第11讲指数与指数函数【学习目标】1.通过对有理数指数幂()0,1,,0m naa a m n n >≠>为整数,、实数指数幂()0,1,xa a a x >≠∈R 含义的认识,了解指数幂的拓展过程,掌握指数幂的运算性质.2.通过具体实例,了解指数函数的实际意义,理解指数函数的概念3.能用描点法或借助计算工具画出具体指数函数的图象,探索并理解指数函数的单调性和特殊点【基础知识】一、根式的定义1.a 的n 次方根的定义:一般地,如果x n =a ,那么x 叫做a 的n 次方根,其中n >1,且n ∈N *.2.a 的n 次方根的表示①当n 是奇数时,a 的n 次方根表示为na ,a ∈R ;②当n 是偶数时,a 的n 次方根表示为±n a ,其中-na 表示a 的负的n 次方根,a ∈[0,+∞).3.根式:式子na 叫做根式,这里n 叫做根指数,a 叫做被开方数.二、根式的性质1.(na )n =a (n 为奇数时,a ∈R ;n 为偶数时,a ≥0,且n >1).2.na n(n 为奇数,且n >1),|(n 为偶数,且n >1).三、分数指数幂1.a m n=na m ,a-m n=1am n =1n a m (其中a >0,m ,n ∈N *,且n >1).2.0的正分数指数幂等于0,0的负分数指数幂没有意义.四、有理数指数幂的运算性质1.a r a s =a r +s (a >0,r ,s ∈Q ).2.(a r )s =a rs (a >0,r ,s ∈Q ).3.(ab )r =a r b r (a >0,b >0,r ∈Q ).五、无理数指数幂1.对于无理数指数幂,我们只需要了解两点:①它是一个确定的实数;②它是有理数指数幂无限逼近的结果.2.定义了无理数指数幂之后,幂的指数就由原来的有理数范围扩充到了实数范围.六、实数指数幂的运算性质1.a r a s=a r+s(a>0,r,s∈R).2.(a r)s=a rs(a>0,r,s∈R).3.(ab)r=a r b r(a>0,b>0,r∈R).七、条件求值对于条件求值问题,一般先化简代数式,再将字母取值代入求值.但有时字母的取值不知道或不易求出,这时可将所求代数式恰当地变形,构造出与已知条件相同或相似的结构,从而通过“整体代入法”巧妙地求出代数式的值.利用“整体代入法”求值常用的变形公式如下(其中a>0,b>0):八、指数函数的定义图象及性质1.函数y=a x(a>0,且a≠1)叫做指数函数,其中指数x是自变量,定义域是R.2.指数函数的图象和性质【解读】1.由指数函数y=a x(a>0,且a≠1)的性质知,指数函数y=a x(a>0,且a≠1)的图象恒过点(0,1),(1,a)1只要确定了这三个点的坐标,即可快速地画出指数函数y=a x(a>0,且a≠1)的图象.2.底数的大小决定了图象相对位置的高低:不论是a>1,还是0<a<1,在第一象限内底数越大,函数图象越靠近y轴.九、识别指数函数图象问题的注意点1.根据图象“上升”或“下降”确定底数a>1或0<a<1;2.在y轴右侧,指数函数的图象从下到上相应的底数由小到大;在y轴左侧,指数函数的图象从下到上相应的底数由大到小;3.根据“左加右减,上加下减”的原则,确定图象的平移变换,从而确定指数型函数的图象与两坐标轴的交点位置.4.指数函数y=a x(a>0,且a≠1)的图象过定点(0,1),据此,可解决形如y=k·a x+c+b(k≠0,a>0,且a≠1)的函数图象过定点的问题,即令x=-c,得y=k+b,函数图象过定点(-c,k+b).十、函数图象的对称和变换规律一般地,把函数y=f(x)的图象向右平移m个单位得函数y=f(x-m)的图象(m∈R,若m<0就是向左平移|m|个单位);把函数y=f(x)的图象向上平移n个单位,得到函数y=f(x)+n的图象(n∈R,若n<0,就是向下平移|n|个单位).函数y=f(x)的图象与y=f(-x)的图象关于y轴对称,函数y=f(x)的图象与函数y=-f(x)的图象关于x轴对称,函数y=f(x)的图象与函数y=-f(-x)的图象关于原点对称.函数y=f(|x|)的图象是关于y轴对称的,所以只要先把y轴右边的图象保留,y轴左边的图象删去,再将y 轴右边部分关于y轴对称得y轴左边图象,就得到了y=f(|x|)的图象.【考点剖析】考点一:根式的化简例1=()A.B.-C.2D.2-【答案】D)112==-=-,故选D.考点二:利用指数幂的运算性质化简例2.(2022学年山东省济宁市兖州区高一上学期期中)化简111123224(0,0)a b a b a b ⎛⎫⎛⎫÷>> ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭结果为()A .aB .bC .a bD .b a【答案】A【解析】根据实数指数幂的运算公式,可得:1111311131112322424242244a b a b a b a b a b a --⎛⎫⎛⎫⎛⎫÷=÷== ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭.