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4.1 指数与指数函数

4.1.1 有理指数

整数指数

an(nN+)\Huge a^n \quad (n \in \mathbf{N_+})

上式叫做 aann 次幂aa 叫做幂的 底数nn 叫做幂的 指数

并且规定: a1=a\LARGE a^1 = a

上式中,nn 必须为正整数,所以这样的幂叫做 正整数指数幂

正整数幂运算法则

(1)aman=am+n(2)(am)n=amn(3)aman=amn(m>n,a0)(4)(ab)m=ambm\LARGE \begin{align*} &(1) \quad & a^m \sdot a^n &= a^{m + n} \\ &(2) \quad & (a^m)^n &= a^{mn} \\ &(3) \quad & \frac{a^m}{a^n} &= a^{m - n} \quad (m > n, a \not = 0)\\ &(4) \quad & (ab)^m &= a^m b^m \end{align*}

整数指数幂运算法则

在正整数幂运算法则 (3)(3) 中,作了 m>nm > n 的限制。 如果取消这种限制,则 正整指数幂 可以推广到 整数指数幂

例如,当 a0a \not = 0 时:

a3a3=a33=a0a3a5=a35=a2\large \frac{a^3}{a^3} = a^{3 - 3} = a^0 \qquad \frac{a^3}{a^5} = a^{3 - 5} = a^{-2}

这些结果不能用 正整指数幂 的定义来解释。但已知:

a3a3=1,a3a5=1a2\large \frac{a^3}{a^3} = 1, \quad \frac{a^3}{a^5} = \frac{1}{a^2}

如果现在规定:

a0=1,a2=1a2\large a^0 = 1, \quad a^{-2} = \frac{1}{a^2}

则上述运算就合理了。于是可以规定:

a0=1(a0)an=1an(a0,nN+)\LARGE \begin{align*} a^0 &= 1 \quad (a \not = 0) \\ a^{-n} &= \frac{1}{a^n} \quad (a \not = 0, n \in \mathbf{N_+}) \end{align*}

由上面规定的 零指数幂负整指数幂 的意义,就把 正整指数幂 推广到 整数指数幂, 并且 正整指数幂 的运算法则对 整数指数幂 仍然成立。例如:

80=1,(0.8)0=1,(ab)0=1(ab)103=1103=0.001(12)5=1(12)5=1132=32(2x)3=23x3=18x3(x0)(x3r2)2=x6r4=r4x60.0001=104a2b2=a2b2c1\large 8^0 = 1, \qquad (-0.8)^0 = 1, \qquad (a - b)^0 = 1 \quad (a \not = b) \\ 10^{-3} = \frac{1}{10^3} = 0.001 \\ (- \frac{1}{2})^{-5} = \frac{1}{(- \frac{1}{2})^5} = \frac{1}{- \frac{1}{32}} = -32 \\ (2x)^{-3} = 2^{-3} x^{-3} = \frac{1}{8x^3} \quad (x \not = 0) \\ (\frac{x^3}{r^2})^{-2} = \frac{x^{-6}}{r^{-4}} = \frac{r^4}{x^6} \\ 0.0001 = 10^{-4} \\ \frac{a^2}{b^2} = a^2 b^{-2} c^{-1}

分数指数

次方根式运算法则

xn=a(n>1,nN)\Huge x^n = a \quad (n > 1, n \in \mathbf{N})

上式中 xx 叫做 aann 次方根

在实数范围内,正数的偶次方根有两个,它们互为 相反数,分别表示为 an\sqrt[n]{a}an- \sqrt[n]{a}nn 为偶数);

负数的偶次方根没有意义。 正数的奇次方根是一个正数,负数的奇次方根是一个负数,都表示为 an\sqrt[n]{a}nn 为奇数)。

正数 aa 的正 nn 次方根叫做 aann 次算数根

an\sqrt[n]{a} 有意义的时候,叫做 根式nn 叫做 根指数

根据 nn 次方根的定义,根式具有性质:

  1. (an)n=a\Large (\sqrt[n]{a})^n = a
    • nn 为奇数时:

      nn=a\Large \sqrt[n]{n} = a
    • nn 为偶数时:

      nn=a={a(a0)a(a<0)\Large \sqrt[n]{n} = |a| = \begin{cases} a \quad (a \ge 0) \\ -a \quad (a < 0) \end{cases}

正分数指数幂运算法则

还可以把 整数指数幂 推广到 正分数指数幂。 在上述性质 2 中,若 幂指数 取正分数,例如:

(1)(a13)3=a133=a(2)(a23)3=a233=a2\Large \begin{align*} &(1) \qquad (a^ \frac{1}{3})^3 = a^{\frac{1}{3} \sdot 3} = a \\ &(2) \qquad (a^ \frac{2}{3})^3 = a^{\frac{2}{3} \sdot 3} = a^2 \end{align*}

