内容正文:
数学 必修 第一册 RJA
第2课时 指数函数性质的应用
(教师独具内容)
课程标准:会用函数的图象和代数运算的方法研究指数函数的性质.
教学重点:利用指数函数的单调性解决与不等式有关的问题.
教学难点:指数函数性质的综合应用.
核心素养:通过学习指数函数性质的应用,培养逻辑推理素养和数学运算素养.
知识点 指数型复合函数的单调性
(1)关于指数型函数y=af(x)(a>0,且a≠1)的单调性由两点决定,一是底数a>1还是0<a<1;二是f(x)的单调性.它由两个函数y=au,u=f(x)复合而成.
(2)若y=f(u),u=g(x),则函数y=f(g(x))的单调性有如下特点:
u=g(x)
y=f(u)
y=f(g(x))
增
增
增
增
减
减
减
增
减
减
减
增
(3)求复合函数的单调区间,首先求出函数的定义域,然后把函数分解成y=f(u),u=g(x),通过考查f(u)和g(x)的单调性,求出y=f(g(x))的单调性.
1.(利用指数函数的单调性比较大小)设y1=40.9,y2=80.48,y3=,则( )
A.y3>y1>y2 B.y2>y1>y3
C.y1>y2>y3 D.y1>y3>y2
答案:D
2.(利用指数函数的单调性解不等式)不等式4x<32的解集是( )
A. B.
C. D.
答案:B
3.(指数函数图象与性质的应用)(多选)下列结论正确的是( )
A.对x∈R,恒有3x>2x
B.y=()-x是减函数
C.对a>1,x∈R,一定有ax>a-x
D.y=2|x|是偶函数
答案:BD
题型一 利用指数函数的单调性比较大小
比较下列各组数的大小:
(1)1.52.5和1.53.2;
(2)0.6-1.2和0.6-1.5;
(3)1.70.2和0.92.1;
(4)a1.1和a0.3(a>0,且a≠1).
[解] (1)1.52.5,1.53.2可看作函数y=1.5x的两个函数值,由于底数1.5>1,所以函数y=1.5x在R上是增函数,因为2.5<3.2,所以1.52.5<1.53.2.
(2)0.6-1.2,0.6-1.5可看作函数y=0.6x的两个函数值,因为函数y=0.6x在R上是减函数,且-1.2>-1.5,所以0.6-1.2<0.6-1.5.
(3)由指数函数的性质,得1.70.2>1.70=1,0.92.1<0.90=1,所以1.70.2>0.92.1.
(4)当a>1时,y=ax在R上是增函数,故a1.1>a0.3;
当0<a<1时,y=ax在R上是减函数,故a1.1<a0.3.
【感悟提升】比较幂值大小的三种类型及方法
(1)底数相同、指数不同:构造指数函数,根据其单调性比较.
(2)指数相同、底数不同:分别画出以两幂底数为底数的指数函数的图象,当x取相同幂指数时可观察出函数值的大小(或可以构造幂函数,利用幂函数单调性比较大小).
(3)底数、指数都不相同:取与其中一底数相同与另一指数相同的幂与两数比较,或借助“1”与两数比较.
注意:当底数含参数时,要按底数a>1和0<a<1两种情况分类讨论.
【跟踪训练】
1.(1)已知a=2,b=4,c=25,则( )
A.b<a<c B.a<b<c
C.b<c<a D.c<a<b
答案:A
解析:因为a=2,b=4=2,由函数y=2x在R上为增函数,知b<a.又a=2=4,c=25=5,由函数y=x在(0,+∞)上单调递增,知a<c.综上可得b<a<c.故选A.
(2)设a=0.60.6,b=0.61.5,c=1.50.6,则a,b,c的大小关系是( )
A.a<b<c B.a<c<b
C.b<a<c D.b<c<a
答案:C
解析:因为函数y=0.6x在R上单调递减,所以b=0.61.5<a=0.60.6<1.又c=1.50.6>1,所以b<a<c.
题型二 利用指数函数的单调性解不等式
(1)解不等式≤2.
