第5讲 指数函数及其图像(教师版)
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第五讲指数函数及其图像1.分数指数幂
(1)规定:正数的正分数指数幂的意义是a m
n=
n
a m(a>0,m,n∈N*,且n>1);正数的负分
数指数幂的意义是a
m
n
=
1
n
a m
(a>0,m,n∈N*,且n>1);0的正分数指数幂等于0;0的负
分数指数幂没有意义.
(2)有理数指数幂的运算性质:a r a s=a r+s,(a r)s=a rs,(ab)r=a r b r,其中a>0,b>0,r,s∈Q. 2.指数函数的图象与性质
y=a x a>10<a<1图象
定义域(1)R
值域(2)(0,+∞)
性质
(3)过定点(0,1)
(4)当x>0时,y>1;
当x<0时,0<y<1
(5)当x>0时,0<y<1;
当x<0时,y>1
(6)在(-∞,+∞)上是增函数
(7)在(-∞,+∞)上是
减函数
【思考辨析】
判断下面结论是否正确(请在括号中打“√”或“×”)
(1)n
a n=(
n
a)n=a.(×)
(2)分数指数幂a m
n可以理解为
m
n个a相乘.(×)
(3)(-1)2
4=(-1)
1
2=-1.(×)
(4)函数y=a-x是R上的增函数.(×)
(5)函数y=a21+
x(a>1)的值域是(0,+∞).(×) (6)函数y=2x-1是指数函数.(×)
1.若a =(2+3)-
1,b =(2-3)-
1,则(a +1)-
2+(b +1)-2
的值是( )
A .1 B.14 C.22 D.2
3
答案 D
解析 ∵a =(2+3)-1=2-3,b =(2-3)-1=2+3, ∴(a +1)-2+(b +1)-2=(3-3)-2+(3+3)-2 =
112-63+112+63=23
.
2.函数f (x )=a x -1
a
(a >0,a ≠1)的图象可能是( )
答案 D
解析 函数f (x )的图象恒过(-1,0)点,只有图象D 适合.
3.(教材改编)已知0.2m <0.2n ,到m ________n (填“>”或“<”). 答案 >
解析 设f (x )=0.2x ,f (x )为减函数, 由已知f (m )<f (n ),∴m >n .
4.若函数y =(a 2-1)x 在(-∞,+∞)上为减函数,则实数a 的取值范围是________________. 答案 (-2,-1)∪(1,2)
解析 由y =(a 2-1)x 在(-∞,+∞)上为减函数,得0<a 2-1<1,∴1<a 2<2,即1<a <2或-2<a <-1.
5.函数y =8-23-
x (x ≥0)的值域是________. 答案 [0,8)
解析 ∵x ≥0,∴-x ≤0,∴3-x ≤3, ∴0<23-x ≤23=8,∴0≤8-23-x <8, ∴函数y =8-23-x 的值域为[0,8).
题型一 指数幂的运算
例1 化简:(1)
a 3
b 23
ab 2
(a 14
b 12
)4a
13
-b
13
(a >0,b >0);
(2)()2
1
103227()0.00210(52)(23).8
----+--+-
解 (1)原式=(a 3b 2a 13
b 23
)12
ab 2a
13
-
b 1
3
=a 3111263+-+b 11
1233
+--=ab -1. (2)原式=12
2
3
271()850052--⎛⎫ ⎪⎝⎭
-+-
1- =12
2
3
81()527500⎛⎫ ⎪⎝⎭
-+-10(+2)
+1 =49+105-105-20+1=-1679
. 思维升华 (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,还应注意:①必须同底数幂相乘,指数才能相加;②运算的先后顺序. (2)当底数是负数时,先确定符号,再把底数化为正数.
(3)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.
(1)[(0.064
15
)
-
2.5]
23
-
3
33
8
-π0=_______________________________. (2) (14
)1
2-·
(4ab -
1)3
(0.1)-1·(a 3·b -
3)1
2
=________.
