4.1指数导学案-2026-2027学年高一上学期数学人教A版必修第一册
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内容正文:
4.1指数导学案
4.1.1 n次方根与分数指数幂
[学习目标] 1.理解n次方根、根式的概念.2.能正确运用根式的运算性质化简、求值.3.会对分式和分数指数幂进行转化.4.掌握并运用有理数指数幂的运算性质化简、求值.
一、n次方根
问题1 如果x2=a,那么x叫做a的什么?这样的x有几个?x3=a呢?
问题2 类比平方根、立方根的概念,试着说说4次方根、5次方根、10次方根等,你认为n次方根应该是什么?
知识梳理
1.n次方根的定义
一般地,如果xn=a,那么x叫做a的________________,其中n>1,且n∈N*.
2.n次方根的性质
n为奇数
n为偶数
a∈R
a>0
a=0
a<0
x=______
x=________
x=0
不存在
3.根式
式子叫做________,这里n叫做____________,a叫做________________.
4.根式的性质
(1)________没有偶次方根.
(2)0的任何次方根都是0,记作=________.
(3)当n为奇数时,()n=________(n∈N*,且n>1).
(4)当n为偶数时,=|a|=(n∈N*,且n>1).
例1 (1)化简下列各式:
①+()5;
②+()6;
③.
(2)已知-3<x<3,求-的值.
延伸探究 在本例(2)中,若将“-3<x<3”变为“x≤-3”,则结果又是什么?
反思感悟 正确区分与()n
(1)中的a可以是全体实数,的值取决于n的奇偶性.
(2)()n已暗含了有意义,根据n的奇偶性可知a的范围.
跟踪训练1 化简下列各式:
(1);
(2)+;
(3)(a≤1);
(4)+.
二、分数指数幂
问题3 被开方数的指数不能被根指数整除的根式,比如,,,,a>0,是否也可以表示为分数指数幂的形式?如何表示?
知识梳理
根式与分数指数幂的互化
(1)规定正数的正分数指数幂的意义是:=(a>0,m,n∈N*,且n>1);
(2)规定正数的负分数指数幂的意义是:= (a>0,m,n∈N*,且n>1);
(3)0的正分数指数幂等于________,0的负分数指数幂________________.
(4)整数指数幂的运算性质,可以推广到有理数指数幂,即:
①aras=ar+s(a>0,r,s∈Q);
②(ar)s=ars(a>0,r,s∈Q);
③(ab)r=arbr(a>0,b>0,r∈Q).
拓展:①=ar-s(a>0,r,s∈Q).
②r=(a>0,b>0,r∈Q).
例2 将下列根式化成分数指数幂的形式:
(1)(a>0);(2);
(3)(b>0).
反思感悟 根式与分数指数幂互化的规律
(1)根指数分数指数的分母,被开方数(式)的指数分数指数的分子.
(2)在具体计算时,通常会把根式转化成分数指数幂的形式,然后利用有理数指数幂的运算性质解题.
跟踪训练2 (1)求值:=________.
(2)用分数指数幂表示a·(a>0)=________.
三、有理数指数幂的运算性质
例3 (1)=________.(式中字母均是正数)
(2)计算:.
反思感悟 关于指数式的化简、求值问题
(1)无论是化简还是求值,一般的运算顺序是先乘方,再乘除,最后加减.
(2)仔细观察式子的结构特征,确定运算层次,避免运用运算性质时出错.
跟踪训练3 (1);
(2)(x,y>0).
1.知识清单:
(1)n次方根的概念、表示及性质.
(2)根式的概念及性质.
(3)分数指数幂与根式的相互转化.
(4)分数指数幂的运算性质.
2.方法归纳:转化法.
3.常见误区:
(1)对于,当n为偶数时,忽略a≥0.
(2)混淆()n和.
1.()4运算的结果是( )
A.2 B.-2 C.±2 D.不确定
2.若a<,则化简的结果是( )
A.4a-1 B.1-4a
C.- D.-
3.(多选)下列根式与分数指数幂的互化中,正确的是( )
A.-=(x>0)
B.=-(x>0)
C.=(xy>0)
D.=
4.计算:0.25×-4-4÷20-=______.
