Показательная функция ее свойства и графики примеры. Урок «Показательная функция, ее свойства и график
Найдем значение выражения при различных рациональных значениях переменной х=2; 0; -3; -
Заметим, какое бы число вместо переменной икс мы не подставили, всегда можно найти значение данного выражения. Значит, мы рассматриваем показательную функцию (игрек равен три в степени икс), определенную на множестве рациональных чисел: .
Построим график данной функции, составив таблицу ее значений.
Проведем плавную линию, проходящую через данные точки (рис 1)
Используя график данной функции, рассмотрим ее свойства:
3.Возрастает на всей области определения.
- область значения от нуля до плюс бесконечности.
8. Функция выпукла вниз.
Если в одной системе координат построить графики функций; у=(игрек равен два в степени икс, игрек равен пять в степени икс, игрек равен семь в степени икс), то можно заметить, что они обладают теми же свойствами, что и у=(игрек равен трем в степени икс) (рис.2), то есть такими свойствами будут обладать все функции вида у=(игрек равен а в степени икс, при а большем единицы)
Построим график функции:
1. Составив таблицу ее значений.
Отметим полученные точки на координатной плоскости.
Проведем плавную линию, проходящую через данные точки (рис 3).
Используя график данной функции, укажем ее свойства:
1. Область определения - множество всех действительных чисел.
2.Не является ни четной, ни нечетной.
3.Убывает на всей области определения.
4.Не имеет ни наибольшего, ни наименьшего значений.
5.Ограничена снизу, но не ограничена сверху.
6.Непрерывна на всей области определения.
7. область значения от нуля до плюс бесконечности.
8. Функция выпукла вниз.
Аналогично, если в одной системе координат построить графики функций; у=(игрек равен одна вторая в степени икс, игрек равен одна пятая в степени икс, игрек равен одна седьмая в степени икс), то можно заметить, что они обладают теми же свойствами, что и у=(игрек равен одна третья в степени икс)(рис.4), то есть такими свойствами будут обладать все функции вида у=(игрек равен единица, деленная на а в степени икс, при а большем нуля, но меньшем единицы)
Построим в одной системе координат графики функций
значит, будут симметричны и графики функций у=у= (игрек равен а в степени икс и игрек равен единице, деленной на а в степени икс) при одном и том же значении а.
Обобщим сказанное, дав определение показательной функции и указав ее основные свойства:
Определение: Функция вида у=, где (игрек равен а в степени икс, где а положительно и отлично от единицы), называют показательной функцией.
Необходимо запомнить различия между показательной функцией у= и степенной функцией у=, а=2,3,4,…. как на слух, так и зрительно. У показательной функции х является степенью, а у степенной функции х является основанием.
Пример1: Решите уравнение (три в степени икс равно девяти)
(игрек равняется три в степени икс и игрек равняется девяти) рис.7
Заметим, что они имеют одну общую точку М (2;9) (эм с координатами два; девять), значит, абсцисса точки будет являться корнем данного уравнения. То есть, уравнение имеет единственный корень х= 2.
Пример 2: Решите уравнение
В одной системе координат построим два графика функции у= (игрек равен пяти в степени икс и игрек равен одна двадцать пятая) рис.8. Графики пересекаются в одной точке Т (-2;(тэ с координатами минус два; одна двадцать пятая). Значит, корнем уравнения является х=-2(число минус два).
Пример 3: Решите неравенство
В одной системе координат построим два графика функции у=
(игрек равен три в степени икс и игрек равен двадцати семи).
Рис.9 График функции расположен выше графика функции у=при
х Следовательно, решением неравенства является интервал (от минус бесконечности до трех)
Пример 4: Решите неравенство
В одной системе координат построим два графика функции у= (игрек равен одна четвертая в степени икс и игрек равен шестнадцати). (рис.10). Графики пересекаются в одной точке К (-2;16). Значит, решением неравенства является промежуток (-2;(от минус двух до плюс бесконечности), т.к. график функции у=расположен ниже графика функции при х
Наши рассуждения позволяют убедиться в справедливости следующих теорем:
Терема 1: Если справедливо тогда и только тогда, когда m=n.
