3.3.3
指数函数的图像和性质(2)
教案
导入新课
思路1.我们在学习指数函数的性质时,利用了指数函数的图像的特点,并且是用类比和归纳的方法得出,在上节课的探究中我们知道,函数①y=3x,②y=3x+1,③y=3x-1的图像之间的关系,由其中的一个可得到另外两个的图像,那么,对y=ax与y=ax+m(a>0,m∈R)有着怎样的关系呢?在理论上,含有指数函数的复合函数是否具有奇偶性呢?这是我们本堂课研究的内容.教师点出课题.
思路2.我们在第一章中,已学习了函数的性质,特别是单调性和奇偶性是某些函数的重要特点,我们刚刚学习的指数函数,严格地证明了指数函数的单调性,便于我们在解题时应用这些性质,在实际生活中,往往遇到的不单单是指数函数,还有其他形式的函数,有的是指数函数的复合函数,我们需要研究它的单调性和奇偶性,这是我们面临的问题,也是我们本堂课要解决的问题.
推进新课
1 指数函数有哪些性质?
2 利用单调性的定义证明函数单调性的步骤有哪些?
3 对复合函数,如何证明函数的单调性?
4 如何判断函数的奇偶性,有哪些方法?
活动:教师引导,学生回忆,教师提问,学生回答,积极交流,及时评价学生,学生有困惑时加以解释,可用多媒体显示辅助内容.
讨论结果:(1)指数函数的图像和性质.
一般地,指数函数y=ax在底数a>1及0<a<1这两种情况下的图像和性质如下表所示:
a>1
0<a<1
图像
图像特征
图像分布在一、二象限,与y轴相交,落在x轴的上方
都过点(0,1)
第一象限的点的纵坐标都大于1;第二象限的点的纵坐标都大于0且小于1
第一象限的点的纵坐标都大于0且小于1;第二象限的点的纵坐标都大于1
从左向下图像逐渐上升
从左向下图像逐渐下降
性质
(1)定义域:R
(2)值域:(0,+∞)
(3)过定点(0,1),即x=0时,y=1
(4)x>0时,y>1;x<0时,0<y<1
(4)x>0时,0<y<1;x<0时,y>1
(5)在R上是增函数
(5)在R上是减函数
(2)依据函数单调性的定义证明函数单调性的步骤是:
①取值.即设x1,x2是该区间内的任意两个值且x1<x2.
②作差变形.即求f(x2)-f(x1),通过因式分解、配方、有理化等方法,向有利于判断差的符号的方向变形.
③定号.根据给定的区间和x2-x1的符号确定f(x2)-f(x1)的符号,当符号不确定时,可以进行分类讨论.
④判断.根据单调性定义作出结论.
(3)对于复合函数y=f[g(x)]可以总结为:
当函数f(x)和g(x)的单调性相同时,复合函数y=f[g(x)]是增函数;
当函数f(x)和g(x)的单调性相异即不同时,复合函数y=f[g(x)]是减函数;
又简称为口诀“同增异减”.
(4)判断函数的奇偶性:
一是利用定义法,即首先是定义域关于原点对称,再次是考察式子f(x)与f(-x)的关系,最后确定函数的奇偶性;
二是作出函数图像或从已知图像观察,若图像关于原点或y轴对称,则函数具有奇偶性.
思路1
例1
在同一坐标系下作出下列函数的图像,并指出它们与指数函数y=2x的图像的关系.
(1)y=2x+1与y=2x+2;(2)y=2x-1与y=2x-2.
活动:教师适当时候点拨,学生回想作图的方法和步骤,特别是指数函数图像的作法,学生回答并到黑板上作图,教师指点学生,列出对应值表,抓住关键点,特别是(0,1)点,或用计算机作图.
解:(1)列出函数数据表作出图像如图1.
x
…
-3
-2
-1
0
1
2
3
…
2x
…
0.125
0.25
0.5
1
2
4
8
…
2x+1
…
0.25
0.5
1
2
4
8
16
…
2x+2
…
0.5
1
2
4
8
16
32
…
图1
比较可知函数y=2x+1,y=2x+2与y=2x的图像的关系为:将指数函数y=2x的图像向左平行移动1个单位长度,就得到函数y=2x+1的图像;将指数函数y=2x的图像向左平行移动2个单位长度,就得到函数y=2x+2的图像.