(1)(2)(1)(2) 式的运算虽然无法用 整数指数幂 的定义来解释,但是 (1)(1) 式含义是 a13a^ \frac{1}{3} 连乘 33 次得到 aa,所以 a13a^ \frac{1}{3} 可以看作是 aa 的 3 次方根; (2)(2) 式含义是 a23a^ \frac{2}{3} 连乘 33 次得到 a2a^2,所以 a23a^ \frac{2}{3} 可以看作是 a2a^2 的 3 次方根;所以规定

a13=a3,a23=a23\Large a^ \frac{1}{3} = \sqrt[3]{a}, \qquad a^ \frac{2}{3} = \sqrt[3]{a^2}

是合理的。这样 分数指数幂 运算就能像 整数指数幂 那样运算了。

有理数指数幂运算法则

约定底数 a>0a > 0。于是当 a>0a > 0 时,定义:

a1n=anamn=(an)m=amn(n,mN+,mn为既约分数)\Large a^{\frac{1}{n}} = \sqrt[n]{a} \\ a^{\frac{m}{n}} = (\sqrt[n]{a})^m = \sqrt[n]{a^m} \quad (n, m \in \mathbf{N_+} , \text{且} \frac{m}{n} \text{为既约分数})

至此,已把 整数指数幂 推广到 有理数指数幂

实数指数幂运算法则

有理数指数幂 还可以推广到 实数指数幂

aα(a>0)a^ \alpha \quad (a > 0) 中,aa 可以为任意实数。 实数指数幂有如下三条运算法则:

aαbβ=aα+β(aα)β=aαβ(ab)α=aαbα\Huge a^ \alpha b^ \beta = a^{\alpha + \beta} \\ (a^ \alpha)^ \beta = a^ {\alpha \beta} \\ (ab)^ \alpha = a^ \alpha b^ \alpha

其中 a>0a > 0b>0b > 0α\alphaβ\beta 为任意实数。

4.1.2 幂函数举例

y=xα(αR)\Huge y = x^ \alpha \quad (\alpha \in \mathbf{R})

形如上式的函数叫做 幂函数

例 1:写出下列函数的定义域:

y=x3\LARGE y = x^3

函数 y=x3y = x^3 的定义域为 R\mathbf{R}


y=x12\LARGE y = x^{\frac{1}{2}}

函数 y=x12y = x^{\frac{1}{2}} ,即 y=xy = \sqrt{x} ,定义域为 [0,+)[0, + \infty)


y=x2\LARGE y = x^{-2}

函数 y=x2y = x^{-2} ,即 y=1x2y = \frac{1}{x^2} ,定义域为 (,0)(0,+)\large (- \infty , 0) \cup (0, + \infty )


y=x32\LARGE y = x^{- \frac{3}{2} }

函数 y=x32y = x^{- \frac{3}{2} } ,即 y=1x3y = \frac{1}{\sqrt{x^3}} , 其定义域为 0,+0, + \infty

例 2:作出下列函数的图像

  1. y=x\LARGE y = x
  2. y=x12\LARGE y = x^{\frac{1}{2}}
  3. y=x2\LARGE y = x^2
  4. y=x1\LARGE y = x^{-1}

使用列表法

xxy=xy = xy=x12y = x^ \frac{1}{2}y=x2y = x^2y=x1y = x^{-1}
...............
-3-3/913- \frac{1}{3}
-2-2/412- \frac{1}{2}
-1-1/1-1
0000/
11111
221.41412\frac{1}{2}
331.73913\frac{1}{3}
...............

使用图像法

从上例可以看到 幂函数 随着 α\alpha 的取值不同,它们的性质和图像也不尽相同, 但也有一些共性,例如,所有的幂函数都通过点 (1,1)(1, 1)

4.1.3 指数函数

y=ax(a>0,a1,xR)\Huge y = a^x \quad (a > 0, a \not = 1, x \in \mathbf{R})

上式叫做 指数函数

现在来研究指数函数的图像和性质,先画出一些指数函数的图像。

y=2xy=(12)xy = 2^x \qquad y = (\frac{1}{2}) ^x

使用列表法列出 x,yx, y 的对应值

xy=2xy = 2^xy=(12)xy = (\frac{1}{2})^x
-318\frac{1}{8}8
-214\frac{1}{4}4
-112\frac{1}{2}2
011
1212\frac{1}{2}
2414\frac{1}{4}
3818\frac{1}{8}

使用描点法画出图像

分析

从这个函数的对应值表和图像,可看到 y=2xy = 2^x(,+)(- \infty , + \infty) 上是增函数, y=(12)xy = (\frac{1}{2})^x(,+)(- \infty , + \infty) 上是减函数。 这两个函数的任意函数值 yy 都大于 0,且它们的图像都通过点 (0,1)(0, 1)