Теорема 2: Если справедливо тогда и только тогда, когда, неравенство справедливо тогда и только тогда, когда (рис. *)
Теорема 4: Если справедливо тогда и только тогда, когда (рис.**), неравенство справедливо тогда и только тогда, когда.Теорема 3: Если справедливо тогда и только тогда, когда m=n.
Пример 5: Построить график функции у=
Видоизменим функцию, применив свойство степени у=
Построим дополнительную систему координат и в новой системе координат построим график функции у= (игрек равен два в степени икс) рис.11.
Пример 6: Решите уравнение
В одной системе координат построим два графика функции у=
(игрек равен семи в степени икс и игрек равен восемь минус икс) рис.12.
Графики пересекаются в одной точке Е (1;(е с координатами один; семь). Значит, корнем уравнения является х=1(икс равный единице).
Пример 7: Решите неравенство
В одной системе координат построим два графика функции у=
(игрек равен одна четвертая в степени икс и игрек равен икс плюс пять). График функции у=расположен ниже графика функции у=х+5 при, решением неравенства является интервал х(от минус единицы до плюс бесконечности).
Концентрация внимания:
Определение. Функция вида называется показательной функцией .
Замечание. Исключение из числа значений основания a чисел 0; 1 и отрицательных значений a объясняется следующими обстоятельствами:
Само аналитическое выражение a x в указанных случаях сохраняет смысл и может встречаться в решении задач. Например, для выражения x y точка x = 1; y = 1 входит в область допустимых значений.
Построить графики функций: и .
 |
 |
| График показательной функции | |
| y = a x , a > 1 | y = a x , 0< a < 1 |
 |
 |
Свойства показательной функции
| Свойства показательной функции | y = a x , a > 1 | y = a x , 0< a < 1 |
|
||
| 2. Область значений функции | ||
| 3.Промежутки сравнения с единицей | при x > 0, a x > 1 | при x > 0, 0< a x < 1 |
| при x < 0, 0< a x < 1 | при x < 0, a x > 1 | |
| 4. Чётность, нечётность. | Функция не является ни чётной, ни нечётной (функция общего вида). | |
| 5.Монотонность. | монотонно возрастает на R | монотонно убывает на R |
| 6. Экстремумы. | Показательная функция экстремумов не имеет. | |
| 7.Асимптота | Ось O x является горизонтальной асимптотой. | |
| 8. При любых действительных значениях x и y ; |  |
|
Когда заполняется таблица, то параллельно с заполнением решаются задания.
Задание № 1. (Для нахождения области определения функции).
Какие значения аргумента являются допустимыми для функций:
Задание № 2. (Для нахождения области значений функции).
На рисунке изображен график функции. Укажите область определения и область значений функции:
 |
 |
 |
 |
Задание № 3. (Для указания промежутков сравнения с единицей).
Каждую из следующих степеней сравните с единицей:
Задание № 4. (Для исследования функции на монотонность).
Сравнить по величине действительные числа m и n если:
Задание № 5. (Для исследования функции на монотонность).
Сделайте заключение относительно основания a , если:
y(x) = 10 x ; f(x) = 6 x ; z(x) - 4 x
Как располагаются графики показательных функций относительно друг друга при x > 0, x = 0, x < 0?
В одной координатной плоскости построены графики функций:
y(x) = (0,1) x ; f(x) = (0,5) x ; z(x) = (0,8) x .
Как располагаются графики показательных функций относительно друг друга при x > 0, x = 0, x < 0?
| Число
одна из важнейших постоянных в математике. По
определению, оно равно пределу
последовательности
при
неограниченном
возрастании n
.
Обозначение e
ввёл Леонард Эйлер
в 1736 г. Он вычислил первые 23 знака этого числа в
десятичной записи, а само число назвали в честь
Непера «неперовым числом».
