Показательные уравнения

Содержание

Суть показательных уравнений

Показательные уравнения — это уравнения, в которых неизвестная переменная находится в показателе степени. Вся стратегия их решения строится на том, чтобы избавиться от степеней и перейти к алгебраическому уравнению (линейному, квадратному или дробно-рациональному).

Главное правило, о котором часто забывают: показательная функция y=axy = a^x определена только при a>0a > 0. Это значит, что основание степени всегда строго положительно, а сама функция принимает только положительные значения (ax>0a^x > 0 при любых x∈Rx \in \RR).

Ключевые свойства и формулы

Для преобразования выражений используются базовые свойства степеней. На ДВИ они требуются для упрощения аргументов перед введением замены. Лист формул на экзамене не выдают — эти тождества надо помнить наизусть и уметь выписать.

Любое стандартное показательное уравнение сводится к простейшему виду, где основания равны.

Если в правой части стоит число bb, а не степень того же основания, переход к показателю выполняется через логарифм. Эту формулу на ДВИ тоже надо уметь выписать самому.

Особый тип задач на ДВИ — уравнения, где неизвестная есть и в показателе, и в основании. Показательно-степенная функция f(x)g(x)f(x)^{g(x)} на множестве действительных чисел определяется только для f(x)>0f(x) > 0.

Основные методы решения

Монотонность и единственный корень

Примеры

Примеры идут параллельно пунктам алгоритма: от самого базового приёма (приведение к основанию) к нестандартным (логарифмирование, монотонность).

Пример 1. Приведение к одному основанию

Условие. Реши уравнение 5x2−2x=1255^{x^2 - 2x} = 125.

Пример 2. Вынесение общего множителя

Условие. Реши уравнение 3x+1+3x=1083^{x+1} + 3^{x} = 108.

Пример 3. Замена сопряжённых выражений

Условие. Реши уравнение (3+22)x−2(3−22)x=1\left(3 + 2\sqrt{2}\right)^x - 2\left(3 - 2\sqrt{2}\right)^x = 1.

Пример 4. Однородное уравнение

Условие. Реши уравнение 3⋅16x+2⋅81x=5⋅36x3 \cdot 16^x + 2 \cdot 81^x = 5 \cdot 36^x.

Пример 5. Логарифмирование обеих частей

Условие. Реши уравнение 5x⋅8x−1x=5005^x \cdot 8^{\frac{x-1}{x}} = 500.

Пример 6. Монотонность и оценка (единственный корень)

Условие. Реши уравнение 3x+4x=5x3^x + 4^x = 5^x.

Пример 7. Переменное основание

Условие. Реши уравнение ∣x−2∣x2−x=∣x−2∣2|x - 2|^{x^2 - x} = |x - 2|^2.

Случай основания 0<a<10 < a < 1

Для уравнений направление перехода ag=ah  ⟺  g=ha^{g} = a^{h} \iff g = h от величины основания не зависит — оно работает при любом a>0a > 0, a≠1a \neq 1. А вот в неравенствах при 0<a<10 < a < 1 знак переворачивается, и это самая частая «ловушка» мостика от уравнений к неравенствам.

Два графика показательной функции в одной системе координат
Пример 8. Уравнение с основанием 0<a<10 < a < 1

Условие. Реши уравнение (13)x2=(13)2x+3\left(\dfrac{1}{3}\right)^{x^2} = \left(\dfrac{1}{3}\right)^{2x + 3}.

Частые ошибки

Что запомнить

  • Чистота аргументов: первое действие всегда — разбить выражения вида ax+ca^{x+c} на множители ax⋅aca^x \cdot a^c, а составные основания (12x12^x) — на простые (3x4x3^x 4^x).
  • Вынесение общего множителя: несколько слагаемых одной базы с разными показателями сворачиваются вынесением наименьшей степени: ax+2+ax=ax(a2+1)a^{x+2}+a^x = a^x(a^2+1).
  • Сопряжённые иррациональности: если в задаче даны основания вида A+BA + \sqrt{B} и A−BA - \sqrt{B}, обязательно проверь их произведение. Скорее всего, оно равно 11, что открывает путь к замене tt и 1/t1/t.
  • Переход к логарифму: ax=b  ⟺  x=log⁡aba^x = b \iff x = \log_a b при b>0b > 0; при b⩽0b \leqslant 0 корней нет. «Некрасивый» логарифмический ответ — норма для ДВИ.
  • Монотонность: показательная функция возрастает при a>1a > 1 и убывает при 0<a<10 < a < 1. Если графики возрастающей и убывающей (или постоянной) функции пересекаются, то ровно в одной точке — это даёт единственность корня.

Оформление под рубрику ДВИ

ДВИ — письменный экзамен, оценка по outcomes-рубрике «±»: важен не только ответ, но и полнота обоснований. Ниже — эталон того, как оформить решение, чтобы не потерять «±», и список типичных снятий.

Стратегия на ДВИ

Проверь себя
  1. Уравнение 5x2−2x=1255^{x^2-2x} = 125 равносильно какому уравнению?
  2. При замене t=2xt = 2^x квадратное уравнение дало корни t1=4t_1 = 4 и t2=−1t_2 = -1. Что верно?
  3. Сколько корней имеет уравнение ax=ba^x = b при a>0a > 0, a≠1a \neq 1 и b⩽0b \leqslant 0?
  4. Почему уравнение 3x+4x=5x3^x + 4^x = 5^x имеет единственный корень x=2x = 2?