Показательная функция, её свойства и график
Определение функции y = aˣ (a > 0, a ≠ 1), характер монотонности, горизонтальная асимптота и экспоненциальный рост.
Показательной функцией называют функцию вида y = aˣ, где a — фиксированное положительное число, отличное от единицы (a > 0, a ≠ 1), а x — любое действительное число (x ∈ ℝ). Независимая переменная x выступает в роли показателя степени. Условие a > 0 необходимо для того, чтобы степень была определена при любых действительных x (включая иррациональные). Основание a = 1 исключается, так как 1ˣ = 1 при всех x, что дает постоянную линейную функцию y = 1.
Показательная функция
Ограничения базы
Экспонента Эйлера eˣ
В математике и природе особую роль играет основание e ≈ 2.71828 (число Непера). Функция y = eˣ называется экспонентой и обладает уникальным свойством: её производная в точности равна самой себе: (eˣ)' = eˣ.
Проверка основания a
Анализ величины a
Определение типа поведения
Показательная функция определена на всей числовой оси: D(y) = (-∞; +∞). Область значений состоит исключительно из строго положительных чисел: E(y) = (0; +∞). График функции целиком расположен в верхней полуплоскости y > 0 и никогда не пересекает ось Ox (показательная функция не имеет нулей: aˣ ≠ 0). Независимо от основания a график всегда проходит через фиксированную опорную точку (0; 1), поскольку a⁰ = 1 для любого допустимого a.
Вся числовая ось
Строгая положительность
Отсутствие нулей функции
Уравнение aˣ = 0 не имеет решений ни при каком значении x. Также aˣ не может равняться отрицательному числу.
Нанесение точки (0; 1)
Нанесение контрольной точки (1; a)
Учет горизонтальной асимптоты y = 0
Характер монотонности показательной функции фундаментально зависит от величины основания: 1) Если a > 1, функция y = aˣ строго возрастает на ℝ: большему показателю соответствует большее значение: x₁ < x₂ <=> a^{x₁} < a^{x₂}. При x → +∞ значения aˣ → +∞, а при x → -∞ значения aˣ → 0. 2) Если 0 < a < 1, функция y = aˣ строго убывает на ℝ: x₁ < x₂ <=> a^{x₁} > a^{x₂}. При x → +∞ значения aˣ → 0, а при x → -∞ значения aˣ → +∞.
Экспоненциальный взрыв
Экспоненциальное затухание
Взаимная симметрия графиков aˣ и (1/a)ˣ
Так как (1/a)ˣ = a⁻ˣ, графики функций y = 2ˣ и y = (1/2)ˣ зеркально симметричны друг другу относительно оси ординат Oy.
Анализ основания
Формулировка монотонности
Сравнение значений степеней
Ось абсцисс (прямая y = 0) является горизонтальной асимптотой графика показательной функции y = aˣ. При a > 1 ветвь графика уходит влево (x → -∞), бесконечно приближаясь к оси Ox сверху, никогда её не пересекая: lim_{x→-∞} aˣ = 0. При 0 < a < 1 горизонтальная асимптота достигается справа: lim_{x→+∞} aˣ = 0. Преобразование вида y = aˣ + c сдвигает горизонтальную асимптоту на уровень y = c.
Горизонтальная асимптота
Сдвиг асимптоты
Только односторонняя асимптота
В отличие от гиперболы y = 1/x, у показательной функции горизонтальная асимптота действует только в одну сторону (влево при a > 1, вправо при a < 1).
Нахождение свободного слагаемого
Проведение пунктирной линии y = c
Построение примыкающей ветви
Показательная функция математически моделирует процессы, в которых скорость изменения величины пропорциональна самой этой величине. 1) Закон радиоактивного распада: N(t) = N₀ · 2^{-t/T}, где T — период полураспада; 2) Неограниченный рост биомассы бактерий: N(t) = N₀ · e^{kt}; 3) Остывание нагретого тела по закону Ньютона; 4) Атмосферное давление с высотой (барометрическая формула p(h) = p₀ · e^{-kh}).
Радиоактивный распад
Мальтузианский рост
Период полураспада
За 1 период остается 50% вещества, за 2 периода — 25%, за 3 периода — 12.5%, за 10 периодов — менее 0.1% от начальной массы.
Определение начального состояния N₀
Нахождение константы скорости k или T
Расчет значения в заданный момент t
- 1. 1. Определение показательной функции и допустимые основания~5 мин
- 2. 2. Область определения, область значений и опорная точка (0; 1)~5 мин
- 3. 3. Монотонность показательной функции при a > 1 и 0 < a < 1~5 мин
- 4. 4. Горизонтальная асимптота y = 0~5 мин
- 5. 5. Прикладные процессы: радиоактивный распад и цепные реакции~5 мин