答案 (1)0 (2)8
5
解析 (1)原式=⎩
⎪⎨⎪⎧⎭
⎪⎬⎪⎫⎣⎢⎡⎦⎥⎤⎝⎛
⎭⎫641 0001552-
23-⎝⎛⎭⎫27813-1=⎣⎡⎦⎤⎝⎛⎭⎫4103152()523⨯-⨯-⎣⎡⎦⎤⎝⎛⎭⎫32313-1=52-3
2-1=
0.
(2)原式=2×432
×a 32
b
32
-
10a 32
b
3
2
-=8
5
. 题型二 指数函数的图象及应用
例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 .0<a <1,b >0 D .0<a <1,b <0
(2)若曲线|y |=2x +1与直线y =b 没有公共点,则b 的取值范围是________. 答案 (1)D (2)[-1,1]
解析 (1)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<a <1.函数f (x )=a x -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. (2)曲线|y |=2x +1与直线y =b 的图象如图所示,由图象可知:如果|y |=2x +1与直线y =b 没有公共点,则b 应满足的条件是b ∈[-1,1]. 思维升华 (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,往往利用相应的指数型函数图象,数形结合求解.
(1)如图,面积为8的平行
四边形OABC,对角线AC⊥CO,AC与BO交于点E.某指数函数y=a x (a>0,且a≠1)经过点E,B,则a等于()
A. 2
B.3
C.2 D.3
(2)已知函数f(x)=|2x-1|,a<b<c且f(a)>f(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
答案(1)A(2)D
解析(1)设点E(t,a t),则点B坐标为(2t,2a t).因为2a t=a2t,所以a t=2.因为平行四边形OABC的面积=OC×AC=a t×2t=4t,又平行四边形OABC的面积为8,所以4t=8,t=2,所以a2=2,a= 2.故选A.
(2)作出函数f(x)=|2x-1|的图象,如图,
∵a<b<c,且f(a)>f(c)>f(b),结合图象知
0<f(a)<1,a<0,c>0,
∴0<2a<1.
∴f(a)=|2a-1|=1-2a<1,
∴f(c)<1,∴0<c<1.
∴1<2c<2,∴f(c)=|2c-1|=2c-1,
又∵f(a)>f(c),∴1-2a>2c-1,
∴2a+2c<2,故选D.
题型三 指数函数的图象和性质
命题点1 比较指数式的大小
例3 (1)下列各式比较大小正确的是( ) A .1.72.5>1.73 B .0.6-
1>0.62 C .0.8
-0.1
>1.250.2 D .1.70.3<0.93.1
(2)设a =⎝⎛⎭⎫352
5,b =⎝⎛⎭⎫253
5,c =⎝⎛⎭⎫252
5,则a ,b ,c 的大小关系是________. 答案 (1)B (2)a >c >b
解析 (1)A 中, ∵函数y =1.7x 在R 上是增函数, 2.5<3,∴1.72.5<1.73,错误;
B 中,∵y =0.6x 在R 上是减函数,-1<2, ∴0.6-1>0.62,正确;
C 中,∵(0.8)-1=1.25,
∴问题转化为比较1.250.1与1.250.2的大小. ∵y =1.25x 在R 上是增函数,0.1<0.2, ∴1.250.1<1.250.2,即0.8-0.1<1.250.2,错误; D 中,∵1.70.3>1,0<0.93.1<1, ∴1.70.3>0.93.1,错误.故选B. (2)∵y =⎝⎛⎭⎫25x
为减函数, ∴⎝⎛⎭⎫253
5<⎝⎛⎭⎫252
5 即b <c ,
又a c =⎝⎛⎭
⎫35 2
5
⎝⎛⎭
⎫25 25=
⎝⎛⎭⎫322
5>⎝⎛⎭⎫320=1, ∴a >c ,故a >c >b .
