指數(shù)函數(shù)與對(duì)數(shù)函數(shù)常見典型考題賞析
2023-11-29 10:02:02張文偉
中學(xué)生數(shù)理化·高一版 2023年11期
■趙 昆 張文偉
指數(shù)函數(shù)與對(duì)數(shù)函數(shù)是基本的初等函數(shù),指數(shù)函數(shù)與對(duì)數(shù)函數(shù)是高考的常考點(diǎn)。這部分的主要知識(shí)點(diǎn)有:指數(shù)、對(duì)數(shù)的化簡(jiǎn)與求值,指數(shù)函數(shù)與對(duì)數(shù)函數(shù)的圖像與性質(zhì)的應(yīng)用,利用指數(shù)函數(shù)和對(duì)數(shù)函數(shù)解決某些簡(jiǎn)單的實(shí)際問題,函數(shù)的零點(diǎn)問題,函數(shù)模型的應(yīng)用問題等。
題型1:有條件的根式的化簡(jiǎn)
有條件根式的化簡(jiǎn)問題,是指被開方數(shù)或被開方的表達(dá)式可以通過配方、拆分等方式進(jìn)行化簡(jiǎn)。有條件根式的化簡(jiǎn)經(jīng)常用到配方法。當(dāng)根指數(shù)為偶數(shù)時(shí),利用公式化簡(jiǎn),要考慮被開方數(shù)或被開方的表達(dá)式的正負(fù)。
例1已知,求下列各式的值。
(1)a+a-1。 (2)a2+a-2。
題型2:指數(shù)式與對(duì)數(shù)式的互化
將指數(shù)式化為對(duì)數(shù)式,只需要將冪作為真數(shù),指數(shù)當(dāng)成對(duì)數(shù)值,底數(shù)不變,即可得到對(duì)數(shù)式;將對(duì)數(shù)式化為指數(shù)式,只需將真數(shù)作為冪,對(duì)數(shù)作為指數(shù),底數(shù)不變,即可得到指數(shù)式。
例2將下列指數(shù)式與對(duì)數(shù)式互化。
跟蹤訓(xùn)練2:下列指數(shù)式與對(duì)數(shù)式互化不正確的一組是( )。
A.e0=1與ln1=0
C.log39=2與=3
D.log77=1與71=7
題型3:指數(shù)函數(shù)的定義域與值域問題
對(duì)于y=af(x)這類函數(shù),①定義域是指使f(x)有意義的x取值范圍。②值域應(yīng)分以下兩步求解:由定義域求出u=f(x)的值域;利用指數(shù)函數(shù)y=au的單調(diào)性或利用圖像求出此函數(shù)的值域。對(duì)于y=(ax)2+b·ax+c這類函數(shù),①定義域是R。②值域可分以下兩步求解:設(shè)t=ax,求出t的范圍;由二次函數(shù)y=t2+bt+c,結(jié)合配方法求出值域。
例3若函數(shù)的值域?yàn)閇0,+∞),則實(shí)數(shù)a的取值范圍是____。
解:設(shè)g(x)=4x+a·2x+1。若函數(shù)的值域?yàn)閇0,+∞),則等價(jià)于[0,+ ∞)是g(x)值域的子集。g(x)=4x+a·2x+1=(2x)2+a·2x+1,設(shè)t=2x,則t>0,所以g(x)等價(jià)于y=h(t)=t2+at+1。
因?yàn)閔(0)=1>0,所以當(dāng)對(duì)稱軸t=,即a≥0 時(shí),不滿足條件。當(dāng)t=,即a<0時(shí),由判別式Δ=a2-4≥0,即可得a≤-2。故所求實(shí)數(shù)a的取值范圍是(-∞,-2]。
A.(0,1) B.(0,1]
C.(-1,1) D.[-1,1]
題型4:指數(shù)函數(shù)的圖像與性質(zhì)問題
