кРепетито · методичка · 10–11 класс · ЕГЭ
Показательные уравнения и неравенства
Показательная функция, приведение к одному основанию, вынесение общего множителя, замена и неравенства.
Показательным называют уравнение, в котором переменная стоит в показателе степени: $2^x = 16$, $9^x - 4 \cdot 3^x + 3 = 0$. Основной приём — привести обе части к одному основанию, а дальше работать с показателями.
Показательная функция
$y = a^x$, где $a \gt 0$, $a \ne 1$. Функция всегда положительна, проходит через $(0;\ 1)$. При $a \gt 1$ возрастает, при $0 \lt a \lt 1$ убывает.
Из монотонности следует главное: $a^{f(x)} = a^{g(x)} \iff f(x) = g(x)$. А уравнение $a^x = b$ при $b \le 0$ решений не имеет.
Основные приёмы
Приём и признак
| Приём | Когда применять |
|---|---|
| одно основание | основания — степени одного числа: 4, 8, 16, 0,5 через 2 |
| вынесение множителя | одно основание, показатели отличаются на число: $3^{x+1} + 3^x$ |
| замена $t = a^x$ | есть $a^{2x}$ и $a^x$; помните, что $t \gt 0$ |
| логарифмирование | основания «не сводятся»: $3^x = 7$, $x = \log_3 7$ |
| деление на степень | однородные: $4^x + 6^x = 2 \cdot 9^x$ — делим на $9^x$ |
Пример 1.
Решите уравнение $8^{x - 1} = 4^{x + 1}$.
Решение. $2^{3(x - 1)} = 2^{2(x + 1)}$, $3x - 3 = 2x + 2$, $x = 5$.
Ответ: 5.
Пример 2.
Решите уравнение $\left(\frac{1}{3}\right)^{2x - 1} = 27$.
Решение. $3^{-(2x - 1)} = 3^3$, $1 - 2x = 3$, $x = -1$.
Ответ: −1.
Пример 3.
Решите уравнение $3^{x + 2} - 3^x = 72$.
Решение. $3^x(9 - 1) = 72$, $3^x = 9$, $x = 2$.
Ответ: 2.
Пример 4.
Решите уравнение $4^x - 3 \cdot 2^x - 4 = 0$.
Решение. $t = 2^x \gt 0$: $t^2 - 3t - 4 = 0$, $t = 4$ или $t = -1$. Второе не подходит. $2^x = 4$, $x = 2$.
Ответ: 2.
Пример 5.
Решите уравнение $5^x = 12$.
Решение. По определению логарифма $x = \log_5 12$.
Ответ: $\log_5 12$.
Показательные неравенства
При $a \gt 1$: $a^{f} \gt a^{g} \iff f \gt g$. При $0 \lt a \lt 1$: $a^{f} \gt a^{g} \iff f \lt g$ (знак меняется).
Пример 6.
Решите неравенство $0{,}2^{x^2 - 3} \lt 0{,}2^{2x}$.
Решение. Основание меньше 1, знак меняется: $x^2 - 3 \gt 2x$, $x^2 - 2x - 3 \gt 0$, $(x - 3)(x + 1) \gt 0$.
Ответ: $(-\infty;\ -1) \cup (3;\ +\infty)$.
Пример 7.
Решите неравенство $9^x - 10 \cdot 3^x + 9 \le 0$.
Решение. $t = 3^x \gt 0$: $t^2 - 10t + 9 \le 0$, $1 \le t \le 9$. Значит $3^0 \le 3^x \le 3^2$, $0 \le x \le 2$.
Ответ: $[0;\ 2]$.
Ещё разборы
Пример 8 (однородное уравнение).
Решите уравнение $4^x - 2 \cdot 6^x - 3 \cdot 9^x = 0$.
Решение. Разделим на $9^x \gt 0$: $\left(\frac{2}{3}\right)^{2x} - 2\left(\frac{2}{3}\right)^x - 3 = 0$. Пусть $t = \left(\frac{2}{3}\right)^x \gt 0$: $t^2 - 2t - 3 = 0$, $t = 3$ или $t = -1$. Подходит $t = 3$: $x = \log_{2/3} 3$.
Ответ: $\log_{\frac{2}{3}} 3$.
Пример 9 (разные основания, одинаковый показатель).
Решите уравнение $5^{x - 2} = 3^{x - 2}$.
Решение. Разделим на $3^{x - 2} \gt 0$: $\left(\frac{5}{3}\right)^{x - 2} = 1 = \left(\frac{5}{3}\right)^0$, значит $x = 2$.
Ответ: 2.
Пример 10 (прикладная задача, ЕГЭ №9).
Масса радиоактивного вещества уменьшается по закону $m(t) = m_0 \cdot 2^{-t/T}$, период полураспада $T = 8$ мин, начальная масса 80 мг. Через сколько минут останется 5 мг?
