Продължете към съдържанието

12.6. Показателна и логаритмична функция

    Показателна функция, показателни уравнения и неравенства

    Логаритъм: Дефиниция, свойства и смяна на основата

    Логаритмична функция, логаритмични уравнения и неравенства

    Тренировъчна таблица

    № Ниво А (Базово ниво) Ниво Б (Средно ниво)
    1 Чрез преобразуването $2^{3x – 1} = \frac{(2^{\log_2 3})^3}{2}$, намерете стойността на израза $A = 2^{3x – 1}$ при $x = \log_2 3$. (УАСГ, 2020) Като приложите последователно верижното правило за логаритми $\log_a b \cdot \log_b c = \log_a c$, пресметнете без таблици стойността на $A = \log_2 3 \cdot \log_3 4 \cdot \log_4 5 \cdots \log_{15} 16$.
    2 Пресметнете стойността на израза $B = \log_2 24 – \log_2 3$, като запишете разликата от логаритми като логаритъм от частно. (УАСГ, 2024) Като представите $\log_{ab} c$ чрез реципрочния логаритъм $\frac{1}{\log_c (ab)}$ и приложите правилото за логаритъм от произведение, докажете тъждеството $\log_{ab} c = \frac{\log_a c \cdot \log_b c}{\log_a c + \log_b c}$ за $a, b, c > 0, a, b, ab \ne 1$.
    3 Като изнесете общия множител $3^x$ пред скоби, решете показателното уравнение $3^{x+2} + 3^x = 90$. (ТУ, 2022) Чрез разделяне на двете страни на $9^x \ne 0$ и полагане на $\left(\frac{2}{3}\right)^x = t > 0$, решете хомогенното показателно уравнение $4^x + 6^x = 2 \cdot 9^x$.
    4 При определени допустими стойности $x – 2 > 0$, приложете дефиницията за логаритъм, за да решите уравнението $\log_3(x – 2) = 2$. (СУ, 2023) При допустими стойности за основата $x > 0, x \ne 1$, решете логаритмичното уравнение $\log_x (2x^2 – 7x + 12) = 2$.
    5 Запишете числото $8$ като $\left(\frac{1}{2}\right)^{-3}$ и решете показателното неравенство $\left(\frac{1}{2}\right)^{2x – 1} > 8$, съобразявайки монотонността при основа $\frac{1}{2} < 1$. (СУ, 2020) Определете допустимите стойности $x > 1, x \ne 2$ и решете смесеното неравенство $\frac{3^x – 9}{\log_2 (x – 1)} \le 0$ чрез анализ на знаците на числителя и знаменателя.
    6 Като представите числото $1$ като $5^0$ и приравните степенните показатели, решете показателното уравнение $5^{x^2 – 4x + 3} = 1$. (УАСГ, 2021) За $x > 0$ превърнете логаритмите към основа $2$ чрез формулата за степен в основата $\log_{2^k} x = \frac{1}{k}\log_2 x$ и решете уравнението $\log_2 x + \log_4 x + \log_{16} x = 7$.
    7 Представете числото $9$ като $3^2$ и решете показателното неравенство $3^{x^2 – 3} \le 9$. (СУ, 2020) При отчитане на допустимите стойности $x^2 – 3x + 2 > 0$ и смяна на посоката на знак за основа $\frac{1}{2} < 1$, решете неравенството $\log_{\frac{1}{2}} (x^2 – 3x + 2) \ge -1$.
    8 Намерете дефиниционната област на функцията $f(x) = \log_5(6 – 2x)$, като поставите условие за строго положителност на аргумента. (УАСГ, 2023) Чрез разглеждане на двата случая за основата $x – 1 > 1$ и $0 < x – 1 < 1$ за засечено с ДС, решете неравенството $\log_{x – 1} (x^2 – 5x + 6) \le 1$.
    9 Представете лявата страна като $2 \cdot (2 \cdot 5)^x$ и решете показателното уравнение $2^{x+1} \cdot 5^x = 200$. (УАСГ, 2024) Чрез полагането $5^x = t > 0$ и прехвърляне на членовете от едната страна, решете показателно-рационалното неравенство $\frac{5^x – 1}{5^x – 25} \ge \frac{5^x – 5}{5^x – 125}$.
    10 Засечете ограничението $x < 1$ (от $\log_2 x < \log_2 1$) с дефиниционната област $x > 0$, за да намерите решенията на неравенството $\log_2 x < 0$. (СУ, 2022) За $x \ne 2$ освободете логаритъма от модула чрез преобразуването $\vert{}x – 2\vert{} < 3^2$ и решете логаритмичното неравенство $\log_3 \vert{}x – 2\vert{} < 2$.
