)
C.(-3,4)
D.(-2,1)
4.【微点2】若关于x的方程|ax-1|=2a(a>0且a≠1)有两个不等实根,则a的取值范围是 ( )
A.(0,1)∪(1,+∞)
B.(0,1)
C.(1,+∞)
D.0,12
5.【微点3】已知函数f(x)=b·ax(其中a,b为常数,且a>0,a≠1)的图像经过点A(1,6),B(3,24).若不等式1ax+1bx-m≥0,x∈(-∞,1]恒成立,则实数m的取值范围为 .
第8讲 指数与指数函数
考试说明 1.理解有理数指数幂的含义,了解实数指数幂的意义,掌握幂的运算.
2.指数函数
(1)了解指数函数模型的实际背景.
(2)理解指数函数的概念,理解指数函数的单调性,掌握指数函数图像通过的特殊点,会画底数为2,3,10,12,13的指数函数的图像.
(3)知道指数函数是一类重要的函数模型.
【课前双基巩固】
知识聚焦
1.n次方根 奇数 偶数 没有意义 根式 根指数 被开方数 a a(a≥0),-a(a<0)
2.(1)0 没有意义 (2)ar+s ars arbr
3.(0,+∞) (0,1) y>1 01 增函数 减函数
对点演练
1.±35 [解析] 把x+x-1=3两边平方,可得x2+x-2=7,则(x-x-1)2=x2-2+x-2=5,所以x-x-1=±5,所以x2-x-2=(x+x-1)(x-x-1)=±35.
2.(-∞,2) [解析] 根据指数函数性质,得x-1<3-x,解得x<2,所以x的取值范围是(-∞,2).
3.(1,3) [解析] 令x-1=0,得x=1,此时y=a0+2=3,所以函数图像恒过定点(1,3).
4.② [解析] 对于②,∵1-x∈R,∴y=131-x的值域是(0,+∞);①的值域为(-∞,0);③的值域为[0,+∞);④的值域为[0,1).
5.22 [解析] 3(1+2)3+4(1-2)4=1+2+|1-2|=22.
6.2 [解析] 由指数函数的定义可得a2-3=1,a>0,a≠1,解得a=2.
7.2或12 [解析] 若a>1,则f(x)max=f(1)=a=2;若00且y≠1} [解析] 函数的定义域为{x|x≠1},因为1x-1≠0,所以y≠1,又指数函数y=2x的值域为(0,+∞),故所求函数的值域为{y|y>0且y≠1}.
【课堂考点探究】
例1 [思路点拨] (1)直接利用指数幂的运算法则求解即可,解答过程中注意避免符号错误;(2)由已知平方得x+x-1的值,再平方可得x2+x-2的值,最后代入求值.
(1)π+8 (2)-12 [解析] (1)823--780+4(3-π)4+[(-2)6]12=23×23-1+(π-3)+26×12=22-1+π-3+23=4+π-4+8=π+8.
(2)由已知可得x+x-1=(x12+x12)2-2=3,
则x2+x-2=(x+x-1)2-2=7,
故原式=7-63-5=-12.
变式题 (1)D (2)55 [解析] (1)原式=2x13·12x13+2x13·x43=1+2x.
(2)由已知得,a+b=6,ab=4,所以a-ba+b2=a+b-2aba+b+2ab=6-246+24=15.
因为a>b>0,所以a>b,所以a-ba+b=55.
例2 [思路点拨] (1)化简所给的解析式,然后结合选项进行判断;(2)作出函数图像,结合图像可知2a+2b=2,再分析2c的范围求解.
(1)B (2)B [解析] (1)由题意得y=xax|x|=ax,x>0,-ax,x<0.
∵a>1,∴当x>0时,函数为增函数;当x<0时,函数为减函数.
结合各选项可得B满足题意.故选B.
(2)画出函数f(x)的图像如图所示.
不妨令a1,f12=0,b<0,
所以a+b=0,所以a+b=a-a>1-1=0.
例3 [思路点拨] (1)将a,b化为同底的指数式,利用指数函数y=2x的单调性比较a,b的大小,再估算c,从而得a,b,c的大小关系;(2)根据指数函数的单调性,即当底数大于1时单调递增,当底数大于0小于1时单调递减,对选项逐一验证即可得到正确答案.
(1)A (2)D [解析] (1)因为a=0.5-2.1=22.1>20.5>1,所以a>b>1,又因为c=0.22.1<0.20=1,所以a>b>c,故选A.
(2)因为0b,b>b2,
所以(1-a)1b<(1-a)b,(1-a)b<(1-a)b2,所以A,B均错误;
又1<1+a<1+b,所以(1+a)a<(1+b)a<(1+b)b,所以C错误;
对于D,(1-a)a>(1-a)b>(1-b)b,所以(1-a)a>(1-b)b,所以D正确.故选D.
例4 [思路点拨] (1)先确定a的值,再结合指数函数的单调性求解;(2)分情况讨论去掉绝对值,解相应的指数方程.
(1)0≤x≤12 (2)x=log23 [解析] (1)由题意知f(1)=a+14+1=a+15=-310,则a=-12.因为-16≤f(x)≤0,所以-16≤14x+1-12≤0,所以13≤14x+1≤12,所以2≤4x+1≤3,所以1≤4x≤2,解得0≤x≤12.
