内容正文:
指数与指数函数
第六节
课标要求
1.理解有理数指数幂的含义,了解实数指数幂的意义,掌握指数幂的运算性质.
2.通过实例,了解指数函数的实际意义,会画指数函数的图象.
3.理解指数函数的单调性、特殊点等性质,并能简单应用.
CONTENTS
目录
1
2
3
再认再现——课前基础落实
互动课堂——解题思维建模
即练即评——课堂效果评价
4
课时跟踪检测
再认再现——课前基础落实
01
系统主干知识
x
根式
a
a
a
-a
2.分数指数幂
0
3.指数幂的运算性质
(1)aras=_______;
(2)(ar)s=____;
(3)(ab)r=_____(a>0,b>0,r,s∈R).
ar+s
ars
arbr
4.指数函数及其性质
(1)概念:
函数y=ax(a>0,且a≠1)叫做指数函数,其中指数x是自变量,a是底数,函数的定义域是R.
(2)图象与性质:
a>1 0<a<1
图象
定义域 R
值域 ___________
(0,+∞)
性质 过定点_____,即x=0时,y=1
当x>0时,_____;
当x>0时,_______ 当x<0时,_______
当x<0时,________;
在(-∞,+∞)上单调递增 在(-∞,+∞)上单调递减
(0,1)
y>1
0<y<1
0<y<1
y>1
续表
细作教材小题
1.(苏教版必修一P147·T7)函数y=2-x的图象为( )
√
解析:因为函数y=2-x的图象与函数y=2x的图象关于y轴对称,故选A.
2.(人教A版必修一P107·T2改编)[多选]下列运算正确的是( )
√
√
√
3.(人教A版必修一P119·T6改编)已知a=0.750.1,b=1.012.7,c=1.013.5,则( )
A.a>b>c B.a>c>b
C.c>b>a D.c>a>b
√
解析:因为函数y=1.01x在(-∞,+∞)上单调递增,且3.5>2.7,所以1.013.5>1.012.7>1.因为函数y=0.75x在(-∞,+∞)上单调递减,又0.1>0,所以0.750.1<1.故1.013.5>1.012.7>1>0.750.1,即c>b>a.
互动课堂——解题思维建模
02
逐点清(一) 指数幂的运算
例 1
√
解析:
例 2
点拨·建模
指数幂运算的一般原则
(1)有括号的先算括号里的,无括号的先做指数运算.
(2)先乘除后加减,负指数幂化成正指数幂的倒数.
(3)底数是负数,先确定符号,底数是小数,先化成分数,底数是带分数,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.
逐点清(二) 指数函数的图象及应用
例 3
√
例 4
(指数函数图象的应用)若直线y=2a与函数y=|ax-1|(a>0且a≠1)的图象有两个公共点,则a的取值范围是________.
点拨·建模
与指数函数有关的图象问题的求解方法
(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.
题点1 比较大小
逐点清(三) 指数函数的性质及应用
例 5
(2024·吉林模拟)已知a=0.310.1,b=0.310.2,c=0.320.1,则( )
A.a>b>c B.b>a>c
C.c>b>a D.c>a>b
解析:由y=0.31x单调递减可知0.310.1>0.310.2,即a>b;
由y=x0.1单调递增可知0.320.1>0.310.1,即c>a,所以c>a>b.
√
例 6
若ea+πb≥e-b+π-a,则下列结论一定成立的是( )
A.a+b≤0 B.a-b≥0
C.a-b≤0 D.a+b≥0
解析:∵ea+πb≥e-b+π-a,∴ea-π-a≥e-b-πb.令f(x)=
ex-π-x,易知f(x)是R上的增函数,上式可化为f(a)≥f(-b),∴a≥-b,即a+b≥0.故选D.
√
个性点拨
比较指数式的大小的依据是指数函数的单调性,原则上是将待比较的指数式化为同底的指数式,并要注意底数的范围是(0,1)还是(1,+∞),若不能化为同底,则可化为同指数或利用中间量比较.
