内容正文:
专题2
函数与基本初等函数
1
第11讲 指数与指数函数
目
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课标要求
夯基固本
考点探究
01
03
02
课标要求
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夯基固本
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xn=a
正数
负数
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a
|a|
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ar+s
ars
arbr
y=ar(a>0,且a≠1)
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R
(0,+∞)
(0,1)
a>1
0<a<1
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夯基固本
常用结论
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夯基固本
热身练习
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夯基固本
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f(x)=()x(答案不唯一)
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考点探究
探究点1
探究点2
探究点3
新定义问题
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探究点1 指数幂的运算
探究点1
探究点3
新定义问题
探究点2
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探究点3
新定义问题
探究点2
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B
探究点1
探究点3
新定义问题
探究点2
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探究点1
探究点3
新定义问题
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规律与技巧
探究点1
探究点3
新定义问题
探究点2
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变式探究
探究点1
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变式探究
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探究点2 指数函数的图象及应用
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规律与技巧
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探究点3 指数函数的性质的应用
[1,2]
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规律与技巧
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函数的新定义问题
1
{0,1,2}
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新定义问题
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方法与技巧
探究点1
探究点3
新定义问题
探究点2
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1.了解指数函数模型的实际背景.
2.理解有理数指数幂的含义,了解实数指数幂的意义,掌握幂的运算法则.
3.通过实例,了解指数函数的实际意义,了解指数函数的概念,理解指数函数的单调性,能画出指数函数图象.
1.指数
(1)n次方根的定义
如果______________,那么x叫做a的n次方根,其中n>1,且n∈N*,“ eq \r(n, )”是方根的记号.
在实数范围内,正数的奇次方根是一个__________,负数的奇次方根是一个____________,0的奇次方根是0;正数的偶次方根是两个绝对值相等且符号相反的数,0的偶次方根是0,负数没有偶次方根.
eq \r(n,am)
eq \f(1,a\f(m,n))= eq \f(1,\r(n,am))
(2)方根的性质
①当n为奇数时,eq \r(n,an)= ;
②当n为偶数时,eq \r(n,an)= = .
(3)分数指数幂的意义
①aeq \s\up18(\f(m,n))= (a>0,m,n∈N*,n>1);
②a-eq \f(m,n)= (a>0,m,n∈N*,n>1).
eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(a,a≥0,,-a,a<0))
(4)实数指数幂的运算性质:如果a>0,b>0,r,s∈R,那么
①aras= ;
②(ar)s= ;
③(ab)r= .
2.指数函数
(1)指数函数的定义
一般地,函数 叫做指数函数.
(2)指数函数的图象
(3)指数函数的性质
①定义域: .
②值域: .
③图象过点 .
④当 时,y=ax在R上是增函数;
当 时,y=ax在R上是减函数.
1.指数y=ax(a>0,且a≠1)与y=( eq \f(1,a))x的图象关于y轴对称.
2.指数函数y=ax的底数a>1时,a越大,增长越快,图象在y轴右边越靠近y轴(y>1时);0<a<1时,a越小,图象在y轴左边越靠近y轴(y>1时).
1.函数f(x)=ax-1-2(a>0,且a≠1)的图象过定点( )
A.(0,-2) B.(0,-1)
C.(1,-2) D.(1,-1)
解析:依题意,因为f(x)=ax-1-2(a>0,且a≠1),
所以令x-1=0,解得x=1,
所以f(1)=a1-1-2=a0-2=1-2=-1,
所以函数f(x)=ax-1-2(a>0,且a≠1)的图象过定点(1,-1).故选D.
2.化简 eq \r(3,-a)· eq \r(6,a)的结果为( )
A.- eq \r(a)
B.- eq \r(-a)
C. eq \r(-a)
D. eq \r(a)
解析:由题意,可知a≥0,
所以 eq \r(3,-a)· eq \r(6,a)=(-a) eq \s\up18(\f(1,3))·a eq \s\up18(\f(1,6))
=-a eq \s\up18(\f(1,3))·a eq \s\up18(\f(1,6))=-a eq \s\up18(\f(1,3))+ eq \s\up18(\f(1,6))=-a eq \s\up18(\f(1,2))=- eq \r(a).故选A.
