知识讲解-指数函数及其性质-基础

指数函数及其性质编稿：丁会敏审稿：王静伟【学习目标】1.掌握指数函数的概念，了解对底数的限制条件的合理性，明确指数函数的定义域；2.掌握指数函数图象：(1)能在基本性质的指导下，用列表描点法画出指数函数的图象，能从数形两方面认识指数函数的性质；(2)掌握底数对指数函数图象的影响；(3)从图象上体会指数增长与直线上升的区别．3.学会利用指数函数单调性来比较大小，包括较为复杂的含字母讨论的类型；4.通过对指数函数的概念、图象、性质的学习，培养观察、分析归纳的能力，进一步体会数形结合的思想方法；5.通过对指数函数的研究，要认识到数学的应用价值，更善于从现实生活中发现问题，解决问题．【要点梳理】要点一、指数函数的概念：函数y=ax(a0且a≠1)叫做指数函数，其中x是自变量，a为常数，函数定义域为R.要点诠释：（1）形式上的严格性：只有形如y=ax(a0且a≠1)的函数才是指数函数．像23xy，12xy，31xy等函数都不是指数函数．（2）为什么规定底数a大于零且不等于1：①如果0a，则000xxxx时，a恒等于，时,a无意义.②如果0a，则对于一些函数，比如(4)xy，当11,,24xx时，在实数范围内函数值不存在．③如果1a，则11xy是个常量，就没研究的必要了．要点二、指数函数的图象及性质：y=ax0a1时图象a1时图象图象性质①定义域R，值域（0，+∞）②a0=1,即x=0时，y=1，图象都经过(0，1)点③ax=a，即x=1时，y等于底数a④在定义域上是单调减函数④在定义域上是单调增函数⑤x0时，ax1x0时，0ax1⑤x0时，0ax1x0时，ax1⑥既不是奇函数，也不是偶函数要点诠释：（1）当底数大小不定时，必须分“1a”和“01a”两种情形讨论。（2）当01a时，,0xy；当1a时,0xy。当1a时，a的值越大，图象越靠近y轴，递增速度越快。当01a时，a的值越小，图象越靠近y轴，递减的速度越快。（3）指数函数xya与1xya的图象关于y轴对称。要点三、指数函数底数变化与图像分布规律（1）①xya②xyb③xyc④xyd则：0＜b＜a＜1＜d＜c又即：x∈(0,+∞)时，xxxxbadc（底大幂大）x∈(－∞,0)时，xxxxbadc（2）特殊函数112,3,(),()23xxxxyyyy的图像：要点四、指数式大小比较方法(1)单调性法：化为同底数指数式，利用指数函数的单调性进行比较.(2)中间量法(3)分类讨论法(4)比较法比较法有作差比较与作商比较两种，其原理分别为：①若0ABAB；0ABAB；0ABAB；②当两个式子均为正值的情况下，可用作商法，判断1AB，或1AB即可．【典型例题】类型一、指数函数的概念例1．函数2(33)xyaaa是指数函数，求a的值．【答案】2【解析】由2(33)xyaaa是指数函数，可得2331,0,1,aaaa且解得12,01,aaaa或且，所以2a．【总结升华】判断一个函数是否为指数函数：（1）切入点：利用指数函数的定义来判断；（2）关键点：一个函数是指数函数要求系数为1，底数是大于0且不等于1的常数，指数必须是自变量x．举一反三：【变式1】指出下列函数哪些是指数函数？（1）4xy；（2）4yx；（3）4xy；（4）(4)xy；（5）1(21)(1)2xyaaa且；（6）4xy．【答案】（1）（5）（6）【解析】（1）（5）（6）为指数函数．其中（6）4xy=14x，符合指数函数的定义，而（2）中底数x不是常数，而4不是变数；（3）是-1与指数函数4x的乘积；（4）中底数40，所以不是指数函数．类型二、函数的定义域、值域例2．求下列函数的定义域、值域.(1)313xxy；(2)y=4x-2x+1；(3)21139x；(4)211xxya(a为大于1的常数)【答案】（1）R，(0，1)；（2）R[,43)；（3）1,20,；（4）(-∞，-1)∪[1，+∞)[1，a)∪(a，+∞)【解析】(1)函数的定义域为R(∵对一切xR，3x≠-1).∵(13)1111313xxxy，又∵3x0，1+3x1，∴10113x，∴11013x，∴101113x，∴值域为(0，1).(2)定义域为R，43)212(12)2(22xxxy，∵2x0，∴212x即x=-1时，y取最小值43，同时y可以取一切大于43的实数，∴值域为[,43).(3)要使函数有意义可得到不等式211309x，即21233x，又函数3xy是增函数，所以212x，即12x，即1,2，值域是0,.(4)∵011112xxxx∴定义域为(-∞，-1)∪[1，+∞)，又∵111011xxxx且，∴aayayxxxx1121121且，∴值域为[1，a)∪(a，+∞).【总结升华】求值域时有时要用到函数单调性；第(3)小题中值域切记不要漏掉y0的条件，第(4)小题中112111xxx不能遗漏.举一反三：【变式1】求下列函数的定义域：(1)2-12xy(2)3-3xy(3)2-1xy(4)1-(0,1)xyaaa【答案】（1）R；（2）-3，；（3）0,+；（4）a1时，-0，；0a1时，0+，【解析】(1)R(2)要使原式有意义，需满足3-x≥0，即3x，即-3，．