[解] ∵2=,
∴原不等式可以转化为≤.
∵函数y=在R上是减函数,
∴3x-7≥-1,∴x≥2.
故原不等式的解集是{x|x≥2}.
(2)已知ax2-3x+2<a-x+5(a>0,且a≠1),求x的取值范围.
[解] 分情况讨论:
①当0<a<1时,函数f(x)=ax(a>0,且a≠1)在R上是减函数,
∴x2-3x+2>-x+5,
∴x2-2x-3>0,
根据相应二次函数的图象可得x<-1或x>3.
②当a>1时,函数f(x)=ax(a>0,且a≠1)在R上是增函数,
∴x2-3x+2<-x+5,
∴x2-2x-3<0,
根据相应二次函数的图象可得-1<x<3.
综上所述,当0<a<1时,x<-1或x>3;当a>1时,-1<x<3.
【感悟提升】解与指数有关的不等式的注意点
(1)形如af(x)>ag(x)的不等式,借助函数y=at(a>0,且a≠1)的单调性求解,如果a的取值不确定,需分a>1与0<a<1两种情况讨论.
(2)形如af(x)>b的不等式,注意将b化为以a为底的指数幂的形式,再借助y=at(a>0,且a≠1)的单调性求解.
(3)形如af(x)>bf(x)的形式,利用图象求解.
【跟踪训练】
2.(1)解不等式≤3-2x.
解:因为3-2x=,
所以原不等式等价于≤,
又y=是R上的减函数,
所以x-4≥2x,所以x≤-4.
因此原不等式的解集是{x|x≤-4}.
(2)若a-3x>ax+4(a>0,且a≠1),求x的取值范围.
解:①当0<a<1时,由y=ax在R上单调递减得-3x<x+4,即-4x<4,解得x>-1;
②当a>1时,由y=ax在R上单调递增得-3x>x+4,即-4x>4,解得x<-1.
综上所述,当0<a<1时,x的取值范围为(-1,+∞);当a>1时,x的取值范围为(-∞,-1).
题型三 指数函数性质的综合应用
已知函数f(x)=a-(x∈R).
(1)用定义证明:不论a为何实数,f(x)在(-∞,+∞)上为增函数;
(2)若f(x)为奇函数,求a的值;
(3)在(2)的条件下,求f(x)在区间[1,5]上的最小值.
[解] (1)证明:∵f(x)的定义域为R,任取x1<x2,则f(x1)-f(x2)=a--a+=.
∵x1<x2,
∴2x1-2x2<0,(2x1+1)(2x2+1)>0.
∴f(x1)-f(x2)<0,即f(x1)<f(x2).
∴不论a为何实数,f(x)在(-∞,+∞)上为增函数.
(2)∵f(x)在x∈R上为奇函数,
∴f(0)=0,即a-=0,解得a=.
(3)由(2)知,f(x)=-,
由(1)知,f(x)在(-∞,+∞)上为增函数,
∴f(x)在区间[1,5]上的最小值为f(1).
∵f(1)=-=,
∴f(x)在区间[1,5]上的最小值为.
【感悟提升】解决指数函数性质综合应用问题的注意点
(1)注意代数式的变形,如分式通分、因式分解、配方法、分母(或分子)有理化等变形技巧.
(2)解答函数问题注意应在函数定义域内进行.
(3)由于指数函数的单调性与底数有关,因此要注意是否需要对底数进行讨论.
【跟踪训练】
3.已知函数f(x)=(a>1).
(1)判断函数f(x)的奇偶性;
(2)证明f(x)是R上的增函数;
(3)求函数f(x)的值域.
解:(1)函数f(x)的定义域为R,
则f(-x)===-=-f(x),
所以函数f(x)是奇函数.
(2)证明:f(x)===1-,因为a>1,所以y=ax是增函数,∀x1,x2∈R,且x1<x2,
则f(x1)-f(x2)=-=-=,
因为x1<x2,
所以ax1-a x2<0,(a x2+1)(a x1+1)>0,
所以f(x1)-f(x2)<0,即f(x1)<f(x2),
所以f(x)=1-为增函数,即f(x)是R上的增函数.