3.(2023·新课标Ⅰ卷)设函数f(x)=2x(x-a)在区间(0,1)上单调递减,则实数a的取值范围是( )
A.(-∞,-2]
B.[-2,0)
C.(0,2]
D.[2,+∞)
解析:设t=x(x-a),易知函数y=2t是增函数.
因为f(x)=2x(x-a)在(0,1)上单调递减,
所以由复合函数的单调性可知函数t=x(x-a)在(0,1)上单调递减.
因为函数t=x(x-a)在(-∞, eq \f(a,2))上单调递减,
所以 eq \f(a,2)≥1,即a≥2.故选D.
4.(2023·天津卷)若a=1.010.5,b=1.010.6,c=0.60.5,则a,b,c的大小关系为( )
A.c>a>b
B.c>b>a
C.a>b>c
D.b>a>c
解析:由y=1.01x在R上单调递增,
则a=1.010.5<b=1.010.6.
由y=x0.5在[0,+∞)上单调递增,
则a=1.010.5>c=0.60.5.
所以b>a>c.故选D.
5.(2024·北京房山一模)若对任意m,n∈R,函数f(x)满足f(m)f(n)=f(m+n),且当m>n时,都有f(m)<f(n),则函数f(x)的一个解析式是____________________.
解析:由题意,可取f(x)=( eq \f(1,2))x,
函数f(x)=( eq \f(1,2))x是减函数,满足m>n时,
都有f(m)<f(n),
因为f(m)f(n)=( eq \f(1,2))m·( eq \f(1,2))n=( eq \f(1,2))m+n=f(m+n),
所以函数f(x)=( eq \f(1,2))x满足题意.
【例1】(1)化简与求值:(-3 eq \f(3,8))- eq \s\up18(\f(2,3))+0.002- eq \s\up18(\f(1,2))-10( eq \r(5)-2)-1+( eq \r(2)- eq \r(3))0.
解析:原式=(- eq \f(27,8))- eq \s\up18(\f(2,3))+( eq \f(1,500))- eq \s\up18(\f(1,2))- eq \f(10,\r(5)-2)+1
=[(- eq \f(3,2))3]- eq \s\up18(\f(2,3))+500 eq \s\up18(\f(1,2))-10( eq \r(5)+2)+1
= eq \f(4,9)+10 eq \r(5)-10 eq \r(5)-20+1=- eq \f(167,9).
【例1】(2)(教材母题必修4.2.1问题2改编)常用放射性物质质量衰减一半所用的时间来描述其衰减情况,这个时间被称作半衰期,记为T(单位:天).铅制容器中有甲、乙两种放射性物质,其半衰期分别为T1,T2.开始记录时,这两种物质的质量相等,512天后测量发现乙的质量为甲的质量的 eq \f(1,4),则T1,T2满足的关系式为( )
A.-2+ eq \f(512,T1)= eq \f(512,T2)
B.2+ eq \f(512,T1)= eq \f(512,T2)
C.-2+log2 eq \f(512,T1)=log2 eq \f(512,T2)
D.2+log2 eq \f(512,T1)=log2 eq \f(512,T2)
解析:(2)设开始记录时,甲、乙两种物质的质量均为1,则512天后,甲的质量为( eq \f(1,2)) eq \s\up18(\f(512,T1)),乙的质量为( eq \f(1,2)) eq \s\up18(\f(512,T2)),由题意可得( eq \f(1,2)) eq \s\up18(\f(512,T2))= eq \f(1,4)·( eq \f(1,2)) eq \s\up18(\f(512,T1))=( eq \f(1,2))2+ eq \f(512,T1),所以2+ eq \f(512,T1)= eq \f(512,T2).故选B.
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,先化成假分数.
(4)运算结果不能同时含有根号和分数指数,也不能既有分母又有负指数.
1.(教材母题必修习题4.1T4改编)化简: eq \f(\r(a3b2\r(3,ab2)),(a\s\up18(\f(1,4))b\s\up18(\f(1,2)))4a-\s\up18(\f(1,3))b\s\up18(\f(1,3)))(a>0,b>0)=________.
