B 函数图像与变化关系 · 12

指数函数的图象与性质

指数函数 $f(x)=a^x$ 的底数满足 $a>0$ 且 $a\ne1$。它们都取正值、经过 $(0,1)$,但底数位于 $1$ 的哪一侧,会决定图象是上升还是下降。从两个函数值的比值出发,可以说明这两种变化方向,也能理解指数增长、指数衰减和同底数幂的大小比较。

共同性质

所有指数函数共有的骨架

先看所有合法底数下都成立的性质。自变量 $x$ 可以取任意实数,所以指数函数的定义域是 $\mathbb R$。

实数指数幂 $a^x$ 始终为正,并能取遍所有正数。因此,函数实际能取到的所有值组成的集合,也就是值域,为 $(0,+\infty)$。

把 $x=0$ 代入,再用正数的零次幂等于 $1$,得到

$$f(0)=a^0=1.$$

所以,每一条指数函数图象都经过定点 $(0,1)$。

图象始终在 $x$ 轴上方。在一个方向上,函数值会越来越接近 $0$,但不会等于 $0$;在相反方向上,函数值会不断增大。

单调方向

两种单调方向从哪里来

共同性质不能决定图象的上升方向。要判断 $x$ 增大时函数值怎样变化,任取实数 $x_1<x_2$,令 $d=x_2-x_1>0$。比较两个函数值的比:

$$\frac{f(x_2)}{f(x_1)}=\frac{a^{x_2}}{a^{x_1}}.$$

这里把 $f(x_2)$ 和 $f(x_1)$ 分别写成对应的指数幂。因为 $a^{x_1}>0$,分母不为 $0$,可以使用同底数幂相除的性质:

$$\frac{a^{x_2}}{a^{x_1}}=a^{x_2-x_1}.$$

相除后底数不变,指数相减。再用 $d=x_2-x_1$ 代换,得到

$$a^{x_2-x_1}=a^d.$$

因此,函数值的大小比较化成了 $a^d$ 与 $1$ 的比较。分母 $f(x_1)$ 为正:比值大于 $1$,就有 $f(x_2)>f(x_1)$;比值小于 $1$,就有 $f(x_2)<f(x_1)$。

底数大于 $1$:单调递增

实数指数幂由有理数指数幂逐步确定。因此,当 $a>1$ 时,正指数幂仍有 $a^d>1$。两个函数值的比大于 $1$,所以 $f(x_2)>f(x_1)$。这对任意实数 $x_1<x_2$ 都成立,函数在 $\mathbb R$ 上单调递增。

底数在 $0$ 与 $1$ 之间:单调递减

当 $0<a<1$ 时,可以写成 $a=\frac1b$,其中 $b>1$。把底数写成倒数,再用负指数的意义:

$$a^d=\left(\frac1b\right)^d=\frac1{b^d}.$$

因为 $b>1$ 且 $d>0$,所以 $b^d>1$,它的倒数满足 $0<\frac1{b^d}<1$。因此,两个函数值的比小于 $1$,就有 $f(x_2)<f(x_1)$。这对任意实数 $x_1<x_2$ 都成立,函数在 $\mathbb R$ 上单调递减。

性质与图象

把两类性质放在一起看

两类指数函数都经过 $(0,1)$,但变化方向相反。把单调方向与这个定点放在一起,就能对照 $x$ 在 $0$ 两侧时的函数值。

两类指数函数的性质
性质$a>1$$0<a<1$
单调性在 $\mathbb R$ 上递增在 $\mathbb R$ 上递减
$x>0$ 时$a^x>1$$0<a^x<1$
$x<0$ 时$0<a^x<1$$a^x>1$
$x$ 越来越大时函数值不断增大函数值趋近于 $0$
$x$ 越来越小时函数值趋近于 $0$函数值不断增大

底数互为倒数时,两个图象还有对称关系。仍记 $f(x)=a^x$,取 $a>1$,把底数换成 $\frac1a$。由负指数的意义,得到

$$\left(\frac1a\right)^x=a^{-x}.$$

而 $a^{-x}$ 就是把 $-x$ 代入原函数 $f$ 后得到的函数值,所以

$$a^{-x}=f(-x).$$

输入由 $x$ 换成 $-x$,相当于把原图象关于 $y$ 轴对称。这也解释了互为倒数的两个底数为什么具有相反的变化方向。

以底数 $2$ 和 $\frac12$ 为例,对照同样的坐标尺度:两条曲线都经过 $(0,1)$,点 $(1,2)$ 与 $(-1,2)$ 关于 $y$ 轴对称。

y = 2ˣ

y = 2ˣ的图象底数大于1,随着x增大,函数值增大。图象经过(0,1)和(1,2),始终在x轴上方。横轴每单位与纵轴每单位长度相同。 −2−1121234xyO

标记点:$(0,1)$ 与 $(1,2)$

底数大于1,随着x增大,函数值增大。

y = (1/2)ˣ

y = (1/2)ˣ的图象底数在0与1之间,随着x增大,函数值减小。图象经过(0,1)和(-1,2),始终在x轴上方。横轴每单位与纵轴每单位长度相同。 −2−1121234xyO

标记点:$(0,1)$ 与 $(-1,2)$

底数在0与1之间,随着x增大,函数值减小。

两幅图互为关于 $y$ 轴的对称图象。$2^x$ 向左越来越接近 $0$,$\left(\frac12\right)^x$ 向右越来越接近 $0$,但都不会到达 $x$ 轴。图中只画出一部分,曲线在画面边缘仍会继续延伸,定义域始终是 $\mathbb R$。

增长与衰减

“指数增长”和“指数衰减”是什么意思

单调性说明变化方向。指数增长与指数衰减还说明:当自变量增加同样的量时,函数值总按同一个倍数变化。设步长 $h>0$,比较 $x+h$ 与 $x$ 对应的函数值:

$$\frac{f(x+h)}{f(x)}=\frac{a^{x+h}}{a^x}.$$

把函数值写成指数幂后,使用同底数幂相除,指数相减:

$$\frac{a^{x+h}}{a^x}=a^{(x+h)-x}=a^h.$$

指数中的 $x$ 相互抵消,只剩步长 $h$。所以,这个倍数只由步长 $h$ 和底数 $a$ 决定,与当前位置 $x$ 无关。

若 $a>1$,由于 $h>0$,倍数 $a^h$ 大于 $1$,表现为指数增长;若 $0<a<1$,倍数 $a^h$ 小于 $1$,表现为指数衰减。

衰减表示数值按固定比例变小,并不表示函数值会变成负数或等于 $0$。指数函数始终取正值。

同底比较

用单调性比较同底数幂

知道了单调方向,就可以比较同底数的两个幂。同一合法底数下,只需比较指数:底数大于 $1$ 时,指数次序保持不变;底数在 $(0,1)$ 内时,指数次序反转。

例如,比较 $0.7^{-0.3}$ 与 $0.7^{0.2}$。它们的底数相同,且 $0<0.7<1$,所以函数 $y=0.7^x$ 单调递减。虽然指数满足 $-0.3<0.2$,函数值的次序却相反:

$$0.7^{-0.3}>0.7^{0.2}.$$

这里的不等号方向由底数 $0.7$ 所对应的递减性决定。若两个幂的底数不同,就不能直接套用同一个指数函数的单调性,必须另找共同的比较标准。

核心结论

所有指数函数都定义在 $\mathbb R$ 上、取遍正数并经过 $(0,1)$;$a>1$ 时递增并表现为增长,$0<a<1$ 时递减并表现为衰减。

比较同底数幂,先判断底数在 $1$ 的哪一侧,再确定指数次序是否反转。