(2)当x≤0时,1-2x≥0,
原方程即为4x-2x-10=0,可得2x=12+412,此时x>0,故舍去.
当x>0时,1-2x<0,
原方程即为4x+2x-12=0,可得2x=3,则x=log23,即为原方程的解.
例5 [思路点拨] (1)根据条件先确定a,b的值,再依据指数函数的单调性及值域确定函数f(x)的值域;(2)由函数f(x)为奇函数,确定a的值,将不等式分离变量,转化成b>g(x)的形式,从而转化为考查函数g(x)的最小值问题.
(1)A (2)b>2 [解析] (1)函数f(x)为奇函数,则f(0)=a+b2=0,①
函数图像过点ln3,12,则f(ln 3)=a+b4=12.②
结合①②可得a=1,b=-2,
则f(x)=1-2ex+1.因为ex>0,所以ex+1>1,所以0<2ex+1<2,所以-1<1-2ex+1<1,
即函数f(x)的值域为(-1,1).
(2)由题意知f(x)是R上的奇函数,所以f(0)=0,得a=1,所以f(x)=2x-12x+1.设h(x)=2x-12x+1+2x-b2x+1=(2x)2+2x+1-1-b2x+1,由题设知h(x)<0在[0,1]内有解,即不等式(2x)2+2x+1-1-b<0在[0,1]内有解,即b>(2x)2+2x+1-1在[0,1]内有解.设g(x)=(2x)2+2x+1-1,x∈[0,1],而函数y=2x,y=2x+1在定义域内均单调递增,所以g(x)=(2x)2+2x+1-1在[0,1]上单调递增,所以g(x)min=g(0)=2,所以b>2.
应用演练
1.A [解析] 因为函数f(x)=0.4x在R上为减函数,所以0.40.6<0.40.2<0.40=1,
又因为20.2>20=1,所以20.2>0.40.2>0.40.6,即a>b>c.
故选A.
2.D [解析] 因为f(x)=x2-a与g(x)=ax(a>1且a≠2)在区间(0,+∞)上具有不同的单调性,所以a>2,所以M=(a-1)0.2>1,N=1a0.1<1,所以M>N,故选D.
3.A [解析] 由题意知当x∈(-∞,-1]时,m2-m<2x4x=12x恒成立,
当x∈(-∞,-1]时,12x∈[2,+∞),
则m2-m<2,解得-10且a≠1)有两个不等实根可转化为函数y=|ax-1|与y=2a的图像有两个不同交点.
当01时,两函数图像如图②,而y=2a>1,不符合题意.
① ②
故00且a≠1,解得a=2,b=3,
所以f(x)=3·2x.
要使12x+13x≥m,x∈(-∞,1]恒成立,只需函数y=12x+13x在(-∞,1]上的最小值不小于m即可.
因为函数y=12x+13x在(-∞,1]上为减函数,
所以当x=1时,y=12x+13x取得最小值56,
所以只需m≤56即可,
即m的取值范围为-∞,56.
【备选理由】 例1为指数幂的运算,涉及换元运算和指数运算,技巧性较强;例2为分段函数与函数不等式结合问题,需要分区间处理,考查函数的单调性;例3为含参不等式,进一步熟悉分离变量以及转化与化归思想;例4考查了求解指数方程、指数函数的单调性、不等式恒成立问题,要善于使用分离变量法求解.
例1 [配合例1使用] 已知a23=2+3,则a+a-1a13+a13的值为 .
[答案] 3
[解析] 设a13=t,则t2=2+3,则a+a-1a13+a13=t3+1t3t+1t=t2+1t2-1=2+3+12+3-1=3.
例2 [配合例4使用] [2018·河南林州一中调研] 已知函数f(x)=2x-1,x>1,1,x≤1,则不等式f(x)0在x∈(-∞,1]时恒成立,则实数a的取值范围是 .
[答案] -34,+∞
[解析] 从已知不等式中分离出实数a,得a>-14x+12x.
∵函数y=14x和y=12x在R上都是减函数,∴当x∈(-∞,1]时,14x≥14,12x≥12,
∴14x+12x≥14+12=34,从而得-14x+12x≤-34.
故实数a的取值范围为a>-34.
例4 [配合例5使用] 已知定义在R上的函数f(x)=2x-12x.
(1)若f(x)=32,求x的值;
(2)若2tf(2t)+mf(t)≥0对任意t∈[1,2]恒成立,求实数m的取值范围.
解:(1)由f(x)=32⇒2x-12x=32⇒2·(2x)2-3·2x-2=0⇒(2x-2)(2·2x+1)=0.∵2x>0,∴2x=2,∴x=1.
(2)由2tf(2t)+mf(t)≥0⇒2t22t-122t+m2t-12t≥0⇒m(2t-2-t)≥-2t(22t-2-2t).
又t∈[1,2],∴2t-2-t>0,∴m≥-2t(2t+2-t),即m≥-22t-1,
故只需m≥(-22t-1)max.
令y=-22t-1,t∈[1,2],可得ymax=-22-1=-5,
故m≥-5.