命题点2 解简单的指数方程或不等式
例4 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( )
A .(-∞,-3)
B .(1,+∞)
C .(-3,1)
D .(-∞,-3)∪(1,+∞)
答案 C
解析 当a <0时,不等式f (a )<1可化为⎝⎛⎭⎫12a
-7<1,即⎝⎛⎭⎫12a <8,即⎝⎛⎭⎫12a <⎝⎛⎭⎫12-3,因为0<12<1,所以a >-3,此时-3<a <0;当a ≥0时,不等式f (a )<1可化为a <1,所以0≤a <1.故a 的取值范围是(-3,1),故选C.
命题点3 和指数函数有关的复合函数的性质
例5 设函数f (x )=ka x -a -
x (a >0且a ≠1)是定义域为R 的奇函数. (1)若f (1)>0,试求不等式f (x 2+2x )+f (x -4)>0的解集;
(2)若f (1)=32,且g (x )=a 2x +a -
2x -4f (x ),求g (x )在[1,+∞)上的最小值.
解 因为f (x )是定义域为R 的奇函数,
所以f (0)=0,所以k -1=0,即k =1,f (x )=a x -a -x . (1)因为f (1)>0,所以a -1
a >0,
又a >0且a ≠1,所以a >1.
因为f ′(x )=a x ln a +a -x ln a =(a x +a -x )ln a >0,
所以f (x )在R 上为增函数,原不等式可化为f (x 2+2x )>f (4-x ), 所以x 2+2x >4-x ,即x 2+3x -4>0, 所以x >1或x <-4.
所以不等式的解集为{x |x >1或x <-4}. (2)因为f (1)=32,所以a -1a =3
2
,
即2a 2-3a -2=0,所以a =2或a =-1
2(舍去).
所以g (x )=22x +2-2x -4(2x -2-x ) =(2x -2-x )2-4(2x -2-x )+2.
令t (x )=2x -2-x (x ≥1),则t (x )在(1,+∞)为增函数(由(1)可知),即t (x )≥t (1)=3
2,
所以原函数为ω(t )=t 2-4t +2=(t -2)2-2,
所以当t =2时,ω(t )min =-2,此时x =log 2(1+2).
即g (x )在x =log 2(1+2)时取得最小值-2. 思维升华 指数函数的性质及应用问题解题策略
(1)比较大小问题.常利用指数函数的单调性及中间值(0或1)法.
(2)简单的指数方程或不等式的求解问题.解决此类问题应利用指数函数的单调性,要特别注意底数a 的取值范围,并在必要时进行分类讨论.
(3)解决指数函数的综合问题时,要把指数函数的概念和性质同函数的其他性质(如奇偶性、周期性)相结合,同时要特别注意底数不确定时,对底数的分类讨论.
(1)已知函数f (x )=2|2x
-m |
(m 为常数),若f (x )
在区间[2,+∞)上是增函数,则m 的取值范围是________.
(2)如果函数y =a 2x +2a x -1(a >0,a ≠1)在区间[-1,1]上的最大值是14,则a 的值为( ) A.1
3 B .1 C .3
D.13
或3 答案 (1)(-∞,4] (2)D
解析 (1)令t =|2x -m |,则t =|2x -m |在区间[m 2,+∞)上单调递增,在区间(-∞,m
2]上单
调递减.而y =2t 为R 上的增函数,所以要使函数f (x )=2|2x -m |在[2,+∞)上单调递增,则有m
2≤2,即m ≤4,所以m 的取值范围是(-∞,4]. (2)令a x =t ,则y =a 2x +2a x -1=t 2+2t -1 =(t +1)2-2.
当a >1时,因为x ∈[-1,1],所以t ∈[1
a ,a ],
又函数y =(t +1)2-2在⎣⎡⎦⎤
1a ,a 上单调递增, 所以y max =(a +1)2-2=14,解得a =3(负值舍去). 当0<a <1时,因为x ∈[-1,1],所以t ∈[a ,1a ],
又函数y =(t +1)2-2在[a ,1
a ]上单调递增,
则y max =(1a +1)2-2=14,解得a =1
3(负值舍去).
