Алгебра
Лучшие условия по продуктам Тинькофф по этой ссылке
Дарим 500 ₽ на баланс сим-карты и 1000 ₽ при сохранении номера
. 500 руб. на счет при заказе сим-карты по этой ссылке
Лучшие условия по продуктам
ТИНЬКОФФ по данной ссылке
План урока:
Простейшие показательные уравнения а х = b
Его называют показательным уравнением, ведь переменная находится в показателе степени. Для его решения представим правую часть как степень числа 2:
Тогда уравнение будет выглядеть так:
Теперь и справа, и слева стоят степени двойки. Очевидно, что число 3 будет являться его корнем:
Является ли этот корень единственным? Да, в этом можно убедиться, если построить в координатной плоскости одновременно графики у = 2 х и у = 8. Второй график представляет собой горизонтальную линию.
Пересекаются эти графики только в одной точке, а потому найденное нами решение х = 3 является единственным.
Так как любая показательная функция является монотонной, то есть либо только возрастает (при основании, большем единицы), либо только убывает (при основании, меньшем единицы), то в общем случае ур-ние а х = b может иметь не более одного решения. Это является следствием известного свойства монотонных функций – горизонтальная линия пересекает их не более чем в одной точке.
Сразу отметим, что если в ур-нии вида а х = b число b не является положительным, то корней у ур-ния не будет вовсе. Это следует из того факта, что область значений показательной функции – промежуток (0; + ∞), ведь при возведении в степень любого положительного числа результат всё равно остается положительным. Можно проиллюстрировать это и графически:
Решая простейшее показательное уравнение
мы специально представляли правую часть как степень двойки:
После этого мы делали вывод, что если в обеих частях ур-ния стоят степени с равными основаниями (2 = 2), то у них должны быть равны и показатели. Это утверждение верно и в более общем случае. Если есть ур-ние вида
то его единственным решением является х = с.
Задание. Найдите решение показательного уравнения
Решение. У обоих частей равны основания, значит, равны и показатели:
Задание. Найдите корень уравнения
Решение. Заметим, что число 625 = 5 4 . Тогда ур-ние можно представить так:
Отсюда получаем, что х = 4.
Видно, что основной метод решения показательных уравнений основан на его преобразовании, при котором и в правой, и в левой части стоят степени с совпадающими основаниями.
Задание. При каком х справедливо равенство
Решение. Преобразуем число справа:
Теперь ур-ние можно решить:
Задание. Решите ур-ние
Решение. Любое число при возведении в нулевую степень дает единицу, а потому можно записать, что 1 = 127 0 . Заменим с учетом этого правую часть равенства:
Уравнения вида а f( x) = a g ( x)
Рассмотрим чуть более сложное показательное ур-ние
Для его решения заменим показатели степеней другими величинами:
Теперь наше ур-ние принимает вид
Такие ур-ния мы решать умеем. Надо лишь приравнять показатели степеней:
При решении подобных ур-ний введение новых переменных опускают. Можно сразу приравнять показатели степеней, если равны их основания:
В общем случае использованное правило можно сформулировать так:
Задание. Найдите корень ур-ния
Решение. Представим правую часть как степень двойки:
Тогда ур-ние примет вид
Теперь мы имеем право приравнять показатели:
Задание. Укажите значение х, для которого выполняется условие
Решение. Здесь удобнее преобразовать не правую, а левую часть. Заметим, что
С учетом этого можно записать
Основания у выражений слева и справа совпадают, а потому можно приравнять показатели:
Задание. Укажите корень показательного уравнения
Решение. Для перехода к одному основанию представим число 64 как квадрат восьми:
Тогда ур-ние примет вид:
Задание. Найдите корень ур-ния
Решение. Здесь ситуация чуть более сложная, ведь число 2 невозможно представить как степень пятерки, а пятерки не получится выразить как степень двойки. Однако у обеих степеней в ур-нии совпадают показатели. Напомним, что справедливы следующие правила работы со степенями:
С учетом этого поделим обе части ур-ния на выражения 5 3+х :
Задание. При каких х справедлива запись
Можно сделать преобразования, после которых в ур-нии останется только показательная функция 5 х . Для этого произведем следующие замены:
Перепишем исходное ур-ние с учетом этих замен:
Теперь множитель 5 х можно вынести за скобки:
Рассмотрим чуть более сложное ур-ние, которое может встретиться на ЕГЭ в задании повышенной сложности №13.
Задание. Найдите решение уравнения
Решение. Преобразуем левое слагаемое:
Перепишем начальное ур-ние, используя это преобразование
Теперь мы можем спокойно вынести множитель за скобки:
Получили одинаковые основания слева и справа. Значит, можно приравнять и показатели:
Это квадратное уравнение, решение которого не должно вызывать у десятиклассника проблем:
Задачи, сводящиеся к показательным уравнениям
Рассмотрим одну прикладную задачу, встречающуюся в ЕГЭ по математике.