(3)因为f(x)=1-,a>1,所以ax+1>1,则0<<1,所以0<<2,即-2<-<0,所以-1<1-<1,即-1<f(x)<1,故函数f(x)的值域为(-1,1).
1.(2024·安徽六安舒城县晓天中学高一上质检)若<,则实数a的取值范围是( )
A. B.(1,+∞)
C.(-∞,1) D.
答案:A
解析:函数y=在R上为减函数,所以2a+1>8-2a,所以a>.故选A.
2.(2024·湖南雅礼中学高一上月考)若偶函数f(x)满足f(x)=2x-4(x≥0),则不等式f(x-2)>0的解集是( )
A.{x|-1<x<2} B.{x|0<x<4}
C.{x|x<-2,或x>2} D.{x|x<0,或x>4}
答案:D
解析:当x<0时,f(x)=f(-x)=2-x-4,所以由f(x)>0,得x<-2或x>2,所以f(x-2)>0的解集是{x|x<0,或x>4}.故选D.
3.(多选)下列各式比较大小正确的是( )
A.1.72.5>1.73 B. >2-
C.1.70.3>0.93.1 D.>
答案:BC
解析:对于A,∵函数y=1.7x在R上单调递增,且2.5<3,∴1.72.5<1.73,故A错误;对于B,=2-,∵函数y=2x在R上单调递增,且->-,∴=2->2-,故B正确;对于C,∵1.70.3>1.70=1,0<0.93.1<0.90=1,∴1.70.3>0.93.1,故C正确;对于D,∵函数y=在R上单调递减,且>,∴<,又函数y=x在(0,+∞)上单调递增,且<,∴<,∴<<,故D错误.故选BC.
4.已知函数f(x)=,则f(x)的单调递增区间是________.
答案:(-∞,1)
解析:f(x)==∴f(x)在(-∞,1)上单调递增,即f(x)的单调递增区间为(-∞,1).
5.(2024·吉林部分名校高一上期末)若指数函数f(x)=ax(a>0,且a≠1)在[-1,3]上恒有f(x)≤11-x,则a的最大值为________.
答案:2
解析:设g(x)=ax+x,当a>1时,g(x)=ax+x在[-1,3]上单调递增,所以g(x)max=g(3)=a3+3.要使指数函数f(x)=ax在[-1,3]上恒有f(x)≤11-x,即g(x)≤11,只需g(x)max≤11,即a3+3≤11,所以a≤2,所以1<a≤2,所以a的最大值为2.
课后课时精练
基础题(占比50%) 中档题(占比30%) 拔高题(占比20%)
题号
1
2
3
4
5
6
7
8
难度
★
★
★
★
★
★★
★
★★
对点
利用指数函数的单调性解不等式
利用指数函数的单调性比较参数大小
指数型函数的奇偶性、单调性
利用指数函数的单调性比较大小
利用指数型复合函数的单调性求参数范围
指数型函数性质的综合应用
指数函数性质的应用;求指数型复合函数的单调区间
利用指数型分段函数的单调性求参数范围
题号
9
10
11
12
13
14
15
难度
★
★
★★
★★
★★★
★★★
★★★
对点
求指数型复合函数的单调区间
指数型函数的性质;解指数不等式
利用指数型函数的单调性、对称性比较大小
指数型函数性质的综合
构造指数型函数并利用其单调性比较大小
利用函数的图象与性质解指数不等式
指数型函数的性质及其综合应用
1.若2x+1<1,则x的取值范围是( )
A.(-1,1) B.(-1,+∞)
C.(0,1)∪(1,+∞) D.(-∞,-1)
答案:D
解析:∵2x+1<1=20,且y=2x是R上的增函数,∴x+1<0,∴x<-1.
2.(2024·湖南邵阳高一上阶段考试)若<<,则( )
A.a<b<1 B.b>a>1
C.b<a<1 D.a>b>1
答案:C
解析:∵函数y=在R上是减函数,又<<,∴b<a<1.故选C.
