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高中数学人教B版 (2019)必修 第二册4.3 指数函数与对数函数的关系导学案及答案
展开(教师独具内容)
课程标准:1.了解反函数的概念.2.知道对数函数y=lgax(a>0且a≠1)与指数函数y=ax(a>0且a≠1)互为反函数.
教学重点:反函数的概念及互为反函数图像间的关系,对比对数函数y=lgax(a>0且a≠1)与指数函数y=ax(a>0且a≠1)的图像和性质,深刻理解两者的关系.
教学难点:对数函数y=lgax(a>0且a≠1)与指数函数y=ax(a>0且a≠1)的图像的对称关系.
互为反函数的两个函数的关系
(1)原函数的定义域、值域分别是其反函数的值域、定义域.
(2)互为反函数的两个函数的图像关于直线y=x对称,故函数y=ax的图像与y=lgax的图像关于直线y=x对称(其中a>0且a≠1).
1.判一判(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)任何一个函数都有反函数.( )
(2)函数y=2x的定义域是函数y=lg2x的值域.( )
(3)函数y=x2的反函数是y=eq \r(x).( )
2.做一做(请把正确的答案写在横线上)
(1)函数y=lg eq \s\d10(\f(1,3)) x的反函数为________.
(2)函数y=lg eq \s\d10(\f(1,3)) (x-1)的反函数为________.
(3)若点(1,2)在函数y=f(x)的图像上,则点________必在其反函数y=f-1(x)的图像上.
题型一 求函数的反函数
例1 求下列函数的反函数.
(1)y=2x+3;
(2)y=lg eq \s\d10(\f(2,3)) x;
(3)y=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(2,3)))x-1;
(4)y=0.2x+1(x≤1).
eq \a\vs4\al([跟踪训练1]) 求下列函数的反函数:
(1)y=lg eq \s\d10(\f(1,3)) (2x+1);(2)y=eq \f(2x+1,2x-1).
题型二 反函数性质的应用
例2 已知函数y=ax+b的图像过点(1,4),其反函数的图像过点(2,0),求a,b的值.
eq \a\vs4\al([跟踪训练2]) 已知函数f(x)=ax+b(a>0且a≠1)的图像过点(1,7),其反函数f-1(x)的图像过点(4,0),求f(x)的表达式.
题型三 指数函数与对数函数图像间的关系
例3 已知lg a+lg b=0,函数f(x)=ax与函数g(x)=-lgbx的图像可能是( )
eq \a\vs4\al([跟踪训练3]) y=lg2x的反函数是y=f-1(x),则函数y=f-1(1-x)的图像是下图中的( )
题型四 指数函数与对数函数的综合应用
例4 (1)已知f(x)=lga(a-ax)(a>1).
①求函数f(x)的定义域、值域;
②判断f(x)的单调性,并证明;
(2)设方程2x+x-3=0的根为m,方程lg2x+x-3=0的根为n,求m+n的值.
eq \a\vs4\al([跟踪训练4]) (1)已知0A.1B.2
C.3D.4
(2)已知f(x)=lg4(4x-1).
①求f(x)的定义域;
②讨论f(x)的单调性;
③求f(x)在区间eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(\f(1,2),2))上的值域.
1.函数f(x)=lg4x与g(x)=22x的图像( )
A.关于x轴对称B.关于y轴对称
C.关于原点对称D.关于直线y=x对称
2.若函数y=f(x)是函数y=ax(a>0且a≠1)的反函数,且f(2)=1,则f(x)=( )
A.lg2x B.eq \f(1,2x)
C.lg eq \s\d10(\f(1,2)) xD.2x-2
3.(多选)已知函数y=ex的图像与函数y=f(x)的图像关于直线y=x对称,则( )
A.f(x)=ln x(x>0)
B.f(2x)=-e2x(x∈R)
C.f(x)=-ex(x∈R)
D.f(2x)=ln x+ln 2(x>0)
4.若函数y=lg2x+2的反函数的定义域为(3,+∞),则此函数的定义域为________.
5.若点A(1,2)既在函数f(x)=ax2+b(x≥0)的图像上,又在f(x)的反函数f-1(x)的图像上,求a,b的值.
