Uploaded by mf-cev

Логарифмы. Теория и примеры

advertisement
Методические рекомендации на тему:
«Логарифмы»
Цели:
- повторить, обобщить и систематизировать теоретический материал по теме
«Логарифмы», обеспечить овладение всеми
обучащимися основными алгоритмическими приёмами решения логарифмов.
- развивать мышление обучающихся, способности к само- и взаимоконтролю;
- формирование
навыков поиска рациональных путей решения, самообразование.
- воспитывать сознательное отношение к изучению математики.
Понятие о логарифме числа.
1. Логарифм.
Задача нахождения показателя степени 𝑥 в примере 2𝑥 = 8 оказывается
неразрешимой с применением известных шести математических действий.
Определив тем не менее, что 𝑥 = 3, записать решение этой задачи с помощью
известных математических знаков невозможно.
Но эту задачу можно решить графическим способом. Для этого необходимо найти
точки пересечения графиков 𝑦 = 2𝑥 и 𝑦 = 8 (рис. 1). Это точка, имеющая координаты
(3; 8).
Графический способ иногда позволяет решить задачу, которую нельзя решить с
помощью обычных математических приемов.
В общем виде рассмотренный пример будет иметь вид 𝑎 𝑥 = 𝑏, где 𝑎 > 0, 𝑎 ≠ 1.
Это уравнение не имеет решений при 𝑏 ≤ 0 и имеет единственный корень 𝑥 в случае
𝑏 < 0.
Этот корень называют логарифмом 𝑏 по основанию 𝑎 и обозначают 𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑏, то
есть:
𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑏 = 𝑥.
(1.1)
Определение: Логарифмом числа 𝑏 по основанию 𝑎 называется показатель
степени, в которую нужно возвести основание 𝑎, чтобы
получить число 𝑏.
Подставим в выражение 𝑎 𝑥 = 𝑏 в качестве 𝑥 его представление по (1.1). Тогда
получим
𝑎𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑏 = 𝑏.
(1.2)
Это равенство называют основным логарифмическим тождеством. Оно
справедливо при 𝑏 > 0, 𝑎 > 0, 𝑎 ≠ 1.
Пример 1.
1
Найдем значение: а) 𝑙𝑜𝑔3 27; б) 𝑙𝑜𝑔2 .
8
а) Заметим, что 27 = 33 , т.е. для того, чтобы получить число 27, надо 3 возвести в
третью степень. Следовательно, 𝑙𝑜𝑔3 27 = 3.
б) Заметим, что
1
8
1
= 2−3 , поэтому 𝑙𝑜𝑔2 = −3.
8
Пример 2.
Найдем логарифм числа 64 по основанию 4.
Заметим, что 43 = 64. Поэтому по определению логарифма 𝑙𝑜𝑔4 64 = 3.
Пример 3.
1
1
4
2
Найдем 𝑥, такое, что: а) 𝑙𝑜𝑔16 𝑥 = ; б) 𝑙𝑜𝑔𝑥 5 = − .
Воспользуемся основным логарифмическим тождеством:
1
а) 𝑥 = 16𝑙𝑜𝑔16𝑥 = 164 = 2;
1
б) 𝑥 𝑙𝑜𝑔𝑥5 = 5, т.е. 𝑥 −2 = 5, откуда 𝑥 = 5−2 =
1
.
25
2. Свойства логарифмов.
Рассмотрим свойства логарифмов, которые используются при выполнении
различных преобразований и решении уравнений.
При любом 𝑎 > 0 (𝑎 ≠ 1) и любых положительных 𝑥 и 𝑦 выполняются равенства:
1. 𝑙𝑜𝑔𝑎 1 = 0.
2. 𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑎 = 1.
3. 𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑥𝑦 = 𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑥 + 𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑦.
4. 𝑙𝑜𝑔𝑎
𝑥
𝑦
= 𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑥 − 𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑦.
5. 𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑥 𝑝 = 𝑝 𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑥 для любого действительного p.
