指数函式

指数函式

指数函式是重要的基本初等函式之一。一般地,y=ax函式(a为常数且以a>0,a≠1)叫做指数函式,函式的定义域是 R 。注意,在指数函式的定义表达式中,在ax前的係数必须是数1,自变数x必须在指数的位置上,且不能是x的其他表达式,否则,就不是指数函式。

    • 中文名:指数函式
    • 外文名:exponential function
    • 一般式:y=a^x(a>0且a≠1) (x∈R)
    • 定义域:x∈R
    • 单调递增:a>1时
    • 单调递减:0
    • 值域区间:(0,+∞)
    • 函式性质:既不是奇函式,也不是偶函式

基本概念

细胞的分裂是一个很有趣的现象,新细胞产生的速度之快是十分惊人的。例如,某种细胞在分裂时,1个分裂成2个,2个分裂成4个……因此,第x次分裂得到新细胞数y与分裂次数x的函式关係式即为:

这个函式便是指函式的形式,且自变数为幂指数,我们下面来研究这样的函式。

一般地,函式

(a为常数且以a>0,a≠1)叫做指数函式,函式的定义域是R。对于一切指数函式来讲,值域为(0, +∞)。指数函式中

前面的係数为1。如:

都是指数函式;注意:

指数函式前係数为3,故不是指数函式。

数学解读

指数函式是数学中重要的函式。套用到值e上的这个函式写为exp(x)。还可以等价的写为ex,这里的e是数学常数,就是自然对数的底数,近似等于 2.718281828,还称为欧拉数。

当a>1时,指数函式对于x的负数值非常平坦,对于x的正数值迅速攀升,在 x等于0的时候,y等于1。当0x的负数值迅速攀升,对于x的正数值非常平坦,在x等于0的时候,y等于1。在x处的切线的斜率等于此处y的值乘上lna。即由导数知识得:

作为实数变数x的函式,

的图像总是正的(在x轴之上)并递增(从左向右看)。它永不触及x轴,儘管它可以无限程度地靠近x轴(所以,x轴是这个图像的水平渐近线。它的反函式是自然对数ln(x),它定义在所有正数x上。

有时,尤其是在科学中,术语指数函式更一般性的用于形如

(k属于R) 的函式,这里的 a 叫做“底数”,是不等于 1 的任何正实数。本文最初集中于带有底数为欧拉数e 的指数函式。

指数函式的一般形式为

(a>0且≠1) (x∈R),从上面我们关于幂函式的讨论就可以知道,要想使得x能够取整个实数集合为定义域,则只有使得a>0且a≠1。

基本性质

如图1所示为a的不同大小影响函式图形的情况。

在函式中可以看到

图1 指数函式图像

(1) 指数函式的定义域为R,这里的前提是a大于0且不等于1。对于a不大于0的情况,则必然使得函式的定义域不连续,因此我们不予考虑,同时a等于0函式无意义一般也不考虑。

(2) 指数函式的值域为(0, +∞)。

(3) 函式图形都是上凹的。

(4) a>1时,则指数函式单调递增;若0

(5) 可以看到一个显然的规律,就是当a从0趋向于无穷大的过程中(不等于0)函式的曲线从分别接近于Y轴与X轴的正半轴的单调递减函式的位置,趋向分别接近于Y轴的正半轴与X轴的负半轴的单调递增函式的位置。其中水平直线y=1是从递减到递增的一个过渡位置。

图2 指数函式增减性

(6) 函式总是在某一个方向上无限趋向于X轴,并且永不相交。

(7) 函式总是通过(0,1)这点,(若

,则函式定过点(0,1+b))

(8) 指数函式无界。

(9)指数函式是非奇非偶函式

(10)指数函式具有反函式,其反函式是对数函式,它是一个多值函式。

运算法则

函式图像

(1)由指数函式y=a^x与直线x=1相交于点(1,a)可知:在y轴右侧,图像从下到上相应的底数由小变大。

图3 图像随底数变化关係

(2)由指数函式y=a^x与直线x=-1相交于点(-1,1/a)可知:在y轴左侧,图像从下到上相应的底数由大变小。

(3)指数函式的底数与图像间的关係可概括的记忆为:在y轴右边“底大图高”;在y轴左边“底大图低”。(如右图)。

(4)

的图像关于y轴对称。

幂的比较

常用方法

比较大小常用方法 :

(1)做差(商)法:A-B大于0即A大于B A-B等于0即A=B A-B小于0即A小于B 步骤:做差—变形—定号—下结论 ;A\B大于1即A大于B A\B等于1即A等于B A/B小于1即A小于B (A,B大于0)

(2)函式单调性法;

(3)中间值法:要比较A与B的大小,先找一个中间值C,再比较A与C、B与C的大小,由不等式的传递性得到A与B之间的大小。

注意事项

比较两个幂的大小时,除了上述一般方法之外,还应注意:

(1)对于底数相同,指数不同的两个幂的大小比较,可以利用指数函式的单调性来判断。

例如:y1=34 ,y2=35 因为3大于1所以函式单调递增(即x的值越大,对应的y值越大),因为5大于4,所以y2 大于y1 。

(2)对于底数不同,指数相同的两个幂的大小比较,可以利用指数函式图像的变化规律来判断。

图4 指数函式比较实例

例如:

,

,因为1/2小于1所以函式图像在定义域上单调递减;3大于1,所以函式图像在定义域上单调递增,在x=0是两个函式图像都过(0,1)然后随着x的增大,y1图像下降,而y2上升,在x等于4时,y2大于y1.

(3)对于底数不同,且指数也不同的幂的大小比较,则可以利用中间值来比较。如:

<1> 对于三个(或三个以上)的数的大小比较,则应该先根据值的大小(特别是与0、1的大小)进行分组,再比较各组数的大小即可。

<2> 在比较两个幂的大小时,如果能充分利用“1”来搭“桥”(即比较它们与“1”的大小),就可以快速的得到答案。那么如何判断一个幂与“1”大小呢?由指数函式的图像和性质可知“同大异小”。即当底数a和1与指数x与0之间的不等号同向(例如: a 〉1且x 〉0,或0〈 a〈 1且 x〈 0)时,

大于1,异向时

小于1。

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