(3)为使得原函数有意义，需满足2x-1≥0，即2x≥1，故x≥0，即0,+(4)为使得原函数有意义，需满足10xa，即1xa，所以a1时，-0，；0a1时，0+，.【总结升华】本题中解不等式的依据主要是指数函数的单调性，根据所给的同底指数幂的大小关系，结合单调性来判断指数的大小关系.类型三、指数函数的单调性及其应用例3．讨论函数221()3xxfx的单调性，并求其值域．【思路点拨】对于x∈R，22103xx恒成立，因此可以通过作商讨论函数()fx的单调区间．此函数是由指数函数及二次函数复合而成的函数，因此可以逐层讨论它的单调性，综合得到结果．【答案】函数()fx在区间（－∞，1）上是增函数，在区间[1，+∞）上是减函数（0，3]【解析】解法一：∵函数()fx的定义域为（－∞，+∞），设x1、x2∈（－∞，+∞）且有x1＜x2，∴222221()3xxfx，211211()3xxfx，222222121212121122()()(2)2211()113()3313xxxxxxxxxxxxfxfx．（1）当x1＜x2＜1时，x1+x2＜2，即有x1+x2－2＜0．又∵x2－x1＞0，∴(x2―x1)(x2+x1―2)＜0，则知2121()(2)113xxxx．又对于x∈R，()0fx恒成立，∴21()()fxfx．∴函数()fx在（－∞，1）上单调递增．（2）当1≤x1＜x2时，x1+x2＞2，即有x1+x2－2＞0．又∵x2－x1＞0，∴(x2―x1)(x2+x1―2)＞0，则知2121()(2)1013xxxx．∴21()()fxfx．∴函数()fx在[1，+∞）上单调递减．综上，函数()fx在区间（－∞，1）上是增函数，在区间[1，+∞）上是减函数．∵x2―2x=(x―1)2―1≥－1，1013，221110333xx．∴函数()fx的值域为（0，3]．解法二：∵函数()fx的下义域为R，令u=x2－2x，则1()3ufu．∵u=x2―2x=(x―1)2―1，在（―∞，1]上是减函数，1()3ufu在其定义域内是减函数，∴函数()fx在（－∞，1]内为增函数．又1()3ufu在其定义域内为减函数，而u=x2―2x=(x―1)2―1在[1，+∞）上是增函数，∴函数()fx在[1，+∞）上是减函数．值域的求法同解法一．【总结升华】由本例可知，研究()fxya型的复合函数的单调性用复合法，比用定义法要简便些，一般地有：即当a＞1时，()fxya的单调性与()yfx的单调性相同；当0＜a＜1时，()fxya的单调与()yfx的单调性相反．举一反三：【变式1】求函数2323xxy的单调区间及值域.【答案】3(,]2x上单增，在3[,)2x上单减.14(0,3]【解析】[1]复合函数——分解为：u=-x2+3x-2，y=3u；[2]利用复合函数单调性判断方法求单调区间；[3]求值域.设u=-x2+3x-2，y=3u，其中y=3u为R上的单调增函数，u=-x2+3x-2在3(,]2x上单增，u=-x2+3x-2在3[,)2x上单减，则2323xxy在3(,]2x上单增，在3[,)2x上单减.又u=-x2+3x-22311()244x，2323xxy的值域为14(0,3].【变式2】求函数2-2()(01)xxfxaaa其中，且的单调区间.【解析】当a1时，外层函数y=au在()，上为增函数，内函数u=x2-2x在区间(1)，上为减函数，在区间1+，上为增函数，故函数2-2()(-1)xxfxa在区间，上为减函数，在区间1+，上为增函数；当0a1时，外层函数y=au在()，上为减函数，内函数u=x2-2x在区间(1)，上为减函数，在区间1+，上为增函数，故函数2-2()xxfxa在区间(1)，上为增函数，在区间1,+上为减函数.例4．证明函数1()(1)1xxafxaa在定义域上为增函数.【思路点拨】利用函数的单调性定义去证明。【解析】定义域为xR，任取x1x2，12121212121211(1)(1)(1)(1)()()11(1)(1)xxxxxxxxxxaaaaaafxfxaaaa12122()(1)(1)xxxxaaaa.∵1210,10xxaa，∴12(1)(1)0xxaa，又a1，x1x2，∴12xxaa，∴120xxaa，∴f(x1)f(x2)，则1()(1)1xxafxaa在定义域上为增函数.另：12121(1)xxxxxaaaa，∵10xa，a1且x2-x10，∴211xxa，∴2110xxa.【总结升华】指数函数是学习了函数的一般性质后，所学的第一个具体函数.因此，在学习中，尽量体会从一般到特殊的过程.例5．判断下列各数的大小关系：(1)1.8a与1.8a+1；(2)24-231(),3,()33(3)22.5，(2.5)0，2.51()2(4)23(0,1)aaaa与【思路点拨】利用指数函数的性质去比较大小。【答案】（1）1.8a1.8a+1（2）2-24311()()333（3）2.502.51()(2.5)22（4）当a1时，23aa，当0a1时，23aa【解析】(1)因为底数1.81，所以函数y=1.8x为单调增函数，又因为aa+1，所以1.8a1.8a+1.(2)因为44133，又13xy是减函数，所以-42-23111()()333，即2-24311()()333．(3)因为2.521，2.5112