3.3幂函数·讲义-2026-2027学年高一上学期数学人教A版必修第一册
2026-09-05
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摘要:
本讲义聚焦幂函数核心知识点,系统梳理幂函数概念及y=x、y=x²、y=x³、y=x^(1/2)、y=x^(-1)五个具体函数的图象与性质。承接3.1函数概念与表示、3.2单调性等性质,首次将函数研究方法应用于新函数,构建“定义域→图象→值域、单调性、奇偶性”的学习支架,为后续指数函数、对数函数学习奠基。
该资料特色鲜明,通过五个实例抽象幂函数概念培养数学眼光,强调规范研究路径发展数学思维,题型归纳与易错点辨析提升数学语言表达。课中引导学生自主画图分析性质,课后精练题助力查漏补缺,既优化教师授课效果,又帮助学生巩固知识、强化应用。
内容正文:
3.3 幂函数
讲义(教师用)
人教A版必修第一册 第三章 函数的概念与性质
一、课标要求与教材位置
课程标准的要求是:通过实例,了解幂函数的概念;结合 y=x,y=x²,y=x³,y=,y= 的图象,理解它们的变化规律。动词是"了解概念"和"理解规律",不要求研究一般指数的幂函数,只要求把这五个具体函数弄清楚。
教材位置在人教A版必修第一册第三章 3.3 节,教材第 89—91 页。前面 3.1 学了函数的概念与表示,3.2 学了单调性、最值、奇偶性三个性质,本节是第一次把这套方法用到一类新函数上。教材开头那句话说得很明白:前面学习了函数的概念,利用函数概念和对图象的观察,研究了函数的一些性质,本节我们利用这些知识研究一类新的函数。所以本节的价值有两层——认识五个具体的幂函数,以及走一遍"求定义域—画图象—由图象和解析式讨论值域、单调性、奇偶性"这条研究路径。这条路径下一章研究指数函数、对数函数还要重复用,教师要在课上把它说出来、写在黑板上。
本节安排 1 个课时。内容看着少,但落点不少:幂函数的判断(系数必须是 1)、待定系数法求解析式、五个函数性质的记忆与运用、用幂函数的单调性比较大小和解不等式。
三年里的位置:幂函数本身在高考中分量不重,多以选择填空出现,考的就是这几件事——判断是不是幂函数、由一个点求解析式、比较几个幂值的大小、由单调性解不等式。但它是后面指数函数、对数函数、三角函数的样板,学生在这里养成的"先定义域再图象再性质"的习惯,会一直用到高三。
二、知识精讲
(一)五个实例与幂函数的概念
教材第 89 页给了五个实例:
(1)如果张红以 1 元/kg 的价格购买了某种蔬菜 w kg,那么她需要支付 p=w 元,这里 p 是 w 的函数;
(2)如果正方形的边长为 a,那么正方形的面积 S=a²,这里 S 是 a 的函数;
(3)如果立方体的棱长为 b,那么立方体的体积 V=b³,这里 V 是 b 的函数;
(4)如果一个正方形场地的面积为 S,那么这个正方形的边长 c=,这里 c 是 S 的函数( 也可以表示为 );
(5)如果某人 t s 内骑车行进了 1 km,那么他骑车的平均速度 v= km/s,即 v=,这里 v 是 t 的函数。
教材接着问:观察(1)~(5)中的函数解析式,它们有什么共同特征?
