第2章 指數與對數函式:指數函式及其圖形

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第        章

第 2 章 指數與對數函數

31

2-1

2-1

指數函數及其圖形

一、指數函數的圖形與特徵

1

  指數函數

 

 a > 0,且 a 

 1,則稱函數 fx)= a

x

 是以 a 為底數的指數函數。

 

z

fx)= 2

x

 是以 2 為底數的指數函數。

 

z

fx)= 5

x

 是以 5 為底數的指數函數。

2

  指數函數的圖形

1

  指數函數的定義域與值域

 

 a > 0,且 a 

 1,則指數函數 fx)= a

x

 的定義域為所有實數,且值域為所

有正實數。

z

 fx)= 2

x

 是以 2 為底數的指數函數,將任意實數 x 代入都有意義,且函

數值都大於

 0。

2

  指數函數的圖形

 

在坐標平面上,以(

xa

x

)為點坐標,可以描出指數函數

 y = a

x

 的圖形。

1

  底數 a > 1,函數值逐漸增加,圖形由左而右逐漸上升,如圖1。

2

  底數 a 滿足 0 < a < 1,函數值逐漸減少,圖形由左而右逐漸下降,如圖

2

z

= fx)= 2

x

,圖形如圖3。

z

= fx)=

1
2

x

,圖形如圖4。

 

圖#

圖$

圖! 

a > 1

圖@ 

0 < a < 1

3

  指數函數的遞增與遞減

1

  函數的遞增與遞減

 

對函數

 fx)而言,遞增與遞減定義如下:

1

  遞增:對所有 x

1

 < x

2

,都有

 fx

1

 fx

2

)。

2

  嚴格遞增:對所有 x

1

 < x

2

,都有

 fx

1

< fx

2

)。

3

  遞減:對所有 x

1

 < x

2

,都有

 fx

1

 fx

2

)。

4

  嚴格遞減:對所有 x

1

 < x

2

,都有

 fx

1

> fx

2

)。

重點整理

指數與對數函數

background image

32

高中數學(3)A‧習作

2-1

2

  指數函數的遞增與遞減

 

對指數函數

 y = a

x

 而言,遞增與遞減定義如下:

1

  a > 1 時,圖形由左而右逐漸上升,是嚴格遞增函數,即當 α < β 時,有 

a

α

 < a

β

,如圖5。

2

  0 < a < 1 時,圖形由左而右逐漸下降,是嚴格遞減函數,即當 α < β 時,

 a

α

 > a

β

,如圖6。

 

 

  

圖%

圖^

4

  函數圖形的凹向性

1

  凹口向上: 連接函數圖形上任兩點的線段都在函數圖形的上方,此函數圖形

為凹口向上,如圖7。

2

  凹口向下: 連接函數圖形上任兩點的線段都在函數圖形的下方,此函數圖形

為凹口向下,如圖8。

圖&

圖*

3

  指數函數圖形的凹向性:指數函數的圖形都是凹口向上,如圖9、圖0。

圖( 

a > 1

圖) 

0 < a < 1

二、指數方程式與指數不等式

1

  指數方程式

 

方程式的未知數

 x 出現在指數位置時,稱為指數方程式。

z

2

+ 3

 = 32,即 2

+ 3

 = 2

5

,得

 x + 3 = 5,故 x = 2。

z

 4

x

  7.2

x

  8 = 0,底數換成 2,得(2

2

x

  7.2

x

  8 = 0, 

即(

2

x

2

  7.2

x

  8 = 0,得(2

x

  8)

2

x

 + 1)= 0,因 2

x

 + 1 

 0, 

 2

x

  8 = 0,即 2

x

 = 8 = 2

3

,故得

 x = 3。

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第 2 章 指數與對數函數

33

2-1

2

  指數大小關係與不等式

 

 a 為底數,α、β為指數。

1

  a > 1 時,若 α < β  a

α

 < a

β

。相反地,若

 a

α

 < a

β

  α < β。

z

:底數

 3 > 1,因為 2 < 5,所以 3

2

 < 3

5

z

:已知

 3

α

 < 3

5

,因為底數

 3 > 1,所以 α < 5。

2

  0 < a < 1 時,若 α < β  a

α

 > a

β

。相反地,若

 a

α

 > a

β

  α < β。

z

:底數

 0 < 

1
 < 1

,因為

 2 < 5,所以 

1
2

2

 >

1
2

5

z

:已知

1
2

α

 <

1
2

3

,因為底數

 0 < 

1
 < 1

,所以

 α > 3。

三、金融上的應用

J

  單利與複利

 