3.已知函数f(x)=,则f(x)( )
A.是奇函数,在R上单调递减
B.是偶函数,在(0,+∞)上单调递增
C.是奇函数,在R上单调递增
D.是偶函数,在(0,+∞)上单调递减
答案:C
解析:函数f(x)的定义域为R.因为f(-x)==-f(x),所以f(x)是奇函数.因为y=3x在R上单调递增,y=3-x在R上单调递减,所以f(x)=在R上单调递增.故选C.
4.已知a=1.050.6,b=0.60.8,c=0.60.4,则a,b,c的大小关系是( )
A.a>b>c B.c>b>a
C.b>c>a D.a>c>b
答案:D
解析:a=1.050.6>1.050=1,b=0.60.8<0.60.4=c.又c=0.60.4<0.60=1,所以a,b,c的大小关系是a>c>b.故选D.
5.(2023·新课标Ⅰ卷)设函数f(x)=2x(x-a)在区间(0,1)上单调递减,则a的取值范围是( )
A.(-∞,-2] B.[-2,0)
C.(0,2] D.[2,+∞)
答案:D
解析:函数y=2x在R上单调递增,而函数f(x)=2x(x-a)在区间(0,1)上单调递减,则函数y=x(x-a)=-在区间(0,1)上单调递减,因此≥1,解得a≥2,所以a的取值范围是[2,+∞).故选D.
6.(多选)(2024·安徽安庆第一中学高一上“三新”检测)若函数f(x)是定义在R上的偶函数,当x≥0时,f(x)=2x-5,则( )
A.f(0)=0
B.当x<0时,f(x)=2-x-5
C.f(-1)=-3
D.f(x)≤3的解集为[-3,3]
答案:BCD
解析:因为当x≥0时,f(x)=2x-5,所以f(0)=1-5=-4,故A错误;当x<0时,-x>0,f(-x)=2-x-5=f(x),故B正确;f(-1)=2-5=-3,故C正确;当x≥0时,由f(x)=2x-5≤3,得0≤x≤3,又函数f(x)的图象关于y轴对称,所以f(x)≤3的解集为[-3,3],故D正确.故选BCD.
7.已知函数f(x)=a-x(a>0,且a≠1)满足f(-2)>f(-3),则函数g(x)=a1-x2的单调递增区间是________.
答案:[0,+∞)
解析:∵f(-2)>f(-3),∴a2>a3,∴0<a<1.令t=1-x2,则y=at.∵y=at是减函数,t=1-x2的单调递减区间是[0,+∞),∴g(x)=a1-x2的单调递增区间是[0,+∞).
8.若函数f(x)=是R上的增函数,则a的取值范围是________.
答案:(-∞,1]
解析:因为函数f(x)=在R上是增函数,所以0+a≤20,所以a≤1.
9.求下列函数的单调区间:
(1)y=a-x2+3x+2(a>1);
(2)y=2|x-1|.
解:(1)设u=-x2+3x+2=-+,易知u在上单调递增,在上单调递减,
∵a>1,∴y=a-x2+3x+2的单调递增区间是,单调递减区间是.
(2)当x∈(1,+∞)时,函数y=2x-1,
∵t=x-1为增函数,y=2t为增函数,
∴y=2x-1为增函数;
当x∈(-∞,1]时,函数y=21-x,
∵t=1-x为减函数,y=2t为增函数,
∴y=21-x为减函数.
∴y=2|x-1|的单调递减区间是(-∞,1],单调递增区间是(1,+∞).
10.已知函数f(x)=a+的图象过点.
(1)判断函数f(x)的奇偶性,并说明理由;
(2)若-≤f(x)≤0,求实数x的取值范围.
解:(1)∵f(x)的图象过点,
∴a+=-,解得a=-,
∴f(x)=-=,f(x)的定义域为R.
∵f(-x)===-f(x),
∴函数f(x)是奇函数.
(2)∵-≤f(x)≤0,∴-≤-≤0,
∴≤≤,∴2≤4x+1≤3,
∴1≤4x≤2,解得0≤x≤.