對(duì)于函數(shù)y=af(x)+b(其中b是常數(shù)),令f(x)=0,解得x0,y=b+1,則此函數(shù)過定點(diǎn)(x0,1+b)。函數(shù)y=a|x|(a>0,且a≠1)是偶函數(shù),圖像關(guān)于y軸對(duì)稱,當(dāng)x>0時(shí)的圖像即為函數(shù)y=ax的圖像。根據(jù)指數(shù)函數(shù)圖像判斷底數(shù)大小的方法:作直線y=1與所給圖像相交,交點(diǎn)的縱坐標(biāo)即為各個(gè)底數(shù),在第一象限內(nèi),自下向上,圖像對(duì)應(yīng)的指數(shù)函數(shù)的底數(shù)逐漸變大,即遵循“圖高指大”的原則。如指數(shù)函數(shù)y=ax1,y=ax2,y=ax3,y=的 圖 像 如 圖1 所示,其中0 圖1 指數(shù)函數(shù)性質(zhì)記憶口訣:若底數(shù)大于1,圖像從下往上增;底數(shù)在0到1之間,圖像從上往下減;無論函數(shù)增和減,圖像都過(0,1)點(diǎn)。 例4若直線y=2a與函數(shù)y=|ax-1|(a>0,a≠1)的圖像有兩個(gè)公共點(diǎn),則a的取值范圍是_____。 解:由0 圖2 圖3 函數(shù)單調(diào)性的判斷方法:一般地,增函數(shù)與增函數(shù)的和為增函數(shù),增函數(shù)與減函數(shù)的差為增函數(shù)。復(fù)合函數(shù)的單調(diào)性遵循“同增異減”的法則。對(duì)于與對(duì)數(shù)函數(shù)有關(guān)的復(fù)合函數(shù),要注意真數(shù)恒大于零的情況。 例5(1)函數(shù)f(x)=log3(-x2+2x+3)的單調(diào)減區(qū)間是( )。 A.(-3,1) B.(1,3]C.(-1,1) D.(1,3) (2)已知f(x)=loga(3-2ax)在[1,2]上是增函數(shù),則實(shí)數(shù)a的取值范圍是( )。 解:(1)由題意得-x2+2x+3>0,即(x+1)(x-3)<0,解得x∈(-1,3)。 函數(shù)f(x)=log3(-x2+2x+3)的減區(qū)間,即為y=-x2+2x+3 的減區(qū)間。y=-x2+2x+3的對(duì)稱軸為x=1,結(jié)合二次函數(shù)的單調(diào)性,可得f(x)=log3(-x2+4x+5)的減區(qū)間為(1,3)。應(yīng)選D。 (2)令y=logau,a>0 且a≠1,u=3-2ax。因?yàn)閒(x)在[1,2]上是增函數(shù),u=3-2ax在[1,2]上是減函數(shù),所以y=logau是減函數(shù),且u>0 恒成立,即解得。應(yīng)選C。 跟蹤訓(xùn)練5:已知函數(shù)f(x)=lg(x2-4x-5)在(a,+∞)上單調(diào)遞增,則a的取值范圍是( )。 A.(2,+∞) B.[2,+∞)C.(5,+∞) D.[5,+∞) 提示:由x2-4x-5>0,可得x<-1或x>5。令t=x2-4x-5。外層函數(shù)y=lgt在定義域內(nèi)是增函數(shù),要使f(x)=lg(x2-4x-5)在(a,+∞)上單調(diào)遞增,只需內(nèi)層函數(shù)t=x2-4x-5在(a,+∞)上單調(diào)遞增且恒大于0,所以(a,+∞)?(5,+∞),即a≥5。應(yīng)選D。 若底數(shù)為同一常數(shù),則可由對(duì)數(shù)函數(shù)的單調(diào)性直接進(jìn)行比較。若底數(shù)為同一字母,則根據(jù)對(duì)數(shù)函數(shù)單調(diào)性,對(duì)底數(shù)進(jìn)行分類討論。若底數(shù)不同,真數(shù)相同,則可以先用換底公式化為同底后再進(jìn)行比較,也可以利用順時(shí)針方向底數(shù)增大的規(guī)律畫出函數(shù)的圖像,再進(jìn)行比較。