С1 математика показательные уравнения и

Сегодня мы разберем еще одну задачу С1, но в отличии от предыдущих, она будет не тригонометрическим уравнением, а показательным. Но даже это показательное уравнение, будет отнюдь не самым простым.

Правила работы со степенями

Прежде чем решать любое показательное уравнение, хотел бы обратить ваше внимание на правило работы со степенными показателями. Таких правил, основных, самых важных, всего три, и все их вы уже, наверняка, знаете:

Вот и все основные правила, которые нам нужно знать для решения сегодняшнего примера.

Решаем задачу

Решите показательное уравнение. Найдите все корни этого уравнения, принадлежащие промежутку:

25 x− 3 2 −12⋅ 5 x−2 +7=0,x∈ ( 2; 8 3 )

Давайте внимательно посмотрим на наше показательное уравнение: у нас есть 5 в каком-то степенном значении и 25, кроме того, 25= 5 2 25=<<5>^<2>>. Теперь мы можем переписать наше исходное уравнение следующим образом:

( 5 2 ) x− 3 2 −12⋅ 5 x−2 +7=0

Вот здесь мы вспоминаем формулу возведения степени в степень:

5 2⋅ ( x− 3 2 ) −12⋅ 5 x−2 +7=0

5 2x−3 −12⋅ 5 x−2 +7=0

5 2x−4+1 −12⋅ 5 x−2 +7=0

5 2x−4 ⋅ 5 1 −12⋅ 5 x−2 +7=0

5 2 (x−2) ⋅5−12⋅ 5 x−2 +7=0

Обратите внимание: на каждом шаге преобразовании мы работали исключительно с первым элементом, который изначально звучал как 25 x− 3 2 <<25>^<2>>>. В итоге мы получил конструкцию вида 5 2(x−2) ⋅5 <<5>^<2(x-2)>>\cdot 5. Возникает сразу два вопроса: в первую очередь, зачем нам нужно было это делать?

Потому что теперь мы можем сделать следующую замену:

5 x−2 =t −12⋅ 5 x−2 +7=0

Теперь у нас получится красивое квадратное показательное уравнение:

Но есть одна проблема: как добавить 1 и вычесть ее на одном из шагов? Все очень просто. У нас уже есть готовая конструкция 5 x−2 <<5>^>. Следовательно, при возведении ее в квадрат, мы должны перемножить степенные показатели:

5 x−2 = 5 (x−2)2 = 5 2x−4

Именно в этом состоит тактика решения показательных уравнений, основания степеней в которых неодинаковые, в нашем случае это 5 и 25.

Еще раз: чтобы там не стояло в показателе старшего элемента, мы должны преобразовать его таким образом, чтобы получился удвоенный показатель младшего элемента. И тогда, как мы уже убедились, получится красивое квадратное показательное уравнение, которое легко решается. Давайте его решим.

Очевидно, поскольку перед t 2 <^<2>> стоит 5, это уравнение не является приведенным, поэтому решать мы его будем через дискриминант. Итак, дискриминант равен:

D=144-4\cdot 5\cdot 7=4

Корень равен 2. Находим t t:

Итак, мы получили корни квадратного уравнения: 7 5 \frac<7> <5>и 1. Теперь возвращаемся к нашему исходному выражению и вспоминаем, что t= 5 x−2 t=<<5>^>:

5 x−2 =1 5 x−2 = 5 0 x−2=0 x=2

Подставляем второй корень:

Другими словами, мы можем переписать наше показательное уравнение следующим образом:

5 x−2 = 5 log 5 7 5

Почему мы выбрали основание именно 5? Потому что у нас слева стоит 5 x−2 <<5>^>, т. е. основание у нас задается самим уравнением. Теперь мы можем избавиться от 5:

Вот наши два ответа: 2 и log535.

Мы решили первую часть задачи и нашли корни. Теперь из этих корней нам нужно отобрать те, которые принадлежат интервалу \[\left( 2;\frac<8> <3>\right)\].