一、选择题
1.已知函数y=f(x)有反函数,则方程f(x)=0的根的情况是( )
A.有且仅有一个实根
B.至少有一个实根
C.至多有一个实根
D.0个,1个或1个以上实根
2.将y=2x的图像________,再作关于直线y=x对称的图像,可得函数y=lg2(x+1)的图像.横线处应填写( )
A.先向左平移1个单位B.先向右平移1个单位
C.先向上平移1个单位D.先向下平移1个单位
3.若指数函数y=ax当x<0时,有0
A.(-∞,0]B.[0,+∞)
C.(-2,0]D.[0,2)
5.(多选)已知e是自然对数的底数,函数f(x)=ex+x-2的零点为a,函数g(x)=ln x+x-2的零点为b,则下列不等式中成立的是( )
A.f(a)
6.函数y=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x+1,x<0,,ex,x≥0))的反函数是________.
7.函数f(x)=lgax(a>0且a≠1)满足f(9)=2,则f-1(-lg92)=________.
8.已知函数f(x)是定义在(-∞,+∞)上的减函数,其图像经过A(-4,1),B(0,-1)两点,函数f(x)的反函数是f-1(x),则f-1(1)的值是________;不等式|f(x-2)|<1的解集是________.
三、解答题
9.已知函数f(x)=lga(2-x)(a>1).
(1)求函数f(x)的定义域、值域;
(2)求函数f(x)的反函数f-1(x);
(3)判断f-1(x)的单调性.
10.已知函数f(x)=lg (x+1).
(1)当x∈[1,9]时,求函数f(x)的反函数;
(2)若0
(1)当t=2时,求函数f(x)的反函数f-1(x);
(2)如果函数f(x)在其定义域内有反函数,求实数t的取值范围.
2.已知奇函数f(x)=eq \f(a·2x+b,2x-1)的反函数f-1(x)的图像过点A(-3,1).
(1)求实数a,b的值;
(2)解关于x的不等式f-1(x)>-1.
第四章指数函数、对数函数与幂函数
4.3指数函数与对数函数的关系 讲义
(教师独具内容)
课程标准:1.了解反函数的概念.2.知道对数函数y=lgax(a>0且a≠1)与指数函数y=ax(a>0且a≠1)互为反函数.
教学重点:反函数的概念及互为反函数图像间的关系,对比对数函数y=lgax(a>0且a≠1)与指数函数y=ax(a>0且a≠1)的图像和性质,深刻理解两者的关系.
教学难点:对数函数y=lgax(a>0且a≠1)与指数函数y=ax(a>0且a≠1)的图像的对称关系.
互为反函数的两个函数的关系
(1)原函数的定义域、值域分别是其反函数的值域、定义域.
(2)互为反函数的两个函数的图像关于直线y=x对称,故函数y=ax的图像与y=lgax的图像关于直线y=x对称(其中a>0且a≠1).
1.判一判(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)任何一个函数都有反函数.( )
(2)函数y=2x的定义域是函数y=lg2x的值域.( )
(3)函数y=x2的反函数是y=eq \r(x).( )
答案 (1)× (2)√ (3)×
2.做一做(请把正确的答案写在横线上)
(1)函数y=lg eq \s\d10(\f(1,3)) x的反函数为________.
(2)函数y=lg eq \s\d10(\f(1,3)) (x-1)的反函数为________.
(3)若点(1,2)在函数y=f(x)的图像上,则点________必在其反函数y=f-1(x)的图像上.
答案 (1)y=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,3)))x (2)y=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,3)))x+1 (3)(2,1)
题型一 求函数的反函数
例1 求下列函数的反函数.
(1)y=2x+3;
(2)y=lg eq \s\d10(\f(2,3)) x;
(3)y=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(2,3)))x-1;
(4)y=0.2x+1(x≤1).
[解] (1)由y=2x+3得x=eq \f(1,2)y-eq \f(3,2),
所以函数y=2x+3的反函数是y=eq \f(1,2)x-eq \f(3,2).
(2)y=lg eq \s\d10(\f(2,3)) x的底数是eq \f(2,3),它的反函数是指数函数y=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(2,3)))x.
(3)y=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(2,3)))x-1的值域是(-1,+∞),所以它的反函数为函数y=lg eq \s\d10(\f(2,3)) (x+1)(x>-1).
(4)因为y=0.2x+1,所以y-1=0.2x,x=lg0.2(y-1),对调其中的x和y得y=lg0.2(x-1),
因为函数y=0.2x+1(x≤1)的值域是{y|y≥1.2},所以y=lg0.2(x-1)的定义域为{x|x≥1.2},即函数y=0.2x+1(x≤1)的反函数是y=lg0.2(x-1)(x≥1.2).