Для доказательства правила 3 воспользуемся основным логарифмическим
тождеством:
𝑥 = 𝑎𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑥 , 𝑦 = 𝑎𝑙𝑜𝑔𝑎𝑦 .
(1.3)
Перемножая почленно эти равенства, получаем:
𝑥𝑦 = 𝑎𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑥 ∙ 𝑎𝑙𝑜𝑔𝑎𝑦 = 𝑎𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑥+𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑦 ,
т.е. 𝑥𝑦 = 𝑎𝑙𝑜𝑔𝑎𝑥+𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑦 . Следовательно, по определению логарифма 𝑙𝑜𝑔𝑎 (𝑥𝑦) =
𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑥 + 𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑦.
 Логарифм произведения равен сумме логарифмов.
Правило 4 докажем вновь с помощью равенств (1.3):
𝑥
𝑦
=
𝑎𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑥
𝑎𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑦
= 𝑎𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑥−𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑦 ,
Следовательно, по определению 𝑙𝑜𝑔𝑎
𝑥
𝑦
= 𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑥 − 𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑦.
 Логарифм частного равен разности логарифмов.
Для доказательства правила 5 воспользуемся тождеством 𝑥 = 𝑎𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑥 , откуда
𝑥 𝑝 = (𝑎𝑙𝑜𝑔𝑎𝑥 )𝑝 = 𝑎𝑝 𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑥 . Следовательно, по определению 𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑥 𝑝 = 𝑝 𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑥.
 Логарифм степени равен произведению показателя степени на логарифм
основания этой степени.
Отметим, что если 𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑥 = 𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑦 (𝑎 > 0, 𝑎 ≠ 1), то 𝑥 = 𝑦, т.е. если
логарифмы двух чисел по одному и тому же основанию равны, то равны и сами
числа.
Пример 4.
Найдем значение выражения 𝑙𝑜𝑔8 2 + 𝑙𝑜𝑔8 32.
Пользуясь третьим свойством логарифмов, преобразуем данное выражение:
𝑙𝑜𝑔8 2 + 𝑙𝑜𝑔8 32 = 𝑙𝑜𝑔8 (2 ∙ 32) = 𝑙𝑜𝑔8 64 = 2.
Следовательно, 𝑙𝑜𝑔8 2 + 𝑙𝑜𝑔8 32 = 2.
Пример 5.
5
Найдем значение выражения 𝑙𝑜𝑔2 5 − 𝑙𝑜𝑔2 .
8
Пользуясь четвертым свойством логарифмов, преобразуем данное выражение:
5
5
8
5
8
𝑙𝑜𝑔2 5 − 𝑙𝑜𝑔2 = 𝑙𝑜𝑔2
8
= 𝑙𝑜𝑔2 (5 ∙ ) = 𝑙𝑜𝑔2 8 = 3.
5
5
Следовательно, 𝑙𝑜𝑔2 5 − 𝑙𝑜𝑔2 = 3.
8
Пример 6.
Найдем 𝑥, если 𝑙𝑜𝑔5 𝑥 = 𝑙𝑜𝑔5 50 + 𝑙𝑜𝑔5 2 − 𝑙𝑜𝑔5 4.
Сначала преобразуем правую часть данного равенства, пользуясь основными
свойствами логарифмов:
𝑙𝑜𝑔5 𝑥 = 𝑙𝑜𝑔5 50 + 𝑙𝑜𝑔5 2 − 𝑙𝑜𝑔5 4 = 𝑙𝑜𝑔5
50 ∙ 2
= 𝑙𝑜𝑔5 25,
4
т.е. 𝑙𝑜𝑔5 𝑥 = 𝑙𝑜𝑔5 25 и поэтому 𝑥 = 25.
Пример 7.
Найдем 𝑥, если
𝑙𝑜𝑔6 𝑥 = 2 𝑙𝑜𝑔6 3 + 3 𝑙𝑜𝑔6 2 − 𝑙𝑜𝑔6 3.