    11 Чрез полагането $2^x = t > 0$ и съответното квадратно уравнение спрямо $t$, решете показателното уравнение $4^x – 3 \cdot 2^x + 2 = 0$. (ТУ, 2023) Като използвате, че основата $\sqrt{2 – \sqrt{3}}$ е реципрочна на $\sqrt{2 + \sqrt{3}}$, решете уравнението $(\sqrt{2 – \sqrt{3}})^x + (\sqrt{2 + \sqrt{3}})^x = 4$ чрез полагането $u = (\sqrt{2 + \sqrt{3}})^x$.
    12 Съставете системата неравенства за аргумента и основата на логаритъма, за да намерите допустимите стойности на израза $D = \log_{2 – x}(x + 1)$. (УАСГ, 2022) За $x > 0$ логаритмувайте двете страни при основа $10$ и намерете решенията на показателно-логаритмичното уравнение $x^{\lg x + 2} = 1000$.
    13 Като представите $4^{\log_2 3}$ като $(2^{\log_2 3})^2$, пресметнете стойността на числовия израз $C = 4^{\log_2 3} + 9^{\log_3 2}$. (ТУ, 2021) Изразете $y = x + 4$ от второто уравнение $\log_{\sqrt{2}}(y – x) = 4$ и я заместете в първото, за да решите системата $\begin{cases} 3^x \cdot 2^y = 576 \\ \log_{\sqrt{2}} (y – x) = 4 \end{cases}$.
    14 Намерете решенията на показателното неравенство $2^{x^2 – 5x + 6} < 1$, като представете числото $1$ като $2^0$. (ТУ, 2022) При полагане $3^x = t > 0$, използвайте връзката $t_1 t_2 = 3^{x_1+x_2} = 3^1 = 3$ по формулите на Виет, за да намерите стойността на $k$, за която сумата от корените на $9^x – (k+2)3^x + 2k = 0$ е $1$.
    15 По дефиниция за логаритъм намерете корените на уравнението $\log_2(x^2 – 3) = 1$ и ги проверете за съвместимост с допустимите стойности. (СУ, 2021) Чрез полагането $t = \log_2 x$ и връзката $t_1 + t_2 = \log_2(x_1 x_2) = \log_2 16 = 4$, приложете формулите на Виет, за да намерите $a$, за което уравнението $\log_2^2 x – 2a \log_2 x + a^2 – 1 = 0$ удовлетворява $x_1 x_2 = 16$.
    16 Чрез полагането $2^x = t > 0$ решете квадратната двойка неравенства $1 \le t \le 4$, произтичаща от показателното неравенство $4^x – 5 \cdot 2^x + 4 \le 0$. (СУ, 2021) Чрез полагането $2^x = t > 0$, определете за кои стойности на параметъра $a$ квадратният тричлен $t^2 – (a+1)t + 2a – 2 = 0$ има точно един strictly положителен корен, така че $4^x – (a + 1)2^x + 2a – 2 = 0$ да има $1$ реален корен.
    17 При $x > 1$ обединете логаритмите в лявата страна в логаритъм от произведение и решете уравнението $\log_2(x – 1) + \log_2(x + 1) = 3$. (СУ, 2022) Чрез полагането $3^x = t > 0$, намерете за кои стойности на параметъра $a$ квадратният тричлен $at^2 + (a-1)t + a – 1 > 0$ е изпълнен за всички $t > 0$.
    18 Пресметнете стойността на израза $\lg 25 + \lg 4 – \log_2 8$, като първо комбинирате първите два логаритъма в $\lg 100$. (ТУ, 2020) Като положите $\log_2 x = t$ за $x \in [1; 8] \implies t \in [0; 3]$, намерете най-малката и най-голямата стойност на функцията $f(x) = \log_2^2 x – 4\log_2 x + 5$.
    19 Намерете най-малкото цяло решение на неравенството $\log_{0.5}(x – 1) \ge -1$, като отчетете допустимите стойности $x > 1$ и смените знака при стъпката $x – 1 \le (0.5)^{-1}$. (УАСГ, 2022) Изразете $2^y = \frac{8}{2^x}$ от второто уравнение $x + y = 3$ и я заместете в първото, за да намерите $a$, при което квадратното уравнение спрямо $u = 2^x > 0$ има $D = 0$ за единственост на решението на системата $\begin{cases} 2^x + 2^y = a \\ x + y = 3 \end{cases}$.
    20 Използвайте дефиницията за логаритъм $x^4 = 81$, за да решите уравнението $\log_x 81 = 4$ при $x > 0, x \ne 1$. (СУ, 2019) Разделете двете страни на $5^x$ и използвате строгата монотонност на намаляващата функция $\left(\frac{3}{5}\right)^x + \left(\frac{4}{5}\right)^x$, за да докажете че $3^x + 4^x = 5^x$ има единствен корен $x = 2$.

