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functions难度:基础functionsexponentialgrowth
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指数函数zhǐshù hánshù

exponential function
4 分钟阅读
更新于 2025-01-24
已完成

核心概念

指数函数是形如以下形式的函数:

f(x)=ax(a>0,a1)f(x) = a^x \quad (a > 0, a \neq 1)

其中:

  • aa底数(必须为正数且不等于 1)
  • xx指数(自变量)

与幂函数的区别:指数函数的变量在指数位置;幂函数 xnx^n 的变量在底数位置。

定义域与值域

  • 定义域R\mathbb{R}(全体实数)
  • 值域(0,+)(0, +\infty)(全体正实数)

注意:当 a>0a > 0 时,对所有实数 xxax>0a^x > 0

基本性质

1. 过点 (0, 1)

f(0)=a0=1对所有 a>0f(0) = a^0 = 1 \quad \text{对所有 } a > 0

每个指数函数都过点 (0,1)(0, 1)

2. 恒正性

ax>0对所有 xRa^x > 0 \quad \text{对所有 } x \in \mathbb{R}

3. 单调性

  • a>1a > 1f(x)=axf(x) = a^x 严格递增
  • 0<a<10 < a < 1f(x)=axf(x) = a^x 严格递减

4. 指数运算法则

ax+y=axaya^{x+y} = a^x \cdot a^y axy=axaya^{x-y} = \dfrac{a^x}{a^y} (ax)y=axy(a^x)^y = a^{xy} (ab)x=axbx(ab)^x = a^x \cdot b^x

图像特征

a>1a > 1(如 y=2xy = 2^x

  • 从左到右递增
  • xx \to -\infty 时趋近于 0
  • x+x \to +\infty 时无限增大
  • 水平渐近线:y=0y = 0

0<a<10 < a < 1(如 y=(1/2)xy = (1/2)^x

  • 从左到右递减
  • xx \to -\infty 时无限增大
  • x+x \to +\infty 时趋近于 0
  • 水平渐近线:y=0y = 0

比较大小

a>1a > 1 时:

  • ax1>ax2x1>x2a^{x_1} > a^{x_2} \Leftrightarrow x_1 > x_2

0<a<10 < a < 1 时:

  • ax1>ax2x1<x2a^{x_1} > a^{x_2} \Leftrightarrow x_1 < x_2

记忆口诀:"底大于1,指数大则值大;底小于1,指数大则值小"

CSCA练习题

💡 :以下练习题基于CSCA考试大纲设计。

例题1:基础题(难度 ★★☆☆☆)

比较大小:20.52^{0.5}20.32^{0.3}20.12^{-0.1}

解法: 因为底数 2>12 > 1y=2xy = 2^x 递增。

由于 0.5>0.3>0.10.5 > 0.3 > -0.120.5>20.3>20.12^{0.5} > 2^{0.3} > 2^{-0.1}

答案20.5>20.3>20.12^{0.5} > 2^{0.3} > 2^{-0.1}


例题2:中级(难度 ★★★☆☆)

比较:0.50.10.5^{-0.1}0.50.10.5^{0.1}1.50.11.5^{0.1}

解法

对于 0.50.10.5^{-0.1}0.50.10.5^{0.1}: 因为 0<0.5<10 < 0.5 < 1y=0.5xy = 0.5^x 递减。 所以 0.50.1>0.50.10.5^{-0.1} > 0.5^{0.1}

对于 0.50.10.5^{0.1}(1/2)0.1=120.1<1(1/2)^{0.1} = \dfrac{1}{2^{0.1}} < 1

对于 1.50.11.5^{0.1}:因为 1.5>11.5 > 10.1>00.1 > 0,所以 1.50.1>10.1=11.5^{0.1} > 1^{0.1} = 1

对于 0.50.10.5^{-0.1}:等于 20.1>12^{0.1} > 1

比较 20.12^{0.1}1.50.11.5^{0.1}:因为 2>1.52 > 1.5 且指数为正: 20.1>1.50.12^{0.1} > 1.5^{0.1}

答案0.50.1>1.50.1>0.50.10.5^{-0.1} > 1.5^{0.1} > 0.5^{0.1}


例题3:高级(难度 ★★★★☆)

f(x)=4x2x+1+2f(x) = 4^x - 2^{x+1} + 2x[1,2]x \in [-1, 2])的值域。

解法

t=2xt = 2^x。由于 x[1,2]x \in [-1, 2]t[21,22]=[12,4]t \in [2^{-1}, 2^2] = [\dfrac{1}{2}, 4]

4x=(22)x=(2x)2=t24^x = (2^2)^x = (2^x)^2 = t^22x+1=22x=2t2^{x+1} = 2 \cdot 2^x = 2t

所以:f=t22t+2=(t1)2+1f = t^2 - 2t + 2 = (t-1)^2 + 1

对于 t[12,4]t \in [\dfrac{1}{2}, 4]

  • t=1t = 1 处最小:f=0+1=1f = 0 + 1 = 1
  • 检验端点:
    • t=12t = \dfrac{1}{2}f=141+2=54f = \dfrac{1}{4} - 1 + 2 = \dfrac{5}{4}
    • t=4t = 4f=168+2=10f = 16 - 8 + 2 = 10

值域[1,10][1, 10]


例题4:高级(难度 ★★★★☆)

解方程:4x32x+2=04^x - 3 \cdot 2^x + 2 = 0

解法

t=2xt = 2^x,其中 t>0t > 0

4x=(2x)2=t24^x = (2^x)^2 = t^2

方程变为:t23t+2=0t^2 - 3t + 2 = 0

因式分解:(t1)(t2)=0(t-1)(t-2) = 0

所以 t=1t = 1t=2t = 2

回代:

  • 2x=1x=02^x = 1 \Rightarrow x = 0
  • 2x=2x=12^x = 2 \Rightarrow x = 1

答案x=0x = 0x=1x = 1

特殊指数函数

自然指数函数

f(x)=ex其中 e2.71828f(x) = e^x \quad \text{其中 } e \approx 2.71828

这是微积分中最重要的指数函数,因为 (ex)=ex(e^x)' = e^x

常见错误

❌ 错误1:与幂函数混淆

错误x2x^2 是指数函数 ✗

正确2x2^x 是指数函数(变量在指数),x2x^2 是幂函数 ✓

❌ 错误2:不等式方向错误

错误:因为 0.5<10.5 < 1,所以 0.52<0.530.5^2 < 0.5^3

正确:对于 0<a<10 < a < 1,指数越大值越小:0.52=0.25>0.125=0.530.5^2 = 0.25 > 0.125 = 0.5^3

❌ 错误3:忽略 ax>0a^x > 0

错误:方程 2x=12^x = -1 的解是 x=?x = ?

正确:对所有 xx2x>02^x > 0,所以方程无解。✓

学习要点

  1. 掌握两种情况a>1a > 1(递增)vs 0<a<10 < a < 1(递减)
  2. 善用换元法:令 t=axt = a^x 转化为代数方程
  3. 记住渐近线y=0y = 0 始终是水平渐近线
  4. 检查变量位置:指数位置有变量才是指数函数

💡 考试要点:解指数方程时,用换元法 t=axt = a^x 转化为代数方程。记住 t>0t > 0