题点2 解简单的指数不等式
例 7
√
已知函数f(x)=2x-2-x,则不等式f(2x)+f(-8)<0的解集为( )
A.(-3,0) B.(-∞,3)
C.(0,3) D.(3,+∞)
例 8
√
解析:因为f(x)=2x-2-x,x∈R,f(-x)=2-x-2x=-f(x),所以f(x)=2x-2-x为奇函数.由y=2x单调递增,y=2-x单调递减,得f(x)=2x-2-x为R上的增函数,所以f(2x)+f(-8)<0等价于f(2x)<f(8),因此2x<8,即x<3.
个性点拨 解指数不等式的3种方法
性质法 解形如ax>ab的不等式,可借助函数y=ax的单调性求解,如果a的取值不确定,需分a>1或0<a<1两种情况进行讨论
转化法 解形如ax>b的不等式,可先将b转化为以a为底的指数幂的形式,再借助函数y=ax的单调性求解
图象法 解形如ax>bx的不等式,可利用对应的函数图象求解
题点3 指数函数性质的综合应用
例 9
√
例 10
令h(x)=-x2-4x+3=-(x+2)2+7,
则h(x)在(-∞,-2)上单调递增,在(-2,+∞)上单调递减.
所以f(x)的单调递增区间是(-2,+∞),单调递减区间是(-∞,-2).
解得a=1.
即f(x)有最大值3时,a=1.
应使g(x)=ax2-4x+3的值域为R,
因此只能a=0(因为若a≠0,
则g(x)为二次函数,其值域不可能为R).
个性点拨
求解与指数函数有关的复合函数问题,要明确复合函数的构成,涉及值域、单调区间、最值等问题时,要借助“同增异减”这一性质分析判断.
即练即评——课堂效果评价
03
逐点验收(一) 指数幂的运算
√
√
√
解析:
逐点验收(二) 指数函数的图象及应用
3.函数y=ax-a-1(a>0,且a≠1)的图象可能是( )
√
4.[多选]已知实数a,b满足等式3a=6b,则下列可能成立的关系式为 ( )
A.a=b B.0<b<a
C.a<b<0 D.0<a<b
√
√
√
解析:由题意,在同一坐标系内分别画出函数y=3x和y=6x的图象,如图所示,由图象知,当a=b=0时,3a=6b=1,故A正确;
作出直线y=k,当k>1时,若3a=6b=k,
则0<b<a,故B正确;
作出直线y=m,当0<m<1时,若3a=6b=m,则a<b<0,故C正确;
当0<a<b时,易得2b>1,则3a<3b<2b·3b=6b,故D错误.
5.若函数f(x)=|2x-2|-b有两个零点,则实数b的取值范围是______.
(0,2)
解析:在同一平面直角坐标系中画出
y=|2x-2|与y=b的图象,如图所示.
当0<b<2时,两函数图象有两个交点,
从而函数f(x)=|2x-2|-b有两个零点.
故实数b的取值范围是(0,2).
逐点验收(三) 指数函数的性质及应用
√
解析:
A.函数f(x)的定义域为R
B.函数f(x)的值域为(0,2]
C.函数f(x)在[-2,+∞)上单调递增
D.函数f(x)在[-2,+∞)上单调递减
√
√
√
解析:令u=x2+4x+3=(x+2)2-1,则u∈[-1,+∞),f(x)的定义域与u=x2+4x+3的定义域相同,均为R,故A正确;
√
∴f(-x)+f(x)=-2,
∴不等式f(x)+f(2x-1)>-2可转化为f(2x-1)>f(-x).