解析: eq \f(\r(a3b2\r(3,ab2)),(a\s\up6(\f(1,4))b\s\up6(\f(1,2)))4a\s\up6(-\f(1,3))b\s\up6(\f(1,3)))= eq \f((a3b2a\s\up6(\f(1,3))b\s\up6(\f(2,3)))\s\up6(\f(1,2)),ab2a\s\up6(-\f(1,3))b\s\up6(\f(1,3)))
=a eq \s\up6(\f(5,3))- eq \s\up6(\f(2,3))b eq \s\up6(\f(4,3))- eq \s\up6(\f(7,3))
=ab-1= eq \f(a,b).
2.(2024·黑龙江哈尔滨一模)酒驾是严重危害交通安全的违法行为.为了保障交通安全,根据国家有关规定:100 mL血液中乙醇含量达到20~79 mg的驾驶员即为酒后驾车, 80 mg及以上认定为醉酒驾车.假设某驾驶员喝了一定量的酒后,其血液中的乙醇含量上升到了0.6 mg/mL.如果停止喝酒以后,他血液中乙醇含量会以每小时30%的速度减少,那么他至少经过几个小时才能驾驶?(结果取整数,参考数据:lg 3≈0.48,lg 7≈0.85)( )
A.1 B.2 C.3 D.4
解析:设经过x个小时才能驾驶,
则0.6×100×(1-30%)x<20,即0.7x< eq \f(1,3).
由于y=0.7x在定义域上单调递减,
则x>log0.7 eq \f(1,3)= eq \f(lg \f(1,3),lg 0.7)= eq \f(lg 1-lg 3,lg 7-1)≈ eq \f(-0.48,0.85-1)= eq \f(0.48,0.15)=3.2.
故他至少经过4小时才能驾驶.故选D.
【例2】 (1)(2025·宁夏银川阶段练习)已知函数f(x)=|3x-1|,a<b<c,且f(a)>f(c)>f(b),则( )
A.a<0,b<0,c<0
B.a<0,b≥0,c>0
C.3-a<3c
D.3a+3c<2
解析:(1)令f(x)=|3x-1|=1,
解得x=log32,画出f(x)=|3x-1|的图象如图所示.
由于a<b<c,且f(a)>f(c)>f(b),
由图可知:a<0,0<c<log32,b的值可正可负也可为0,A、B错误.
当a=-2,b=0,c= eq \f(1,2)时,f(-2)=| eq \f(1,9)-1|= eq \f(8,9),
f(0)=0,f( eq \f(1,2))= eq \r(3)-1,
满足f(a)>f(c)>f(b),3-a=32=9>3 eq \s\up16(\f(1,2)),C错误.
f(a)=|3a-1|=1-3a,f(c)=|3c-1|=3c-1,
f(a)>f(c),1-3a>3c-1,所以3a+3c<2,D正确.故选D.
【例2】(2)已知实数a,b满足等式( eq \f(1,2))a=( eq \f(1,3))b,给出下列五个关系式: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
解析:(2)画出函数y=( eq \f(1,2))x与y=( eq \f(1,3))x的图象如图所示.
当x<0时,y=( eq \f(1,2))x的图象在y=( eq \f(1,3))x的图象下方,当x>0时,y=( eq \f(1,2))x的图象在y=( eq \f(1,3))x的图象上方.
当a<0,b<0时,( eq \f(1,2))a=( eq \f(1,3))b,则a<b<0,
当a=b=0时,( eq \f(1,2))a=( eq \f(1,3))b成立,
当a>0,b>0时,( eq \f(1,2))a=( eq \f(1,3))b,则a>b>0,
故③0<a<b,④b<a<0不成立.故选B.
(1)对于指数型复合函数的图象问题,要注意寻找它与最基本的指数函数图象之间的关系.利用图象的变换(如平移、伸缩、对称、翻折等)作出图象,需要特别注意底数a>1和0<a<1两种情况.
(2)一些指数方程、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.
(3)方程f(x)=g(x)解的个数常转化为函数y=f(x)与y=g(x)的图象的交点个数.