Задание. Из-за радиоактивного распада масса слитка из изотопа уменьшается, причем изменение его массы описывается зависимостью m(t) = m0 • 2 – t/ T , где m0 – исходная масса слитка, Т – период полураспада, t – время. В начальный момент времени изотоп, чей период полураспада составляет 10 минут, весит 40 миллиграмм. Сколько времени нужно подождать, чтобы масса слитка уменьшилась до 5 миллиграмм.
Решение. Подставим в заданную формулу значения из условия:
m0 = 40 миллиграмм;
m(t) = 5 миллиграмм.
В результате мы получим ур-ние
из которого надо найти значение t. Поделим обе части на 40:
Далее решим чуть более сложную задачу, в которой фигурирует сразу 2 радиоактивных вещества.
Задание. На особо точных рычажных весах в лаборатории лежат два слитка из радиоактивных элементов. Первый из них весит в начале эксперимента 80 миллиграмм и имеет период полураспада, равный 10 минутам. Второй слиток весит 40 миллиграмм, и его период полураспада составляет 15 минут. Изначально весы наклонены в сторону более тяжелого слитка. Через сколько минут после начала эксперимента весы выровняются? Масса слитков меняется по закону m(t) = m0 • 2 – t/ T , где m0 и Т – это начальная масса слитка и период его полураспада соответственно.
Решение. Весы выровняются тогда, когда массы слитков будут равны. Если подставить в данную в задаче формулу условия, то получится, что масса первого слитка меняется по закону
а масса второго слитка описывается зависимостью
Приравняем обе формулы, чтобы найти момент времени, когда массы слитков совпадут (m1 = m2):
Делим обе части на 40:
Основания равны, а потому приравниваем показатели:
Уравнения с заменой переменных
В ряде случаев для решения показательного уравнения следует ввести новую переменную. В учебных заданиях такая замена чаще всего (но не всегда) приводит к квадратному ур-нию.
Задание. Решите уравнение методом замены переменной
Заметим, что в уравнении стоят степени тройки и девятки, но 3 2 = 9. Тогда введем новую переменную t = 3 x . Если возвести ее в квадрат, то получим, что
C учетом этого изначальное ур-ние можно переписать:
Получили обычное квадратное ур-ние. Решим его:
Мы нашли два значения t. Далее необходимо вернуться к прежней переменной, то есть к х:
Первое ур-ние не имеет решений, ведь показательная функция может принимать лишь положительные значения. Поэтому остается рассмотреть только второе ур-ние:
Задание. Найдите корни ур-ния
Решение. Здесь в одном ур-нии стоит сразу три показательных функции. Попытаемся упростить ситуацию и избавиться от одной из них. Для этого поделим ур-ние на выражение 4 4х+1 :
Так как 1 4х+1 = 1, мы можем записать:
Обратим внимание, что делить ур-ние на выражение с переменной можно лишь в том случае, если мы уверены, что оно не обращается в ноль ни при каких значениях х. В данном случае мы действительно можем быть в этом уверены, ведь величина 4 4х+1 строго положительна при любом х.
Вернемся к ур-нию. В нем стоят величины (9/4) 4х+1 и (3/2) 4х+1 . У них одинаковые показатели, но разные степени. Однако можно заметить, что
9/4 = (3/2) 2 , поэтому и (9/4) 4х+1 = ((3/2) 4х+1 ) 2 . Это значит, что перед нами уравнение с заменой переменных.
Произведем замену t = (3/2) 4х+1 , тогда (9/4) 4х+1 = ((3/2) 4х+1 ) 2 = t 2 . Далее перепишем ур-ние с новой переменной t:
Снова получили квадратное ур-ние.
Возвращаемся к переменной х:
И снова первое ур-ние не имеет корней, так как при возведении положительного числа в степень не может получится отрицательное число. Остается решить второе ур-ние:
Графическое решение показательных уравнений
Не всякое показательное уравнение легко или вообще возможно решить аналитическим способом. В таких случаях выручает графическое решение уравнений.
Задание. Найдите графическим способом значение х, для которого справедливо равенство
Решение. Построим в одной системе координат графики у = 3 х и у = 4 – х:
Видно, что графики пересекаются в одной точке с примерными координатами (1; 3). Так как графический метод не вполне точный, следует подставить х = 1 в ур-ние и убедиться, что это действительно корень ур-ния:
Получили верное равенство, значит, х = 1 – это действительно корень ур-ния.