Число e играет особую роль в математическом анализе. Показательная функция с основанием e , называется экспонентой и обозначается y = e x . Первые знаки числа e запомнить несложно: два, запятая, семь, год рождения Льва Толстого - два раза, сорок пять, девяносто, сорок пять. |
 |
Домашнее задание:
Колмогоров п. 35; № 445-447; 451; 453.
Повторить алгоритм построения графиков функций, содержащих переменную под знаком модуля.
Гипермаркет знаний >>Математика >>Математика 10 класс >>
Показательная функция, ее свойства и график
Рассмотрим выражение 2х и найдем его значения при различных рациональных значениях переменной х, например, при х=2;
Вообще, какое бы рациональное значение мы ни придали переменной х, всегда можно вычислить соответствующее числовое значение выражения 2 х. Таким образом, можно говорить о показательной функции у=2 х, определенной на множестве Q рациональных чисел:
Рассмотрим некоторые свойства этой функции.
Свойство 1.
- возрастающая функция. Доказательство осуществим в два этапа.
Первый этап.
Докажем, что если r - положительное рациональное число, то 2 r >1.
Возможны два случая: 1) r - натуральное число, r = n; 2) обыкновенная несократимая дробь
,
В левой части последнего неравенства имеем , а в правой 1. Значит, последнее неравенство можно переписать в виде
Итак, в любом случае выполняется неравенство 2 г > 1, что и требовалось доказать.
Второй этап.
Пусть x 1 и x 2 - числа, причем x 1 и x 2 < х2. Составим разность 2 х2 -2 х1 и выполним некоторые ее преобразования:
(мы обозначили разность х 2 -х 1 буквой r).
Так как r- положительное рациональное число, то по доказанному на первом этапе 2 r > 1, т.е. 2 r -1 >0. Число2х" также положительно, значит, положительным является и произведение 2 x-1 (2 Г -1). Тем самым мы доказали, что справедливо неравенство 2 Хг -2х" >0.
Итак, из неравенства х 1 < х 2 следует, что 2х" <2 x2 , а это и означает, что функция у -2х - возрастающая.
Свойство 2.
ограничена снизу и не ограничена сверху.
Ограниченность функции снизу следует из неравенства 2 х >0, справедливого для любых значений х из области определения функции. В то же время какое бы положительное число М ни взять, всегда можно подобрать такой показатель х, что будет выполняться неравенство 2 х >М - что и характеризует неограниченность функции сверху. Приведем ряд примеров.
Свойство 3.
не имеет ни наименьшего, ни наибольшего значений.
То, что данная функция не имеет наибольшего значения, очевидно, поскольку она, как мы только что видели, не ограничена сверху. Но снизу она ограничена, почему же у нее нет наименьшего значения?
Предположим, что 2 г - наименьшее значение функции (r - некоторый рациональный показатель). Возьмем рациональное число q <г. Тогда в силу возрастания функции у=2 х будем иметь 2 x <2г. А это значит, что 2 r не может служить наименьшим значением функции.
Все это хорошо, скажете вы, но почему мы рассматриваем функцию у-2 х только на множестве рациональных чисел, почему мы не рассматриваем ее, как другие известные функции на всей числовой прямой или на каком-либо сплошном промежутке числовой прямой? Что нам мешает? Обдумаем ситуацию.
Числовая прямая содержит не только рациональные, но и иррациональные числа. Для изученных ранее функций это нас не смущало. Например, значения функции у = х 2 мы одинаково легко находили как при рациональных, так и при иррациональных значениях х: достаточно было заданное значение х возвести в квадрат.
А вот с функцией у=2 x дело обстоит сложнее. Если аргументу х придать рациональное значение, то в принципе x вычислить можно (вернитесь еще раз к началу параграфа, где мы именно это и делали). А если аргументу х придать иррациональное значение? Как, например, вычислить? Этого мы пока не знаем.
Математики нашли выход из положения; вот как они рассуждали.
Известно, что 
Рассмотрим последовательность рациональных чисел - десятичных приближений числа по недостатку:
1; 1,7; 1,73; 1,732; 1,7320; 1,73205; 1,732050; 1,7320508;... .