金版点睛
eq \a\vs4\al( 求给定解析式的函数的反函数的步骤,1求出原函数的值域,这就是反函数的定义域;,2从y=fx中解出x;,3x,y互换并注明反函数的定义域.)
eq \a\vs4\al([跟踪训练1]) 求下列函数的反函数:
(1)y=lg eq \s\d10(\f(1,3)) (2x+1);(2)y=eq \f(2x+1,2x-1).
解 (1)由y=lg eq \s\d10(\f(1,3)) (2x+1),得2x+1=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,3)))y,
所以x=eq \f(1,2)×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,3)))y-eq \f(1,2),
对调x,y得y=eq \f(1,2)×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,3)))x-eq \f(1,2),
所以y=lg eq \s\d10(\f(1,3)) (2x+1)的反函数是y=eq \f(1,2)×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,3)))x-eq \f(1,2).
(2)由y=eq \f(2x+1,2x-1),得2x(y-1)=y+1.
∵y≠1,∴2x=eq \f(y+1,y-1).①
∵2x>0,∴eq \f(y+1,y-1)>0,解得y>1或y<-1.
故反函数的定义域是{x|x>1或x<-1}.
由①式,得x=lg2eq \f(y+1,y-1).
因此,所求的反函数为y=lg2eq \f(x+1,x-1)(x<-1或x>1).
题型二 反函数性质的应用
例2 已知函数y=ax+b的图像过点(1,4),其反函数的图像过点(2,0),求a,b的值.
[解] 解法一:∵y=ax+b的图像过点(1,4),
∴a+b=4,①
由y=ax+b得ax=y-b,
∴x=lga(y-b),对调x,y得y=lga(x-b),
将点(2,0)代入y=lga(x-b)得lga(2-b)=0,
∴2-b=1.②
由①②解得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a=3,,b=1.))
解法二:∵y=ax+b的图像过点(1,4),∴a+b=4.①
又∵y=ax+b的反函数图像过点(2,0),
∴点(0,2)在原函数y=ax+b的图像上,
∴a0+b=2.②
联立①②得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a=3,,b=1.))
金版点睛
利用反函数的性质解题
互为反函数的图像关于直线y=x对称是反函数的重要性质,由此可得互为反函数图像上任一成对的相应点也关于y=x对称,所以若点a,b在函数y=fx的图像上,则点b,a必在其反函数y=f-1x的图像上.
eq \a\vs4\al([跟踪训练2]) 已知函数f(x)=ax+b(a>0且a≠1)的图像过点(1,7),其反函数f-1(x)的图像过点(4,0),求f(x)的表达式.
解 ∵y=f-1(x)的图像过点(4,0),
∴y=f(x)的图像过点(0,4),
∴1+b=4,∴b=3,又∵f(x)=ax+b的图像过点(1,7),
∴a+b=7,∴a=4.∴f(x)=4x+3.
题型三 指数函数与对数函数图像间的关系
例3 已知lg a+lg b=0,函数f(x)=ax与函数g(x)=-lgbx的图像可能是( )
[解析] ∵lg a+lg b=0,∴ab=1,则b=eq \f(1,a),从而g(x)=-lgbx=lgax,故g(x)与f(x)=ax互为反函数,图像关于直线y=x对称.结合选项可知选B.
[答案] B
金版点睛
利用反函数的性质识图
指数函数与对数函数互为反函数,二者的图像关于直线y=x对称.在有关指数函数与对数函数的图像识别问题中利用这一性质,结合平移翻转等可以很方便地解决问题.
eq \a\vs4\al([跟踪训练3]) y=lg2x的反函数是y=f-1(x),则函数y=f-1(1-x)的图像是下图中的( )
答案 C
解析 ∵y=lg2x的反函数为y=f-1(x)=2x,则y=f-1(1-x)=21-x=2·2-x=2·eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,2)))x,故排除A,B.又此函数图像过(0,2),故正确答案为C.
题型四 指数函数与对数函数的综合应用
例4 (1)已知f(x)=lga(a-ax)(a>1).
①求函数f(x)的定义域、值域;
②判断f(x)的单调性,并证明;
(2)设方程2x+x-3=0的根为m,方程lg2x+x-3=0的根为n,求m+n的值.
[解] (1)①要使函数f(x)=lga(a-ax)(a>1)有意义,需满足a-ax>0,即ax1,∴x<1,故定义域是(-∞,1),又a-ax∈(0,a),所以值域是(-∞,1).