4.1.2 无理数指数幂及其运算性质
[学习目标] 1.能结合教材探究了解无理数指数幂.2.结合有理数指数幂的运算性质掌握实数指数幂的运算性质.
一、无理数指数幂的运算
问题 阅读课本108页的探究,你发现了什么?
知识梳理
1.无理数指数幂:一般地,无理数指数幂aα(a>0,α为无理数)是一个确定的________.
2.实数指数幂的运算法则
(1)aras=ar+s(a>0,r,s∈R).
(2)(ar)s=ars(a>0,r,s∈R).
(3)(ab)r=arbr(a>0,b>0,r∈R).
(4)拓展:=ar-s(a>0,r,s∈R).
例1 计算下列各式的值:
(1);
(2);
(3).
反思感悟 关于无理数指数幂的运算
(1)无理数指数幂的运算性质与有理数指数幂的运算性质相同.
(2)若式子中含有根式,一般把底数中的根式化为指数式,指数中的根式可以保留直接运算.
跟踪训练1 计算下列各式的值(式中字母均是正数):
(1);(2).
二、实际问题中的指数运算
例2 从盛满2升纯酒精的容器里倒出1升,然后加满水,再倒出1升混合溶液后又用水填满,以此继续下去,则至少应倒________次后才能使纯酒精体积与总溶液的体积之比低于10%.
反思感悟 指数运算在实际问题中的应用
在成倍数递增(递减)、固定增长率等问题中,常常用到指数运算,用来计算增减的次数、增减前后的数量等.
跟踪训练2 如果在某种细菌培养过程中,细菌每10分钟分裂一次(1个分裂成2个),那么经过1小时,一个这种细菌可以分裂成______个.
三、实数指数幂的综合运用
例3 已知x+x-1=7,求值:
(1)x2+x-2;(2);(3)x2-x-2.
延伸探究 本例(2)的条件不变,求x3+x-3的值.
反思感悟 利用整体代换法求分数指数幂
(1)整体代换法是数学变形与计算常用的技巧方法,分析观察条件与结论的结构特点,灵活运用恒等式是关键.
(2)利用整体代换法解决分数指数幂的计算问题,常常运用完全平方公式及其变形公式.
常见的变形公式:
x2+x-2=(x±x-1)2 ∓2,x+x-1=,=.
跟踪训练3 已知,则x2+x-2=________.
1.知识清单:
(1)无理数指数幂的运算.
(2)实际问题中的指数运算.
(3)实数指数幂的综合运用.
2.方法归纳:整体代换法.
3.常见误区:在运用分数指数幂的运算性质化简时,其结果不能同时含有根式和分数指数,也不能既含有分母又含有负指数.
1.计算的结果是( )
A.π B. C.-π D.
2.将化为分数指数幂为( )
A. B. C. D.
3.已知(x>0),那么等于( )
A. B.- C.± D.7
4.若10x=3,10y=4,则102x-y=________.
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4.1指数导学案
4.1.1 n次方根与分数指数幂
[学习目标] 1.理解n次方根、根式的概念.2.能正确运用根式的运算性质化简、求值.(重点)
3.会对分式和分数指数幂进行转化.(重点)4.掌握并运用有理数指数幂的运算性质化简、求值.(难点)
导语
公元前五世纪,古希腊有一个数学学派名叫毕达哥拉斯学派,其学派中的一个成员希伯斯考虑了一个问题:边长为1的正方形其对角线长度是多少呢?他发现这一长度既不能用整数,也不能用分数来表示,希伯斯的发现导致了数学史上第一个无理数的诞生.这就是本节课我们要学习的根式.
一、n次方根
问题1 如果x2=a,那么x叫做a的什么?这样的x有几个?x3=a呢?
提示 如果x2=a,那么x叫做a的平方根,这样的x有两个;如果x3=a,那么x叫做a的立方根,这样的x有一个.
问题2 类比平方根、立方根的概念,试着说说4次方根、5次方根、10次方根等,你认为n次方根应该是什么?