若底數(shù)與真數(shù)都不同,則可借助1,0等中間量進(jìn)行比較。 例6比較下列各組數(shù)中兩個(gè)值的大小。 (1)log23.4,log28.5。 (2)log0.31.8,log0.32.7。 (3)loga5.1,loga5.9(a>0,且a≠1)。 解:(1)對(duì)數(shù)函數(shù)f(x)=log2x在(0,+∞)上為增函數(shù),因?yàn)?.4<8.5,所以log23.4 (2)對(duì)數(shù)函數(shù)f(x)=log0.3x在(0,+∞)上為減函數(shù),因?yàn)?.8<2.7,所以log0.31.8>log0.32.7。 (3)當(dāng)0 跟蹤訓(xùn)練6:已知a=log20.3,b=0.31.3,c=21.3,則a,b,c的大小關(guān)系是( )。 A.a C.b 提示:因?yàn)閍=log20.3 當(dāng)函數(shù)y=m+logaf(x)(a>0,且a≠1)的圖像過定點(diǎn)時(shí),只需令f(x)=1,求出x,即得定點(diǎn)為(x,m)。根據(jù)對(duì)數(shù)函數(shù)圖像判斷底數(shù)大小的方法:作直線y=1與所給圖像相交,交點(diǎn)的橫坐標(biāo)即為各個(gè)底數(shù),在第一象限內(nèi),自左向右,圖像對(duì)應(yīng)的對(duì)數(shù)函數(shù)的底數(shù)逐漸變大,即可比較底數(shù)的大小。因?yàn)閷?duì)數(shù)函數(shù)的單調(diào)性與底數(shù)有關(guān),所以要注意是否需要分類討論。 例7函數(shù)y=loga(-x)(a>0且a≠1)與函數(shù)y=ax(a>0且a≠1)在同一直角坐標(biāo)系內(nèi)的圖像可能是( )。 解:當(dāng)0 跟蹤訓(xùn)練7:已知函數(shù)f(x)=,a為常數(shù)。 (1)若a=-2,求證f(x)為奇函數(shù),并指出f(x)的單調(diào)區(qū)間。 提示:(1)當(dāng)a=-2 時(shí),函數(shù)f(x)=,所以函數(shù)f(x)的定義域?yàn)?/p> 求函數(shù)的零點(diǎn)的兩種常用方法:代數(shù)法,根據(jù)零點(diǎn)的定義,解方程f(x)=0,它的實(shí)數(shù)解就是函數(shù)y=f(x)的零點(diǎn);幾何法,若方程f(x)=0 無法求解,可以根據(jù)函數(shù)y=f(x)的圖像與性質(zhì)求出零點(diǎn)。 例8若函數(shù)f(x)=ax+b(a≠0)的零點(diǎn)是2,則函數(shù)g(x)=ax2+bx的零點(diǎn)是( )。 A.2 B.2和0 C.0 D.-2和0 解:由題意知f(2)=0,所以b=-2a,所以g(x)=ax2+bx=ax(x-2)。令g(x)=0,可得g(x)的零點(diǎn)為0和2。應(yīng)選B。 跟蹤訓(xùn)練8:已知函數(shù)f(x)=則函數(shù)f(x)的零點(diǎn)為( )。 提示:當(dāng)x≤1時(shí),令f(x)=2x-1=0,解得x=0。當(dāng)x>1 時(shí),令f(x)=1+log2x=0,解得,因?yàn)閤>1,所以此時(shí)方程無解。綜上所述,函數(shù)f(x)的零點(diǎn)只有0。應(yīng)選D。 判斷函數(shù)的零點(diǎn)所在區(qū)間的三個(gè)步驟:將區(qū)間端點(diǎn)值代入解析式求出函數(shù)的值;把所得的函數(shù)值相乘,并進(jìn)行符號(hào)判斷;若符號(hào)為正且函數(shù)在該區(qū)間內(nèi)是單調(diào)函數(shù),則在該區(qū)間內(nèi)無零點(diǎn),若符號(hào)為負(fù)且函數(shù)連續(xù),則在該區(qū)間內(nèi)至少有一個(gè)零點(diǎn)。 