(2)列出函数数据表作出图像如图2.
x
…
-3
-2
-1
0
1
2
3
…
2x
…
0.125
0.25
0.5
1
2
4
8
…
2x-1
…
0.625
0.125
0.25
0.5
1
2
4
…
2x-2
…
0.312
5
0.625
0.
125
0.25
0.5
1
2
…
图2
比较可知函数y=2x-1,y=2x-2与y=2x的图像的关系为:将指数函数y=2x的图像向右平行移动1个单位长度,就得到函数y=2x-1的图像;将指数函数y=2x的图像向右平行移动2个单位长度,就得到函数y=2x-2的图像.
点评:类似地,我们得到y=ax与y=ax+m(a>0,a≠1,m∈R)之间的关系:
y=ax+m(a>0,m∈R)的图像可以由y=ax的图像变化而来.
当m>0时,y=ax的图像向左移动m个单位得到y=ax+m的图像;
当m<0时,y=ax的图像向右移动|m|个单位得到y=ax+m的图像.
上述规律也简称为“左加右减”.
变式训练
为了得到函数y=2x-3-1的图像,只需把函数y=2x的图像( ).
A.向右平移3个单位长度,再向下平移1个单位长度
B.向左平移3个单位长度,再向下平移1个单位长度
C.向右平移3个单位长度,再向上平移1个单位长度
D.向左平移3个单位长度,再向上平移1个单位长度
答案:B
点评:对于有些复合函数的图像,常用变换方法作出.
例2
已知-1<x<0,比较3-x,0.5-x的大小,并说明理由.
活动:学生审题,考虑解题思路,教师提示:比较大小时一般借助于函数的性质,当不能直接进行比较时,往往寻求中间量,如1,由于-1<x<0,所以0<-x<1,而3>1,有3-x>1.
同理0<0.5<1.故有0<0.5-x<1.两数的大小可以比较.
解:因为-1<x<0,所以0<-x<1.
而3>1,因此有3-x>1.
又0<0.5<1,因而有0<0.5-x<1.
故3-x>0.5-x.
点评:寻求中间量比较大小是常用的比较大小的方法.
思路2
例1
设a>0,f(x)=+在R上满足f(-x)=f(x).
(1)求a的值;
(2)证明f(x)在(0,+∞)上是增函数.
活动:学生先思考或讨论,如果有困难,教师提示,引导.
(1)求单独一个字母的值,一般是转化为方程,利用f(-x)=f(x)可建立方程.
(2)证明增减性一般用定义法,回忆定义法证明增减性的步骤,规范书写的格式.
(1)解:依题意,对一切x∈R有f(-x)=f(x)成立,即+aex=+.
所以=0对一切x∈R成立.由此可得a-=0,即a2=1.
又因为a>0,所以a=1.
(2)证明:设0<x1<x2,
f(x1)-f(x2)=ex1-ex2+-=(ex1-ex2)=ex1(ex2-x1-1)·.
由x1>0,x2>0,x2-x1>0,得x2+x1>0,ex2-x1-1>0,1-ex2+x1<0,
所以f(x1)-f(x2)<0,即f(x)在(0,+∞)上是增函数.
点评:在已知等式f(-x)=f(x)成立的条件下,对应系数相等,求出a,也可用特殊值求解.证明函数的单调性,严格按定义写出步骤,判断过程尽量明显直观.
例2
已知函数f(x)=3x,且x=a+2时,f(x)=18,g(x)=3ax-4x的定义域为[0,1].
(1)求g(x)的解析式;
(2)求g(x)的单调区间,确定其增减性并用定义证明;
(3)求g(x)的值域.
解:(1)因为f(x)=3x,且x=a+2时f(x)=18,
所以f(a+2)=3a+2=18.所以3a=2.
所以g(x)=3ax-4x=(3a)x-4x.
所以g(x)=2x-4x.
(2)因为函数g(x)的定义域为[0,1],令t=2x,因为x∈[0,1]时,函数t=2x在区间[0,1]上单调递增,
所以t∈[1,2],则g(t)=t-t2=-(t2-t)=-2+,t∈[1,2].