提示 比如(±2)4=16,我们把±2叫做16的4次方根;(±3)4=81,我们把±3叫做81的4次方根;(-2)5=-32,我们把-2叫做-32的5次方根;(±2)10=1 024,我们把±2叫做1 024的10次方根等.类比上述过程,我们可以得到:如果2n=a,那么我们把2叫做a的n次方根.
知识梳理
1.n次方根的定义
一般地,如果xn=a,那么x叫做a的n次方根,其中n>1,且n∈N*.
2.n次方根的性质
n为奇数
n为偶数
a∈R
a>0
a=0
a<0
x=
x=±
x=0
不存在
3.根式
式子叫做根式,这里n叫做根指数,a叫做被开方数.
4.根式的性质
(1)负数没有偶次方根.
(2)0的任何次方根都是0,记作=0.
(3)当n为奇数时,()n=a(n∈N*,且n>1).
(4)当n为偶数时,=|a|=(n∈N*,且n>1).
注意点:
(1)对于()n=a,若n为奇数,则a∈R;若n为偶数,则a≥0.
(2)()n与意义不同,比如=-3,=3,而()4没有意义,故()n≠.
(3)当a≥0时,()n=;当a<0且n为奇数时,()n=;当a<0且n为偶数时,对于要注意运算次序.
例1 (1)化简下列各式:
①+()5;
②+()6;
③.
解 ①原式=(-2)+(-2)=-4.
②原式=|-2|+2=2+2=4.
③原式=|x+2|=
(2)已知-3<x<3,求-的值.
解 原式=-=|x-1|-|x+3|,
∵-3<x<3,
∴当-3<x<1时,
原式=-(x-1)-(x+3)=-2x-2;
当1≤x<3时,原式=(x-1)-(x+3)=-4.
∴原式=
延伸探究 在本例(2)中,若将“-3<x<3”变为“x≤-3”,则结果又是什么?
解 原式=-=|x-1|-|x+3|.
∵x≤-3,
∴x-1<0,x+3≤0,
∴原式=-(x-1)+(x+3)=4.
反思感悟 正确区分与()n
(1)中的a可以是全体实数,的值取决于n的奇偶性.
(2)()n已暗含了有意义,根据n的奇偶性可知a的范围.
跟踪训练1 化简下列各式:
(1);
(2)+;
(3)(a≤1);
(4)+.
解 (1)=-2.
(2)+=|π-4|+π-4=4-π+π-4=0.
(3)∵a≤1,
∴=|3a-3|=3|a-1|=3-3a.
(4)+=a+|1-a|=
二、分数指数幂
问题3 被开方数的指数不能被根指数整除的根式,比如,,,,a>0,是否也可以表示为分数指数幂的形式?如何表示?
提示 可以.=,==,=,==.
知识梳理
根式与分数指数幂的互化
(1)规定正数的正分数指数幂的意义是:= (a>0,m,n∈N*,且n>1);
(2)规定正数的负分数指数幂的意义是:= (a>0,m,n∈N*,且n>1);
(3)0的正分数指数幂等于0,0的负分数指数幂没有意义.
(4)整数指数幂的运算性质,可以推广到有理数指数幂,即:
①aras=ar+s(a>0,r,s∈Q);
②(ar)s=ars(a>0,r,s∈Q);
③(ab)r=arbr(a>0,b>0,r∈Q).
拓展:①=ar-s(a>0,r,s∈Q).
②r=(a>0,b>0,r∈Q).
注意点:
(1)分数指数幂不可理解为个a相乘,它是根式的一种写法.
(2)正数的负分数指数幂总表示正数,而不是负数.
例2 将下列根式化成分数指数幂的形式:
(1)(a>0);
(2);
(3)(b>0).
解 (1)原式=
(2)原式=
(3)原式=
反思感悟 根式与分数指数幂互化的规律
(1)根指数分数指数的分母,被开方数(式)的指数分数指数的分子.
(2)在具体计算时,通常会把根式转化成分数指数幂的形式,然后利用有理数指数幂的运算性质解题.
跟踪训练2 (1)求值:=________.
(2)用分数指数幂表示a·(a>0)=________.
答案 (1)- (2)
解析 (1)原式==-.
(2)原式=
三、有理数指数幂的运算性质
例3 (1)=________.(式中字母均是正数)
答案
解析 原式=
=a-1=.
