Показательные уравнения и системы показательных уравнений. Решение показательных уравнений и неравенств
Показательными уравнениями и неравенствами считают такие уравнения и неравенства, в которых неизвестное содержится в показателе степени.
Решение показательных уравнений часто сводится к решению уравнения а х = а b , где а > 0, а ≠ 1, х – неизвестное. Это уравнение имеет единственный корень х = b, так как справедлива следующая теорема:
Теорема. Если а > 0, а ≠ 1 и а х 1 = а х 2 , то х 1 = х 2 .
Обоснуем рассмотренное утверждение.
Предположим, что равенство х 1 = х 2 не выполняется, т.е. х 1 < х 2 или х 1 = х 2 . Пусть, например, х 1 < х 2 . Тогда если а > 1, то показательная функция у = а х возрастает и поэтому должно выполняться неравенство а х 1 < а х 2 ; если 0 < а < 1, то функция убывает и должно выполняться неравенство а х 1 > а х 2 . В обоих случаях мы получили противоречие условию а х 1 = а х 2 .
Рассмотрим несколько задач.
Решить уравнение 4 ∙ 2 х = 1.
Решение.
Запишем уравнение в виде 2 2 ∙ 2 х = 2 0 – 2 х+2 = 2 0 , откуда получаем х + 2 = 0, т.е. х = -2.
Ответ. х = -2.
Решить уравнение 2 3х ∙ 3 х = 576.
Решение.
Так как 2 3х = (2 3) х = 8 х, 576 = 24 2 , то уравнение можно записать в виде 8 х ∙ 3 х = 24 2 или в виде 24 х = 24 2 .
Отсюда получаем х = 2.
Ответ. х = 2.
Решить уравнение 3 х+1 – 2∙3 х - 2 = 25.
Решение.
Вынося в левой части за скобки общий множитель 3 х - 2 , получаем 3 х - 2 ∙ (3 3 – 2) = 25 – 3 х - 2 ∙ 25 = 25,
откуда 3 х - 2 = 1, т.е. х – 2 = 0, х = 2.
Ответ. х = 2.
Решить уравнение 3 х = 7 х.
Решение.
Так как 7 х ≠ 0, то уравнение можно записать в виде 3 х /7 х = 1, откуда (3/7) х = 1, х = 0.
Ответ. х = 0.
Решить уравнение 9 х – 4 ∙ 3 х – 45 = 0.
Решение.
Заменой 3 х = а данное уравнение сводится к квадратному уравнению а 2 – 4а – 45 = 0.
Решая это уравнение, находим его корни: а 1 = 9, а 2 = -5, откуда 3 х = 9, 3 х = -5.
Уравнение 3 х = 9 имеет корень 2, а уравнение 3 х = -5 не имеет корней, так как показательная функция не может принимать отрицательные значения.
Ответ. х = 2.
Решение показательных неравенств часто сводится к решению неравенств а х > а b или а х < а b . Эти неравенства решаются с помощью свойства возрастания или убывания показательной функции.
Рассмотрим некоторые задачи.
Решить неравенство 3 х < 81.
Решение.
Запишем неравенство в виде 3 х < 3 4 . Так как 3 > 1, то функция у = 3 х является возрастающей.
Следовательно, при х < 4 выполняется неравенство 3 х < 3 4 , а при х ≥ 4 выполняется неравенство 3 х ≥ 3 4 .
Таким образом, при х < 4 неравенство 3 х < 3 4 является верным, а при х ≥ 4 – неверным, т.е. неравенство
3 х < 81 выполняется тогда и только тогда, когда х < 4.
Ответ. х < 4.
Решить неравенство 16 х +4 х – 2 > 0.
Решение.
Обозначим 4 х = t, тогда получим квадратное неравенство t2 + t – 2 > 0.
Это неравенство выполняется при t < -2 и при t > 1.
Так как t = 4 х, то получим два неравенства 4 х < -2, 4 х > 1.
Первое неравенство не имеет решений, так как 4 х > 0 при всех х € R.
Второе неравенство запишем в виде 4 х > 4 0 , откуда х > 0.
Ответ. х > 0.
Графически решить уравнение (1/3) х = х – 2/3.
Решение.
1) Построим графики функций у = (1/3) х и у = х – 2/3.
2) Опираясь на наш рисунок, можно сделать вывод, что графики рассмотренных функций пересекаются в точке с абсциссой х ≈ 1. Проверка доказывает, что
х = 1 – корень данного уравнения:
(1/3) 1 = 1/3 и 1 – 2/3 = 1/3.
Иными словами, мы нашли один из корней уравнения.