例9函數(shù)f(x)=lnx+x3-9的零點(diǎn)所在的區(qū)間為( )。 A.(0,1) B.(1,2) C.(2,3) D.(3,4) 解:由題意得x>0,且f(x)在其定義域內(nèi)為增函數(shù)。因?yàn)閒(2)=ln2-1<0,f(3)=ln3+18>0,所以此函數(shù)的零點(diǎn)在區(qū)間(2,3)內(nèi)。應(yīng)選C。 跟蹤訓(xùn)練9:函數(shù)f(x)=2x+x-4的零點(diǎn)所在的區(qū)間是( )。 A.(-1,0) B.(2,3) C.(0,1) D.(1,2) 判斷函數(shù)零點(diǎn)的個(gè)數(shù)的三種方法:方程法,若方程f(x)=0的解可求或能判斷解的個(gè)數(shù),可通過方程的解來判斷函數(shù)是否存在零點(diǎn)或判斷零點(diǎn)的個(gè)數(shù);圖像法,由f(x)=g(x)-h(x)=0,得g(x)=h(x),在同一坐標(biāo)系內(nèi)畫出y1=g(x)和y2=h(x)的圖像,根據(jù)兩個(gè)圖像交點(diǎn)的個(gè)數(shù)來判斷函數(shù)零點(diǎn)的個(gè)數(shù);定理法,函數(shù)y=f(x)的圖像在區(qū)間[a,b]上是一條連續(xù)不斷的曲線,由f(a)·f(b)<0即可判斷函數(shù)y=f(x)在區(qū)間(a,b)內(nèi)至少有一個(gè)零點(diǎn),若函數(shù)y=f(x)在區(qū)間(a,b)上是單調(diào)函數(shù),則函數(shù)f(x)在區(qū)間(a,b)內(nèi)只有一個(gè)零點(diǎn)。 例10(1)函數(shù)的零點(diǎn)個(gè)數(shù)為( )。 A.0 B.1 C.2 D.3 (2)方程lnx+x=0的實(shí)數(shù)解的個(gè)數(shù)為( )。 A.1 B.2 C.3 D.0 解:(1)令y=0,則=0,即-x2+x+5=0。因?yàn)棣?1+20>0,所以該方程有兩個(gè)不同的根,且均滿足函數(shù)的定義域。故該函數(shù)有兩個(gè)零點(diǎn)。應(yīng)選C。 (2)方程lnx+x=0 的實(shí)數(shù)解的個(gè)數(shù),即為方程lnx=-x的實(shí)數(shù)解的個(gè)數(shù),也就是函數(shù)y=lnx與函數(shù)y=-x圖像的交點(diǎn)的個(gè)數(shù)。在同一直角坐標(biāo)系中,畫出函數(shù)y=lnx與函數(shù)y=-x的圖像,如圖4所示。 圖4 由圖像可知,y=lnx與y=-x的圖像只有一個(gè)交點(diǎn),所以方程lnx+x=0的實(shí)數(shù)解的個(gè)數(shù)為1。應(yīng)選A。 跟蹤訓(xùn)練10:函數(shù)f(x)=2x·|ln(x+1)|-4的零點(diǎn)個(gè)數(shù)為_____。 提示:令f(x)=2x·|ln(x+1)|-4=0,則。在同一直角坐標(biāo)系中,畫出函數(shù)y=|ln(x+1)|與y=22-x的大致圖像,如圖5所示。 圖5 由圖像可知,當(dāng)x→-1時(shí),y=|ln(x+1)|→+∞,則函數(shù)y=|ln(x+1)|與y=22-x的圖像必有兩個(gè)交點(diǎn),所以方程有兩個(gè)不同的實(shí)根,所以函數(shù)f(x)=2x·|ln(x+1)|-4的零點(diǎn)個(gè)數(shù)為2。 將方程轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的函數(shù),根據(jù)二分法求方程近似解的步驟循環(huán)進(jìn)行,直到方程近似解所在的區(qū)間符合精確度要求。