答案是:这些函数的解析式都具有幂的形式,而且都是以幂的底数为自变量;幂的指数都是常数,分别是 1,2,3,,-1;它们都是形如 y= 的函数。
定义(教材第 89 页) 一般地,函数 y= 叫做幂函数(power function),其中 x 是自变量,α 是常数。
教材旁批补了一句:幂的指数除了可以取整数之外,还可以取其他实数,当它们取其他实数时幂也具有各自的含义,这些会在后面学习。教材同时声明:对于幂函数,我们只研究 α=1,2,3,,-1 时的图象与性质。
判断一个函数是不是幂函数,看三条,缺一不可:
1.底数就是自变量 x 本身,不能是 2x、x+1 之类的式子;
2. 的系数是 1,不能是 2x⁵、- 这样的;
3.整个式子只有这一项,不能是 x⁶+6。
指数 α 是常数,可以是任意实数,正负、整数分数都行。所以 y=x⁻²、y= 都是幂函数。
(二)研究路径
教材第 89 页在给出定义后有一处"思考":结合以往学习函数的经验,你认为应该如何研究这些函数?教材自己给了答案——通常可以先根据函数解析式求出函数的定义域,画出函数的图象;再利用图象和解析式,讨论函数的值域、单调性、奇偶性等问题。
这句话要写在黑板上,它是本节的方法主线,也是第四章研究指数函数、对数函数时反复要用的路子:定义域 → 图象 → 值域、单调性、奇偶性。
(三)五个幂函数的图象与性质
在同一坐标系中画出 y=x,y=x²,y=x³,y= 和 y= 的图象(教材图 3.3-1)。画的时候注意:前三个的定义域是 R,第四个只有 y 轴右边(含原点),第五个在原点处断开,第一、三象限各一支。
五个函数的性质(教材表 3.3-1)整理如下:
y=x:定义域 R,值域 R,奇函数,在 R 上单调递增。
y=x²:定义域 R,值域 [0,+∞),偶函数,在 [0,+∞) 上单调递增、在 (-∞,0] 上单调递减。
y=x³:定义域 R,值域 R,奇函数,在 R 上单调递增。
y=:定义域 [0,+∞),值域 [0,+∞),既不是奇函数也不是偶函数,在 [0,+∞) 上单调递增。
y=:定义域 {x|x0},值域 {y|y0},奇函数,在 (0,+∞) 上单调递减、在 (-∞,0) 上单调递减(两段要分开写,不能合并成一个区间)。
教材由图象和表格得到四条结论(第 90 页):
(1)函数 y=x,y=x²,y=x³,y= 和 y= 的图象都通过点 (1,1);
(2)函数 y=x,y=x³,y= 是奇函数,函数 y=x² 是偶函数;
(3)在区间 (0,+∞) 上,函数 y=x,y=x²,y=x³,y= 单调递增,函数 y= 单调递减;
(4)在第一象限内,函数 y= 的图象向上与 y 轴无限接近,向右与 x 轴无限接近。
第(1)条最有用:所有幂函数的图象都过 (1,1),因为 1 的任何次幂都是 1。要注意它不是都过 (0,0)——指数为负时 x=0 没有意义。
还有一条教材没写成结论但要补的:幂函数的图象都不经过第四象限。原因是当 x>0 时 x 的任何次幂都为正。而"不过第二象限"是错的,y=x² 的图象就在第二象限有一支。
(四)教材例题
例(教材第 90 页) 证明幂函数 f(x)= 是增函数。
证明:函数的定义域是 [0,+∞)。
∀x₁,x₂[0,+∞),且 x₁<x₂,有
f(x₁)-f(x₂)=-==。
因为 x₁-x₂<0,+>0,
所以 f(x₁)<f(x₂),即幂函数 f(x)= 是增函数。
教学提示:这道题的技术点是分子有理化——带根号的差直接看不出符号,乘一个共轭式把根号搬到分母上,分子就变成 x₁-x₂ 了。这是 3.2 第一课时"变形"那一步的新招式,前面练的是通分和提公因式,这里补上有理化。x₁=x₂=0 的情形不会出现,因为题设 x₁<x₂ 保证了分母为正。
(五)教材练习与习题