3) Найдем другие корни или докажем, что таковых нет. Функция (1/3) х убывающая, а функция у = х – 2/3 возрастающая. Следовательно, при х > 1 значения первой функции меньше 1/3, а второй – больше 1/3; при х < 1, наоборот, значения первой функции больше 1/3, а второй – меньше 1/3. Геометрически это означает, что графики этих функций при х > 1 и х < 1 «расходятся» и потому не могут иметь точек пересечения при х ≠ 1.
Ответ. х = 1.
Заметим, что из решения этой задачи, в частности, следует, что неравенство (1/3) х > х – 2/3 выполняется при х < 1, а неравенство (1/3) х < х – 2/3 – при х > 1.
сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.
а x = b - простейшее показательное уравнение. В нем a больше нуля и а не равняется единице.
Решение показательных уравнений
Из свойств показательной функции знаем, что ее область значений ограничена положительными вещественными числами. Тогда если b = 0, уравнение не имеет решений. Такая же ситуация имеет место быть, в уравнении где b
Теперь положим, что b>0. Если в показательной функции основание a
больше единицы, то функция будет возрастающей на всей области определения. Если в показательной функции для основания а
выполнено следующее условие 0 Исходя из этого и применяя теорему о корне, получим, что уравнение a x = b иметь один единственный корень, при b>0 и положительном a
не равном единице. Чтобы его найти, необходимо представить b в виде b = a c . Рассмотрим следующий пример: решить уравнение 5 (x 2 - 2*x - 1) = 25. Представим 25 как 5 2 , получим: 5 (x 2 - 2*x - 1) = 5 2 . Или что равносильно: x 2 - 2*x - 1 = 2. Решаем полученное квадратное уравнение любым из известных способов. Получаем два корня x = 3 и x = -1. Ответ: 3;-1. Решим уравнение 4 x - 5*2 x + 4 = 0. Сделаем замену: t=2 x и получим следующее квадратное уравнение: t 2 - 5*t + 4 = 0. Теперь решаем уравнения 2 x = 1 и 2 x = 4. Ответ: 0;2. Решение простейших показательных неравенств основывается тоже на свойствах возрастания и убывания функции. Если в показательной функции основание a больше единицы, то функция будет возрастающей на всей области определения. Если в показательной функции для основания а
выполнено следующее условие 0 Рассмотрим пример: решить неравенство (0.5) (7 - 3*x) < 4. Заметим, что 4 = (0.5) 2 . Тогда неравенство примет вид (0.5)(7 - 3*x) < (0.5) (-2) . Основание показательной функции 0.5 меньше единицы, следовательно, она убывает. В этом случае надо поменять знак неравенства и не записывать только показатели. Получим: 7 - 3*x>-2. Отсюда: х<3. Ответ: х<3. Если бы в неравенстве основание было больше единицы, то при избавлении от основания, знак неравенства менять было бы не нужно. На данном уроке мы рассмотрим решение более сложных показательных уравнений, вспомним основные теоретические положения касательно показательной функции. Напомним определение и основные свойства показательной функции. Именно на свойствах базируется решение всех показательных уравнений и неравенств. Показательная функция
- это функция вида , где основание степени и Здесь х - независимая переменная, аргумент; у - зависимая переменная, функция. Рис. 1. График показательной функции На графике показаны возрастающая и убывающая экспоненты, иллюстрирующие показательную функцию при основании большем единицы и меньшем единицы, но большим нуля соответственно. Обе кривые проходят через точку (0;1) Свойства показательной функции
: Область определения: ; Область значений: ; Функция монотонна, при возрастает, при убывает. Монотонная функция принимает каждое свое значение при единственном значении аргумента. При когда аргумент возрастает от минус до плюс бесконечности, функция возрастает от нуля не включительно до плюс бесконечности. При наоборот, когда аргумент возрастает от минус до плюс бесконечности, функция убывает от бесконечности до нуля не включительно. Напомним, как решать простейшие показательные уравнения. Их решение основано на монотонности показательной функции. К таким уравнениям сводятся практически все сложные показательные уравнения. Равенство показателей степени при равных основаниях обусловлено свойством показательной функции, а именно ее монотонностью. Методика решения: Уравнять основания степеней; Приравнять показатели степеней. Перейдем к рассмотрению более сложных показательных уравнений, наша цель - свести каждое из них к простейшему. Освободимся от корня в левой части и приведем степени к одинаковому основанию: Для того чтобы свести сложное показательное уравнение к простейшим, часто используется замена переменных. Воспользуемся свойством степени: Вводим