∴函数f(x)在R上单调递增,
√
则2t≤2,
解得t≤1,
解析:不妨记y1=f(x)=mx+2m=m(x+2),y2=g(x)=2x+2-2-2-x=2x+2-2-(2+x),
因为函数y=mx与y=2x-2-x是奇函数且关于坐标原点对称,
课时跟踪检测
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即x+x-1+2=25,
所以x+x-1=23,
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5.[多选]某食品的保鲜时间y(单位:小时)与储存温度x(单位:℃)满足函数关系y=ekx+b(e=2.718…,k,b为常数),若该食品在0 ℃的保鲜时间是120小时,在20 ℃的保鲜时间是30小时,则( )
A.k<0
B.储存温度越高保鲜时间越长
C.在10 ℃的保鲜时间是60小时
D.在30 ℃的保鲜时间是15小时
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由A可知,y=kx+b在R上是减函数,且y=ex在R上是增函数,所以y=ekx+b在R上是减函数,则储存温度越高保鲜时间越短,B错误;
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6.若函数f(x)=|2x-a|-1的值域为[-1,+∞),则实数a的取值范围为( )
A.(-∞,0) B.(0,+∞)
C.(0,1] D.(1,+∞)
解析:令g(x)=|2x-a|,由题意得g(x)的值域为[0,+∞),又y=2x的值域为(0,+∞),所以-a<0,解得a>0,所以a的取值范围为(0,+∞).
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7.已知函数f(x)=3x+1-4x-5,则不等式f(x)<0的解集是( )
A.(-2,-1) B.(-1,1)
C.(-1,2) D.(1,+∞)
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解析:因为函数f(x)=3x+1-4x-5,所以不等式f(x)<0即为3x+1<4x+5,在直角坐标系中作出y=3x+1,y=4x+5的图象,如图所示,因为y=3x+1,y=4x+5都经过A(1,9),B(-1,1),当-1<x<1时,y=3x+1的图象在y=4x+5图象的下方,由图象知,不等式f(x)<0的解集是(-1,1),故选B.
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8.函数y=a2x-1-2(a>0且a≠1),无论a取何值,函数图象恒过一个定点,则定点坐标为___________.
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(2)由题意,x+x-1=7,则x>0,
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解:(1)因为函数f(x)是定义在R上的奇函数,
所以f(0)=0,
所以a=1.
又因为f(-x)=-f(x),
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当x≠0时,
有b·2x+1=b+2x,
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即(b-1)·(2x-1)=0.
又因为当x≠0时,
有2x-1≠0,
所以b-1=0,所以b=1.
经检验符合题意,所以a=1,b=1.
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因为y=1+2x为R上的增函数,
且1+2x>0,
则函数f(x)在R上单调递减.
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(3)因为存在t∈[0,4],
使f(k+t2)+f(4t-2t2)<0成立,
且函数f(x)是定义在R上的奇函数,
所以不等式可转化为f(k+t2)<f(2t2-4t).
又因为函数f(x)在R上单调递减,
所以k+t2>2t2-4t,所以k>t2-4t.
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令g(t)=t2-4t=(t-2)2-4,t∈[0,4],由题意可知,问题等价转化为当t∈[0,4]时,k>g(t)min.
又因为g(t)min=g(2)=-4,
所以k>-4.故k的取值范围是(-4,+∞).
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由于f(x)为偶函数,故若f(x)=f(y),且x≠y,则x=-y,即x+y=0,故B正确;
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由于在(-∞,0)上,f(x)=2-2·2x单调递减,故若x<y<0,则f(x)>f(y),故C错误;
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16.已知函数f(x)=2x+a·2-x(a为常数,a∈R).
(1)讨论函数f(x)的奇偶性;
(2)当f(x)为偶函数时,若方程f(2x)-k·f(x)=3在x∈[0,1]上有实根,求实数k的取值范围.
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解:(1)由题意,得函数f(x)=2x+a·2-x的定义域为x∈R,f(-x)=2-x+a·2x.
①当f(-x)=f(x),
即2-x+a·2x=2x+a·2-x时,可得a=1,
即当a=1时,函数f(x)为偶函数.
②当f(-x)=-f(x),
即2-x+a·2x=-(2x+a·2-x)=-2x-a·2-x时,可得a=-1,
即当a=-1时,函数f(x)为奇函数.