练习1(第 91 页) 已知幂函数 y=f(x) 的图象过点 (2,),求这个函数的解析式。
解:设 f(x)=,由 f(2)===,得 α=,所以 f(x)==。
练习2 利用幂函数的性质,比较下列各题中两个值的大小:(1)(-1.5)³ 与 (-1.4)³;(2) 与 。
解:(1)y=x³ 在 R 上单调递增,-1.5<-1.4,所以 (-1.5)³<(-1.4)³。
(2) 与 就是 y= 在 x=-1.5 与 x=-1.4 处的函数值。该函数在 (-∞,0) 上单调递减,-1.5<-1.4,所以 >。(也可以直接算:->-。)
练习3 根据单调性和奇偶性的定义,讨论函数 f(x)=x³ 的单调性,并判断其奇偶性。
解:定义域为 R。∀x₁,x₂R,且 x₁<x₂,
f(x₁)-f(x₂)=x₁³-x₂³=(x₁-x₂)(x₁²+x₁x₂+x₂²)。
x₁²+x₁x₂+x₂²=(x₁+)²+x₂²,只有 x₁=x₂=0 时才为 0,而 x₁<x₂,故它恒为正;
又 x₁-x₂<0,所以 f(x₁)<f(x₂),f(x)=x³ 在 R 上单调递增。
又 f(-x)=(-x)³=-x³=-f(x),所以 f(x)=x³ 是奇函数。
教学提示:立方差的因式分解学生初中学过但常忘,配方说明 x₁²+x₁x₂+x₂²>0 是本题的难点,普通班可以只讲结论、优生班要求写出配方。
习题3.3 第1题 画出函数 y= 的图象,并判断函数的奇偶性,讨论函数的单调性。
解:定义域为 R。当 x≥0 时 y=,当 x<0 时 y=,图象是把 y= 的图象连同它关于 y 轴的对称图形合在一起,形状像一只张开的"碗"。
f(-x)===f(x),所以是偶函数。在 [0,+∞) 上单调递增,在 (-∞,0] 上单调递减。
习题3.3 第2题 在固定压力差下,当气体通过圆形管道时,其流量 v(单位:cm³/s)与管道半径 r(单位:cm)的四次方成正比。(1)写出 v 关于 r 的函数解析式;(2)若气体在半径为 3 cm 的管道中流量为 400 cm³/s,求 v 的表达式;(3)计算半径为 5 cm 时的流量(精确到 1 cm³/s)。
解:(1)v=kr⁴(k 为比例常数,r>0)。
(2)由 400=k×3⁴=81k,得 k=,所以 v=r⁴。
(3)r=5 时,v=×625=≈3086(cm³/s)。
习题3.3 第3题 试用描点法画出函数 f(x)=x⁻² 的图象,求函数的定义域、值域;讨论函数的单调性、奇偶性,并证明。
解:定义域 {x|x0},值域 (0,+∞)。
f(-x)=(-x)⁻²==f(x),是偶函数。
在 (0,+∞) 上单调递减:∀x₁,x₂(0,+∞),x₁<x₂,f(x₁)-f(x₂)=-=>0,所以 f(x₁)>f(x₂)。
由偶函数在对称区间上单调性相反,f(x) 在 (-∞,0) 上单调递增。
三、概念辨析与易错点
1.把 y=2x⁵、y=(2x)³、y=x⁶+6 当成幂函数。幂函数只有"一项、系数为 1、底数是 x"这一种长相。y=(2x)³=8x³ 系数是 8,不是幂函数。
2.认为幂函数的图象都过 (0,0)。指数为负时(如 y=x⁻¹、y=x⁻²)x=0 无意义,图象不过原点。都过的是 (1,1)。
3.说"幂函数的图象都不过第二、四象限"。不过第四象限是对的(x>0 时函数值恒正);第二象限则可能经过,y=x² 就是例子。
4.把"图象关于原点对称"等同于"增函数"。y=x⁻¹ 是奇函数,图象关于原点对称,但它在 (0,+∞) 上是减函数,在整个定义域上更谈不上单调。
5.把 y=x⁻¹ 的两段减区间合并。正确写法是"在 (0,+∞) 上单调递减,在 (-∞,0) 上单调递减",中间不能用并集连接。这一条 3.2 第一课时讲过,在这里再撞一次。