замену. Пусть , тогда Умножим полученное уравнение на два и перенесем все слагаемые в левую часть: Первый корень не удовлетворяет промежутку значений у, отбрасываем его. Получаем: Приведем степени к одинаковому показателю: Вводим замену: Пусть , тогда Решать подобные квадратные уравнения мы умеем, выпишем ответ: Чтобы удостовериться в правильности нахождения корней, можно выполнить проверку по теореме Виета, т. е. найти сумму корней и их произведение и сверить с соответствующими коэффициентами уравнения. Получаем: Изучим следующий важный тип показательных уравнений: Уравнения такого типа называют однородными второй степени относительно функций f и g. В левой его части стоит квадратный трехчлен относительно f с параметром g или квадратный трехчлен относительно g с параметром f. Методика решения: Данное уравнение можно решать как квадратное, но легче поступить по-другому. Следует рассмотреть два случая: В первом случае получаем Во втором случае имеем право разделить на старшую степень и получаем: Следует ввести замену переменных , получим квадратное уравнение относительно у: Обратим внимание, что функции f и g могут быть любыми, но нас интересует тот случай, когда это показательные функции. Перенесем все слагаемые в левую часть уравнения: Поскольку показательные функции приобретают строго положительные значения, имеем право сразу делить уравнение на , не рассматривая случай, когда : Получаем: Вводим замену: Получили квадратное уравнение: Определяем корни по теореме Виета: Первый корень не удовлетворяет промежутку значений у, отбрасываем его, получаем: Воспользуемся свойствами степени и приведем все степени к простым основаниям: Несложно заметить функции f и g: Поскольку показательные функции приобретают строго положительные значения, имеем право сразу делить уравнение на , не рассматривая случай, когда . Дополнительные материалы
Обучающие пособия и тренажеры в интернет-магазине "Интеграл" для 11 класса
Определение. Уравнения вида: $a^{f(x)}=a^{g(x)}$, где $a>0$, $a≠1$ называются показательными уравнениями.
Вспомнив теоремы, которые мы изучали в теме "Показательная функция", можно ввести новую теорему: Б) $\sqrt{\frac{2}{3}}={(\frac{2}{3})}^{\frac{1}{5}}$. В) Исходное уравнение равносильно уравнению:
$x^2-6x=-3x+18$. Пример. Пример. Давайте составим памятку способов решения показательных уравнений: Пример. Теорема. Если $а>1$, то показательное неравенство $a^{f(x)}>a^{g(x)}$ равносильно неравенству $f(x)>g(x)$. Пример. Б) ${(\frac{1}{4})}^{2x-4}
${(\frac{1}{4})}^{2x-4}
В нашем уравнении основание при степени меньше 1, тогда при замене неравенства на эквивалентное необходимо поменять знак. В) Наше неравенство эквивалентно неравенству:
Тогда очевидно, что с
будет являться решением уравнения a x = a c .
Решаем это уравнение любым из известных способов. Получаем корни t1 = 1 t2 = 4Решение показательных неравенств
1. Определение и свойства показательной функции, методика решения простейших показательных уравнений
2. Решение типовых показательных уравнений
. При такой замене очевидно, что у принимает строго положительные значения. Получаем:
3. Методика решения однородных показательных уравнений второй степени
4. Примеры решения однородных уравнений
(согласно свойствам показательной функции)
Урок и презентация на тему: "Показательные уравнения и показательные неравенства"
Уважаемые пользователи, не забывайте оставлять свои комментарии, отзывы, пожелания! Все материалы проверены антивирусной программой.
Интерактивное пособие для 9–11 классов "Тригонометрия"
Интерактивное пособие для 10–11 классов "Логарифмы"
Определение показательных уравнений
Ребята, мы изучили показательные функций, узнали их свойства и построили графики, разобрали примеры уравнений, в которых встречались показательные функции. Сегодня мы будем изучать показательные уравнения и неравенства.
Теорема. Показательное уравнение $a^{f(x)}=a^{g(x)}$, где $a>0$, $a≠1$ равносильно уравнению $f(x)=g(x)$.
Примеры показательных уравнений
Пример.
Решить уравнения:
а) $3^{3x-3}=27$.
б) ${(\frac{2}{3})}^{2x+0,2}=\sqrt{\frac{2}{3}}$.
в) $5^{x^2-6x}=5^{-3x+18}$.
Решение.
а) Мы хорошо знаем, что $27=3^3$.
Перепишем наше уравнение: $3^{3x-3}=3^3$.
Воспользовавшись теоремой выше, получаем, что наше уравнение сводится к уравнению $3х-3=3$, решив это уравнение, получим $х=2$.
Ответ: $х=2$.
Тогда наше уравнение можно переписать:
${(\frac{2}{3})}^{2x+0,2}={(\frac{2}{3})}^{\frac{1}{5}}={(\frac{2}{3})}^{0,2}$.
$2х+0,2=0,2$.
$х=0$.
Ответ: $х=0$.
$x^2-3x-18=0$.
$(x-6)(x+3)=0$.
$x_1=6$ и $x_2=-3$.
Ответ: $x_1=6$ и $x_2=-3$.