Для этого давайте для начала перепишем значения, входящие в сам интервал. Дело в том, что 8 3 \frac<8> <3>— это дробь, поэтому из нее нужно выделить целую часть. Интервал будет выглядеть следующим образом:

x˜\in \left( 2;2\frac<2> <3>\right)

Из двух корней, 2 и log535, нам нужно выбрать такие числа, которые принадлежат нашему интервалу. В первую очередь, давайте сразу заметим, что x=2 x=2 не принадлежит нашему интервалу:

x\notin \left( 2;2\frac<2> <3>\right)

Потому что, с одной стороны, 2 является концом интервала, но, с другой стороны, поскольку скобки круглые, сама 2 не принадлежит этому интервалу.

Остается лишь один корень log535. Разумеется, поскольку это один единственный ответ нашего показательного выражения, то у нас есть все основания полагать, что он лежит на данном интервале, однако если мы не обоснуем это утверждение, то проверяющие снимут из нас 1 балл. Другими словами, нам нужно доказать, что число log535 лежит на нашем интервале. Но проблема в том, что мы не знаем, чему равен log535. И как поступать в таком случае? Сейчас внимание! Я расскажу вам четкий пошаговый алгоритм, который часто требуется применять в задачах С1, С3 и С5 из ЕГЭ по математике, т. е. всех алгебраических задачах части С.

Пошаговый алгоритм решения задач

Итак, нам нужно узнать, чему хотя бы примерно равен log535. Прежде всего, давайте рассмотрим значения вида

Мы просто перебираем 5 натурального степенного значения. Получим:

log 5 5 1 = log 5 5

log 5 5 2 = log 5 25

log 5 5 3 = log 5 125

Разумеется, можно было бы выписать больше, но нам важно понять, между какими числами видами 5, 25 и 125, лежит наше исходное 35. Очевидно, оно лежит между 25 и 125. Следовательно, log535 будет лежать между

<<\log >_<5>>125. Также мы можем посчитать показательное выражение:

Отсюда заключаем, что

˜2 ( 2;2 2 3 ) \left( 2;2\frac<2> <3>\right), т. е. то, что логарифм лежит на промежутке от 2 до 3, нам не помогает. Поэтому переходим к следующему шагу и начинаем рассматривать половинки, значения вида 1,5; 2,5; 3,5. Давайте посмотрим: возьмем среднее арифметическое чисел 2 и 3 и возводим 5 в степень этого среднего арифметического:

log 5 5 2+3 2 = log 5 5 2,5 = log 5 5 2 ⋅ 5 1 2 = log 5 25 5 √

А теперь нам нужно понять, что больше

25\sqrt <5>или 35. Давайте сравним их:

7\bigcup 5\sqrt<5>\uparrow 2

49\bigcup 25\cdot 5

49 log 5 35 log 5 25 5 √

<<\log >_<5>>35 ˜ 2 log 5 35 5 10

˜2 2 log 5 35 2 5 10 2 3

=<<\log >_<5>>35 после отбора с учетом ограничений.

Еще раз, это очень важный шаг. Когда у нас есть логарифм по какому-то нормальному основанию, но от числа, которое не считается, т. е. не является точным показателем основания, мы сначала рассматриваем целые значения и находим, между степенями каких чисел лежит наше число. В нашем случае получилось, что

<<\log >_<5>>35 будет лежать между

<<\log >_<5>>125, и мы получили такое неравенство

2 5 1,5 <<5>^<1,5>> или 5 2,5 <<5>^<2,5>>, у нас, естественно, получаются корни, которые потом придется сравнивать при помощи галочки неизвестности. Однако не стоит переживать, это сравнение не вызывает каких-либо сложностей, и после небольшой тренировки сравнивать корни таким образом сможет даже неподготовленный ученик. В результате мы получили уточненное ограничение, которое уже точно даст нам понять, принадлежит ли наш корень данному интервалу или не принадлежит.

Обратите внимание, более глубокого разделения, т. е. уже на четверти, а не на половинки в реальной части С ЕГЭ по математике я не видел ни разу, т. е. шага выписывания половинок уже будет достаточно. Более сложное задание на настоящем ЕГЭ по математике вам точно не попадется. Вот и все, получив уточненное ограничение, вы уже сможете обоснованно утверждать, что данный корень принадлежит указанному интервалу. И, следовательно, является ответом ко второй части задачи. Вы получите два балла из двух возможных на ЕГЭ по математике. Так что обязательно изучите этот прием. Он будет очень полезен не только в задачах С1 в ЕГЭ по математике, но также и в задачах С3 и С5.