6.认为幂函数一定有奇偶性。y= 的定义域是 [0,+∞),不关于原点对称,既不是奇函数也不是偶函数。
7.比较大小时不看自变量是否在同一单调区间。比较 (-2)³ 与 1³ 可以直接用 y=x³ 在 R 上递增;但比较 (-2)⁻¹ 与 3⁻¹ 就不能直接用单调性,因为 y=x⁻¹ 在两段上分别递减,跨段时要先判断正负号。
8.含参幂函数只解指数条件,漏了系数条件。形如 f(x)=(m²-m-1) 的题,第一步必须由"是幂函数"得到 m²-m-1=1,解出 m 后再用别的条件(奇偶性、单调性)筛选,两步都不能少。
四、题型归纳
题型一 幂函数的判断
例 下列函数中,属于幂函数的是( )A.y=(2x)² B.y= C.y=- D.y=2ˣ
解析:A 化简为 y=4x²,系数不是 1;B 就是 y=,符合;C 的系数是 -1;D 是自变量在指数位置,属于下一章要学的指数函数。选 B。
方法点拨:三看——看底数是不是 x 本身、看系数是不是 1、看是不是只有一项。三条同时满足才是幂函数。
题型二 待定系数法求解析式
例 已知幂函数 f(x) 的图象过点 (4,),求 f(x) 的解析式并求 f(2)。
解析:设 f(x)=(幂函数的一般形式,系数为 1)。
由 f(4)==,即 =,得 2α=-2,α=-1。
所以 f(x)==,f(2)=。
方法点拨:两步——设 f(x)=,代点解出 α。解指数方程时把两边化成同底数幂再比较指数,这是最稳的做法。注意题目说"幂函数"就默认系数是 1,不要再设成 f(x)=k。
题型三 由性质求参数
例 已知幂函数 f(x)=(m²+m-1) 的图象与坐标轴没有公共点,求 f(2)。
解析:第一步,由 f(x) 是幂函数得 m²+m-1=1,即 m²+m-2=0,(m+2)(m-1)=0,解得 m=-2 或 m=1。
第二步,图象与坐标轴没有公共点,说明指数为负(指数为正时图象过原点,与两轴都有公共点),所以 m=-2。
第三步,f(x)=x⁻²,f(2)=。
方法点拨:这类题的骨架永远是两步:先用"是幂函数"把系数配成 1,解出参数的所有候选值;再用题目给的性质(奇偶性、单调性、定义域、图象位置)逐个检验,把不合的舍掉。第一步漏了,后面全错。
题型四 比较大小
例 比较下列各组数的大小:(1)1.5³ 与 1.4³;(2)(-1.5)⁻¹ 与 (-1.4)⁻¹;(3)、、。
解析:
(1)指数相同,用 y=x³ 在 R 上递增,1.5>1.4,所以 1.5³>1.4³。
(2)y= 在 (-∞,0) 上单调递减,-1.5<-1.4,所以 >。
(3)先化成同指数:==。而 y= 在 (0,+∞) 上单调递增,2<9<17,所以 <<,即三者由小到大是 、、。
方法点拨:三条路——指数相同就比底数(用幂函数的单调性);底数相同就比指数(下一章的指数函数);都不同就先化成同指数或同底数,化不动就借中间量 0 和 1。用单调性之前先确认两个自变量落在同一个单调区间内,这是最容易漏的一步。
题型五 ★解幂函数型不等式(拔高)
例 (1)若 f(x)=x³ 且 f(a+2)<f(2a),求 a 的取值范围;(2)已知幂函数 f(x)=(a²-a-1) 是偶函数,解不等式 f(x+1)>f(2x-1)。
解析:
(1)f(x)=x³ 在 R 上单调递增,由 f(a+2)<f(2a) 得 a+2<2a,解得 a>2。
(2)第一步,由是幂函数得 a²-a-1=1,即 a²-a-2=0,解得 a=-1 或 a=2。
第二步,a=-1 时 f(x)= 是奇函数,不合;a=2 时 f(x)=x² 是偶函数,符合。所以 f(x)=x²。
第三步,f(x)=x² 是偶函数且在 [0,+∞) 上递增,所以 f(x+1)>f(2x-1) |x+1|>|2x-1|。
两边平方:x²+2x+1>4x²-4x+1,整理得 3x²-6x<0,即 x²-2x<0,解得 0<x<2。