Решение. $80 \cdot 2^{-t/8} = 5$, $2^{-t/8} = \frac{1}{16} = 2^{-4}$, $t = 32$.
Ответ: через 32 минуты.
Коротко о главном
- $a^x \gt 0$ всегда; $a^{f} = a^{g} \iff f = g$.
- Приёмы: общее основание, вынесение множителя, замена $t = a^x \gt 0$, деление на степень, логарифмирование.
- В неравенствах при основании меньше 1 знак меняется.
- Корень замены $t \le 0$ отбрасываем.
Частый вопрос
Когда ответ записывают через логарифм? Когда основания нельзя привести к одному: $3^x = 10$ решается только как $x = \log_3 10$. В ЕГЭ это нормальный ответ для №13, а в №6 (краткий ответ) числа подобраны так, что логарифм «вычисляется», например $\log_2 32 = 5$.
Задача посложнее.
Решите уравнение $2^{x^2 - 3x} = \frac{1}{4}$.
Решение. $2^{x^2 - 3x} = 2^{-2}$, $x^2 - 3x + 2 = 0$, $x = 1$ или $x = 2$.
Ответ: 1; 2.
- Оставлять корень замены $t \le 0$: $2^x$ не бывает отрицательным или нулём.
- Не менять знак при основании меньше 1.
- Писать $3^{x+2} = 3^x + 9$ вместо $3^x \cdot 9$.
- Приравнивать показатели при разных основаниях.
Задачи для самопроверки
- Решите уравнение $2^{3x - 2} = 16$.
Ответ
$3x - 2 = 4$, $x = 2$.
- Решите уравнение $25^x = \frac{1}{5}$.
Ответ
$5^{2x} = 5^{-1}$, $x = -0{,}5$.
- Решите уравнение $2^{x + 1} + 2^{x - 1} = 20$.
Ответ
$2^x(2 + \frac{1}{2}) = 20$, $2^x = 8$, $x = 3$.
- Решите уравнение $9^x - 4 \cdot 3^x + 3 = 0$.
Ответ
$t = 1$ или $t = 3$: $x = 0$ или $x = 1$.
- Решите неравенство $3^{x - 1} \ge 27$.
Ответ
$x - 1 \ge 3$, $x \ge 4$.
- Решите неравенство $\left(\frac{1}{2}\right)^x \gt 8$.
Ответ
$2^{-x} \gt 2^3$, $x \lt -3$.
Задачи по теме на сайте
- Математика 10 класс → №2 · Корни и степени → Корень n-й степени — https://tishina.tikhonovdev.ru/bank/matematika-10-klass/matematika-10-klass-razdel-2/matematika-10-klass-razdel-2-koren-n-y-stepeni/
- Математика 10 класс → №2 · Корни и степени → Степень с рациональным показателем — https://tishina.tikhonovdev.ru/bank/matematika-10-klass/matematika-10-klass-razdel-2/matematika-10-klass-razdel-2-stepen-s-ratsionalnym-pokazatelem/
- Математика 10 класс → №4 · Показательные уравнения → Простейшие показательные уравнения — https://tishina.tikhonovdev.ru/bank/matematika-10-klass/matematika-10-klass-razdel-4/matematika-10-klass-razdel-4-prosteyshie-pokazatelnye-uravneniya/
- Математика (профиль) → №6 · Уравнения → Иррациональные, показательные и логарифмические уравнения — https://tishina.tikhonovdev.ru/bank/matematika/zadanie-6/zadanie-6-irratsionalnye-pokazatelnye-i-logarifmicheskie-uravneniya/
- Математика (профиль) → №7 · Вычисления и преобразования → Степени и корни — https://tishina.tikhonovdev.ru/bank/matematika/zadanie-7/stepeni-i-korni/
- ЕГЭ база → №16 · Преобразования выражений → Степени, корни, логарифмы — https://tishina.tikhonovdev.ru/bank/ege-baza/ege-baza-zadanie-16/ege-baza-zadanie-16-stepeni-korni-logarifmy/
- Математика 10 класс → №2 · Корни и степени — https://tishina.tikhonovdev.ru/bank/matematika-10-klass/matematika-10-klass-razdel-2/
- Математика 10 класс → №4 · Показательные уравнения — https://tishina.tikhonovdev.ru/bank/matematika-10-klass/matematika-10-klass-razdel-4/
- Математика 10 класс → №6 · Показательные и логарифмические неравенства — https://tishina.tikhonovdev.ru/bank/matematika-10-klass/matematika-10-klass-razdel-6/
- Математика (профиль) → №6 · Уравнения — https://tishina.tikhonovdev.ru/bank/matematika/zadanie-6/