3.(2025·黑龙江质检)已知函数y=a( eq \f(1,2))|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ab=( )
A.-1
B.-2
C.-4
D.-9
解析:因为函数y=f(x)=a( eq \f(1,2))|x|+b的图象过原点,
所以a( eq \f(1,2))0+b=0,得a+b=0,
又该函数图象无限接近直线y=2,
且不与该直线相交,所以b=2,则a=-2,
所以ab=-4.故选C.
4.(2025·河南安阳期末)已知函数f(x)=ax是指数函数,函数g(x)=x2-2ax,则f(x)与g(x)在同一坐标系中的图象可能为( )
解析:当a>1时,y=ax为增函数,
g(x)=x2-2ax的图象的对称轴为直线x=a(a>1),
A错误,C正确;
当0<a<1时,y=ax为减函数,
g(x)=x2-2ax的图象的对称轴为直线x=a(0<a<1),
B、D错误.故选C.
5.(2024·浙江模拟)已知函数f(x)=3·2x+2,对于任意的x2∈[0,1],都存在x1∈[0,1],使得f(x1)+2f(x2+m)=13成立,则实数m的取值范围为____________.
[log2 eq \f(1,6),log2 eq \f(1,3)]
解析:因为f(x1)∈[5,8],
所以 eq \f(13-f(x1),2)∈[ eq \f(5,2),4],
所以f(x2+m)=3·2x2+m+2
∈[3·2m+2,3·21+m+2],
由题意得 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(3·2m+2≥\f(5,2),,3·2m+1+2≤4))
⇒ eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(2m≥\f(1,6),,2m+1≤\f(2,3)))⇒log2 eq \f(1,6)≤m≤log2 eq \f(1,3).
【例3】 (1)设函数f(x)= eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(2-|x-a|,x≤1,,-\f(1,2)x+1,x>1,))若f(1)是函数f(x)的最大值,则实数a的取值范围为__________.
解析:(1)因为f(x)= eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(2-|x-a|,x≤1,,-\f(1,2)x+1,x>1,))
当x>1时,f(x)=- eq \f(1,2)x+1,函数单调递减且f(x)< eq \f(1,2).
当x≤1时,f(x)=2-|x-a|=( eq \f(1,2))|x-a|,
可得在x>a时,函数单调递减,
在x<a时,函数单调递增.
若a<1,x≤1,则f(x)在x=a处取得最大值,
不符合题意;
若a≥1,x≤1,则f(x)在x=1处取得最大值,
且( eq \f(1,2))a-1≥ eq \f(1,2),解得1≤a≤2.
综上可得,实数a的取值范围是[1,2].
【例3】(2)(2024·全国模拟预测)已知函数f(x)=3x-2-32-x,则满足f(x)+f(8-3x)>0的x的取值范围是( )
A.(-∞,4) B.(-∞,2)
C.(2,+∞) D.(-2,2)
解析:(2)设g(x)=3x-3-x,x∈R,
则g(-x)=3-x-3x=-g(x),所以g(x)为奇函数.
又f(x)=3x-2-32-x=3x-2-3-(x-2)=g(x-2),
则f(x)的图象是由g(x)的图象向右平移2个单位长度得到的,
所以f(x)图象的对称中心为(2,0),
所以f(x)+f(4-x)=0.
因为y=3x在R上单调递增,y=3-x在R上单调递减,
所以g(x)在R上单调递增,
则f(x)在R上单调递增,
因为f(x)+f(8-3x)>0=f(x)+f(4-x),
所以f(8-3x)>f(4-x),所以8-3x>4-x,解得x<2,
故满足f(x)+f(8-3x)>0的x的取值范围为(-∞,2).
故选B.
指数函数的性质及应用问题的解题策略
(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.
6.(教材母题必修4.2.2例3改编)设y1=40.8,y2=80.7,y3=4 eq \s\up18(\f(3,4)),则y1,y2,y3的大小关系为( )
A.y3>y1>y2
B.y2>y1>y3
C.y1>y3>y2
D.y1>y2>y3
解析:y1=40.8=(22)0.8=21.6,
y2=80.7=(23)0.7=22.1,
y3=4 eq \s\up18(\f(3,4))=(22) eq \s\up18(\f(3,4))=21.5.
