4.3 指数函数与对数函数的关系
考点
学习目标
核心素养
反函数
了解反函数的概念,知道指数函数和对数函数互为反函数,弄清它们图像之间的对称关系
数学抽象
指数、对数函数的图像与性质的应用
利用指数、对数函数的图像与性质解决一些简单问题
数学抽象、数学运算
问题导学
预习教材P30-P31的内容,思考以下问题:
1.反函数是如何定义的?
2.互为反函数的函数有哪些性质?
1.一般地,如果在函数 y=f(x)中,给定值域中任意一个y的值,只有唯一的x与之对应,那么x是y的函数,这个函数称为y=f(x)的反函数.
2.一般地,函数 y=f(x)的反函数记作y=f-1(x). y=f(x)的定义域与y=f-1(x)的值域相同, y=f(x)的值域与y=f-1(x)的定义域相同, y=f(x)与y=f-1(x)的图像关于直线y=x对称.
3.如果y=f(x)是单调函数,那么它的反函数一定存在.如果y=f(x)是增函数,则y=f-1(x)也是增函数;如果y=f(x)是减函数,则y=f-1(x)也是减函数.
判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)函数y=的反函数是y=logx.( )
(2)函数y=log3x的反函数的值域为R.( )
(3)函数y=ex的图像与y=lg x的图像关于直线y=x对称.( )
答案:(1)× (2)× (3)×
函数f(x)=的反函数为g(x),那么g(x)的图像一定过点________.
解析:f(x)=的反函数为g(x)=logx,所以g(x)的图像一定过点(1,0).
答案:(1,0)
函数y=x+3的反函数为________.
解析:由y=x+3得x=y-3,
x,y互换得y=x-3,所以原函数的反函数为y=x-3.(x∈R).
答案:y=x-3(x∈R)
求反函数
写出下列函数的反函数:
(1)y=lg x;(2)y=5x+1;(3)y=()x;(4)y=x2(x≤0).
【解】 (1)y=lg x的底数为10,
它的反函数为指数函数y=10x.
(2)由y=5x+1,得x=,
所以反函数为y=(x∈R).
(3)y=()x的底数为,它的反函数为对数函数y=logx(x>0).
(4)由y=x2得x=±.
因为x≤0,
所以x=-.
所以反函数为y=-(x≥0).
求反函数的一般步骤
(1)求值域:由函数y=f(x)求y的范围.
(2)解出x:由y=f(x)解出x=f-1(y).若求出的x不唯一,要根据条件中x的范围决定取舍,只取一个.
(3)得反函数:将x,y互换得y=f-1(x),注意定义域.
函数y=+1(x≥1)的反函数是( )
A.y=x2-2x+2(x<1)
B.y=x2-2x+2(x≥1)
C.y=x2-2x(x<1)
D.y=x2-2x(x≥1)
解析:选B.由y=+1,得x=(y-1)2+1,
即x=y2-2y+2,
因为x≥1,所以y=+1≥1,
所以反函数为y=x2-2x+2(x≥1).
互为反函数的性质应用
已知函数y=ax+b(a>0且a≠1)的图像过点(1,4),其反函数的图像过点(2,0),求a,b的值.
【解】 因为y=ax+b的图像过点(1,4),
所以a+b=4.①
又因为y=ax+b的反函数图像过点(2,0),
所以点(0,2)在原函数y=ax+b的图像上.
所以a0+b=2.②
联立①②得a=3,b=1.
互为反函数的函数图像关于直线y=x对称是反函数的重要性质,由此可得互为反函数的函数图像上任一成对的相应点也关于直线y=x对称,所以若点(a,b)在函数y=f(x)的图像上,则点(b,a)必在其反函数y=f-1(x)的图像上.
已知f(x)=log3x,则f-1(4)=________.
解析:由log3x=4,得x=34=81.即f-1(4)=34=81.
答案:81
指数、对数函数图像与性质的应用
设方程2x+x-3=0的根为a,方程log2x+x-3=0的根为b,求a+b的值.
【解】 将方程整理得2x=-x+3,log2x=-x+3.