11.(2024·山东菏泽10校联考高一上期末)定义在R上的函数f(x)满足f(1+x)=f(1-x),当x≥1时,f(x)=3x-1,则下列各式正确的是( )
A.f>f>f B.f>f>f
C.f>f>f D.f>f>f
答案:A
解析:因为定义在R上的函数f(x)满足f(1+x)=f(1-x),则函数f(x)的图象关于直线x=1对称,当x≥1时,f(x)=3x-1,则函数f(x)在[1,+∞)上单调递增.因为f=f=f,f=f=f,且>>>1,则f>f>f,即f>f>f.故选A.
12.(多选)已知函数f(x)=x,则下列结论正确的是( )
A.f(x)的图象关于原点对称
B.f(x)在(-∞,0)上单调递增
C.f(x)在(0,+∞)上单调递减
D.f(x)的值域为(-∞,0]
答案:BCD
解析:函数f(x)=x的定义域为R,因为f(x)=x=x·,所以f(-x)=(-x)·=(-x)·=f(x),故函数f(x)为偶函数,其图象关于y轴对称,所以A错误;当x>0时,y=-1<0,且y=-1在(0,+∞)上单调递减,任取0<x1<x2,则0>-1>-1.所以x1>x2,故f(x)=x在(0,+∞)上单调递减,所以C正确;又f(x)的图象关于y轴对称,故f(x)在(-∞,0)上单调递增,所以B正确;结合f(x)的单调性可知,f(x)≤f(0)=0,故f(x)的值域为(-∞,0],所以D正确.故选BCD.
13.(多选)若4x-4y<5-x-5-y,则下列关系正确的是( )
A.x<y B.y-3>x-3
C.< D.<3-x
答案:AD
解析:由4x-4y<5-x-5-y,得4x-5-x<4y-5-y,令f(x)=4x-5-x,则f(x)<f(y),因为y=4x,y=-5-x在R上都是增函数,所以f(x)在R上是增函数,所以x<y,故A正确;当x=-2,y=-1时,y-3<x-3,故B错误;当x<0,y<0时,与无意义,故C错误;因为y=在R上单调递减,所以<,即<3-x,故D正确.故选AD.
14.(2024·广东高州第一中学高一上期中)已知函数f(x)是定义域为R的奇函数,f(3)=0,对任意两个不等的正实数a,b都有>0,则不等式f(2x-1)<0的解集为________.
答案:(0,2)
解析:不妨设a>b>0,则>0等价于f(a)>f(b),所以f(x)在(0,+∞)上单调递增,又函数f(x)为奇函数,所以f(x)在(-∞,0),(0,+∞)上单调递增,因为f(3)=0,所以f(-3)=0,作出f(x)的图象如图.结合f(x)的图象得不等式f(2x-1)<0⇒2x-1<-3或0<2x-1<3⇒2x<-2或1<2x<4,所以20<2x<22,所以0<x<2,故不等式f(2x-1)<0的解集为(0,2).
15.已知定义域为R的函数f(x)=是奇函数.
(1)求a,b的值;
(2)证明:f(x)在(-∞,+∞)上为减函数;
(3)若对任意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)为R上的奇函数,
所以f(0)=0,得b=1.
又f(-1)=-f(1),得a=1.
经检验,a=1,b=1符合题意.
(2)证明:任取x1,x2∈R,且x1<x2,
则f(x1)-f(x2)=-
=
=.
因为x1<x2,所以2x2-2x1>0.
又(2 x1+1)(2 x2+1)>0,
所以f(x1)>f(x2),
所以f(x)在(-∞,+∞)上为减函数.
(3)因为对任意t∈R,不等式f(t2-2t)+f(2t2-k)<0恒成立,
所以f(t2-2t)<-f(2t2-k).
因为f(x)为奇函数,
所以f(t2-2t)<f(k-2t2).
因为f(x)为R上的减函数,
所以t2-2t>k-2t2,
即k<3t2-2t恒成立,
而3t2-2t=3-≥-,
所以k<-.
所以k的取值范围为.
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