    Изпитна таблица

    № Вариант Б+ (I и II модул) Вариант В (Конкурсни изпити — II модул)
    1
    (СУ, 2022) Пресметнете стойността на числовия израз:

     

    $A = \log_3 2 \cdot \log_4 9 + 5^{-\log_{\sqrt{5}} 2}$.
    Пресметнете стойността на логаритмичния израз без таблици:

     

    $A = \log_3 2 \cdot \log_4 3 \cdot \log_5 4 \cdots \log_8 7$.
    2
    (УАСГ, 2020) Намерете стойността на израза:

     

    $B = \lg 25 + \lg 4 – \log_2 8$.
    Докажете тъждеството за $a > 0, b > 0, a \ne 1, b \ne 1, a \cdot b \ne 1$:

     

    $\log_{\frac{a}{b}} c = \frac{\log_a c \cdot \log_b c}{\log_b c – \log_a c}$.
    3
    (ТУ, 2023) Решете показателното уравнение:

     

    $9^x – 10 \cdot 3^x + 9 = 0$.
    (ТУ, 2022) Решете показателното уравнение с различни основи:

     

    $4^x + 6^x = 2 \cdot 9^x$.
    4
    Решете показателното уравнение:

     

    $2 \cdot 4^x – 5 \cdot 2^x + 2 = 0$.
    (ТУ, 2023) Решете показателното уравнение с ирационални основи:

     

    $(\sqrt{2 – \sqrt{3}})^x + (\sqrt{2 + \sqrt{3}})^x = 4$.
    5
    (СУ, 2020) Намерете всички решения на неравенството:

     

    $\left(\frac{1}{3}\right)^{x^2 – 2x} \ge 27^{-1}$.
    (УАСГ, 2024) Решете показателно-рационалното неравенство:

     

    $\frac{5^x – 1}{5^x – 25} \ge \frac{5^x – 5}{5^x – 125}$.
    6
    (СУ, 2019) Решете логаритмичното уравнение:

     

    $\log_2(x^2 – 3) = 1$.
    (СУ, 2023) Решете логаритмичното уравнение с променлива основа:

     

    $\log_x (2x^2 – 7x + 12) = 2$.
    7
    (УАСГ, 2024) Решете логаритмичното уравнение:

     

    $\log_2(x + 3) + \log_2(x – 3) = 4$.
    (УАСГ, 2021) Решете логаритмичното уравнение с различни основи:

     

    $\log_2 x + \log_4 x + \log_{16} x = 7$.
    8
    (СУ, 2021) Решете ирационално-логаритмичното уравнение:

     

    $\log_3(x^2 – 4x + 3) = 1 + \log_3(x – 1)$.
    (УАСГ, 2022) Решете показателно-логаритмичното уравнение:

     

    $x^{\lg x + 2} = 1000$.
    9
    (ТУ, 2021) Решете логаритмичното неравенство:

     

    $\log_2(x^2 – 2x) \le 3$.
    (УАСГ, 2023) Решете логаритмичното неравенство с променлива основа:

     

    $\log_{x – 1} (x^2 – 5x + 6) \le 1$.
    10
    (УАСГ, 2022) Решете показателното неравенство:

     

    $4^x – 5 \cdot 2^x + 4 \le 0$.
    (СУ, 2020) Решете смесеното неравенство:

     

    $\frac{3^x – 9}{\log_2 (x – 1)} \le 0$.
    11
    (СУ, 2023) Решете логаритмичното неравенство:

     

    $\log_{\frac{1}{2}}(x^2 – 5x + 6) \ge -1$.
    Решете логаритмичното неравенство с модул:

     

    $\log_2 \vert{}2x – 3\vert{} < 3$.
    12
    (УАСГ, 2023) Решете системата показателни уравнения:

     

    $\begin{cases} 3^x \cdot 2^y = 72 \\ 3^y \cdot 2^x = 108 \end{cases}$.
    (ТУ, 2021) Решете системата от показателно и логаритмично уравнение:

     

    $\begin{cases} 3^x \cdot 2^y = 576 \\ \log_{\sqrt{2}} (y – x) = 4 \end{cases}$.
    13
    (ТУ, 2022) Намерете дефиниционната област на функцията:

     

    $f(x) = \sqrt{\log_{0.3}(x – 2)}$.
    Намерете за кои стойности на параметъра $a$ системата показателни уравнения $\begin{cases} 3^x + 3^y = a \\ x + y = 2 \end{cases}$ има единствено решение.
    14
    (ТУ, 2020) Намерете най-малката и най-голямата стойност на функцията:

     

    $f(x) = \log_2^2 x – 4\log_2 x + 5$ в $x \in [1; 8]$.
    Докажете, че показателното уравнение $2^x + 5^x = 7^x$ има единствен реален корен, и намерете неговата стойност.
    15
    (УАСГ, 2019) Решете логаритмичното уравнение чрез промяна на основата:

     

    $\log_2 x + \log_x 2 = 2.5$.
    (СУ, 2021) Намерете за кои стойности на параметъра $a$ уравнението $\log_2^2 x – 2a \log_2 x + a^2 – 1 = 0$ има два различни корена $x_1$ и $x_2$, удовлетворяващи $x_1 \cdot x_2 = 16$.
    16 (ТУ, 2022) Намерете стойността на параметъра $k$, за която сумата от корените на уравнението $9^x – (k+2)3^x + 2k = 0$ е равна на $1$. (СУ, 2021) Намерете всички стойности на реалния параметър $a$, за които показателното уравнение $4^x – (a + 1)2^x + 2a – 2 = 0$ има точно едно реално решение.
    17
    (СУ, 2020) Намерете стойностите на $a$, за които уравнението

     

    $4^x – (a + 1)2^x + a = 0$ има точно едно решение.
    (СУ, 2022) Намерете всички стойности на реалния параметър $a$, за които неравенството $a \cdot 9^x + (a – 1)3^x + a – 1 > 0$ е изпълнено за всяко реално число $x$.
    18
    (ТУ, 2022) Решете хомогенното показателно уравнение:

     

    $3 \cdot 4^x – 5 \cdot 6^x + 2 \cdot 9^x = 0$.
    Решете логаритмичното неравенство:

     

    $\log_{\frac{1}{3}} (x^2 – 4x + 3) \ge -1$.
    19
    (УАСГ, 2021) Пресметнете стойността на израза:

     

    $C = 4^{\log_2 3} + 9^{\log_3 2}$.
    Намерете най-малката стойност (НМС) и най-голямата стойност (НГС) на функцията $g(x) = \log_3^2 x – 2\log_3 x + 3$ в затворения интервал $x \in [1; 9]$.
    20
    (ТУ, 2023) Намерете допустимите стойности на израза:

     

    $D = \log_{2 – x}(x + 1)$.
    Намерете за кои стойности на параметъра $m$ уравнението $25^x – (m+1)5^x + m = 0$ има сума от корените, равна на $2$.
    .
    .
    .
    .
    .
    .

    1. Показателна функция, показателни уравнения и неравенства

    А. Показателна функция: $y = a^x$ ($a > 0, a \ne 1$)

    • Дефиниционна област (ДС): $D = (-\infty, +\infty)$ — $x$ може да бъде какво да е реално число.
    • Множество от стойности: $E = (0, +\infty)$ — функцията приема само строго положителни стойности ($a^x > 0$ за всяко $x$).
    • Монотонност (Ключово за неравенства!):
      • При $a > 1$: Функция е строго растяща. По-голям аргумент дава по-голяма стойност.
      • При $0 < a < 1$: Функция е строго намаляваща. По-голям аргумент дава по-малка стойност.
    • Специфична точка: Графиката винаги минава през точката $(0, 1)$, тъй като $a^0 = 1$.

    Б. Показателни уравнения

    Основната цел при решаване е привеждане на двете страни към еднаква основа или използване на полагане.
    1. Елементарно показателно уравнение: $a^{f(x)} = a^{g(x)}$
      • Поради строгата монотонност: $f(x) = g(x)$.
    2. Уравнения от вида $a^{f(x)} = b$ ($b > 0$):
      • Ако $b \le 0$ $\implies$ няма реални корени (тъй като $a^{f(x)} > 0$).
      • Ако $b > 0$ $\implies f(x) = \log_a b$.
    3. Чрез свеждане до квадратно уравнение (полагане):
      • При изрази от вида $A \cdot a^{2x} + B \cdot a^x + C = 0$.
      • Полагаме $a^x = t$ при задължително условие $t > 0$.
    4. Хомогенни показателни уравнения:
      • $A \cdot a^{2x} + B \cdot (ab)^x + C \cdot b^{2x} = 0$.
      • Разделяме двете страни на $b^{2x} \ne 0$ и получаваме квадратно уравнение спрямо $\left(\frac{a}{b}\right)^x$.

    В. Показателни неравенства

    При премахване на основите в неравенството $a^{f(x)} > a^{g(x)}$ посоката на знака зависи от основата $a$:
    • При $a > 1$ (запазваме знака):
      $$a^{f(x)} > a^{g(x)} \iff f(x) > g(x)$$
    • При $0 < a < 1$ (обръщаме знака!):
      $$a^{f(x)} > a^{g(x)} \iff f(x) < g(x)$$

    2. Логаритъм: Дефиниция, свойства и смяна на основата

    А. Дефиниция на логаритъм

    Логаритъмът е обратната операция на степенуването.
    $$\log_a b = x \iff a^x = b$$
    При задължителни условия за дефиниция:
    $$\begin{cases} b > 0 & \text{(аргументът е строго положителен)} \\ a > 0, a \ne 1 & \text{(основата е положителна и различна от 1)} \end{cases}$$
    • Основно логаритмично тъждество: $a^{\log_a b} = b$
    • Специални означения:
      • Десетичен логаритъм ($a = 10$): $\lg b = \log_{10} b$
      • Естествен логаритъм ($a = e \approx 2,718$): $\ln b = \log_e b$