故选A.考点三:条件求值例3.(1)已知,a b 是方程2640x x -+=的两个根,且0a b >>(2)已知11223a a -+=,求下列各式的值:①1a a -+;②22a a -+.【解析】(1)因为,a b 是方程2640x x -+=的两个根,所以64a b ab +=⎧⎨=⎩,所以221105====.因为0a b >>>=(2)①将11223a a -+=两边平方,得129a a -++=.即17a a -+=.②将17a a -+=两边平方,得22249a a -++=,即2247a a -+=.考点四:指数函数的图象例4.(2022学年浙江省杭州地区重点中学高一下学期期中)若函数()()()11xf x a x b =--+的图象如图所示,则()A .01,1a b <<<B .01,1a b <<>C .1,1a b ><D .1,1a b >>【答案】D【解析】由题意,函数()()()11xf x a x b =--+,令()0f x =,即()()110xa xb --+=,解得10x a -=或10x b -+=,可得0x =或1x b =-,结合图象,可得10b ->,解得1b >;又由函数()f x 的图象得,当0x <时,()0f x >,当0x <时,因为1b >,可得10x b -+<,所以10x a -<,即1x a <,解得1a >.故选D.考点五:求指数型函数的定义域与值域例5函数113()934x xf x --⎛⎫=++⎪⎝⎭在[1,)-+∞上的值域为___________.【答案】375,44⎛⎤⎥⎝⎦【解析】2113113()9334334x x xx f x --⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫=++=+ ⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭+⎝⎭∵[1,)x ∈-+∞则令(],3130xt ⎛⎫⎪⎭∈= ⎝2334y t t =++在(]0,3递增∴375,44y ⎛⎤∈ ⎥⎝⎦考点六:求指数函数的单调区间例6.(2020-2021学年河南省登封市一高高一上学期段考)函数2435xx y -+-=的单调递减区间是()A .[2,)+∞B .(,2]-∞C .(,1]-∞D .[1,)+∞【答案】A【解析】设243x x μ=-+-,在(,2]-∞单调递增,在[2,)+∞单调递减,5y μ=在(,)-∞+∞单调递增,根据“同增异减”可得,函数2435xx y -+-=的单调递减区间是[2,)+∞.故选A.考点七:利用指数函数的单调性比较大小例7.(2020-2021学年四川省巴中市恩阳区高一上学期期中)已知,0.60.6a =,0.10.3b -=,0.50.6c =,则()A .a b c <<B .b a c<<C .c b a<<D .a c b<<【答案】D【解析】因为0.6x y =单调递减,所以0.60.5000.60.60.61a c <=<=<=,0.100.30.31b -=>=,所以a c b <<.故选D考点八:利用指数函数的单调性求参数范围例8.(2022学年云南昭通市第一中学高一下学期考试)已知函数()22e 1x f x =-+,若不等式()222x f ax f x ⎛⎫+--> ⎪⎝⎭对()1,2x ∀∈恒成立,则实数a 的取值范围是()A .50,2⎛⎤ ⎥⎝⎦B .5,2⎛⎤-∞ ⎥⎝⎦C .50,2⎛⎫⎪⎝⎭D .5,2⎡⎫+∞⎪⎢⎣⎭【答案】D【解析】()22e 2e 1e 1x x xf x =-=++ ,()2e 2e 11e x x xf x ---==++,()()2f x f x ∴+-=,则22222x x f x f x ⎛⎫⎛⎫--++= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭,()222x f ax f x ⎛⎫∴+--> ⎪⎝⎭可化为()22x f ax f x ⎛⎫>+ ⎪⎝⎭;e 1x y =+ 为R 上的增函数,()22e 1x f x ∴=-+为R 上的增函数,22xax x ∴>+对()1,2x ∀∈恒成立,即12a x >+,315222x <+< ,52a ∴≥,即实数a 的取值范围是5,2⎡⎫+∞⎪⎢⎣⎭.故选D.【真题演练】1.(2022学年陕西省咸阳市高一上学期期末)若函数()11x f x a -=-(0a >且1a ≠)的图像经过定点P ,则点P的坐标是()A .