因为函数t=2x在区间[0,1]上单调递增,函数g(t)=t-t2在t∈[1,2]上单调递减,
所以函数g(x)在区间[0,1]上单调递减.
证明:设x1和x2是区间[0,1]上任意两个值,且x1<x2,
g(x2)-g(x1)=2x2-4x2-2x1+4x1=(2x2-2x1)-(2x2-2x1)(2x2+2x1)=(2x2-2x1)(1-2x1-2x2),
因为0≤x1≤x2≤1,
所以2
x2>2x1,且1≤2x1<2,1<2
x2≤2.
所以2<2x1+2x2<4.
所以-3<1-2x1-2x2<-1,可知(2x2-2x1)(1-2x1-2x2)<0.
所以g(x2)<g(x1).
所以函数g(x)在区间[0,1]上单调递减.
(3)因为函数g(x)在区间[0,1]上单调递减,
所以x∈[0,1]时,有g(1)≤g(x)≤g(0).
因为g(1)=21-41=-2,g(0)=20-40=0,
所以-2≤g(x)≤0.
故函数g(x)的值域为[-2,0].
点评:此题是一道有关函数的概念、函数性质的应用、推理、证明综合题,要通盘考虑.
求函数y=|1+2x|+|x-2|的单调区间.
活动:教师提示,因为指数含有两个绝对值,要去绝对值,要分段讨论,同时注意底数的大小,分析出指数的单调区间,再确定函数的单调区间,利用复合函数的单调性学生思考讨论,然后解答.
解:由题意可知2与-是区间的分界点.
当x<-时,因为y=-1-2x-x+2=1-3x=23x-1=·8x,
所以此时函数为增函数.
当-≤x<2时,因为y=1+2x-x+2=3+x=2-3-x=·x,
所以此时函数为减函数.
当x≥2时,因为y=1+2x+x-2=3x-1=21-3x=2·x,
所以此时函数为减函数.
当x1∈,x2∈[2,+∞)时,因为2·x2-·x1=2·2-3x2-2-3·2x1=21-3x2-2-3-x1,
又因为1-3x2-(-3-x1)=4-3x2+x1=4+x1-3x2<0,所以1-3x2<-3-x1,
即2·x2<·x1.
所以此时函数为减函数.
综上所述,函数f(x)在上单调递增,在上单调递减.
设m<1,f(x)=,若0<a<1,试求:
(1)f(a)+f(1-a)的值;
(2)f+f+f+…+f的值.
活动:学生思考,观察,教师提示学生注意式子的特点,做这种题目,一定要有预见性,即第(2)问要用到第(1)问的结果,联系函数的知识解决.
解:(1)f(a)+f(1-a)=+
=+=+
=+==1.
(2)f+f+f+…+f
=++…+
=500×1=500.
点评:第(2)问是第(1)问的继续,第(1)问是第(2)问的基础,两个问号是衔接的,利用前一个问号解决后一个问号是我们经常遇到的情形,要注意问号与问号之间的联系.
本节课复习了指数函数的性质,借助指数函数的性质的运用,我们对函数的单调性和奇偶性又进行了复习巩固,利用单调性和奇偶性解决了一些问题,对常考的函数图像的变换进行了学习,要高度重视,在不断学习中升华提高.
习题3—3 B组3,6.
指数函数作为一类基本的初等函数,它虽然不具有函数通性中的奇偶性,但是它与其他函数复合构成具有比较复杂的单调性的函数,同时也可以复合出比较特殊的奇函数和偶函数,判断复合函数的单调性和奇偶性要十分小心,严格按规定的要求,有时借助数形结合可帮我们找到解题思路,本堂课是在以前基础上的提高与深化,同时又兼顾了高考常考的内容,因此涉及面广,容量大,要集中精力,加快速度,高质量完成教学任务.