所以解集为 (0,2)。
方法点拨:(1)这类题只要单调性方向对、区间对,直接脱 f。(2)偶函数型的固定动作是两边套绝对值再平方,与 3.2 第四课时讲的完全一样,只是这里的 f 是具体的幂函数。优生班要求独立完成,普通班只要求做(1)。
五、附:常见书写错误例析
1.解析式写成 f(x)=。幂函数的系数就是 1,不设 k。
2.含参题只写"m²+m-1=1"不写"因为 f(x) 是幂函数"。依据要写出来。
3.求出参数的两个值后不检验,两个都当答案。必须用题目的其他条件筛一遍。
4.把 y= 的单调区间写成 (-∞,0)∪(0,+∞)。
5.比较大小只写结论不写依据。要写"因为 y=x³ 在 R 上单调递增"这一句。
6.实际问题(如流量题)不写自变量的范围。r 表示半径,必须有 r>0。
六、与考试的对应
月考的固定考法:一道选择题判断哪个是幂函数;一道选择或填空由一个点用待定系数法求解析式再求某个函数值;一道选择比较三个幂值的大小;一道含参题(形如 (m²+m-1))由奇偶性或单调性求 m。稍难一点的会把幂函数与定义域、值域结合,例如已知 f(x) 的解析式求 f(2-|x|) 的定义域。
高考层面,幂函数很少单独命题,主要以两种形态出现:一是比较大小的选择题,把幂、指数、对数放在一起,其中幂那一项用本节的单调性处理;二是作为图象识别题的选项之一。真正的价值是方法——"定义域、图象、值域、单调性、奇偶性"这条研究路径,第四章的指数函数、对数函数、第五章的三角函数都照这个顺序展开。
七、初高中衔接与教学提醒
1.学生的初中基础:学过正比例函数 y=kx、反比例函数 y=、二次函数 y=ax²,会画这三类图象。本节相当于把 k=1、a=1 的特例挑出来,加上 y=x³ 与 y= 一起研究。
2.进度建议:45 分钟里,五个实例与概念约 10 分钟,画图与填表约 12 分钟(必须让学生自己在同一坐标系里画,不能只看课件),四条结论与辨析约 8 分钟,教材例题( 的证明)约 8 分钟,其余给检测与小结。
3.画图是本节的硬动作。五个函数画在同一坐标系里,学生才能看出"都过 (1,1)""第一象限内 向上与 y 轴无限接近"这些结论。只看课件不动笔的班,性质表背得再熟也不会用。
4.两班分层:优生班加做题型五(偶函数型不等式)与练习 3 的配方;普通班题型五只做 x³ 那一问,练习 3 只要求会用图象说明单调性。
5.当堂过关项:口答幂函数的三个判断条件;说出五个幂函数各自的定义域与奇偶性;用待定系数法由一个点求解析式;说明为什么 y= 的减区间不能合并。
6.要预告的联系:第四章 4.1—4.2 指数函数、4.4 对数函数都按"定义域—图象—性质"这条线走;本节的比较大小方法,到那时会与指数函数、对数函数混在一道题里考。
八、题型精练(附详解)
(一)选择题
1.下列函数中是幂函数的是( )
A.y= B.y=4x² C.y=2x+1 D.y=x⁶+6
2.已知幂函数 f(x) 的图象过点 (9,3),则 f(4)=( )
A.2 B.4 C. D.16
3.下列函数中,在 (0,+∞) 上单调递减的是( )
A.y= B.y=x² C.y=x³ D.y=
4.下列说法正确的是( )
A.所有幂函数的图象都过点 (0,0)
B.幂函数的图象都不过第二象限
C.所有幂函数的图象都过点 (1,1)
D.幂函数一定具有奇偶性
5.已知幂函数 f(x)=(m²-4m+4),则 m=( )
A.1 B.3 C.1 或 3 D.2
6.设 a=,b=,c=,则( )
A.a<b<c B.a<c<b C.b<a<c D.c<a<b
(二)填空题
7.函数 y= 的定义域是_____,值域是_____,奇偶性是_____。
8.已知幂函数 f(x)= 的图象过点 (2,8),则 f(-1)=_____。