Ясно, что 1,732 = 1,7320, а 1,732050 = 1,73205. Во избежание подобных повторов отбросим те члены последовательности, которые заканчиваются цифрой 0.
Тогда получим возрастающую последовательность:
1; 1,7; 1,73; 1,732; 1,73205; 1,7320508;... .
Соответственно возрастает и последовательность
Все члены этой последовательности - положительные числа, меньшие, чем 22, т.е. эта последовательность - ограниченная. Апо теореме Вейерштрасса (см. § 30), если последовательность возрастает и ограничена, то она сходится. Кроме того, из § 30 нам известно, что если последовательность сходится, то только к одному пределу. Этот единственный предел договорились считать значением числового выражения . И неважно, что найти даже приб-лиженное значение числового выражения 2 очень трудно; важно, что это - конкретное число (в конце концов, мы же не боялись говорить, что, например, - корень рационального уравнения, 
корень тригонометрического уравнения, не особенно задумываясь над тем, а что же это конкретно за числа: 
Итак, мы выяснили, какой смысл вкладывают математики в символ 2^. Аналогично можно определить, что такое и вообще, что такое а a , где а - иррациональное число и а > 1.
А как быть в случае, когда 0 <а <1? Как вычислить, например, ? Самым естественным способом: считать, что свести вычисления к случаю, когда основание степени больше 1.
Теперь мы можем говорить не только о степенях с произвольными рациональными показателями, но и о степенях с произвольными действительными показателями. Доказано, что степени с любыми действительными показателями обладают всеми привычными свойствами степеней: при умножении степеней с одинаковыми основаниями показатели складываются, при делении - вычитаются, при возведении степени в степень - перемножаются и т.д. Но самое главное, что теперь мы можем говорить о функции у-ах, определенной на множестве всех действительных чисел.
Вернемся к функции у = 2 х, построим ее график. Для этого составим таблицу значений функции у=2 x:
Отметим точки на координатной плоскости (рис. 194), они намечают некоторую линию, проведем ее (рис. 195).
Свойства функции у - 2 х:
1)
2) не является ни четной, ни нечетной; 248
3) возрастает;
5) не имеет ни наибольшего, ни наименьшего значений;
6) непрерывна;
7)
8) выпукла вниз.
Строгие доказательства перечисленных свойств функции у-2 х приводят в курсе высшей математики. Часть этих свойств мы в той или иной мере обсудили ранее, часть из них наглядно демонстрирует построенный график (см. рис. 195). Например, отсутствие четности или нечетности функции геометрически связано с отсутствием симметрии графика соответственно относительно оси у или относительно начала координат.
Аналогичными свойствами обладает любая функция вида у=а х, где а >1. На рис. 196 в одной системе координат построены, графики функций у=2 х, у=3 х, у=5 х.
Рассмотрим теперь функцию , составим для нее таблицу значений:
Отметим точки на координатной плоскости (рис. 197), они намечают некоторую линию, проведем ее (рис. 198).
Свойства функции
1)
2) не является ни четной, ни нечетной;
3) убывает;
4) не ограничена сверху, ограничена снизу;
5) нет ни наибольшего, ни наименьшего значений;
6) непрерывна;
7)
8) выпукла вниз.
Аналогичными свойствами обладает любая функция вида у=а х, гдеО <а <1. На рис. 200 в одной системе координат построены графики функций 
Обратите внимание: графики функций 
т.е. у=2 х, симметричны относительно оси у (рис. 201). Это - следствие общего утверждения (см. § 13): графики функций у = f(х) и у = f(-х) симметричны относительно оси у. Аналогично будут симметричны относительно оси у графики функций у = 3 х и
Подводя итог сказанному, дадим определение показательной функции и выделим наиболее важные ее свойства.
Определение.
Функцию вида называют показательной функцией.
Основные свойства показательной функции у =а x
График функции у=а х для а> 1 изображен на рис. 201, а для 0 <а < 1 - на рис. 202.