富兰克林的遗嘱与拿破仑的诺言
富兰克林利用放风筝而感受到电击,从而发明了避雷针.这位美国著名的科学家死后留下了一份有趣的遗嘱:
“……一千英镑赠给波士顿的居民,如果他们接受了这一千英镑,那么这笔钱应该托付给一些挑选出来的公民,他们得把这些钱按每年5%的利率借给一些年轻的手工业者去生息.这些款过了100年增加到131
000英镑.我希望那时候用100
000英镑来建立一所公共建筑物,剩下的31
000英镑拿去继续生息100年.在第二个100年末了,这笔款增加到4
061
000英镑,其中1
061
000英镑还是由波士顿的居民来支配,而其余的3
000
000英镑让马萨诸塞州的公众来管理.过此之后,我可不敢主张了!”
你可曾想过:区区的1
000英镑遗产,竟立下几百万英镑财产分配的遗嘱,是“信口开河”,还是“言而有据”呢?事实上,只要借助于复利公式,同学们完全可以通过计算而作出自己的判断.
yn=m(1+a)n就是复利公式,其中m为本金,a为年利率,yn为n年后本金与利息的总和.在第一个100年末富兰克林的财产应增加到:y100=1
000(1+5%)100=131
501(英镑),比遗嘱中写的还多出501英镑.在第二个100年末,遗产就更多了:y100=131
501(1+5%)100=4
142
421(英镑).可见富兰克林的遗嘱是有科学根据的.
遗嘱故事启示我们:在指数效应下,微薄的财产,低廉的利率,可以变得令人瞠目结舌.威名显赫的拿破仑,由于陷进了指数效应的漩涡而使法国政府十分难堪!
1797年,拿破仑参观国立卢森堡小学,赠上了一束价值三个金路易的玫瑰花,并许诺只要法兰西共和国存在一天,他将每年送一束价值相等的玫瑰花,以作两国友谊的象征.由于连年征战,拿破仑忘却了这一诺言!1894年,卢森堡王国郑重地向法兰西共和国提出了“玫瑰花悬案”,要求法国政府在拿破仑的声誉和1
375
596法郎的债款中,两者选取其一.这笔巨款就是三个金路易的本金,以5%的年利率,在97年的指数效应下的产物.3.3.3 指数函数的图像和性质(1)
教案
导入新课
思路1.复习导入:我们前一节课学习了指数函数的概念和y=2x与y=x的性质,下面我们一起回顾一下指数函数的概念、图像和性质.如何利用指数函数的图像和性质来解决一些问题,这就是本堂课要讲的主要内容.教师板书课题.
思路2.我们在学习指数函数的性质时,利用了指数函数的图像的特点,并且是用类比和归纳的方法得出.在理论上,我们能否严格的证明特别是指数函数的单调性,以便于我们在解题时应用这些性质,本堂课我们要解决这个问题.教师板书课题.
思路1
例1
(1)求使不等式4x>32成立的x的集合;
(2)已知>a,求实数a的取值范围.
活动:学生先思考,再讨论,然后回答.(1)由于x在指数位置上,因此,要利用指数函数的性质进行转化,特别是指数函数的单调性,(2)也是利用指数函数的性质判断底数的范围.
解:(1)4x>32,即22x>25.
因为y=2x是R上的增函数,所以2x>5,即x>.
满足4x>32的x的集合是.
(2)由于<,则y=ax是减函数,所以0<a<1.
点评:正确理解和运用指数函数的性质是解题的关键.
例2
用函数单调性的定义证明指数函数的单调性.
活动:教师点拨提示定义法判断函数单调性的步骤,单调性的定义证明函数的单调性,要按规定的格式书写.
证法一:设x1,x2∈R,且x1<x2,则
y2-y1=ax2-ax1=ax1(ax2-x1-1).
因为a>1,x2-x1>0,所以ax2-x1>1,即ax2-x1-1>0.
又因为ax1>0,
所以y2-y1>0,
即y1<y2.
所以当a>1时,y=ax,x∈R是增函数.
同理可证,当0<a<1时,y=ax是减函数.
证法二:设x1,x2∈R,且x1<x2,则y2与y1都大于0,则==ax2-x1.
因为a>1,x2-x1>0,所以ax2-x1>1,即>1,y1<y2.
所以当a>1时,y=ax,x∈R是增函数.
同理可证,当0<a<1时,y=ax是减函数.
变式训练
若指数函数y=(2a-1)x是减函数,则a的范围是多少?
答案:
<a<1.