综上知a =3或a =1
3
.
4.换元法在和指数函数有关的复合函数中的应用
典例 (1)函数y =⎝⎛⎭⎫14x -⎝⎛⎭⎫12x
+1在区间[-3,2]上的值域是________.
(2)函数f (x )=⎝⎛⎭⎫12221-++x x 的单调减区间为________________________________. 思维点拨 (1)求函数值域,可利用换元法,设t =⎝⎛⎭⎫12x ,将原函数的值域转化为关于t 的二次函数的值域.
(2)根据复合函数的单调性“同增异减”进行探求. 解析 (1)因为x ∈[-3,2], 所以若令t =⎝⎛⎭⎫12x ,则t ∈⎣⎡⎦⎤14,8, 故y =t 2-t +1=⎝⎛⎭⎫t -122+3
4
. 当t =12时,y min =3
4;当t =8时,y max =57.
故所求函数值域为⎣⎡⎦⎤3
4,57. (2)设u =-x 2+2x +1, ∵y =⎝⎛⎭⎫12u
在R 上为减函数,
∴函数f (x )=⎝⎛⎭
⎫12221-++x x 的减区间即为函数u =-x 2+2x +1的增区间.
又u =-x 2+2x +1的增区间为(-∞,1], ∴f (x )的减区间为(-∞,1]. 答案 (1)⎣⎡⎦⎤34,57 (2)(-∞,1]
温馨提醒 (1)解决和指数函数有关的复合函数的单调性或值域问题时,要熟练掌握指数函数的单调性,搞清复合函数的结构,利用换元法转化为基本初等函数的单调性或值域问题;(2)换元过程中要注意“元”的取值范围的变化.
[方法与技巧]
1.通过指数函数图象比较底数大小的问题,可以先通过令x=1得到底数的值,再进行比较.2.指数函数y=a x (a>0,a≠1)的性质和a的取值有关,一定要分清a>1与0<a<1.
3.对与复合函数有关的问题,要弄清复合函数由哪些基本初等函数复合而成.
[失误与防范]
1.恒成立问题一般与函数最值有关,要与方程有解区别开来.
2.复合函数的问题,一定要注意函数的定义域.
3.对可化为a2x+b·a x+c=0或a2x+b·a x+c≥0 (≤0)形式的方程或不等式,常借助换元法解决,但应注意换元后“新元”的范围.
A组专项基础训练
(时间:35分钟)
1.函数f (x )=2|x -
1|的图象是( )
答案 B
解析 ∵|x -1|≥0,∴f (x )≥1,排除C 、D. 又x =1时,|f (x )|min =1,排除A.故选项B 正确. 2.函数f (x )=a x -
2+1(a >0且a ≠1)的图象必经过点( ) A .(0,1) B .(1,1) C .(2,0) D .(2,2)
答案 D
解析 ∵a 0=1,∴f (2)=2,故f (x )的图象必过点(2,2).
3.已知a =22.5,b =2.50,c =(1
2)2.5,则a ,b ,c 的大小关系是( )
A .a >c >b
B .c >a >b
C .b >a >c
D .a >b >c 答案 D
解析 a >20=1,b =1,c <(1
2
)0=1,∴a >b >c .
4.若函数f (x )=a |2x -
4|(a >0,a ≠1),满足f (1)=19,则f (x )的单调递减区间是( )
A .(-∞,2]
B .[2,+∞)
C .[-2,+∞)
D .(-∞,-2] 答案 B
解析 由f (1)=19得a 2=1
9
,
所以a =13或a =-13(舍去),即f (x )=(1
3
)|2x -4|.
由于y =|2x -4|在(-∞,2]上递减,在[2,+∞)上递增, 所以f (x )在(-∞,2]上递增,在[2,+∞)上递减.故选B.