(1,1)-B .(1,0)C .(0,0)D .(0,1)-【答案】B【解析】因为01a =,所以当10x -=,即1x =时,函数值为定值0,所以点P 坐标为(1,0).另解:因为()11x f x a -=-可以由x y a =向右平移一个单位长度后,再向下平移1个单位长度得到,由xy a =过定点(0,1),所以()11x f x a -=-过定点(1,0).故选B2.(2022学年江苏省常州市金坛区高一上学期期中)若01,0a b <<>,且2b b a a -=--,则b b a a -+的值为()A .B .±C .-D 【答案】A【解析】由题设,222()42b b b b a a a a ----+==,即226b b a a -+=,又222()82b b b b a a a a --+++==,且0b b a a -+>,所以b b a a -+=.故选A.3.(2022学年安徽省池州市青阳县第一中学高一下学期3月月考)已知函数()21xf x =-,a b c <<,且()()()f a f c f b >>,则下列结论中,一定成立的是()A .0,0,0a b c <<<B .0,0,0a b c <≥>C .22a c -<D .222a c +<【答案】D【解析】由图示可知0a <时,b 的符号不确定,01c <<,故AB 错;()|21|,()|21|a c f a f c =-=- ,|21||21|a c ∴->-,即1221a c ->-,故222a c +<,故D 正确,又22a c +>2<,即21a c +<,所以0a c +<,即c a <-,所以22c a -<,故C 不正确.故选D4.(多选)(2022学年江苏省盐城市滨海中学高一上学期期中)下列根式与分数指数幂的互化正确的是()A .21()x =-B 13y =C .当0x ≠时,13x -D .当0x >时,1234x ⎤=【答案】CD【解析】对于A 选项,12x =-,所以A 选项错误.对于B 13y =,所以B 选项错误.对于C 选项,0x ≠,13x-=C 选项正确.对于D 选项,0x >,3312144232x x x ⎛⎫=⎤== ⎪⎝⎭,所以D 选项正确.故选CD5.(多选)(2022学年山东省聊城市高一上学期期末)已知函数()()01xf x a a =<<,()()()g x f x f x =--,对任意12x x ≠,则()A .()()()1212f x f x f x x =B .()()0g x g x +-=C .()()()()11221221x g x x g x x g x x g x +<+D .()()2314g t t g t ⎛⎫-+-≥-∈ ⎪⎝⎭R 【答案】BCD【解析】对选项A ,()()1212x x f x f x a +=,()1212x xf x x a =,故选项A 错误;对选项B ,()x x g x a a -=-,()x xg x a a --=-,则()()0g x g x +-=,故选项B 正确;对选项C ,()()()()()()()12121212112212211xx x x x x x x a a ax g x x g x x g x x g x a ++--++--=不妨设12x x <,则120x x a a ->,故()()()()11221221x g x x g x x g x x g x +<+,故选项C 正确;对选项D ,因为()g x 是奇函数,()g x 在(),-∞+∞上递减则要使()()2314g t t g t ⎛⎫-+-≥-∈ ⎪⎝⎭R 恒成立只需:()233144g t t g g ⎛⎫⎛⎫-+-≥-=- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭只需:2314t t -+-≤-只需:24410t t -+≥而0∆=,故()()2314g t t g t ⎛⎫-+-≥-∈ ⎪⎝⎭R ,故选项D 正确故选BCD6.(2020-2021学年安徽省合肥市第十中学高一上学期期中)())121023170.0272179--⎛⎫⎛⎫-+-= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭_____________.【答案】45-【解析】原式=1113322535105(0.3)49()149149145910333--⎛⎫-+-=-+-=-+-=- ⎪⎝⎭.7.(2020-2021学年江苏省镇江市高一上学期期中)(1)求值:013263290.125[(2)]8-⎛⎫-+-+ ⎪⎝⎭;(2)已知11223(0)a aa -+=>,求值:22111a a a a --++++.