如图可知,
a是指数函数y=2x的图像与直线y=-x+3交点A的横坐标,b是对数函数y=log2x的图像与直线y=-x+3交点B的横坐标.
由于函数y=2x与y=log2x互为反函数,
所以它们的图像关于直线y=x对称,
由题意可得出A、B两点也关于直线y=x对称,
于是A、B两点的坐标为A(a,b),B(b,a).
而A、B都在直线y=-x+3上,
所以b=-a+3(A点坐标代入),
或a=-b+3(B点坐标代入),故a+b=3.
形如ax+kx=b(a>0且a≠0)或logax+kx=b(a>0且a≠1)的方程的求解常借助于函数图像,把求方程的根转化为求两函数图像的交点的横坐标问题.
函数f(x)=lg x+x-3的零点所在区间为( )
A.(0,1) B.(1,2)
C.(2,3) D.(3,+∞)
解析:选C.在同一平面直角坐标系中,画出函数y=lg x与y=-x+3的图像.它们交点的横坐标x0显然在区间(1,3)内,由此可排除A,D.至于选B还是选C,由于手工画图精确性的限制,单凭直观想象很难做出判断.实际上这是要比较x0与2的大小.
当x=2时,lg x=lg 2,-x+3=1,
由于lg 2<1,因此x0>2,从而得到x0∈(2,3),故选C.
1.函数y=logx(x>0)的反函数是( )
A.y=x,x>0 B.y=,x∈R
C.y=x2,x∈R D.y=2x,x∈R
解析:选B.互为反函数的一组对数函数和指数函数的底数相同.
2.若函数f(x)是函数y=ax(a>0,且a≠1)的反函数,且f(2)=1,则f(x)等于( )
A.log2x B.
C.logx D.2x-2
解析:选A.y=ax的反函数f(x)=logax,
则1=loga2,
所以a=2.所以f(x)=log2x.
3.已知函数y=ax与y=logax(a>0且a≠1),下列说法不正确的是( )
A.两者的图像关于直线y=x对称
B.前者的定义域、值域分别是后者的值域、定义域
C.两函数在各自的定义域内的增减性相同
D.y=ax的图像经过平移可得到y=logax的图像
解析:选D.由反函数的定义及互为反函数的函数图像间的对称关系可知A、B、C选项均正确.
4.已知y=的反函数为y=f(x),若f(x0)=-,则x0等于( )
A.-2 B.-1
C.2 D.
解析:选C.y=的反函数是f(x)=logx,
所以f(x0)=logx0=-.
所以x0==-=2.
[A 基础达标]
1.函数y=3x(0<x≤2)的反函数的定义域为( )
A.(0,+∞) B.(1,9]
C.(0,1) D.[9,+∞)
解析:选B.由于反函数的定义域为原函数的值域,
因为0<x≤2,所以y=3x∈(1,9],故y=3x(0<x≤2)的反函数的定义域为(1,9].
2.函数y=-(x≤1)的反函数是( )
A.y=x2-1(-1≤x≤0) B.y=x2-1(0≤x≤1)
C.y=1-x2(x≤0) D.y=1-x2(0≤x≤1)
解析:选C.因为x≤1,所以-x≥-1,1-x≥0,所以≥0,所以-≤0,所以y≤0.
原函数的值域应与反函数的定义域相同,所以选项中只有C的定义域满足小于等于0.
3.设函数f(x)=loga(x+b)(a>0,且a≠1)的图像过点(2,1),其反函数图像过点(2,8),则a+b等于( )
A.6 B.5
C.4 D.3
解析:选C.由题意,知f(x)=loga(x+b)的图像过点(2,1)和(8,2),所以
所以
解得所以a+b=4.
4.函数y=f(x)的图像经过第三、四象限,则y=f-1(x)的图像经过( )
A.第一、二象限 B.第二、三象限
C.第三、四象限 D.第一、四象限
解析:选B.因为第三、四象限关于y=x对称的象限为第三、二象限,故y=f-1(x)的图像经过第二、三象限.
5.设函数f(x)=log2x+3,x∈[1,+∞),则f-1(x)的定义域是________.
解析:f-1(x)的定义域为f(x)的值域,
因为x≥1,所以log2x≥0,
所以log2x+3≥3,
所以f-1(x)的定义域为[3,+∞).