(2)计算:.
解 原式=--1+2=2.
反思感悟 关于指数式的化简、求值问题
(1)无论是化简还是求值,一般的运算顺序是先乘方,再乘除,最后加减.
(2)仔细观察式子的结构特征,确定运算层次,避免运用运算性质时出错.
跟踪训练3 (1);
(2)(x,y>0).
解 (1)原式==-1-+=.
(2)原式==x2y.
1.知识清单:
(1)n次方根的概念、表示及性质.
(2)根式的概念及性质.
(3)分数指数幂与根式的相互转化.
(4)分数指数幂的运算性质.
2.方法归纳:转化法.
3.常见误区:
(1)对于,当n为偶数时,忽略a≥0.
(2)混淆()n和.
1.()4运算的结果是( )
A.2 B.-2
C.±2 D.不确定
答案 A
解析 ()4=2.
2.若a<,则化简的结果是( )
A.4a-1 B.1-4a
C.- D.-
答案 B
解析 ∵a<,
∴4a-1<0,
∴=|4a-1|=-(4a-1)=1-4a.
3.(多选)下列根式与分数指数幂的互化中,正确的是( )
A.-=(x>0)
B.=-(x>0)
C.=(xy>0)
D.=
答案 AC
解析 -=,故A正确;
=,故B错误;
= (xy>0),故C正确;
=,故D错误.
4.计算:0.25×-4-4÷20-=______.
答案 -4
解析 原式=×16-4÷1--1
=4-4-4=-4.
1.若a是实数,则下列式子中可能没有意义的是( )
A. B. C. D.
答案 D
解析 当a<0时,a的偶次方根无意义.
2.若+(a-4)0有意义,则a的取值范围是( )
A.[2,+∞) B.[2,4)∪(4,+∞)
C.(-∞,2)∪(2,+∞) D.(-∞,4)∪(4,+∞)
答案 B
解析 由题意可知∴a≥2且a≠4.
3.下列等式一定成立的是( )
A. B.
C.(a3)2=a9 D.
答案 D
解析 同底数幂相乘,指数相加,故A,B错误;因为(am)n=amn,3×2=6,故C错误;同底数幂相除,指数相减,故D正确.
4.化简(其中a>0,b>0)的结果是( )
A. B.- C. D.-
答案 C
解析 ==4=.
5.若a>0,将表示成分数指数幂,其结果是( )
A. B. C. D.
答案 C
解析 由题意得=.
6.(多选)下列根式与分数指数幂的互化正确的是( )
A.-=
B.=(y>0)
C.=(x>0)
D.(x>0)
答案 BCD
解析 A项错误,-=(x≥0),而=(x≤0);
B项正确,=(y>0);
C项正确,= (x>0);
D项正确,(x>0).
7.当x<0时,x++=________.
答案 1
解析 原式=x+|x|+=x-x+1=1.
8.已知3a+2b+1=0,则=________.
答案
解析 =
∵3a+2b+1=0,
∴+b-1=--1=-,
∴==.
9.化简下列各式:
(1)+;
(2)+(x≥1).
解 (1)+=|-3|+|-2|=3-+-2=1.
(2)当1≤x<3时,
+=|1-x|+|3-x|=x-1+3-x=2;
当x≥3时,
+=|1-x|+|3-x|=x-1+x-3=2x-4.
所以原式=
10.(1)化简:(a>0,b>0);
(2)求值:.
解 (1)
.
(2)
=1+×-
=1+-
=.
11.已知x,y∈R,下列等式恒成立的是( )
A.(-)6=x-y
B.=x2+y2
C.-=x-y
D.=x+y
答案 B
解析 A项显然不成立;
B项,∵x2+y2≥0,
∴=|x2+y2|=x2+y2,故B项恒成立;
C项,-=|x|-|y|=x-y不一定成立,故C项不恒成立;
D项,=|x+y|=x+y不一定成立,故D项不恒成立.
12.若有意义,则x的取值范围是( )
A.R B.∪
C. D.
答案 D
解析 将分数指数幂化为根式,可知需满足1-2x>0,
解得x<.