本金

 a,利率 r,期數 n

1

  單利(本金固定)

 

期後,本利和 a(1 + nr)。

 

z

 本金 a = 10000(元),年利率 r = 1 %,3 年後(= 3),單利法的本利和

 10000(1 + 1 % × 3)。

2

  複利(利息加入本金)

 

期後,本利和 a(1 + r

n

 

z

 本金 a = 10000(元),年利率 r = 1 %,3 年後(= 3),複利法的本利和

 10000(1 + 1 %)

3

 

補充

:本金

 a,年利率 r,每年計息 t 次,年後,複利法的本利和為 

 

   

a

1 + 

r

t

tn

 

   z:本金

 a = 10000(元),年利率 1 %,每 3 個月複利一次(= 4),

 

     

2 年後(= 2)複利法的本利和為

 

     

10000

1 + 

0.01

4

4 × 2

 = 10000(1 + 0.0025)

8

 

              

  10201.75878  10202(元)。

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34

高中數學(3)A‧習作

2-1

例題  

1

  指數函數基本運算

 fx)= 3

x

,試求下列各函數值:

1

  f(0)。(2 分) 

2

  f(3)。(2 分)

3

  f(−2)。(3 分) 

4

  f(1  t)。(3 分)

  1  f(0)= 3

0

 = 1

2

  f(3)= 3

3

 = 27

3

  f(−2)= 3

−2

 = 

1
9

4

  f(1  t)= 3

1  t

= 

3

3

t

例題  

2

  判斷函數圖形

如右圖,四個曲線分別為指數函數

 Γ

1

Γ

2

Γ

3

Γ

4

 的圖形,

1

  已知曲線 Γ

1

Γ

2

Γ

3

 分別為函數 y = 3

x

= 7

x

=

1
2

x

 的圖

 

形,試判斷哪個圖形代表哪個函數?(

5 分)

2

  承1,若 Γ

4

  y = a

x

 的圖形,試比較 a  

1
 

的關係。(

5 分)

  1  首先,= 3

x

  y = 7

x

 的底數都大於 1

  因此其圖形愈往右愈陡峭,而 y = 7

x

  y = 3

x

 更陡峭

  因此,Γ

1

  y = 3

x

 的圖形,Γ

2

  y = 7

x

 的圖形

  其次,因為 Γ

3

 是底數小於 1 的指數函數圖形,故 Γ

3

  y =

1
2

x

 的圖形

2

  觀察圖形可知 Γ

3

  Γ

4

 更陡峭,故 

1
 < a

,即

 a > 

1
2

例題  

3

  指數函數圖形的平移

試利用

 y = 3

x

 的圖形,描繪出下列函數的圖形:

1

  y = 3

x

 + 4。(5 分)

2

  y = 3

 1

。(

5 分)

 

1

 

 

 y = 3

x

 + 4 的圖形 

可以由

 y = 3

x

  

圖形向上平移

 4  

單位而得

x

x

x

2

 

 

 y = 3

 1

 的圖形可以

 y = 3

x

 的圖形向右

平移

 1 單位而得

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第 2 章 指數與對數函數

35

2-1

例題  

4

  指數方程式

試解下列方程式:

1

  2

4 3

 = 32。(5 分)

2

  4

x

  2

+ 2

  32 = 0。(5 分)

  1  2

4 3

 = 2

5

 

 4 3 = 5

        

 4= 8  x = 2

2

  4

x

  2

+ 2

  32 = 0 

⇒(2

2

x

  2

2

2

x

  32 = 0

             

⇒(2

x

2

 4.2

 32 = 0 ⇒(2

x

  8)

2

x

 + 4)= 0

   2

x

 + 4 

 0 ∴ 2

x

  8 = 0

 

 2

x

 = 8 = 2

3

 

 x = 3

例題  

5

  同底指數的大小關係

1

   a = 5

√3

= 25

√2

= 125 ,試比較 a b c 的大小關係。(5 分)

2

   a = 0.09

√2

= 0.027

2

= 0.3

3

,試比較

 ab的大小關係。(5 分)

  1  a = 5

√3

  b = 25

√2

 =(5

2

√2

 = 5

2

√2

  c = 125  =(5

3

 =  = 5

   

√3 < 

3

√2

 < 2√2 

且底數

 5 > 1 ∴ a < c < b

2

  a = 0.09

√2

 =〔(0.3)

2

√2

 = 0.3

2

√2

  b = 0.027

2

 =〔(0.3)

3

2

 = 0.3

6

  c = 0.3

3

   2

√2 < 3 < 6 且底數 0 < 0.3 < 1 ∴ a > c > b

例題  

6

  指數不等式(一)