Ключевые моменты

На примере этой задачи C1из ЕГЭ по математике хочу прояснить сразу два принципиально важных моментов:

Если вы видите, что уравнение сводится к квадратному, то старайтесь обозначать новой переменной степенное выражение с наименьшим показателем. Это избавит вас от возникновения дробей в дальнейших вычислениях и значительно упростит итоговое решение;

Если при решении показательного уравнения возник «некрасивый логарифм» (в нашем случае это

<<\log >_<5>>35), для получения его примерного значения сначала считайте натуральные степенные показатели:

<<\log >_<5>>52; log 5 5 3 <<\log >_<5>><<5>^<3>> . Если же этих ограничений окажется недостаточно, начинайте перебирать числа, стоящие посередине между соседними натуральными:

Как решать
показательные уравнения?

Решение уравнений – навык, который необходим каждому нацеленному на успешную сдачу ЕГЭ и ОГЭ школьнику. Это поможет решить задания №5, 13 и 15 из профильного уровня математики.

Одна из их разновидностей – степенные уравнения, которые иногда также называют показательными. Основная отличительная особенность – наличие переменной \(х\) не в основании степени, а в самом показателе. Как это выглядит:

Не бойтесь – это самый общий вид показательных уравнений. Реальные примеры выглядят как-то так:

Внимательно посмотрите на приведенные уравнения. В каждом из них присутствует, так называемая, показательная (степенная) функция. При решении необходимо помнить об основных свойствах степени, а также использовать особые правила, помогающие вычислить значение \(х\). Познакомиться с понятием степени и ее свойствами можно тут и тут.

И вам понадобится умение решать обыкновенные линейные и квадратные уравнения, те, что вы проходили в 7-8 классе. Вот такие:

И так, любое уравнение, в котором вы увидите показательную (степенную) функцию, называется показательным уравнением. Кроме самой показательной функции в уравнении могут быть любые другие математические конструкции – тригонометрические функции, логарифмы, корни, дроби и т.д. Если вы видите степень, значит перед вам показательное уравнение.

Ура! Теперь знаем, как выглядят показательные уравнения, но толку от этого не очень много. Было бы неплохо научиться их решать. Отличная новость – на наш взгляд показательные уравнения одни из самых простых типов уравнений, по сравнению с логарифмическими, тригонометрическими или иррациональными.

Простейшие показательные уравнения

Давайте начнем с самых простых типов уравнений и разберем сразу несколько примеров:

Что такое решить уравнение? Это значит, что нужно найти такое число, которое при подстановке в исходное уравнение вместо \(х\) даст верное равенство. В нашем примере нужно найти такое число, в которое нужно возвести двойку, чтобы получить восемь. Ну это просто:

Значит, если \(х=3\), то мы получим верное равенство, а значит мы решили уравнение.

Решим что-нибудь посложнее.

Такое уравнение выглядит сложнее. Попробуем преобразовать правую часть уравнения:

Мы применили свойство отрицательной степени по формуле:

Теперь наше уравнение будет выглядеть так:

Заметим, что слева и справа у нас стоят показательные функции, и там, и там основания одинаковые и равны \(3\), только вот степени разные – слева степень \((4х-1)\), а справа \((-2)\). Логично предположить, что если степени у такой конструкции будут равны, при условии, что основания одинаковые, то мы получим верное равенство. Так и поступим:

Такое мы решать умеем, ведь это обыкновенное линейное уравнение.

Поздравляю, мы нашли корень нашего показательного уравнения.

Попробуем поступить так, как в предыдущем примере – преобразуем левую и правую часть, чтобы слева и справа была показательная функция с одинаковым основанием. Как это сделать? Обращаем внимание, что \(125=5*5*5=5^3\), а \(25=5*5=5^2\), подставим:

Воспользуемся одним из свойств степеней \((a^n)^m=a^\):

И опять мы получили две показательные функции, у которых одинаковые основания и для того, чтобы равенство выполнялось, необходимо приравнять из степени:

И еще один пример:

Те, кто хорошо знает свойства степеней, знают, что показательная функция не может быть отрицательной. Действительно, попробуйте возводить \(2\) в различную степень, вы никогда не сможете получить отрицательное число.