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(2)由(1)可得,当函数f(x)为偶函数时,a=1,
即f(x)=2x+2-x,f(2x)=22x+2-2x=(2x+2-x)2-2.由题可得,
(2x+2-x)2-2-k(2x+2-x)=3⇔(2x+2-x)2-k(2x+2-x)-5=0.
令t=2x+2-x,
则有t2-kt-5=0,
∵x∈[0,1],
∴2x∈[1,2].
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1.根式
(1)如果xn=a,那么____叫做a的n次方根,其中n>1,且n∈N*.
(2)式子叫做______,其中n叫做根指数,a叫做被开方数.
(3)性质:
①负数没有偶次方根.
②0的任何次方根都是0,记作=0.
③()n=____.
④当n为奇数时,=____.
⑤当n为偶数时, =|a|=
(1)正数的正分数指数幂:a=______ (a>0,m,n∈N*,n>1).
(2)正数的负分数指数幂:a-=______=_______(a>0,m,n∈N*,n>1).
(3)0的正分数指数幂等于____,0的负分数指数幂没有意义.
4.(北师大版必修一P92·T8改编)函数f(x)=ax(a>0)的图象经过点(2,3),且f(2m-1)>,则m的取值范围为_______________.
解析:由题意,a2=3,a>0,故a=,所以f(x)=()x在R上单调递增,f(2m-1)>=f(-2),故2m-1>-2,m>-.
化简(a>0,b>0)的结果是( )
A. B. C. D.
0.064-+-(π+e)0-9×4=_______.
解析:0.064-+-(π+e)0-9×4=(0.43)-+22-1-(32)×4=0.4-1+4-1-33×3-2=+4-1-3=.
(指数函数的图象)图中的曲线是指数函数y=ax的图象,已知a的取值分别为π, ,,,则曲线c1,c2,c3,c4对应的a依次为( )
A.,π,, B.,π,,
C.π, ,, D.π, ,,
解析:不妨取x=1,由指数函数y=ax的图象可知,c2对应的a最大,其次是c1,然后是c4,最小的是c3,所以曲线c1,c2,c3,c4对应的a依次为π,,,.故选C.
解析:①当0<a<1时,y=|ax-1|的图象如图1.因为y=2a与y=|ax-1|的图象有两个交点,所以0<2a<1,所以0<a<.
②当a>1时,y=|ax-1|的图象如图2,而此时直线y=2a不可能与
y=|ax-1|的图象有两个交点.综上,a的取值范围是.
若2x+1≤x-2,则函数y=2x的值域是( )
A. B.
C. D.[2,+∞)
解析:因为x-2=2x-4,所以2x+1≤x-2可化为2x+1≤2x-4=24-2x.由指数函数的单调性可得x2+1≤4-2x,解得-3≤x≤1,所以2-3≤2x≤21,故函数y=2x的值域是.
若函数f(x)=a(a>0且a≠1)在区间(1,3)上单调递增,则实数a的取值范围为( )
A.(1,2) B.(0,1)
C.(1,4] D.(-∞,4]
解析:令t=2x2-ax+1,则y=at,t=2x2-ax+1的对称轴为x=,则t=2x2-ax+1在上单调递减,在上单调递增.当0<a<1时,
y=at在定义域内单调递减,所以f(x)在上单调递增,在上单调递减.因为f(x)在(1,3)上单调递增,所以不等式无解.
当a>1时,y=at在定义域内单调递增,所以f(x)在上单调递减,在上单调递增.因为f(x)在(1,3)上单调递增,所以
解得1<a≤4.综上,实数a的取值范围为(1,4].故选C.
已知函数f(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;
(3)若f(x)的值域是(0,+∞),求a的值.
解:(1)当a=-1时,f(x)=,
而y=x在R上单调递减,
(2)令g(x)=ax2-4x+3,f(x)=g(x),
由于f(x)有最大值3,所以g(x)应有最小值-1.