    Б. Основни свойства на логаритмите ($x > 0, y > 0, a > 0, a \ne 1$)

    1. $\log_a 1 = 0$ и $\log_a a = 1$
    2. Логаритъм от произведение: $\log_a (x \cdot y) = \log_a x + \log_a y$
    3. Логаритъм от частно: $\log_a \left(\frac{x}{y}\right) = \log_a x – \log_a y$
    4. Степенен показател пред логаритъма: $\log_a (x^k) = k \cdot \log_a x$
    5. Степенен показател в основата: $\log_{a^k} x = \frac{1}{k} \cdot \log_a x$

    В. Формули за смяна на основата

    Изключително важни за кандидатстудентски задачи, където присъстват логаритми с различни основи:
    • Преминаване към нова основа $c$:
      $$\log_a b = \frac{\log_c b}{\log_c a}$$
    • Размяна на аргумента и основата:
      $$\log_a b = \frac{1}{\log_b a}$$
    • Верижно правило: $\log_a b \cdot \log_b c = \log_a c$

    3. Логаритмична функция, логаритмични уравнения и неравенства

    А. Логаритмична функция: $y = \log_a x$ ($a > 0, a \ne 1$)

    • Дефиниционна област (ДС): $D = (0, +\infty)$ — логаритъм съществува само за положителни аргументи!
    • Множество от стойности: $E = (-\infty, +\infty)$.
    • Монотонност:
      • При $a > 1$: строго растяща функция.
      • При $0 < a < 1$: строго намаляваща функция.

    Б. Логаритмични уравнения

    1. Елементарно уравнение: $\log_a f(x) = \log_a g(x)$
      • ДС: $f(x) > 0, g(x) > 0$.
      • Решение: $f(x) = g(x)$.
    2. Уравнение от вида $\log_a f(x) = b$:
      • ДС: $f(x) > 0$.
      • Решение: $f(x) = a^b$.
    3. Чрез полагане:
      • Уравнения от вида $A \log_a^2 x + B \log_a x + C = 0$.
      • Полагаме $\log_a x = t$ (тук за $t$ няма ограничение за знак, $t \in \mathbb{R}$).

    В. Логаритмични неравенства

    Както при показателните неравенства, изключително важно е да следим основата $a$:
    • При $a > 1$ (запазваме знака):
      $$\log_a f(x) > \log_a g(x) \iff \begin{cases} f(x) > g(x) \\ g(x) > 0 \text{ (ДС)} \end{cases}$$
    • При $0 < a < 1$ (обръщаме знака!):
      $$\log_a f(x) > \log_a g(x) \iff \begin{cases} f(x) < g(x) \\ f(x) > 0 \text{ (ДС)} \end{cases}$$

    Ключови съвети за изпита

    1. Винаги започвайте с ДС!
      • При логаритми: аргументът $> 0$, основата $> 0$ и $\ne 1$.
      • Всички намерени корени задължително се проверяват за съвместимост с ДС.
    2. Внимавайте при изнасяне на четна степен:
      • $\log_a (x^2) = 2 \log_a \vert{}x\vert{}$ (заборавянето на модула губи отрицателния клон на ДС).
    3. Разграничавайте $\log_a^2 x$ и $\log_a (x^2)$:
      • $\log_a^2 x = (\log_a x)^2$ (квадрат на целия логаритъм).
      • $\log_a (x^2) = 2 \log_a \vert{}x\vert{}$ (степен само на аргумента).

    © София-Мат ЕООД











    Kурсове и подготовка по математика, БЕЛ и английски: добрият начин да учим

    Copy link
    URL has been copied successfully!