【解析】(1)原式136631()128-=-++ 21872=-++81=;(2)由11223(0)a a a -+=>,而111222()27a a a a --+=+-=,则2212()247a a a a --+=+-=,故22114716171a a a a --+++==+++.8.(2022学年贵州省六枝特区高一下学期期中)已知定义域为R 的函数()1221x af x =-++是奇函数.(1)求a 的值;(2)判断函数()f x 的单调性并证明.【解析】(1)由()f x 为定义在R 上奇函数可知()00f =,解得1a =.经检验,此时对任意的x 都有()1112122212222212x xx x x x xf x ---=-+=-+=-++⨯++()()12111111111212212212221xx x x xf x +-⎛⎫=-+=-+-=-=--+= ⎪++++⎝⎭故1a =.(2)由21x y =+递增,可知()11221x f x =-++在R 上为减函数,证明如下:对于任意实数1x ,2x ,不妨设12x x <,则()()()()21121212112221212121x x x x x x f x f x --=-=++++.∵2x y =单调递增,且12x x <,∴12022x x <<即21220x x ->,1210x +>,2210x +>,∴()()120f x f x ->,∴()()12f x f x >,故()f x 在R 上为减函数.【过关检测】1.(2022学年陕西省咸阳市武功县高一上学期期中)已知函数()()201xf x a a =-<<,则函数的图像经过().A .第一、二、四象限B .第二、三、四象限C .第二、四象限D .第一、二象限【答案】B【解析】因为01a <<,所以函数()x f x a =的图象经过一、二象限,又()2x f x a =-的图象是由()x f x a =的图象沿y 轴向下平移2个单位得到,所以函数()2x f x a =-的图象经过二、三、四象限,如图,故选B2.(2022学年广东省广州市六中高一下学期期中)已知m ,n 1=,则下列不等式一定成...立.的是()A .n mm n ≥B .n m m n <C .12m n m n +<D .12m n m n +>【答案】D【解析】m ,n 1=,即11221m n +=01,0 1.m n ∴<<<<,x x m n y y ∴==在(,)-∞+∞上均为减函数,,m n y x y x ==在(0,)+∞上为增函数.当m n <时,n m m m m n <<,故A 错误;当m n >时,n m m m m n >>,故B 错误;取41m n ==,此时12m n m n +=>,故C 错误;m n +≥ 22()m n ∴+≥,2124m n +∴≥=,12m n ∴+≥,11,m n m m n n m n >=>= ,12m n n n m m +>+≥∴,故D 正确.故选D3.(2022学年陕西省渭南市临渭区高一上学期期末)函数y x a =+与x y a -=(0a >且1a ≠)在同一坐标系中的图象可能是()A .B .C .D .【答案】B【解析】因为一次函数y x a =+为直线,且函数y x a =+单调递增,排除AD 选项.对于B 选项,指数函数1xx a y a -=⎛⎫= ⎪⎝⎭单调递减,则101a <<,可得1a >,此时,一次函数y x a =+单调递增,且直线y x a =+与y 轴的交点()0,a 位于点()0,1的上方,合乎题意;对于C 选项,指数函数1x xa y a -=⎛⎫= ⎪⎝⎭单调递减,则101a <<,可得1a >,此时,一次函数y x a =+单调递增,且直线y x a =+与y 轴的交点()0,a 位于点()0,1的下方,不合乎题意.故选B.4.(2022学年广东省汕尾市高一上学期期末)若1312a ⎛⎫= ⎪⎝⎭,1314b ⎛⎫= ⎪⎝⎭,1412c ⎛⎫= ⎪⎝⎭,则()A .c a b>>B .c b a >>C .b c a >>D .a b c >>【答案】A 【解析】13231142b ⎛⎫⎛⎫== ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭,因为12xy ⎛⎫= ⎪⎝⎭在R 上为减函数,且112433<<,所以112433111222⎛⎫⎛⎫⎛⎫>> ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭,所以c a b >>,故选A 5.(多选)(2022学年河北省沧州市沧县中学高一上学期测试)已知函数()33x x f x -=-,则()A .()f x 的值域为RB .()f x 是R 上的增函数C .()f x 是R 上的奇函数D .