因此必有
(3)令g(x)=ax2-4x+3,由指数函数的性质知,要使y=g(x)的值域为(0,+∞),
1.地震的震级越大,以地震波的形式从震源释放出的能量就越大,震级M与所释放的能量E的关系为E=104.8+1.5M(焦耳)(≈3.16),那么6级地震释放的能量是4级地震释放的能量的( )
A.3.16倍 B.31.6倍
C.100倍 D.1 000倍
解析:由题意,设4级地震释放的能量为E1,6级地震释放的能量为E2,所以E1=104.8+1.5×4=1010.8,E2=104.8+1.5×6=1013.8,所以==103=1 000.即6级地震释放的能量是4级地震释放的能量的1 000倍.
解析:函数y=ax-的图象是由函数y=ax的图象向下平移个单位长度得到的,所以A错误;
当a>1时,0<<1,平移距离小于1,所以B错误;
当0<a<1时,>1,平移距离大于1,所以C错误,D正确.故选D.
7.[多选]已知函数f(x)=,则( )
因为y=u,u∈[-1,+∞)的值域为(0,2],所以函数f(x)的值域为(0,2],故B正确;
因为u=x2+4x+3在[-2,+∞)上单调递增,且y=u,u∈[-1,+∞)在定义域上单调递减,所以根据复合函数单调性法则,得函数f(x)在[-2,+∞)上单调递减,故C不正确,D正确.
8.已知函数f(x)=x3-,则不等式f(x)+f(2x-1)>-2的解集为( )
A. B.(1,+∞)
C. D.(-∞,1)
解析:∵f(x)=x3-,∴f(-x)=(-x)3-=-x3+-2,
又y=x3在R上单调递增,y=ex在R上单调递增,进而y=-在R上单调递增,
∴2x-1>-x,解得x>,∴原不等式的解集为.
综合、应用、创新题
9.使得“函数f(x)=在区间上单调递减”成立的一个充分不必要条件可以是( )
A.t≥2 B.t≤1
C.t≥3 D.t≤0
解析:因为函数y=x在R上单调递减,函数f(x)=在区间上单调递减,
所以函数y=x2-4tx=(x-2t)2-4t2在上单调递增,
所以函数f(x)=在区间上单调递减的充要条件为t≤1,
那么其成立的一个充分不必要条件可以是t≤0.
10.某同学向老师请教一题:当x∈(1,+∞)时,函数y=x-4ex-aln x的图象恒在直线y=x+1的上方(不含该直线),求实数a的取值范围.老师告诉该同学:“ex≥x+1恒成立,当且仅当x=0时取等号,且方程x-4ln x=0在上有解”,根据老师的提示可得a的取值范围是_____________.
解析:因为x>1,所以ln x>0,由x-4ex-aln x>x+1可得a<=,由题意ex≥x+1恒成立,当且仅当x=0时取等号,且方程x-4ln x=0在上有解,x=x0>1,所以≥=-4,当且仅当x=x0时等号成立,所以a<-4,因此实数a的取值范围是.
11.已知函数y=mx+2m与函数y=2x+2-2-2-x的图象交于点M,N,P,此三点中最远的两点间距离为,则实数m=________.
所以f(x),g两个函数均是以点(-2,0)为对称中心的函数,
所以三个交点其中一个必是点(-2,0),另外两个点关于点(-2,0)对称,不妨记N(-2,0),设M,
所以即
解得x1=-1或x1=-3,m=.
一、强基训练,提高自信心
1.若m=,n=,则m+n的值为( )
A.-7 B.-1
C.1 D.7
解析:m+n=π-3+|π-4|=π-3+4-π=1.
2.已知x+x-=5,则的值为( )
A.5 B.23
C.25 D.27
解析:因为x+x-=5,
所以2=52,
所以=x+=x+x-1=23.
3.已知a=31.2,b=1.20,c=-0.9,则a,b,c的大小关系是( )
A.a<c<b B.c<b<a
C.c<a<b D.b<c<a
解析:因为b=1.20=1, c=-0.9=30.9,又因为y=3x在R上单调递增,1.2>0.9>0,所以31.2>30.9>30=1,即a>c>b.故选D.