因为22.1>21.6>21.5,故y2>y1>y3.故选B.
7.设函数y=f(x)在(-∞,+∞)内有定义,对于给定的正数K,定义函数fK(x)= eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(f(x),f(x)≤K,,K,f(x)>K,))取函数f(x)=2-|x|.当K= eq \f(1,2)时,函数fK(x)的单调递增区间为( )
A.(-∞,0)
B.(0,+∞)
C.(-∞,-1)
D.(1,+∞)
解析:当K= eq \f(1,2)时,由f(x)=2-|x|> eq \f(1,2),得-1<x<1,
由f(x)=2-|x|≤ eq \f(1,2),得x≤-1或x≥1,
所以f eq \s\do2(\f(1,2))(x)= eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(2-x,x≥1,,\f(1,2),-1<x<1,,2x,x≤-1,))
所以f eq \s\do2(\f(1,2))(x)的单调递增区间为(-∞,-1).故选C.
8.(2024·甘肃兰州一模)已知y=f(x)是定义在R上的奇函数,且对于任意x均有f(x+1)+f(x-1)=0,当0<x≤1时,f(x)=2x-1,若f(ln (ea))>f(ln a)(e是自然对数的底数),则实数a的取值范围是( )
A.e-1+2k<a<e1+2k(k∈Z)
B.e- eq \s\up18(\f(3,2))+k<a<e eq \s\up18(\f(1,2))+2k(k∈Z)
C.e-1+4k<a<e1+4k(k∈Z)
D.e- eq \s\up18(\f(3,2))+4k<a<e eq \s\up18(\f(1,2))+4k(k∈Z)
解析:因为y=f(x)是定义在R上的奇函数,
所以f(0)=0且图象关于原点对称,
又f(x+1)+f(x-1)=0,
所以f(x+1)=-f(x-1)=f(1-x),
所以f(x+4)=f[1-(x+3)]=-f(2+x)
=-f[1-(x+1)]=-f(-x)=f(x),
f(-1+x)=f(3+x)=f[1-(2+x)]=f(-1-x),
f(2+x)=f(-2+x)=-f(2-x),
所以函数的周期为4且函数图象关于直线x=1+2k(k∈Z)和(2k,0)(k∈Z)对称,
又当0<x≤1时,f(x)=2x-1,
所以f(x)在区间[-2,2]上的图象如图所示.
由图可知,在[-2,2]内要满足
f(ln (ea))=f(1+ln a)>f(ln a),
则- eq \f(3,2)<ln a< eq \f(1,2),即e- eq \s\up18(\f(3,2))<a<e eq \s\up18(\f(1,2)),
再根据函数的周期性可知e- eq \s\up18(\f(3,2))+4k<a<e eq \s\up18(\f(1,2))+4k(k∈Z).
故选D.
【典例剖析】 设x∈R,用[x]表示不超过x的最大整数,则y=[x]称为高斯函数.例如:[2.1]=2,[-3.1]=-4.已知函数f(x)= eq \f(2x+3,1+2x+1),则[f(-1)]=__________,函数y=[f(x)]的值域为________________.
解析:因为f(x)= eq \f(2x+3,1+2x+1)= eq \f(1,2)( eq \f(5,1+2x+1)+1),
所以[f(-1)]=[ eq \f(7,4)]=1.
又因为2x+1>0,则1+2x+1>1,可得0< eq \f(1,1+2x+1)<1,
所以f(x)∈( eq \f(1,2),3),
若f(x)∈( eq \f(1,2),1),[f(x)]=0;
若f(x)∈[1,2),[f(x)]=1;
若f(x)∈[2,3),[f(x)]=2.
综上所述,函数y=[f(x)]的值域为{0,1,2}.
函数新定义问题,命题新颖,常常考虑函数的性质,包括单调性、奇偶性、值域等,且存在知识点交叉,会和导函数、数列等知识进行结合,很好地考虑了知识迁移、综合运用能力,对于此类问题,一定要解读出题干中的信息,正确理解问题的本质,转化为熟悉的问题进行解决.
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