Внимание! Показательная функция не может быть отрицательной, поэтому, когда вы встречаете примеры на подобии примера 4, то знайте, что такого быть не может. Здесь корней нет, потому что показательная функция всегда положительна.

Теперь давайте разработаем общий метод решения показательных уравнений. И научимся решать более сложные примеры.

Общий метод решения показательных уравнений

Пусть у нас есть вот такой пример:

Где \(a,b\) какие-то положительные числа. (\(a>0, \; b>0\).

Согласно разобранным выше примерам, логично предположить, что для того, чтобы решить данное уравнение, нужно его преобразовать к виду, где слева и справа стоят показательные функции с одинаковым основанием. Так и поступим.

Слева у нас уже стоит \(a^x\), с этим ничего делать не будем, а вот справа у нас стоит загадочное число \(b\), которое нужно попытаться представить в виде \(b=a^m\). Тогда уравнение принимает вид:

Раз основания одинаковые, то мы можем просто приравнять степени:

Вот и весь алгоритм решения. Просто нужно преобразовать исходное уравнение таким образом, чтобы слева и справа стояли показательные функции с одинаковыми основаниями, тогда приравниваем степени и вуаля – сложное показательное уравнение решено. Осталось только разобраться, как так преобразовывать. Опять разберем на примерах:

Замечаем, что \(16=2*2*2*2=2^4\) это степень двойки:

Основания одинаковые, значит можно приравнять степени:

$$x=4.$$
Пример 6 $$5^<-x>=125 \Rightarrow 5^<-x>=5*5*5 \Rightarrow 5^<-x>=5^3 \Rightarrow –x=3 \Rightarrow x=-3.$$
Пример 7 $$9^<4x>=81 \Rightarrow (3*3)^<4x>=3*3*3*3 \Rightarrow(3^2)^<4x>=3^4 \Rightarrow 3^<8x>=3^4 \Rightarrow 8x=4 \Rightarrow x=\frac<1><2>.$$

Здесь мы заметили, что \(9=3^2\) и \(81=3^4\) являются степенями \(3\).

Все здорово, но проблема в том, что такая схема решения показательных уравнений работает не всегда. Что делать, если привести к одинаковому основанию не получается. Например:

\(3\) и \(2\) привести к одинаковому основанию затруднительно. Но тем не менее мы должны это сделать. Воспользуемся следующей схемой преобразований: пусть есть некоторое положительное число \(b>0\), тогда его можно представить в виде степени любого, нужного вам, положительного числа не равного единице \(a>0, \; a \neq 1\):

Эта очень важная формула, рекомендуем ее выучить. Вернемся к нашему примеру и по формуле представим \(2\) в виде \(3\) в какой-то степени, где \(a=3\), а \(b=2\):

Подставим данное преобразование в наш пример:

Получили равенство двух показательных функций с одинаковым основанием, значит можем приравнять их степени:

Так в ответ и запишем. Никакой ошибки здесь нет, дело в том, что такие логарифмы можно посчитать только на калькуляторе, поэтому на ЕГЭ или в контрольной работе вы просто оставляете ответ в таком виде.

Кто забыл, что такое логарифм, можно посмотреть здесь.

Рассмотрим еще несколько аналогичных примеров.

Те, кто хорошо знает свойства логарифмов, могут поиграться с последней формулой и получить ответ в разном виде:

Все эти варианты ответа верные, их можно смело писать в ответ.

И так, мы с вами научились решать любые показательные уравнения вот такого вида: \(a^x=b\), где \(a>0; \; b>0\).

Но это еще далеко не все. Часто вы будете встречать показательные уравнения гораздо более сложного типа. В ЕГЭ по профильной математике это номер 15 из 2й части. Но бояться тут не нужно, все на первый взгляд сложные уравнения при помощи обычно не самых сложных преобразований сводятся к уравнениям типа \(a^x=b\), где \(a>0; \; b>0\). Рассмотрим типы сложных уравнений, которые могут попасться:

Решение показательных уравнений при помощи замены

Самое первое, что вы должны всегда делать, это пытаться привести все имеющиеся показательные функции к одинаковому основанию.