13.化简·的结果为( )
A. B. C. D.
答案 B
解析 原式=.
14.如果45x=3,45y=5,那么2x+y=________.
答案 1
解析 由45x=3,得(45x)2=9.又45y=5,则452x×45y=9×5=45=451,即452x+y=451,∴2x+y=1.
15.化简:(+)2 023(-)2 023=________.
答案 1
解析 原式=[(+)(-)]2 023=12 023=1.
16.若a,b,c为正实数,ax=by=cz,++=0,求abc.
解 设ax=by=cz=k,
则k>0,a=,b=,c=,
因此abc==k0=1.
4.1.2 无理数指数幂及其运算性质
[学习目标] 1.能结合教材探究了解无理数指数幂.2.结合有理数指数幂的运算性质掌握实数指数幂的运算性质.(重难点)
一、无理数指数幂的运算
问题 阅读课本108页的探究,你发现了什么?
提示 可以发现,当指数x的取值范围从整数拓展到无理数时,它是一个确定的实数,在数轴上有唯一的一个点与它对应.
知识梳理
1.无理数指数幂:一般地,无理数指数幂aα(a>0,α为无理数)是一个确定的实数.
2.实数指数幂的运算法则
(1)aras=ar+s(a>0,r,s∈R).
(2)(ar)s=ars(a>0,r,s∈R).
(3)(ab)r=arbr(a>0,b>0,r∈R).
(4)拓展:=ar-s(a>0,r,s∈R).
注意点:
特别强调底数a>0.
例1 计算下列各式的值:
(1);
(2);
(3).
解 (1)原式==25=32.
(2)原式=
==23×3=24.
(3)原式==.
反思感悟 关于无理数指数幂的运算
(1)无理数指数幂的运算性质与有理数指数幂的运算性质相同.
(2)若式子中含有根式,一般把底数中的根式化为指数式,指数中的根式可以保留直接运算.
跟踪训练1 计算下列各式的值(式中字母均是正数):
(1);(2).
解 (1)原式==26·m3=64m3.
(2)原式==a0=1.
二、实际问题中的指数运算
例2 从盛满2升纯酒精的容器里倒出1升,然后加满水,再倒出1升混合溶液后又用水填满,以此继续下去,则至少应倒_______次后才能使纯酒精体积与总溶液的体积之比低于10%.
答案 4
解析 由题意,得第n次操作后溶液的浓度为n,令n<,验证可得n≥4.
所以至少应倒4次后才能使酒精的浓度低于10%.
反思感悟 指数运算在实际问题中的应用
在成倍数递增(递减)、固定增长率等问题中,常常用到指数运算,用来计算增减的次数、增减前后的数量等.
跟踪训练2 如果在某种细菌培养过程中,细菌每10分钟分裂一次(1个分裂成2个),那么经过1小时,一个这种细菌可以分裂成______个.
答案 64
解析 经过1小时可分裂6次,可分裂成26=64(个).
三、实数指数幂的综合运用
例3 已知x+x-1=7,求值:
(1)x2+x-2;
(2);
(3)x2-x-2.
解 (1)x+x-1=7,两边平方得x2+2+x-2=49,
∴x2+x-2=47.
(2)设m=,两边平方得m2=x+x-1+2=7+2=9,
因为m>0,所以m=3,即=3.
(3)设n=,两边平方得n2=x+x-1-2=7-2=5,
因为n∈R,所以n=±,
即=±.
所以x-x-1==±3,
x2-x-2=(x+x-1)(x-x-1)=±21.
延伸探究 本例的条件不变,求x3+x-3的值.
解 由x+x-1=7平方可得x2+x-2=47,
所以x3+x-3=(x+x-1)(x2+x-2-1)=7×46=322.
反思感悟 利用整体代换法求分数指数幂
(1)整体代换法是数学变形与计算常用的技巧方法,分析观察条件与结论的结构特点,灵活运用恒等式是关键.
(2)利用整体代换法解决分数指数幂的计算问题,常常运用完全平方公式及其变形公式.
常见的变形公式:
x2+x-2=(x±x-1)2∓2,x+x-1=,=.
跟踪训练3 已知,则x2+x-2=________.