例3
截止到1999年底,我国人口约13亿,如果今后能将人口年平均增长率控制在1%,那么经过20年后,我国人口数最多为多少?(精确到亿)
活动:师生共同讨论,将实际问题转化为数学表达式,建立目标函数,常采用特殊到一般的方式,教师引导学生注意题目中自变量的取值范围,可以先考虑一年一年增长的情况,再从中发现规律,最后解决问题:
1999年底 人口约为13亿;
经过1年 人口约为13(1+1%)亿;
经过2年 人口约为13(1+1%)(1+1%)=13(1+1%)2亿;
经过3年 人口约为13(1+1%)2(1+1%)=13(1+1%)3亿;
经过x年 人口约为13(1+1%)x亿;
经过20年 人口约为13(1+1%)20亿.
解:设今后人口年平均增长率为1%,经过x年后,我国人口数为y亿,则
y=13(1+1%)x,
当x=20时,y=13(1+1%)20≈16(亿).
答:经过20年后,我国人口数最多为16亿.
点评:类似此题,设原值为N,平均增长率为p,则对于经过时间x年后总量y=N(1+p)x,像y=N(1+p)x等形如y=kax(k∈R,a>0且a≠1)的函数称为指数型函数.
思路2
例1
求下列函数的定义域、值域:
(1)y=;(2)y=;(3)y=2x+1;(4)y=.
解:(1)由x-1≠0得x≠1,所以所求函数定义域为{x|x≠1}.由x≠1得y≠1,
即函数值域为{y|y>0且y≠1}.
(2)由5x-1≥0得x≥,所以所求函数定义域为.由≥0得y≥1,
所以函数值域为{y|y≥1}.
(3)所求函数定义域为R,由2x>0可得2x+1>1.
所以函数值域为{y|y>1}.
(4)由已知,得函数的定义域是R,且(2x+1)y=2x-2,即(y-1)2x=-y-2.
因为y≠1,所以2x=.又x∈R,所以2x>0,>0.解之,得-2<y<1.
因此函数的值域为{y|-2<y<1}.
点评:通过此例题的训练,学会利用指数函数的定义域、值域去求解指数形式的复合函数的定义域、值域,还应注意书写步骤与格式的规范性.
变式训练
求函数y=的定义域和值域.
解:要使函数有意义,必须x+3≠0,即x≠-3,即函数的定义域是{x|x≠-3}.
因为≠0,所以y=≠0=1.
又因为y>0,所以值域为(0,1)∪(1,+∞).
例2
(1)求函数y=的单调区间,并证明.
(2)设a是实数,f(x)=a-(x∈R),试证明对于任意a,f(x)为增函数.
活动:(1)这个函数的单调区间由两个函数决定,是指数函数y=x与y=x2-2x的复合函数,(2)函数单调性的定义证明函数的单调性,要按规定的格式书写.
(1)解法一:设x1<x2,则===,
因为x1<x2,所以x2-x1>0.
当x1,x2∈(-∞,1]时,x1+x2-2<0,这时(x2-x1)(x2+x1-2)<0,
即>1,所以y2>y1,函数单调递增;
当x1、x2∈[1,+∞)时,x1+x2-2>0,这时(x2-x1)(x2+x1-2)>0,
即<1,所以y2<y1,函数单调递减;
所以函数y在(-∞,1]上单调递增,在[1,+∞)上单调递减.
解法二:(用复合函数的单调性)
设u=x2-2x,则y=u,
对任意的1<x1<x2,有u1<u2,又因为y=u是减函数,
所以y1>y2,所以y=在[1,+∞)是减函数.
对任意的x1<x2≤1,有u1>u2,又因为y=u是减函数,
所以y1<y2.所以y=在(-∞,1]上是增函数.
引申:求函数y=的值域(答案:0<y≤2).
点评:求复合函数的单调区间时,利用口诀“同增异减”.此题虽形式较为复杂,但应严格按照单调性的定义进行证明,还应要求学生注意不同题型的解答方法.
(2)证明:设x1,x2∈R,且x1<x2,则
f(x1)-f(x2)=-=-=.
由于指数函数y=2x在R上是增函数,且x1<x2,
所以2
x1<2
x2,即2
x1-2
x2<0.又由2x>0得2x1+1>0,2x2+1>0,
所以f(x1)-f(x2)<0,即f(x1)<f(x2).