答案:[3,+∞)
6.若函数f(x)=y=2x+1的反函数为f-1(x),则f-1(-2)=________.
解析:法一:函数f(x)的值域为R,由y=2x+1,得x=,
故f-1(x)=,
故f-1(-2)==-.
法二:由互为反函数的两函数定义域、值域的关系,令2x+1=-2,得x=-.
故f-1(-2)=-.
答案:-
7.对任意不等于1的正数a,函数f(x)=loga(x+3)的反函数的图像都过点P,则点P的坐标是________.
解析:当x=-2时,
f(x)=loga(-2+3)=0,
所以f(x)恒过(-2,0)点,即反函数的图像恒过点P(0,-2).
答案:(0,-2)
8.求下列函数的反函数.
(1)f(x)=;
(2)f(x)=1-(-1≤x<0).
解:(1)设y=f(x)=,则y≠0.
由y=,解得x=.
所以f-1(x)=(x≠0).
(2)设y=f(x)=1-.
因为-1≤x<0,所以0<y≤1.
由y=1-,解得x=-.
所以f-1(x)=-(0<x≤1).
9.已知函数f(x)=loga(2-x)(a>1).
(1)求函数f(x)的定义域、值域;
(2)求函数f(x)的反函数f-1(x);
(3)判断f-1(x)的单调性.
解:(1)要使函数f(x)有意义,需满足2-x>0,即x<2,
故原函数f(x)的定义域为(-∞,2),值域为R.
(2)由f(x)=y=loga(2-x),得2-x=ay,
即x=2-ay.
所以f-1(x)=2-ax(x∈R).
(3)f-1(x)在R上是减函数.
证明如下:
任取x1,x2∈R且x1
因为f-1(x2)-f-1(x1)=2-ax2-2+ax1=ax1-ax2,
因为a>1,x1所以ax1所以f-1(x2)所以y=f-1(x)在R上是减函数.
[B 能力提升]
10.函数y=ln 2x(x>0)的反函数是( )
A.y=ex(x∈R) B.y=e2x(x∈R)
C.y=2ex(x∈R) D.y=e(x∈R)
解析:选A.由y=ln 2x(x>0),得x=ey,
所以所求的反函数是y=ex(x∈R).
11.已知a>0,且a≠1,函数y=ax与y=loga(-x)的图像只能是图中的( )
解析:选B.y=ax与y=logax互为反函数,图像关于直线y=x对称.而y=loga(-x)与y=logax关于y轴对称.
因为在y=loga(-x)中,-x>0,即x<0,
所以排除A、C.当012.已知f(x)=(a>0),若f-1(x)的定义域是,则f(x)的定义域是________.
解析:f-1(x)的定义域即为f(x)的值域,所以≤≤.又a>0,所以4≤x≤7.所以f(x)的定义域为[4,7].
答案:[4,7]
13.已知函数f(x)=x2-2ax-3在区间[1,2]上存在反函数,求a的取值范围.
解:若函数f(x)在区间[1,2]上存在反函数,则f(x)在[1,2]上为单调函数,
f(x)=x2-2ax-3的对称轴是直线x=a,
要使f(x)=x2-2ax-3在区间[1,2]上为单调函数,
则[1,2]?(-∞,a]或[1,2]?[a,+∞),
即a≥2或a≤1.
所以a的取值范围是(-∞,1]∪[2,+∞).
[C 拓展探究]
14.已知函数f(x)=3x,且f-1(18)=a+2,g(x)=3ax-4x的定义域为[0,1].
(1)求g(x)的解析式;
(2)求g(x)的值域.
解:(1)因为f(x)=3x,且f-1(18)=a+2,
所以f(a+2)=3a+2=18.
所以3a=2.
因为g(x)=3ax-4x=(3a)x-4x,
所以g(x)=2x-4x(0≤x≤1).
(2)令t=2x(0≤x≤1),
所以t∈[1,2].
则g(x)=y=-t2+t=-+.
所以当t=1,即x=0时,g(x)max=0;
当t=2,即x=1时,g(x)min=-2.
故g(x)的值域为[-2,0].