Задание. Решите графически ур-ние
Решение. Перенесем вправо все слагаемые, кроме 2 х :
Слева стоит показательная функция, а справа – квадратичная. Построим их графики и найдем точки пересечения:
Видно, что у графиков есть две общие точки – это (0;1) и (1; 2). На всякий случай проверим себя, подставив х = 0 и х = 1 в исходное ур-ние:
Ноль подходит. Проверяем единицу:
И единица тоже подошла. В итоге имеем два корня, 0 и 1.
Показательные неравенства
Рассмотрим координатную плоскость, в которой построен график некоторой показательной ф-ции у = а х , причем а > 0. Пусть на оси Ох отложены значения s и t, и t t и a s на оси Оу. Так как
является возрастающей функцией, то и величина a t окажется меньше, чем a s . Другими словами, точка a t на оси Оу будет лежать ниже точки а s (это наглядно видно на рисунке). Получается, что из условия t t s . Это значит, что эти два нер-ва являются равносильными.
С помощью этого правила можно решать некоторые простейшие показательные неравенства. Например, пусть дано нер-во
Представим восьмерку как степень двойки:
По только что сформулированному правилу можно заменить это нер-во на другое, которое ему равносильно:
Решением же этого линейного неравенства является промежуток (– ∞; 3).
Однако сформулированное нами правило работает тогда, когда основание показательной ф-ции больше единицы. А что же делать в том случае, если оно меньше единицы? Построим график такой ф-ции и снова отложим на оси Ох точки t и s, причем снова t будет меньше s, то есть эта точка будет лежать левее.
Так как показательная ф-ция у = а х при основании, меньшем единицы, является убывающей, то окажется, что на оси Оу точка a s лежит ниже, чем a t . То есть из условия t t > a s . Получается, что эти нер-ва равносильны.
Например, пусть надо решить показательное неравенство
Выразим число слева как степень 0,5:
Тогда нер-во примет вид
По рассмотренному нами правилу его можно заменить на равносильное нер-во
В более привычном виде, когда выражение с переменной стоит слева, нер-во будет выглядеть так:
а его решением будет промежуток (3; + ∞).
В общем случае мы видим, что если в показательном нер-ве вида
основание a больше единицы, то его можно заменить равносильным нер-вом
Грубо говоря, мы просто убираем основание степеней, а знак нер-ва остается неизменным. Если же основание а меньше единицы, то знак неравенства необходимо поменять на противоположный:
Это правило остается верным и в том случае, когда вместо чисел или переменных t и s используются произвольные функции f(x) и g(x). Сформулируем это правило:
Таким образом, для решения показательных неравенств их следует преобразовать к тому виду, при котором и справа, и слева стоят показательные ф-ции с одинаковыми показателями, после чего этот показатель можно просто отбросить. Однако надо помнить, что при таком отбрасывании знак нер-ва изменится на противоположный, если показатель меньше единицы.
Задание. Решите простейшее неравенство
Представим число 64 как степень двойки:
теперь и справа, и слева число 2 стоит в основании. Значит, его можно отбросить, причем знак нер-ва останется неизменным (ведь 2 > 1):
Задание. Найдите промежуток, на котором выполняется нер-во
Решение. Так как основание степеней, то есть число 0,345, меньше единицы, то при его «отбрасывании» знак нер-ва должен измениться на противоположный:
Это самое обычное квадратное неравенство. Для его решения нужно найти нули квадратичной функции, стоящей слева, после чего отметить их на числовой прямой и определить промежутки, на которых ф-ция будет положительна.
Нашли нули ф-ции. Далее отмечаем их на прямой, схематично показываем параболу и расставляем знаки промежутков:
Естественно, что в более сложных случаях могут использоваться всё те же методы решения нер-ва, которые применяются и в показательных ур-ниях. В частности, иногда приходится вводить новую переменную.
Задание. Найдите решение нер-ва
Решение. Для начала представим число 3 х+1 как произведение:
Теперь перепишем с учетом этого исходное нер-во:
Получили дробь, в которой есть одна показательная ф-ция 3 х . Заменим её новой переменной t = 3 x :
Это дробно-рациональное неравенство, которое можно заменить равносильным ему целым нер-вом:
которое, в свою очередь, решается методом интервалов. Для этого найдем нули выражения, стоящего слева
Отмечаем найденные нули на прямой и расставляем знаки:
Итак, мы видим, что переменная t должна принадлежать промежутку (1/3; 9), то есть
Теперь произведем обратную замену t = 3 x :
Так как основание 3 больше единицы, просто откидываем его:
Итак, мы узнали о показательных уравнениях и неравенствах и способах их решения. В большинстве случаев необходимо представить обе части равенства или неравенства в виде показательных степеней с одинаковыми основаниями. Данное действие иногда называют методом уравнивания показателей. Также в отдельных случаях может помочь графический способ решения ур-ний и замена переменной.
Источник