Кривую, изображенную на рис. 201 или 202, называют экспонентой. На самом деле математики экспонентой обычно.называют саму показательную функцию у=а х. Так что термин "экспонента" используется в двух смыслах: и для наименования показательной функции, и для названия графика показательной функции. Обычно по смыслу бывает ясно, идет речь о показательной функции или о ее графике.
Обратите внимание на геометрическую особенность графика показательной функции у=ах: ось х является горизонтальной асимптотой графика. Правда, обычно это утверждение уточняют следующим образом.
Ось х является горизонтальной асимптотой графика функции
Иными словами
Первое важное замечание. Школьники часто путают термины: степенная функция, показательная функция. Сравните:
Это примеры степенных функций;
- это примеры показательных функций.
Вообще, у = х г, где г - конкретное число, - степенная функция (аргумент х содержится в основании степени);
у = а", где а - конкретное число (положительное и отличное от 1), - показательная функция (аргумент х содержится в показателе степени).
Атакую «экзотическую» функцию, как у = х", не считают ни показательной, ни степенной (ее иногда называют показательно-степенной).
Второе важное замечание. Обычно не рассматривают показательную функцию с основанием а = 1 или с основанием а, удовлетворяющим неравенству а <0 (вы, конечно, помните, что выше, в определении показательной функции, оговорены условия: а >0и а Дело в том, что если а = 1, то для любого значения х выполняется равенство Iх = 1. Таким образом, показательная функция у = а" при а = 1 «вырождается» в постоянную функцию у = 1 - это неинтересно. Если а = 0, то 0х = 0 для любого положительного значения х, т.е. мы получаем функцию у = 0, определенную при х >0, - это тоже неинтересно. Если, наконец, а <0, то выражение а" имеет смысл лишь при целых значениях х, а мы все-таки предпочитаем рассматривать функции, определенные на сплошных промежутках.
Прежде чем переходить к решению примеров, заметим, что показательная функция существенно отличается от всех функций, которые вы изучали до сих пор. Чтобы основательно изучить новый объект, надо рассмотреть его с разных сторон, в разных ситуациях, поэтому примеров будет много.
Пример 1.
Решение , а) Построив в одной системе координат графики функций у = 2 х и у = 1, замечаем (рис. 203), что они имеют одну общую точку (0; 1). Значит, уравнение 2х = 1 имеет единственный корень х =0.
Итак, из уравнения 2х =2° мы получили х=0.
б) Построив в одной системе координат графики функций у = 2 х и у=4, замечаем (рис. 203), что они имеют одну общую точку (2; 4). Значит, уравнение 2х =4 имеет единственный корень х=2.
Итак, из уравнения 2 х =2 2 мы получили х=2.
в) и г) Исходя из тех же соображений, делаем вывод, что уравнение 2 х =8 имеет единственный корень, причем для его отыскания графики соответствующих функций можно и не строить;
ясно, что х=3, поскольку 2 3 =8. Аналогично находим единственный корень уравнения
Итак, из уравнения 2х = 2 3 мы получили х = 3, а из уравнения 2 х = 2 x мы получили х = -4.
д) График функции у = 2 х расположен выше графика функции у = 1 при x >0 - это хорошо читается по рис. 203. Значит, решением неравенства 2х > 1 служит промежуток
е) График функции у = 2 x расположен ниже графика функции у = 4 при х<2 - это хорошо читается по рис. 203. Значит, решением неравенства 2х <4служит промежуток
Вы заметили, наверное, что в основе всех выводов, сделанных при решении примера 1, лежало свойство монотонности (возрастания) функции у=2 х. Аналогичные рассуждения позволяют убедиться в справедливости следующих двух теорем.
Решение. Можно действовать так: построить график функции у-3 х, затем осуществить его растяжение от оси х с коэффициентом 3, а затем полученный график поднять вверх на 2 единицы масштаба. Но удобнее воспользоваться тем, что 3- 3* =3 *+1, и, следовательно, строить график функции у=З х*1 + 2.