Сначала преобразуем правую часть данного равенства, пользуясь основными
свойствами логарифмов:
𝑙𝑜𝑔6 𝑥 = 𝑙𝑜𝑔6 32 + 𝑙𝑜𝑔6 23 − 𝑙𝑜𝑔6 3 = 𝑙𝑜𝑔6
т.е. 𝑙𝑜𝑔6 𝑥 = 𝑙𝑜𝑔6 24 и поэтому 𝑥 = 24.
Пример 8.
9∙8
= 𝑙𝑜𝑔6 24,
3
Найдем значение выражения
𝑙𝑜𝑔3 16
𝑙𝑜𝑔3 4
.
Пользуясь пятым свойством логарифмов, преобразуем данное выражение:
𝑙𝑜𝑔3 16 𝑙𝑜𝑔3 42 2 𝑙𝑜𝑔3 4
=
=
= 2.
𝑙𝑜𝑔3 4
𝑙𝑜𝑔3 4
𝑙𝑜𝑔3 4
Следовательно,
𝑙𝑜𝑔3 16
𝑙𝑜𝑔3 4
= 2.
Пример 9.
Найдем значение выражения (𝑙𝑜𝑔3 2 + 3 𝑙𝑜𝑔3 0,25) ∶ (𝑙𝑜𝑔3 28 − 𝑙𝑜𝑔3 7).
Пользуясь основными свойствами логарифмов, преобразуем данное выражение:
(𝑙𝑜𝑔3 2 + 3 𝑙𝑜𝑔3 0,25) ∶ (𝑙𝑜𝑔3 28 − 𝑙𝑜𝑔3 7) =
25 3
= (𝑙𝑜𝑔3 2 + 𝑙𝑜𝑔3 ( ) ) ∶ (𝑙𝑜𝑔3 28 − 𝑙𝑜𝑔3 7) =
100
1 3
= (𝑙𝑜𝑔3 2 + 𝑙𝑜𝑔3 ( ) ) ∶ (𝑙𝑜𝑔3 28 − 𝑙𝑜𝑔3 7) =
4
= (𝑙𝑜𝑔3 2 ∙
1
) ∶ (𝑙𝑜𝑔3
64
28
1
) = (𝑙𝑜𝑔3 32) ∶ (𝑙𝑜𝑔3 4) =
7
= (𝑙𝑜𝑔3 2−5 ) ∶ (𝑙𝑜𝑔3 22 ) ==
−5 𝑙𝑜𝑔3 2
2 𝑙𝑜𝑔3 2
5
= − = −2,5.
2
3. Логарифмирование.
Действие нахождения логарифма числа называют логарифмированием. Если
одночленное выражение составлено из положительных чисел с применением
действий умножения, деления, возведения в степень и извлечения корня, то
логарифм такого выражения вычисляется с использованием основных свойств
логарифмов (1-5).
Пример 10.
Прологарифмируем по основанию 3 при 𝑎 > 0, 𝑏 > 0 выражения:
а) 𝑥 =
𝑎3
27𝑏5
4
; б) 𝑦 = 9 𝑏 2 √𝑎.
а) Имеем
𝑎3
𝑙𝑜𝑔3 𝑥 = 𝑙𝑜𝑔3 (
),
27𝑏 5
𝑙𝑜𝑔3 𝑥 = 𝑙𝑜𝑔3 𝑎3 − 𝑙𝑜𝑔3 27 − 𝑙𝑜𝑔3 𝑏 5 ,
𝑙𝑜𝑔3 𝑥 = 3 𝑙𝑜𝑔3 𝑎 − 5 𝑙𝑜𝑔3 𝑏 − 3.
б) Имеем
4
𝑙𝑜𝑔3 𝑦 = 𝑙𝑜𝑔3 (9 𝑏 2 √𝑎),
4
𝑙𝑜𝑔3 𝑦 = 𝑙𝑜𝑔3 9 + 𝑙𝑜𝑔3 𝑏 2 + 𝑙𝑜𝑔3 √𝑎,
𝑙𝑜𝑔3 𝑦 = 2 + 2 𝑙𝑜𝑔3 𝑏 +
1
4
𝑙𝑜𝑔3 𝑎.