Здесь это сделать легко, замечаем, что \(9=3^2\), тогда \(9^x=(3^2)^x=3^<2x>=(3^x)^2\). Здесь мы воспользовались свойством степеней: \((a^n)^m=a^\). Подставим:

Обратим внимание, что во всем уравнении все \(х\) «входят» в одинаковую функцию — \(3^x\). Сделаем замену \(t=3^x, \; t>0\), так как показательная функция всегда положительна.

Квадратное уравнение, которое решается через дискриминант:

Оба корня больше нуля, значит оба нам подходят. Сделаем обратную замену и уравнение сводится к решению двух простых показательных уравнений:

И второй корень:

И еще один пример на замену:

Воспользуемся нашим правилом, что все нужно приводить к одинаковому основанию – а стоп, тут и так у всех показательных функций основание \(3\). Давайте еще внимательно посмотрим на наш пример, очень похоже на то, что он тоже делается через замену. Но у нас тут нет одинаковых показательных функций, основания то одинаковые, а вот степени отличаются. Но если быть внимательным, то можно заметить, что в первой степени можно разбить свободный член \(3=2+1\) и вынести общий множитель \(2\):

Подставим в исходное уравнение:

Теперь показательные функции одинаковы и можно сделать замену:

Обратная замена, и наше уравнение сводится к простейшему:

И второе значение \(t\):

Тут у нас две показательные функции с основаниями \(7\) и \(3\), и как сделать из них одинаковые основания непонятно. Этот пример решается при помощи деления. Давайте поделим все наша уравнение на \(3^x\):

Здесь нам придется воспользоваться свойствами степеней:

Разберем каждое слагаемое:

Теперь подставим получившееся преобразования в исходное уравнение:

Теперь видно, что в нашем уравнении есть одинаковая функция, которую можно убрать в замену \(t=(\frac<7><3>)^x\):

Сделаем обратную замену:

И последний пример на замену:

Первым делом нужно сделать так, чтобы все показательные функции были с одинаковым основанием и в идеале с одинаковой степенью. Для этого нам понадобятся формулы для степеней:

Разберем каждое слагаемое нашего уравнения:

Все десятичные дроби всегда разумно представить в виде обыкновенных дробей. И будьте внимательны — отрицательная степень не имеет никакого отношения к знаку показательной функции!

И последнее слагаемое со степенью:

Подставим все наши преобразования в исходное уравнение:

Теперь можно сделать замену \(t=2^x\) или можно обойтись без замены, просто приведя подобные слагаемые (вынести общий множитель \(2^x\)):

Особенно стоит подчеркнуть прием, который мы использовали при решении 13-го примера. Всегда старайтесь избавляться от десятичных дробей. Переводите их в обыкновенные дроби.

И другой тип степенных уравнений, где обычно не нужно делать замену, а необходимо отлично знать все свойства степеней, некоторые из них мы уже обсудили выше. Все про свойства степеней можно посмотреть тут

Вот такое уравнение, в котором у нас, во-первых, показательных функции перемножаются, а еще хуже то, что у них у всех разные основания. Катастрофа, а не пример. Но ничего, все не так страшно, как кажется. Внимательно посмотрите на основания: у нас есть в основании \(2\), \(5\) и \(10\). Очевидно, что \(10=2*5\). Воспользуемся этим и подставим в наше уравнение:

Воспользуемся формулой \((a*b)^n=a^n*b^n\):

И перекинем все показательные функции с основанием \(2\) влево, а с основанием \(5\) вправо:

Сокращаем и воспользуемся формулами \(a^n*a^m=a^\) и \(\frac=a^\):

Самая главная идея при решении показательных уравнений – это любыми доступными способами свести все имеющиеся степенные функции к одинаковому основанию. А еще лучше и к одинаковой степени. Вот почему необходимо знать все свойства степеней, без этого решить уравнения будет проблематично.

Как же понять, где какие преобразования использовать? Не бойтесь, это придет с опытом, чем больше примеров решите, тем увереннее будете себя чувствовать на контрольных в школе или на ЕГЭ по профильной математике. Сначала потренируйтесь на простых примерах и постепенно повышайте уровень сложности. Успехов в изучении математики!