Перейдем, как неоднократно уже делали в таких случаях, к вспомогательной системе координат с началом в точке (-1; 2) - пунктирные прямые х = - 1 и 1x = 2 на рис. 207. «Привяжем» функцию у=3* к новой системе координат. Для этого выберем контрольные точки для функции 
, но строить их будем не в старой, а в новой системе координат (эти точки отмечены на рис. 207). Затем по точкам построим экспоненту - это и будет требуемый график (см. рис. 207).
Чтобы найти наибольшее и наименьшее значения заданной функции на отрезке [-2, 2], воспользуемся тем, что заданная функция возрастает, а потому свои наименьшее и наибольшее значения она принимает соответственно в левом и правом концах отрезка.
Итак:
Пример 4. Решить уравнение и неравенства:
Решение , а) Построим в одной системе координат графики функций у=5* и у=6-х (рис. 208). Они пересекаются в одной точке; судя по чертежу, это - точка (1; 5). Проверка показывает, что на самом деле точка (1; 5) удовлетворяет и уравнению у = 5*, и уравнению у=6-х. Абсцисса этой точки служит единственным корнем заданного уравнения.
Итак, уравнение 5 х = 6- х имеет единственный корень х = 1.
б) и в) Экспонента у- 5х лежит выше прямой у=6-х, если х>1, - это хорошо видно на рис. 208. Значит, решение неравенства5*>6-х можно записать так: х>1. А решение неравенства 5х <6 - х можно записать так: х < 1.
Ответ: а)х = 1; б)х>1; в)х<1.
Пример 5.
Дана функция 
Доказать, что 
Решение.
По условию Имеем.
Введем сначала определение показательной функции.
Показательная функция $f\left(x\right)=a^x$, где $a >1$.
Введем свойства показательной функции, при $a >1$.
\ \[корней\ нет.\] \
Пересечение с осями координат. Функция не пересекает ось $Ox$, но пересекает ось $Oy$ в точке $(0,1)$.
$f""\left(x\right)={\left(a^xlna\right)}"=a^x{ln}^2a$
\ \[корней\ нет.\] \
График (рис. 1).
Рисунок 1. График функции $f\left(x\right)=a^x,\ при\ a >1$.
Показательная функция $f\left(x\right)=a^x$, где $0
Введем свойства показательной функции, при $0
Область определения -- все действительные числа.
$f\left(-x\right)=a^{-x}=\frac{1}{a^x}$ -- функция ни четна, ни нечетна.
$f(x)$ - непрерывна на всей области определения.
Область значения -- интервал $(0,+\infty)$.
$f"(x)=\left(a^x\right)"=a^xlna$
\ \[корней\ нет.\] \ \[корней\ нет.\] \
Функция выпукла на всей области определения.
Поведение на концах области определения:
\[{\mathop{lim}_{x\to -\infty } a^x\ }=+\infty \] \[{\mathop{lim}_{x\to +\infty } a^x\ }=0\]
График (рис. 2).
Пример задачи на построение показательной функции
Исследовать и построить график функции $y=2^x+3$.
Решение.
Проведем исследование по примеру схемы выше:
Область определения -- все действительные числа.
$f\left(-x\right)=2^{-x}+3$ -- функция ни четна, ни нечетна.
$f(x)$ - непрерывна на всей области определения.
Область значения -- интервал $(3,+\infty)$.
$f"\left(x\right)={\left(2^x+3\right)}"=2^xln2>0$
Функция возрастает на всей области определения.
$f(x)\ge 0$ на всей области определения.
Пересечение с осями координат. Функция не пересекает ось $Ox$, но пересекает ось $Oy$ в точке ($0,4)$
$f""\left(x\right)={\left(2^xln2\right)}"=2^x{ln}^22>0$
Функция выпукла на всей области определения.
Поведение на концах области определения:
\[{\mathop{lim}_{x\to -\infty } a^x\ }=0\] \[{\mathop{lim}_{x\to +\infty } a^x\ }=+\infty \]
График (рис. 3).
Рисунок 3. График функции $f\left(x\right)=2^x+3$