Решить уравнение: $\frac{{(0,25)}^{x-0,5}}{\sqrt{4}}=16*{(0,0625)}^{x+1}$.
Решение:
Последовательно выполним ряд действий и приведем обе части нашего уравнения к одинаковым основаниям.
Выполним ряд операций в левой части:
1) ${(0,25)}^{x-0,5}={(\frac{1}{4})}^{x-0,5}$.
2) $\sqrt{4}=4^{\frac{1}{2}}$.
3) $\frac{{(0,25)}^{x-0,5}}{\sqrt{4}}=\frac{{(\frac{1}{4})}^{x-0,5}}{4^{\frac{1}{2}}}=
\frac{1}{4^{x-0,5+0,5}}=\frac{1}{4^x}={(\frac{1}{4})}^x$.
Перейдем к правой части:
4) $16=4^2$.
5) ${(0,0625)}^{x+1}=\frac{1}{{16}^{x+1}}=\frac{1}{4^{2x+2}}$.
6) $16*{(0,0625)}^{x+1}=\frac{4^2}{4^{2x+2}}=4^{2-2x-2}=4^{-2x}=\frac{1}{4^{2x}}={(\frac{1}{4})}^{2x}$.
Исходное уравнение равносильно уравнению:
${(\frac{1}{4})}^x={(\frac{1}{4})}^{2x}$.
$x=2x$.
$x=0$.
Ответ: $х=0$.
Решить уравнение: $9^x+3^{x+2}-36=0$.
Решение:
Перепишем наше уравнение:
${(3^2)}^x+9*3^x-36=0$.
${(3^x)}^2+9*3^x-36=0$.
Давайте сделаем замену переменных, пусть $a=3^x$.
В новых переменных уравнение примет вид:
$a^2+9a-36=0$.
$(a+12)(a-3)=0$.
$a_1=-12$ и $a_2=3$.
Выполним обратную замену переменных: $3^x=-12$ и $3^x=3$.
На прошлом уроке мы узнали, что показательные выражения могут принимать только положительные значения, вспомните график. Значит, первое уравнение не имеет решений, второе уравнение имеет одно решение: $х=1$.
Ответ: $х=1$.
1. Графический метод.
Представляем обе части уравнения в виде функций и строим их графики, находим точки пересечений графиков. (Этим методом мы пользовались на прошлом уроке).
2. Принцип равенства показателей.
Принцип основан на том, что два выражения с одинаковыми основаниями равны, тогда и только тогда, когда равны степени (показатели) этих оснований.
$a^{f(x)}=a^{g(x)}$ $f(x)=g(x)$.
3. Метод замены переменных.
Данный метод стоит применять, если уравнение при замене переменных упрощает свой вид и его гораздо легче решить.
Решить систему уравнений: $\begin {cases} {27}^y*3^x=1, \\ 4^{x+y}-2^{x+y}=12. \end {cases}$.
Решение.
Рассмотрим оба уравнения системы по отдельности:
$27^y*3^x=1$.
$3^{3y}*3^x=3^0$.
$3^{3y+x}=3^0$.
$x+3y=0$.
Рассмотрим второе уравнение:
$4^{x+y}-2^{x+y}=12$.
$2^{2(x+y)}-2^{x+y}=12$.
Воспользуемся методом замены переменных, пусть $y=2^{x+y}$.
Тогда уравнение примет вид:
$y^2-y-12=0$.
$(y-4)(y+3)=0$.
$y_1=4$ и $y_2=-3$.
Перейдем к начальным переменным, из первого уравнения получаем $x+y=2$. Второе уравнение не имеет решений.
Тогда наша начальная система уравнений, равносильна системе: $\begin {cases} x+3y=0, \\ x+y=2. \end {cases}$.
Вычтем из первого уравнения второе, получим:
$\begin {cases} 2y=-2, \\ x+y=2. \end {cases}$.
$\begin {cases} y=-1, \\ x=3. \end {cases}$.
Ответ: $(3;-1)$.Показательные неравенства
Перейдем к неравенствам. При решении неравенств необходимо обращать внимание на основание степени. Возможны два варианта развития событий при решении неравенств.
Если $0
Решить неравенства:
а) $3^{2x+3}>81$.
б) ${(\frac{1}{4})}^{2x-4}
в) ${0,3}^{x^2+6x}≤{0,3}^{4x+15}$.
Решение.
а) $3^{2x+3}>81$.
$3^{2x+3}>3^4$.
Наше неравенство равносильно неравенству:
$2x+3>4$.
$2x>1$.
$x>0,5$.
$2x-4>2$.
$x>3$.
$x^2+6x≥4x+15$.
$x^2+2x-15≥0$.
$(x-3)(x+5)≥0$.
Воспользуемся интервальным методом решения:
Ответ: $(-∞;-5]U}