幂函数的图像与性质
幂函数把变量放在底数、固定指数放在右上角,形如 。它与底数固定、变量在指数上的指数函数不同。先看几个能直接计算的指数,便能知道图像的定义域、对称性和增减方向为何不同。
三种指数,三种图像
对任意实数有定义,输出非负; 与 得到同一值,图像关于纵轴对称。 也对任意实数有定义,但保留输入的正负号,图像关于原点对称。 必须排除 ,在正、负半轴各有一支。
把输入取为 ,三种函数的输出分别是
在 一侧,更大的正指数上升得更快;在 一侧,顺序会倒过来。负指数的曲线在正半轴下降,但这张表只提供线索,还不能替代对整个区间的判断。
用比较证明增减
对 ,平方差 ,所以平方函数在正半轴递增。倒数差 则说明倒数函数在正半轴递减。若取 ,正的 次幂保留大小,倒数反转大小;更一般的实数指数需要先明确只在 上定义的约定。
在实数范围内要求 ; 可对负数取实立方根。一个幂函数的具体定义域随指数而变,不应把每个 都当作“所有实数都能代入”。指数与分数指数幂解释根式与有理指数的关系。
倍数变化与应用
若 ,把正输入变成原来的 2 倍,输出变成 。相似立方体的边长翻倍、体积变八倍,是一条可由几何证明的尺度规律。若只观察到几个物体的数据接近立方关系,还要检验材质与形状假设;详见幂函数与尺度律。
试算:从 到 , 的输出由 4 到 16,乘 4; 由 到 ,乘 。输入都是翻倍,两种幂函数却朝相反方向变化。
参考资料
- OpenStax,《Precalculus 2e》,§3.3:幂函数与多项式图像。
- 继续阅读:函数的单调性与最值、幂函数与尺度律、指数函数。