因为此结论与a取值无关,所以对于a取任意实数,f(x)为增函数.
点评:上述证明过程中,在对差式正负判断时,利用了指数函数的值域及单调性.
1.函数y=a|x|(a>1)的图像是( ).
图7
解析:当x≥0时,y=a|x|=ax的图像过(0,1)点,在第一象限,图像下凸,是增函数.
答案:B
2.下列函数中,值域为(0,+∞)的函数是( ).
A.y=2-x
B.y=
C.y=
D.y=2x2+1
解析:因为(2-x)∈R,所以y=2-x∈(0,+∞);y=∈[0,1];y=∈[0,+∞);y=2x2+1∈[2,+∞).
答案:A
3.已知函数f(x)的定义域是(0,1),那么f(2x)的定义域是( ).
A.(0,1)
B.
C.(-∞,0)
D.(0,+∞)
解析:由题意得0<2x<1,即0<2x<20,所以x<0,即x∈(-∞,0).
答案:C
4.若集合A={y|y=2x,x∈R},B={y|y=x2,x∈R},则( ).
A.A?B
B.A?B
C.A=B
D.A∩B=
解析:A={y|y>0},B={y|y≥0},所以AB.
答案:A
5.对于函数f(x)定义域中的任意的x1,x2(x1≠x2),有如下的结论:
①f(x1+x2)=f(x1)·f(x2);②f(x1·x2)=f(x1)+f(x2);
③>0;④f<.
当f(x)=10x时,上述结论中正确的是__________.
解析:因为f(x)=10x,且x1≠x2,所以f(x1+x2)=10x1+x2=10x1·10x2=f(x1)·f(x2),所以①正确;
因为f(x1·x2)=10x1·x2≠10x1+10x2=f(x1)+f(x2),②不正确;
因为f(x)=10x是增函数,所以f(x1)-f(x2)与x1-x2同号,所以>0.所以③正确.
因为函数f(x)=10x的图像如图8所示是上凹下凸的,可解得④正确.
图8
答案:①③④
另解:④
∵10x1>0,10
x2>0,x1≠x2,∴>.∴>,
即>.∴>f.
在同一坐标系中作出下列函数的图像,讨论它们之间的联系.
(1)①y=3x,②y=3x+1,③y=3x-1;
(2)①y=x,②y=x-1,③y=x+1.
活动:学生动手画函数图像,教师点拨,学生没有思路教师可以提示.学生回忆函数作图的方法与步骤,按规定作出图像,特别是关键点.
答案:如图9及图10.
图9 图10
观察图9可以看出,y=3x,y=3x+1,y=3x-1的图像间有如下关系:
y=3x+1的图像由y=3x的图像左移1个单位得到;
y=3x-1的图像由y=3x的图像右移1个单位得到;
y=3x-1的图像由y=3x+1的图像向右移动2个单位得到.
观察图10可以看出,y=x,y=x-1,y=x+1的图像间有如下关系:
y=x+1的图像由y=x的图像左移1个单位得到;
y=x-1的图像由y=x的图像右移1个单位得到;
y=x-1的图像由y=x+1的图像右移2个单位得到.
你能推广到一般的情形吗?同学们留作思考.
思考
我们本堂课主要学习了哪些知识,你有什么收获?把你的收获写在笔记本上.
活动:教师用多媒体显示以下内容,学生互相交流学习心得,看是否与多媒体显示的内容一致.
本节课,在复习旧知识的基础上学习了数形结合的思想、函数与方程的思想,加深了对问题的分析能力,形成了一定的能力与方法.
习题3—3 A组3,6,7.
本堂课主要是复习巩固指数函数及其性质,涉及的内容较多,要首先组织学生回顾指数函数的性质.为此,必须利用函数图像,数形结合,通过数与形的相互转化,借助形的直观性解决问题.本节课要训练学生能够恰当地构造函数,根据函数的单调性比较大小,有时要分a>1,0<a<1,这是分类讨论的思想,因此加大了习题和练习的量,目的是让学生在较短的时间内,掌握学习的方法,提高分析问题和解决问题的能力,要加快速度,多运用现代化的教学手段.