試解下列各不等式:

1

  8

3 1

 > 4

2+ 1

。(

5 分)

2

 

1

25

 1

 <

1
5

3+ 1

。(

5 分)

  1  8

3 1

 > 4

2+ 1

 

⇒(2

3

3 1

 >(2

2

2+ 1

 

 2

9 3

 > 2

4+ 2

  ∵底數 2 > 1
   9 3 > 4+ 2
    

 5> 5

    

 x > 1

x

1

√2

x

1

√2

1

√2

3

√2

3

√2

2

x

2

 

1

25

 1

 <

1
5

3+ 1

 

〔(

1
5

2

 1

 <

1
5

3+ 1

 

1
5

2 2

 <

1
5

3+ 1

  ∵底數 

1
 < 1

   2 2 > 3+ 1
    

 x < −3

background image

36

高中數學(3)A‧習作

2-1

例題  

7

  指數不等式(二)

試解下列各不等式:

1

  3

2+ 1

  10.3

x

 + 3  0。(5 分)

2

 

1

25

x

  4

1
5

x

  5  0。(5 分)

  1  3

2+ 1

  10.3

x

 + 3  0

 

 3.(3

x

2

  10.3

x

 + 3  0

   t = 3

x

,上式改寫為

  3

2

  10+ 3  0

 

⇒(3 1)

 3)≥ 0

 

 t  

1
 

 t  3

 

   3

x

  3

−1

  3

x

  3

1

  ∵底數 3 > 1
   x  −1  x  1

例題  

8

  指數函數的應用(一)

大明研究某水生植物多年,發現每經過

 1 個月,這種植物覆蓋水面的面積會成為原來的 2 

倍。假設大明選定某池塘投入這種植物,

3 個月以後面積達 1200 平方公尺,試問:

1

  再過 2 個月之後,面積變為多少平方公尺?(5 分)

2

  最初投入的面積為多少平方公尺?(5 分)

  1  再經過 2 個月,面積成為 2

2

 

   1200 × 2

2

 = 4800(平方公尺)

2

  設最初投入的面積為 A 平方公尺

   x 個月以後的面積為
  fx)= A.2

x

  f(3)= A.2

3

 = 8= 1200

 

 A = 150(平方公尺)

x

2

 

1

25

x

  4

1
5

x

  5  0

 

1
5

2x

  4

1
5

x

  5  0

 

〔(

1
5

x

2

  4

1
5

x

  5  0

   t =

1
5

x

,上式改寫為

  t

2

  4 5  0 

⇒( 5)

+ 1)≤ 0

  因為無論 x 為何值,

1
5

x

 > 0

   t > 0,故得 t + 1 > 0
  將不等式消去 t + 1  t  5  0

 

1
5

x

  5,即

1
5

x

 

1
5

−1

  因底數 0 < 

1
 < 1

,故

 x  −1

x

background image

第 2 章 指數與對數函數

37

2-1

例題  

9

  指數函數的應用(二)

實驗室裡儲存某種放射性元素

 400 克,其質量 m(克)與時間 x(年)的關係式為  

= fx)= ka

x

,其中

 k為常數。已知此關係式圖形通過(0,400),(2,300),試求:

1

  關係式 fx)= ka

x

  a 值。(5 分)

2

  8 年後還有多少克?(5 分)

  1  由題意得 f(0)= ka

0

 = 400,f(2)= ka

2

 = 300

  兩式相除 a

2

 = 

3
4

,得

 a =  

3

2

 0.8660)

2

   f(0)= ka

0

 = 400  k = 400

  所求為 f(8)= 400

√3

2

8

 = 

2025

16

(克)

例題  

10

  指數在金融上的應用:單利法與複利法

假設銀行的一年期定存利率為

 1.2 %,小明打算存入 10 萬元,試分別計算以下三種方案的

本利和。(已知

 1.001

24

 

 1.024278)

1

  單利計算利息,為期 2 年。(2 分)

2

  每年複利一次,為期 2 年。(四捨五入至整數位)

4 分)

3

  每個月複利一次,為期 2 年。(四捨五入至整數位)

4 分)

  1  單利計息,為期 2 年,本利和為

  100000(1 + 2 × 0.012)= 102400(元)
2

  每年複利一次,為期 2 年,本利和為

  100000(1 + 0.012)

2

 = 102414.4 

 102414(元)

3

  每個月複利一次,為期 2 年,本利和為

  100000

1 + 

0.012

12

2 × 12

 = 100000(1.001)

24

 

            

 100000 × 1.024278 = 102427.8  102428(元)

x

x

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