4. Потенцирование.
Действие, обратное логарифмированию, называется потенцированием.
Этим действием с использованием основных свойств логарифмов (1-5) по
логарифму выражения восстанавливается само выражение. Приведем примеры
таких действий.
Пример 11.
Определить 𝑥, 𝑦 и 𝑧, если:
𝑙𝑜𝑔6 𝑥 = 3 𝑙𝑜𝑔6 4 + 4 𝑙𝑜𝑔6 21 − 𝑙𝑜𝑔6 19,
𝑙𝑜𝑔4 𝑦 =
2
1
𝑙𝑜𝑔4 12 + 𝑙𝑜𝑔4 25,
3
2
𝑙𝑜𝑔5 𝑧 = 𝑙𝑜𝑔5 𝑎 + 2 𝑙𝑜𝑔5 (𝑎 + 𝑏) − 𝑙𝑜𝑔5 (𝑎 − 𝑏)(𝑎 > 0, 𝑏 > 0, 𝑎 > 𝑏).
Решение.
Имеем:
𝑙𝑜𝑔6 𝑥 = 𝑙𝑜𝑔6 64 + 𝑙𝑜𝑔6 214 − 𝑙𝑜𝑔6 19,
𝑙𝑜𝑔6 𝑥 = 𝑙𝑜𝑔6
64∙214
19
,
следовательно, 𝑥 =
64∙214
19
2
;
1
𝑙𝑜𝑔4 𝑦 = 𝑙𝑜𝑔4 123 + 𝑙𝑜𝑔4 252 ,
2
𝑙𝑜𝑔4 𝑦 = 𝑙𝑜𝑔4 (123 ∙ 5),
2
следовательно, 𝑦 = 123 ∙ 5;
𝑙𝑜𝑔5 𝑧 = 𝑙𝑜𝑔5 𝑎 + 𝑙𝑜𝑔5 (𝑎 + 𝑏)2 − 𝑙𝑜𝑔5 (𝑎 − 𝑏),
𝑎 ∙ (𝑎 + 𝑏)2
𝑙𝑜𝑔5 𝑧 = 𝑙𝑜𝑔5
,
𝑎−𝑏
следовательно, 𝑧 =
𝑎∙(𝑎+𝑏)2
𝑎−𝑏
.
5. Десятичные и натуральные логарифмы.
Десятичным логарифмом числа называется логарифм этого числа по
основанию 10. Такой логарифм записывается следующим образом:
𝑙𝑔 𝑎 = 𝑙𝑜𝑔10 𝑎.
Десятичные логарифмы чисел, составляющих некоторую степень числа 10,
легко вычисляются, например,
100 = 1,
𝑙𝑔 1 = 0,
101 = 10,
𝑙𝑔 10 = 1,
102 = 100, 𝑙𝑔100 = 2,
10−1 = 0,1, 𝑙𝑔 0,1 = −1.
Логарифмы остальных чисел определяются либо с помощью таблиц,
имеющихся в различных справочниках, либо с применением микрокалькуляторов.
Натуральным логарифмом числа называется логарифм этого числа по
основанию е, где е – иррациональное число, приближенно равное 2, 718. Логарифм
числа по основанию е записывается следующим образом:
𝑙𝑛 𝑏 = 𝑙𝑜𝑔𝑒 𝑏.
Заметим, 𝑙𝑛 1 = 0, 𝑙𝑛 𝑒 = 1 (по основным свойствам логарифмов).
6. Логарифмические тождества.
Выведем формулу перехода от одного основания логарифма к другому
основанию:
𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑥 =
𝑙𝑜𝑔𝑏 𝑥
.