5.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( ) A .(0,1)∪(1,+∞) B .(0,1) C .(1,+∞) D.⎝⎛⎭
⎫0,12 答案 D
解析 方程|a x -1|=2a (a >0且a ≠1)有两个实数根转化为函数y =|a x -1|与y =2a 有两个交点. ①当0<a <1时,如图(1),∴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.
综上,0<a <1
2
.
6.计算:12
104334
372()()82()263
-⨯--+=________.
答案 2
解析 原式=⎝⎛⎭⎫23×1+23
4×21
4
-⎝⎛⎭
⎫231
3=2. 7.已知正数a 满足a 2-2a -3=0,函数f (x )=a x ,若实数m 、n 满足f (m )>f (n ),则m 、n 的大小关系为________. 答案 m >n
解析 ∵a 2-2a -3=0,∴a =3或a =-1(舍). 函数f (x )=3x 在R 上递增,由f (m )>f (n ),得m >n .
8.已知函数f (x )=2x -1
2x ,函数g (x )=⎩
⎪⎨⎪⎧
f (x ),x ≥0,f (-x ),x <0,则函数
g (x )的最小值是________.
答案 0
解析 当x ≥0时,g (x )=f (x )=2x -1
2x 为单调增函数,所以g (x )≥g (0)=0;当x <0时,g (x )=
f (-x )=2-x -1
2-x 为单调减函数,所以g (x )>g (0)=0,所以函数g (x )的最小值是0.
9.已知函数f (x )=⎝⎛⎭⎫13243-+ax x . (1)若a =-1,求f (x )的单调区间; (2)若f (x )有最大值3,求a 的值.
解 (1)当a =-1时,f (x )=⎝⎛⎭⎫13243
--+x x , 令g (x )=-x 2-4x +3,
由于g (x )在(-∞,-2)上单调递增,在(-2,+∞)上单调递减,而y =⎝⎛⎭⎫13t 在R 上单调递减, 所以f (x )在(-∞,-2)上单调递减,在(-2,+∞)上单调递增,即函数f (x )的单调递增区间是(-2,+∞),
单调递减区间是(-∞,-2). (2)令g (x )=ax 2-4x +3,f (x )=⎝⎛⎭⎫13g (x ),
由于f (x )有最大值3,所以g (x )应有最小值-1,
因此必有⎩⎨⎧
a >0,3a -4
a =-1,
解得a =1,
即当f (x )有最大值3时,a 的值为1.
10.已知函数f (x )=e x -e -
x (x ∈R ,且e 为自然对数的底数). (1)判断函数f (x )的单调性与奇偶性;
(2)是否存在实数t ,使不等式f (x -t )+f (x 2-t 2)≥0对一切x ∈R 都成立?若存在,求出t ;若不存在,请说明理由. 解 (1)∵f (x )=e x -⎝⎛⎭⎫1e x
, ∴f ′(x )=e x +⎝⎛⎭⎫1e x ,
∴f ′(x )>0对任意x ∈R 都成立, ∴f (x )在R 上是增函数.
∴f (x )的定义域为R ,且f (-x )=e -x -e x =-f (x ), ∴f (x )是奇函数.
(2)存在.由(1)知f (x )在R 上是增函数和奇函数, 则f (x -t )+f (x 2-t 2)≥0对一切x ∈R 都成立, ⇔f (x 2-t 2)≥f (t -x )对一切x ∈R 都成立, ⇔x 2-t 2≥t -x 对一切x ∈R 都成立,
⇔t 2+t ≤x 2+x =⎝⎛⎭⎫x +122-1
4对一切x ∈R 都成立, ⇔t 2+t ≤(x 2+x )min =-14⇔t 2+t +1
4=⎝⎛⎭⎫t +122≤0, 又⎝⎛⎭⎫t +122≥0,∴⎝⎛⎭⎫t +122=0,∴t =-1
2
. ∴存在t =-1
2
,使不等式f (x -t )+f (x 2-t 2)≥0对一切x ∈R 都成立.