②设x1
∴n=-m+3(A点坐标代入),或m=-n+3(B点坐标代入),故m+n=3.
金版点睛
指数函数与对数函数综合问题的解决方法
1指数函数y=axa>0且a≠1与对数函数y=lgaxa>0且a≠1互为反函数,应从概念、图像和性质三个方面理解它们之间的联系与区别.
2利用数形结合、等价转化的思想可较为简便地解决函数零点方程的根问题.
eq \a\vs4\al([跟踪训练4]) (1)已知0A.1B.2
C.3D.4
(2)已知f(x)=lg4(4x-1).
①求f(x)的定义域;
②讨论f(x)的单调性;
③求f(x)在区间eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(\f(1,2),2))上的值域.
答案 (1)B (2)见解析
解析 (1)函数y=a|x|-|lgax|(0画出函数f(x)=a|x|(0(2)①由4x-1>0,解得x>0,
因此f(x)的定义域为(0,+∞).
②设0
③因为f(x)在区间eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(\f(1,2),2))上单调递增,
又feq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,2)))=0,f(2)=lg415,
因此f(x)在eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(\f(1,2),2))上的值域为[0,lg415].
1.函数f(x)=lg4x与g(x)=22x的图像( )
A.关于x轴对称B.关于y轴对称
C.关于原点对称D.关于直线y=x对称
答案 D
解析 ∵g(x)=22x=4x,∴函数f(x)=lg4x与g(x)=22x互为反函数,它们的图像关于直线y=x对称.
2.若函数y=f(x)是函数y=ax(a>0且a≠1)的反函数,且f(2)=1,则f(x)=( )
A.lg2x B.eq \f(1,2x)
C.lg eq \s\d10(\f(1,2)) xD.2x-2
答案 A
解析 y=ax的反函数f(x)=lgax,则1=lga2,∴a=2.故f(x)=lg2x.
3.(多选)已知函数y=ex的图像与函数y=f(x)的图像关于直线y=x对称,则( )
A.f(x)=ln x(x>0)
B.f(2x)=-e2x(x∈R)
C.f(x)=-ex(x∈R)
D.f(2x)=ln x+ln 2(x>0)
答案 AD
解析 由题意可得,y=f(x)是y=ex的反函数,∴f(x)=ln x(x>0),∴f(2x)=ln (2x)=ln 2+ln x(x>0).故选AD.
4.若函数y=lg2x+2的反函数的定义域为(3,+∞),则此函数的定义域为________.
答案 (2,+∞)
解析 函数y=lg2x+2的反函数的定义域为(3,+∞),即这个函数的值域为(3,+∞),∴lg2x+2>3,即lg2x>1,∴x>2.则此函数的定义域为(2,+∞).
5.若点A(1,2)既在函数f(x)=ax2+b(x≥0)的图像上,又在f(x)的反函数f-1(x)的图像上,求a,b的值.
解 ∵f-1(1)=2,∴f(2)=1.又f(1)=2,
∴eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a+b=2,,4a+b=1,))解得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(a=-\f(1,3),,b=\f(7,3).))
一、选择题
1.已知函数y=f(x)有反函数,则方程f(x)=0的根的情况是( )
A.有且仅有一个实根
B.至少有一个实根
C.至多有一个实根
D.0个,1个或1个以上实根
答案 C
解析 若f(x)=0有根m,则f(m)=0,又因为f(x)有反函数,所以0在y=f-1(x)关系下有唯一的值与之对应,故m必唯一,所以y=f(x)的图像与x轴至多有一个交点,即方程f(x)=0至多有一个实根.
2.将y=2x的图像________,再作关于直线y=x对称的图像,可得函数y=lg2(x+1)的图像.横线处应填写( )
A.先向左平移1个单位B.先向右平移1个单位
C.先向上平移1个单位D.先向下平移1个单位
答案 D
解析 与函数y=lg2(x+1)的图像关于直线y=x对称的曲线是函数y=2x-1的图像.为了得到它,只需将y=2x的图像向下平移1个单位.故选D.
3.若指数函数y=ax当x<0时,有0
解析 ∵x<0时,y=ax∈(0,1),∴a>1.∴y=lgax单调递增,y=a-x=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,a)))x单调递减.结合选项知,选A.
