4.1 指数与指数函数
4.1.1 有理指数
整数指数
an(n∈N+) 上式叫做 a 的 n 次幂;
a 叫做幂的 底数;
n 叫做幂的 指数;
并且规定: a1=a。
上式中,n 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)(2)(3)(4)am⋅an(am)nanam(ab)m=am+n=amn=am−n(m>n,a=0)=ambm 整数指数幂运算法则
在正整数幂运算法则 (3) 中,作了 m>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 a=0 时:
a3a3=a3−3=a0a5a3=a3−5=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,a5a3=a21 如果现在规定:
a0=1,a−2=a21 则上述运算就合理了。于是可以规定:
a0a−n=1(a=0)=an1(a=0,n∈N+) 由上面规定的 零指数幂 和 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,(a−b)0=1(a=b)10−3=1031=0.001(−21)−5=(−21)51=−3211=−32(2x)−3=2−3x−3=8x31(x=0)(r2x3)−2=r−4x−6=x6r40.0001=10−4b2a2=a2b−2c−1 分数指数
次方根式运算法则
xn=a(n>1,n∈N) 上式中 x 叫做 a 的 n 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 na
和 −na(n 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 na(n 为奇数)。
正数 a 的正 n 次方根叫做 a 的 n 次算数根。
当 na 有意义的时候,叫做 根式,n 叫做 根指数。
根据 n 次方根的定义,根式具有性质:
(na)n=a 当 n 为奇数时:
nn=a 当 n 为偶数时:
nn=∣a∣=⎩⎨⎧a(a≥0)−a(a<0)
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)(a31)3=a31⋅3=a(2)(a32)3=a32⋅3=a2 (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) 式含义是
a31 连乘 3 次得到 a,所以 a31 可以看作是 a 的 3 次方根;
(2) 式含义是 a32 连乘 3 次得到 a2,所以 a32
可以看作是 a2 的 3 次方根;所以规定
a31=3a,a32=3a2 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>0。于是当 a>0 时,定义:
an1=naanm=(na)m=nam(n,m∈N+,且nm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:
在 aα(a>0) 中,a 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 其中 a>0、b>0,α、β 为任意实数。
4.1.2 幂函数举例
y=xα(α∈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:
函数 y=x3 的定义域为 R。
y=x21 函数 y=x21 ,即 y=x ,定义域为 [0,+∞) 。
y=x−2 函数 y=x−2 ,即 y=x21 ,定义域为
(−∞,0)∪(0,+∞)
y=x−23 函数 y=x−23 ,即 y=x31 ,
其定义域为 0,+∞ 。
例 2:作出下列函数的图像
- y=x
- y=x21
- y=x2
- y=x−1
使用列表法
x | y=x | y=x21 | y=x2 | y=x−1 |
---|
... | ... | ... | ... | ... |
-3 | -3 | / | 9 | −31 |
-2 | -2 | / | 4 | −21 |
-1 | -1 | / | 1 | -1 |
0 | 0 | 0 | 0 | / |
1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
2 | 2 | 1.41 | 4 | 21 |
3 | 3 | 1.73 | 9 | 31 |
... | ... | ... | ... | ... |
使用图像法
从上例可以看到 幂函数 随着 α 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) 等。
4.1.3 指数函数
y=ax(a>0,a=1,x∈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=(21)x 使用列表法列出 x,y 的对应值
x | y=2x | y=(21)x |
---|
-3 | 81 | 8 |
-2 | 41 | 4 |
-1 | 21 | 2 |
0 | 1 | 1 |
1 | 2 | 21 |
2 | 4 | 41 |
3 | 8 | 81 |
使用描点法画出图像
从这个函数的对应值表和图像,可看到
y=2x 在 (−∞,+∞) 上是增函数,
y=(21)x 在 (−∞,+∞) 上是减函数。
这两个函数的任意函数值 y 都大于 0,且它们的图像都通过点 (0,1)。