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[第11讲幂函数讲义
第11讲 幂函数(讲义)
1.10.0 幂指对函数的算术背景
让我们从乘方运算谈起,设变量满足等式(例如),则称“是的次方”. 若其中一个变量的值确定,则另外两个变量之间可能具有函数关系. 所谓“可能具有”,是指某些情况下一个变量的值不足以唯一确定另外一个值,例如当确定变量时,变量的值可以唯一确定变量的值,因此是的函数,即;但是反过来,变量的值不足以唯一确定的值. 在后一种情况下,我们可以通过引入某种“单值化”条件来保证函数关系成立,例如,引入算术平方根的概念(也就是要求变量只能取非负值),就可以使是的函数,即.
现在,我们设三个变量中已确定具体值的为,另外两个分别称为,则这样的表达式总共有6种形式:①,②,③,④,⑤,⑥.
我们认为其中三种是重要的(①②③),因此为它们赋予专门的名称并加以研究:
(A)幂函数:;
(B)指数函数:;
(C)对数函数:;
你可能会好奇另外三种为什么会被认为是不重要的?简单的代数变形可以帮我们看清楚上述选择的理由:④与③本质上是一样的,⑤与②本质上是一样的,⑥本质上是一样的.
补充:有理指数的乘方运算
初中阶段我们已经学习过正整数指数的乘方运算,并给出了最重要的运算规则:
下面我们将看到,如果保留这条基本性质并假设它对于指数不是正整数的情况也成立,就可以顺利地导出指数为任意有理数情况的意义.
(1)整数指数
考虑到,因此应该定义,同时保证除法运算的有效性,约定. 接着,由于,定义. 例如,.
(2)分数指数
最容易理解的分数指数当属开方运算:,实际上平方后得a的数通常是两个符号相反的实数,我们约定只考虑其中非负的那个(即算术平方根),就使得具有唯一的意义. 类似地,具了唯一的意义. 而也随之具有了唯一确定的含义. 例如,,.
*(3)实数指数:以为例.
我们对实数的认识是:存在一族闭区间使得始终位于这个闭区间内,且这族闭区间的“长度”(即闭区间两端点所对应实数的距离)可以小于任意给定的正数,因为它们每次比原先缩小10倍,因此一定能够变到足够小.
在此基础上我们可以理解是一个什么样的实数,即考虑闭区间族,,,由于每个端点所代表的实数是唯一确定的,因此它们自身也是确定的,并且确实将包含于其中;此外,由于指数之间的差距可以充分小,因此闭区间的长度也随之而变得充分小,由此可知它们最终必将唯一确定某一实数,即.
利用上述思想我们可以知道,任意实数指数的乘方运算是有明确意义的,它可以唯一确定一个实数. 当然,大多数情况下,我们可以借助计算器来完成这一工作.
1.11.1 幂函数的定义与基本性质
我们称形如的函数为幂函数. 但是在这个约定中,我们还没有说明函数的定义域,因此这个“定义”还不够完整. 在下面的讨论,我们将针对a的不同取值情况来加以考察.
例1、画图象找规律
(1)在同一坐标系内画出函数的图象;
(2)将函数的图象添加到该坐标系中;
(3)将函数的图象添加到该坐标系中;
接着观察图象,看看能发现哪些规律?将你的发现归纳出来.
解答:右图中包含的图象;
(1)定义域:图中所有函数的定义域都包含,或者说,包含是一个必要条件;
(2)在区间上各函数的值域是;
(3)在的图象时,需保证它始终位于函数与的图象之间,类似地,始终介于与之间;
(4)在上是增函数;
(5)与关于轴对称,与关于轴对称;猜测更一般地,在上,与关于轴对称;
例2、画图象研究性质:.
分析:由可知它是偶函数,考虑到,列表描点时不妨代入一些可以开立方的x值。如
解答:
(1)定义域为,值域为;
(2)在区间上是减函数,区间上是增函数;
(3)点的“奇异”之处——以前在哪里见过?
从直观上看,考虑函数图象位于y轴右侧部分上的某点处的切线,它沿着函数图象向原点移动,会逐渐“竖起来”,因而其斜率趋近于很大的正数;另一方面,位于y轴左侧部分上的某点处的切线沿着函数图象向原点移动时,其斜率趋近于绝对值很大的负数. 这时麻烦来了,原点处的切线斜率究竟应该是多少?
我们来求函数的导函数:根据,等式两边同时对求导,左边,右边,得到,于是. 结果也是一个单项式,其中常系数恰好是原来的指数,指数则是原来的指数减1,与正整数指数的情况是一致的.
画出导函数的图象,可以看到它的形状与反比例函数有类似之处,在处没有定义,或者说这一点处是“不连续的”. 也许你还能记得,我们在研究绝对值函数时也遇到过这样的情况:导函数在某一点处不连续,从图象上,函数图象在这一点处显得“不光滑”.
在刚才的求导计算中我们实际上已经遇到了的情况,现在我们就来重点研究它们.
例3、画图象找规律:在同一坐标系内画函数的图象.
解答:函数图象如右图(你能分辨出对应关系吗?)
观察结果归纳如下:
(1)图中所有函数的定义域都包含;
(2)在区间上各函数的
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