4.函数f(x)与g(x)=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,2)))x互为反函数,则函数f(4-x2)的单调递增区间是( )
A.(-∞,0]B.[0,+∞)
C.(-2,0]D.[0,2)
答案 D
解析 ∵函数f(x)与g(x)=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,2)))x互为反函数,∴f(x)=lg eq \s\d10(\f(1,2)) x=-lg2x(x>0),则函数f(4-x2)=-lg2(4-x2).由4-x2>0,得-2
A.f(a)
解析 分别作出函数y=ex,y=ln x,y=2-x的图像,如图所示,不难发现a<1二、填空题
6.函数y=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x+1,x<0,,ex,x≥0))的反函数是________.
答案 y=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x-1,x<1,,ln x,x≥1))
解析 当x<0时,y=x+1的反函数是y=x-1,x<1;
当x≥0时,y=ex的反函数是y=ln x,x≥1.
故原函数的反函数为y=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(x-1,x<1,,ln x,x≥1.))
7.函数f(x)=lgax(a>0且a≠1)满足f(9)=2,则f-1(-lg92)=________.
答案 eq \f(\r(2),2)
解析 ∵lga9=2,∴a=3,而f-1(x)=ax,∴f-1(x)=3x,∴f-1(-lg92)=3-lg92=3 eq \s\up15(lg3eq \f(\r(2),2)) =eq \f(\r(2),2).
8.已知函数f(x)是定义在(-∞,+∞)上的减函数,其图像经过A(-4,1),B(0,-1)两点,函数f(x)的反函数是f-1(x),则f-1(1)的值是________;不等式|f(x-2)|<1的解集是________.
答案 -4 (-2,2)
解析 由题意,可知f-1(x)的图像过点(1,-4)和点(-1,0),∴f-1(1)=-4;∵|f(x-2)|<1,∴-1
9.已知函数f(x)=lga(2-x)(a>1).
(1)求函数f(x)的定义域、值域;
(2)求函数f(x)的反函数f-1(x);
(3)判断f-1(x)的单调性.
解 (1)要使函数f(x)有意义,需满足2-x>0,即x<2,
故函数f(x)的定义域为(-∞,2),值域为R.
(2)由y=lga(2-x),得2-x=ay,
即x=2-ay.∴f-1(x)=2-ax.
(3)f-1(x)在R上是减函数.
证明如下:任取x1,x2∈R且x1
∵a>1,x1
10.已知函数f(x)=lg (x+1).
(1)当x∈[1,9]时,求函数f(x)的反函数;
(2)若0
(2)不等式0
1.已知函数f(x)=x2-3tx+1,其定义域为[0,3]∪[12,15].
(1)当t=2时,求函数f(x)的反函数f-1(x);
(2)如果函数f(x)在其定义域内有反函数,求实数t的取值范围.
解 (1)当t=2,f(x)=x2-6x+1,其定义域为[0,3]∪[12,15],
∴f-1(x)=eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(3-\r(x+8),x∈[-8,1],,3+\r(x+8),x∈[73,136].))
(2)若eq \f(3t,2)≤0,即t≤0,则函数f(x)在定义域上单调递增,所以具有反函数;
若eq \f(3t,2)≥15,即t≥10,则函数f(x)在定义域上单调递减,所以具有反函数;
当3≤eq \f(3t,2)≤12,即2≤t≤8时,由于区间[0,3]关于对称轴eq \f(3t,2)的对称区间是[3t-3,3t],于是当eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(3t<12,,\f(3t,2)≥3))或eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(3t-3>15,,\f(3t,2)≤12,))即t∈[2,4)或t∈(6,8]时,函数f(x)在其定义域上满足一一对应关系,具有反函数.
综上所述,t∈(-∞,0]∪[2,4)∪(6,8]∪[10,+∞).
2.已知奇函数f(x)=eq \f(a·2x+b,2x-1)的反函数f-1(x)的图像过点A(-3,1).
(1)求实数a,b的值;
(2)解关于x的不等式f-1(x)>-1.
解 (1)因为奇函数f(x)=eq \f(a·2x+b,2x-1)的反函数f-1(x)过点A(-3,1),
所以eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(f1=-3⇒\f(2a+b,2-1)=-3⇒2a+b=-3,,f-1=-f1⇒\f(2-1a+b,2-1-1)=-\f(2a+b,2-1)⇒a=b,))
解得a=b=-1.
(2)由(1)知,f(x)=eq \f(2x+1,1-2x),
则f-1(x)=lg2eq \f(x-1,x+1)(x>1或x<-1),
解不等式f-1(x)=lg2eq \f(x-1,x+1)>-1⇒x>3或x<-1.
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