9.函数 f(x)=(m²-m-1) 是幂函数且在 (0,+∞) 上单调递减,则 m=_____。
(三)解答题
10.已知幂函数 f(x) 的图象过点 (2,)。(1)求 f(x) 的解析式;(2)判断 f(x) 的奇偶性并证明;(3)写出 f(x) 的单调区间。
11.证明幂函数 f(x)= 在 [0,+∞) 上是增函数(用定义)。
12.★已知幂函数 f(x)= 的图象过点 (4,2),若 f(2a+1)>f(3-a),求实数 a 的取值范围。
详解
1.A。y==,系数为 1、只有一项、底数是 x,是幂函数;B 的系数是 4;C 是一次函数;D 有常数项 6,不止一项。
2.A。设 f(x)=,由 =3 得 =3,2α=1,α=,所以 f(x)=,f(4)=2。选 C 是把 α 解成 -。
3.D。y=、y=x²、y=x³ 在 (0,+∞) 上都单调递增,只有 y= 在 (0,+∞) 上单调递减。
4.C。A 错,y= 的图象不过原点;B 错,y=x² 的图象在第二象限有一支,正确的说法是都不过第四象限;C 对,1 的任何次幂都是 1;D 错,y= 的定义域 [0,+∞) 不关于原点对称,既不是奇函数也不是偶函数。
5.C。由 f(x) 是幂函数得系数为 1,即 m²-4m+4=1,也就是 m²-4m+3=0,(m-1)(m-3)=0,解得 m=1 或 m=3。题目没有给出别的限制条件(奇偶性、单调性、定义域都没提),所以两个值都保留。选 A、B 都是只解出一个就停手。
6.B。先比 a 与 b:指数相同都是 ,y= 在 (0,+∞) 上递增,2<3,所以 a<b。
再比 a 与 c:底数相同都是 2,把它们化成同指数——a====,c====,由 y= 在 (0,+∞) 上递增及 4<8 得 a<c。
最后比 c 与 b:c===,b===,8<9,所以 c<b。
综上 a<c<b,选 B。(化成同指数是这类题的通用办法:把几个分数指数通分,取公共的根指数。)
7.[0,+∞);[0,+∞);既不是奇函数也不是偶函数。
8.-1。由 =8=2³ 得 α=3,所以 f(x)=x³,f(-1)=(-1)³=-1。
9.-1。由是幂函数得 m²-m-1=1,即 m²-m-2=0,解得 m=-1 或 m=2;
m=2 时 f(x)=x² 在 (0,+∞) 上递增,不合;m=-1 时 f(x)=x⁻¹ 在 (0,+∞) 上递减,符合。所以 m=-1。
10.(1)设 f(x)=,由 == 得 α=-2,所以 f(x)=x⁻²=。
(2)定义域为 {x|x0},关于原点对称。f(-x)===f(x),所以 f(x) 是偶函数。
(3)在 (0,+∞) 上单调递减,在 (-∞,0) 上单调递增。(由偶函数在对称区间上单调性相反得到,两段要分开写。)
11.证明:函数的定义域是 [0,+∞)。∀x₁,x₂[0,+∞),且 x₁<x₂,有
f(x₁)-f(x₂)=-==。
因为 x₁-x₂<0,+>0(x₁,x₂ 不同时为 0),所以 f(x₁)-f(x₂)<0,即 f(x₁)<f(x₂)。
所以 f(x)= 在 [0,+∞) 上是增函数。(关键是分子有理化:乘一个共轭式,把根号从分子搬到分母。)
12.由 =2 得 =2,α=,所以 f(x)=,定义域为 [0,+∞),在其上单调递增。
由 f(2a+1)>f(3-a) 得 2a+1>3-a,即 3a>2,a>;
还要保证两个自变量都在定义域内:2a+1≥0 得 a≥-;3-a≥0 得 a≤3。
取交集得 <a≤3。
(定义域是 [0,+∞) 而不是 R,脱 f 之后必须补两个自变量的范围,只写 a> 要扣分。)
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