對(duì)于區(qū)間內(nèi)的任一點(diǎn),都可以作為零點(diǎn)的近似解,一般取端點(diǎn)作為零點(diǎn)的近似解。 例11在用“二分法”求函數(shù)f(x)零點(diǎn)的近似值時(shí),第1 次所取的區(qū)間是[-2,4],則第3次所取的區(qū)間可能是( )。 A.[1,4] B.[-2,1] 解:因?yàn)榈? 次所取的區(qū)間是[-2,4],所以第2次所取的區(qū)間可能為[-2,1],[1,4],所以第3 次所取的區(qū)間可能為。應(yīng)選D。 跟蹤訓(xùn)練11:下列函數(shù)圖像與x軸均有公共點(diǎn),其中能用二分法求零點(diǎn)的是( )。 提示:能用二分法求零點(diǎn)的函數(shù)必須在給定區(qū)間[a,b]上連續(xù)不斷,且f(a)·f(b)<0,A,B中不存在f(x)<0,D 中函數(shù)不連續(xù)。應(yīng)選C。 線性函數(shù)模型y=kx+b(k>0)的增長(zhǎng)特點(diǎn)是直線上升,其增長(zhǎng)速度不變。指數(shù)函數(shù)模型y=ax(a>1)的增長(zhǎng)特點(diǎn)是隨著自變量的增大,函數(shù)值增大的速度越來越快,即增長(zhǎng)速度急劇,形象地稱為“指數(shù)爆炸”。對(duì)數(shù)函數(shù)模型y=logax(a>1)的增長(zhǎng)特點(diǎn)是隨著自變量的增大,函數(shù)值增大的速度越來越慢,即增長(zhǎng)速度平緩。冪函數(shù)y=xn(n>0)的增長(zhǎng)速度介于指數(shù)增長(zhǎng)和對(duì)數(shù)增長(zhǎng)之間。提醒:函數(shù)值的大小不等同于增長(zhǎng)速度的大小,數(shù)值大不一定增長(zhǎng)速度大,增長(zhǎng)速度體現(xiàn)在函數(shù)值的變化趨勢(shì)上。 例12一種藥在病人血液中的量保持1500mg以上才有效,而低于500mg病人就有危險(xiǎn)。 現(xiàn)給某病人注射了這種藥2500mg,如果藥在血液中以每小時(shí)20%的比例衰減,為了充分發(fā)揮藥物的利用價(jià)值,那么從現(xiàn)在起經(jīng)過( )向病人的血液補(bǔ)充這種藥,才能保持療效。(參考數(shù)據(jù):lg2=0.301,lg3=0.4771,答案采取四舍五入精確到0.1h) A.2.3h B.3.5h C.5.6h D.8.8h 解:設(shè)從現(xiàn)在起經(jīng)過xh 向病人的血液補(bǔ)充這種藥,才能保持療效。由2500×0.8x=1500,可得0.8x=0.6,所以lg0.8x=lg0.6,即xlg0.8=lg0.6,所以≈2.3(h)。應(yīng)選A。 跟蹤訓(xùn)練12:某品牌牛奶的保質(zhì)期y(單位:天)與儲(chǔ)存溫度x(單位:℃)滿足函數(shù)關(guān)系y=akx+b(a>0,且a≠1)。該品牌牛奶在0℃的保質(zhì)期為270 天,在8 ℃的保質(zhì)期為180 天,則該品牌牛奶在24 ℃的保質(zhì)期是( )。 A.60天 B.70天 C.80天 D.90天
題型5:對(duì)數(shù)函數(shù)的單調(diào)性問題
題型6:對(duì)數(shù)式的比較大小問題
題型7:對(duì)數(shù)函數(shù)的圖像與性質(zhì)的應(yīng)用
題型8:求函數(shù)的零點(diǎn)問題
題型9:判斷函數(shù)的零點(diǎn)所在的區(qū)間
題型10:判斷函數(shù)零點(diǎn)的個(gè)數(shù)問題
題型11:二分法求方程的近似解
題型12:常見的函數(shù)模型及增長(zhǎng)特點(diǎn)