()f x 有最大值【答案】ABC 【解析】()()30,x g x ∞=∈+,而()()3,0x h x ∞-=-∈-,所以()33x x f x -=-值域为R ,A 正确,D 错误;因为()3x g x =是递增函数,而()3x h x -=-是递增函数,所以()33x x f x -=-是递增函数,B 正确;因为定义域为R ,且()()33x x f x f x --=-=-,所以()f x 是R 上的奇函数,C 正确;故选ABC6.(多选)(2022学年江苏省无锡市市北高级中学高一上学期期中)已知函数,1()(12)3,1x a x f x a x a x -⎧<-=⎨-+-⎩是R 上的增函数,则实数a 的值可以是()A .4B .3C .13D .14【答案】CD 【解析】因为,1()(12)3,1x a x f x a x a x -⎧<-=⎨-+-⎩是R 上的增函数,所以11120213a a a a a ⎧>⎪⎪->⎨⎪-+⎪⎩,解得1142a <.故选CD.7.(多选)(2022学年吉林省松原市重点高中高一3月联考)设x ∈R ,[]x 表示不超过x 的最大整数,例如:[]3.54-=-,[]2.12=,已知函数()e 11e 2x x f x =-+,则下列叙述中正确的是()A .()f x ⎡⎤⎣⎦是偶函数B .()f x 是奇函数C .()f x 在R 上是增函数D .()f x ⎡⎤⎣⎦的值域是{}1,0,1-【答案】BC 【解析】根据题意知,()e 11e 112111e 1e 221e x x x x xf x +-=-=-=-+++,()e 1101e 2f ⎡⎤⎡⎤=-=⎣⎦⎢⎥+⎣⎦,()1111e 12f ⎡⎤⎡⎤-=-=-⎣⎦⎢⎥+⎣⎦,所以,()()11f f ≠-⎡⎤⎡⎤⎣⎦⎣⎦且()()11f f ≠--⎡⎤⎡⎤⎣⎦⎣⎦,所以,函数()f x ⎡⎤⎣⎦既不是奇函数,也不是偶函数,A 错;()()()e 111111e 221e 2e 1e x x x x x f x f x ----=-=-=-=-+++ ,所以,函数()f x 为奇函数,B 对;因为函数1e x y =+为R 上的增函数,则函数11e xy =+为R 上的减函数,故函数()1121e x f x =-+上的增函数,C 对;因为e 0x >,则1e 1x +>,所以,1011e x<<+,故()1122f x -<<,所以,函数()f x ⎡⎤⎣⎦的值域为{}1,0-,D 错.故选BC.8.(2022学年河北省沧州市沧县中学高一上学期测试)已知104m =,10n =34210m n-=______.【答案】83【解析】因为104m =,10n =()()()332343222210428103310m m nn -====.9.已知正整数()a b c a b c <<,,和非零实数x y z w ,,,,若70x y z w a b c ===,且1111w x y z =++,求a b c ,,的值.【解析】由已知70x y z w a b c ===,得1170w x a =,同理1170y w b =,1170w z c =,三式相乘,得()111170x y z w abc ++=,又1111w x y z=++,所以70abc =,又因为,,a b c 为正整数,故70257=⨯⨯,又a b c <<则257a b c ===,,.10.(2022学年四川省德阳市第五中学高一上学期12月月考)已知函数()4141x x f x -=+.(1)判断()f x 的奇偶性;(2)判断()f x 的单调性并证明;(3)若不等式()4x m f x ≥在[]0,1x ∈上有解,求m 的最大值.【解析】(1)由题意知:()f x 定义域为R ,()()14411441441144xx x x x x xxf x f x ------====-+++ ,()f x ∴为R 上的奇函数.(2)()f x 是R 上的增函数,证明如下:令12x x <,则()()()()()2121212121244414141414141x x x x x x x x f x f x ----=-=++++;21440x x -> ,2410x +>,1410x +>,()()210f x f x ∴->,()f x ∴是R 上的增函数.(3)由()4x m f x ≥得:()()()()224134124424413414141x x x x x x x x x m f x +-++-≤⋅===++-+++;当[]0,1x ∈时,[]412,5x +∈,令[]412,5x t =+∈,2y t t =+ 在[]2,5上单调递增,max 21235t t ⎛⎫∴+-= ⎪⎝⎭,即()max 1245x f x ⎡⎤⋅=⎣⎦,125m ∴≤,则m 的最大值为125.。