4.若函数f(x)=在[1,2]上单调递减,则a的取值范围是( )
A.(-∞,-4] B.(-∞,-2]
C.[-2,+∞) D.[-4,+∞)
解析:依题意函数f(x)=在[1,2]上单调递减,且y=x在R上单调递减,y=x2+ax的图象开口向上,对称轴为x=-,根据复合函数单调性同增异减可知,-≤1⇒a≥-2.
解析:由题可知120=eb,30=e20k+b=e20k×eb,则e20k=,故e10k=,所以10k<0,则k<0,A正确;
由A可知,e10k+b=e10k×eb=×120=60小时,C正确;
由A可知,e30k+b=e30k×eb=3×120=15小时,D正确.
解析:∵a0=1,∴x=,y=a0-2=1-2=-1,则定点坐标为.
9.化简:(a3-b)3+·b3-=________.
解析:(a3-b)3+·b3-=a4b3+·b3-=a4b6.
10.若f(x)=x-x-,则满足f(x)<0的x的取值范围是__________.
解析:因为x-=有意义,所以x>0.由f(x)<0,得x<x-,即<,
所以0<x<1,解得0<x<1.故x的取值范围为(0,1).
∴2=x+2+x-1=7+2=9,
∵x>0,∴x+x->0,∴x+x-=3.
12.已知定义域为R的函数f(x)=是奇函数.
(1)求a,b的值;
(2)判断f(x)的单调性;
(3)若存在t∈[0,4],使f(k+t2)+f(4t-2t2)<0成立,求k的取值范围.
即=0,
所以=-.
将a=1代入,
整理得=,
(2)由(1)知,函数f(x)===-1+,
二、创优训练,冲刺“双一流”
13.[多选]已知函数f(x)=a·|x|+b的图象经过原点,且无限接近直线y=2,但又不与该直线相交,则下列说法正确的是( )
A.a+b=0
B.若f(x)=f(y),且x≠y,则x+y=0
C.若x<y<0,则f(x)<f(y)
D.f(x)的值域为[0,2)
解析:∵函数f(x)=a·|x|+b的图象过原点,∴a+b=0,即b=-a,f(x)=a·|x|-a,且f(x)的图象无限接近直线y=2,但又不与该直线相交,∴b=2,a=-2,f(x)=-2·|x|+2,故A正确;
由于|x|∈(0,1],∴f(x)=-2·|x|+2∈[0,2),故D正确.故选ABD.
14.(2023·全国甲卷)已知函数f(x)=e.记a=f,b=f,c=f,则( )
A.b>c>a B.b>a>c
C.c>b>a D.c>a>b
解析:函数f(x)=e是由函数y=eu和u=-(x-1)2复合而成的复合函数,y=eu为R上的增函数,u=-(x-1)2在(-∞,1)上单调递增,在(1,+∞)上单调递减,所以由复合函数的单调性可知,f(x)在(-∞,1)上单调递增,在(1,+∞)上单调递减.易知f(x)的图象关于直线x=1对称,所以c=f=f,又<2-<<1,所以f<f<f,所以b>c>a,故选A.
15.(2024·徐州模拟)正实数m,n满足e1-2m+2-2m=en-1+n,则+的最小值为________.
解析:由e1-2m+2-2m=en-1+n,得e1-2m+(1-2m)=en-1+(n-1).
令f(x)=ex+x,原等式为f(1-2m)=f(n-1),显然函数f(x)在R上
单调递增,于是1-2m=n-1,即2m+n=2,而m>0,n>0,因此+=+=++≥2+=,当且仅当=,
即m=n=时取等号.所以+的最小值为.
根据对勾函数的性质可知,2x+2-x∈,
即t∈,方程t2-kt-5=0在上有实数根,则k==t-.
令φ(t)=t-,t∈,
∵φ(t)在上单调递增,
且φ(2)=-,φ=,∴-≤k≤,
∴实数k的取值范围是.
$$