B 组 专项能力提升 (时间:20分钟)
11.函数f (x )=a |x +
1|(a >0,a ≠1)的值域为[1,+∞),则f (-4)与f (1)的关系是( ) A .f (-4)>f (1) B .f (-4)=f (1) C .f (-4)<f (1) D .不能确定
答案 A
解析 由题意知a >1,∴f (-4)=a 3,f (1)=a 2,由单调性知a 3>a 2,∴f (-4)>f (1).
12.已知实数a ,b 满足等式⎝⎛⎭⎫12a =⎝⎛⎭⎫13b
,下列五个关系式:①0<b <a ;②a <b <0;③0<a <b ;④b <a <0;⑤a =b .其中不可能成立的关系式有( ) A .1个 B .2个 C .3个 D .4个 答案 B
解析 函数y 1=⎝⎛⎭⎫12x 与y 2
=⎝⎛⎭⎫13x 的图象如图所示.由⎝⎛⎭⎫12a =⎝⎛⎭⎫13b
得a <b <0或0<b <a 或a =b =0.
故①②⑤可能成立,③④不可能成立.
13.关于x 的方程⎝⎛⎭⎫32x =2+3a
5-a 有负数根,则实数a 的取值范围为__________. 答案 ⎝⎛⎭
⎫-23,3
4 解析 由题意,得x <0,所以0<⎝⎛⎭⎫32x
<1, 从而0<2+3a 5-a
<1,解得-23<a <34.
14.当x ∈(-∞,-1]时,不等式(m 2-m )·4x -2x <0恒成立,则实数m 的取值范围是________. 答案 (-1,2)
解析 原不等式变形为m 2-m <⎝⎛⎭⎫12x
, 因为函数y =⎝⎛⎭⎫12x 在(-∞,-1]上是减函数, 所以⎝⎛⎭⎫12x ≥⎝⎛⎭⎫12-1=2,
当x ∈(-∞,-1]时,m 2-m <⎝⎛⎭⎫12x
恒成立等价于m 2
-m <2,解得-1<m <2.
15.已知定义在实数集R 上的奇函数f (x )有最小正周期2,且当x ∈(0,1)时,f (x )=2x 4x +1.
(1)求函数f (x )在(-1,1)上的解析式; (2)判断f (x )在(0,1)上的单调性;
(3)当λ取何值时,方程f (x )=λ在(-1,1)上有实数解? 解 (1)∵f (x )是x ∈R 上的奇函数,∴f (0)=0. 设x ∈(-1,0),则-x ∈(0,1), f (-x )=2-x
4-x +1=2x
4x +1
=-f (x ),
∴f (x )=-2
x 4x
+1
,∴f (x )=⎩⎪⎨⎪⎧
-2x
4x +1
,x ∈(-1,0),0,x =0,
2x 4x
+1,x ∈(0,1).
(2)设0<x 1<x 2<1,
f (x 1)-f (x 2)=
121212(22)(12)
,
(41)(41)
x x x x x x +--=++1212211222(22)(22)
(41)(41)x x x x x x x x ++-+-++
高三·数学(理)
∵0<x 1<x 2<1,
∴f (x 1)-f (x 2)>0,∴f (x )在(0,1)上为减函数. (3)∵f (x )在(0,1)上为减函数, ∴2141+1<f (x )<20
40+1,即f (x )∈⎝⎛⎭⎫25,12. 同理,f (x )在(-1,0)上时,f (x )∈⎝⎛⎭⎫-12,-2
5. 又f (0)=0,当λ∈⎝⎛⎭⎫-12
,-25∪⎝⎛⎭⎫25,1
2, 或λ=0时,方程f (x )=λ在x ∈(-1,1)上有实数解.
1212022221
+,=,x x x x ∴<>。