答案 7
解析 将,两边平方得x+x-1+2=5,
则x+x-1=3,
两边再平方得x2+x-2+2=9,
所以x2+x-2=7.
1.知识清单:
(1)无理数指数幂的运算.
(2)实际问题中的指数运算.
(3)实数指数幂的综合运用.
2.方法归纳:整体代换法.
3.常见误区:在运用分数指数幂的运算性质化简时,其结果不能同时含有根式和分数指数,也不能既含有分母又含有负指数.
1.计算的结果是( )
A.π B. C.-π D.
答案 D
2.将化为分数指数幂为( )
A. B. C. D.
答案 D
3.已知(x>0),那么等于( )
A. B.- C.± D.7
答案 A
解析 .
又x>0,故.
4.若10x=3,10y=4,则102x-y=________.
答案
解析 ∵10x=3,∴102x=9,∴102x-y==.
1.对于a>0,b>0,以下运算正确的是( )
A.ar·as=ars B.(ar)s=ars
C.r=arbr D.arbs=(ab)r+s
答案 B
解析 根据实数指数幂的运算性质进行判断.
2.已知集合A={0,1,2,},B={x|x=2n,n∈A},则A∩B等于( )
A.{0,1,2} B.{0,1,}
C.{2,4} D.{1,2}
答案 D
解析 由题意得B={1,2,4,},又A={0,1,2,},
∴A∩B={1,2}.
3.下列运算中正确的是( )
A. B.(-a2)3=(-a3)2
C.(-2)0=1 D.
答案 D
解析 ,故A错误;(-a2)3=-a2×3=-a6,(-a3)2=a6,故B错误;当a=4时,(-2)0无意义,故C错误;,故D正确.
4.一张报纸,其厚度为0.1毫米,现将报纸对折(即沿对边中点连线折叠)10次,这时,报纸的厚度为( )
A.2.56厘米 B.5.12厘米
C.10.24厘米 D.20.48厘米
答案 C
解析 0.01×210=10.24(厘米).
5.若3a·9b=,则下列等式正确的是( )
A.a+b=-1 B.a+b=1
C.a+2b=-1 D.a+2b=1
答案 C
解析 ∵3a·9b=3a·32b=3a+2b==3-1,
∴a+2b=-1.
6.(多选)已知a2+a-2=3,则a+a-1等于( )
A. B.- C.1 D.-1
答案 AB
解析 (a+a-1)2=a2+a-2+2=5,
∴a+a-1=±.
7.计算:=________.
答案 7
解析 原式=2+4+1=7.
8.化简=________.
答案 1
解析 原式=.
9.已知x+x-1=3(x>0),求的值.
解 因为x+x-1=3,所以x2+x-2=7,
所以=x3+x-3+2=(x+x-1)(x2+x-2-1)+2=3×6+2=20,所以.
10.已知a2x=3,求的值.
解 原式==a2x-1+a-2x=3-1+=.
11.在算式2中+2国+2精+2神=29中,“中、国、精、神”分别代表四个不同的数字,且依次从大到小,则“国”字所对应的数字为( )
A.4 B.3 C.2 D.1
答案 B
解析 由29=16+8+4+1=24+23+22+20,可得“国”字所对应的数字为3.
12.方程的解是( )
A.x=- B.x=- C.x= D.x=
答案 B
解析 ∵=3-2,∴x-1=-2,
∴x=-.∴方程的解是x=-.
13.若x+=4,则等于( )
A.10 B.15 C. D.
答案 C
解析 ∵x+=4,
∴x2+2+=16,
∴x2+=14,
∴==.
14.已知2a=5b=m,且+=2,则m等于( )
A. B.10 C.20 D.100
答案 A
解析 由题意得m>0,
∵2a=m,5b=m,
∴2=,5=,
∵2×5=,
∴m2=10,∴m=.
15.已知a,b是方程x2-6x+4=0的两根,且a>b>0,则=________.
答案
解析 ∵a,b是方程x2-6x+4=0的两根,
∴a+b=6,且ab=4.
∴2===.
∵a>b>0,∴>>0,
∴+>0,->0,
∴==.
16.若a=3,求的值.
解
=
=
=
=+===-1.
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