B 函数图像与变化关系 · 06

幂函数的概念

含有幂的式子,不一定表示幂函数。判断时要看:自变量是否在底数位置,指数是否固定,幂前的系数是否为 $1$;还要确定这个幂在实数范围内何时有意义。

标准形式

幂函数的标准形式

幂函数的结构是:自变量作底数,指数在整个函数中保持不变。

一般地,形如

$$y=x^\alpha$$

的函数叫作幂函数,其中 $x$ 是自变量,$\alpha$ 是常数。

这个形式同时规定了底数、指数和系数。把这三个位置分开看:

底数 $x$

底数是自变量,表示输入。

指数 $\alpha$

指数是常数,在整个函数中固定不变。

系数 $1$

$x^\alpha$ 前的系数是 $1$,通常省略不写。

判断时要同时看清这三个位置,不能只看式子中有没有幂。

字母可以改变,角色不变。例如,把输入记作 $t$,函数写成

$$v=t^{-1}.$$

这里 $t$ 是自变量,$-1$ 是固定指数,$v$ 是对应的函数值。它仍然是“输入的固定次幂”,也就是通常写成 $y=x^{-1}$ 的幂函数。

不同指数

指数不同,仍可以是幂函数

在同一个幂函数中,指数固定;换一个固定指数,可以得到另一个幂函数。下面五个函数都符合 $y=x^\alpha$ 的形式:

$y=x$,指数为 $1$ $y=x^2$,指数为 $2$ $y=x^3$,指数为 $3$ $y=x^{\frac12}$,指数为 $\frac12$ $y=x^{-1}$,指数为 $-1$

它们的图象和定义域并不相同,但“底数是自变量、指数是常数”的结构没有改变,幂前的系数也都是 $1$。

幂还可以写成其他形式。比较下面两组写法时,要连同等式成立的条件一起看:

倒数的写法

当 $x\ne0$ 时,负一次幂可以写成倒数:

$$x^{-1}=\dfrac1x.$$

在这个定义域内,$y=\dfrac1x$ 仍是指数为 $-1$ 的幂函数。

平方根的写法

当 $x\ge0$ 时,二分之一次幂可以写成算术平方根:

$$x^{\frac12}=\sqrt{x}.$$

在这个定义域内,$y=\sqrt{x}$ 仍是指数为 $\frac12$ 的幂函数。

这些改写只改变表达形式,没有改变对应关系。因此,要看式子在定义域内表达的函数关系,不能只凭它当前的外观判断。

概念边界

一般单项式不一定是幂函数

判断函数是否为幂函数,还要检查幂前的系数。例如函数

$$g(x)=2x^3$$

虽然是单项式,也含有 $x$ 的三次幂,却不符合 $y=x^\alpha$ 的标准形式,因为 $x^3$ 前的系数是 $2$,不是 $1$。

它可以看成幂函数 $x^3$ 的两倍,但 $g(x)$ 本身不能叫作幂函数。

还要分清底数与指数的位置。幂函数中,自变量在底数位置,指数固定。若底数固定,而自变量出现在指数位置,函数结构就不同了,不能再用幂函数的定义判断。

定义域

形式成立还要连同定义域理解

确认了 $y=x^\alpha$ 的形式,还要确定:这个幂在实数范围内何时有意义。

对于 $y=x^{-1}=\dfrac1x$,分母不能为 $0$,所以要排除 $x=0$。对于 $y=x^{\frac12}=\sqrt{x}$,根号内的数不能小于 $0$,所以要求 $x\ge0$。

定义域随指数改变。统一写成 $y=x^\alpha$,不意味着所有幂函数的定义域都是 $\mathbb R$。

识别幂函数,要看完整结构:底数是自变量,指数是常数,系数为 $1$,并在相应定义域内理解这个幂。

形式相似并不够,只有真正符合 $y=x^\alpha$ 的函数才是幂函数。