𝑙𝑜𝑔𝑏 𝑎
(Эта формула верна, если обе ее части имеют смысл, т.е. при 𝑥 > 0, 𝑎 > 0, 𝑎 ≠
1, 𝑏 > 0, 𝑏 ≠ 1. )
По правилу логарифмирования степени и основному логарифмическому
тождеству получаем:
𝑙𝑜𝑔𝑏 𝑥 = 𝑙𝑜𝑔𝑏 (𝑎𝑙𝑜𝑔𝑎𝑥 ),
откуда
𝑙𝑜𝑔𝑏 𝑥 = 𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑥 ∙ 𝑙𝑜𝑔𝑏 𝑎.
Разделив обе части полученного равенства на 𝑙𝑜𝑔𝑏 𝑎, приходим к нужной
формуле.
Пример 12.
1
Вычислить: а) 𝑥 = 𝑙𝑜𝑔125 5; б) 𝑦 = 𝑙𝑜𝑔 1 .
16
2
Решение.
а) 𝑥 = 𝑙𝑜𝑔125 5 =
𝑙𝑜𝑔5 5
1
𝑙𝑜𝑔5 125
= .
3
1
1
1
22
б) 𝑦 = 𝑙𝑜𝑔 1 =
= .
1
4
16 2
𝑙𝑜𝑔1
16
2
𝑙𝑜𝑔1
Докажем тождество
1
𝑙𝑜𝑔𝑎𝑘 𝑥 = 𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑥 (𝑎 > 0, 𝑎 ≠ 1, 𝑘 ≠ 0, 𝑥 > 0).
𝑘
Из основного логарифмического тождества (1.2)
𝑥 = (𝑎𝑘 )𝑙𝑜𝑔𝑎𝑘 𝑥 ,
иначе
𝑥 = 𝑎𝑘𝑙𝑜𝑔𝑎𝑘 𝑥 .
Прологарифмировав это равенство по основанию 𝑎, получим:
𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑥 = 𝑘𝑙𝑜𝑔𝑎𝑘 𝑥 ∙ 𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑎 = 𝑘𝑙𝑜𝑔𝑎𝑘 𝑥,
Из чего и следует тождество (1.4).
(1.4)
Пример 13.
Приведем 𝑙𝑜𝑔√2 𝑥 к основанию 2. По (1.4):
𝑙𝑜𝑔√2 𝑥 = 𝑙𝑜𝑔21⁄2 𝑥 = 2𝑙𝑜𝑔2 𝑥.
Любой логарифм можно представить в виде отношения двух логарифмов, взятых
по одному и тому же основанию, т.е.
𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑥
𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑦
=
𝑙𝑜𝑔𝑏 𝑥
𝑙𝑜𝑔𝑏 𝑦
(𝑎 > 0, 𝑎 ≠ 1, 𝑏 > 0, 𝑏 ≠ 1, 𝑥 > 0, 𝑦 > 0).
(1.5)
Из формулы перехода от одного основания логарифма к другому основанию
следует, что
𝑙𝑜𝑔𝑦 𝑥 =
𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑥 𝑙𝑜𝑔𝑏 𝑥
=
,
𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑦 𝑙𝑜𝑔𝑏 𝑦
что и требовалось доказать.
Докажем тождество
𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑥 = 𝑙𝑜𝑔𝑎𝑚 𝑥 𝑚 (𝑎 > 0, 𝑎 ≠ 1, 𝑥 > 0).
Пусть 𝑙𝑜𝑔𝑎 𝑥 = 𝑛, тогда 𝑎𝑛 = 𝑥; возведем это равенство в степень 𝑚:
(𝑎𝑛 )𝑚 = 𝑥 𝑚 или (𝑎𝑚 )𝑛 = 𝑥 𝑚 ,
откуда 𝑛 = 𝑙𝑜𝑔𝑎𝑚 𝑥 𝑚 , из чего и следует (1.6).
Пример 14.
𝑙𝑜𝑔4 25 = 𝑙𝑜𝑔22 52 = 𝑙𝑜𝑔2 5.
(1.6)
Download